Установки КЦА для извлечения и очистки водорода

В рамках нефтеперерабатывающих производств установки КЦА используются для извлечения и концентрирования водорода в различных технологических циклах. Они позволяют эффективно обогащать водород из отдувочных газов, поступающих из блоков гидроочистки, гидрокрекинга, изомеризации и каталитического риформинга. Ключевой целью здесь является снижение концентрации нежелательных примесей до уровней, соответствующих техническим регламентам производства.

В химической и нефтехимической промышленности системы КЦА применяются для выделения водорода из потоков, образующихся при пиролизе и дегидрировании алканов и алкенов. Также оборудование эффективно работает с отдувочными газами, поступающими с производств метанола, и другими аналогичными технологическими потоками.

На предприятиях по производству аммиака установки КЦА обеспечивают эффективное отделение водорода от азота, метана и аргона. Это критически важно для обеспечения чистоты сырья в технологических цепочках производства аммиака.

Технологии КЦА позволяют получать высокочистый водород из синтез-газа, обеспечивая при этом практически полное удаление оксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO2) из общего потока.

Состав оборудования

• Сосуды под давлением

• комбинированный сепаратор тонкой очистки;

• фильтр продуктового водорода (опция).

• Адсорбер;

• емкость остаточного газа со внутренними устройствами.

• Система компрессоров:

• компрессор остаточного газа (опция). Винтовой компрессор для подачи остаточного газа в топливное кольцо;

• винтовой компрессор на стапеле сборки;

• винтовая компрессорная установка в сборе.

• Клапанная сборка с приборами КИП и трубопроводами
• Предохранительные клапаны для защиты установки от превышения давления
• Система управления
• Управляющая программа
• Лестницы и площадки обслуживания, трубопроводы вне клапанной сборки
• Специально подобранный адсорбент

Основы процесса КЦА

В основе метода короткоцикловой адсорбции лежат физические явления адсорбции. В данной технологии очень летучие вещества с низкой полярностью (такие как водород или гелий) практически не подвергаются адсорбции по сравнению с молекулами углекислого газа (CO2), окиси углерода (CO), азота (N2) и различными углеводородами. Именно эта разница в физико-химических свойствах позволяет выборочно адсорбировать большинство примесей из водородсодержащего потока, обеспечивая получение продукта высокой чистоты.

КОРОТКОЦИКЛОВАЯ АДСОРБЦИОННАЯ (КЦА) установка спроектирована для обеспечения непрерывной очистки водородсодержащего газа (ВСГ). Несмотря на то что внешний процесс выглядит как непрерывный, внутренне он представляет собой прерывистый цикл, состоящий из множества параллельных последовательностей. Каждый отдельный адсорбер работает в индивидуальном цикле КЦА, который постоянно повторяется. Структура одного цикла КЦА включает две основные фазы: стадию адсорбции и стадию регенерации.

За поддержание чистоты продукта отвечает управляющая программа, которая координирует последовательность технологических действий и своевременно переключает работающие адсорберы. Такая последовательная организация процессов гарантирует, что до того, как адсорбционная способность активного адсорбера будет исчерпана, другой адсорбер успеет пройти цикл регенерации и создаст необходимое давление для принятия на себя функции очистки.

На приведенном рисунке ниже визуализирована схема короткоциклового адсорбционного процесса. На нем представлены адсорбционные изотермы, которые отражают зависимость между парциальным давлением конкретного компонента и его равновесной загрузкой в адсорбент при фиксированных температурных режимах.


Процесс адсорбции протекает в условиях высокого давления (стандартный рабочий диапазон составляет 10 - 40 кг/см2). Такое давление способствует повышению парциального давления компонентов, что напрямую увеличивает равновесную загрузку примесей в структуру адсорбента.

Напротив, десорбция или регенерация проводятся при низком давлении (как правило, чуть выше атмосферного), что приводит к значительному снижению равновесной загрузки примесей в материале.

Общее количество примесей, которые удаляются за один полный цикл, определяется разницей между адсорбционной и десорбционной загрузками (остаточной загрузкой).

АДСОРБЦИЯ

Поток исходного газа проходит через систему адсорберов в восходящем направлении — от нижней части к верхней. В ходе этого движения примеси, такие как CO2, углеводороды и CO, выборочно фиксируются на поверхности адсорбента. Очищенный водородный газ, прошедший через слой, выходит из верхней части адсорбера и направляется в коллектор продукта.

На протяжении всего адсорбционного цикла чистота выходного водорода остается стабильной. Однако к завершению цикла в адсорбере начинают активно накапливаться примеси. Это служит сигналом того, что адсорбент полностью загружен и требует проведения процедуры регенерации.

После завершения фазы загрузки в рамках адсорбционных последовательностей, каждый адсорбер проходит процедуру регенерации, состоящую из четырех основных этапов:

• Снижение давления внутри адсорбера до низкого уровня происходит параллельно с расходом подачи. При этом используется параллельный сброс давления с помощью водорода из адсорбера для создания давления или продувки других единиц системы;
• Давление в адсорбере снижается в направлении противотока относительно давления остаточного газа (последовательность сброса), что необходимо для эффективного вымывания примесей из пор адсорбента;
• Продувка адсорбера под давлением остаточного газа водородом: в качестве продувочного агента может использоваться водород, полученный в других адсорберах при продувочных последовательностях, либо чистый водород из общего коллектора для удаления остаточных загрязнений;
• Постепенное (ступенчатое) создание давления в адсорбере до рабочих значений адсорбции с использованием водорода из других адсорберов.

