CN101259954A - 用于将氢从具有氧成分的气流中分离出的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将氢从具有氧成分的气流中分离出去的方法和装置，该气流绝大部分由氢、氮、氧、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和/或其它碳氢化合物组成。该气流(1)在一个多级的压缩方法(2)中被压缩并且接着借助于换热器(3)冷却到室温。在一个预吸附器(4)之后，该气流被导入到一个用于去除氧(K)的催化方法中。用于去除氧的催化反应放热地进行。接下来，该气流通过另一换热器(W)冷却到室温并且被导入到一个用于分离氢的变压吸附方法(5)中。在那里，氢(6)与剩余气体(7)分离。

Description

用于将氢从具有氧成分的气流中分离出的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于将氢从具有氧成分的气流中分离出的方法以及用于实施该方法的装置，该气流绝大部分由氢、氮、氧、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和/或其他碳氢化合物构成。
背景技术
本发明以从焦炉气中分离氢的实施例进行描述，但是也适合于从由上述组分的任意组合构成的任意气流中分离氢，因此不被限制在焦炉气上。
在焦炉厂中制造焦炭时，通常在气体密封的情况下加热煤。在此，产生焦炭、焦炉气和焦油。富碳的焦炭主要用于生产钢铁。按照现有技术，绝大部分由氢、甲烷和一氧化碳构成的焦炉气主要用作工业燃料。但是，焦炉气仅具有天然气热值的大约一半并且常常被伴生物质污染，这些伴生物质可能导致有害物质排放或事故。所以人们在越来越严格的环境方针过程中致力于找出焦炉气的替代应用。
通常焦炉气最高含大约60％的氢。在炼油厂中通常需要大量的氢用于在所谓的加氢器中由中间蒸馏还原含硫物并且用于在所谓的氢化裂解器中裂解各种石油馏分。此外，在还原金属氧化物、生产氨、作为动力燃料或者在燃料电池中也使用氢。在EP 1033346中描述了一种按照现有技术的方法，用于从一个气流中分离氢，该气流除了氢、除了氧和氩杂质外主要包含氮、二氧化碳、一氧化碳和甲烷。
在按照现有技术的变压吸附方法中，气体混合物在高压下在一个具有吸附器的反应器中被引导。取决于存在的压力和吸附材料地，气体混合物的组分被不同程度地吸附在吸附材料上。在理想状况下，气体混合物的所有组分除了氢都被吸附在吸附器上。因此，氢可被以高纯度从其余的组分中分离出。吸附器的再生在低压下通过被黏住的组分的解吸附进行，所述组分然后同样可被气态地从该反应器中排出。因此，利用变压吸附方法可以在使用多个反应器(这些反应器分别交替地吸附或者解吸附)的情况下将氢以高纯度从其余的气态组分中分离出。借助于所述在EP 10333346中描述的方法，可将氢以最高99.99％的纯度从其余的气态组分中分离出。
在使用这种按照现有技术的方法时，当气流中的氧含量高于1％体积百分比时存在较高的安全隐患。在气体混合物中存在的氧首先在高压下吸附在吸附器上，但是在随后的过程中又被更强吸附的组分排挤为气相。这导致吸附器中的氧富集，由此与气体中存在的氢组合存在一个可被点燃爆炸的混合物。在按照现有技术的变压吸附方法中，该爆炸性混合物是一个安全隐患。
发明内容
因此，本发明的目的在于，这样设计开头所述类型的方法，使得能避免爆炸性氢氧混合物的形成并且使得这种方法的安全隐患最小化。
该目的通过如下方式解决，即，将一个用于去除氧的催化方法与一个用于分离氢的变压吸附方法相组合，其中，变压吸附方法在用于去除氧的催化方法之后进行。
通过一个用于去除氧的催化方法与一个变压吸附方法的组合，气体混合物中的氧含量在变压吸附方法之前已经被这样地最小化，使得不会形成由氢和氧组成的爆炸性气体混合物。第一试验表明，尽管催化剂毒物的高份额，氧仍可被非常有选择性地催化地置换。意料不到地并且与迄今的现有技术相反的是，气流中存在的催化剂毒物对催化剂活性并没有负面影响。在催化反应时，既不会值得一提地产生甲烷也不会产生氨。此外表明，在使用本发明的方法时，在大多情况下可以取消分离出的氧的催化地再净化。因此，出于安全原因的氧贫瘠和为了达到所需产品纯度的贫瘠在一个步骤中进行。
有利的是，通过使用本发明的方法，由变压吸附方法也可以可靠地处理一些氧含量高于1％体积百分比的气流。
优选的是，使用传统的氢化-和氧化催化剂作为催化剂。有利的是，使用处于固体基材上的贵金属、特别是铂金和/或钯作为催化剂材料，该基材特别是球形或蜂房形的氧化铝和/或陶瓷。单独的或者与各种基材组合使用的贵金属具有如下优点：它们可在商业上得到并且具有经济上有意义的寿命。同样，通过所使用的催化剂材料将实现非常有选择的、催化的氧置换。
有利的是，该气流在用于去除氧的催化方法之后被导送经过一个压缩方法、至少一个换热器和/或一个预吸附器到变压吸附方法中。根据现有技术，该气流在一个压缩方法中被压缩、被冷却并且被导送经过一个用于去除高分子碳氢化合物的预吸附器作为加料气体到一个用于分离氢的变压吸附方法中。对于用于去除氧的催化方法的根据本发明的在变压吸附方法前面的定位，视本发明的构型而定得出多个可能性。
在本发明的一个设计方案中，具有一个连接在后面的换热器的、用于去除氧的催化方法定位在压缩方法的前面。在本发明的该构型中，该催化方法即使在气流的压力相对低的情况下(约2bar)并且在温度相对低的情况下(大约室温)也能进行。为此，相对低的压力主要对于催化剂的寿命具有有利影响。
在本发明的另一设计方案中，所述用于去除氧的催化方法在压缩方法之后进行。在本发明的该构型中，催化的氧去除虽然在相对高的压力下(约8bar)但是也在较高的温度下(约400℃)进行。特别是较高的温度对催化剂的寿命具有有利影响。特别地，由陶瓷蜂窝上的铂金构成的催化剂在400℃的温度下已经可以再生，也就是说，可能的催化剂毒物例如二氧化碳将在催化剂的完全活性的情况下被去除。此外，在本发明的该构型中节省了一个换热器。
在本发明的另一设计方案中，具有一个连接在后面的换热器的、用于去除氧的催化方法在一个预吸附器之后直接定位在变压吸附方法之前。通过预吸附器去除高分子的碳氢化合物，这些碳氢化合物能沉积在催化剂材料上或者沉积在变压吸附方法的吸附器上。在加料气体具有高压的情况下，所述用于去除氧的催化方法可以直接安装在预吸附器之前或之后。特别是在加料气体压力高并且缺少高分子碳氢化合物的情况下，所述用于去除氧的催化方法直接在变压吸附方法之前进行。
在本发明的另一设计方案中，为了实现分离出的氢的非常高的纯度，使分离出的氢经受另一用于催化地去除剩余氧痕量的方法。通过使用连接在后面的、用于分离氧的催化方法可以进一步提高产品纯度。
通常，视气体混合物中的氧含量和要达到的氢纯度而定，可以对本发明的上述设计方案进行各种组合。当气体混合物中的氧含量低于1％体积百分比时，通过所述用于去除氧的催化方法将氧含量降低到小于200ppm。当氧含量高于1％体积百分比时，氧从气体混合物中的去除或者可以进行到这样一个氧含量，其中对于变压吸附方法不存在安全隐患(1％体积百分比)，或者同样将氧含量降低到一个明显较低的值、例如200ppm。视所期望的产品纯度或者在催化方法中调节出的氧含量而定，在变压吸附方法之后可以应用一个可选择的、用于去除氧的催化方法。
在装置方面，所提出的目的通过以下方式解决：即，一个填充有固体催化剂的反应器在上游定位在一个用于实施变压吸附方法的装置之前。
有利的是，该催化剂由传统的氢化-或氧化催化剂构成。优选该催化剂由处于一种固体基材、特别是球形或蜂窝形的氧化铝和/或陶瓷上的贵金属、特别是铂金和/或钯构成。
通过本发明特别是实现了：在一个变压吸附方法中避免了由氢和氧组成的爆炸性气体混合物的产生并且从而将安全隐患降到最低。
附图说明
下面借助于本发明的实施例与现有技术的比较详细说明本发明：
图1示出根据现有技术的用于借助于变压吸附方法分离氢的方法，
图2示出本发明的实施例。
具体实施方式
图1详细示出一个根据现有技术的、用于从具有氧成分的气流中分离氢的方法。气流1在一个压缩方法2中被压缩并且接着借助于换热器3冷却到室温。该气流被导送经过一个用于将高分子碳氢化合物分离出的预吸附器4到一个用于将氢6与剩余气体7进行分离的变压吸附方法5中。在这个按照现有技术的方法中，在没有安全隐患的情况下只能处理氧含量低于1％体积百分比的气流1。为了达到氢6的可利用的产品纯度，在变压吸附方法之后连接一个用于去除剩余氧痕量8的催化方法。
图2示出本发明的设计方案。气流1在一个压缩方法2中被压缩并且接着借助于换热器3冷却到室温。在预吸附器4之后，该气流被导入到一个用于去除氧K的催化方法中。用于去除氧的催化反应放热地进行。接着，该气流通过另一换热器W冷却到室温并且被导入到一个用于分离氢的变压吸附方法5中。在那里，氢6与剩余气体7分离。与现有技术不同的是，也能可靠地处理氧含量高于1％体积百分比的气流。在本发明的该构型中，通过所述用于去除氧K的催化方法，氧份额在变压吸附方法之前被降低到小于200ppm，从而放弃了连接在后面的、剩余氧痕量的催化去除。分离出的氢6具有可利用的产品纯度。

