CN101757832A - 从多组分混合流体中分离至少一种组分的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于多组分混合流体分离技术领域，具体为一种从多组份混合流体中吸附分离至少一种组分的方法及其装置。该方法包括采用微小的吸附剂颗粒在分离过程中夹带在待分离组分的流体中，与待分离的混合流体一起在反应器中以一定流速迁移，通过结合变压吸附或者变温吸附及膜分离等技术，实现目标组分的有效分离。分离装置包括气固分离装置、动力装置、换热装置、冷却装置、加热装置和置换或吸扫装置等。本发明的分离系统稳定，能源消耗省，吸附剂利用率高。

Description

从多组分混合流体中分离至少一种组分的方法及其装置

技术领域

本发明属于多组分混合流体分离技术领域，具体涉及一种从包含多种组分流体的进料物流中吸附分离至少一种组分的方法以及基于该方法的分离装置。

背景技术

已知的物质分离方法众多，常见有的化学法，物理法，低温分离法，以及吸附分离方法，这些分离方法均广泛的应用于各行各业，为各领域解决了物质分离需要的方方面面，但同时，也都暴露了各种分离技术的一些缺点，综合比较各种分离技术，主要存在：装置造价高、能源消耗高、维护以及重置成本高昂；

变压吸附(PSA)方法被用于从含有至少一种难吸附组分和至少一种易吸附组分的气体混和物中分离或提纯至少其中一种组分。基于平衡吸附理论的变压吸附制氧是最典型的PSA分离过程代表，该方法在应用于分离本质上包括氧气和氮气的气态流，例如空气，以沸石或其它吸附材料优先吸附氮气，以便生产氧或一种富含氧的气态流。自美国联碳公司上世纪50年代成功合成沸石并由此以来，SKARTROM最早在美国专利U.S 2,944,627中公布了世界上最早的PSA方法，它由以下四个基本步骤的循环构成：(1)吸附，(2)降压，(3)吹扫，(4)再加压。此后，人们对该基本吸附操作循环加入了各种步骤尝试提高工艺产量和气体纯度、节省能源消耗、降低吸附剂用量、降低成本、改善系统稳定性和简便增容扩展；应该承认，以变压吸附方法的现场供气装置有很多优势，被广泛的应用于自空气提纯氧气供给炉窑等助燃、自烟道气提纯二氧化碳，自沼气、煤层气中提纯甲烷等等。但是，迄今为止，这些变压吸附装置均存在能源消耗高，装置造价高昂的问题，比如，针对需要大规模供氧以解决炉窑的富氧助燃、全氧助燃、煤气化工业中氧气汽化等等场所，因为能源消耗高，制约了这一技术的应用，典型的，以现有技术VSA自空气中分离1标准立方的氧气，需要消耗至少约0.32KW的电力，显然，这一技术因为能源消耗而制约了其应用。

同样，变温吸附(TSA)也是常被用于从气体混和物中分离或提纯至少其中一种组分的方法之一。TSA系统常采用以下步骤的循环：

(1)将气体混合物与至少能吸附该气体混合物中一种易吸附组分的吸附剂接触，从而从该气体混合物中吸附至少一部分易吸附组分，使其它的难以吸附的组分作为一种产品排出系统，在本步骤通常在一个初始温度下进行；

(2)加热所述吸附剂至再生温度，从而将步骤(1)中吸附的至少一部分易吸附组分脱附，从而再生该吸附剂床或者吸附剂以维持吸附循环；

(3)开始新的吸附循环之前，将吸附剂冷却至初始温度。

(4)循环以上过程；

变温吸附所需再生温度通常为40-400℃，但是一经选定，该温度在不同循环之间通常保持恒定。参见例如CN1680000A、US5531808、US5689974等。

传统的PSA、TSA多采用多个固定床连续操作分离模式，也有采用单个床层的间歇操作分离模式。固定床虽然具有较高的稳定性，但是也存在压降高、吸附剂容易粉化、易堵塞等问题，尤其变温吸附，一般因吸附剂导热性能较差，床层升温、降温所需的时间较长，能耗较大，装置效率往往不高。

