專利名稱：從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變壓吸附氣體分離技術(shù)領(lǐng)域，是一種從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法。
富氫廢氣是化工生產(chǎn)過程中排放的廢氣，如合成氨弛放氣、甲醇弛放氣、甲醛尾氣等。這類富氫廢氣通常的處理辦法是將其作為燃料使用，這是十分可惜的。如果能將這類廢氣中的氫氣加以分離回收，返回生產(chǎn)系統(tǒng)中，將大大降低生產(chǎn)成本。變壓吸附作為一種先進(jìn)的氣體分離凈化技術(shù)已將這一愿望變成了現(xiàn)實(shí)。目前在這方面比較有代表性的是美國(guó)專利3430418所公開的四塔一次均壓變壓吸附工藝。該工藝的特點(diǎn)是采用四塔并聯(lián)系統(tǒng)；不易吸附組份作為產(chǎn)品氣引出；解吸再生階段分為三個(gè)步驟首先是把停止吸附的塔的壓力順著吸附進(jìn)行的方向減壓，以回收塔內(nèi)死空間里的產(chǎn)品組份。然后逆著吸附方向減壓至常壓和在此壓力下用一部份產(chǎn)品氣沖洗床層，以脫附和清除在吸附劑上的雜質(zhì)組份。再后用產(chǎn)品氣將沖洗完畢的塔充壓到吸附壓力，以備再次分離和凈化廢氣。具體來說，即每個(gè)吸附塔都必須經(jīng)過吸附、均壓降、逆放、沖洗、均壓升、最終充壓等步驟；整個(gè)過程是在環(huán)境溫度下進(jìn)行的。而中國(guó)專利1040352A則是針對(duì)甲醇弛放氣中含有甲醇，提出了采用活性碳和分子篩作為吸附劑，可省去甲醇預(yù)處理裝置的方法，使甲醇在減壓過程中得到解吸，但其工藝過程與前述專利的工藝相比沒有改變，只是專指了吸附劑及其比例和裝填位置。由于已有技術(shù)吸附劑的解吸是通過減壓后在低壓下用產(chǎn)品氣進(jìn)行沖洗來完成的，故對(duì)產(chǎn)品氣形成浪費(fèi)，使氫氣回收率較低，只有60～80％。除此之外，已有技術(shù)的工藝使系統(tǒng)設(shè)備利用率不高，不能更好地體現(xiàn)變壓吸附工藝的優(yōu)越性。
本發(fā)明的首要目的是彌補(bǔ)已有技術(shù)的不足，提供一種能使氫氣回收率得到較大提高的變壓吸附工藝。
本發(fā)明的次要目的是在達(dá)到上述目的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高氫氣回收率，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提高設(shè)備利用率，降低工程費(fèi)用及配套費(fèi)用。
本發(fā)明的最后一個(gè)目的是進(jìn)一步提高設(shè)備利用率。
本發(fā)明的首要目的是通過這樣一種技術(shù)解決方案達(dá)到的即在由兩個(gè)或兩個(gè)以上吸附塔組成的吸附再生循環(huán)系統(tǒng)中，每一個(gè)吸附塔都依次按吸附→均壓降→逆向降壓→解吸→均壓升→最終充壓完成一次吸附再生循環(huán)工藝過程，但在每一個(gè)時(shí)段中各個(gè)吸附塔又分別處在不同的工藝步驟，其中均壓降、均壓升是在吸附塔之間進(jìn)行，解吸是采用抽真空的方法，而且是逆著進(jìn)氣方向?qū)λ?nèi)吸附床層抽真空。這樣一方面可使解吸進(jìn)行的更徹底，以提高下一次循環(huán)的吸附率，另一方面避免了用產(chǎn)品氣沖洗解吸的浪費(fèi)，較大地提高了氫氣的回收率。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是這樣達(dá)到的在上述吸附再生循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置均壓塔，均壓塔可采用1～10個(gè)的組合。對(duì)于均壓降、均壓升除可在吸附塔之間進(jìn)行，還可或同時(shí)在吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行，均壓次數(shù)可為1～10次。
本發(fā)明的其余目的則分別通過以下一些技術(shù)措施達(dá)到的一是在系統(tǒng)吸附再生循環(huán)過程的每一個(gè)時(shí)段中都始終保持有兩個(gè)或兩個(gè)以上吸附塔同時(shí)處于進(jìn)氣吸附步驟；二是在系統(tǒng)吸附再生循環(huán)過程的每一個(gè)時(shí)段中，保持有一個(gè)或一個(gè)以上的吸附塔同時(shí)處于抽真空步驟，并且抽真空在整個(gè)工藝過程中是連續(xù)的。
