大庆石化炼油厂│变压吸附（PSA）制氮设备在炼油生产中的应用

化工活动家

2021年6月1日 13:18

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编辑 | 化工活动家

来源 | 大庆石化炼油厂、炼油与化工

作者 | 宋保国

关键词 | 变压吸附 PSA 制氮

共 1532 字 | 建议阅读时间 7 分钟

导读

氮气是无色、无味的惰性气体，在石化生产中主要用于隔离保护、容器置换、管道吹扫等。工业生产高纯氮主要采用深冷制取方法，随着变压吸附（PSA）制氮技术提升而被广泛使用。变压吸附（PSA）制氮技术以空气为原料，以分子筛作吸附剂，运用变压吸附原理，利用分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离，通称PSA制氮。

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大庆石化炼油厂加工能力为1000×104t/a，生产过程中所使用的氮气全部由15km外的水汽厂提供，由2条管线DN150和DN100输送，水汽厂采用深冷装置制取氮气，氮气出界区压力为0.8MPa，正常生产时输送量为1900~2400Nm3/h。由于输送距离远，管道阻力降大，到炼油厂界区压力仅为0.65MPa，刚好满足炼油厂生产需要。但是当炼油厂装置容器置换、管道吹扫、催化剂再生或装置生产发生异常时，氮气用量就会增加。当消耗总量达到3000Nm3/h以上时，氮气压力将降至0.5MPa以下，该压力状态下稳压氮气管网（高危泵等设备保护氮气）压力将不能满足安全运行需要。炼油厂停工检修期间及检修后开工阶段最大氮气需求量7000Nm3/h，而水汽厂受化工区制约最大输送氮气量4000Nm3/h，用氮高峰期缺口3000Nm3/h。

变压吸附制氮工艺流程

空气经离心压缩机增压至0.7~0.8MPa，冷却降温，进入活性氧化铝干燥系统除去大部分水分，作为变压吸附制氮的原料气。空气经过预处理后进入装有碳分子筛的吸附筒，空气在碳分子筛床内依次完成吸附制气、放气、冲洗、均压、2次均压、充气过程，从而连续生产制得氮气。吸附筒共8个，每2个吸附筒与10个快速气动切断阀单独组成1套制氮系统，气动阀的启闭由DCS设定时间程序控制，4组变压吸附系统同时运行时，其切换程序相互错开，使总管的氮气压力、流量更为稳定。利用出口调节阀控制氮气流量，可以得到不同纯度的氮气。

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变压吸附制氮设备特点

生产氮气方便快捷

与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快、操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点。先进的技术，独特的气流分布器，使气流分布更均匀，高效地利用碳分子筛，20min左右即可提供合格的氮气。当生产装置突发状态需要大量氮气进行保护时，变压吸附制氮设备只要有充足的气源便可随时开启生产氮气；而深冷制氮从开工到生产出合格氮气需要20h以上。

投资少见效快

设备结构紧凑、整体撬装，占地小，无需基建投资，投资少，见效快，现场只需连接电源即可制取氮气。深冷制氮设备附属设备多，占地面积大，投资高，见效慢。

供氮方式更经济简便

PSA制氮工艺是1种简便的制氮方法，以空气为原料，能耗仅为空压机所消耗的电能，具有运行成本低、能耗低、效率高等优点；变压吸附制氮技术氮气压力稳定，启动快，适合频繁启动；氮气出口压力能够达到0.5MPa以上，可以直接进入供氮管网输送到各用氮装置。深冷制氮设备启动慢，不适合频繁启动，氮气出口压力低，需要压缩机增压后才能外送用户。

实现流量、纯度自动化运行

采用DCS控制全自动运行，氮气流量、压力、纯度可调并连续显示，可实现无人值守。

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氮气纯度、回收率与切换时间的关系如下。

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变压吸附制取的氮气纯度在95.0%~99.9%范围内可任意调节，在其他条件不变情况下，氮气排出量越大，氮气的纯度就越低，反之则越高。对于变压吸附制氮设备，只要负荷允许，根据不同装置对氮气纯度的需求进行调节，当氮气纯度降低时，氮气产量将大幅提高。

水汽厂输送的氮气纯度为99.999%的高纯氮，炼油厂内只有少部分装置（加氢、重整、硫磺等）需要高纯氮，大部分装置主要用于容器置换、管道吹扫、隔离保护等，对氮气纯度要求不需要太高。炼油厂可根据装置生产及设备检修的需要，利用变压吸附制氮设备随时生产不同纯度的氮气，输送到不同用户管网，满足生产装置的需求。

氮气生产及注意事项

（1）氮气纯度和氮气回收率随产品流量的变化曲线如下。

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由上图可以看出，氮气纯度越高，产氮率越低，反之，氮气纯度越低，产氮率越高。当生产98%纯度的氮气时，氮气回收率40%；当生产99%纯度的氮气时，氮气回收率24%。炼油厂日常生产中，99%纯度的氮气可以满足大部分装置使用，当装置开停工期间使用氮气吹扫管线或容器置换时，使用98%纯度的氮气就可以满足需要。

（2）变压吸附制氮设备运行中氮气的纯度与工作压力、吸附时间（切换频率）、氮气产量（回收率）、吸附温度及原料气体的露点、含尘直径有直接关系，在运行中还要进一步总结经验，选择最佳运行参数。

（3）需要相关技术部门进一步确认各生产装置对氮气纯度指标的要求，针对各装置的需要将PSA生产的氮气分配到不同的氮气管网中。

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本日文末福利：《气体吸附制取操作指南》

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