一种氢气除氧工艺系统及方法

技术领域

本发明涉及氢气提纯生产工艺技术领域，特别涉及一种氢气除氧工艺系统及方法。

背景技术

很多加氢产品生产过程中需要用到氯碱、氯酸钠等装置中的氢气，而副产的氢气中含有一定量的氧气及少量氯气，其中氧气的存在对于加氢产品的生产过程是非常危险的，氧气一旦在生产的过程中积聚会造成爆炸事故；氯气在生产的过程中也是危险的，一旦氢气中带有一定浓度的氯气进入会造成触媒中毒现象；因此在氢气进入加氢装置前必须把大部分氧气及氯气除去。氢气除氧系统是氢气提纯生产过程中的关键工序，其合理性决定氢气质量、触媒的利用率及单位氢气处理成本。

现有氢气除氧系统一般为前水洗塔、除氧器、后水洗塔，立式结构的除氧器，分为两个部分，上部为装填触媒罐体设备的封头，下部罐体设备为触媒的装填段，下部罐体直段总高一般为3.0米左右，触媒的装填段的总高为2.6米高；氢气除氧器单个设备直径大约为0.55米左右，直径太大容易造成筒体同一平面温度分布更不均匀，需要增加氢气的产出量只要并联同样的几只这样的罐体即可。

这种除氧系统有以下缺点：

1、除氧器的催化剂具有分布不均匀，氢气在散装的触媒段下行时的过程中出现偏流、分布不均匀的现象；

2、除氧器中间的触媒反应温度较高，筒体壁温度较低，中间的热量不能够及时移出，触媒发热与填料烧结，触媒寿命低；

3、系统应对氧含量较高的氢气的适用性不强，无法随含氧量变化进行调节，处理后氢气纯度无保证，质量较差；

4、系统触媒的利用率较差，使得同样规模的产氢量的装置需要的触媒量更多，装置的初始投资更高；

5、除氧器泄漏、检修以及触媒更换时需要降低负荷或停车。

鉴于此，有必要提供一种新的氢气除氧工艺解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氢气除氧工艺系统，利用钯触媒除氧器进行除氧的工艺系统，使氧含量逐渐降低的氢气与活性逐渐增强的钯触媒逆流接触，降低了最终氢气含氧量，延长了触媒寿命，避免了高浓度氧气与高活性触媒直接接触产生局部过热导致触媒失活的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种氢气除氧工艺系统，其特征在于，包括第一除氧器、第二除氧器、第三除氧器、第四除氧器、备用除氧器、第一水洗塔、第二水洗塔以及用于直接降温的循环真空泵和间接降温的透浦风机；

所述第一除氧器采用上进下出的管道连接方式，设上下法兰封头，其筒体内设列管，列管内填充接近报废的钯触媒及陶粒。来自生产装置的氢气从第一除氧器上部进入，第一除氧器中的低活性触媒吸收或拦截来自氢气中氯离子及其他机械杂质，并初步催化氢气中浓度为2.3-2.5％的氧气至2.2-2.4％，确保后续除氧器的触媒活性，分担后续除氧器负荷，经除氧后的氢气从第一除氧器下部排出；

所述第二除氧器，列管内填充较低活性触媒。来自第一除氧器的氢气从第二除氧器上部进入，第二除氧器催化氢气中浓度为2.2-2.4％的氧气至1.7-1.9％，第二除氧器的除氧强度相较第一除氧器高，产生的反应热通过其出口温度自动控制透浦风机变频调节冷却风量进行列管间接撤热，必要时通过风机出口加入喷淋水维持除氧器在正常反应温度。经除氧后的氢气从第二除氧器下部排出；

所述第一水洗塔采用下进上出的管道连接方式，下部设填料段水洗冷却，上部设空塔，在顶部设置两层丝网除雾器除去水分。来自第二除氧器的氢气从第一水洗塔下部进入，经水洗降温后从第一水洗塔顶部排出；

所述第三除氧器，列管内填充较高活性钯触媒及陶粒。来自第一水洗塔的氢气从第三除氧器上部进入，第三除氧器催化氢气中浓度为1.7-1.9％的氧气至0.3％，第三除氧器除氧强度最高，大量的反应热通过其出口温度自动控制透浦风机变频调节冷却风量进行列管间接撤热，必要时通过风机出口加入喷淋水维持主除氧器在正常反应温度。经除氧后的氢气从第三除氧器下部排出；

