專(zhuān)利名稱(chēng)：高效柔性變壓吸附工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有柔性(flexible)流程結(jié)構(gòu)和柔性操作條件的高效變壓吸附工藝。它屬于氣體分離及凈化技術(shù)。
變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡(jiǎn)稱(chēng)PSA)是使氣體在較高壓力下吸附，而在較低壓力下從吸附劑上脫附，因各組份氣體在吸附劑上的平衡吸附量不同，或因吸附動(dòng)力學(xué)差異實(shí)現(xiàn)氣體分離的循環(huán)操作過(guò)程。PSA流程包含一個(gè)以上的吸附塔(吸附器)。在兩個(gè)以上的吸附塔流程中，為回收機(jī)械能和提高產(chǎn)品收率，將操作中需要升壓的塔和需要降壓的塔連通，稱(chēng)為“均壓”(Wagner,1969年，U.S.Patent:3,430,418)。多塔流程中，往往按照各塔壓力等級(jí)，多次均壓(L.B.Batta,1971年U.S.Patent:3,564,816)。按物流在塔內(nèi)的流動(dòng)方向，區(qū)分為順向均壓和逆向均壓。順向均壓目的是增大產(chǎn)品回收率，逆向均壓用意在提高分離的清晰度，保證產(chǎn)品純度。
一個(gè)典型的PSA循環(huán)包括以下步驟高壓下的吸附、順向泄壓、逆向泄壓、吸附劑再生、增壓和最終增壓(參見(jiàn)楊祖葆“吸附法氣體分離”，化學(xué)工業(yè)出版社，1991)。存在的問(wèn)題是1．均壓操作將流程中所有的吸附塔(吸附器)的運(yùn)行緊密聯(lián)系起來(lái)，任何一塔的操作狀態(tài)都會(huì)波及整個(gè)流程。由于采取塔間直接均壓，使得多塔流程中的操作步驟排序復(fù)雜化。為照顧塔間配合，往往不能完全按照最佳條件分配各操作步驟的時(shí)間。由于操作時(shí)間排序與塔數(shù)密切相關(guān)，不宜通過(guò)吸附塔數(shù)目的簡(jiǎn)單增加來(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)能力，在某一塔出現(xiàn)故障情況下，很難做到不停車(chē)修理。2．順向均壓步驟導(dǎo)致較強(qiáng)吸附組份的前沿向吸附床的產(chǎn)品氣出口端移動(dòng)，致使吸附床利用率降低，相當(dāng)于降低床層的吸附容量。3．現(xiàn)在的PSA技術(shù)所采用的吸附劑，包括各種沸石分子篩、活性炭、碳纖維、硅膠、活性氧化鋁等，從比表面積考察，大都在數(shù)百至1000m2/g左右，吸附容量較低，生產(chǎn)單位量產(chǎn)品所需對(duì)原料氣的壓縮次數(shù)較多，致使單位產(chǎn)品能耗較高。4．原料氣凈化單元與變壓吸附單元分離，凈化單元通常采用變溫再生，而沒(méi)有與整個(gè)分離過(guò)程同步。
本發(fā)明的目的在于提出一種柔性的(flexible)變壓吸附流程，其中各吸附塔獨(dú)立地在最佳條件下運(yùn)行，提高吸附床層利用率和吸附容量，并使凈化器的再生與吸附塔的再生協(xié)調(diào)起來(lái)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)附圖
所示的變壓吸附流程實(shí)現(xiàn)的。圖中C1、C2…Cn是吸附塔。S1、S2…Sm是中間儲(chǔ)罐，各罐壓力在脫附與吸附壓力范圍內(nèi)依次變化。各吸附塔完全是并列地與相關(guān)氣體物流管線連接。即各塔的產(chǎn)品出口端與產(chǎn)品管線連接，另一端通過(guò)閥門(mén)分別與不同壓力等級(jí)的中間儲(chǔ)罐連通管線、預(yù)吸附塔出口端的凈化后原料氣管線或常壓脫附氣管線連接。F1和F2是預(yù)吸附塔(凈化器)；Tp是產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐。在主吸附塔中填充以高表面吸附劑(例如比表面積2000m2/g以上的超級(jí)活性炭)為主的單一或與其它吸附劑組成的復(fù)合吸附劑，在預(yù)吸附塔中填充比表面積較低、孔隙度較大的單一或復(fù)合吸附劑，吸留原料氣中的強(qiáng)吸附組份。原料氣首先在吸附壓力下通過(guò)一組預(yù)吸附塔，除掉其中對(duì)于主塔吸附劑難脫附的不利組份。然后進(jìn)入主吸附塔的入口端，進(jìn)入吸附操作，不易吸附的產(chǎn)品組份則進(jìn)入產(chǎn)品氣管線。吸附步驟停止后，依照壓力等級(jí)，依次與中間儲(chǔ)罐均壓(本流程保證了吸附塔的逆向泄壓)，最后經(jīng)另一組預(yù)吸附塔向吹掃氣管線泄壓。下一步用產(chǎn)品氣通過(guò)主吸附塔和預(yù)吸附塔逆向吹掃，氣體進(jìn)入吹掃氣管線，使吸附床再生。