變壓吸附制氫工藝行業(yè)報告

1、工藝技術說明1、吸附制氫裝置工藝技術說明1） 工藝原理吸附是指：當兩種相態(tài)不同的物質接觸時， 其中密度較低物質的分子在密度較高的物質表 面被富集的現(xiàn)象和過程。具有吸附作用的物質 （一般為密度相對較大的多孔固體）被稱為吸 附劑，被吸附的物質（一般為密度相對較小的 氣體或液體）稱為吸附質。吸附按其性質的不 同可分為四大類，即：化學吸附、活性吸附、 毛細管凝縮和物理吸附。變壓吸附（PSA ）氣體分離裝置中的吸附主要為物理吸附。物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質分子間的 分子力（包括范德華力和電磁力）進行的吸附。 其特點是：吸附過程中沒有化學反應，吸附過 程進行的極快，參與吸附的各相物質間的動態(tài)1 平衡在

2、瞬間即可完成，并且這種吸附是完全可 逆的。變壓吸附氣體分離工藝過程之所以得以實現(xiàn) 是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個 基本性質：一是對不同組分的吸附能力不同， 二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的 分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。 利用吸附劑的第一個性質，可實現(xiàn)對混合氣體 中某些組分的優(yōu)先吸附而使其它組分得以提 純；利用吸附劑的第二個性質，可實現(xiàn)吸附劑 在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再 生，從而構成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達到 連續(xù)分離氣體的目的。吸附劑：工業(yè)PSA-H2裝置所選用的吸附劑都是具有較大比表面積的固體顆粒，主要有：活性氧化 24鋁類、活性炭類、硅膠類和分

3、子篩類吸附劑； 另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的特 殊吸附材料，如CO專用吸附劑和碳分子篩等。 吸附劑最重要的物理特征包括孔容積、孔徑分 布、表面積和表面性質等。不同的吸附劑由于 有不同的孔隙大小分布、不同的比表面積和不 同的表面性質，因而對混合氣體中的各組分具 有不同的吸附能力和吸附容量。吸附劑對各種氣體的吸附性能主要是通過實 驗測定的吸附等溫線和動態(tài)下的穿透曲線來評 價的。優(yōu)良的吸附性能和較大的吸附容量是實 現(xiàn)吸附分離的基本條件。同時，要在工業(yè)上實現(xiàn)有效的分離，還必須 考慮吸附劑對各組分的分離系數(shù)應盡可能大。 所謂分離系數(shù)是指：在達到吸附平衡時，（弱吸附組分在吸附床死空間中殘余量 /

4、弱吸附組分在 吸附床中的總量）與（強吸附組分在吸附床死 空間中殘余量/強吸附組分在吸附床中的總量） 之比。分離系數(shù)越大，分離越容易。一般而言， 變壓吸附氣體分離裝置中的吸附劑分離系數(shù)不 宜小于3。另外，在工業(yè)變壓吸附過程中還應考慮吸附 與解吸間的矛盾。一般而言，吸附越容易則解 吸越困難。如對于 C5、C6等強吸附質，就應選 擇吸附能力相對較弱的吸附劑如硅膠等，以使 吸附容量適當而解吸較容易；而對于N2、。2、CO等弱吸附質，就應選擇吸附能力相對較強的 吸附劑如分子篩等，以使吸附容量更大、分離 系數(shù)更高。此外，在吸附過程中，由于吸附床內(nèi)壓力是 周期性變化的，吸附劑要經(jīng)受氣流的頻繁沖刷， 因而吸附

5、劑還應有足夠的強度和抗磨性。在變壓吸附氣體分離裝置常用的幾種吸附劑 中，活性氧化鋁類屬于對水有強親和力的固體, 一般采用三水合鋁或三水鋁礦的熱脫水或熱活 化法制備，主要用于氣體的干燥。硅膠類吸附劑屬于一種合成的無定形二氧化 硅，它是膠態(tài)二氧化硅球形粒子的剛性連續(xù)網(wǎng) 絡，一般是由硅酸鈉溶液和無機酸混合來制備 的，硅膠不僅對水有極強的親和力，而且對烴 類和C02等組分也有較強的吸附能力?；钚蕴款愇絼┑奶攸c是：其表面所具有的 氧化物基團和無機物雜質使表面性質表現(xiàn)為弱 極性或無極性，加上活性炭所具有的特別大的 內(nèi)表面積，使得活性炭成為一種能大量吸附多 種弱極性和非極性有機分子的廣譜耐水型吸附 劑。沸

6、石分子篩類吸附劑是一種含堿土元素的結 晶態(tài)偏硅鋁酸鹽，屬于強極性吸附劑，有著非 常一致的孔徑結構和極強的吸附選擇性，對CO、CH4、N2、Ar、02等均具有較高的吸附 能力。碳分子篩是一種以碳為原料，經(jīng)特殊的碳沉 積工藝加工而成的專門用于提純空氣中的氮氣 的專用吸附劑，使其孔徑分布非常集中，只比 氧分子直徑略大，因此非常有利于對空氣中氮 氧的分離。對于組成復雜的氣源，在實際應用中常常需 要多種吸附劑，按吸附性能依次分層裝填組成 復合吸附床，才能達到分離所需產(chǎn)品組分的目 的。吸附平衡：吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下，吸附 劑與吸附質充分接觸，最后吸附質在兩相中的 分布達到平衡的過程，吸附分離過