所述第四除氧器，列管内填充外购的最高活性钯触媒及陶粒。来自第三除氧器的氢气从第四除氧器上部进入，第四除氧器催化氢气中浓度为0.3％的氧气至低于0.1％，将高活性的触媒催化低浓度氧气，避免了局部剧烈反应产生超温导致高活性触媒粉化和失效，其反应热较小，通过氢气自身即可撤热，其热平衡温度在正常反应温度区间内。经除氧后的氢气从第四除氧器下部排出；

所述第二水洗塔采用下进上出的管道连接方式，下部设填料段水洗冷却，上部设空塔，在顶部设置两层丝网除雾器除去水分。来自第四除氧器的氢气从第二水洗塔下部进入，经水洗降温后从第二水洗塔顶部排出；

所述循环真空泵将经过第二水洗塔降温除水的氢气进行部分循环，其进口与第二水洗塔顶部出口管连接，其出口管与第三除氧器进口管连接。该部分除氧后氢气将第三除氧器进口管氢气中氧气浓度由1.7-1.9％降低至1.5-1.7％，在经济运行的前提下确定循环氢气量，将减缓第三除氧器的反应强度，增加的循环氢气也可以带走反应热量，延长高活性触媒的寿命；

第一、第二、第三、第四除氧器及备用除氧器结构及附属设施完全一致，每一个除氧器均设置4个进口阀门和4个出口阀门,可以实现4台除氧器任意的串联或5台除氧器任意的串-并联操作；随着催化反应的进行，钯触媒的活性整体降低至一定程度时，通过开关除氧器的进出口阀门，除氧器将实现顺序的转换，新换触媒的除氧器进入，待报废触媒的除氧器退出并更换新触媒备用，切换过程无需停车。根据氢气量以及含氧量的变化，通过开关除氧器的进出口阀门，可以将临时将备用除氧器加入除氧系统，强化除氧效率，实现五台除氧器灵活的串-并联设置，以应对多变的工况。

本发明还提供一种氢气除氧工艺方法，包括如下步骤：

氢气除氧系统开车时，氢气处理量不宜过高，整个系统出口氢气安全排空。含氧浓度为2.3-2.5％的氢气进入第一除氧器，在接近报废钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第一除氧器出口氢气中氧气浓度为2.2-2.4％，温度为90-110℃时，通过氢气自身撤热达到热平衡，同时氢气中氯离子、其他杂质被低活性钯触媒拦截；

含氧浓度为2.2-2.4％的氢气进入第二除氧器，在较低活性钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第二除氧器出口氢气中氧气浓度为1.7-1.9％，温度为180-220℃时，产生的反应热通过其出口温度自动控制透浦风机变频调节冷却风量进行列管间接撤热，必要时通过风机出口加入喷淋水维持主除氧器在正常反应温度；

含氧浓度为1.7-1.9％，温度为180-220℃的氢气进入第一水洗塔，经过降温除水后送往第三除氧器；

含氧浓度为1.7-1.9％，温度为40℃的氢气进入第三除氧器，在较高活性钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第三除氧器出口氢气中氧气浓度为0.3％，温度为260-280℃时，产生的反应热通过其出口温度自动控制透浦风机变频调节冷却风量进行列管间接撤热，必要时通过风机出口加入喷淋水维持主除氧器在正常反应温度；开车过程中在低于260℃时透浦风机保持较低频率运行，以便第三除氧器尽快达到最佳反应温度；

含氧浓度为0.3％的氢气进入第四除氧器，在最高活性钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第三除氧器出口氢气中氧气浓度低于0.1％，温度为280-300℃时，虽然温度很高，但是反应生成热量较少，通过氢气自身撤热即可达到热平衡；

在后除氧器出口氧气浓度低于0.1％时，氢气经第二水洗塔降温除水送用户，停止排空。开车正常后逐渐将氢气处理量提升至额度负荷，此时开启循环真空泵，将经过第二水洗塔降温的部分氢气进行循环，并入第三除氧器除氧器进口管，将除氧后氧气浓度为0.1％的氢气与氧气浓度为1.7-1.9％的待除氧氢气进行混合，降低第三除氧器进口氧气浓度至1.5-1.7％，降低了第三除氧器的处理强度。