循环流化床吸附分离技术解决了部分上述问题，但是传统循环流化床所采用的吸附剂颗粒较大，使其流动需要耗费一定能量，且传质效果较差，更为重要的是循环流化床也未能解决吸附剂颗粒的粉化问题，加上设备造价相对高昂，难以针对大规模、高产能的工业化分离过程使用。

此外，在一个特定的应用领域中，如核生化(NBC，核武器、生物战剂、化学战剂)的处理，如集体防护装置需要一个相对大量的处理气量，较小的体积，而且，已知的以及未来未知的生物战剂、化学战剂急需一种能广谱性适用的处理方法，现有的采用变压吸附方法的处理装置因特定吸附剂对于这些未知的化学武器、生物武器的处理能力显然受到制约，而采用变温吸附方法的处理装置则从另外一个角度显示了其优越性，采用高温处理这些生物战剂、化学战剂的污染物被证明是最有效的方法，显然，流态化的吸附分离方法有其独到的优势，生化洗消并且提供一个清洁的空气可以同时进行；

本发明提出的的分离方法采用了高度分散的吸附剂微粒，它不采用固定在通常的吸附分离床层中进行吸附分离，有别于公知技术比如固定式吸附分离方法或者移动式吸附分离方法中常常采用的吸附剂颗粒物(这些吸附分离方法以及装置通常采用的颗粒度一般在0.5毫米至5毫米左右)，它具有更加细小的颗粒度，比如通常采用0.5微米至500微米的吸附剂颗粒度，这在已知的固定式吸附床或者移动式吸附床中是很难采用的，对这一特性，将在下面的描述中详细加以说明；

同时，采用的这种微小的吸附剂颗粒将在本发明的分离方法的分离过程中夹带在待分离组分的流体(优选气体组分)中，与待分离的混合流体一起在反应器中以一定流速迁移，通过结合变压吸附或者变温吸附及膜分离等公知技术构建了一种组合的分离反应器，也即通常所说的PSA、TSA分离装置，从而实现了流体的高效分离。

发明内容

本发明的目的在于提出一种系统稳定、能源消耗省、吸附剂利用率高的从多种流体组分中分离至少一种组分的吸附分离方法以及基于该方法的分离装置。

本发明提出的分离方法包括采用微小的吸附剂颗粒夹带在待分离组分的流体中，与待分离的混合流体一起在反应器中以一定流速迁移，通过变压吸附或者变温吸附，以及膜分离等技术，实现目标组分的分离。

本发明提出的分离方法，是在一个或多个吸附分离装置中将含有易吸附组分与难吸附组分进行有效分离的吸附分离方法，具体步骤如下：

1)混合气体通过压缩机、风机、泵或其它流体输送机械进入混合装置内，与未曾吸附的容易吸附组分的吸附剂颗粒混合得到混合流体，在该混合流体(包括混合气体与吸附剂颗粒)中待处理的混合气体中至少一种易吸附组分能被该吸附剂颗粒吸附；

2)已混合的混合流体(混合气体与吸附剂颗粒)经过压缩机、风机、泵或其它流体输送机械进入分离系统的冷端，所谓冷端，是指具有较低的操作温度；

3)混合流体(混合气体与吸附剂颗粒)先后经过优选但非必要的换热装置和冷却装置，吸附剂充分吸附了待分离流体中至少一种组分；

4)混合流体(混合气体与吸附剂颗粒)进入气固分离装置，部分未吸附组分或者说难吸附组分作为第一产物流在这里与吸附剂分离后与进入气固分离装置前的混合流体(混合气体与吸附剂颗粒)优选但非必要的换热后输出，而吸附剂则随其余部分气体继续流动；

5)混合流体(易吸附气体与吸附剂颗粒)先后经过换热装置和加热装置后进行解吸；此也称热端，即具有较高的操作温度，吸附剂在此温度获得再生；

6)吸附剂颗粒和易吸附气体在气固分离装置中分离，易吸附气体组分与加热前混合流体(难吸附气体与吸附剂颗粒)换热后可作为第二产物流输出，经再生或者说解吸后的吸附剂由出口端排出；