本發(fā)明各具體的工藝步驟控制如下1．吸附采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔同時(shí)進(jìn)富氫廢氣，并在接近富氫廢氣壓力0.2～4.0MPa(表壓)下進(jìn)行吸附。吸附壓力最好控制在1.8～2.4MPa(表壓)。吸附塔中的吸附劑可根據(jù)需要選用沸石分子篩、煤質(zhì)活性碳、果殼活性碳、硅酸、活性氧化鋁等及其它能夠選擇吸附除氫氣以外其余雜質(zhì)氣體的吸附劑。富氫廢氣經(jīng)吸附床層后，雜質(zhì)被吸附劑吸附，純氫氣作為產(chǎn)品氣引出。富氫廢氣既可從吸附塔下部也可從吸附塔上部進(jìn)入，對(duì)應(yīng)引出的產(chǎn)品氣則相反。
2．均壓降在吸附床層接近飽和時(shí)，停止進(jìn)富氫廢氣，然后順著進(jìn)氣方向?qū)⑽剿?nèi)的壓力降低，以回收塔內(nèi)大量的死空間氣體。此過程既可以完全在吸附塔之間進(jìn)行，又可完全在吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行或者同時(shí)采用在吸附塔之間和吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行。均壓次數(shù)可為1～10次，具體次數(shù)根據(jù)產(chǎn)品氣中氫氣純度的要求而定。從提高氫氣回收率及縮短工藝時(shí)間綜合考慮，均壓降過程最好依次數(shù)同時(shí)采用在吸附塔之間和吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行。均壓降的終壓控制為原吸附壓力的10～20％。
3．逆向降壓均壓降后，又將塔內(nèi)剩余氣體逆著進(jìn)氣方向排放到塔外，直至塔內(nèi)壓力降至大氣壓，此時(shí)吸附劑得到部份解吸。
4．抽真空為了達(dá)到更深層次的解吸，在吸附劑已得到部份解吸的情況下，需逆著進(jìn)氣方向?qū)ξ酱矊映檎婵?，使雜質(zhì)從吸附劑上進(jìn)一步脫附出來。抽真空壓力控制為-0.053～-0.096MPa(表壓)。為了使真空泵工作效率大幅度提高，同時(shí)省去價(jià)格昂貴，占地面積大的真空緩沖罐，抽真空過程可以是連續(xù)的，即在工藝安排上，使系統(tǒng)中一個(gè)或一個(gè)以上吸附塔抽真空步驟剛完成，正好是另一個(gè)或一個(gè)以上吸附塔抽真空步驟的開始。
5．均壓升與均壓降相反，均壓升是把高于該吸附塔壓力的氣體，從其他正處于均壓降步驟的吸附塔或/和裝有均壓降步驟均過來氣體的均壓塔中倒充進(jìn)處于這一步驟的吸附塔，使塔內(nèi)壓力增高。其均壓升的次數(shù)與均壓降次數(shù)相同。
6．最終充壓最終充壓是用產(chǎn)品氣從產(chǎn)品端或用富氫廢氣從進(jìn)氣端，如果為了適應(yīng)工藝要求縮短終充時(shí)間，也可采用產(chǎn)品氣和富氫廢氣同時(shí)從各自的端口對(duì)吸附塔進(jìn)行充壓，使塔內(nèi)壓力盡快達(dá)到吸附工作壓力。當(dāng)壓力達(dá)到吸附工作壓力后，該塔即可進(jìn)入下一循環(huán)的吸附步驟。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1．大幅度地提高了氫氣的回收率。已有技術(shù)由于吸附劑的解吸是用產(chǎn)品氣(即氫氣)沖洗進(jìn)行，沖洗壓力通常要從1.2MPa降至0.9MPa，故有0.3MPa的氫氣白白放走。這部分氫氣不用，將使氫氣的回收率提高15％左右。本發(fā)明用抽真空方法替代了沖洗解吸，就可大大提高氫氣回收率。雖然抽真空將增加動(dòng)力消耗等，但只占因氫氣回收率提高而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益的20％左右。另外由于本發(fā)明在系統(tǒng)中設(shè)置有均壓塔，使吸附塔的逆向降壓壓力比以往明顯降低，一般降幅在0.1～0.35MPa，從而也使氫氣回收率增加。
