用於脫碳的改進變壓吸附法的製作方法
2024-03-22 13:57:05 1
專利名稱：用於脫碳的改進變壓吸附法的製作方法
技術領域：
本發明屬於氣體分離變壓吸附技術領域，是一種從水煤氣或半水煤氣經過變換後的氣體中脫除二氧化碳，同時根據要求儘可能多地脫除一氧化碳或儘可能多地回收(即不脫除)一氧化碳，所得到的產品氣用於不同的化工生產中的改進變壓吸附法。該工藝方法還可以在放空和抽真空過程中回收高濃度的二氧化碳氣體。
在化工領域中，水煤氣或半水煤氣經常被作為原料用於生產，但在生產不同的化工產品時，對水煤氣或半水煤氣有不同的處理方法。如在合成氨的生產過程中，半水煤氣經過變換後的氣體典型組成為氫氣48～52％；氮氣18～22％；一氧化碳1～3％；二氧化碳24～28％；甲烷1～3％；氧氣加氬氣小於1％(以上、以下單位都為體積百分數)。在甲醇生產過程中，其變換後氣體的典型組成為氧氣60％；氮氣2％；一氧化碳22.8％；二氧化碳15.2％；氧氣加氬氣少量。由於在上述變換氣體中存在著大量後續工藝不需要的二氧化碳、一氧化碳等雜質組份，因而必須要脫碳後，才能作為原料氣用於後續工序的生產。作為脫碳的傳統方法很多，但由於存在諸多問題，正在被後來出現的流程簡單、能量利用率更高的變壓吸附法所替代。
目前利用變壓吸附法從合成氨廠變換氣中脫碳的較為典型的技術是中國專利CN1069708A公開的一種「從氨廠變換氣脫除二氧化碳的變壓吸附工藝」。該工藝技術的主要特點是用抽真空取代了已有變壓吸附工藝中的順向降壓和衝洗，使得產品氣(氫和氮)的回收率得到較大的提高，且其中所含二氧化碳濃度可控制在0.5％(體積百分數)以下，但抽真空的過程是不連續的。根據對已有技術的了解和分析，本發明人認為，上述的變壓吸附工藝仍有不足之處，如氫氣回收率不夠理想；對脫除的二氧化碳未能回收；工程費用高、設備利用率低，不能更好地體現變壓吸附工藝在脫碳中的優越性。
因此，本發明的任務之一是克服已有技術存在的缺點，擬提供一種能進一步提高氫氣回收率和其它指標，回收高濃度二氧化碳，降低生產成本的改進變壓吸附工藝方法。
本發明的任務之二是降低工程費用及配套費用，提高設備利用率，滿足連續化生產的要求。
本發明的任務之三是在上述基礎上進一步降低工程費用。
本發明的任務之一是由這樣一種技術解決方案完成的即在採用由多個吸附塔組成的吸附再生循環系統中，每一個吸附塔都依次按吸附→均壓降→放空→抽真空→均壓升→最終充壓步驟完成一次吸附再生循環工藝過程，在這一過程的每一個時段中各個吸附塔又分別處在不同的工藝步驟。系統中還設置有均壓塔(即沒有裝吸附劑的空塔)。均壓塔可根據要求採用1～10個的組合，均壓降、均壓升既可以在吸附塔之間進行，又可以採用或同時採用在吸附塔與均壓塔之間進行。均壓次數可為1～10次。
本發明第二個任務的完成是在上述技術方案的基礎上，使吸附再生循環過程的每一個時段都始終保持系統中有兩個或兩個以上的吸附塔同時處於進氣吸附步驟。
完成本發明第三個任務的技術方案則是在吸附再生循環過程的每一個時段，系統中保持有一個或一個以上吸附塔同時處於抽真空步驟，且抽真空在整個工藝過程是連續的。
