CN1063095C - 六塔真空变压吸附气体分离工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从气体混合物中分离和纯化气体的工艺。用吸附剂选择性地吸附分离气体，获得纯化气。系统中有六个实心吸附塔和n个空心吸附塔，n为大于0的整数，实心吸附塔的循环连续操作顺序是，吸附、n次均衡降压、顺向放压、抽真空、n次均衡升压、最终升压。上述均压在实心吸附塔与空心吸附塔间进行。具有双塔进料，抽真空和最终升压连续的特点。
Description
本发明涉及气体的分离方法，特别是从气体混合物中分离和纯化气体的变压吸附工艺。
已有的分离和纯化气体的变压吸附工艺，通常采用四塔吸附系统，有四个充填吸附剂的吸附塔，计算机控制程控阀门，按程序接通、关闭吸附塔。气体混合物从吸附塔进料口送入，在吸附压力下，塔内吸附剂选择性地吸附气体，使未被吸附的气体成为纯化气，经缓冲罐送往外界待用，随后吸附塔减压，使被吸附气体脱附，其高压解吸气经放空管放出，低压解吸气经真空罐用真空泵抽出送放空管排出，吸附剂再生后，吸附塔升压、进料。每个吸附塔的循环操作顺序为吸附(A)、一级均衡降压(1L)、二级均衡降压(2L)、逆向放压(L)、抽空(U1)、抽空(U2)、二极均衡升压(2H)、隔离(IS)、一级均衡升压(1H)、最终升压(FH)。上述的降压和升压程序是在吸附塔与吸附塔之间进行的直接均压。所构成的四塔二次均压工艺，其A、B、C、D四塔的操作程序如下表1。
表1
已有的四塔二次均压工艺存在如下主要缺点：
一、系统均压次数少，不能充分回收塔内死空间的有效气体，回收率较低。
二、最终升压不连续，纯化气输出流量波动大，需设置缓冲罐。
三、真空抽吸过程不连续，真空泵无效功耗高。
四、程序编排中出现难于去除的隔离程序，此程序中吸附剂停止吸附或再生，使其造成浪费。
鉴于此，本发明的目的在于提供一种操作程序简化，能充分回收有效气体，能耗较低，设备投资较低的六塔真空变压吸附气体分离工艺。
本发明的六塔真空变压吸附气体分离工艺，在变压吸附系统中，用吸附剂选择性地吸附分离气体混合物中的气体，获得纯化气，上述变压吸附系统有循环操作的六个充填有吸附剂的实心吸附塔(A、B、C、D、E、F)、和n个空心吸附塔(G1、G2、G3、G4、G5)、上述n为大于0的整数，上述各实心吸附塔的循环连续操作的顺序是，吸附(A)、n次均衡降压(nL)、顺向放压(L)、抽真空(U)、n次均衡升压(nR)、最终升压(FR)，上述均压在实心吸附塔和空心吸附塔间进行。
上述六个实心吸附塔的操作程序可以如表2。
表2
上述六个实心吸附塔的操作程序也可以如表3。
表3
上述n可以是5～18中的任意正整数。
本发明与已有技术相比较，具有如下显著的优点和明显的效果。
一、系统的均衡升压和降压，在实心吸附塔和空心吸附塔间进行，是一种间接均压。其均压次数n，取决于空心吸附塔的数量n。因此，n值可按需任意设备，从而能充分回收实心吸附塔内死空间的有效气体，提高有效气体回收率。n值越大，有效气体回收率越高。此外，这种间接均压的全系统的程序编制也较为简单。
二、各实心吸附塔的最终升压连续进行，因此勿需设置已有技术中纯化气缓冲罐，从而可使系统设备重量降低约15％。其次最终升压连续还消除了工艺中的隔离程序，从而可提高吸附剂的利用率，可使吸附剂的用量降低约20％。上述两项的节约，可使系统总投资降低15～20％。再者，最终升压连续进行，使气流量稳定，因此，每时刻返回空心吸附塔的纯化气体能稳定流动，可使系统送出产品气的输出流量限制在送入系统的原料气流量波动范围之内。
三、抽真空连续进行，消除了真空泵不对实心吸附塔抽空时的无效功耗，从而可使全系统能耗降低约20％，并节省原有技术中的真空缓冲罐。
