变温吸附干燥技术在脱碳再生气制取二氧化碳过程中的应用

qimingxing

李晓光1 , 薛继勇2
    (1. 安阳县环境保护局, 河南安阳　455000 ; 2. 安阳化学工业集团有限责任公司, 河南安阳　455133)

    摘　要:简要介绍了变温吸附干燥技术在脱碳再生气制取二氧化碳过程中的应用。此方法流程简单,DCS控制自动化程度高,操作方便,运行稳定。经过安化九天精细化工有限责任公司年产3 万t二氧化碳装置上实际运行,产品二氧化碳中水含量不高于20 mg/L,该方法能耗低,投资少,经济效益和环保效益十分明显。
    关键词:变温吸附; 干燥; 二氧化碳

    在合成氨生产过程中,脱碳再生气如果直接排入大气,不仅造成浪费,而且大量的二氧化碳在大气中积聚会引发温室效应。安化九天精细化工有限责任公司采用四川同盛科技有限责任公司开发的变温吸附干燥技术,新建一套年产3 万t二氧化碳生产装置。该项目以合成氨脱碳再生气为原料,主要采用变温吸附技术脱除水分,以低温精馏法除去不凝气体。经过干燥与提纯,产品二氧化碳中水含量不高于20 mg/L,纯度可达到99. 5%～99. 99%。
1　工艺原理与吸附剂的选择
1. 1　变温吸附( TSA)
    变温吸附是利用气体组分在固体材料上吸附性能的差异以及吸附容量在不同温度下的变化实现分离。采用温度升降的循环操作,使低温下被吸附的强吸附组分在高温下得以脱附,从而使吸附剂得到再生,经冷却后再在低温下吸附强吸附组分。变温吸附技术尤其适合在常温状态下强吸附组分不能良好解吸的分离。
1. 2　吸附剂的选择
    常用的吸附剂有分子筛、活性炭、硅胶、氧化铝等,它们均具有较大的比表面积。吸附剂性能的优劣直接影响到装置的投资、消耗及操作。根据脱碳再生气的干燥特点,安化九天精细化工有限责任公司3 万t/ a二氧化碳装置采用多床层、多种吸附剂装填方式,即在一套吸附床中同时装填CNA - 229和CNA - 335两种吸附剂,同时取消了某些处理工序,减少了投资和消耗。经测试,两种吸附剂吸附量大、选择性强、再生充分、使用周期长。吸附剂的性能参数见表1。

                               
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2　工艺流程
2. 1　工艺简介
    安化九天精细化工有限责任公司3 万t/ a二氧化碳生产装置采用变温吸附干燥工艺,利用吸附剂对水的吸附容量随温度变化而呈现差异的特征,在常温下选择吸收脱碳再生气中的水分,高温下脱附所吸附的水分,从而使吸附剂得到再生。
    该装置由两个吸附塔、一个预吸附塔、再生气加热器、再生气冷却器和再生气水分离器组成。其中一塔吸附,另一塔再生,预吸附塔则用于干燥再生气。每个吸附塔(包括预吸附塔)依次经过吸附、加热、冷却三个步骤,整个过程通过阀门自动切换实现。两个吸附塔交替运行,保障连续输出干燥气体,从而实现循环操作。
2. 2　生产步骤
    　以A塔干燥、B塔再生为例,生产步骤如下:
2. 2. 1　吸附
    占总气量80% ～85%的原料气经过流量调节系统和进口阀自上而下进入吸附塔A,干燥后的气体由出口阀流出经计量系统计量后送至后序工段。此时B塔处于再生状态。
2. 2. 2　加热
    另一部分原料气(约占总气量的15% ～20% )进入预吸附塔,干燥后进入再生气加热器加热,然后逆吸附方向进入吸附塔B 冲冼吸附剂。脱附的水分随气流排出,通过再生气冷却器、再生气水分离器,分离出水分后重新进入吸附塔A进行干燥。
2. 2. 3　冷却
    加热过程完成后,吸附塔B再生完成。为使其重复使用,需对吸附剂进行冷却。即通过流量调节系统分配部分原料气,并顺着吸附的方向冲洗吸附剂,使之基本冷却至环境温度。从吸附塔B出来的冷吹气通过再生气加热器加热后进入预吸附塔,然后依次经过再生气冷却器、再生气水分离器,分离出水分后进入吸附塔A进行干燥。
3　操作要点和操作参数
3. 1　操作要
3. 1. 1　吸附时间
    正常的吸附时间应为冷却时间与加热时间之和。冷却或加热时间的延长或缩短均应相应延长或缩短吸附时间。如果装置处理负荷降低,也应适当增加吸附时间并相应延长加热和冷却时间,反之则缩短时间。
3. 1. 2　加热时间
    正常的加热时间应使吸附塔出口温度高于常温60 ℃。若未能满足,应适当加大再生气量,延长加热时间,以保证吸附剂完全再生。实际操作中,当出现水含量超标时,在适当加大再生气量的同时,还应提高加热再生蒸汽的压力和吸附塔出口温度,以保证产品合格。
3. 1. 3　冷却时间
    正常的冷却时间应使吸附塔温度达到或接近常温。若未能在规定时间满足要求,应适当降低再生气温度或延长冷却时间,否则会降低吸附时的干燥效果。
3. 1. 4　再生气流量调节
    　一般情况下,将再生气流量调节设定为自动工作状态,即在计算机中给定流量参数设定值,并与实际测量值进行比较,使之保持稳定。当吸附时间延长时,再生气流量可适当减少,此时应重新修改给定值。其操作原则是在规定时间内完成加热和冷却步骤。再生气流量调节参数见表2。

                               
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3. 2　操作参数
    变温吸附干燥系统操作参数见表3。

                               
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4　结论
    变温吸附干燥装置自2006年5月投运以来,运行可靠,产品二氧化碳中水含量不高于20 mg/L,保证了二氧化碳的生产需要。该装置具有如下优点:①设备少,投资少,节省占地面积。②流程简单,操作方便,维护简单,开工率高,运行周期长。③调节能力强,操作弹性大,对原料气中水分含量等条件改变有很强的适应性。④整个吸附和再生过程是在等压状态下进行,能耗低,基本实现了无损耗操作。⑤采用计算机进行控制,自动化程度高,开停车安全、迅速。⑥装置可靠性高,运动部件仅有程序控制阀,而目前国内外的程控阀均为专利产品,寿命长,故障率低。另外由于采用了计算机专家诊断系统,具有故障自动诊断、吸附塔自动切换等功能,进一步提高了运行可靠性。⑦吸附剂寿命长,吸附容量大,选择性强,再生容易。⑧变温吸附装置运行安全、环保,无“三废”产生,环保效益十分明显。