專利名稱：帶輔助系統的變壓吸附法的制作方法
技術領域：
本發明屬于變壓吸附氣體分離技術領域，具體涉及一種帶輔助系統的變壓吸附法，它可使變壓吸附裝置大型化更容易實現。
背景技術：
在化工生產過程中產生的混合氣，由于大多可分為易吸附組份和難吸附組份，因而可通過變壓吸附方法將其分離回收并加以利用。
對于能同時獲取易吸附組份和難吸附組份的變壓吸附方法，已有技術公開的有一步法，如CN1195572A。由于在一步法的條件下易吸附組份不允許大量穿透吸附床，否則將使吸附塔出口被易吸附組份污染，影響難吸附組份的純度，故吸附劑的利用率低，吸附塔容積較大，導致建立系統的成本較高。為了克服一步法存在的缺陷，CN1140418A和CN1235862A分別公開了兩種串聯吸附的方法。這兩種方法均是將在第一級吸附后的氣體全部作為第二級吸附的原料氣再次進行吸附，并從第二級輸出難吸附組份產品氣。很顯然，這在一定程度上提高了吸附劑的利用率，提高了難吸附組份的純度，但第一級吸附的飽和深度不夠，吸附劑仍然沒有充分利用，所以均壓結束后易吸附組份的純度還不夠，還要進行加壓置換。眾所周知，加壓置換過程既占用系統循環時間，也是耗能過程。而且，在串聯吸附中由于第二級是將第一級輸出的氣體全部作為原料氣，這就需要第二級吸附的吸附劑用量、設備容積等均要與第一級配套，其造價勢必較大，同時第二級原料氣中易吸附組份的分壓較低，導致第二級吸附劑的利用效率不高。

發明內容
本發明的目的是克服已有技術的缺陷，提供一種既能同時獲得高純度易吸附組份和難吸附組份，又能最大限度提高兩者收率，且系統造價和總體能耗低的變壓吸附法。
本發明的目的是通過在已存在的一個主吸附再生循環系統的基礎上，再增加一個輔助的吸附再生循環系統來達到的。具體來說，是在由二個或二個以上吸附塔組成的吸附再生循環主系統存在下還設置了一個也由二個或二個以上吸附塔組成的吸附再生循環的輔助系統。工作時，需要分離回收處理的混合氣體作為原料氣首先進入主系統吸附塔吸附，難吸附組份作為產品氣1由塔頂排出。隨著吸附的進行，當難吸附組份中的易吸附組份含量為0.01～5％時，將產品氣1輸出切斷，使塔頂繼續輸出的不合格產品氣1切換進入輔助系統，直至主系統吸附塔頂輸出的氣體中易吸附組份達到控制濃度或與原料氣中的濃度相同時，吸附步驟結束，隨后依次進行均壓降、抽空、均壓升和終沖等工藝步驟，并將最終均壓降的后半段氣體和抽空氣作為產品氣2輸出。由主系統輸出的不合格產品氣1進入輔助系統的吸附塔后，也依次進行吸附、均壓降、抽空、均壓升和終沖等工藝步驟，并在吸附過程中從塔頂輸出合格的產品氣1，最終均壓降回收到主系統，抽空氣作為原料氣回收。
如果主系統吸附塔頂輸出的不合格產品氣1是間歇性的，可在兩系統之間設置緩沖罐并通過緩沖罐收集后再進入輔助系統進行變壓吸附處理。
為了進一步提高產品氣的收率，并降低系統工程造價，本發明還采取了以下措施1、在主系統和輔助系統各設置有空塔，數目為0～8臺，均壓既可在主系統和輔助系統各自的吸附塔之間或/和吸附塔與空塔之間進行，也可在兩系統之間的吸附塔或/和空塔之間進行，均壓次數為1～10次。
2、主系統和輔助系統中處于同時進氣與同時抽空的吸附塔數為1～10臺。
另外，本發明中主系統和輔助系統內各自的最終均壓降和相互之間的最終均壓降可為逆向或順向，具體根據工藝要求來確定。如在合成氨生產中的變換氣脫碳、合成氨尾氣提氫或甲醇尾氣提氫時，易吸附組份因不作為產品氣2輸出，主系統的最終均壓降則采用逆向，這樣就可以利用塔內余壓沖洗吸附床，帶走一部分易吸附組份，減輕抽空負荷，降低抽空能耗。如某些混合氣吸附分離時，易吸附組份要作為產品氣2輸出，其最終均壓降則采用順向。尤其當混合氣中易吸附組份本身已達到較高濃度，最終均壓降都可直接作為產品氣2輸出時，還可省去加壓置換步驟，從而降低能耗。如以煤為原料的變換氣生產合成氨、尿素時所產生的混合氣，因其易吸附組份CO2的體積濃度就約有28％，經吸附，均壓降后最終均壓降，包括抽空氣中的CO2平均含量就達98.5％以上，因而能直接作為產品氣2輸出，而不用再進行加壓置換。但若某些混合氣中易吸附組份濃度較低時，則仍需在主系統吸附塔的最終均壓降后設置加壓置換步驟。
