CN102133498A - 一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，包括以下步骤：将原料气从下部送入第一吸附塔进行吸附，在第一吸附塔的底部富集得到CO产品气，第一吸附塔上部得到的混合气体送往第二吸附塔；混合气体经第二吸附塔吸附后，第二吸附塔的出口得到高纯度的氢气产品气；当第二吸附塔出口的氢气产品气中CO含量达到要求后，停止第一吸附塔和第二吸附塔的吸附，第一吸附塔进入再生步骤。本发明构思巧妙、流程简单，投资和能耗低，收率高。

Description

一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法

技术领域

本发明涉及一种变压吸附方法，特别涉及一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法。

背景技术

在化工领域，很多时候生产某种化工产品时需要的主要原料或者辅助原料是高纯度的氢气和CO产品气，这样就要求同时生产CO和氢气。利用富含氢气和CO的气源可以同时生产CO和氢气，会使得化工产品的生产成本大幅度的降低，增加市场竞争力。

目前，比较成熟的同时提取氢气和CO工艺是深冷精馏分离法和变压吸附法。

深冷精馏分离法是利用CO和氢气的沸点的差异（一氧化碳是-190℃；氢气是-253℃），通过低温精馏的方式把CO和氢气分离。深冷精馏分离法是一种已经工业化的成熟的工艺，但是这种方法存在着很多缺点：(1)对原料气中杂质要求高，原料气中不能含有CO₂、水和高沸点的杂质；(2)设备投资大。由于是在低温操作运行，所以设备材质都是低温钢材，设备昂贵，投资大；(3)运行费用高。需要把原料气加压到高压，冷冻到低温，这就需要高的电力消耗；（4）适用性受限较大。如果原料气中含有沸点与CO或者氢气接近的杂质，就无法实现高精度的分离提纯。受上述原因限制，很多场合不适合深冷精馏分离法来分离得到氢气和CO。

申请号为01128815.5的中国专利申请公开了一种从含有H₂、CO、CO₂的混合气中分离提纯得到氢气和CO方法，该方法是通过湿法脱碳脱出混合气中的CO₂组分，再通过吸附富集CO步骤和提纯氢气步骤等多段工艺组合达到提取CO和氢气的目的。该方法简称为多段法，虽然可以同时得到两种产品气，但是存在着很多弊端：①由于多段法是多个工段组成，设备繁多，相应的程控阀门也多，这样装置的占地、管道安装等等一系列的投资都会增加；②多段法的氢气和CO的收率低。由于采用了多工段的操作，这样每个工段势必都有有效气体的损失，一般多段法氢气的收率只有80～85%，CO回收率只有60～70%；③多段法的能耗高。一般多段法都是先利用变压吸附工艺提取CO，再利用提取CO的吸附废气和解吸气来提纯得到氢气。在提纯CO的时候产生的解吸气都是常压的，需要加压到一定压力在进入到变压吸附提氢的工段，增加了能耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中同时生产高纯度氢气和一氧化碳方法投资和能耗高、收率低的不足，提供一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法。该变压吸附方法构思巧妙、流程简单，投资和能耗低，收率高。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，包括以下步骤：

A、将原料气从下部送入第一吸附塔进行吸附，在第一吸附塔的底部富集得到CO产品气，第一吸附塔上部得到的混合气体送往第二吸附塔；

B、步骤A中的混合气体经第二吸附塔吸附后，第二吸附塔的出口得到高纯度的氢气产品气；

C、当第二吸附塔出口的氢气产品气中CO含量达到要求后，停止第一吸附塔和第二吸附塔的吸附，第一吸附塔进入再生步骤。

作为优选，所述步骤C中，第一吸附塔再生步骤包括均压降、顺放、逆放、抽空、升压、均压升和最终升压。

作为优选，所述步骤C中，第一吸附塔再生步骤包括均压降、顺放、置换、逆放、抽空、升压、均压升和最终升压。

作为优选，所述第二吸附塔停止吸附后，进行均压降、顺放、逆放、抽空、升压、均压升或最终升压步骤中的一步或几步。

作为优选，所述步骤C中，第一吸附塔和第二吸附塔的吸附剂选自氧化铝、活性炭或5A分子筛中的一种或多种。

作为优选，所述第一吸附塔在均压降结束时，吸附塔出口的CO浓度控制在60～85%，压力控制在0.1～0.6MPa。

作为优选，所述第一吸附塔在顺放结束时，吸附塔出口的CO浓度控制在75～98%，压力控制在0.05～0.4MPa。

作为优选，所述第一吸附塔和第二吸附塔的在线塔数为1-5塔。

本发明在一段变压吸附装置内采用连续吸附、独立解吸的工艺流程，相当于在一段的变压吸附装置上实现了两段法的步骤功能。同时，由于是一段法工艺，减少了两段法等工艺的两段装置间的压力降，大量减少了阀门的数量，大幅度的节省了投资，节约了能耗，简化了操作，同时大幅度的提高了有效组分的回收率。