7、程實際上都 是一個平衡吸附過程。在實際的吸附過程中， 吸附質分子會不斷地碰撞吸附劑表面并被吸附 劑表面的分子引力束縛在吸附相中；同時吸附 相中的吸附質分子又會不斷地從吸附劑分子或 其它吸附質分子得到能量，從而克服分子引力 離開吸附相；當一定時間內(nèi)進入吸附相的分子 數(shù)和離開吸附相的分子數(shù)相等時，吸附過程就 達到了平衡。在一定的溫度和壓力下，對于相 同的吸附劑和吸附質，該動態(tài)平衡吸附量是一 個定值。在壓力高時，由于單位時間內(nèi)撞擊到吸附劑 表面的氣體分子數(shù)多，因而壓力越高動態(tài)平衡 吸附容量也就越大；在溫度高時，由于氣體分 子的動能大，能被吸附劑表面分子引力束縛的 分子就少，因而溫度越高平衡吸附容量也

8、就越小。我們用不同溫度下的吸附等溫線來描述這一 關系，吸附等溫線就是在一定的溫度下，測定 出各氣體組份在吸附劑上的平衡吸附量，將不 同壓力下得到的平衡吸附量用曲線連接而成的 曲線。不同溫度下的吸附等溫線示意圖：從上圖的B f C和A f D可以看出：在壓力 一定時，隨著溫度的升高吸附容量逐漸減小。 實際上，變溫吸附過程正是利用上圖中吸附劑 在A-D段的特性來實現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑 在常溫（即A點）下大量吸附原料氣中的某些雜 質組分，然后升高溫度（到D點）使雜質得以解 吸。從上圖的Bf A可以看出：在溫度一定時， 隨著雜質分壓的升高吸附容量逐漸增大；變壓吸附過程正是利用吸附劑在A-B段的特性來

9、實現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑在常溫高壓（即 A點）下大量吸附原料氣中除的某些雜質組分， 然后降低雜質的分壓（到B點）使雜質得以解吸。吸附劑的這一特性也可以用 Langmuir吸附等溫方程來描述:Ki Xi P（Ai:吸附質i的平衡吸附1 K2 Xi P'量，Ki、K2：吸附常數(shù)，P:吸附壓力，Xi : 吸附質i的摩爾組成）。在通常的工業(yè)變壓吸附過程中，由于吸附-解吸循環(huán)的周期短（一般只有數(shù)分鐘），吸附熱 來不及散失，恰好可供解吸之用，所以吸附熱 和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，吸 附過程可近似看做等溫過程，其特性基本符合 Langmuir吸附等溫方程。在實際應用中一般依據(jù)氣源的組成、

10、壓力及產(chǎn)品要求的不同來選擇 PSA、TSA或PSA+TSA 工乙。變溫吸附（TSA ）法的循環(huán)周期長、投資較 大，但再生徹底，通常用于微量雜質或難解吸 雜質的脫除；變壓吸附（PSA）的循環(huán)周期短，吸附劑利用 率高，吸附劑用量相對較少，不需要外加換熱 設備，被廣泛用于大氣量多組分氣體的分離與 純化。在變壓吸附(PSA)工藝中，通常吸附劑床 層壓力即使降至常壓，被吸附的組分也不能完 全解吸，因此根據(jù)降壓解吸方式的不同又可分 為兩種工藝：一種是用產(chǎn)品氣或其他不易吸附的組分對床 層進行“沖洗”，使被吸附組分的分壓大大降低， 將較難解吸的雜質沖洗出來，其優(yōu)點是在常壓 下即可完成，不再增加任何設備，但缺點

11、是會 損失產(chǎn)品氣體，降低產(chǎn)品氣的收率。另一種是利用抽真空的辦法降低被吸附組分 的分壓，使吸附的組分在負壓下解吸出來，這 就是通常所說的真空變壓吸附 (Vacuum Pressure Swing Absorption,縮寫為 VPSA)。 VPSA 工藝的優(yōu)點是再生效果好，產(chǎn)品收率咼，但缺點是需 要增加真空泵。在實際應用過程中，究竟采用以上何種工 藝，主要視原料氣的組成性質、原料氣壓力、 流量、產(chǎn)品的要求以及工廠的資金和場地等情 況而決定。由于焦爐煤氣提純氫氣的特點是：原料壓力 低，原料組分復雜并含有焦油、萘等難以解吸 的重組分，產(chǎn)品純度要求高。因而裝置需采用“加壓+TSA預處理+PSA氫提純+

