變壓吸附氣體分離方法
2023-07-28 01:45:56
專利名稱：變壓吸附氣體分離方法
技術領域：
本發明涉及變壓吸附氣體分離方法，即一種改進的變壓吸附氣體分離或純化方法。混合氣體的組分分離和純化的變壓吸附法，是根據吸附劑對氣體混合物中各氣體組分具有不同的吸附選擇性和在較高壓力下吸附容量大、在較低壓力下吸附容量小的特性，由吸附塔吸附與解吸交替運行，從而是一種使氣體分離和純化循環進行的方法。吸附在較高壓力下進行；解吸在較低壓力或使用不易吸附組分衝洗或真空下進行，或者在二者甚至三者均需要的條件下進行解吸，有時還需要伴以加熱。本說明書僅採用通常所說的衝洗變壓吸附或真空變壓吸附的方法來說明本發明。
現有技術對於小型變壓吸附(PSA)制氮氣或氧氣的裝置，通常採用兩個吸附塔為一組交替吸附來取得產品。在這類裝置中，當其中一個吸附塔處於吸附狀態時，另一個吸附塔則處於再吸附準備過程。再吸附準備過程包括降壓、衝洗、升壓步驟。降壓過程中，吸附劑中吸附的氣體解吸，吸附劑恢復吸附能力。衝洗過程、抽空過程或抽空衝洗過程(以下稱再生過程)，是為了使吸附劑更進一步得到解吸，並使吸附劑中易吸附的氣體組分降低到某一濃度，以利於下一個吸附循環時，易吸附氣體組分不會很快逸出吸附塔，由此使氣體組分分離度提高。由於原料空氣易得，上述兩個吸附塔的再生過程中，一般不會對吸附塔吸附的有用氣體以及死空間的有用氣體作回收。兩塔工作狀態與時間的關係見表1。
表1二塔一進工藝此表及後面的表中符號意義如下A 吸附adsorptionL 降壓、均壓(或P)結束後逆向或順向降壓(pressure dischargefollow or against raw flow)1-NL第一次均壓降至第n次均壓降1-N(equalization de-pressure)NR～1R第n次均壓升至第一次均壓升N-1(equalization re-pressure)P衝洗解吸時表示衝洗氣流出，抽空解吸時表示RR(product flow towashing step or keeping step)PP抽空解吸或衝洗解吸或衝洗置換(washing or vacuum)PP1-PPn衝洗解吸或衝洗置換或第一系統至第n系統抽空解吸(washing or1-system-n-system vacuum)FR用非吸附相氣或原料氣或可與吸附相氣混合之氣最終升壓(finally re-pressure)RR隔離時間段(吸附塔保持前一狀態)由於不回收降壓過程流出的有用氣體，對於原料氣不易獲得，或附加值高的原料氣，上述流程不宜使用。為了回收降壓過程流出的有用氣體，通常採用兩個以上的吸附塔一起工作，在吸附塔降壓解吸過程中，設有吸附塔與吸附塔之間的一次或多次均壓步驟，使降壓解吸過程流出的有用氣體流入正處於升壓階段的吸附塔以節約原料和能量。以非吸附相作為產品時，還用降壓過程流出的非吸附相氣體直接衝洗需要再生的吸附塔，可以提高吸附劑吸附能力。常見的多塔變壓吸附流程，舉例如表2-表9所示
表2三塔一進一均工藝<
表3四塔一進二均工藝
表4五塔一進三均工藝
表5六塔二進三均工藝
表6七塔二進三均工藝
表7八塔二進三均工藝
表8九塔三進四均工藝
表9十塔四進四均工藝綜觀上述流程不難發現，吸附系統的吸附塔數越多，可以實現的均壓次數越多，就能越多地回收吸附塔均壓降階段流出的有用氣體和能量。
但表2-9所列變壓吸附流程由於均壓是在吸附塔之間直接進行，各塔的動作時間互相制約。對於任一流程而言，要保證吸附劑再生時間，又增加均壓次數，則不能增加同時進氣的吸附塔數；或既增加均壓次數，又增加同時進氣吸附塔塔數，就難以保證吸附塔再生過程的時間，結果限制了吸附劑的利用率。
Doshi在美國專利US 4,340,398中公開了一種採用三個或多個吸附塔的變壓吸附法，其中降壓流出氣不是從吸附塔出口端直接輸送到另外的吸附塔，而是先輸送到空罐，然後再將空罐中的氣體輸送到另外的吸附塔用於升壓。但在流程中未安排多塔同時吸附，吸附劑利用率仍不高。
中國專利申請公開CN 1156637A公開了一種採用一個或一個以上的帶折流板的外部氣體貯槽，用於貯存在吸附塔降壓過程中流出的氣體，使不會出現返混現象，再用該氣體經吸附塔出口端對吸附塔進行吹掃、均壓和升壓。這樣流進塔的產品氣純度逐步增高，有利於提高產品的純度和收率。但也沒有安排使更多吸附塔同時處於吸附狀態，由此吸附劑利用效率提高的幅度有限。
中國專利申請公開CN 1175474A公告了一種N塔(N為5以上含5)的真空變壓吸附工藝，其特點是採用N-2個吸附塔同時進行吸附，如此增加了吸附劑的吸附時間比。但是，由於其限制了解吸時間比，吸附劑的再生效果不好，因而吸附劑的實際利用效率並沒有得到有效的提高。此外，該工藝僅有一次均壓，對高壓力吸附工藝的吸附塔流出氣不能進行有效的直接回收，因此氣體回收率受到限制。另外，由於真空泵不能直接對塔連續抽空，因而抽空效率不高。