2．大大降低了工程費(fèi)用及配套費(fèi)用。本發(fā)明采用的兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔同時(shí)進(jìn)富氫廢氣以及在系統(tǒng)中設(shè)置有均壓塔的方法，與已有的單塔進(jìn)氣和未設(shè)置有均壓塔的系統(tǒng)相比，在處理同等氣量的條件下，可大大降低工程費(fèi)用及配套費(fèi)用。以六塔工藝流程為例，采用本發(fā)明方法的六個(gè)塔的吸附劑總用量比以往流程的用量節(jié)省14]]>，設(shè)備體積減小14]]>，相應(yīng)的管道、閥門大小也要減小30％。這樣就可節(jié)省25％的工程費(fèi)用，同時(shí)還節(jié)省配套費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。另外，再加上在吸附劑的解吸過程中還采用了連續(xù)抽真空的方法，使得系統(tǒng)中真空泵的效率大幅度提高，真空泵的使用臺(tái)數(shù)比間斷抽真空的要節(jié)省15％，而且可省去真空緩沖罐，因而還可進(jìn)一步降低工程費(fèi)用，同時(shí)還使解吸更加完全。
3．設(shè)備利用率高、實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明提供的變壓吸附法可在同套工業(yè)裝置上變換使用多套工藝流程。如在由六個(gè)吸附塔和兩個(gè)均壓塔組成的六塔雙進(jìn)四均壓的工藝流程中，其中一個(gè)吸附塔的閥門出現(xiàn)故障，則可變換采用五塔雙進(jìn)三均壓的工藝，這種組合就有六種，同時(shí)系統(tǒng)不需要停止工作就可維修，并且處理原料氣的量還可保持不變，非常適合工廠連續(xù)化生產(chǎn)的要求。
下面給出實(shí)施例并對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例一本實(shí)施例為由六個(gè)吸附塔和三個(gè)均壓塔組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用六塔雙進(jìn)雙抽五均壓工藝。在系統(tǒng)吸附再生循環(huán)的每一個(gè)時(shí)段中，各塔的步序如下表所示步序…………→
富氫廢氣經(jīng)管道輸送至變壓吸附界區(qū)內(nèi)，經(jīng)過調(diào)壓系統(tǒng)將富氫廢氣的壓力控制在1.8～2.4MPa(表壓)后同時(shí)進(jìn)入A塔和F塔(雙進(jìn))，并在此壓力范圍內(nèi)吸附，雜質(zhì)被吸附劑吸附滯留在吸附床層內(nèi)，合格的產(chǎn)品氣從A塔和F塔引出。其余四塔中C塔和D塔同時(shí)處在抽真空步驟(雙抽)，另兩塔各自依次在進(jìn)行解吸再生的其它步驟。本工藝一次循環(huán)周期大約80分鐘。在本實(shí)施例中，五次均壓降的第一、五次是在吸附塔之間進(jìn)行，第二、三、四次是在吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行。第一次均壓降壓力下降至原吸附壓力的65％，經(jīng)二、三、四次均壓降后，壓力下降至原吸附壓力的12％，約為0.22MPa。均壓升則反之。逆向降壓壓力降至大氣壓。抽真空終壓控制在-0.053～-0.096MPa(表壓)。當(dāng)含56％(體積百分?jǐn)?shù))氫氣的富氫廢氣在上述工藝條件下，經(jīng)過本系統(tǒng)裝置后可得到氫氣濃度為99％的產(chǎn)品氣，此時(shí)氫氣的回收率為95％。
實(shí)施例二本實(shí)施例為由五個(gè)吸附塔和四個(gè)均壓塔組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用五塔三進(jìn)單抽四均壓工藝，各塔步序如后表所示。富氫廢氣經(jīng)過管道輸送至變壓吸附界區(qū)內(nèi)，經(jīng)過調(diào)壓系統(tǒng)將富氫廢氣壓力控制在1.8～2.4MPa(表壓)后同時(shí)進(jìn)入A、B、C塔(三進(jìn))，并在此壓力范圍內(nèi)吸附，雜質(zhì)被吸附劑吸附滯留在吸附床層內(nèi)，合格的產(chǎn)品氣分別從A、B、C塔引出。其余兩塔各自依次進(jìn)行解吸再生的其它步驟。本工藝一次循環(huán)周期大約50分鐘。在本實(shí)施例中，四次均壓均在吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行。第一次均壓降壓力下降步序…………→
至原吸附壓力的80％，后三次均壓降后壓力下降至原吸附壓力的20％，約為0.30MPa。逆向降壓與抽真空參數(shù)控制與實(shí)施例一相同，略。當(dāng)含氫氣58％(體積百分?jǐn)?shù))的富氫廢氣在前述工藝條件下，經(jīng)過本系統(tǒng)裝置后可得到氫氣濃度為99％的產(chǎn)品氣，此時(shí)氫氣的回收率為90％。