7)再生后的吸附剂经换热和难吸附气体吹扫后进入气固混合系统参与下一循环的吸附分离；

8)以循环的方式重复步骤1)到7)。

上面描述的方法中，所述热端的能源优选来自废气热能、太阳能、沼气等低品位能源，尤其是炉窑的废气热能，采用本方法将获得一种前所未有的效益，因为，整个的分离过程需要的能量来自于低品位热能，粉体输送所需的能源与现有技术相比微小到可以忽略，在一些需要富氧鼓风、富氧助燃、烟道气二氧化碳回收、脱硫、脱硝等烟气治理应用领域，所述热能很容易获得，而且，优选但非必要应用各种换热器、热交换器等以回收能量，本专业的技术人员会承认，这有益于进一步改善整个系统的能量消耗，尽管这些废气热能是被廉价应用或者白白排放，但在采用以电加热器或者消耗其它高品位能源应用本发明的方法进行分离时将显得极为必要。

本发明方法中，所用吸附剂颗粒直径为0.5～500μm。所用的吸附剂材料包括一种或多种选自沸石分子筛、改性沸石分子筛、活性炭、化学改性的活性炭、硅胶、活性氧化铝、化学改性的活性氧化铝的吸附剂等等一切基于平衡选择性分离机理的吸附剂材料。

本发明方法中，分离过程可以连续的，也可以是间歇的。

本发明方法中，待分离的混合流体可以是气体，也可以是液体。

本发明提供的气体分离的方法包括TSA在内的改良的TSA-M(变温吸附-膜分离)分离方法。

本发明提供的气体分离的方法包括PSA在内的改良的PSA-M(变压吸附-膜分离)分离方法。

本发明提供的气体分离的方法包括PTSA在内的改良的PTSA-M(变温、变压吸附-膜分离)分离方法。

本发明提出的分离方法的吸附分离系统可以由一个、两个或两个以上能够有效进行气固分离的分离装置组成。例如，该系统由气固混合装置、动力装置、优选但非必要的换热装置、优选但非必要的冷却装置、气固分离装置、加热装置、优选但非必要的置换或吹扫装置构成。其中，换热装置在系统中多次应用，置换或吹扫装置可根据需要设定。

上述吸附分离系统中，所述的气固分离装置可以采用除错流膜分离器、旋风分离器，或者其它的气固分离装置。所述加热装置的热源可以是燃烧废气等提供的低品位热源。

本发明可以用于用一种吸附剂从易吸附的任何其它气体中分离不易被吸附的任何气体，易吸附组分或者难吸附组分都可以单独或者同时作为所需的产品气。例如，从空气中同时生产富集的N₂和O₂，或者从烟道气中生产富集的N₂和CO₂。

本发明中，可以采用一种或多种主要吸附剂来回收所需要的气体组分，所公开的方法可以用于其它的多组分分离。用来评价和选择回收容易或者难吸附组分的吸附剂的方法是一种公知的方法，可使用一种或者多种适当的吸附剂的任何组合来吸附，例如，不限于使用CaA沸石、LiX沸石、或者任何其它的特效吸附剂来回收氧，更难被选择性吸附的组分即是所需的一种产物流。在这方面，包括但不限于以下分离用途：用选择氮的吸附剂来从空气中回收氧；用选择氧的吸附剂来从空气中回收氮；用选择CO₂的吸附剂来从气化煤中回收一氧化碳；用选择CO的吸附剂来从气化煤中回收二氧化碳；用或选择氧或选择氮的吸附剂来实现氧/氮分离。

在一个特定的应用领域中，如核生化(NBC，核武器、生物战剂、化学战剂)的处理，采用本发明的方法可以最小的消耗进行大规模的洗消与提供清洁的空气，流态化的吸附剂颗粒可以使得系统比较现有传统吸附分离技术小的多，更为重要的是，采用本发明的方法，对已知的以及未来未知的生物战剂、化学战剂具有广谱性适用的处理手段，洗消与提供清洁空气可以同时进行，这是现有技术难以达到的；

因此，只是为了方便才把本发明的具体特性示于附图或解释于本文中。因为按照本发明，这些特性还可与其它的特性相结合。本领域的技术人员会承认，其它可在本发明的实践中使用的实施方案也应包括在所附权利要求的范围之内。