中國專利申請公開CN 1160598A公開了《六塔真空變壓吸附氣體分離工藝》的方法，吸附塔數量只限於6，並且只能是真空變壓吸附，同時處於吸附狀態的塔數為2(即塔數的1/3)，吸附劑利用率不夠高。
本發明的目的本發明旨在解決已有技術存在的吸附劑利用效率低、系統設備投資高、有效氣體回收率不夠高和運行成本高的問題。
本發明提出了更好的分離方法，依照此種方法，可以完全依據吸附劑特性，確定吸附塔數量為2～24的任意數目，同時處於吸附狀態的吸附塔數量可以為塔數的1/3～2/3，能更好地滿足各種吸附工藝的要求。
本發明的變壓吸附氣體分離方法是(1).設有N個吸附塔，N大於等於2，其中有些吸附塔能同時處於吸附狀態，使吸附塔同時處於吸附狀態儘可能的多，以提高吸附劑的利用率；(2).設有M個空罐，M大於等於2，用於在吸附塔降壓過程中與吸附塔均壓，這種間接均壓最多能進行M次，避面或減少吸附塔間的直接均壓，同時，回收吸附塔流出的氣體，並由這些空罐供氣給吸附塔最終充壓前升壓或衝洗，使吸附塔在工作時間上的相互制約減少，從而能合理安排流程，並能使均壓次數增多，使同時處於吸附狀態的吸附塔數目增加，最高可達總塔數的2/3，脫附時間增長，並能按排吸附、衝洗、置換、抽真空、脫附或升壓步驟連續進行；(3).優選的N為2-24；(4).最好的同時處於吸附狀態的塔數為N/3-2N/3；(5).優選的M為2-18；(6).在衝洗、置換操作時，設置成1-12小系統，使氣體組份不同的衝洗、置換氣體能分階段對吸附塔工作；(7).在系統抽空解吸操作時，分1-12個相對獨立的小系統，使其中各個抽空系統能連續對吸附塔抽空；(8).抽空操作分1-12個小步驟，處於各小步驟時，吸附塔與不同的抽空系統相連，這樣能使各抽空系統連續、直接對吸附塔抽空，並在不同的抽空系統出口獲得不同組份的氣體；(9).吸附塔升壓過程中，部分或全部空罐中的氣體可從吸附塔的出口或其入口流入吸附塔；(10).整個工藝流程中的全部裝置能連續恆流量地最終升壓，省去因最終升壓不連續而設計的原料氣或吸附流出氣緩衝罐。
本發明所述的變壓吸附包括衝洗變壓吸附、真空變壓吸附、變溫變壓吸附、真空變溫變壓吸附。
本發明使用空罐貯存吸附塔降壓流出氣。空罐數量、體積尺寸，主要取決於吸附壓力、放空初壓、吸附塔體積、被吸附組份解吸性能以及產品氣體濃度要求。吸附塔數量的確定，按照吸附劑的性能以及氣體處理要求來定。
對於變溫變壓吸附，是在吸附塔降壓步驟後，升壓步驟前，增加或同時執行升溫。降溫步驟是在升溫結束以後進行。
對於真空變溫變壓吸附，是在吸附塔降壓步驟後，升壓步驟前，增加或同時執行升溫。降溫步驟是在真空步驟後增加或同時執行。
本發明的變壓吸附氣體分離方法，具有如下的突出優點和效果1.本發明是對中國專利申請公開CN1160598A的改進，是一種既能夠使裝置有足夠的均壓次數，又能使同時處於吸附狀態塔數足夠多，還能使吸附劑再生時間充足的設計方法，採用本設計方法，可使吸附劑實際使用效率較現有技術提高很多。
2.本發明在變壓吸附工藝流程中，設計了能使吸附塔總數中的三分之一至三分之二的吸附塔同時處於吸附狀態，使吸附劑利用率提高，使被吸附氣體組份在相同時間內的被吸附氣體量增多。已有技術由於過多兼顧吸附塔與吸附塔之間的相互均壓與直接協調，不可能也未想到，採用本發明的設計方法來實際提高在相同時間、相同吸附劑量的條件下的吸附氣體量。同時，如中國專利申請公開CN1175474，雖然採用N-2個吸附塔同時處於吸附狀態，卻沒有也不可能給吸附劑的解吸留下充足的時間，而且該變壓吸附工藝因沒有採用本發明的設計方法，因此，在吸附壓力較高時，無法有效地回收吸附塔降壓過程流出的有用氣體。
3.本發明的分離方法中，設計了1個或多個空罐回收吸附塔降壓過程流出的氣體，分階段地回收不同組份的流出氣，並將空罐氣體用於吸附塔升壓或衝洗，由此協調吸附塔之間的配合。設計多個空罐似乎會使設備總投資增加，但事實恰恰相反，這樣設計會使吸附塔流出氣中的有用氣體回收更多，能量回收也更多，並可減小吸附設備的尺寸、節省其它大型緩衝罐以及價格昂貴的吸附劑，從而使整個變壓吸附裝置的總投資降低。
4.本發明的分離方法中在吸附塔降壓時，首先與空罐均壓後，最多保留一次吸附塔與吸附塔之間的直接均壓，這樣有利於使最終升壓氣體量在任何時間保持穩定。
5.本發明的分離方法中設計了1-12個衝洗、置換系統，目的在於，吸附塔可以使用多種組份氣體分階段衝洗、置換，有利於達成連續衝洗、置換，並節省用氣量。