12、脫氧+TSA 干燥”流程。2）裝置流程框圖3）裝置工藝流程描述本裝置中焦爐煤氣組成復雜且產(chǎn)品氫純度 要求高，因而本裝置工藝流程由壓縮工序、預 處理工序、變壓吸附工序和凈化工序組成。由 于原料氣中的硫 萘及焦油含量很低，所以在考 慮工藝流程設計時，為節(jié)省用戶的投資額同時 又能保證裝置的正常運行，將工藝流程設定為 如下流程：分別簡述其流程如下：（1）壓縮工序壓縮工序由2臺（1開1備）三級往復式壓 縮機組成。由于本裝置的原料氣中的萘含量非 常低（僅為5mg/Nm3），所以，即使到了壓縮三 段也不會在三級冷卻器中出現(xiàn)萘結晶堵塞管道 的問題。因此，來自界區(qū)外的焦爐煤氣首先經(jīng) 壓縮機的一級加壓至 0.22

13、MPa（G），然后進入壓縮機第二和第三級壓縮至1.7MPa(G)后進入后續(xù)預處理系統(tǒng)。(2) 預處理工序預處理系統(tǒng)主要由2臺除油塔、2臺預處理 塔、1臺解吸氣加熱器、1臺解吸氣緩沖罐組成。來自壓縮三段，壓力為1.7MPa(G)的焦爐煤 氣進入預處理工序后，首先經(jīng)過除油塔分離掉 其中夾帶的油滴，然后自塔底進入預處理塔， 其中一臺處于吸附脫油、脫硫萘狀態(tài)、一臺處 于再生狀態(tài)。當預處理塔吸附焦油、硫和萘飽 和后即轉入再生過程。預處理塔的再生過程包 括：a降壓過程預處理塔逆著吸附方向，即朝著入口端卸壓，氣體排至煤氣管網(wǎng)。b加熱脫附雜質用PSA工序副產(chǎn)的解吸氣經(jīng)加熱至140160 C后逆著吸附方向吹掃吸

14、附層，使萘、 焦油、NH3、H2S及其它芳香族化合物在加 溫下得以完全脫附，再生后的解吸氣送回焦 爐煤氣管網(wǎng)。c冷卻吸附劑脫附完畢后，停止加熱再生氣，繼續(xù)用常溫 解吸氣逆著進氣方向吹掃吸附床層，使之冷 卻至吸附溫度。吹冷后的解吸氣也送回焦爐 煤氣管網(wǎng)。d升壓過程用處理后的煤氣逆著吸附方向將預處理塔 加壓至吸附壓力，至此預處理塔就又可以進 行下一次吸附了。(3) 變壓吸附工序本裝置變壓吸附（PSA）工序采用5-1-3 PSA 工藝，即裝置由五個吸附塔組成，其中一個吸 附塔始終處于進料吸附狀態(tài)，其工藝過程由吸附、三次均壓降壓、順放、逆放、沖洗、三次 均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成，具體工藝過程如

15、下：經(jīng)過預處理后的焦爐煤氣自塔底進入吸附 塔中正處于吸附工況的吸附塔，在吸附劑選擇 吸附的條件下一次性除去氫以外的絕大部分 雜質，獲得純度大于99.9%的粗氫氣，從塔頂 排出送凈化工序。當被吸附雜質的傳質區(qū)前沿（稱為吸附前沿） 到達床層出口預留段某一位置時，停止吸附， 轉入再生過程。吸附劑的再生過程依次如下：a.均壓降壓過程這是在吸附過程結束后，順著吸附方向將塔 內(nèi)的較高壓力的氫氣放入其它已完成再生 的較低壓力吸附塔的過程，這一過程不僅是 降壓過程，更是回收床層死空間氫氣的過 程，本流程共包括了三次連續(xù)的均壓降壓過 程，以保證氫氣的充分回收。b.順放過程在均壓回收氫氣過程結束后，繼續(xù)順著吸附

16、方向進行減壓，順放出來的氫氣放入順放氣 緩沖罐中混合并儲存起來，用作吸附塔沖洗 的再生氣源。C.逆放過程在順放結束、吸附前沿已達到床層出口后， 逆著吸附方向將吸附塔壓力降至接近常壓， 此時被吸附的雜質開始從吸附劑中大量解 吸出來，解吸氣送至解吸氣緩沖罐用作預處理系統(tǒng)的再生氣源。d. 沖洗過程逆放結束后，為使吸附劑得到徹底的再生， 用順放氣緩沖罐中儲存的氫氣逆著吸附方 向沖洗吸附床層，進一步降低雜質組分的 分壓，并將雜質沖洗出來。沖洗再生氣也 送至解吸氣緩沖罐用作預處理系統(tǒng)的再生 氣源。e. 均壓升壓過程在沖洗再生過程完成后，用來自其它吸附塔 的較高壓力氫氣依次對該吸附塔進行升壓， 這一過程與均

