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1、石化年产15万吨丙烯腈项目 变压吸附工段说明书目录变压吸附工段说明书11.1 变压吸附项目简介11.1.1 变压吸附概况11.1.2 变压吸附基本原理11.1.3 变压吸附吸附剂21.2 变压吸附设计51.2.1 工艺的确定51.2.2 工艺吸附剂的选用91.2.3 工艺模拟软件的确定111.2.4 变压吸附数学模型的建立111.3 变压吸附模拟过程171.3.1 工艺流程181.3.2 过程及结果分析211.4 变压吸附过程的节能环保241.4.1 工艺节能241.4.2 资源利用251.4.3 绿色环保2525变压吸附工段说明书1.1 变压吸附项目简介1.1.1 变压吸附概况变压吸附（Pr
2、essure Swing Adsorption.简称PSA）是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点：（1）产品纯度高。（2）一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济。（3）设备简单，操作、维护简便，与其他的净化方法相比，变压吸附工艺在初始的设备投资上不相上下，但是操作费用要少的很多。（4）连续循环操作，可完全达到自动化。因此，当这种新技术问世后，就受到各国工业界的关注，竞相开发和研究，发展迅速，并日益成熟。（5）开停车快速便捷，通常装置启动约0.5小时即可得到合格产品，停车可在数分钟内完成。 （6）装置操作弹性大，对操作过程具有很强的调节能力。（7）安全性高。（8）吸附剂
3、的使用周期长。通常情况下，变压吸附法中的吸附剂可以使用10年以上，补充新的吸附剂就可以延长其使用时间。（9）环境效益好，在设备运行的过程中不会产生新的环境污染。1.1.2 变压吸附基本原理任何一种吸附对于同一被吸附气体（吸附质）来说，在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量越大。反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。因此，气体的吸附分离方法，通常采用变温吸附或变压吸附两种循环过程。如果压力不变，在常温或低温的情况下吸附，用高温解吸的方法，称为变温吸附（简称TSA）。显然，变温吸附是通过改变温度来进行吸附和解吸的。变温吸附操作是在低温（常温）吸附等温线和高温吸附等温线之间的垂线进行，由于吸
4、附剂的比热容较大，热导率（导热系数）较小，升温和降温都需要较长的时间，操作上比较麻烦，因此变温吸附主要用于含吸附质较少的气体净化方面。如果温度不变，在加压的情况下吸附，用减压（抽真空）或常压解吸的方法，称为变压吸附。可见，变压吸附是通过改变压力来吸附和解吸的。变压吸附操作由于吸附剂的热导率较小，吸附热和解吸热所引起的吸附剂床层温度变化不大，故可将其看成等温过程，它的工况近似地沿着常温吸附等温线进行，在较高压力（P2）下吸附，在较低压力（P1）下解吸。变压吸附既然沿着吸附等温线进行，从静态吸附平衡来看，吸附等温线的斜率对它的是影响很大的，在温度不变的情况下，压力越高，吸附量越大。吸附常常是在压力