本发明具有如下显著优点：

(1)本发明提出的分离方法，可以利用低品位热源用于吸附剂的再生处理，节省分离过程中的能源消耗，这对于一些大宗工业气体的处理会有较大的优势，尤其是燃烧烟气的处理。

(2)本发明提出的分离方法，可以解决传统固定床PSA的吸附剂磨损、压降较高、易堵塞等问题。

(3)本发明提出的分离方法，可以解决传统固定床TSA的床层导热速度较慢问题，可快速的实现吸附剂的升温和降温处理。

(4)本发明提出的分离方法，可以用于吸附剂的预处理。在采用变温吸附结合时，由于热端，即解吸端的温度通常可以达到活化吸附剂的温度，新加入系统的吸附剂可以在此简单进行活化，这样既减少了吸附剂生产的能耗，又可以保证吸附剂的活性。

综上，通过本发明所述方法，使得混合流体中易吸附组分与难吸附组分有效的分离，可以同时得到两种或两种以上纯度较高的产品气。更值得特别提出的是，吸附剂再生所需要的热量可以由一些低品位的热源提供，这样分离成本可以得到有效的降低，对于一些大宗工业气体如烟气的处理会有较大的优势。另外，高分散度吸附剂与错流膜分离器的结合使用提高了吸附剂分离效率的同时，也避免了固定床吸附剂磨损、导热较慢等，圆满地解决了现有技术存在的问题，提高了效率，降低了吸附剂的使用量，增强了系统的稳定性。

附图说明

图1：两个错流膜分离器PTSA/TSA-M吸附分离装置示意图。

图2：串联的旋风分离器和错流膜分离器相结合的PTSA/TSA-M吸附分离装置示意图。

图3：两个错流膜分离器PSA/VSA-M吸附分离装置示意图。

具体实施方式

以下通过实例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下的实例，凡基于本发明以上的内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：

本实施例子是以两个错流膜分离器为例用图1中描述的实施方案更详细地说明本发明所优选的新型吸附分离系统：

在两个串联的错流膜分离器中，利用高分散度吸附剂将待分离的原料流体分离成高纯度的难吸附的组分和作为副产品气的易吸附组分。待分离的原料流体进入气固混合装置1后与具有高分散度的吸附剂充分混合。混合流体(原料流体、吸附剂)经风机或压缩机2进入吸附分离系统。经过两级换热装置3、4先后与初级分离后的混合流体、难吸附组分产品气换热后由制冷装置5继续冷却，同时易吸附组分在较低温度下被吸附到吸附剂表面。在低温条件下，吸附剂对易吸附组分有较高的吸附容量，混合流体中几乎不再含有易吸附组分。充分吸附后的混合流体在错流膜分离装置6中进行气固分离。其中透过端为难吸附组分，与进入制冷装置5之前的混合流体换热后以产品输出。错流膜分离装置6出口端为固含量较高的混合流体，与进入换热装置4之前的混合流体换热。然后经过两级换热装置7、8先后与经加热解吸后的混合流体、吸附剂解吸气换热后由加热装置9继续加热，同时吸附在吸附剂表面的易吸附组分在较高温度下解吸。在较高温度下，吸附剂对易吸附组分的吸附容量较低，随着易吸附组分的解吸，吸附剂得到了再生。混合流体(吸附剂、难吸附组分、解吸气)进入错流膜分离装置10进行气固分离。其中透过端为易吸附组分，与进入加热装置9之前的混合流体换热后以产品输出。错流膜分离装置10出口端为固含量较高的混合流体，与进入换热装置8之前的混合流体换热后使用一定量难吸附组分吹扫冷却，然后输送到气固混合装置1进行下一循环的吸附分离。重复上面的步骤进行操作。

