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    变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨.pdf

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    变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨.pdf

    lO CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨 刘来印 中化泉州石化有限公司 泉州362103 摘要 本文系统地推导了变压吸附过程中均压压力和管道流速的计算公式,结合均压压力的理论计算值 与实际开车数据并进行对比,引入吸附放大系数对管径计算进行修正,为变压吸附管径设计和现场开车数据定 量分析提供理论基础。 关键词 变压吸附均压压力 管道设计吸附放大系数 变压吸附技术Pressure Swing Adsorption,简 称PSA是一项用于分离气体混合物并制取纯气体 的技术,具有适用气源广、产品纯度高、工艺 简单、节能效果显著等特点。该技术广泛应用于 变换气、焦炉煤气、重整氢、炼厂干气等含氢气 源中回收氢气,变换气脱碳,从富含一氧化碳混 合气中分离提纯一氧化碳,天然气净化提纯甲烷, 炼厂干气提浓乙烯,空气分离制富氧、纯氮等。 1 变压吸附均压压力计算 1.1变压吸附过程描述 变压吸附的基本原理是以吸附剂内部表面对 气体分子的物理吸附为基础,利用吸附剂在相同 压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分 和提高压力时吸附量增加、降低压力时吸附量减 少的特性,在高压力下将原料气中的高沸点组分 吸附、在低压力下解吸被吸附的杂质组分使吸附 剂获得再生,通过周期性的压力变换过程实现气 体的分离和提纯。 变压吸附均压过程中吸附罐的压力不断变化, 各个吸附罐之间相连管道中的流速随着每次均压 时间的延长也在不断降低。所谓“均压”就是需 降压解吸的吸附床分别向需升压的不同的吸附床 充压,需降压解吸的吸附床压力逐级下降,而需 升压的吸附床的压力得到逐级升高,从而使吸附 床降压排出的有用气体得到有效利用,均压步骤 的主要作用是回收吸附床降压时排出的有用气 体-2 J。通常对于降压的吸附床这一过程叫做“均 压降”,对于升压的吸附床这一过程叫做“均压 升”。 整个变压吸附过程通常由吸附A、均压降 多次,第N次用END表示、顺放PP、逆放 D、冲洗P、抽真空V、均压升多次, 第N次用ENR表示和终充FR等步骤组成, 根据杂质解吸的难易程度以及对产品纯度和回收 率的不同要求,上述步骤中的PP、P、V可以少选 或不选。通常情况下,提纯氢气为主的PSA装置 多选择冲洗步骤解吸,脱除二氧化碳为主的PSA 装置多选择抽真空步骤解吸,由于变压吸附过程 压力变化频繁 J,因而无论采取哪种解吸方式, 均压过程都是设计工作的核心步骤。 变压吸附工艺方案或称“时序表”通常用 “总吸附罐数量一同时吸附的吸附罐数量一均压次 数/冲洗或抽空”来表示,如“824/V”表示 总共有8个吸附罐、2个同时进料、4次均压带抽 真空解吸工艺流程。典型的824/V变压吸附 时序表见表1。 1.2均压过程压力计算 从表1可以看出,每一个分步骤都有四个吸附 罐在同时进行均压,随着相互均压的两个吸附罐 之间压力逐渐平衡,均压步骤结束,接着进入下 一个分步骤。 刘来印工程师。2003年毕业于郑州大学化学工程与工艺专业。主要从事制氢与加氢工程技术工作。联系电话18965550928,E mailliulaiyinsinochem.corn。 2013,232 刘来印 变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨 1l 以824/V工艺过程为例,对均压压力公 式进行推导。824/V共有l2个压力,即A、 E1D、E2D、E3D、E4D、D、V、E4R、E3R、 E2R、E1 R、FR,而当均压和终充过程达到压力平 衡,即均压降等于均压升ENDENR、终充等 于吸附FRA的压力时,整个工艺过程可简 化为7个压力,即A、E1D、E2D、E3D、E4D、 D、V。 建立均压方程如下 E1D0.5A 1 E2D0.5E1DE3R 2 E3D0.5E2DEnR 3 E4D0.5E3D 4 通过1一4可以求解出每个均压值。 同理,对于M次均压的第N次均压值经过推导可 以得出其均压压力的计算公式如下 END[M1一ⅣANV]/M1 5 在上述变压吸附工艺中每次均压的压差AP相 等,计算公式如下 APA / 1 6 值得注意的是,公式5、6适用于不含 顺放或顺放在均压结束之后的情况。对于顺放发 生在均压过程中或带中间罐等特殊复杂工艺,需 按照时序表单独推算。 