本發明的具體工藝過程控制如下1．吸附採用兩個或兩個以上的吸附塔同時進原料氣，並在接近原料氣壓力0.2～4.0MPa(表壓)下進行吸附。吸附壓力最好控制在0.6～1.8MPa(表壓)。吸附塔中的吸附劑可根據需要選用分子篩、煤質活性碳、果殼活性碳、矽膠、活性氧化鋁等及其它能夠選擇吸附原料氣中二氧化碳和一氧化碳的吸附劑。在合成氨生產中，原料氣經塔內吸附床層後，二氧化碳和大部份一氧化碳等作為雜質被吸附劑吸附，其餘氣體作為產品氣引出。在甲醇生產中，二氧化碳等作為雜質被吸附劑吸附，其餘氣體則作為產品氣引出。原料氣既可從吸附塔下部也可從吸附塔上部進入，對應引出的產品氣則相反。
2．均壓降在吸附劑床層接近飽和時，停止進原料氣，然後順著進氣方向將吸附塔內的壓力降低，以回收塔內大量的死空間氣體。此過程既可以完全在吸附塔之間進行，又可以完全在吸附塔與均壓塔之間進行或者同時採用在吸附塔之間和吸附塔與均壓塔之間進行。均壓次數可為1～10次，具體次數根據對氫氣回收率和產品氣中二氧化碳濃度的要求而定。從提高氫氣回收率及縮短工藝時間綜合考慮，均壓降過程最好依次數同時採用在吸附塔之間和吸附塔與均壓塔之間進行。均壓降的終壓一般控制為吸附壓力的10％～15％。
3．放空均壓降結束後，即將塔內尚剩餘氣體順著進氣方向(順放)或逆著進氣方向(逆放)排放到塔外，為了適應工藝要求縮短放空時間，還可以採取順放和逆放同時進行，直至塔內壓力降至大氣壓，此時吸附劑得到部份解吸。在放空的中後期，由於排放的氣體中二氧化碳的濃度為85％以上，可通過裝置切換收集回來利用。
4．抽真空在放空過程中，吸附劑雖已得到部份解吸，但是要更深層的解吸，必須採用抽真空的方法。抽真空是逆著進原料氣的方向對吸附床層進行，使吸附劑上吸附的雜質從吸附劑上進一步脫附出來。抽空壓力控制為-0.04～-0.096MPa(表壓)。在抽空排放氣中二氧化碳濃度可高達95％，因而也收集回來利用。為了使真空泵工作效率大幅度提高，同時省去價格昂貴、佔地面積大的真空緩衝罐，在工藝安排上，本發明使系統中一個或一個以上吸附塔抽真空步驟剛完成，正好是另一個或一個以上的吸附塔抽真空步驟的開始，故抽真空過程相對於整個系統的運作來說是連續的。
5．均壓升與均壓降相反，均壓升是把高於該吸附塔壓力的氣體從其他正處於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處於這一步驟的吸附塔，使塔內壓力升高。其均壓升的次數與均壓降次數相同。
6．最終充壓在經過均壓升後，吸附塔內的壓力與吸附工作壓力仍有0.1～0.35MPa的差距，因而需對其再次充壓，以使塔內壓力達到吸附工作壓力。最終充壓是用產品氣從產品端或用原料氣從進氣端對吸附塔進行充壓。為了適應工藝要求縮短終充時間，也可採用產品氣從產品端和原料氣從進氣端同時對吸附塔進行充壓。當壓力達到吸附工作壓力後，該塔即可重新進入下一循環的吸附步驟。
本發明與已有技術相比，具有的優點有1．進一步提高了氫氣回收率和其它指標，降低了生產成本。本發明由於在系統中設置有均壓塔，並且採用了吸附塔之間以及吸附塔與均壓塔之間的多次均壓，這樣就使得在現有設備的前提條件下，吸附塔的放空壓力比以往明顯降低，一般降幅在0.1～0.35MPa，從而使氫氣的回收率達99％，氮氣的回收率達93％，產品氣中的二氧化碳濃度為0.2％(體積百分數)以下，同時還可回收濃度為85～96％的二氧化碳。此外，在同樣達到使放空壓力降低的要求下，採用均壓塔也比用吸附塔明顯降低了生產成本。
2．本發明採用的兩個或兩個以上的吸附塔同時進原料氣吸附以及在系統中設置有均壓塔的方法，與已有的單塔進原料氣和未設置有均壓塔的系統相比，在處理同等氣量的條件下，可大大降低工程費用及配套費用。以六塔工藝流程為例，採用本發明方法的六個塔的吸附劑總用量比以往流程的用量節省14]]>，設備體積減小14]]>，相應的管道，閥門大小也要減小30％。這樣本發明在吸附劑用量和設備製作費用上可節省25％的工程費用，同時還節省了配套費用，經濟效益和社會效益十分顯著。再加上在吸附劑的解吸過程中採用了連續抽真空的方法，使得系統中真空泵的效率大幅度提高，真空泵的使用臺數比以往流程要節省15％，因而還可進一步降低工程費用，同時還使解吸更加完全。
3．由於本發明變壓吸附法可在同套工業裝置上變換使用多套工藝流程，因而使得設備利用率高，實用性強。如在由六個吸附塔和二個均壓塔組成的六塔雙進四均壓的工藝流程中，其中一個吸附塔的閥門出現故障，則可變換採用五塔雙進三均壓的工藝，這種組合又有六種，同時系統不需要停止工作就可進行維修，並且處理原料氣的量還可保持不變，非常適合工廠連續化生產的要求。
4．本發明工藝方法簡單、通用性強，不僅可用於合成氨的生產，還可用於甲醇的生產以及其它需要脫碳的混合氣體的分離。
下面給出實施例並對本發明作進一步說明。
實施例一本實施例為由六個吸附塔和四個均壓塔組成的系統，該系統採用六塔雙進雙抽五均壓工藝。在吸附再生循環過程的每一個時段中，系統各塔的步序如下表所示步序…………→
原料氣經過管道輸送至變壓吸附界區內，經過調壓系統將此時的原料氣壓力控制在0.6～1.8MPa(表壓)後同時進入A塔和F塔(雙進)，並在此壓力範圍內吸附。原料氣中雜質被吸附劑吸附滯留在吸附床層內，合格的產品氣從A塔和F塔引出。其餘四塔有兩塔(B塔和E塔)處在抽真空(雙抽)步驟等，另兩塔則在各自依次進行解吸再生的其它步驟。系統一次吸附再生循環周期大約80分鐘。在本實施例中，第一次均壓降是在吸附塔之間進行，壓力下降至原吸附壓力的65％左右，後四次均壓則是在吸附塔與均壓塔之間進行，壓力最終降至原吸附壓力的10％，約為0.15MPa左右。均壓升則反之。放空採用逆放減壓至大氣壓。抽真空終了的壓力一般要求達到-0.053～0.096MPa(表壓)。在合成氨生產中，用上述工藝流程和工藝參數處理氫氣濃度為51.6％，二氧化碳濃度為27.0％，甲烷濃度為1.4％，一氧化碳濃度為1.0％，氮氣濃度為18.9％，氧氣濃度為0.1％(以上、以下單位均為體積百分數)的原料氣，可獲得氫氣濃度為72.5％，二氧化碳濃度為0.1％，氮氣濃度為24.9％，一氧化碳濃度為0.8％，其餘組份濃度為1.7％的產品氣。此時氫氣的回收率是99％，氮氣的回收率是93％。當用上述工藝流程及參數處理氫氣60％，氮氣2％，二氧化碳15.2％，一氧化碳22.8％的甲醇生產原料氣時，可獲得組成為氫氣69、7％，氮氣1.5％，二氧化碳2.5％(後續工藝要求保留1～3％)，一氧化碳26.3％的產品氣。此時氫氣的回收率為99％，一氧化碳的回收率為96％。在解吸過程中所排放的高濃度二氧化碳回收經後續處理可得到濃度為98.5％的二氧化碳用於工業生產。
實施例二本實施例為由五個吸附塔和四個均壓塔組成的系統，該系統採用五塔雙進單抽五均壓工藝，其各塔步序如下表所示步序…………→