Claims (9)

1.一种用于将氢从具有氧成分的气流中分离出去的方法，该气流绝大部分由氢、氮、氧、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和/或其它碳氢化合物组成，其特征在于：将一个用于去除氧的催化方法与一个用于分离氢的变压吸附方法进行组合，其中，该变压吸附方法在用于去除氧的催化方法之后进行。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：氧份额高于1％体积百分比的气流也由该变压吸附方法可靠地处理。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：使用传统的氢化-和氧化催化剂作为催化剂。
4.按权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：优选使用处于固体基材、特别是球形或蜂窝形的氧化铝和/或陶瓷上的贵金属、特别是铂金和/或钯作为催化剂。
5.按权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：该气流在用于去除氧的催化方法之后被导送经过一个压缩方法、至少一个换热器和/或一个预吸附器到变压吸附方法中。
6.按权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述氢在所述用于分离氢的方法之后经受另一用于去除氧的催化方法。
7.一种用于将氢从具有氧成分的气流中分离出去的装置，该气流绝大部分由氢、氮、氧、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和/或其它碳氢化合物组成，其特征在于：填充有固体催化剂的反应器在上游定位在用于实施变压吸附方法的装置之前。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于：该催化剂由传统的氢化-或氧化催化剂构成。
9.按权利要求7或8所述的装置，其特征在于：该催化剂由处于固体基材、特别是球形或蜂窝形的氧化铝和/或陶瓷上的贵金属、特别是铂金和/或钯构成。
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