本發明吸附塔內裝填的吸附劑可為活性氧化鋁、活性炭、分子篩、硅膠中的至少一種；使用時其填充方式、填充種類、填充組合、填充比例根據原料氣成份及產品氣要求的工藝指標來確定，這些都是本技術領域專業人員公知的知識。
綜上所述，本發明與已有技術相比具有以下優點1、提高了吸附劑的利用率。由于本發明主系統的吸附劑飽和程度非常高，可達到極限狀態，即吸附塔出口與入口的易吸附組份濃度一致，而一步法的吸附劑飽和程度只有30～50％。輔助系統由于只處理主系統已初步處理后的不合格產品氣1，其處理量遠遠小于串聯吸附的第二級，故在同樣處理量的條件下，本發明中吸附劑的用量較小，其利用率則很高。
2、提高了產品氣的收率。在本發明主系統吸附塔頂已獲大部分高純度的難吸附組份的基礎上，一方面由于主系統吸附劑利用充分，飽和度非常高，吸附塔塔內死空間變小，從而提高了難吸附組份的收率，另一方面還因為有輔助系統繼續協同處理已初步處理的不合格產品氣1，輸出合格的難吸附組份，并且還將輔助系統的一部分降壓氣體返回主系統作為升壓氣，又進一步提高了難吸附組份的收率。另外，由于利用本發明方法的吸附劑對易吸附組份的吸附量大，相應的易吸附組份放空量就小，加之還可將輔助系統抽空氣直接返回剛剛抽空結束的主系統，所以本發明也提高了易吸附組份的收率。
3、提高了產品氣的純度。由于本發明主系統的飽和程度非常高，對應于吸附劑中易吸附組份的濃度也就高，難吸附組份就容易被提純，加之還有輔助系統進一步提純不合格的難吸附組份，所以難吸附組份的純度可以做得很高，反之從最終均壓降和抽空氣中獲得的易吸附組份純度也很高。
4、降低了系統的建設成本與運行費用。由于本發明主系統飽和程度較之已有技術高，其吸附劑用量比較小，相應的配套設備與動力消耗也將減小，加之輔助系統僅需處理主系統已初步處理后不合格的產品氣1，處理量遠遠小于串聯吸附的第二級，系統尺寸也比串聯吸附的第二級大大縮小，從而使系統的建設成本和運行費用都大大降低。
5、降低了能耗。由于本發明主系統飽和程度高，當原料氣易吸附組份濃度較高時，最終均壓降和抽空氣均可直接作為產品氣2輸出，不需要進行加壓置換，從而降低了能耗。即使原料氣中易吸附組份濃度較低需在最終均壓降后加壓置換，也因吸附劑的深度飽和，使得置換量比已有技術的小，相應能耗也較小。另外如易吸附組份不作為產品氣2輸出，只要均壓降次數不太多且最終均壓降采用逆向降壓方式，就可利用殘壓降低抽空能耗。
6、適用范圍廣。本發明提供的方法可適用具有不同分離系數混合氣的吸附分離，如石油、化工、冶金生產過程中各種需要提純的變換氣、弛放氣、焦爐煙道氣、空氣等。
具體實施例方式
下面給出實施例并對本發明作進一步說明。有必要在此指出的是以下實施例不能理解為對本發明保護范圍的限制，如果該領域的技術熟練人員根據上述本發明內容對本發明作出一些非本質的改進和調整仍屬本發明保護范圍。
實施例一本實施例是用于甲醇尾氣提氫，原料氣壓強為表壓1.8MPa。本實施例采用的是A.62220+B.31114流程，即主系統A為六塔流程，其中兩塔同時進氣，兩塔同時抽空，兩次直接均壓，無間接均壓；輔助系統B為三塔流程，其中單塔進氣，單塔抽空，一次直接均壓，四次間接均壓。在主系統和輔助系統吸附再生循環的每一個時段中，各塔的步序如表1、2所示。
表1 A.62220