优选地，循环氢气量为需除氧氢气量的5-10％。

本发明的氢气除氧工艺系统及方法，有益效果如下：

1、阶梯式设置不同活性的触媒，将反应分布于不同区域，降低了触媒总装载量，节省运行费用，且有效避免集中装载触媒产生的局部过热；

2、逆流式的接触，即氢气中氧浓度逐渐降低，触媒活性逐渐升高，缓解了高活性触媒与氧气反应，防止触媒因剧烈反应而失活；

3、在除氧器设置间接喷淋及风冷，确保除氧器温度，延长触媒寿命，降低运行费用；

4、将较差的触媒设置于第一处理器，吸收尾气中机械杂质及氯离子，最大限度的保护了后续高活性触媒；

5、设置第一水洗塔，降温除水的同时，捕集粉化的触媒和陶粒，防止后续触媒堵塞；

6、5台除氧器的设置，每次只需要更换备用除氧器的触媒，通过开关除氧器进出口阀门，即可完成除氧器顺序的变换。以一台触媒运行12个月为例，新更换触媒的备用除氧器切换为第四除氧器，之前运行3个月的第四除氧器切换为第三除氧器，之前运行6个月的第三除氧器切换为第二除氧器，之前运行9个月的第二除氧器切换为第一除氧器，之前的运行12个月的第一除氧器退出进行检查，更换新触媒，经试压合格后成为备用除氧器。

7、每台除氧器触媒更换周期由行业普遍的3个月延长至12个月以上，氢气耗用触媒量较行业水平下降0.05公斤/万标准立方米，氢中含氧量由国内同行业的0.3％下降到低于0.1％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1是本发明提供的氢气除氧工艺系统的结构示意图；

附图标记：1-第一除氧器，2-第二除氧器，3-第三除氧器，4-第四除氧器，5-备用除氧器，6-第一水洗塔，7-第二水洗塔，8-循环真空泵，9-透浦风机，10-第一除氧器进口阀，11-第一除氧器出口阀，12-第二除氧器进口阀，13-第二除氧器出口阀，14-第三除氧器进口阀，15-第三除氧器出口阀，16-第四除氧器进口阀，17-第四除氧器出口阀，18-除氧系统氢气进口管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

附图1是本发明提供的氢气除氧工艺系统的结构示意图。本发明的氢气除氧工艺系统包括1-第一除氧器，2-第二除氧器，3-第三除氧器，4-第四除氧器，5-备用除氧器，6-第一水洗塔，7-第二水洗塔，8-循环真空泵，9-透浦风机。

待除氧氢气来自于18-除氧系统氢气进口管，通过开启10-第一除氧器进口阀进入1-第一除氧器，此时1-第一除氧器进口其他阀门关闭，通过开启11-第一除氧器出口阀离开1-第一除氧器，此时1-第一除氧器出口其他阀门关闭；1-第一除氧器出口通过管道连通2-第二除氧器进口，通过开启12-第一除氧器进口阀进入2-第二除氧器，此时2-第二除氧器进口其他阀门关闭，通过开启13-第二除氧器出口阀离开2-第二除氧器，此时2-第二除氧器出口其他阀门关闭；2-第二除氧器出口管通过管道连通3-第三除氧器进口，通过开启14-第三除氧器进口阀进入3-第三除氧器，此时3-第三除氧器进口其他阀门关闭，通过开启15-第三除氧器出口阀离开3-第三除氧器，此时3-第三除氧器出口其他阀门关闭；3-第三除氧器出口管通过管道连通4-第四除氧器进口，通过开启16-第三除氧器进口阀进入4-第四除氧器，此时4-第四除氧器进口其他阀门关闭，通过开启17-第四除氧器出口阀离开4-第四除氧器，此时4-第四除氧器出口其他阀门关闭；

2-第二除氧器出口管与3-第三除氧器进口的连通管道中设置6-第一水洗塔；4-第四除氧器出口管进入7-第二水洗塔，7-第二水洗塔出口设置8-循环真空泵，8-循环真空泵将部分氢气循环送入3-第三除氧器进口；9-透浦风机通过除氧器出口的温度计进行自控，变频调节风量，必要时在9-透浦风机出口进除氧器壳体内之前加水强化撤热。