5、环境下进行的，变压吸附提出了加压和减压相结合的方法，它通常是由加压吸附、减压再组成的吸附一解吸系统。在等温的情况下，利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压（降至常压或抽真空）过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。因此，变压吸附既称等温吸附，又称无热再生吸附。1.1.3 变压吸附吸附剂吸附剂是吸附分离过程得以实现的基础，能够在工业上使用的吸附剂最主要的特征为固体内部具有多孔的结构，具有较大的比表面积，从而具有较大的比表面自由能。当气体或液体分子被吸附在固体表面时，就会使
6、力场达到平衡，固体表面自由能降低。自由能转变为热能，也就是吸附过程中放热的原因。 常见用于变压吸附的吸附剂主要有活性炭类、分子筛类、硅胶、活性氧化铝。1.1.3.1 活性炭类吸附剂活性炭是一种多孔性含碳物质的颗粒粉末，是人们最早使用的吸附剂。活性炭表面具有氧化基团，为非极性或弱极性吸附剂，具有如下特点：（1）具有极大的内表面，其比表面积在所有吸附剂中为最高，比其它吸附剂能吸附更多的非极性或弱极性有机分子；（2）表面为非极性或弱极性，而水是强极性物质，因而活性炭是唯一可以用于湿气处理而不需要预先除去水分的工业吸附剂，一般用来处理湿混合气和水溶液； （3）吸附热或键的强度通常比其它吸附剂低，因而被
7、吸附的分子解吸较为容易，再生时能耗低。 （4）活性炭具有良好的耐酸碱和耐热性，化学稳定性较高。1.1.3.2 分子筛类吸附剂分子筛是一种微孔型具有立方晶格的硅铝酸盐的多水化合物，有人工合成的，也有天然的，称为泡沸石。合成沸石亦称为沸石分子筛，目前制造方法主要采用的是水热合成法，其次是碱处理法。微孔孔径分布单一、均匀，凡被处理的流体中分子直径大于微孔尺寸的都不能进入微孔，吸附发生在孔穴内部，能把直径小于孔穴尺寸的分子吸入孔内，把直径大于微孔尺寸的分子挡在孔外，可以起到筛分的作用，所以称为分子筛，故能按照气体分子大小进行选择性吸附。沸石分子筛具有以下特点：（1）选择性好，净化效果高；（2）吸附能力
8、强，是一种强极性吸附剂；（3）吸附效率高；（4）共吸附性能好；（5）各种气体分子的吸附能力顺序如下：吸附酸碱性气体的顺序：H2OH2SNH3SO2CO2。吸附碳氢化合物的顺序：H2OC3H5C2H2C2H4CO2C3H8C2H6CH4。1.1.3.3 硅胶 硅胶有天然的，也有人工合成的，是一种合成无定形二氧化硅球形颗粒的刚性连续网络，主要成分为SiO2nH2O。由于人工合成的多孔SiO2杂质少，品质纯正，耐热耐磨性好，而且可以根据需要制成特定的形状、粒度和表面结构，工业上作为吸附剂使用的都是人工合成的。硅胶具有以下特点：（1）具有极大的内表面积，为多孔性结构；（2）颗粒坚硬，有较好的化学和热稳
9、定性，是一种高活性可再生的吸附剂；（3）硅胶为亲水的极性吸附剂，易于吸附极性物质（如水、甲醇等），吸附气体中的水分可达到其自身重量的50以上，但难于吸附非极性物质（如正构或异构烷烃等）；（4）吸附容量大，再生温度低，再生温度为150左右，价格便宜；（5）吸附热高，硅胶吸附水分时，放出大量的吸附热，可使本身温升达100，容易造成破碎。硅胶分为粗孔和细孔两种：粗孔硅胶孔径为50100A，其吸水能力强，且吸水不易破碎，机械强度好，常用于干燥器中吸附水份；细孔硅胶孔径为2540A，其吸附二氧化碳和乙炔的能力较强，吸水易破碎，常用某些特定的吸附器中吸附无水混合气（液）体中的二氧化碳和乙炔等。1.1.3.