如果对产品气各个微量指标要求很高，那么，可以对第二吸附塔进行均压降/升、顺放、逆放、抽空等操作，可以进行其中的一步、两步或几步操作，如：可以对第二吸附塔只进行均压降/升的工作，这样就可以部分再生第二吸附塔，也可以对第二吸附塔进行均压降/升和顺放操作等。

本发明为了提高产品CO的纯度，可以在顺放步骤之后增加置换步骤，可以使CO产品气纯度达到98.5%以上。

本发明的有益效果在于：本发明构思巧妙、流程简单，投资和能耗低，收率高。

附图说明

图1为实施例1工艺流程简图；

图2为实施例2工艺流程简图；

图3为实施例3工艺流程简图；

图4为实施例4工艺流程简图；

图5为实施例1程控时序图；

图6为实施例2程控时序图；

图7为实施例3程控时序图；

图8为实施例4程控时序图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

实施例1：如图1所示，一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，从混合气中提纯CO和氢气，混合气组成见表1，具体的时序表见图5，要求得到纯度≥96.5%的CO产品气和99.99%以上的氢气产品气，包括以下步骤：

表1

温度：≤40℃，压力：3.1MPaG。

由于合成气中含有CO₂组分，所以要把CO₂脱除，使进入提纯氢气和CO的变压吸附装置的混合气中CO₂含量小于0.1%。混合气的脱碳可以采用湿法脱碳（气量较大的情况下）或变压吸附脱碳。如图1所示，共有13台吸附塔，吸附塔由下而上依次装填活性炭和5A分子筛，其中活性炭和5A分子筛的质量比例为3:7，第一吸附塔和第二吸附塔各有2台在线吸附，控制第二吸附塔出口的CO含量为100ppm，从第二吸附塔的出口得到99.9%氢气产品气，从第一吸附塔的下部得到≥96.5%的CO产品气。

A、吸附：将原料气从下部送入第一吸附塔A塔进行吸附，在吸附塔内CO2和硫化物等易吸附的组分被吸附，而氢气、氮气、一氧化碳等组分从吸附塔上部流出，进入刚刚再生完全、完成了最终升压步骤的第二吸附塔，第二吸附塔出口的CO浓度达到100ppm，停止第一吸附塔A塔的吸附；

B、第一次压力均衡降：A塔内的气体进入到F塔，对F塔进行一均升，当A、F塔压力均衡后，A塔一均降步骤结束；

C、第二次压力均衡降：A塔内的气体进入到G塔，对G塔进行二均升，当A、G塔压力均衡后，A塔二均降步骤结束；

D、第三次压力均衡降：A塔内的气体进入到H塔，对H塔进行三均升，当A、G塔压力均衡后，A塔三均降步骤结束；

E、第四次均压降：A塔内的气体进入到I塔，对I塔进行四均升，当A、I塔压力均衡后，A塔四均降步骤结束；

F、第五次均压降：A塔内的气体进入到J塔，对J塔进行五均升，当A、J塔压力均衡后，A塔五均降步骤结束；

G、第六次均压降：A塔内的气体进入到K塔，对K塔进行六均升，当A、K塔压力均衡后，A塔六均降步骤结束；

H、顺放：对A塔进行顺向放压，顺放气的CO含量达到88%时，停止顺放，此时吸附塔的压力约为0.05MPa;

I、逆放：逆着吸附的方向对吸附塔进行降压，此逆放气可以作为CO产品气输出，当逆放到0.01MPa时，逆放过程结束;

J、抽空：通过真空泵抽真空对吸附塔进一步降压，当吸附塔的真空度达到-0.08时，停止抽空;

K、第6次均压升：利用D塔均压降的高压气体对吸附塔A进行升压，当A、D塔压力均衡后，A塔六均升步骤结束；

L、第5次均压升：利用E塔均压降的高压气体对吸附塔A进行升压，当A、E塔压力均衡后，A塔五均升步骤结束；

M、第4次均压升：利用F塔均压降的高压气体对吸附塔A进行升压，当A、F塔压力均衡后，A塔四均升步骤结束;

N、第3次均压升：利用G塔均压降的高压气体对吸附塔A进行升压，当A、G塔压力均衡后，A塔三均升步骤结束;

O、第2次均压升：利用H塔均压降的高压气体对吸附塔A进行升压，当A、H塔压力均衡后，A塔二均升步骤结束;

P、第1次均压升：利用I塔均压降的高压气体对吸附塔A进行升压，当A、I塔压力均衡后，A塔一均升步骤结束;