每一台除氧器均设置10-第一除氧器进口阀，11-第一除氧器出口阀，12-第二除氧器进口阀，13-第二除氧器出口阀，14-第三除氧器进口阀，15-第三除氧器出口阀，16-第四除氧器进口阀，17-第四除氧器出口阀，一共8个阀门。除氧器的顺序和功能并不是确定的，是根据其进口开启的阀门确定，每一个除氧器都可以作为1-第一除氧器，2-第二除氧器，3-第三除氧器，4-第四除氧器，5-备用除氧器，根据生产情况和触媒情况，可以任意切换除氧器的顺序，从而改变其功能，服务于生产。

实施例2

基于实施例1的氢气除氧工艺系统，本发明提供的氢气除氧工艺方法，包括如下步骤：

氢气除氧系统开车时，氢气处理量设定在2000Nm

含氧浓度为2.2-2.4％的氢气进入第二除氧器，在较低活性钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第二除氧器出口氢气中氧气浓度为1.7-1.9％，温度为180-220℃时，产生的反应热通过其出口温度自动控制透浦风机变频调节冷却风量进行列管间接撤热。

含氧浓度为1.7-1.9％，温度为180-220℃的氢气进入第一水洗塔，经过降温除水后送往第三除氧器。

含氧浓度为1.7-1.9％，温度为40℃的氢气进入第三除氧器，在较高活性钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第三除氧器出口氢气中氧气浓度为0.3％，温度为260-280℃时，产生的反应热通过其出口温度自动控制透浦风机变频调节冷却风量进行列管间接撤热，必要时通过风机出口加入喷淋水维持主除氧器在正常反应温度。开车过程中在低于260℃时透浦风机保持较低频率运行，以便第三除氧器尽快达到最佳反应温度；

含氧浓度为0.3％的氢气进入第四除氧器，在最高活性钯触媒的催化下，氧气与氢气进行反应生成水，随着反应进行钯触媒温度的升高，最终在第三除氧器出口氢气中氧气浓度低于0.1％，温度为280-300℃时，虽然温度很高，但是反应生成热量较少，通过氢气自身撤热即可达到热平衡。

在后除氧器出口氧气浓度低于0.1％时，氢气经第二水洗塔降温除水送用户，停止排空。开车正常后逐渐将氢气处理量提升至额度负荷4400Nm

实施例3

基于实施例1的氢气除氧工艺系统，本发明提供的氢气除氧工艺方法，除氧器的切换步骤如下：

第一除氧器运行按要求使用三个月后，触媒及陶粒吸附了大量的杂质，其出口温度显示低于65℃时，判断进行触媒报废，将备用除氧器进行切换，进入除氧系统投入生产。

将备用除氧器出口中第四除氧器出口阀打开，缓慢开启备用除氧器进口中第四除氧器进口阀，此时其与原有第四除氧器为并联操作，共同为第四除氧器。将现有第四除氧器进口中第四除氧器进口阀关闭，关闭现有第四除氧器出口中第四除氧器出口阀，此时其成为备用除氧器(原第四除氧器)，备用除氧器成为新第四除氧器独立运行；

将备用除氧器(原第四除氧器)出口中第三除氧器出口阀打开，缓慢开启备用除氧器进口中第三除氧器进口阀，此时其与原有第三除氧器为并联操作，共同为第三除氧器。将现有第三除氧器进口中第三除氧器进口阀关闭，关闭现有第三除氧器出口中第三除氧器出口阀，此时其成为备用除氧器(原第三除氧器)，原第四除氧器成为第三除氧器独立运行；

将备用除氧器(原第三除氧器)出口中第二除氧器出口阀打开，缓慢开启备用除氧器进口中第二除氧器进口阀，此时其与原有第二除氧器为并联操作，共同为第二除氧器。将现有第二除氧器进口中第二除氧器进口阀关闭，关闭现有第二除氧器出口中第二除氧器出口阀，此时其成为备用除氧器(原第二除氧器)，原第三除氧器成为第二除氧器独立运行；

将备用除氧器(原第二除氧器)出口中第一除氧器出口阀打开，缓慢开启备用除氧器进口中第一除氧器进口阀，此时其与原有第一除氧器为并联操作，共同为第一除氧器。将现有第一除氧器进口中第一除氧器进口阀关闭，关闭现有第一除氧器出口中第一除氧器出口阀，此时其成为备用除氧器(原第一除氧器)，原第三除氧器成为第二除氧器独立运行；

备用除氧器(原第一除氧器)取出报废触媒及陶粒，进行内部检查，填充全新填料，进行试压试漏，备用。