兩組吸附塔定期切換。切換時(shí)可利用預(yù)吸附塔的旁路管線和常壓脫附氣管線調(diào)整預(yù)吸附塔壓力。吹掃步驟之后，將中間儲(chǔ)罐按照壓力等級(jí)依次與主吸附塔均壓(本流程保證了吸附塔的順向增壓)。最后，采用產(chǎn)品氣對(duì)主吸附塔進(jìn)行逆向增壓，達(dá)到吸附壓力，完成終充(壓)步驟。本發(fā)明的操作特點(diǎn)，在于各吸附塔總是與中間儲(chǔ)罐進(jìn)行逆向泄壓和順向增壓。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1．具有流程結(jié)構(gòu)上的柔性。由于各個(gè)吸附塔在流程中并聯(lián)，一個(gè)塔的切入或切斷不打亂整個(gè)變壓吸附流程的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)不停車(chē)檢修，也可以根據(jù)處理量的變化隨時(shí)增減吸附塔數(shù)目。2．具有操作條件的柔性。每個(gè)塔的操作條件(各步驟的時(shí)間分配)無(wú)需考慮與其它塔操作的配合，因此可以調(diào)整在最佳狀態(tài)。3．顯著增大了床層的吸附容量。由于采用逆向泄壓，提高了床層利用率，并且采用高表面吸附劑，因此顯著提高了吸附容量，從而減少生產(chǎn)一定量產(chǎn)品所需的“增壓-泄壓”循環(huán)的次數(shù)，故而節(jié)省了對(duì)原料氣體的壓縮能。4．有利于產(chǎn)品收率的提高。本流程使吸附塔泄壓時(shí)帶出的產(chǎn)品氣進(jìn)入各級(jí)中間的儲(chǔ)罐儲(chǔ)存起來(lái)，而在順向增壓時(shí)重新進(jìn)入吸附塔，有利于提高產(chǎn)品氣的收率。5．凈化塔(預(yù)吸附塔)參與變壓循環(huán)，通過(guò)“變壓”再生，而不是通常的“變溫”再生，提高了流程操作穩(wěn)定性，并降低能耗。6．具有機(jī)械能利用效率的柔性。中間儲(chǔ)罐不但回收泄壓出去的產(chǎn)品氣，同時(shí)也回收泄出氣體包含的機(jī)械能。根據(jù)機(jī)械能效率的要求可以增減中間儲(chǔ)罐的級(jí)數(shù)。
典型用例煉廠干氣提氫。干氣中氫氣含量約50％，其它組份主要是C1-C3,N2、O2等。在流程中有4個(gè)主吸附塔，2個(gè)預(yù)吸附塔。主吸附塔中填充由超級(jí)活性炭和5A分子篩組成的復(fù)合吸附劑，在預(yù)吸附塔中填充由脫水吸附劑和普通活性炭組成的復(fù)合吸附劑。吸附壓力0.8MPa，吸附床經(jīng)純氫常壓吹掃再生。兩級(jí)中間儲(chǔ)罐，工作壓力分別是0.3和0.6MPa左右。與現(xiàn)有4塔PSA工藝相比，氫氣純度、收率指標(biāo)顯著提高，而能耗明顯降低。
權(quán)利要求
1．一種高效柔性變壓吸附工藝，主要由1個(gè)至多個(gè)吸附塔，1級(jí)以上的中間儲(chǔ)罐，2組預(yù)吸附塔所構(gòu)成，其特征在于各吸附塔并列地與氣體物流管線相連，實(shí)現(xiàn)各塔獨(dú)立操作；吸附塔與中間儲(chǔ)罐進(jìn)行逆向泄壓和順向增壓；原料氣進(jìn)入吸附塔之前首先通過(guò)預(yù)吸附塔，預(yù)吸附塔一組順向吸附，一組在變壓循環(huán)中逆向吹掃再生，定期切換；吸附塔內(nèi)主要填充比表面積為2000m2/g以上的高表面吸附劑，或與其它吸附劑的混合吸附劑，預(yù)吸附塔內(nèi)填充比表面積較低，孔隙度較大的吸附劑。
2．按權(quán)利要求1所說(shuō)的高效柔性變壓吸附工藝，其特征在于所述的吸附塔內(nèi)填充的高表面吸附劑為超級(jí)活性炭、活性炭纖維，或它們的表面改性制品。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有柔性(flexibility)的高效變壓吸附工藝。其特征是吸附塔并聯(lián),各塔獨(dú)立運(yùn)行,因此各塔能夠獨(dú)立制定最合理的操作時(shí)間表,并可根據(jù)處理量變化和局部檢修需要隨時(shí)增減流程中的吸附塔數(shù)目。采用高表面吸附劑,以減少原料氣體的壓縮次數(shù)。設(shè)置預(yù)吸附塔并使其參與操作循環(huán)中的周期性變壓清洗,穩(wěn)定吸附劑的吸附容量。采用逆向均壓以適應(yīng)高純度要求并提高吸附床層的利用率。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1235863SQ99106859
公開(kāi)日1999年11月24日 申請(qǐng)日期1999年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月18日
發(fā)明者周理 申請(qǐng)人:天津大學(xué)