2变压吸附均压管径计算 2.1均压流速的定性分析 以表l中的吸附罐A和吸附罐D为例,在第3 周期第1步,两个罐进行均压期间,罐A压力从A 降至E1D、罐D压力从E2R升至E1R,当均压刚 开始时,两个罐压差最大,此时均压线速度也最 大,而当两个罐压力接近平衡时,均压线速度则 最小。可见,在罐A和罐D进行均压的过程中, 均压管道内的气体流速是不断变化的。 在变压吸附均压管道的设计过程中,必须考 虑管道内气体流速变化带来的影响,选择合适口 径的管道和阀门,以取得良好的技术经济效果。 2.2均压管径与平均线速关系推导 以罐A为例,吸附罐体积为Vm。,均压平 衡时间为ts,管道通径为Dm,平均线速为 Lm/s,均压初始压力P,Pa,均压结束压力 PPa,均压气量为Qm 。 由于变压吸附过程近似等温,不考虑温度变 化,气量与压力的关系结合通用状态方程积分 可得 QVlnP。/P2 7 气量与平均线速的关系如下 QLt /4 8 结合公式7、8可得出均压管径及平均 线速度的计算公式分别如下 LVlnP】/P2/0.25D2t D//VlnPl/P2/0.25Lt 3实际应用分析 9 1O 3.1某两套装置开车数据 表2和表3分别为已投产运行的z和J两套变 换气净化装置均为824/V工艺方案均压 过程的相关开车数据。 12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,232 注吸附罐体积为11m 、原料气量为15000Nm /h、产品气中CO2≤O.7%。 3.2均压压力比较 已知吸附压力A和抽真空压力V,逆放压力根 据经验取0.03MPaG,根据公式5可以 分别求得每次均压的理论值,将实际开车数据与 理论值进行比较,结果见表4。 表4 824/V均压压力的开车数据与理论计算值比较表 MPaG 从表4可以看出,每次均压压力的实际开车数 据比理论值偏低0.040.19 MPa不等,而根据公 式6计算的每次均压的△P也才只有0.24 MPa z装置和0.29 MPaJ装置,如此大的偏差 显然不是装置泄漏引起的。 为了找出造成偏差的原因,下面以表1中的吸 附罐A和吸附罐D在第3周期第1步的第一次均 压降E1D和第一次均压升E1R为例,对上 述两套装置的实际运行情况进行分析。该步骤的 均压过程中,吸附罐A在进行ElD后,压力从吸 附压力A降至ElD,吸附罐D在进行ElR后,压 力从E2R升至E1R。将此次均压的压力降与压力 升的压力差进行比较,可得出第一次均压降ElD 与第一次均压升E1R两个AP的比值 z装置 AP口D/APE1月1.110.81/0.800.51 1.03 J装置 AP豇D/APElR1.370.98/0.950.61 1.15 同理,可以进一步得出其他几次均压△P的 比值 z装置 AP D/AP屁RI.21 AP D/APE3R1.14 AP斟D/APE4R1.15 J装置 AP D/AP R1.33 AP D/AP躬R1.17 AP崩D/△P 1.41 由此可见,每次均压的降压压力都比升压压 力高,即均压降数值实际上不等于均压升数值, 这正是造成理论计算值与实际数据偏差的原因。 根据经验,同一次均压过程中的降压压力比 升压压力高的现象具有普遍性。从变压吸附工作 原理分析~方面,降压过程中吸附罐的初末期 平均压力比升压过程中吸附罐的初末期平均压力 高一档,即两个相互均压的吸附罐所处的状态不 同、过程也不互逆;另一方面,升压步骤均发生 在吸附剂刚刚再生好的吸附罐中,相对于降压步 刘来印 变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨 l3 骤正在解吸的吸附剂吸附容量更大。这两方面原 因的作用造成在均压时降压的压力比升压的压力 要大的现象。 3.3吸附放大系数 为了定量地描述在均压过程中,同等气量气 体在相同容积吸附罐中引起压力降低和升高数值 不等的现象,需要引人“吸附放大系数”概念。 吸附放大系数入,指相同压力下某种气体在装 满某种吸附剂的吸附罐中的摩尔量与其在相同容 积空吸附罐中的摩尔量之比,吸附放大系数与吸 附容量的大小成正比。 均压计算中比较常用的是相对吸附放大系数 入’,它指相同摩尔量的某种气体在两个相同容 积吸附罐之间均压时,降压压差与升压压差的比 值,该比值越大,说明升压过程相比于降压过程 的吸附容量越大、相对吸附放大系数越大,例如 ’E1R△PE1D/APE1R。 当气体组成、吸附剂类型、吸附罐容积和产 品指标相同时,吸附放大系数由均压初、末期压 力决定,即入 入 。由此,可计算各个均压过 程的吸附放大系数。 根据经验,取吸附至第一次均压结束阶段的 绝对放大系数 m1.20,结合本节3.2中计算的 相对放大系数数据,计算出824/V工艺中各 步骤的绝对放大系数见表5。 表5 824/V各步骤的放大系数 值 注吸附A、逆放D和抽空V的放大系数为经验值。 