本實施例主系統的吸附再生循環過程以A1塔為例予以說明甲醇尾氣經管道輸送至A系統界區內，通過流量控制系統輸入到A系統。第一步，A1塔處于吸附狀態，在此過程中雜質被吸附，合格的氫氣從A1塔的頂部通過輸出閥門送到產品氣緩沖罐，當氫氣中雜質的含量達到工藝指標限，即N2+CH4含量為0.1％時，關閉輸出閥門，開啟輸送閥門；第二步，將不合格氣體順著進氣方向通過緩沖罐送到B系統直至A1塔內的吸附劑接近飽和，使吸附劑得到充分利用，難吸附氣體產品氫幾乎完全穿透吸附劑；第三步，分兩次順著進氣方向通過均壓閥門逐步降低A1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次升高；第四步，逆著進氣方向通過放壓閥門將殘余氣體壓強放壓到接近大氣壓，這一過程將帶走大量雜質，使抽空能耗大大降低；第五步，逆著進氣方向通過抽空閥門將剩余雜質氣體抽空解吸；第六步，分3次(其中一次來自B系統)逆著進氣方向通過均壓閥門逐步升高A1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次降低；第七步，將高純度的氫氣逆著進氣方向通過終沖閥門將A1塔壓強充至吸附壓強。如此周而復始。
表2 B.31114

本實施例輔助系統的吸附再生循環以B1塔為例予以說明來自A系統的不合格氫氣經管道通過緩沖罐輸送至B系統界區內，進入B系統。第一步，B1塔處于吸附狀態，在此過程中雜質被吸附，合格的氫氣從B1塔的頂部通過輸出閥門送到產品氣緩沖罐，當氫氣中雜質的含量達到工藝指標限，即N2+CH4含量為0.1％時，關閉輸出閥門；第二步，分5次(其中一次作為A系統的升壓氣)順著進氣方向通過均壓閥門逐步降低B1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次升高；第三步，順著進氣方向通過均壓閥門將殘余氣體回收至A系統；第四步，逆著進氣方向通過抽空閥門將雜質氣體抽空解吸；第五步，分四次(其中一次已經送到A系統，不再返回本系統)逆著進氣方向通過均壓閥門逐步升高B1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次降低；第六步，將高純度的氫氣逆著進氣方向通過終沖閥門將B1塔壓強充至吸附壓強。如此周而復始。
本實施例的產品氫氣純度為99.8％，收率為95％。
實施例二本實施例是用于尿素生產中的變換氣分離，原料氣壓強為表壓0.8MPa。本實施例采用A.C4320+B.81131流程，即主系統A為十二塔流程，其中四塔同時進氣，三塔同時抽空，兩塔直接均壓，無間接均壓過程輔助系統B為八塔流程，單塔進氣，單塔抽空，三次直接均壓，一次間接均壓。在主系統和輔助系統吸附再生循環的每一個時段中，各塔的步序如表3、4所示。
表3 A.C4320

本實施例主系統的吸附再生循環過程以A1塔為例予以說明變換氣經管道輸送至A系統界區內，通過流量控制系統輸入A系統。第一步，A1塔處于吸附狀態，在此過程中CO2被吸附，合格的氫氮氣從A1塔的頂部通過輸出閥門送到產品氣緩沖罐，當氫氮氣中CO2的含量達到工藝指標限，即0.2％時，關閉輸出閥門，開啟輸送閥門；第二步，將不合格氣體順著進氣方向直接送到B系統直至A1塔內的吸附劑接近飽和，即易吸附組份CO2的出口濃度接近入口濃度，使吸附劑得到充分利用；第三步，分兩次順著進氣方向通過均壓閥門逐步降低A1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次升高；第四步，順著進氣方向通過放壓閥門將殘余氣體壓強放壓，當放壓氣體中的CO2含量達到工藝要求的98.5％時，將殘余氣體回收到CO2儲氣柜；第五步，逆著進氣方向通過抽空閥門將剩余CO2氣體抽空解吸并將其回收到CO2儲氣柜；第六步，分三次(其中一次來自B系統)逆著進氣方向通過均壓閥門逐步升高A1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次降低；第七步，將高純度的氫氮氣逆著進氣方向通過終沖閥門將A1塔壓強充至吸附壓強。如此周而復始。
