目前制氢装置的氢气净化分为常规法_精品.doc

目前制氢装置的氢气净化分为常规法（苯菲尔溶液脱碳）和变压吸附（Pressure Swing Adsorption，缩写为PSA） 上式通常认为是按下列步骤进行的： 为了加快其反应速度，最有效的方法是在碳酸钾溶液中加入液相催化剂，以改变其反应过程。 采用二乙醇胺作液相催化剂的反应机理如下： 从平衡观点看，加入二乙醇氨做催化剂，降低了溶液面上的CO2平衡分压，从而有利于净化度的提高。 对于用苯菲尔法脱除原料气中的二氧化碳，应综合净化度高（减少后续过程的麻烦）、溶液的吸收容量大（溶液循环量小，动力消耗低）、吸收和再生速度快（设备可小些）、能耗低、流程简单、投资省等几个方面作为流程选择的考虑因素。 苯菲尔溶液吸收的净化度既与贫液的再生度有关，又与其吸收温度有关。从平衡角度考虑希望吸收液的温度低一些，则其二氧化碳的平衡分压低，净化度也就高。从反应速度角度考虑希望吸收液的温度高些，温度高，吸收系数大，吸收速度就快。 目前国内采用苯菲尔溶液净化工艺的制氢装置，几乎全部选择了二段吸收、二段再生流程流程。以两种不同再生度的溶液提供给吸收塔。 2．甲烷化反应 在制氢生产过程中，甲烷化反应的目的是从经过脱碳后粗氢气中除去一氧化碳和二氧化碳，以满足加氢装置催化剂对氢气质量的要求。 甲烷化反应为强放热反应，其反应式如下： = -206.2kJ/mol = -165.0kJ/mol 在典型的甲烷化反应器操作条件下，每1%一氧化碳转化的绝热温升为72℃，每1%二氧化碳转化的绝热温升为60℃。制氢装置中甲烷化反应器入口温度一般在280～300℃之间。通过甲烷化反应，可将粗氢气中一氧化碳（0.3%）和二氧化碳（1%）之和降至50μg.g-1。 （二）、变压吸附（PSA）净化工艺 1．变压吸附工艺原理 吸附是指当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。吸附按其性质的不同可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。PSA制氢装置中的吸附主要为物理吸附。 物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。其特点是：吸附过程没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，这种吸附是完全可逆的。 由于吸附剂的传热系数很小，吸附时近于绝热过程，又由于循环周期短，吸附热来不及散失，紧接着又供解吸使用，所以吸附热和解吸热对床层的变化不大，使床层温度仅在平均温度上下波动2℃左右。 吸附质在吸附剂上的容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用这个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生。 当吸附达到平衡时，被吸附物质的分压等于它在吸附剂接触的气相中的分压，当气相压降降低或系统温度升高时，被吸附气体将以它本来的形式脱离吸附剂。正是依靠这种可逆性，进行吸附剂的再生。 在实际变压吸附过程中，当多组分气体在一定压力下进入吸附床时，由于流体运动，各组分的浓度相互间会发生转变，但这种转变很快就会稳定下来并形成我们可以观测到的饱和区、传质区和波峰面。 实际上，混合气体有多少种除氢以外的组分就有多少个被恒态区隔开的波峰面，但对于具体工业应用而言，我们一般只需要关心其中需严格控制的某一种最难吸附的杂质组分的波峰面（吸附前沿）即可。 随着吸附的进行，吸附床进料端将逐步达到吸附平衡，而吸附传质区和吸附前沿将逐渐前移，当吸附前沿尚未达到出口时即结束了吸附过程，这时吸附床的出口端仍留着一段基本未吸附杂质的纯净区。 在吸附结束后，随着均压减压和顺放减压的进行，由于压力的下降，饱和区内已达到吸附平衡的被吸附质开始解吸并向前移动，然后被再次吸附，同时吸附传质区和吸附前沿继续前移直到床层出口。 在顺放减压后床层进行逆向减压，这时随着压力的迅速下降，被吸附杂质开始大量解吸，同时使床层在低压下达到新的吸附平衡状态。最后用氢气逆向冲洗床层，降低床层杂质分压，使吸附床层被打破，杂质组分得以彻底再生。 变压吸附（PSA）氢提纯工艺是利用不同组分在选定的吸附剂上的吸附强弱对原料气（中变气或低变气）中的杂质（CO、CO2、H2O、CH4）在高压下吸附，在低压下解析，从而提纯氢气的工艺过程。 变压吸附氢提纯工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对含氢气源中杂质组分的优先吸附而使氢气得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在