其中，错流膜分离装置6、10的膜具有不同选择透过性；根据具体应用条件可在透过端提供一定的真空度，以促进膜分离的进行。

实施例2：

本实施例子是以旋风分离器和错流膜分离器为例用图2中描述的实施方案更详细地说明本发明所优选的新型吸附分离系统：

在串联的旋风分离器和错流膜分离器中，利用高分散度吸附剂将待分离的原料流体分离成高纯度的难吸附的组分和作为副产品气的易吸附组分。待分离的原料流体进入气固混合装置1后与具有高分散度的吸附剂充分混合。混合流体(原料流体、吸附剂)经风机或压缩机2进入吸附分离系统。经过换热装置4与初级分离后难吸附组分产品气换热后由制冷装置5继续冷却，同时易吸附组分在较低温度下被吸附到吸附剂表面。在低温条件下，吸附剂对易吸附组分有较高的吸附容量，混合流体中几乎不再含有易吸附组分。充分吸附后的混合流体在旋风分离器11中进行气固分离。其中气体产品为难吸附组分，与进入制冷装置5之前的混合流体换热后以产品输出。旋风分离器11固体出口端为部分吸附饱和的吸附剂，把分离所得的吸附剂输送到置换装置12中，使用部分解吸产品气将少量难吸附组分置换出来。其中置换尾气送入分离系统进气端在下一循环中继续分离，置换后的吸附剂则进入加热装置13进行加热，同时吸附在吸附剂表面的易吸附组分在较高温度下解吸。在较高温度下，吸附剂对易吸附组分的吸附容量较低，随着易吸附组分的解吸，吸附剂得到了再生。混合流体(吸附剂、解吸气)进入错流膜分离装置10进行气固分离。其中透过端为纯度价高的易吸附组分，一部分用于进入加热器13之前的吸附剂的置换，其余部分以产品气输出。错流膜分离装置10出口端为再生后的吸附剂，使用一定量难吸附组分吹扫冷却，然后输送到气固混合装置1进行下一循环的吸附分离。重复上面的步骤进行操作。

其中，错流膜分离装置10的膜具有易吸附组分的选择透过性；根据具体应用条件可在透过端提供一定的真空度，以促进膜分离的进行。

Claims (8)

1.一种吸附分离的方法，用于从气体混合物中分离目标组分，其特征在于具体步骤如下：

1)混合气体通过流体输送机械进入混合装置内，与未曾吸附的容易吸附组分的吸附剂颗粒混合得到混合流体，在该混合流体中待处理的混合气体中至少一种易吸附组分能被该吸附剂颗粒吸附；

2)已混合的混合流体经过流体输送机械进入分离系统的冷端，所谓冷端，是指具有较低的操作温度；

3)混合流体先后经过换热装置和冷却装置，吸附剂充分吸附了待分离流体中至少一种组分；

4)混合流体进入气固分离装置，部分未吸附组分或者说难吸附组分作为第一产物流在这里与吸附剂分离后与进入气固分离装置前的混合流体换热后输出，而吸附剂则随其余部分气体继续流动；

5)混合流体先后经过换热装置和加热装置后进行解吸；此也称热端，即具有较高的操作温度，吸附剂在此温度获得再生；

6)吸附剂颗粒和易吸附气体在气固分离装置中分离，易吸附气体组分与加热前混合流体换热后可作为第二产物流输出，经再生或者说解吸后的吸附剂由出口端排出；

7)再生后的吸附剂经换热和难吸附气体吹扫后进入气固混合系统参与下一循环的吸附分离；

8)以循环的方式重复步骤1)到7)。

2.按权利要求1所述的吸附分离方法，其特征在于所述吸附剂颗粒直径为0.5～500μm。

3.按权利要求1所述的吸附分离方法，其特征在于所述状吸附剂材料包括一种或多种选自沸石分子筛、改性沸石分子筛、活性炭、化学改性的活性炭、硅胶、活性氧化铝、化学改性的活性氧化铝。

4.按权利要求1所述的吸附分离方法，其特征在于：分离过程是连续的或间歇的。

5.一种用于权利要求1所述方法的循环吸附分离系统，其特征在于：该系统由气固混合装置、动力装置、换热装置、冷却装置、气固分离装置、加热装置、置换或吹扫装置构成。

6.按权利要求5所述的循环吸附分离系统，其特征在于：所述气固分离装置(5)采用错流膜分离器或采用旋风分离器。

7.按权利要求6所述的循环吸附分离系统，其特征在于所述错流膜分离器的透过端采用真空泵提供真空度。

8.按权利要求5所述的循环吸附分离系统，其特征在于：所述加热装置的热源是燃烧废气。

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