Состав исходного газа

Для обеспечения непрерывного функционирования системы необходимо, чтобы все примеси, поглощаемые в фазе адсорбции, полностью удалялись в фазе регенерации. Это подразумевает, что силы взаимодействия между молекулой примеси и адсорбентом должны быть достаточно сильными для фиксации при высоком давлении, но при этом достаточно слабыми для десорбции при низком давлении. Для достижения непрерывной очистки в установках КЦА обычно применяются многослойные системы адсорбента: нижний слой предназначен для удаления «тяжелых» компонентов с минимальными силами сцепления, а верхний слой — для улавливания «легких» примесей.

Если из-за отклонения состава исходного газа от проектного значения более тяжелый компонент попадет в верхний слой, он будет полностью поглощен, но не сможет эффективно десорбироваться. В такой ситуации компонент будет непрерывно дезактивировать этот слой, снижая его эффективность.

Примеси можно условно разделить на две основные группы.

Группа1:

CO, N2, C1, C2, O2, He

К этой группе относятся примеси, которые не вызывают необратимой деградации или перегрузки адсорбционного материала.

При работе установки КЦА с концентрацией этих компонентов, превышающей расчетную, возможен риск их проникновения в поток продуктового водорода. Как правило, такое загрязнение фиксируется потоковым анализатором, после чего оператор может принять меры, снизив расход сырья на входе в систему КЦА и/или скорректировав КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. Если концентрация поступающих примесей нормализуется, адсорбционные материалы можно полностью восстановить в процессе регенерации.

Группа 2:

Все компоненты, не перечисленные в группе 1, особенно: CO2, C3, C4+, H2O(пар)

Данная группа включает компоненты, способные вызвать необратимую перегрузку адсорбционного материала. Подобная ситуация может возникнуть в следующих случаях:

1. a) Наличие в исходном газе примесей, которые не были предусмотрены при проектировании установки.

В таких ситуациях в емкости адсорбера отсутствуют соответствующие слои для улавливания неспецифицированных компонентов.

1. b) Превышение содержания критических компонентов в сырье по сравнению с проектными данными ИЛИ подача сырья на установку КЦА превышает её фактическую максимальную производительность.

В этих условиях производительности специального слоя может быть недостаточно даже для того, чтобы предотвратить прорыв легких примесей в продукт, который может быть зафиксирован анализатором.

Во всех перечисленных сценариях критические компоненты вступают в контакт со слоями, из которых они практически не десорбируются. Это провоцирует непрерывную дезактивацию материала, которую невозможно быстро обнаружить методами анализа чистоты продукта. Если через определенное время из-за дезактивации нижних слоев происходит прорыв легких компонентов, такая деградация, скорее всего, станет необратимой в условиях КЦА и приведет к постоянному ухудшению эксплуатационных показателей системы.

Следовательно, необходимо в обязательном порядке избегать перегрузок установки КЦА примесями ГРУППЫ 2.

Жидкие фракции воды или другие жидкости никогда не должны попадать в газообразную фазу системы КЦА, так как они мгновенно и необратимо дезактивируют слои адсорбента.

Ниже представлена схема, демонстрирующая общую конфигурацию установки КЦА:


Промышленные установки короткоцикловой адсорбции (КЦА) представляют собой высокотехнологичные системы, предназначенные для глубокой переработки водородсодержащих газовых потоков с целью получения водорода сверхвысокой чистоты. Основная задача данных комплексов заключается в выделении водорода из смесей, полученных в ходе паровой конверсии легких углеводородов (синтез-газов), а также в очистке отходящих газов, образующихся в различных технологических циклах производства. Благодаря применению технологии КЦА, предприятия способны получать продуктовый водород с чистотой, достигающей 99,999%, что критически важно для многих современных производственных процессов.

В основе технологии короткоцикловой адсорбции лежит физический принцип связывания молекул примесей, которые присутствуют в обогащенных водородом потоках. В процессе эксплуатации сырой водородсодержащий газ направляется в специализированный блок КЦА. Внутри этого блока осуществляется циклическое удаление нежелательных компонентов из газовой среды. Основной механизм очистки базируется на способности адсорбента удерживать специфические примеси при определенных условиях давления.

Для достижения требуемой степени концентрации водорода и обеспечения высокого качества очистки в схеме КЦА задействовано большое количество последовательных адсорбционных слоев. В этих блоках происходит эффективное отделение метана и различных окислов углерода. Процесс осуществляется за счет чередования фаз: адсорбция загрязнений на поверхности материала происходит в условиях высокого давления, в то время как десорбция (регенерация)itiva осуществляется при снижении давления до минимальных значений.

Сырьем для работы данных установок служит газ, в котором содержание водорода составляет приблизительно 75-80% об. Конечным результатом работы системы является чистый водород с концентрацией выше 99,5% об. Кроме того, в процессе работы системы образуется отдувочный газ, концентрация водорода в котором варьируется в пределах 10-40% об.