在变压吸附过程中,逆放D是直接由吸附 罐对着缓冲罐里面未装吸附剂泄压的,因此 也是最容易理解和校对吸附放大系数的步骤。以 表5逆放D为例,可知 。3或4,即在逆 放步骤,吸附罐每降压0.1 MPa,相同容积的缓冲 罐将升压0.3 MPa或0.4 MPa。 可见,尽管吸附罐中装满了吸附剂,但其储 气容量却远大于没装吸附剂的容器,这也间接证 明气体分子在吸附剂表面吸附时以近似液态形式 存在。 3.4平均线速度公式修正及实际开车数据分析 引人吸附放大系数 修正均压气量后,平均 线速度公式9修正为 LAVInPl/P/0.257rD t 11 结合表2和表3中的开车数据,按照式11 可以计算出z装置和J装置开车时的实际平均线速 度,见表6。 表6 824/V各步骤均压的平均线速度 m/s 表6中,E4R的平均线速最大,除E4R外的 其他均压线速相对比较接近平均值为76m/s, D和V的平均线速最小。E4R平均线速最大的主 要原因是均压时,该吸附塔刚刚再生完毕 较 大且处于负压状态,因此进行E4R的吸附罐内 部能够相对较长时间保持高压差;D和V平均线 速最小的原因主要是受相应吸附塔中吸附剂所吸 附杂质的解吸速率制约。 3.5 管径计算公式修正与应用注意事项 引入吸附放大系数 修正均压气量后,管径 计算公式JO修正为 一/fAVInP1/P2/0.25rLt 12 下面以824/VT艺方案为例,说明在已 下转鸽22页 22 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,232 还应在接头区加密配置框架次梁的箍筋。 4结语 1软件建模时,为了便于框架次梁端支座 上部纵向钢筋的锚固,减少次梁对支承梁的扭转 影响,楼面多跨连续次梁端支座与钢筋砼框架边 梁连接时,采用铰接连接比较符合梁开裂以后, 框架次梁和钢筋砼框架边梁发生内力重分布后结 构的真实受力状态。 2钢筋砼框架边梁的截面高宽比不宜大 于6。 3框架次梁与钢筋砼框架边梁的节点采用 铰接连接时,应采取构造加强措施保证框架次梁 与钢筋砼框架边梁的协调变形。钢筋砼框架边梁 应配置抗扭箍筋和纵筋,框架次梁应配置必要的 负弯矩纵向受拉构造钢筋和附加箍筋。 4框架次梁应尽量避免设置在钢筋砼框架 边梁的梁端负弯矩区域。 参考文献 1 姜学诗.建筑结构施工图设计文件审查常见问题分析.北 京中国建筑工业出版社,2009. 2 中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所.PKPM结构软件 若干常见问题剖析.北京中国建筑工业出版社,2009. 3王振东.钢筋混凝土结构构件协调扭转的零刚度设计方法 [J].建筑结构2004,3486871. 4美国钢筋混凝土房屋建筑规范ACI1992年公制修订版. 北京中国建筑科学研究院结构所译,1993. 5 CEB欧洲国际混凝土委员会.1990CEBFIP模式规范.北 京中国建筑科学研究院结构所译,1991. 6 GB 500102010,混凝土结构设计规范[s].北京中国 建筑工业出版社,2010. 收稿日期20121122 上接第13页 知吸附罐体积、吸附压力和抽真空压力的情况下, 公式12中的五个变量参数的选取 1吸附放大系数入,根据表5分别对不同均 压选取不同的值。 2均压初P。、末期压力P ,按公式5 计算后,结合表4修正。 3平均线速度L,根据表6分别对不同均压 选取不同的值。 4均压时间t,每个均压步骤通常可取20s 左右 。 按照上述方法,可以计算出管径D的数 值。在实际工业应用中,由于变压吸附管道一般 选择价格较低的碳钢l3],而程控阀价格相对较高, 因此最终确定管道和阀门通径时往往将管径适当 放大而阀门通径适当减小,以期在满足技术要求 的前提下降低投资。 需要注意的是,由于吸附放大系数和平均线 速受均压压力、均压气体组成、吸附剂类型、产 品指标质量要求和吸附剂再生方式等影响,且均 压初、末期压力计算值也需根据经验修正,因此 上述变量参数的适用范围有限,在具体设计中应 综合考虑并选择合适的参数。 4结语 综上所述,在变压吸附设计过程中,可利用 吸附放大系数、平均线速等数据,按照本文相关 公式,结合经验对均压压力进行修正和对均压管 径进行计算。本文相关公式也可用于变压吸附装 置现场开车数据的分析。 参考文献 1魏丽婷等.PSA制氢工艺管网中均压过程的仿真[J].西 华大学学报自然科学版,2006,2545254. 2汤洪.变压吸附装置中均压设计的讨论[J].化工设 计,2003,131l518. 3李卫锋,牛韧.变压吸附单元管道设计探讨[J].炼油 设计,2002,3293941. 4 令兵等.变压吸附流体力学模拟[J].天然气化工, 2012,3715861. 收稿时间2012一l202

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