四、本工艺可实现双塔进料，提高气体收率，也可在需要减为半荷操作时，关闭半个系统，采用单塔进料，仍可保证与六塔工作时有同等有效气体收率。
五、均压过程在实心吸附塔与空心吸附塔间进行，各塔工作独立性强，当需要维护、更换局部设备时，勿需全系统停止运行，可采用减量生产正常运行。
下面，再用实施例对本发明作进一步说明
实施例1
本发明的一种六塔真空变压吸附气体分离工艺，以变换气为原料气，脱除二氧化碳、回收纯化气。
原料气的组份及其含量(Vol)：H2 48％、CO2 28％、CO1.5％、N221％、O2+CH4+Ar 1.5％、H2O饱和。原料气压力0.8MPa，温度28℃。送料流量7000Nm3/h。
变压吸附系统流程如图1所示，有6个实心吸附塔A塔、B塔、C塔、D塔、E塔、F塔，和5个空心吸附塔G1、G2、G3、G4、G5，即n=1、2、3、4、5。用管道及其中的程控阀连接各塔构成六塔变压吸附系统。实心吸附塔中，充填活性氧化铝、合成沸石、活性炭、硅胶、硅藻土和分子筛等固体混合吸附剂。
系统运行时，采用计算机编程，自动控制使系统按表2的程序操作运行。系统中各实心吸附塔与各空心吸附塔运行过程相同。以A塔操作运行过程为例详述其变压吸附过程如下。
1、吸附A：
原料气经除去机械水，从进料管1进入A塔床层自下而上流动，其中的CO2和H2O在吸附压力下被吸附剂吸附，未被吸附的H2、N2、CO和CH4等组分(称为纯化气)经出料管输出。当吸附剂吸附饱和后，即CO2的吸附前沿到达吸附塔的某一位置时，原料气停止输入A塔，而切换进入另外的实心吸附塔，进行与A塔相同的操作。A塔床内保持吸附时的压力。
2、均衡降压1L、2L、3L、4L、5L
A塔吸附步骤停止后，依次与5个空心吸附塔进行均衡降压，首先，使A塔出口端与G1塔进口相通，A塔内死空间气体(H2、N2、CO、CH4等)由A塔出口端流入G1塔。该步骤结束时，A、G1两塔压力基本达到平衡，此时，一级均衡降压1L步骤结束，A塔内CO2吸附前沿已推前至某一位置，但未达到出口端。此步骤回收了A塔死空间(系指吸附塔除去吸附剂外的所有空间)的部分组份，随后，切断G1塔，连通A与G2塔，进行二级均衡降压2L后切断G2塔，如此依次将A塔与G3塔、G4塔、G5塔，进行三级，四级、五级均衡降压3L、4L、5L。均衡降压结束后，A塔压力降至约0.12MPa。A塔内CO2吸附前沿刚好到达A塔出口端，A塔内吸附剂已被充分利用。
3、顺向放压L：
A塔均衡降压结束后，使塔内所剩的气体顺向放空，在此过程中大部分被吸附的二氧化碳脱附了出来，经放空管3放入大气，吸附剂得到了一定程度再生。A塔内压力接近常压约0.02MPa。
4、抽真空U
顺向放压结束后，A塔与真空泵连通，A塔内吸附的CO2和H2O等杂质组份经抽空管4和抽空管5被抽出，使吸附剂中吸附的气体尽量解吸而得到进一步再生。
5、均衡升压1R、2R、3R、4R、5R
A塔抽空后，依次与5个空心吸附塔进行均压，首先将A塔出口与G5塔出口端相通，G5塔高压气体进入A塔，对A塔进行充压。该步骤结束后，A塔与G5塔压力基本相等，切断G5完成五级均衡升压5R。随后A塔依次与G4、G3、G2、G1塔连通均压，进行四级、三级、二级、一级均衡升压4R、3R、2R、1R。均衡升压结束后，A塔内压力达到约0.57MPa。
6、最终升压FR
A塔经历均衡升压步骤后，塔内压力未达到吸附步骤的工作压力，利用正处于吸附步骤的其它塔输出的纯化气对A塔进行最终升压，直到A塔基本达到吸附压力0.8MPa为止。至此，A塔在一次循环中的各步骤全部结束，紧接着便进行下一次循环。
其它五个实心吸附塔B塔、C塔、D塔、E塔、F塔的操作步骤与A塔相同，只是在时间上相互错开。
本实施例的六塔五次均压工艺，吸附时间为15分钟/塔，抽真空时间为15分钟/塔，最终升压时间为7.5分钟/塔。系统的运行特点是两塔同时吸附，两塔同时抽真空，单塔最终升压，单塔降压，放压或升压。
采用上述工艺，脱除二氧化碳后，纯化气中二氧化碳含量低于0.2Vol％。
其气体有效成份收率、消耗指标、系统建设投资与已有四塔工艺比较如表4。
表4
| 气体有效成份收率Vol％ | 分离1000Nm3/h原料气的消耗指标 | 系统建设投资(人民币) | ||||
| H2 | N2 | CO | 工业冷却水 | 电耗 | ||
| 六塔工艺 | 98 | 82 | 93 | 0.65T | 8KWh | 265万元 |
| 四塔工艺 | 96 | 82 | 85 | 0.8T | 12KWh | 305万元 |
本系统设有两条抽空管4和5，可减为半荷运行，即关闭A、B、C塔或关闭D、E、F塔，而采用三塔操作运行。
实施例2
本发明的另一种六塔真空变压吸附气体分离工艺，以变换气为原料气，脱除水和硫化氢及其它硫组份。
原料气组份及其含量(VOl)：H2 48％，CO2 25％，CO 1.5％，N221％，CH4+O2+Ar 1.5％，H2O饱和，总S250mg。原料气压力0.3MPa，温度40℃，流量7000Nm3/h。
变压吸附系统流程如图2所示，也有6个实心吸附塔和5个空心吸附塔，即，n=1、2、3、4、5。在实心吸附塔中充填通常的脱水、脱硫专用吸附剂。
系统按表3的程序，用计算机编程操作运行。原料气除去机械水后经进料管1送入实心吸附塔，气流自下而上流经实心吸附塔，其中的水和硫化氢及硫的其它化合物被吸附剂大量吸附，仅有微量硫化氢及水排出。其工艺过程与实施例1相似。
本六塔五次均压工艺，吸附时间为15分钟/塔，抽真空时间为7.5分钟/塔，最终升压时间为15分钟/塔。系统的运行特点是两塔同时吸附，单塔抽空，双塔最终升压，单塔降压、放空或升压。
采用本工艺，脱除水及硫化氢和及其硫化物组份后，露点≤-40℃，含硫总量小于0.1PPm。其气体有效成份的收率、消耗指标、系统建设投资，与已有四塔工艺的比较如表5。
表5
| 气体有效成份收率Vol％ | 分离1000Nm3/h原料气的消耗指标 | 系统建设投资(人民币) | |||
| H2 N2 | CO2+CH4+O2+Ar+CO | 工业冷却水 | 电耗 | ||
| 六塔工艺 | 99.6％ | 97.4％ | 0.19T | 3.2kwh | 140万元 |
| 四塔工艺 | 98.9％ | 96.6％ | 0.25T | 5kwh | 185万元 |
Claims (4)
1、六塔真空变压吸附气体分离工艺，在变压吸附系统中，用吸附剂选择性地吸附分离气体混合物中的气体，获得纯化气，其特征在于所述的变压吸附系统有循环操作的六个充填有吸附剂的实心吸附塔(A、B、C、D、E)和n个空心吸附塔(G1、G2，G3、G4、G5)，上述n为大于或等于5，上述各实心吸附塔的循环连续操作顺序是，吸附(A)、n次均衡降压(nL)、顺向放压(L)、抽真空(U)、n次均衡升压(nR)，最终升压(FR)，上述均压在实心吸附塔与空心吸附塔之间进行。
2、如权利要求1所述的六塔真空变压吸附气体分离工艺，其特征在于所说的六个实心吸附塔的操作顺序为，
3、如权利要求1所述的六塔真空变压吸附气体分离工艺，其特征在于所说的6个实心吸附塔的操作程序为，
4、如权利要求1、2、3所述的六塔真空变压吸附气体分离法，其特征在于所说的n=5～18。
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| CN1160598A (zh) | 1997-10-01 |
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