17、壓降壓過程相對應，不僅是升 壓過程，而且也是回收其它塔的床層死空間 氫氣的過程，本流程共包括了連續(xù)三次均壓 升壓過程。f.產(chǎn)品氣升壓過程 在三次均壓升壓過程完成后，為了使吸附塔 可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附并保證產(chǎn)品 純度在這一過程中不發(fā)生波動，需要通過升 壓調節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用產(chǎn)品氫氣將吸附 塔壓力升至吸附壓力。經(jīng)這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附-再生”循環(huán)，又為下一次吸附做好了準 備。五個吸附塔交替進行以上的吸附、再生操 作（始終有一個吸附塔處于吸附狀態(tài)）即可實現(xiàn) 氣體的連續(xù)分離與提純。（4）凈化工序從變壓吸附（PSA）工序來的氫氣是含有少 量氧氣的粗氫氣，純度尚達不到要求，需要凈

18、化。粗氫氣首先進入常溫脫氧塔，在其中裝填 的新型常溫Pd催化劑的催化下，氧和氫反應生 成水，然后經(jīng)冷卻器冷卻至常溫，再進入由兩 個干燥塔、一個預干燥塔、一臺分液罐、兩臺 換熱器等組成的等壓TSA干燥系統(tǒng)。經(jīng)干燥后 的產(chǎn)品氫即可達到純度 99.999%、氧含量小于 1ppm、露點低于-65 °C的要求。等壓TSA干燥系統(tǒng)的工藝過程如下：脫氧后的氫氣首先經(jīng)流量調節(jié)回路分成兩 路。其中一路直接去干燥塔，其中裝填的干燥 劑將氫氣中的水分吸附下來，使氫氣得以干燥。 在一臺干燥塔處于干燥的狀態(tài)下，另一臺干燥 塔處于再生過程。干燥塔的再生過程包括加熱再生和吹冷兩 個步驟。在加熱再生過程中，另一路再

19、生氫氣 首先經(jīng)預干燥塔進行干燥，然后經(jīng)加熱器升溫 至140160 C后沖洗需要再生的干燥塔，使吸 附劑升溫、其中的水分得以解吸出來，解吸氣 經(jīng)冷卻和分液后再與另一路氫氣回合，然后去 處于干燥狀態(tài)的干燥塔進行干燥。在吹冷過程 中，再生氫氣直接去處于再生狀態(tài)的干燥塔， 將干燥塔溫度降至常溫，然后再經(jīng)加熱器加熱 后去預干燥塔，對預干燥塔中的干燥劑進行加 溫干燥，然后經(jīng)冷卻和分液后再與另一路氫氣 回合，最后去處于干燥狀態(tài)的干燥塔進行干燥' 為提高裝置的可靠性和在線處理事故的能 力，預處理系統(tǒng)設計旁路跨線，可以切除檢修' 工藝流程簡圖見附圖4）裝置的主要技術特點本裝置可靠的TSA預處理可

20、有效脫除原料氣中的重組分雜質，保證了 PSA吸附劑的長期使用，提高了裝置的適應能力，并且不會形成對環(huán)境的污染本裝置預處理采用一段 TSA凈化，并且安 排在壓縮二段之后，因此投資省且不會有萘 堵塞問題。再生過程也不產(chǎn)生二次污染。 PSA工序采用5-1-3流程，與經(jīng)典的5-1-2流程相比增加一次均壓次數(shù)，可以最少的吸 附床實現(xiàn)了三次均壓，提高了氫氣回收率， 降低了裝置運行成本。本裝置的順放氣緩沖技術，可避免傳統(tǒng)沖洗再生流程中的二次污染問題，使吸附劑再 生效果更好。凈化工序采用先進的常溫脫氧新工藝，可 降低裝置投資和運行費用。本裝置先進的PSA專用軟件在某個吸附塔 出現(xiàn)故障時，可自動將故障塔切除，轉

21、入四 塔操作，并且不影響處理能力，只是收率有少量下降。這一功能大大地提高了裝置運行的可靠性5）裝置切塔后的運行參數(shù)5-1-3PSA工藝操作靈活，可以組合多種運 行方式，在計算機程序控制下，可五塔運行,需要時（如出現(xiàn)故障）也可自動切換至實現(xiàn)四 塔、三塔運行，這樣就大大地提高了裝置運行 的可靠性。切塔后的相關運行參數(shù)見下表。運行方式及相關運行參數(shù)表吸附 塔總數(shù)流程在線 吸附 床數(shù)均 壓 次 數(shù)處理氣量Nm3/h氫氣 回收 率%產(chǎn)氫量3Nm3/h五塔5-1-3132700831344.6五塔5-1-2122700811312.2四塔4-1-2122700751215.06）公用工程消耗序 號項目規(guī)格