當實施例一所述的六塔雙進雙抽五均壓工藝流程中任何一塔出現故障時，為確保化工生產的連續性，可採用本套工藝流程。雖然只有五個吸附塔工作，但可保持處理原料氣的能力不變，只是氫氣的回收率要低一些。反之，則處理原料氣的能力有所降低。本實施例各步驟工藝控制參數除均壓降終了的壓力因少了一個吸附塔而改為只降至0.22MPa外，其餘與實施例一相同，故略去不述。在本實施例系統中，用上述工藝流程及參數分別處理與實施例一相同的原料氣後，在合成氨生產中，其產品氣組成濃度與實施例一基本相同，但氫氣的回收率為96％(保證處理原料氣量不變的情況下)，氮氣的回收率為90％。而在甲醇生產中，當產品氣組成濃度與實施例一基本相同的情況下，得到的氫氣回收率為96％，一氧化碳的回收率為94％。
實施例三本實施例仍為由六個吸附塔和四個均壓塔組成的系統，但本系統採用六塔三進雙抽四均壓工藝，其各塔步序如下表所示步序…………→
原料氣經管道輸送至變壓吸附界區內，經過調壓系統將原料氣壓力控制在0.6～1.8MPa(表壓)後同時進入A、C、D塔(三進)，並在此壓力範圍內吸附。原料氣中的雜質被吸附劑吸附滯留在吸附床層內，其餘氣體作為合格的產品氣從A、C、D塔引出。其餘三塔各自依次進行解吸再生循環的其它步驟。本工藝一次循環周期大約30分鐘。在本實施例中，四次均壓降均在吸附塔與均壓塔之間進行。其中第一次壓力下降控制為原吸附壓力的20％，其後三次均壓後壓力下降至原吸附壓力的10％，約為0.15MPa左右。由於本實施例其它工藝步驟參數控制與實施例一相同，故不贅述。用本實施例的工藝流程和參數處理與實施例一相同組成濃度的原料氣，不管是在合成氨生產還是甲醇生產中，都可得到與實施例一基本相同組成濃度的產品氣，且各自氫氣、氮氣或一氧化碳的回收率與實施例一相比可保持不變。同時也可將解吸過程中排放的高濃度二氧化碳回收，經後續處理獲取濃度為98.5％的二氧化碳用於工業生產。
權利要求
1．一種用於脫碳的改進變壓吸附法，在由多個吸附塔組成的吸附再生循環系統中，每一個吸附塔都依次按吸附→均壓降→放空→抽真空→均壓升→最終充壓等步驟完成一次吸附再生循環工藝過程，但在每一個時段中各個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行，其特徵在於系統中還設置有均壓塔，均壓塔可採用1～10個的組合，並且均壓降，均壓升還可或同時在吸附塔與均壓塔之間進行，均壓次數可為1～10次。
2．根據權利要求1所述的用於脫碳的改進變壓吸附法，其特徵在於在系統吸附再生循環過程的每一個時段中都始終保持有兩個或兩個以上的吸附塔同時處於進氣吸附步驟。
3．根據權利要求1或2所述的用於脫碳的改進變壓吸附法，其特徵在於在系統吸附再生循環過程的每一個時段中，有一個或一個以上的吸附塔同時處於抽真空步驟，並且抽真空在整個工藝過程中是連續的。
全文摘要
本發明提供的用於脫碳的改進變壓吸附法,其改進的技術措施:一是在系統中增加了均壓塔;二是在吸附再生循環的每一個時段保持有兩個或兩個以上吸附塔同時處於吸附步驟;三是保持每一個時段有一個或一個以上吸附塔,同時處於抽真空步驟,且抽真空為連續的。使用本發明方法可進一步提高氫氣回收率和其它指標,降低生產成本,節省25%的工程費用和配套費用,而且設備利用率高,實用性強,能滿足工廠連續化生產的要求。
文檔編號B01D53/047GK1209352SQ9710764
公開日1999年3月3日 申請日期1997年8月21日 優先權日1997年8月21日
發明者王玉, 歐陽斌, 劉松 申請人:成都新華化工研究所