6.本發明的分離方法中設計了1-12個抽空系統，目的在於，吸附塔需要真空抽吸時，可以使真空系統直接、連續對塔抽空，不需要設置真空蓄能器。
7.本發明的分離方法中設計了每個吸附塔抽空步驟分作1-12個小步驟，吸附塔與不同的抽空系統相連，這樣可以使各抽空系統連續對塔抽空，並可在不同的抽空系統出口獲取不同組分的氣體。
8.本發明的分離方法中設計了將均壓流出氣含較多易吸附組份的空罐氣體從吸附塔進口端均壓入的方法，有利於克服均壓次數太多，造成的吸附前沿較早突破的弊端，從而保證不會由於增加均壓次數而使氣體分離純化效果差。另外，與吸附流出氣組份相近或相同的空罐氣體則仍由吸附塔出口端均壓入，這有利於吸附前沿的回推。
9.本發明的分離方法中設計了連續最終充壓過程的目的，是使原料氣或吸附流出氣，作為充壓氣體時，流量不產生波動，由此可省去相應的緩衝罐。
10.採用本發明，對於必需採用多塔變壓吸附工藝的大型氣體分離，由於吸附劑利用率的提高，可大大降低吸附劑的用量，吸附設備相應減小，雖然使用多個空罐，也不會使佔地面積增加。
11.本發明採用了M個用作間接均壓的空罐，可以將每一個步序的時間，按照吸附劑的特性需要加長或縮短，而不用強迫其他步序時間相應增長或縮短，整個系統時序編排變得容易而且合理。均壓次數的確定，不再受到吸附塔數量的限制，而是設計人按照吸附劑的吸附與解吸特性來確定，這樣一來，可以通過最大限度的設計均壓次數，以提高有用氣體收率。同時，吸附劑再生時間與吸附時間之比也可大大提高，有利於吸附劑每次吸附容量的提高。再則，可以將吸附劑同時處於吸附狀態的比例儘可能提高，更進一步加強了單位時間、單位體積吸附劑的氣體處理能力。由此，對於相同的氣體處理量，相同的氣體回收率，系統投資將大大減少。同理，相同的投資，可以處理更多的氣體，而且，氣體回收率也將得到提高。
原有表2～表9的技術，吸附塔之間的直接均壓必須相互對應，由此導致某些步序的時間長度不能完全按照吸附劑本身的特性來確定，而必須受到其他步序時間的制約；均壓次數必須按照吸附塔個數和同時進原料氣吸附塔個數來確定，而不能完全按照吸附劑的吸附與解吸特性來確定。
12.依照本發明的分離方法，對於五塔以上的系統，依照本發明的分離方法，編排時序表時，很容易得到連續終充、連續衝洗、連續抽空的效果；也可以很容易地將衝洗、真空再生分為單系統、雙系統、多系統等。但在實際設計時是否使用這些特點，應該按照吸附劑的特性來確定。
13.依照本發明的分離方法，能夠容易地使系統可以共用的程控閥門更多。
14.依照本發明的分離方法，可以容易地使吸附塔均壓降流出氣體從吸附塔入口端均壓流入，而並不更多地需要程控閥門。這對於低壓階段均壓流出氣體中含有較高吸附相氣體濃度的工藝來說，氣體分離效果將更好，有用氣體回收率將更高。
由上所述，採用本發明的分離方法來確定工藝流程，可以使單位時間、單位體積的吸附劑，氣體處理能力較以往的技術提高很多。因此，我們可以減少吸附劑的使用量，相應減少吸附塔重量。如果採用連續終充，對於從非吸附相得到產品的工藝流程，還可以取消非吸附相產品緩衝罐，而且非吸附相產品氣體流量可以比已有技術更穩定。
為了更清楚地說明本發明，列舉如下的實例，但其對本發明並無任何限制。
實施例1本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表10所示。吸附塔數2，同時處於吸附狀態的塔數是1，均壓次數是N(2～18)，衝洗與最終升壓不連續。
實施例2本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表11所示。吸附塔數3，同時處於吸附狀態的塔數是1，均壓次數是N(2～18)，塔對塔衝洗與最終升壓不連續。
實施例3本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表12所示。吸附塔數3，同時處於吸附狀態的塔數是1，均壓次數是N(2～18)+1(一次直接均壓)，塔對塔衝洗與最終升壓不連續。
實施例4本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表13所示。吸附塔數3，同時處於吸附狀態的塔數是2，均壓次數是N(2～18)，衝洗與最終升壓不連續。
實施例5本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表14所示。吸附塔數4，同時處於吸附狀態的塔數是2，均壓次數是N(2～18)，塔對塔衝洗不連續，最終升壓不連續。
實施例6本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表15所示。吸附塔數4，同時處於吸附狀態的塔數是2，均壓次數是N(2～18)，衝洗連續，最終升壓不連續。
實施例7本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表16所示。吸附塔數5，同時處於吸附狀態的塔數是2，均壓次數是N(2～18)+1，塔對塔衝洗連續，最終升壓不連續。
實施例8本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表17所示。吸附塔數5，同時處於吸附狀態的塔數是2，均壓次數是N(2～18)，衝洗連續，最終升壓連續。
實施例9本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表18所示。吸附塔數6，同時處於吸附狀態的塔數是2，均壓次數是N(2～18)+1，塔對塔衝洗不連續，最終升壓連續。
實施例10本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表19所示。吸附塔數6，同時處於吸附狀態的塔數是3，均壓次數是N(2～18)，雙系統連續衝洗，最終升壓不連續。
實施例11本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表20所示。吸附塔數6，同時處於吸附狀態的塔數是3，均壓次數是N(2～18)+1，塔對塔不連續衝洗，最終升壓不連續。
實施例12本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表21所示。吸附塔數6，同時處於吸附狀態的塔數是3，均壓次數是N(2～18)，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例13本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表22所示。吸附塔數7，同時處於吸附狀態的塔數是3，均壓次數是N(2～18)，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例14本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表23所示。吸附塔數7，同時處於吸附狀態的塔數是4，均壓次數是N(2～18)，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例15本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表24所示。吸附塔數8，同時處於吸附狀態的塔數是3，均壓次數是N(2～18)+1，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例16本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表25所示。吸附塔數8，同時處於吸附狀態的塔數是4，均壓次數是N(2～18)，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例17本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表26所示。吸附塔數8，同時處於吸附狀態的塔數是5，均壓次數是N(2～18)，不連續衝洗，最終升壓不連續。
實施例18本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表27所示。吸附塔數9，同時處於吸附狀態的塔數是4，均壓次數是N(2～18)，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例19本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表28所示。吸附塔數9，同時處於吸附狀態的塔數是5，均壓次數是N(2～18)，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例20本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表29所示。吸附塔數8，同時處於吸附狀態的塔數是4，均壓次數是N(2～18)，雙系統連續抽空，最終升壓連續。
實施例21本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表30所示。吸附塔數6，同時處於吸附狀態的塔數是3，均壓次數是N(2～18)，連續抽真空。
實施例22本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表31所示。吸附塔數16，同時處於吸附狀態的塔數是10，均壓次數是7，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例23本發明的一種變壓吸附氣體分離純化方法，其流程如表32所示。吸附塔數23，同時處於吸附狀態的塔數是13，均壓次數是7，連續衝洗，最終升壓連續。
實施例24本發明與已有技術比較例的投資、消耗、氣體收率，如表33所示。
表10二塔一進N均工藝
表11三塔一進N均工藝
表12三塔一進N+1均工藝
表16五塔二進N+1均工藝一
表17五塔二進N均工藝二
表18六塔二進N+1均工藝
表19六塔三進N均工藝一
表20六塔三進N+1均工藝二
表21六塔三進N均工藝二
表22七塔三進N均工藝
表23七塔四進N均工藝
表24八塔三進N均工藝**將NL與NR之間增加N+1L/R交蓋可得N+1均
表25八塔四進N均工藝*
表27九塔四進N均工藝
表28九塔五進N均工藝
表29八塔四進N均真空工藝
表30六塔三進N均真空工藝**本表中P表示用產品氣體衝洗，PP表示真空抽吸吸附塔。
表31十六塔十進7均衝洗工藝
表32二十三塔十三進7均衝洗工藝
表33處理氣量7000NM3/H壓力0.8Mpa變換氣脫碳裝置投資、消耗對照
權利要求
1.一種變壓吸附氣體分離方法，其特徵在於，所述的變壓吸附包括衝洗變壓吸附、真空變壓吸附、變溫變壓吸附、真空變溫變壓吸附；所述的分離方法是設有N個吸附塔，N大於等於2，同時設有M個空罐，M大於等於2，空罐用於在吸附塔降壓過程中與吸附塔最多進行M次間接均壓，回收吸附塔流出的氣體，並由這些空罐供氣給吸附塔最終充壓前升壓或衝洗，避免或減少吸附塔間直接均壓，使各吸附塔操作時間上相互制約減少，使均壓次數增加，而且使同時處於吸附狀態的吸附塔數目增加，最高可達總塔數的2/3，脫附時間增長，並能安排吸附、衝洗、置換、抽真空、脫附或升壓步驟連續進行；
2.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的吸附塔數N為2～24；
3.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的空罐數M為2～18；
4.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的同時處於吸附狀態的吸附塔數為吸附塔總數N的1/3～2/3；
5.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的衝洗、置換操作可設置成L個小系統，L為1～12，使氣體組分不同的衝洗、置換氣體能分階段對吸附塔工作；
6.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的系統抽空解吸操作可分作K個相對獨立的小系統，K為1～12，這樣能使各抽空系統連續對吸附塔抽空，不需設置真空蓄能設備；
7.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的抽空操作可以分作I個小步驟，I為1～12，處於各小步驟時，吸附塔與不同的抽空系統相連，這樣能使各抽空系統連續、直接對塔抽空，並可在不同的抽空系統出口獲取不同組分的氣體；
8.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，所述的吸附塔升壓過程中，部分或全部空罐中的氣體可從吸附塔出口端流入吸附塔或從進口端流入吸附塔；
9.按照權利要求1所述的分離方法，其特徵在於，可設置全裝置連續恆流量最終升壓。
全文摘要
本發明涉及從氣體混合物中分離或純化一種或多種氣體的變壓吸附分離方法,旨在解決已有技術存在的吸附劑利用效率低、系統設備投資高、有效氣體回收率不夠高和運行成本高的問題。通過設置M個空罐,避免或減少吸附塔間直接均壓,使各吸附塔的操作相互制約減少,從而能合理安排流程,既可使有足夠多的均壓次數,又能使同時處於吸附狀態的吸附塔數足夠多,還能使再生時間足夠長,因而提高了吸附劑的利用率,從而使設備、管道、閥門的尺寸變小,達到節省投資和降低系統運行費用的目的。
文檔編號B01D53/047GK1251315SQ98120170
公開日2000年4月26日 申請日期1998年10月15日 優先權日1998年10月15日
發明者楊皓, 張佳平 申請人:楊皓, 張佳平