Q、最终升压：利用吸附出口的净化气对吸附塔A进行缓慢的升压，直至压力达到或接近吸附压力；

R、初步吸附：吸附塔L、M上部得到的混合气吸附塔A，得到产品氢气，在线监控吸附塔A出口CO的浓度和氢气的浓度，当CO的浓度达到100ppm或者氢气纯度低于99.99%时，初步吸附步骤结束;

本实施例氢气产品气纯度为99.9%，氢气的回收率96%；一氧化碳产品气纯度为96.5%，收率为85%。不设置换气压缩机，彻底改变了传统变压吸附工艺提取CO必须设置置换气压缩机的观念，大幅度节约了能耗。

实施例2：如图2所示，一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，混合气组成同实施例1，具体的时序表见图6，共有15台吸附塔，吸附塔由下而上依次装填活性炭和细孔硅胶，其中活性炭和细孔硅胶的质量比例为2:8，第一吸附塔和第二吸附塔各有2台在线吸附，控制第二吸附塔出口的CO含量为100ppm，从第一吸附塔的下部得到≥98.5%的CO产品气。主要步骤同实施例1，不同之处在于顺放步骤之后增加置换步骤。

本实施例氢气产品气纯度为99.9%，其中氢气杂质控制在100ppm以下，氢气的回收率95%；一氧化碳产品气纯度为98.5%，氢气杂质控制在100ppm以下，收率为82%。

实施例3：如图3所示，一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，混合气组成同实施例1，具体的时序表见图7，共有18台吸附塔，吸附塔由下而上依次装填活性炭、5A分子筛，其中活性炭和5A分子筛的质量比例为1:9，第一吸附塔和第二吸附塔各有2台在线吸附，控制第二吸附塔出口的CO含量为10ppm，从第一吸附塔的下部得到≥98.5%的CO产品气，主要步骤同实施例2。

本实施例的结果为：氢气产品气纯度为99.9%，其中氢气杂质控制在10ppm以下，氢气的回收率95%；一氧化碳产品气纯度为98.5%，氢气杂质控制在50ppm以下，收率为87%。

上述3个实施例中，①混合气的压力均为3.1MPa，所设置的均压次数均为6次均压，实际运行中均压次数可以根据实际的工况进行调整，一般可以在1～10次之间；②在线吸附的吸附塔数量均为2个，实际运行中在线吸附的吸附塔数量可以根据实际工况进行调整，一般在线吸附的吸附塔数量可以为1～8台。

实施例4：如图4所示，一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，从混合气中提纯CO和氢气，混合气组成见表2，具体的时序表见图8，要求得到得到≥98.5%的CO产品气和99.99%以上的氢气产品气，共有15台吸附塔，吸附塔由下而上依次装填氧化铝、5A分子筛，其中氧化铝和5A分子筛的质量比例为1:19，第一吸附塔和第二吸附塔各有1台在线吸附，以A塔为例，包括以下步骤：吸附、六次均压降、顺放、逆放、抽空、六次均压升、最终升压、初步吸附。

表2 原料气组成

温度：≤40℃，压力：1.6MPaG。

本实施例氢气的回收率99.5%，氮气的收率为97%，一氧化碳的收率一般为96%；得到纯度高于98.5%的CO2产品气，CO2的收率高于83%。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将原料气从下部送入第一吸附塔进行吸附，在第一吸附塔的底部富集得到CO产品气，第一吸附塔上部得到的混合气体送往第二吸附塔；

B、步骤A中的混合气体经第二吸附塔吸附后，第二吸附塔的出口得到高纯度的氢气产品气；

C、当第二吸附塔出口的氢气产品气中CO含量达到要求后，停止第一吸附塔和第二吸附塔的吸附，第一吸附塔进入再生步骤。

2.如权利要求1所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述步骤C中，第一吸附塔再生步骤包括均压降、顺放、逆放、抽空、升压、均压升和最终升压。

3.如权利要求1所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述步骤C中，第一吸附塔再生步骤包括均压降、顺放、置换、逆放、抽空、升压、均压升和最终升压。

4.如权利要求1所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述第二吸附塔停止吸附后，进行均压降、顺放、逆放、抽空、升压、均压升或最终升压步骤中的一步或几步。

5.如权利要求1所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述步骤C中，第一吸附塔和第二吸附塔的吸附剂选自氧化铝、活性炭或5A分子筛中的一种或多种。

6.如权利要求3所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述第一吸附塔在均压降结束时，吸附塔出口的CO浓度控制在60～85%，压力控制在0.1～0.6MPa。

7.如权利要求3所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述第一吸附塔在顺放结束时，吸附塔出口的CO浓度控制在75～98%，压力控制在0.05～0.4MPa。

8.如权利要求1所述的一种同时生产高纯度氢气和一氧化碳的变压吸附方法，其特征在于：所述第一吸附塔和第二吸附塔的在线塔数为1-5塔。

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