22、要 求單 位消耗 指標使用 情況備注1電220V50HZKW h/h10連續(xù)照明、儀 表用380V50HZKW h/h3.0連續(xù)壓縮機 用10KV50HZKW h/h450連續(xù)壓縮機 用2循 環(huán) 水< 35 °C0.40.5MPa.Gt/h40連續(xù)3生活 用水t/h1間斷4飽和 蒸氣0.81.0Mpat/h0.5間斷加熱器 用5儀 表 氮壓力 >0.4MPaNm3/h50連續(xù)儀表及 程控閥 用6氮 氣壓力 >0.4MPaNm3/次500間斷開車置換用7)裝置的控制功能7.1基本控制功能7.1.1順序控制本裝置的順序控制功能要求對全部程控開關 閥進行可靠的開關控制，保

23、證各程控開關閥按 照工藝給定的條件和順序開關，實現(xiàn)PSA裝置的正常切換工作。所有程控開關閥均由進口防 爆電磁閥驅動，所有程控閥均帶閥位傳感器。計算機可隨時監(jiān)控、顯示所有程控閥的動作 情況，并可對程控閥故障進行自動報警和聯(lián)鎖 處理。順序控制功能還可實現(xiàn)多種切塔和恢復 的控制，運行多套程序。7.1.2均壓速度調節(jié)PSA裝置在運行過程中，吸附塔除在吸附狀 態(tài)外，都處在某種降壓和升壓過程中，這些過 程中都要求氣流均衡、穩(wěn)定，特別是均壓過程 如果太快將嚴重影響吸附劑的使用壽命，因而 本裝置的程控閥門都具有開啟速度調節(jié)功能， 可控制均壓的速度，保證吸附劑的長期使用。7.1.3回路調節(jié)本裝置控制系統(tǒng)的回路調

24、節(jié)功能可實現(xiàn)可 靠的PID調節(jié)、串級調節(jié)、分程調節(jié)等多種控 制功能，保證PSA系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，所有 控制回路均由計算機進行監(jiān)控， 參數(shù)修改方便 并可自動對各參數(shù)的異常進行報警和聯(lián)鎖處 理。7.1.4 自適應隨動控制對于影響吸附效果的關鍵調節(jié)回路：產(chǎn)品 氣升壓回路和沖洗控制回路采用自適應隨動控26 制，可使產(chǎn)品氣升壓過程和沖洗過程能隨著其 它吸附參數(shù)自動調整，始終符合工藝的理想調 節(jié)曲線。7.1.5優(yōu)化控制控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制功能是可依據(jù)PSA進料量的大小，和產(chǎn)品氫氣的純度自動地調整影響 吸附的最主要參數(shù)：吸附循環(huán)時間參數(shù)，在保 證裝置產(chǎn)品的純度的同時保證裝置的產(chǎn)量最 大，使裝置自動處于最佳運

25、行狀況。7.1.6聯(lián)鎖控制控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制可實現(xiàn)：壓縮機故障時 的自動保護，吸附塔故障時的自動聯(lián)鎖切除， 壓縮機或系統(tǒng)超壓時自動聯(lián)鎖放空與保護，系 統(tǒng)超溫或燃氣泄漏時的安全聯(lián)鎖，產(chǎn)品質量不 合格時的聯(lián)鎖放空控制等。7.1.7 壓縮機控制30本裝置壓縮機的參數(shù)監(jiān)控與調節(jié)由控制系統(tǒng) PLC控制，監(jiān)控參數(shù)包括：各級壓力、溫度監(jiān) 控、潤滑油壓力、溫度監(jiān)控聯(lián)鎖，壓縮機出口 壓力調節(jié)，聯(lián)鎖放空調節(jié)等。7.1.8管理功能本裝置控制系統(tǒng)應實現(xiàn)如下的管理功能：可 以進行完善直觀的工藝流程監(jiān)控與動態(tài)顯示， 顯示畫面為漢化顯示，控制系統(tǒng)應具有故障自 診斷功能，歷史趨勢記錄功能，事故記錄功能、 各種操作記錄功能、自

26、動報表打印功能，本裝 置還應提供兩級網(wǎng)絡和三級管理功能，可與工 廠管理系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)。顯示與操作畫面：總貌圖工藝流程詳圖（多幅）報警畫面調節(jié)回路棒圖參數(shù)設定參數(shù)優(yōu)化閥門狀態(tài)閥門操作動力設備監(jiān)控歷史趨勢（壓力、流量、溫度、液位、純度等）實時趨勢（壓力、流量、溫度、液位、純度等）打印：班報表日報表月報表隨機打印故障記錄打印7.1.9故障診斷功能本控制系統(tǒng)可根據(jù)壓力、閥位檢測、產(chǎn)品純 度、溫度、流量等參數(shù)自動對工藝或設備故障 進行自動診斷、報警和聯(lián)鎖處理。同時對控制 系統(tǒng)自身的主要故障：如CPU故障、通訊故障也可進行自診斷，并提出故障警告和安全處理。7.2控制軟件的功能7.2.1自適應隨動調節(jié)本裝置的

