CN102500190A - 一种针对富氢气源的净化回收工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以富氢气源为原料，利用一种新型的M-S吸附工艺，产出两种产品气，实现了富氢气源的高效利用、并减少了对大气的污染、提高了能源利用率，从真正意义上实现了环保低碳和经济效益的双赢。
Description
技术领域
本发明是一以富氢气源为原料，利用一种新型的M-S吸附工艺，产出两种产品气，实现了富氢气源的高效利用、并减少了对大气的污染、提高了能源利用率，从真正意义上实现了环保低碳和经济效益的双赢。
背景技术
变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称PSA）是利用吸附剂或不同气体的吸附特性使气体净化的方法。变压吸附的操作循环是在二个不同压力条件下进行，在高压下吸附混合气体中的杂质，低压下解吸，这中间没有温度的变化，因此过程中不需要热量，与其他需要供热的方法相比设备装置比较简单，但变压吸附的缺点是放空与吹净时有效气体的损失大。
利用变压吸附分离工艺技术从天然气转化气中提纯H2的原理是利用吸附剂对不同吸附质的选择性和吸附剂对吸附质的吸附容量随压力变化而有差异的特性，在高压下吸附原料气中的杂质组分，低压下脱附这些杂质而使吸附剂获得再生，即获得再次吸附的能力，整个过程均在环境温度下进行。
下面以一典型的四塔变压吸附工艺来说明变压吸附的基本原理和循环：
变压吸附基本工作步骤分为吸附和再生两步。而再生又包括以下三步骤：
1． 吸附塔压力降至低压
首先是顺着吸附的方向进行降压（以下简称为顺向放压），接着是逆着吸附的方向进行降压（以下简称逆向放压）。顺向放压时，有一部分吸附剂仍处于吸附状态。逆向放压时，被吸附的部分杂质从吸附剂中解吸，并被排除出吸附塔。
2． 用纯氢在低压下冲洗吸附剂，以清除尚残留于吸附剂中的杂质。
3． 吸附塔升至吸附压力，以准备再次分离原料气。
本装置采用四塔一次均压变压吸附过程，每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降压（E1D）、顺向放压（PP）、二次降压（E2D）、逆向放压（D）、冲洗（P）、二次升压（E2R）、一均升压（E1R）以及最终升压（FR）等九个步骤。见附图1，四个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。
一、吸附（A）
开启KC101;
来自甲醇裂解工段的原料气通过阀KC101自下而上进入A塔，在工作压力下吸附杂质组份，未被吸附的产品组份，通过阀KC105流出，其中大部分作为产品通过阀KC102从本系统中输出，剩余部分通过阀KC108、KC203向B塔进行最终升压。
吸附完毕，关闭阀KC101，停止进原料气，同时阀KC102亦无产品气输出。
二、一均降压（E1D）
开启KC103;
A塔停止吸附后，与刚结束二次冲洗的C塔以出口端相连，即通过阀KC103、KC303与C塔进行第一级压力平衡，A塔压力降低。均压后A、C塔压力基本相等。
三、顺向放压（PP）
开启KC104；
A塔完成降压平衡一步骤后，塔内剩余气体仍顺着出口方向通过阀KC104，顺放流量控制阀KC107，KC406冲洗刚完成逆向放压的D塔。当A塔压力降至规定值后，停止顺放，进行下一步骤。
关闭KC104。
四、二次降压（E2D）
继续开启KV104；
一次降压后A塔剩余的气体继续通过阀KC104、KC404与D塔出口端相连，进行第二次压力平衡，A塔压力再一次降低、直至两塔压力基本相等
关闭阀KC104/KC404；
五、逆向放压（D，简称：逆放）
开启阀KC105；
A塔内剩余的气体从塔的入口端经过阀KC105排至解吸气缓冲罐或其他装置，使吸附剂得到再生。A塔压力降为接近常压。
六、一次冲洗（P1）
开启阀KC204、KC107、KC106、KC105；
A塔逆放后，尚残留在塔内的杂质是利用B塔顺放气，通过阀KC204、顺放流量控制阀KV107和KC106从A塔出口端进入A塔，自上而下地对A塔床层进行冲洗，使塔内杂质进一步脱附，并通过KC105输出。
七、二均升压（E2R）
继续开启阀KC204、KC104；
A塔完成一次冲洗之后，与刚结束顺放B塔以出口端相连，通过阀KC104、KC204与A塔以出口端相连，进行第二次压力平衡，A塔压力升高，直至两塔压力基本相等。
关闭阀KC104、KC204。
八、一均升压（E1R）
开启阀KC103、KC303;
A塔停止二次升压后，与刚结束吸附的C塔以出口端相连，即通过阀KC103、KC303与C塔进行第一级压力平衡，A塔压力升高。均压后A、C塔压力基本相等。
九、最终升压（FR，简称：终充）
继续开启阀KC103；
A塔的最终升压是利用产品气进行的，产品气经终充流量控制阀KC108及KC103，由出口端进入A塔，最终使A塔压力基本接近吸附压力。通过这一步骤后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。
关闭阀KC103;
其它三个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。
上述程控阀（KC10*）按规定的程序操作，使变压吸附工艺过程能不断净化原料气，输出产品气。