表4 B.81131

本實施例輔助系統的吸附再生循環過程以B1塔為例予以說明來自A系統的不合格氫氮氣經管道輸送至B系統界區內，進入B系統。第一步，B1塔處于吸附狀態，在此過程中CO2被吸附，合格的氫氮氣從B1塔的頂部通過輸出閥門送到產品氣緩沖罐，當氫氮氣中CO2的含量達到工藝指標限，即0.2％時，關閉輸出閥門；第二步，分四次(其中一次作為A系統的升壓氣)順著進氣方向通過均壓閥門逐步降低B1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次升高；第三步，順著進氣方向通過均壓閥門將殘余氣體回收；第四步，逆著進氣方向通過抽空閥門將CO2氣體抽空解吸；第五步，分三次(其中一次已經送到A系統，不再返回本系統)逆著進氣方向通過均壓閥門逐步升高B1塔的壓強，對應的吸附塔壓強逐次降低；第六步，將高純度的氫氣逆著進氣方向通過終沖閥門將B1塔壓強充至吸附壓強。如此周而復始。
本實施例的產品氫氣收率為99％，氮氣收率為95％，產品氫氮氣中二氧化碳含量為0.2％；產品二氧化碳氣的收率為93％，純度為98.5％。
權利要求
1.一種帶輔助系統的變壓吸附法，包括由二個或二個以上吸附塔組成的吸附再生循環系統，其特征在于在前一吸附再生循環主系統存在下，還有一個也由二個或二個以上吸附塔組成的吸附再生循環的輔助系統；混合氣體作為原料氣首先進入主系統吸附塔吸附，難吸附組份作為產品氣1由塔頂排出，當難吸附組份中的易吸附組份含量為0.01～5％時，將產品氣1輸出切斷，使塔頂繼續輸出的不合格產品氣1切換進入輔助系統，直至主系統吸附塔頂輸出的氣體中易吸附組份達到控制濃度或與原料氣中濃度相同時，吸附步驟結束，隨后依次進行均壓降、抽空、均壓升和終沖等工藝步驟，最終均壓降的后半段氣體和抽空氣作為產品氣2輸出；由主系統輸出的不合格產品氣1進入輔助系統的吸附塔后，也依次進行吸附、均壓降、抽空、均壓升和終沖等工藝步驟，并在吸附過程中從塔頂輸出合格的產品氣1，最終均壓降回收到主系統，抽空氣作為原料氣回收。
2.根據權利要求1所述的帶輔助系統的變壓吸附法，其特征在于主系統吸附塔頂輸出的不合格產品氣1通過緩沖罐收集后再進入輔助系統進行變壓吸附處理。
3.根據權利要求1或2所述的帶輔助系統的變壓吸附法，其特征在于主系統和輔助系統各設置有空塔，數目為0～8臺，且兩系統處于同時進氣與同時抽空的吸附塔數為1～10臺。
4.根據權利要求3所述的帶輔助系統的變壓吸附法，其特征在于均壓可在主系統和輔助系統各自的吸附塔與吸附塔之間或/和吸附塔與空塔之間進行，也可在兩系統之間的吸附塔或/和空塔之間進行，均壓次數為1～10次。
5.根據權利要求1或2或4所述的帶輔助系統的變壓吸附法，其特征在于主系統和輔助系統內各自的最終均壓降和相互之間的最終均壓降為逆向或順向。
6.根據權利要求3所述的帶輔助系統的變壓吸附法，其特征在于主系統和輔助系統內各自的最終均壓降和相互之間的最終均壓降為逆向或順向。
全文摘要
本發明為一種帶輔助系統的變壓吸附法。該方法是在由二個或二個以上吸附塔組成的吸附再生循環主系統基礎上，再增設一個也由二個或二個以上吸附塔組成的吸附再生循環的輔助系統，原料氣先進入主系統吸附，并輸出難吸附組份，當其中的易吸附組份含量即將超標時，將輸出切換至輔助系統直至易吸附組份達到控制濃度或與原料氣中濃度相同，吸附結束，隨后進行其它變壓吸附的必須過程；由主系統輸出的不合格的難吸附組份進入輔助系統后，也依次進行變壓吸附的必須過程并輸出合格難吸附組份。本發明既能同時獲得高純度易吸附組份和難吸附組份，又能最大限度提高兩者收率，還可大大降低系統建設成本和運行費用。
文檔編號B01D53/047GK1395981SQ0211388
公開日2003年2月12日 申請日期2002年6月17日 優先權日2002年6月17日
發明者王玉 申請人:王玉