27、關鍵調節(jié)回路：產(chǎn)品氣升壓回路和 沖洗控制回路采用自適應隨動控制，其控制回 路框圖如下：變壓吸附自適應控制軟件，可根據(jù)變化中30 的工藝參數(shù)自動生成控制操作曲線，按此曲線 自動控制變壓吸附裝置的沖洗和升壓過程，可 最大限度地接近于理想過程。7.2.2故障塔切除與恢復控制軟件故障塔切除在變壓吸附裝置運行過程中，如因閥門、 控制線路、電磁閥等問題，使某塔不能正常工 作時，就需要切掉一個塔，讓其余的塔正常運 行，保證生產(chǎn)不間斷，以此類推可切除多個塔， 系統(tǒng)仍能正常運行，這是提高變壓吸附裝置可 靠性的一個關鍵，也是變壓吸附控制技術的一 個核心。本系統(tǒng)可作從五塔到四塔的任意切換 運行。切塔過程如下：a.

28、故障塔判斷（根據(jù)壓力、閥檢、雜質超標 等檢測值進行三選二判斷）；b. 自動發(fā)出切除故障塔信號，關斷該塔所有65程控閥，開始運行切塔后程序，并產(chǎn)生報警 提示。C.自動建立切塔后的正常運行條件并自動 進行相關參數(shù)修改；d.進入切塔后的正常運行狀態(tài)。切除塔恢復當被切除塔修復之后，需要將其投入正常 運行，但投入的時機不對將引起較大的波動， 甚至出現(xiàn)故障，本軟件能夠自動找到最佳狀態(tài) 恢復，使系統(tǒng)波動最小?；謴瓦^程如下：a. 在故障處理完成后，操作人員發(fā)出塔恢 復指令；b. 程序根據(jù)該塔狀態(tài)，確定恢復的最佳步 序，自動實現(xiàn)無擾動恢復切換；c. 自動建立切塔后的正常運行條件并自動進行相關參數(shù)修改;d. 進入

29、恢復塔后的正常運行狀態(tài)7.3控制系統(tǒng)配置本裝置控制主機按進口德國西門子S7-400系列PLC配上位監(jiān)控站選型。該過程控制系統(tǒng) 采用“全集成自動化”概念設計，能使各種各 樣不同的技術在一個用戶接口下，用于一個有 全局數(shù)據(jù)庫的總體系統(tǒng)中，其范圍從計算機技 術、控制技術、過程可視化直至過程儀表和控 制?？刂葡到y(tǒng)配置方案：本裝置控制系統(tǒng)采用 S7-400 PLC組成的 冗余控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，含有兩個相同 的中央控制器（包括 CPU模板、電源模板和通 訊模板），兩個中央控制器通過冗余的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡分別訪問分布式I/O站模板。在無故障時兩個中央控制器都處在運行狀 態(tài)并隨時進行數(shù)據(jù)同步交

30、換，同時也不斷檢測 各自與I/O站模板相連的PROFIBUS-DP總線電 纜的通訊情況，一旦出現(xiàn)中央控制器故障或 PROFIBUS-DP總線電纜通訊故障，正常工作的 中央控制器能無擾動獨立地接替過程的控制， 將排除因控制系統(tǒng)偶然硬件故障而造成的裝置 停機，為裝置平穩(wěn)、安全、長期的運行打下基 礎。上位監(jiān)控與管理系統(tǒng)配置上位監(jiān)控與管理系統(tǒng)由 2個操作員站組成， 其中1個兼工程師站，它們包括計算機、顯示 器、打印機、聲光報警元件和操作臺等部分。 在每個操作員站上都能顯示裝置的全部流程圖 畫面和進行控制操作，在正常生產(chǎn)時2個操作員站可互為熱備，這樣就形成了可靠、先進的 監(jiān)控、操作、管理系統(tǒng)。上位監(jiān)控站

31、選擇美國 DELL公司的PIV計算 機。顯示器選用高性能的 19 PHILIPS純平彩 顯，它能提供大的顯示窗口和很高的分辨率， 使畫面顯示更加清晰、操作更加準確。打印機 選用高性能的HP產(chǎn)A4激光黑白打印機，它既 能快速完成日常生產(chǎn)中的報表打印和報警打 印，又能對流程圖和歷史趨勢記錄進行打印， 幫助分析故障。在采用冗余控制系統(tǒng)設計時，上位機上還裝 有冗余通訊軟件包 S7-REDC0NNECT，它可使 上位監(jiān)控與管理系統(tǒng)和 S7-400控制系統(tǒng)之間形 成容錯的 S7通訊。S7-REDCONNECT 軟件在 運行過程中對控制系統(tǒng)的兩根以太網(wǎng)通訊電纜 進行實時監(jiān)視，對故障電纜予以切換，保證顯示在操