以上为目前通用的典型4塔变压吸附工艺，根据原料气量气量和均压次数的不同，吸附塔数量会有变化，但是基本原理和循环都类似。
但是这种目前通用的变压吸附工艺只能得到一种有效的产品氢气和解析废气，怎样使一套变压吸附装置同一时间得到两种产品氢气纯度相差较大的产品，或是得到除产品氢气以外还得到高热值燃料气和高浓度杂质气（做其他产品的原料气）是一个迫切需要解决的工程难题。
发明内容
针对以上问题，本发明创造性地提出了一种新型的变压吸附工艺，利用子塔（S塔）和母塔（M塔）的特殊结构实现了两种产品气和一种杂质气的同时输出。提高了资源利用率，降低了对环境的污染。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种富氢气源为原料，利用母塔－子塔（M-S塔）吸附结构实现的变压吸附的工艺，所述工艺包括如下步骤：具有一定压力，温度的原料气（即富氢气源）从母塔－子塔吸附塔中的母塔进口（8）进入母塔，自上而下地通过母塔，完成吸附；净化后的产品气Ⅱ通过母塔出口（5），和出口（10）通出系统外，产品气从子吸附塔进口（4）自上而下地进入子塔，通过子吸附塔吸附剂床层管口从子塔出口（1）得到另外一种产品气Ⅰ，每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降压（E1D）、顺向放压（PP）、二次降压（E2D）、逆向放压（D）、冲洗（P）、二次升压（E2R）、一均升压（E1R）以及最终升压（FR）九个步骤。
在本发明中，所述吸附床层中装有分子筛、活性氧化铝、 活性炭装填的吸附剂，；吸附压力为1.2～1.6MPa，优选1.4MPa。
在本发明中，所述原料气的温度为常温，压力为1.2-2.0MPa，优选1.6MPa。
作为优选，本发明的吸附塔中每个步骤的压力为：吸附压力为1.6MPa；一均降压或者一均升压，压力为1.01MPa；顺向放压压力为0.81MPa；二均降压或者升压，压力为0.41MPa。
在本发明中，由于原料气的成分不同，即富氢气源的来源很多，因而在实际得到的产品气Ⅰ、产品气Ⅱ和解析气的成分也随着原料气的不同而生产变化。
附图说明
附图1.常用的4塔变压吸附流程简图。
附图2.本专利介绍的新型4塔变压吸附流程简图。
附图3.母塔－子塔吸附结构简图。
如附图3所示，本发明中描述的母塔－子塔结构是这样实现的：
附图3中，1为子塔（S塔）气体出口，即产品气Ⅰ；2为子塔吸附剂床层；3为子塔塔体；4为子塔气体进口；5为母塔（M塔）气体出口，即产品气Ⅱ；6为母塔吸附剂床层；7为母塔塔体；8为母塔气体进口，即原料气进口；9为原料气，即富氢气源；10为产品气Ⅱ出口；11为产品气Ⅰ出口。
具体实施方式
下面以一四塔M-S附工艺来说明变压吸附的基本原理和循环：
本装置采用四塔二次均压变压吸附过程，每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降压（E1D）、顺向放压（PP）、二次降压（E2D）、逆向放压（D）、冲洗（P）、二次升压（E2R）、一均升压（E1R）以及最终升压（FR）等九个步骤。见附图2，四个M-S吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。
一、吸附（A）
开启KC101;
来自甲醇裂解工段的原料气通过阀KC101自下而上进入Am塔（即母塔A），在工作压力下吸附杂质组份，未被吸附的产品组份，通过阀KC105流出，其中大部分作为产品气Ⅱ通过阀KC109统中输出，剩余部分自下而上地通过As塔，即子塔A，其中大部分作为产品气Ⅰ通过阀KC102从系统输出，未被吸附的产品组份，通过阀KC105流出，其中大部分作为产品通过阀KC102从本系统中输出，剩余部分通过阀KC108、KC203向B塔进行最终升压。
吸附完毕，关闭阀KC101，停止进原料气，同时阀KC102、KC109亦无产品气输出。
二、一均降压（E1D）
开启KC103;
Am和As塔停止吸附后，与刚结束二次冲洗的C塔以出口端相连，即通过阀KC103、KC303与Cm和Cs塔进行第一级压力平衡，A塔压力降低。均压后A、C塔压力基本相等。
三、顺向放压（PP）
开启KC104；
As塔和Am塔完成降压平衡一步骤后，塔内剩余气体仍顺着出口方向通过阀KC104，顺放流量控制阀KC107，KC406冲洗刚完成逆向放压的D塔。当A塔压力降至规定值后，停止顺放，进行下一步骤。
关闭KC104。
四、二次降压（E2D）
继续开启KV104；
一次降压后A塔剩余的气体继续通过阀KC104、KC404与D塔出口端相连，进行第二次压力平衡，A塔压力再一次降低、直至两塔压力基本相等
关闭阀KC104、KC404；
五、逆向放压（D，简称：逆放）
开启阀KC105；
A塔内剩余的气体从塔的入口端经过阀KC105排至解吸气缓冲罐或其他装置，使吸附剂得到再生。A塔压力降为接近常压。
六、一次冲洗（P1）
开启阀KC204、KC107、KC106、KC105；
A塔逆放后，尚残留在塔内的杂质是利用B塔顺放气，通过阀KC204、顺放流量控制阀KV107和KC106从A塔出口端进入A塔，自上而下地对A塔床层进行冲洗，使塔内杂质进一步脱附，并通过KC105输出。
七、二均升压（E2R）
继续开启阀KC204、KC104；
A塔完成一次冲洗之后，与刚结束顺放B塔以出口端相连，通过阀KC104、KC204与A塔以出口端相连，进行第二次压力平衡，A塔压力升高，直至两塔压力基本相等。
