Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Назначение

В технологии короткоцикловой адсорбции (КЦА) применяется принцип физического связывания примесей, содержащихся в обогащенных водородом газах, с помощью индивидуально подобранных адсорбирующих материалов. Поскольку силы связывания для таких примесей зависят от давления, КЦА работает в чередующемся цикле адсорбции при высоких давлениях и десорбции при низких давлениях. Для достижения непрерывного потока продукта водорода по меньшей мере один адсорбер работает, а остальные находятся на разных стадиях регенерации.

Работа блока КЦА стала широко популярной в химической и нефтеперерабатывающей промышленности благодаря своей универсальности и способности адаптироваться к конкретным применениям. Например, отходящий газ нефтепереработки может быть очищен в системе КЦА, что позволяет нефтеперерабатывающим заводам извлекать чистый водород из потоков, содержащих легкие углеводороды.

Извлечение чистого водорода из потока отходящего газа более ценно, чем отправка газа в топливо для нужд производства, поскольку производство водорода является затратным процессом. Основным преимуществом КЦА в этой области является его способность адсорбировать такие соединения, как сероводород, углеводороды, оксиды углерода и воду. Кроме того, перепад давления в слое адсорбента КЦА незначителен по сравнению с мембранными системами.

Строительство установки или блока КЦА в составе установки производства водорода может быть вызвано компенсацией дефицита чистого водорода на НПЗ, необходимого для новых установок гидроочистки, изомеризации, риформинга, гидрокрекинга.

Применение КЦА в промышленности

КЦА широко применяется для следующих целей:

• получение водорода из природного и коксового газа, других водородсодержащих газов;
• получение метана из природного газа;
• получение окиси и двуокиси углерода;
• выделение этилена;
• получение азота и технического кислорода из воздуха и др. газовых смесей.

Принцип работы КЦА

КЦА работает по принципу, согласно которому при повышенном парциальном давлении адсорбенты могут удерживать больший объем газообразных компонентов, некоторые из которых сильнее, чем другие. Сила адсорбции обычно увеличивается с молекулярной массой каждого компонента, и водород обладает самой слабой силой адсорбции этих компонентов. Это позволяет адсорбировать более тяжелые компоненты, в то время как очищенный водород проходит через адсорбент.

Сырье и продукты

В качестве сырья для установок КЦА применительно к установке производства водорода выступает водородсодержащий газ с концентрацией водорода порядка 75-80%об.

Продуктами являются водород с концентрацией выше 99,5%об., а также отдувочный газ с содержанием водорода 10-40% об.

Адсорбенты

Помимо способности адсорбировать разные газы, адсорбенты для систем КЦА обычно являются очень пористыми материалами, выбранными из-за их большой удельной поверхности. Типичными адсорбентами являются:

• активированный уголь
• силикагель
• оксид алюминия
• полимеры
• цеолиты.

Хотя газ, адсорбированный на этих поверхностях, может состоять из слоя толщиной всего одну или не более нескольких молекул, площадь поверхности в несколько сотен квадратных метров на грамм обеспечивает адсорбцию значительной части массы адсорбента в газе. В дополнение к их селективности в отношении различных газов, цеолиты и некоторые виды активированного угля, называемые углеродными молекулярными ситами, могут использовать свои характеристики молекулярных сит, чтобы исключить некоторые молекулы газа из их структуры в зависимости от размера молекул, тем самым ограничивая возможности более крупных молекул быть адсорбированным.

Технологическая схема

Поток неочищен­ного водородсодержащего газа поступает в блок короткоцикловой адсорбции (КЦА), где происходит удаление примесей в процессе циклической адсорбции. Для выполнения заданной степени концентрирования водорода и удаления при­месей в процессе используются многочисленные адсорбционные слои. Принятая схема блока позволяет извлечь водород с концентрацией 99,5 % (об.) из кон­вертированного газа, с концентрацией водорода не менее 87,5 % (об.) в конце рабочего цикла.

В блоке КЦА происходит очистка конвертированного водородсодержащего газа от примесей метана, окислов углерода путем адсорбции загрязнений на ад­сорбенте при высоком давлении и десорбции при низком давлении.