32、作員站上的信息是準確的和及時的，提 高系統(tǒng)的安全性。在兼做工程師站的上位機上還裝有SIMATICWinCC V6.0 （完全版）和 STEP 7 V5.3 （有授 權）。儀表維護工程師可在工程師站上方便地進 行流程圖畫面修改、控制組態(tài)修改、控制程序 修改等操作，完成后通過工業(yè)以太網(wǎng)就能對各 個操作員站和 SIMATIC S7-400控制系統(tǒng)進行 文件或程序更新，并能根據(jù)需要打印SIMATICS7-400控制系統(tǒng)的程序清單。 Windows 2000和 SIMATIC WinCC V6.0的分級用戶管理可以避 免無關人員進入工程師環(huán)境，保證系統(tǒng)的安全 和完整。系統(tǒng)配置圖如下：S7-400冗余控制

33、系統(tǒng)示意圖工程師站兼操作員站工業(yè)以太網(wǎng)S7-400冗余控制器PROFIBUS-DP冗余網(wǎng)絡I| |EiODDDQEiDODOlI/O站I/O站I/O站7.4控制點匯總7.4.1AI占八、合計51點1） 壓力檢測點（DC24V , 4-20mA信號）合計23點制氫裝置預處理塔壓力指示信號：2占J 八、制氫裝置再生氣壓力調節(jié)信號：2占J 八、PSA 吸附塔壓力指示信號:5點順放氣緩沖罐壓力指示信號:1占I 八、PSA 吸附壓力指示信號:1占I 八、氫氣干燥塔壓力指示信號:2占J 八、產(chǎn)品氫氣壓力指示信號:壓縮機級間壓力指示：6點壓縮機潤滑油壓力指示：2占J 八、球罐壓力指示：1占1八、2)溫度檢測

34、點(DC24V ,4-20mA信號）合計17占八、制氫裝置預處理塔溫度指示信號：2占J 八、制氫裝置再生氣出口溫度指示信號：-1占I 八、制氫裝置脫氧塔溫度指示信號：-1占I 八、制氫裝置干燥塔溫度指示信號：2占J 八、制氫裝置氫氣加熱器出口溫度指示信號:1占I 八、制氫裝置壓縮機級間溫度指示信號：6點制氫裝置壓縮機其它溫度指示信號：4占八、3）流量檢測點（DC24V , 4-20mA 信號）合計4占八、制氫裝置煤氣流量指示信號：1占1八、制氫裝置氫氣流量指示信號：1占1八、制氫裝置產(chǎn)品流量指示信號：制氫裝置解吸氣流量指示信號：1占I 八、4）分析檢測點（ DC24V , 4-20mA 信號）

35、合計3點制氫裝置氫氣純度指示信號：-1占I 八、制氫裝置氫氣微氧分析指示信號：-1占I 八、制氫裝置氫氣微水分析指示信號：-1占I 八、5）可燃氣體檢測點（DC24V , 4-20mA信號）合計4點7.4.2 AO點匯總合計9點制氫裝置壓縮機三回一調節(jié)：制氫裝置再生氣壓力調節(jié)：2占J 八、PSA吸附塔產(chǎn)品壓力調節(jié)：1占1八、PSA吸附塔升壓調節(jié)：PSA 吸附塔沖洗調節(jié)：1占I 八、精制干燥系統(tǒng)流量分程調節(jié)：-1占I 八、產(chǎn)品氫氣去球罐壓力調節(jié)：-1占I 八、7.4.3 DI點匯總合計53點制氫裝置程控閥門檢測：53點7.4.4 DO點匯總合計62點制氫裝置程控閥門控制點：53點動力設備聯(lián)鎖控制

36、點：9點1.1、非標設備本裝置非標設備中的吸附塔為疲勞容器，采用美國ASME標準和中國JB4732-95設計,所有設備設計壽命20年。序 號名稱主要規(guī)格材質單 重（ 噸）數(shù)量 （臺 ）1除油塔 1000V=4.0m320R3.022預處理塔 1200V=7.0m320R4.823吸附塔 1200V=11.0m320R6.054順放罐 1400V=12 5m320R5.015脫氧塔500V=0.45m320R0.416氫氣冷卻器17 4m220R1.817氫氣緩沖罐 1000V=4.1m320R3.518干燥塔600V=0.9m320R1.229預干燥塔400V=0.35m320R0.4110水

37、分離器400V=0.3m320R0.3111循環(huán)氫氣加 熱器14 4m220R1.6112循環(huán)氫氣冷 卻器14 6m220R1.6113解吸氣緩沖 罐 2000V=20m 320R12.0114解吸氣加熱 器42m220R2.61合計44.2211.2、 PSA吸附劑一覽表序號名稱規(guī)格用途重量（噸）1二級冶金焦碳20-40不定型脫焦油2.02活性氧化鋁e 3-5球狀白色脫水2.03SM-30D 專用吸附劑© 3-5條狀黑色脫萘、焦油、硫3.04SM-30B 專用吸附劑2-4柱狀黑色脫重烴、H2S4.05SM-15B 專用吸附劑1.5柱狀黑色脫 C1、C2、CO212.065A-98H

