專利名稱：變壓吸附提濃氫氣的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體分離領(lǐng)域，尤其涉及從含氫氣體中分離氫氣的變壓吸附(PSA)過程。其國際專利分類號(hào)為B01D53/04。
眾所周知，在許多煉油和化工裝置施放氣中都含有氫氣，例如加氫精制、加氫裂化、催化裂化、合成氨、烴類裂解制烯烴、合成甲醇、催化重整等裝置。被施放出的含氫混合氣體，通常還含有N2、CO、CO2、H2O、Ar以及C1-C4烴等。
關(guān)于氣體的分離，早在1969年U.S.P3，430，418公開了一次均壓的PSA工藝;1971年U.S.P.3，564，816公開了四塔二次均壓的PSA工藝，該工藝廣泛用于分離含氫混合氣，其氫氣純度達(dá)99.999%。為擴(kuò)大裝置生產(chǎn)能力，提高氫氣回收率，U.S.P.3，986，849[1]公開了多塔PSA工藝。[1]是10個(gè)吸附塔工藝流程，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)有三次均壓，每一時(shí)刻總有三個(gè)吸附塔處于吸附步驟，其它七個(gè)塔分別處于不同的再生階段。該工藝簡稱10-3-3流程(參見附

圖1)，吸附塔的工作程序見附圖2。由圖看出，該工藝當(dāng)某塔吸附步驟結(jié)束后，即進(jìn)行三次均壓、順向放壓、逆向放壓、沖洗，三次充壓、產(chǎn)品氫充壓，完成一個(gè)循環(huán)周期。USP4402712[2]公開了一個(gè)新的10塔PSA工藝(見附圖3、4)。它是三次均壓、四塔吸附，簡稱為10-3-4工藝流程。其發(fā)明目的是解決可同時(shí)處理兩種原料氣的方法。當(dāng)某塔吸附步驟結(jié)束后，開始進(jìn)行三次均壓、順向放壓，然后逆向放壓、沖洗。再生步驟結(jié)束。接著，進(jìn)入升壓步驟，即三次充壓，產(chǎn)品氫充壓，又進(jìn)入了吸附步驟。文獻(xiàn)[2]同[1]相比，其不同之處在于[2]可采用兩種原料氣，有兩條進(jìn)料管線，兩條廢氣管線，四個(gè)塔同時(shí)處于吸附狀態(tài)。在處理能力相同時(shí)，[2]比[1]的吸附塔尺寸要小些。文獻(xiàn)[2]的不足之處是當(dāng)兩種原料氣的氫含量相差比較大時(shí)，若按含氫高的原料氣設(shè)計(jì)吸附時(shí)間，則處理氫含量低的吸附塔中的吸附前沿將穿透，不能保證產(chǎn)品氫的純度;若按低含氫原料氣設(shè)計(jì)吸附時(shí)間，則處理高含氫的吸附塔中的吸附劑不能充分利用，將降低產(chǎn)品氫的收率。再者，當(dāng)原料氣之一流量發(fā)生變化時(shí)，則不能隨流量變化而自動(dòng)調(diào)整吸附周期，從而使其不能處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。
本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的用于從含氫混合氣體中分離提濃氫的十塔變壓吸附工藝。該工藝的氫氣產(chǎn)品的收率比已有技術(shù)高，在相同處理能力下，其吸附劑比10-3-3流程的用量少，吸附塔尺寸比10-3-3的小。
本發(fā)明的十塔流程為四次均壓，四塔同時(shí)吸附，簡稱為L10-4-4工藝流程。該工藝在任何時(shí)刻內(nèi)，總有四個(gè)塔處于吸附步驟，其它六個(gè)塔則分別處在不同的再生和升壓步驟。該工藝由吸附、再生和升壓三個(gè)步驟構(gòu)成一個(gè)循環(huán)周期。被分離的原料氣經(jīng)原料管線進(jìn)入吸附塔，經(jīng)吸附劑吸附，產(chǎn)品氫通過產(chǎn)品管線送至氫氣貯罐。吸附步驟完成后，進(jìn)入再生步驟。再生步驟包括四次均壓、順向放壓，逆向放壓、沖洗。再生步驟結(jié)束后，進(jìn)入升壓(亦稱充壓，下同)步驟。升壓步驟包括四次充壓和產(chǎn)品氫充壓。這樣就完成了一個(gè)循環(huán)周期。本發(fā)明的L10-4-4工藝，在運(yùn)行的任一時(shí)刻總有四個(gè)塔處于吸附步驟，而其余各塔分別處于再生和升壓步驟。
