大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用

化工活動家

2021年6月1日 13:18

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編輯 | 化工活動家

來源 | 大慶石化煉油廠、煉油與化工

作者 | 宋保國

關(guān)鍵詞 | 變壓吸附 PSA 制氮

共 1532 字 | 建議閱讀時間 7 分鐘

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖1

導(dǎo) 讀

氮氣是無色、無味的惰性氣體，在石化生產(chǎn)中主要用于隔離保護(hù)、容器置換、管道吹掃等。工業(yè)生產(chǎn)高純氮主要采用深冷制取方法，隨著變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)提升而被廣泛使用。變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)以空氣為原料，以分子篩作吸附劑，運用變壓吸附原理，利用分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離，通稱PSA制氮。

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖2

大慶石化煉油廠加工能力為1000×104t/a，生產(chǎn)過程中所使用的氮氣全部由15km外的水汽廠提供，由2條管線DN150和DN100輸送，水汽廠采用深冷裝置制取氮氣，氮氣出界區(qū)壓力為0.8MPa，正常生產(chǎn)時輸送量為1900~2400Nm3/h。由于輸送距離遠(yuǎn)，管道阻力降大，到煉油廠界區(qū)壓力僅為0.65MPa，剛好滿足煉油廠生產(chǎn)需要。但是當(dāng)煉油廠裝置容器置換、管道吹掃、催化劑再生或裝置生產(chǎn)發(fā)生異常時，氮氣用量就會增加。當(dāng)消耗總量達(dá)到3000Nm3/h以上時，氮氣壓力將降至0.5MPa以下，該壓力狀態(tài)下穩(wěn)壓氮氣管網(wǎng)（高危泵等設(shè)備保護(hù)氮氣）壓力將不能滿足安全運行需要。煉油廠停工檢修期間及檢修后開工階段最大氮氣需求量7000Nm3/h，而水汽廠受化工區(qū)制約最大輸送氮氣量4000Nm3/h，用氮高峰期缺口3000Nm3/h。

變壓吸附制氮工藝流程

空氣經(jīng)離心壓縮機(jī)增壓至0.7~0.8MPa，冷卻降溫，進(jìn)入活性氧化鋁干燥系統(tǒng)除去大部分水分，作為變壓吸附制氮的原料氣。空氣經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入裝有碳分子篩的吸附筒，空氣在碳分子篩床內(nèi)依次完成吸附制氣、放氣、沖洗、均壓、2次均壓、充氣過程，從而連續(xù)生產(chǎn)制得氮氣。吸附筒共8個，每2個吸附筒與10個快速氣動切斷閥單獨組成1套制氮系統(tǒng)，氣動閥的啟閉由DCS設(shè)定時間程序控制，4組變壓吸附系統(tǒng)同時運行時，其切換程序相互錯開，使總管的氮氣壓力、流量更為穩(wěn)定。利用出口調(diào)節(jié)閥控制氮氣流量，可以得到不同純度的氮氣。

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖3

變壓吸附制氮設(shè)備特點

生產(chǎn)氮氣方便快捷

與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產(chǎn)氣快、操作維護(hù)方便、運行成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)等特點。先進(jìn)的技術(shù)，獨特的氣流分布器，使氣流分布更均勻，高效地利用碳分子篩，20min左右即可提供合格的氮氣。當(dāng)生產(chǎn)裝置突發(fā)狀態(tài)需要大量氮氣進(jìn)行保護(hù)時，變壓吸附制氮設(shè)備只要有充足的氣源便可隨時開啟生產(chǎn)氮氣；而深冷制氮從開工到生產(chǎn)出合格氮氣需要20h以上。

投資少見效快

設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、整體撬裝，占地小，無需基建投資，投資少，見效快，現(xiàn)場只需連接電源即可制取氮氣。深冷制氮設(shè)備附屬設(shè)備多，占地面積大，投資高，見效慢。

供氮方式更經(jīng)濟(jì)簡便

PSA制氮工藝是1種簡便的制氮方法，以空氣為原料，能耗僅為空壓機(jī)所消耗的電能，具有運行成本低、能耗低、效率高等優(yōu)點；變壓吸附制氮技術(shù)氮氣壓力穩(wěn)定，啟動快，適合頻繁啟動；氮氣出口壓力能夠達(dá)到0.5MPa以上，可以直接進(jìn)入供氮管網(wǎng)輸送到各用氮裝置。深冷制氮設(shè)備啟動慢，不適合頻繁啟動，氮氣出口壓力低，需要壓縮機(jī)增壓后才能外送用戶。

實現(xiàn)流量、純度自動化運行

采用DCS控制全自動運行，氮氣流量、壓力、純度可調(diào)并連續(xù)顯示，可實現(xiàn)無人值守。

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖4

氮氣純度、回收率與切換時間的關(guān)系如下。

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖5

變壓吸附制取的氮氣純度在95.0%~99.9%范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，在其他條件不變情況下，氮氣排出量越大，氮氣的純度就越低，反之則越高。對于變壓吸附制氮設(shè)備，只要負(fù)荷允許，根據(jù)不同裝置對氮氣純度的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)獨饧兌冉档蜁r，氮氣產(chǎn)量將大幅提高。

水汽廠輸送的氮氣純度為99.999%的高純氮，煉油廠內(nèi)只有少部分裝置（加氫、重整、硫磺等）需要高純氮，大部分裝置主要用于容器置換、管道吹掃、隔離保護(hù)等，對氮氣純度要求不需要太高。煉油廠可根據(jù)裝置生產(chǎn)及設(shè)備檢修的需要，利用變壓吸附制氮設(shè)備隨時生產(chǎn)不同純度的氮氣，輸送到不同用戶管網(wǎng)，滿足生產(chǎn)裝置的需求。

氮氣生產(chǎn)及注意事項

（1）氮氣純度和氮氣回收率隨產(chǎn)品流量的變化曲線如下。

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖6

由上圖可以看出，氮氣純度越高，產(chǎn)氮率越低，反之，氮氣純度越低，產(chǎn)氮率越高。當(dāng)生產(chǎn)98%純度的氮氣時，氮氣回收率40%；當(dāng)生產(chǎn)99%純度的氮氣時，氮氣回收率24%。煉油廠日常生產(chǎn)中，99%純度的氮氣可以滿足大部分裝置使用，當(dāng)裝置開停工期間使用氮氣吹掃管線或容器置換時，使用98%純度的氮氣就可以滿足需要。

（2）變壓吸附制氮設(shè)備運行中氮氣的純度與工作壓力、吸附時間（切換頻率）、氮氣產(chǎn)量（回收率）、吸附溫度及原料氣體的露點、含塵直徑有直接關(guān)系，在運行中還要進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗，選擇最佳運行參數(shù)。

（3）需要相關(guān)技術(shù)部門進(jìn)一步確認(rèn)各生產(chǎn)裝置對氮氣純度指標(biāo)的要求，針對各裝置的需要將PSA生產(chǎn)的氮氣分配到不同的氮氣管網(wǎng)中。

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本日文末福利：《氣體吸附制取操作指南》

大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設(shè)備在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用的圖7