10、4 活性氧化铝活性氧化铝一般是人工合成的产物，是一种部分水化、多孔性、无定形的氧化铝，由Al2O3的水合物Al(OH)3或AlO(OH)经不同温度的加热脱水处理而得，根据制造工艺的不同，可制得8种亚稳态的氧化铝，其中以-Al2O3和-Al2O3的化学活性为最高，故称为活性氧化铝。活性氧化铝具有以下特点：（1）具有较大的比表面积；（2）具有很高的吸附能力，活性氧化铝是一种极性吸附剂，它对水分有较强的亲和力。（3）活性氧化铝对水分的吸附量与硅胶相比高饱和度时铝胶大于硅胶，低饱和度时正好相反。硅胶吸附容量为68（吸附硅胶本身重量的68水分），活性氧化铝吸附容量为35，硅胶和铝胶能达到的干燥程度如表所
11、示。表1-1 硅胶与活性氧化铝能达到的干燥程度吸附剂硅胶氧化铝干燥后水分数量（g/m3）0.030.005干燥后相当的露点温度（）-52-64（4）与分子筛相比，再生温度低得多，再生能耗低；（5）耐压和耐磨强度都优于分子筛；与工业用硅胶相比，具有遇水不裂的优点。表1-2 常用吸附剂比表面积吸附剂硅胶活性氧化铝活性炭分子筛比表面积(m2/g)30080010040050015004507501.1.3.5 吸附剂选择方法变压吸附中对吸附剂的选择要求：（1） 良好的吸附性能，同时要兼顾吸附与解吸之间的矛盾。（2） 组分之间的分离系数要尽可能大，工程上分离系数由下式计算：在变压吸附过程中被分离的两种
12、组分的分离系数不应低于2。（3）吸附剂要有足够的强度对于分离组成复杂、种类较多的气体混合物，常需要选择多种吸附剂，这些吸附剂按吸附性能依次分层装填在同一吸附床内组成复合床，也可根据具体情况分别装填在几个吸附床内。吸附剂选择是吸附分离能否实现的关键，所以对于新吸附剂的开发和研究一直是吸附技术发展的重点方向之一。1.2 变压吸附设计1.2.1 工艺的确定1.2.1.1 工艺目的本年产15万吨丙烯腈项目原料为丙烷，空气与液氨，各物质进料摩尔流量如下：表1-3 原料进料摩尔流量物质C3H8O2N2NH3摩尔流量（kmol/h）699.842220.798354.40509.147在本项目的丙烯腈精制工
13、段中，T0301吸收塔塔顶排出大量废气去往火炬系统焚烧处理，排放气所含主要物质及摩尔流量如下：表1-4 T0301塔顶排放气主要物质摩尔流量物质C3H8O2H2ON2C3H6NH3COCO2摩尔流量（kmol/h）63.68897.6894.808353.8898.050.06121.11114.74从两表可以看出，所排放废气中丙烷的摩尔流量为63.68 kmol/h，中间产物丙烯的摩尔流量为98.05 kmol/h，氮气的摩尔流量为8353.88 kmol/h。而原料中丙烷摩尔流量为699.84 kmol/h，氮气的摩尔流量为8354.40 kmol/h。对比可以发现，排放气体几乎排出了进料
14、中所有的氮气，所排出丙烷气体占进料丙烷的十分之一，进料中有23%的碳原子，99%的氮原子被排放气排出，造成了大量的浪费。因此，我们对这股排放气进行再处理，回收其中的丙烷丙烯气体。1.2.1.2 工艺选择在排出气体中，需要被分离的组分为氮气，一氧化碳和二氧化碳。对于从混合气体中分离除去含碳气体与氮气主要的方法有深冷分离法、溶液吸收法、膜分离法、吸附法等。（1） 深冷分离法深冷分离法根据混合气中各组分沸点的不同，经过低温液化、分馏而实现组分分离的方法，属于物理吸附范畴。排出的混合气中各主要组分沸点如下：表1-5 混合气中各组分沸点物质C3H8O2H2ON2C3H6NH3COCO2沸点（）-42.0
15、4-182.96100-195.80-47.69-33.43-191.45-78.45从表中可以看出，丙烷丙烯气体的沸点与其他杂质气体沸点相差很大，因此从理论上深冷分离法具有很高可行性。图1-1 使用aspen plus软件模拟深冷分离过程我们使用aspen plus软件对深冷分离过程进行了简单的模拟，先使用压缩机对混合气体加压到1.5MPa，后使用冷凝分相器对混合气进行冷凝分相。欲使混合气体中的丙烷丙烯气体全部冷凝成液体，需要极低的温度（-121.3）。因为混合物中各组分的沸点与临界性质都比较低，所以采用简单液体蒸发和换热等方法，一般很难达到如此低的温度。工业上欲达到-100以下的低温，需借助深度冷冻技术，如克劳德（Clande）法和林德（Linde）法是常用膨胀制冷的和节流制冷技术。膨胀制冷技术是通过绝热膨胀对外做功获得低温，而节流制冷技术是靠焦耳-汤姆逊（Joule-Thomso