采用本發(fā)明可以最大限度地發(fā)揮吸附劑的作用，可提高氫氣收率1-2%(體)。
附圖1-8及其符號(hào)說明附圖1是PSA10-3-3流程圖;
附圖2是PSA10-3-3流程各塔工作程序;
附圖3是PSA10-3-4流程圖;
附圖4是PSA10-3-4流程各塔工作程序;
附圖5是PSAL10-4-4流程圖;
附圖6是PSAL10-4-4流程各塔工作程序;
附圖7是PSA L8-2-3流程各塔工作程序;
附圖8是PSA L5-2-2流程各塔工作程序。
附圖中的符號(hào)A-吸附， E1D-一次均壓，
E2D-二次均壓， E3D-三次均壓，E4D-四次均壓， PP-順向放壓，D-逆向放壓， P-沖洗，E1R-一次充壓(即升壓，下同)，E2R-二次充壓，E3R-三次充壓， E4R-四次充壓，R-產(chǎn)品氣充壓， Ff-原料氣，Wg-廢氣， PH-產(chǎn)品氫;
吸附塔的編號(hào)，分別以阿拉伯?dāng)?shù)字1、2、3、4、5、6、7、8、9、10表示;圖中沒有注明數(shù)字的閥(
)為截止閥。
本發(fā)明的PSA L10-4-4工藝是把10個(gè)吸附塔分別劃分為奇數(shù)(即塔1，3，5，7，9)系列和偶數(shù)(即塔2，4，6，8，10)系列兩個(gè)系列，它們共用一條原料管線，一條尾氣管線和一條產(chǎn)品管線。
下面通過附圖5-8對(duì)本發(fā)明的PSAL10-4-4工藝進(jìn)行具體的描述。
現(xiàn)以塔1為例。原料氣通過閥11進(jìn)入吸附塔1，產(chǎn)品氫通過閥12由共用產(chǎn)品線送到產(chǎn)品貯罐，雜質(zhì)被塔內(nèi)的吸附劑吸附。塔1的吸附步驟結(jié)束后，進(jìn)入再生步驟，對(duì)塔1的吸附劑進(jìn)行再生。塔1通過閥16、66對(duì)塔6進(jìn)行一次均壓(E1D)，(此時(shí)塔6是第四次升壓)，通過閥16，76對(duì)塔7進(jìn)行二次均壓(E2D)(塔7是第三次升壓)，通過閥13、83對(duì)塔8進(jìn)行三次均壓(E3D)，(塔8是第二次升壓)，第四次均壓(E4D)是通過閥13、93、對(duì)塔9進(jìn)行一次升壓。通過上述四次均壓將塔1中貯存的氫氣回收到塔6、7、8、9四塔內(nèi)，同時(shí)提高了它們的壓力，塔1吸附劑上的雜質(zhì)得到部分解吸，四次均壓后的塔1通過閥15、105、104進(jìn)行順向放壓(PP)，對(duì)塔10沖洗，解吸塔10吸附劑上的雜質(zhì)。之后，塔1通過閥14進(jìn)行逆向放壓(D)，使塔1吸附劑上的雜質(zhì)進(jìn)一步地解吸，并通過共用的尾氣管線排出裝置。然后，用塔2順向放壓氣體通過閥25、15、14對(duì)塔1進(jìn)行沖洗(P)。塔1再生步驟結(jié)束。接著，用塔3第四次均壓的氣體通過閥33、13對(duì)塔1進(jìn)行一次充壓(E1R);用塔4的第三次均壓氣體通過閥43、13對(duì)塔1第二次充壓(E2R);用塔5的第二次均壓氣體通過閥56、16對(duì)塔1第三次充壓(E1R);用塔6第一次均壓氣體通過閥66、16對(duì)塔1第四次充壓，最后用產(chǎn)品氫對(duì)塔1充壓(R)到吸附壓力。完成了吸附分離氣體的一個(gè)循環(huán)周期。
當(dāng)塔1完成了吸附(A)步驟時(shí)，塔5進(jìn)入了吸附步驟。進(jìn)入再生步驟的塔1當(dāng)完成了第二次均壓時(shí)，塔2完成了吸附步驟，塔6進(jìn)入了吸附步驟。由此可見，兩個(gè)相鄰吸附塔(例如塔1、2、3…)之間相差兩步(見附圖6)，每進(jìn)行兩步再生則有一個(gè)塔結(jié)束吸附步驟，同時(shí)有另一個(gè)吸附塔完成升壓步驟而進(jìn)入吸附步驟。
本發(fā)明的PSA L10-4-4工藝，在運(yùn)行過程中，當(dāng)某塔所屬的部件發(fā)生故障，造成該塔不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則能(自動(dòng)地或手動(dòng))由十塔運(yùn)行切換成八塔運(yùn)行，即變成二次均壓，三塔吸附的八塔流程，簡稱為PSA L8-2-3流程。
由10塔運(yùn)行切換8塔運(yùn)行，應(yīng)從奇、偶兩個(gè)系列中各切掉一個(gè)塔，而不應(yīng)從一個(gè)系列中切掉兩個(gè)吸附塔。10塔變成8塔，可有五種切換方案，這五種方案的各塔工作程序見附圖7。現(xiàn)假設(shè)塔9出現(xiàn)故障，則切掉塔9、塔10，變成塔1、2、3、4、5、6、7、8處于運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)以塔1為例來說明L8-2-3工藝流程。即原料氣通過閥11進(jìn)入塔1，產(chǎn)品氫通過閥12由共用管線送到氫貯罐，雜質(zhì)被吸附在塔1吸附劑上。塔1吸附步驟結(jié)束后，通過閥16、56對(duì)塔5進(jìn)行一次均壓(E1D)，塔5為二次升壓(E2R)，塔1一次均壓后通過閥15、75進(jìn)行順向放壓(PP)，對(duì)塔7進(jìn)行沖洗(P)，使塔7吸附劑上的雜質(zhì)解吸。之后，通過閥15、75進(jìn)行二次均壓(E2D)，對(duì)塔7進(jìn)行一次升壓(E1R)。二次均壓之后通過閥14進(jìn)行逆向放壓(D)，使塔1中的吸附劑上雜質(zhì)進(jìn)一步地解吸，并通過共用廢氣管線排出裝置。然后，通過閥35、15用塔3的順向放壓(PP)氣體對(duì)逆向放壓后的塔1進(jìn)行沖洗(P)，使其吸附劑上的雜質(zhì)得到解吸，接著用塔3的二次均壓(E2D)的氣體通過閥35、15對(duì)塔1進(jìn)一次升壓(E1R)，用塔5一次均壓(E1D)氣體通過閥56、16對(duì)塔1進(jìn)行二次升壓(E2R)。之后，用產(chǎn)品氫通過閥12對(duì)塔1充壓到吸附壓力。完成一個(gè)吸附分離循環(huán)周期。
當(dāng)由10塔切換成8塔(L8-2-3)流程時(shí)，其處理能力基本保持不變，只是收率略有降低，而文獻(xiàn)[1]的10-3-3切換成8-2-2時(shí)，其處理能力下降20%左右，收率略有下降。
本發(fā)明的L10-4-4流程在運(yùn)行中，如果奇數(shù)系列或偶數(shù)系列中的公用系統(tǒng)部件，或者同一系列中的兩個(gè)或兩個(gè)以上吸附塔同時(shí)出現(xiàn)故障，則可(自動(dòng)或手動(dòng))切換掉有故障的吸附塔系列，使無故障系列繼續(xù)運(yùn)行。這時(shí)的運(yùn)行流程為L5-2-2流程，即二次均壓(E1D、E2D)、兩個(gè)塔同時(shí)吸附。該流程各塔的工作程序示于附圖8。這里假定偶數(shù)系列被切掉，變成塔1、3、5、7、9這五個(gè)塔運(yùn)行。現(xiàn)仍以塔1為例來說明L5-2-2流程。如下原料氣通過閥11進(jìn)入吸附塔1，產(chǎn)品氫通過閥12由共用管線送到氫氣貯罐，雜質(zhì)被吸附在塔1中的吸附劑上。塔1吸附步驟(A)結(jié)束后，塔1通過閥16、76對(duì)塔7進(jìn)行一次均壓(E1D)，(此時(shí)塔7是第二次升壓)。一次均壓后，塔1通過閥15、95進(jìn)行順向放壓(PP)，對(duì)塔9進(jìn)行沖洗(P)，使塔9吸附劑上的雜質(zhì)解吸。接著，塔1進(jìn)行二次均壓(E1D)的氣體，通過閥15、95對(duì)塔9進(jìn)行一次升壓。二次均壓后的塔1經(jīng)閥14進(jìn)行逆向放壓(D)，使塔1吸附劑上的雜質(zhì)進(jìn)一步地解吸，并通過共用廢氣管線排出裝置。然后用塔3順向放壓(PP)的氣體對(duì)塔1進(jìn)行沖洗(P)，以解吸其吸附劑上的雜質(zhì)。之后，用塔3二次均壓(E2D)的氣體通過閥35、15對(duì)塔1進(jìn)行一次充壓(E1R)，用塔5一次均壓(E1D)的氣體通過閥56、16對(duì)塔1進(jìn)行二次充壓(E2R)，然后用產(chǎn)品氫經(jīng)閥12對(duì)塔1充壓(R)到吸附壓力。完成一個(gè)吸附分離循環(huán)周期。
L10-4-4流程同文獻(xiàn)[1]的10-3-3流程比，當(dāng)都切換成五塔運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明L5-2-2流程比文獻(xiàn)[1]的5-2-1流程的處理量要大。
實(shí)施例例1、原料氣的組成如下，其壓力為2.45MPa。要求產(chǎn)品氫的純度為99.99%
(V)，CO含量不高于10ppm，CO2含量不高于10ppm。試比較10-3-3、L10-4-4流程的塔體積和氫氣收率。其結(jié)果列于表1
從表1不難看出，本發(fā)明在氫收率高出1%的情況下，其10個(gè)塔的總體積比10-3-3小35.3米3，相當(dāng)于節(jié)約吸附劑25%。這對(duì)降低吸附塔的造價(jià)、節(jié)約吸附劑極為有利。
例2、原料氣的組成和其壓力同例1。對(duì)產(chǎn)品氫的純度及雜質(zhì)含量要求與例1相同。試比較由10塔運(yùn)行切換成8塔運(yùn)行的8-2-2、L8-2-3流程之差別，結(jié)果見表2。
表2
結(jié)果表明L8-2-3流程的處理能力與原來10塔基本相同，不會(huì)影響下游裝置的供氫量。
同樣，本發(fā)明的工藝流程，當(dāng)切換成五塔運(yùn)行時(shí)，即L5-2-2流程仍然比文獻(xiàn)[1]的5-2-1流程優(yōu)越，其處理能力比后者大很多。
權(quán)利要求
1.一種適用于從含氫原料氣中以變壓吸附提濃氫的十塔工藝，由吸附步驟、再生步驟和升壓步驟組成一個(gè)循環(huán)周期，在運(yùn)行時(shí)同時(shí)有四塔處在吸附步驟，其特征在于L10-4-4工藝采用四次均壓(E1D、E2D、E3D、E4D)、順向放壓(PP)，逆向放壓(D)，沖洗(P)；采用四次升壓(E1R、E2R、E3R、E4R)和產(chǎn)品氫充壓(R)，提高產(chǎn)品氫的收率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的L10-4-4工藝，其特征在于當(dāng)完成了吸附步驟的某一吸附塔進(jìn)入再生步驟時(shí)，每進(jìn)行兩步再生就有一個(gè)塔完成升壓步驟而進(jìn)入吸附步驟，就有一個(gè)塔完成吸附步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的L10-4-4工藝，當(dāng)該工藝在運(yùn)行過程中由于某一吸附塔的部件發(fā)生故障而不能正常運(yùn)行時(shí)，可切換成八塔流程進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，其特征在于該八塔工藝流程為L8-2-3，即在任一時(shí)刻總有三個(gè)塔處于吸附步驟;采用二次均壓(E1D、E2D)，二次升壓(E1R、E2R)和產(chǎn)品氫充壓到吸附壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的L10-4-4工藝，當(dāng)奇數(shù)系列或偶數(shù)系列中的公用系統(tǒng)部件，或者同一系列中的兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可切換掉有故障的系列，變成五塔流程進(jìn)行運(yùn)行，其特征在于該五塔工藝流程為L5-2-2，即在任一時(shí)刻總有兩個(gè)塔處于吸附步驟;采用二次均壓(E1D、E2D)，二次升壓(E1R、E2R)和產(chǎn)品氫充壓(R)到吸附壓力。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適用于從含氫原料氣中以變壓吸附提濃氫氣的十塔工藝，即L10—4—4工藝。它是由吸附、再生和升壓步驟構(gòu)成的，其特點(diǎn)是四塔同時(shí)處于吸附步驟，采用了四次均壓，四次升和產(chǎn)品氫充壓。提高了裝置的處理能力，使產(chǎn)品氫增加1～2％(體)的收率。
文檔編號(hào)C01B3/56GK1070840SQ92110918
公開日1993年4月14日 申請(qǐng)日期1992年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月24日
發(fā)明者曹壽康, 梁福忠, 劉中捷, 王文彬 申請(qǐng)人:中國石油化工總公司, 中國石油化工總公司洛陽石油化工工程公司