38、 分子篩e 2-3球狀灰白色脫 N2、02、CO、N224.07HC-01鈀催化劑e 2-3球狀黑色脫氧0.28硅膠e 2-3球狀白色干燥1.51、1300Nm3/h吸附制氫裝置技術指標 產(chǎn) 氫 量：1300Nm3/h裝置操作彈性（對產(chǎn)品氣）：30100% 產(chǎn)品氫純度：H2含量99.999%1 PPm< -65 C 氫氣回收率：83% 產(chǎn)品氫氣壓力:1.6MPa.G 產(chǎn)品氫溫度：40 C 解吸氣排氣壓力： 設計操作時數(shù)： 續(xù)操作（大于8000小時） 控制系統(tǒng)可靠性指標:故障工作時間大于2年 程控閥門可靠性指標:故障工作時間大于2年 程控閥門壽命指標:=（產(chǎn)品氫氣流量 x產(chǎn)品氫氣純度）&g

39、t;10kpa全年連平均無平均無閥體大/ （原料于20年，主密封大于 5年 氫氣回收率氣流量x原料氣氫純度）x100%附件十二：相關標準與規(guī)范第一節(jié)工藝標準及規(guī)范GB50187-1993工業(yè)企業(yè)總平面設計規(guī)范HG/T20561-1994總圖運輸施工圖設計文件編制深度規(guī)定HG/T20695-1987化工管道設計規(guī)范HG20519-1992化工工藝設計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定HG20546-1992化工裝置設備布置設計規(guī)定HG/T20549-1998化工裝置管道布置設計規(guī)定HG20553-1993化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系統(tǒng)HG20558-1993工藝系統(tǒng)設計文件內(nèi)容的規(guī)HG20559-1

40、993管道儀表流程圖設計規(guī)定HG/T20570.1-24-1995 工藝系統(tǒng)工程設計技 術規(guī)定HG/T20670-1989化工廠管架設計規(guī)定HG/T20572-1995化工企業(yè)給排水設計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定HG/T20645-1998化工裝置管道機械設計規(guī)定HG/T20679-1990化工設備、管道外防腐設計 規(guī)定等。GB50235-97工業(yè)金屬管道施工及驗收規(guī)范 第二節(jié)配管標準及規(guī)范GB/T3091-1993低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼 管GB/T3092-1993低壓流體輸送用焊接鋼管HG20553-1993化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列GB12459-1990鋼制對焊無縫管件GB/

41、T14383-1993鍛鋼制承插焊管件GB/T14626-1993鍛鋼管螺紋管件HG20592-1997鋼制管法蘭型式、參數(shù)HG20594-1997帶頸平焊鋼制管法蘭HG20595-1997帶頸對焊鋼制管法蘭HG20596-1997整體鋼制管法蘭HG20597-1997承插焊鋼制管法蘭HG20598-1997螺紋鋼制管法蘭HG20601-1997鋼制管法蘭蓋HG20603-1997鋼制管法蘭技術條件HG20604-1997鋼制管法蘭壓力-溫度等級HG20605-1997鋼制管法蘭焊接頭和坡口尺HG20606-1997鋼制管法蘭用非金屬平墊片HG20607-1997鋼制管法蘭用聚四佛乙烯包覆墊片

42、HG20608-1997鋼制管法蘭用柔性石墨復合墊片HG20609-1997鋼制管法蘭用金屬包覆墊片HG20610-1997鋼制管法蘭用纏繞墊片HG20611-1997鋼制管法蘭用金屬環(huán)墊片GB901-1988精致等長雙頭螺柱GB5782-1986六角頭螺栓-A和B級GB6170-1986I型六角頭螺母-A和B級HG20613-1997鋼制管法蘭用緊固件GB12221-1989法蘭連接金屬閥門、結構長度GB12222-1989多回轉閥門驅動裝置的連接GB12224-1989鋼制閘閥一般要求GB12225-12230-1989通用閥門、材質技術條件GB12234-1989通用閥門、法蘭或對焊連接

43、鋼制閘閥GB12235-1989通用閥門、法蘭鋼制截止閥和 升降式止回閥GB12236-1989通用閥門、鋼制旋啟式止回閥ZBJ16006-1990閥門試驗和檢驗 第三節(jié)電氣標準及規(guī)范GB50052-1995供配電系統(tǒng)設計規(guī)范GB50057-1994建筑物防雷設計規(guī)范GB50058-1992爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置 設計規(guī)范HG/T21507-1992化工企業(yè)電力設計施工圖內(nèi) 容深度統(tǒng)一規(guī)定HG/T20664-1999化工企業(yè)供電設計技術規(guī)定HG/T20675-1990化工企業(yè)靜電接地設計規(guī)程HG/T20586-1996化工企業(yè)照明設計規(guī)定HG/T20686-1990化工企業(yè)電力設計圖形和文字符號統(tǒng)一規(guī)定HG/T20687-1989化工企業(yè)爆炸和火災危險環(huán)境電力設計規(guī)程等。第四節(jié) 自控標準及規(guī)范HG20505-2OOO過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號和圖形符號HG20507-2000自動化儀表選型規(guī)定HG20509