實(shí)施例三本實(shí)施例為由四個(gè)吸附塔和四個(gè)均壓塔組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用四塔雙進(jìn)單抽四均壓工藝。在該工藝中各塔步序如下表所示步序…………→
當(dāng)實(shí)施例二的系統(tǒng)中任何一塔出現(xiàn)故障時(shí)，為確?；どa(chǎn)的連續(xù)性，可采用本套工藝流程。由于只有四個(gè)吸附塔工作，為保證氫氣回收率，系統(tǒng)處理富氫廢氣的能力下降為五塔的80％，但是氫氣回收率要高一些。本實(shí)施例各步驟工藝控制參數(shù)除均壓降終了的壓力因少了一個(gè)吸附塔而改為降至0.22MPa外，其余與實(shí)施例二相同，故略去不述。當(dāng)含氫氣58％，其余為雜質(zhì)的富氫廢氣在上述工藝條件下，經(jīng)過本系統(tǒng)裝置后可得到氫氣濃度為99％的產(chǎn)品氣，此時(shí)氫氣的回收率為93％。
權(quán)利要求
1．一種從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法，在由兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔組成的吸附再生循環(huán)系統(tǒng)中，每一個(gè)吸附塔都依次按吸附→均壓降→逆向降壓→解吸→均壓升→最終充壓等步驟完成一次吸附再生循環(huán)工藝過程，但在每一個(gè)時(shí)段中各個(gè)吸附塔又分別處在不同的工藝步驟，其中均壓降、均壓升是在吸附塔之間進(jìn)行，其特征在于解吸是采用抽真空的方法，且是逆著進(jìn)氣方向?qū)λ?nèi)吸附床層進(jìn)行抽真空。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法，其特征在于在吸附再生循環(huán)系統(tǒng)中，還設(shè)置有均壓塔，均壓塔可采用1～10個(gè)的組合，均壓降、均壓升還可或同時(shí)在吸附塔與均壓塔之間進(jìn)行，均壓次數(shù)可為1～10次。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法，其特征在于在系統(tǒng)吸附再生循環(huán)過程的每一個(gè)時(shí)段中，有兩個(gè)或兩個(gè)以上吸附塔同時(shí)處于進(jìn)氣吸附步驟。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法，其特征在于在系統(tǒng)吸附再生循環(huán)過程的每一個(gè)時(shí)段中，有一個(gè)或一個(gè)以上的吸附塔同時(shí)處于抽真空步驟，并且抽真空在整個(gè)工藝過程中是連續(xù)的。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的從富氫廢氣中提取氫的變壓吸附法，其特征在于在系統(tǒng)吸附再生循環(huán)過程的每一個(gè)時(shí)段中，有一個(gè)或一個(gè)以上的吸附塔同時(shí)處于抽真空步驟，并且抽真空在整個(gè)工藝過程中是連續(xù)的。
全文摘要
本發(fā)明公開的是一種從富氫廢氣中提取氫的改進(jìn)變壓吸附法,其技術(shù)特點(diǎn)是用抽真空進(jìn)行解吸再生;在系統(tǒng)中設(shè)置均壓塔;在吸附再生循環(huán)的每一個(gè)時(shí)段既保持有兩個(gè)或兩個(gè)以上吸附塔同時(shí)處于吸附步驟,又保持有一個(gè)或一個(gè)以吸附塔同時(shí)處于抽真空步驟,且抽真空為連續(xù)的。使用本發(fā)明可大大提高氫氣回收率,變廢為寶,降低生產(chǎn)成本,還可節(jié)省高達(dá)25%的工程費(fèi)用和配套費(fèi)用,而且設(shè)備利用率高,實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)C01B3/00GK1209351SQ97107640
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1997年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月21日
發(fā)明者王玉, 歐陽斌, 劉松 申請(qǐng)人:成都新華化工研究所