Блок КЦА состоит из адсорберов, включенных параллельно по газу. При работе каждый адсорбер проходит одни и те же фазы адсорбции и регенерации (десорбции), только в различные моменты времени.

Полный цикл состоит из четырех основных стадий:

• адсорбция;
• разгрузка, сброс давления;
• продувка при низком давлении;
• набор давления.

Адсорбция

Питательный газ поступает в нижнюю часть адсорбера под высоким давлением, примеси адсорбируются, например, молекулярными сетками, а водород высокой чистоты выходит из адсорбера сверху. Перед исчерпанием адсорбционной способности адсорбентов регенерированный адсорбер автоматически включается на адсорбцию, тем самым обеспечивается непрерывный поток продукта.

Сброс давления

Регенерация осуществляется в несколько этапов снижения давления. Сначала обогащенный водородом газ используется для набора давления и продувки тех адсорберов, которые находятся на разных стадиях регенерации. При дальнейшем сбросе давления адсорбированные примеси высвобождаются и подаются в линию сдувки или в буферную емкость для использования в качестве топливного газа.

Продувка

При самом низком уровне давления адсорбер продувается газом, насыщенным водородом из другого адсорбера. Продувочный газ либо выпускается, либо направляется в буферную емкость.

Набор давления

Давление продуваемого адсорбера постепенно повышается до требуемого давления адсорбции путем нескольких выравниваний давления с другими адсорберами и, наконец, путем рециркуляции чистого водорода.

Поскольку рабочие циклы адсорберов смещаются, то, как только один ад­сорбер входит в режим адсорбции, другой в это время завершает свой режим ад­сорбции.

Управление процессом и защита адсорбента

Управление процессом очистки водородсодержащего газа и регенерации осуществляется автоматически с помощью таймерной системы, воздействующей на клапаны, установленные на трубопроводах обвязки адсорберов. Время цикла адсорбции устанавливается автоматически в зависимости от количества обраба­тываемого газа.

Расход газа, подаваемого в блок КЦА, контролируется, так как расход газа является одним из основных параметров регулирования работы блока.

Для защиты молекулярных сит блока КЦА от воздействия высоких темпе­ратур предусмотрена блокировка по высокой температуре поступающего газа, по которой закрывается отсечной клапан на входе в блок. Также предусмотрена блокировка для защиты молекулярных сит блока КЦА от воздействия свободной воды. Выходящий из адсорберов газ с температурой 40 °С представляет собой во­дород высокой степени чистоты – 99,5 % об.

Материальный баланс

Сырье	т/ч	% мас.
ВСГ	617,1	100
Итого	617,1	100
Продукты	т/ч	% мас.
Водород (99,5%об.)	74,2	12,0
Отдувочный газ	542,9	88,0
Итого	617,1	100,0

 

Достоинства и недостатки

Недостатки

• ограниченная производительность
• высокие или сильно изменяющиеся концентрации сильно адсорбирующихся компонентов могут отрицательно повлиять на работу
• системы КЦА имеют более ограниченный диапазон работы, чем мембранные блоки, однако, если применяется двухпоточная схема, можно улучшить диапазон работы, запустив один поток.

Достоинства

• высокая селективность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;
• быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными блоками;
• большой диапазон работы от 5 до 100% производительности без изменения энергетических затрат;
• большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;
• автоматическое регулирование режима;
• возможность дистанционного управления;
• низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;
• простое аппаратурное оформление;
• низкие, затраты на обслуживание из-за простоты установок;
• применение первого защитного слоя адсорбента предотвращает чувствительность к агрессивным компонентам по сравнению с мембранами и гарантирует длительные сроки эксплуатации адсорбента без его замены;
• низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Существующие установки

Установки КЦА получили широкое распространение в составе действующих на НПЗ установках получения водорода для концентрирования водорода до 99,9% об. Также данный метод широко используется для выделения азота, необходимого для нужд НПЗ из атмосферного воздуха (азотные установки).