关闭阀KC104、KC204。
八、一均升压（E1R）
开启阀KC103、KC303;
A塔停止二次升压后，与刚结束吸附的C塔以出口端相连，即通过阀KC103、KC303与C塔进行第一级压力平衡，A塔压力升高。均压后A、C塔压力基本相等。
九、最终升压（FR，简称：终充）
继续开启阀KC103；
A塔的最终升压是利用产品气进行的，产品气经终充流量控制阀KC108及KC103，由出口端进入A塔，最终使A塔压力基本接近吸附压力。通过这一步骤后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。
关闭阀KC103;
其它三个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。
上述程控阀（KC10*）按规定的程序操作，使变压吸附工艺过程能不断净化原料气，输出产品气。
最后得到三种产品气，产品气Ⅰ、产品气Ⅱ、解析气。
Claims (4)
1.一种富氢气源为原料，利用母塔－子塔（M-S塔）吸附结构实现的变压吸附的工艺，所述工艺包括如下步骤：具有一定压力，温度的原料气（即富氢气源）从母塔－子塔吸附塔中的母塔进口（8）进入母塔，自上而下地通过母塔，完成吸附；净化后的产品气Ⅱ通过母塔出口（5），和出口（10）通出系统外，产品气从子吸附塔进口（4）自上而下地进入子塔，通过子吸附塔吸附剂床层管口从子塔出口（1）得到另外一种产品气Ⅰ，每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降压（E1D）、顺向放压（PP）、二次降压（E2D）、逆向放压（D）、冲洗（P）、二次升压（E2R）、一均升压（E1R）以及最终升压（FR）九个步骤。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述吸附床层中装有分子筛、活性氧化铝、 活性炭装填的吸附剂；吸附压力为1.2～1.6MPa。
3.如权利要求1或2所述的工艺，其中所述原料气的温度为常温，压力为1.2-2.0MPa，优选1.6MPa。
4.如权利要求1-3任一项所述的工艺，其中吸附塔中每个步骤的压力为：吸附压力为1.6MPa；一均降压或者一均升压的压力为1.01MPa；顺向放压压力为0.81MPa；二均降压或者升压的压力为0.41MPa。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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Denomination of invention: A purification and recovery process for hydrogen rich gas source Effective date of registration: 20201026 Granted publication date: 20160210 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: ALLY HI-TECH Co.,Ltd. Registration number: Y2020980007086 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220120 Granted publication date: 20160210 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: ALLY HI-TECH Co.,Ltd. Registration number: Y2020980007086 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 5, gaon Boulevard, high tech Zone, Chengdu, Sichuan Province Patentee after: Sichuan Yalian Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd. Address before: 4F, Block B, No. 5 Gaopeng Avenue, High tech Zone, Chengdu, Sichuan 610041 Patentee before: ALLY HI-TECH Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A purification and recovery process for hydrogen rich gas sources Granted publication date: 20160210 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: Sichuan Yalian Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980005650 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |