CN102580458A - 多阶抽真空变压吸附工艺 - Google Patents

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Abstract

一种适用于处理大规模原料气的真空变压吸附装置的多阶抽真空工艺,包含两个或两个以上各自独立的抽真空系统,各自承担不同负压等级范围的抽真空任务,分步骤地对吸附床接力抽真空,并在抽真空设备与压缩机之间设置具有较大缓冲容积的气柜。多阶抽真空工艺适宜的抽真空负压范围为3~20kPa(A),适用范围是原料气流量大于5000Nm3/h的真空变压吸附装置。

Description

多阶抽真空变压吸附工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及一种变压吸附工艺,特别是一种包含抽真空步骤的处理大规模气体进料量的变压吸附工艺。
背景技术
[0002] 变压吸附(Pressure swing adsorption简称PSA)是利用吸附剂对不同气体组分的吸附力存在差异和气体组分在吸附剂上的吸附容量随其气相分压升降而升降的特点实现气体分离的一种分离方法。在变压吸附工艺流程中,通常至少有两个以上并行功能的内部装填着吸附剂的吸附床,包含至少一种易吸附气体组分和至少一种不易吸附组分的原料混合气体在一定压力下经过吸附床时,其中的易吸附组分被吸附剂吸附下来,不易吸附组分则穿过吸附床从出口排出,实现易吸附组分与不易吸附组分的分离,此过程中获得不易吸附组分产品气体。当吸附剂接近达到饱和吸附时,切换操作,对结束吸附步骤的吸附床进行降压再生。在降压过程中,随着吸附压力的下降,吸附剂的吸附容量逐渐降低,吸附在吸附剂上的易吸附组分随之被脱附下来,此过程中得到易吸附组分产品。对于有些混合气体原料,为了获得更高纯度的易吸附组分产品或不易吸附组分产品,或为了同时获得更高纯度易吸附组分产品和不易吸附组分产品,再生过程中吸附床压力降至常压后,还需要对吸附床进行抽真空,将吸附床压力再进一步降压至一定负压,这种变压吸附工艺有时人们称之为真空变压吸附(Vacuum pressure swing adsorption简称VPSA)工艺。例如,炼厂裂解气变压吸附分离回收O;等轻烃、炼厂裂解气变压吸附回收C2=等、油田天然气变压吸附分离回收C2+或C3+等轻烃、变换气、合成气等分离回收CO2、氯乙烯尾气变压吸附回收氯乙烯、聚烯烃尾气回收聚烯烃等等,这些变压吸附过程大都采用VPSA工艺。
[0003] 从吸附剂的吸附特点来看,气体组分在吸附剂上的吸附容量随该组分气相分压的变化并不是线性的,而是随着分压的下降,吸附容量呈接近指数型式下降。换句话说,随着吸附压力的降低,组分在吸附剂上的吸附容量显著降低。对于VPSA工艺来说,这就意味着吸附条件相同时,随着抽真空压力的降低,吸附剂的动态吸附容量显著增大,处理相同量原料气所需的吸附剂量显著减少;不但如此,抽真空压力越低,吸附床再生得越彻底,吸附步骤得到的不易吸附组分产品气体纯度越高,易吸附组分收率也越高;同时抽真空压力越低, 得到的易吸附组分产品气体纯度越高,不易吸附组分收率也越高。因此,通常在VPSA工艺中,人们都希望尽可能获得更低的抽真空压力。
[0004] 在VPSA技术中,吸附床结束吸附步骤后,通常有一个浓缩易吸附组分的过程,就是先后通过顺向降压步骤、与其它吸附床之间的均压降压步骤、或用易吸附组分产品气体对吸附床进行置换等步骤组合的浓缩过程,排出吸附床死空间内和吸附剂上吸附的不易吸附组分,目的是使之后进一步降压过程中得到的易吸附组分产品气体达到足够高的纯度。 浓缩过程结束后通常是逆放步骤,将浓缩步骤后的吸附床进一步降压至常压,降压过程排出的气体排入压缩机入口缓冲罐。逆放步骤之后是抽真空步骤,就是用抽真空设备对吸附床抽真空,使吸附床压力进一步降低至负压,抽真空降压过程中脱附出来的气体通常也排入压缩机入口缓冲罐,与逆放步骤的气体混合后作为易吸附组分产品气体经压缩机升压后排出。
[0005] 现有VPSA技术中抽真空步骤基本都是采用单一的抽真空系统对进入抽真空步骤的吸附床进行抽真空,为了与本发明的技术相区别,本发明人称这种抽真空工艺为单阶抽真空工艺。在小规模的变压吸附装置中采用单阶抽真空的VPSA工艺通常是合理有效的,但在处理大规模原料气的变压吸附装置上采用这种抽真空工艺时,其弱点就会显现出来。首先,处理大规模原料气的变压吸附装置往往抽真空过程的气体量很大,而负压状态下气体的操作体积流量会更大,这就需要抽真空系统配置较大的管径和程控阀门,带来设备制造、 安装和维护的难度,有时甚至变压吸附装置的规模受到上述因素的限制,或者不得不放弃更低的抽真空压力;其次,在单阶抽真空工艺中,吸附床从常压至最终的真空压力都是由一个或一组抽真空设备完成的,而从抽真空设备角度讲,有些类型的抽真空设备更适合抽低真空,有些类型的抽真空设备更适合抽高真空,这就限制了抽真空设备的选择;再者,多数抽真空设备都是容积式的,抽真空设备的排出气体量基本与其入口压力成正比,因此,抽真空步骤初期,抽真空设备排出的气体量比较大,而抽真空步骤末期,抽真空设备排出的气体量比较小,使得变压吸附过程得到的易吸附组分产品气体量呈周期性地波动。抽真空压力越低,波动幅度越大。而现有技术平抑这种波动的方法,一是对抽真空步骤初期的气体量进行限量,二是增大压缩机入口缓冲罐容积。现有技术中压缩机入口缓冲罐大都采用固定体积容器,即使采用体积较大的容器,对压力为微正压的真空泵出口气体缓冲能力也很有限, 因此平抑气体流量波动的主要手段就是对波峰气体进行限量和调节压缩机气体回流负荷, 这就降低了抽真空设备和压缩机的效率。由于存在上述弱点,现有实际商业运行的采用单阶抽真空工艺的大规模变压吸附装置的抽真空压力大多只能达到20〜60kPa(A),这就必然显著影响了变压吸附装置的分离效果和所获得产品气体的纯度。
发明内容
[0006] 本发明的一个目的是提出一种能够在处理大规模原料气的VPSA工艺的抽真空步骤中获得较低负压的真空变压吸附工艺;
[0007] 本发明的另一个目的是提出一种即使在抽真空步骤有大量气体负荷,抽真空系统仍可以采用相对较小的管道和程控阀门的真空变压吸附工艺;
[0008] 本发明的另一个目的是提出一种高效率的VPSA装置抽真空系统的真空变压吸附工艺;
[0009] 本发明还有一个目的是提出一种能够有效平抑易吸附组分产品气体峰谷流量波动的真空变压吸附工艺。
[0010] 本发明的主要目的是通过在处理大规模原料气的VPSA装置中采用多阶抽真空工艺,和在抽真空设备与压缩机之间设置具有较大缓冲容积的缓冲容器来实现的。
[0011] 本发明的真空变压吸附装置包括至少4座内部装填着吸附剂的功能并列的吸附床,每座吸附床有一个进气口和一个出气口,按照程序设定好的时序步骤,各个吸附床顺序地、周期性地依次完成各个步骤的操作。除抽真空步骤外,本发明的其它工艺步骤与现有技术没有本质区别。在每个吸附周期内,吸附床首先进行吸附步骤,吸附步骤可能在一个或一个以上的吸附床内进行。吸附床结束吸附步骤后,通常是包含多个步骤的浓缩易吸附组分过程,比如可能包含顺向降压步骤,就是从吸附床出口顺着吸附气流的方向降压,将吸附床内未被吸附的不易吸附组分排出吸附床;可能还包含均压降步骤,就是将吸附床与需要升压的吸附床连通,将吸附床内含有较多不易吸附组分的气体排入其它吸附床;也可能包含置换步骤,就是用易吸附组分产品气体或其它含有较高易吸附组分浓度的气体置换出吸附床内吸附和滞留的不易吸附组分;等等。浓缩过程可能还包含其它方式的具体步骤,或这些步骤的不同组合,浓缩过程的本质目的是排出吸附床死空间内滞留的和吸附剂上吸附的不易吸附组分,使之后进一步降压过程中得到的易吸附组分产品气体达到足够的纯度。浓缩过程结束后,如果吸附床压力仍高于大气压,这时紧接着进行逆放步骤,就是逆着吸附气流的方向,从吸附床入口侧排出气体,使吸附床降压至大气压,逆放步骤排出的气体作为易吸附组分产品气体排入缓冲容器。逆放步骤之后是抽真空步骤,将吸附床抽真空至一定负压, 进一步将吸附在吸附剂上的易吸附组分逐渐脱附下来,经抽真空设备升压至大气压后也作为易吸附组分产品气体排入缓冲容器,在此与逆放步骤得到的易吸附组分产品气体混合、 缓冲,最后经压缩机升压后作为易吸附组分产品气体排出装置。抽真空步骤结束后是均压升和终充等步骤,就是用不易吸附组分浓度较高的气体将吸附床逐步充压至吸附压力。至此吸附床的一个循环周期结束。每座吸附床以与上述相同的时序步骤往复循环作业,其它吸附床也以相同但各步骤相互交错的时序步骤循环作业,实现整个VPSA工艺过程的连续运行。
[0012] 与现有技术抽真空工艺采用的单系统、单等级、单步骤的单阶抽真空工艺不同,本发明提出的抽真空工艺采用的是分系统、分等级、分步骤的多阶抽真空工艺,。所说的多阶抽真空工艺指的是包含两个或两个以上各自独立的抽真空系统,各自承担不同负压等级范围的抽真空任务,分步骤地对吸附床接力抽真空的VPSA装置抽真空工艺。
[0013] 本发明多阶抽真空工艺适用于处理原料气流量大于1000Nm3/h的VPSA装置。尤其适合于处理原料气流量大于5000Nm3/h的VPSA装置。在此流量范围内,往往抽真空气体负荷比较大,多阶抽真空工艺更能有效地获得较低抽真空负压。
[0014] 本发明所说的抽真空负压指的是抽真空步骤结束时吸附床的压力,多阶抽真空工艺适宜的抽真空负压范围为I〜30kPa(A)。优选地多阶抽真空工艺适宜的抽真空负压范围为 3 〜20kPa (A)。
[0015] 正是由于多阶抽真空工艺拥有两个或两个以上的抽真空系统,各个抽真空系统之间互不影响,各自承担不同负压范围的抽真空任务,分步骤地对吸附床接力抽真空,因此, 整个抽真空步骤结束时,吸附床更容易获得较低的负压;又由于多阶抽真空工艺可以同时对处于不同负压阶段的吸附床进行抽真空,这样就将整个抽真空步骤的抽真空负荷分摊给每个抽真空分步骤,从而使得每个抽真空系统的管线和程控阀门尺寸得以减小;正因为有两个或两个以上的各自独立的抽真空系统,每个抽真空系统可以根据负压范围和气体负荷情况选择合适的抽真空设备型式,且可以通过选择较小的或合适的抽真空系统管线和程控阀门尺寸,获得合适的管系阻力降,从而提高抽真空系统的效率。
[0016] 本发明与现有技术的另一个区别特征是,抽真空设备与压缩机之间的缓冲容器可以根据具体情况选择性地采用可变容积的气柜或采用固定体积容积的容器。优选地缓冲容器采用可变容积的气柜。现有技术的缓冲容器基本都是采用固定容积的容器,这种缓冲容器的有效缓冲容积实际上是容器体积与峰谷压差的乘积,对于处理大规模原料气的VPSA装置来说,由于受平面位置等因素限制,缓冲容器体积又不可能做得过大,又由于一般抽真空设备的出口压力大都在微正压范围,峰谷压差通常比较小,一般在30kpa左右,为保证压缩机排出易吸附组分产品气体流量的相对稳定,通常只能靠限制抽真空步骤初期的抽真空设备入口流量来平抑峰谷流量,这就必然会降低抽真空系统的效率。气柜作为可变容积容器,缓冲容积基本等于其操作容积,在大气压或微正压下气柜的缓冲效果是相同固定体积容器缓冲效果的3〜5倍。这样通过在抽真空设备与压缩机之间设置气柜,利用气柜较大缓冲容积的手段缓冲而不是通过限制气体流量的手段来平抑峰谷流量,从而提高抽真空步骤的效率,同时从压缩机出口得到稳定流量和稳定质量的易吸附组分产品气体。采用气柜作为缓冲容器的另一个好处是,逆放和抽真空过程中常常会有微量吸附剂粉尘随气体从吸附床带出,采用气柜可以将这些粉尘有效沉降在气柜内,保障了压缩机的长周期运行。
[0017] 本发明多阶抽真空工艺上述特点的最终效果体现在,由于有效获得更低的抽真空负压,吸附床再生得更彻底,使得VPSA装置在相同处理量的情况下吸附床内吸附剂用量更小,得到更高纯度的不易吸附组分产品气体,和更高纯度、更稳定流量、更稳定质量的易吸附组分产品气体,同时获得更高的易吸附组分产品收率和更高的不易吸附组分产品收率。
[0018] 以下结合附图和实施例对本发明所说的多阶抽真空变压吸附工艺做进一步说明。 需要强调的是,下述实施例只是为了帮助更好地理解本发明,不能被理解为是对本发明权利要求的限制。
附图说明
[0019] 图I是8床二阶抽真空变压吸附工艺流程示意图。
具体实施方式
[0020] 实施例
[0021] 本实施例为从炼厂催化裂化干气中回收C2+的8床二阶抽真空变压吸附工艺,进料气体流量为20000Nm3/h,压力为O. 9MPa(A),常温。进料气体组成如表I所示,进料气体中的H2、CO、N2+02、CH4等为不易吸附组分,CO2和C2+等为易吸附组分。
[0022] 表I实施例原料气体组成(v% )
[0023]
Figure CN102580458AD00061
[0024] 在图I所示的变压吸附工艺流程中,主要设备有8座功能并列、编号分别为A〜 H的吸附床,吸附床内装填的吸附剂为分子筛、硅胶和活性炭,每座吸附床有一个进口和一个出口,进口线上分别连接着吸附进料阀(VIA)(吸附进料程控阀的简称,以下程控阀均省略“程控” 二字)以及(VlB〜VlH)(为图面清晰,图中以吸附床㈧为代表,其余(VlB〜 VlH)未画出,同理,吸附床(B〜H)进出口线上的其它程控阀也在图中省略)、二阶真空阀(V2A)、一阶真空阀(V3A)、逆放阀(V4A)、置换进气阀(V5A)、置换出气阀(V6A)、均压阀 (V7A)、逆冲阀(V8A)和吸附出气阀(V9A),以及吸附压控阀(4)和逆冲控制阀(5)。除上述吸附床和阀门外,流程中还有I座200m3气柜和I台10000m3/h压缩机。与现有技术不同的是流程中有两个相互独立的抽真空系统,分别是一阶抽真空系统和二阶抽真空系统,其中一阶抽真空系统的抽真空设备为I台15000m3/h—阶真空泵,二阶抽真空系统的抽真空设备为I台15000m3/h 二阶真空泵。当然也可以考虑设置三阶或更多阶抽真空系统,这需要统筹考虑抽真空负荷、单台抽真空设备规模、所要达到的抽真空压力等因素。本流程的操作时序详见表2
[0025] 表2实施例工艺时序表
[0026]
Figure CN102580458AD00071
[0027] 以下以吸附床㈧为例解释整个工艺过程。
[0028] 吸附步骤A :打开阀(VIA)和阀(V9A),原料气沿箭头(I)自吸附床㈧入口进入, 穿过吸附床时,原料气中的易吸附组分CO2和C2+等被吸附剂吸附下来,不易吸附组分h2、 CO、N2+02、CH4等则穿过吸附床,作为不易吸附组分产品气体沿箭头(2)排出。吸附压力为 850kPa(A)通过设在出口线上的压控阀(4)自控实现。吸附步骤结束后,关闭阀(VIA)和阀 (V9A),吸附床(A)进入均压步骤。
[0029] 一均降步骤ElD :打开阀(V7A),和阀(V7D),将吸附床㈧与完成二均升的吸附床 (D)连通均压,吸附床(A)压力降至570kPa(A),排出吸附床(A)内的富集不易吸附组分气体。一均降步骤结束后,关闭阀(V7D),接着进行二均降步骤。
[0030] 二均降步骤E2D :继续打开阀(V7A),并打开阀(V7E),将吸附床㈧与完成二阶抽真空的吸附床(E)连通均压,吸附床㈧压力降至290kPa(A),进一步排出吸附床㈧内的富集不易吸附组分气体。二均降步骤结束后,关闭阀(V7A)和阀(V7E)。
[0031] 置换步骤RP :打开阀(V5A)和阀(V6A),用压缩机(6)出口的易吸附组分产品气体对吸附床(A)进行置换,进一步置换出其中的不易吸附组分,使吸附床(A)中的易吸附组分进一步提浓,置换出的含有较高不易吸附组分浓度的气体沿箭头(3)排出。置换步骤结束后,关闭阀(V5A)和阀(V6A)。
[0032] 逆放步骤D:打开阀(V4A),将吸附床(A)逆着吸附气流方向降压,降压过程排出的易吸附组分产品气体排入气柜(8),直至降压至105kPa(A)。逆放步骤结束后,关闭阀 (V4A)。
[0033] 一阶抽真空步骤Vl :打开阀(V3A),用一阶真空泵(6)对吸附床(A)进行抽真空, 使其压力进一步降至25kPa(A),一阶真空泵¢)出口排出的易吸附组分产品气体排入气柜
(8)。在吸附床(A)进行一阶抽真空的同时,二阶真空泵(7)正在对吸附床(H)进行着二阶抽真空。一阶抽真空步骤结束后,关闭阀(V3A)。
[0034] 二阶抽真空步骤V2 :打开阀(V2A),用二阶真空泵(7)对吸附床(A)进行抽真空, 使其压力进一步降至IOkPa(A),二阶真空泵(7)出口排出的易吸附组分产品气体也排入气柜(8),与逆放和一阶抽真空步骤排入气柜的气体相混合,作为易吸附组分产品气体经压缩机(9)升压后,一部分作为置换气循环返回进行置换步骤的吸附床,其余则沿箭头(10)排出。在吸附床(A)进行二阶抽真空的同时,一阶真空泵(6)正在对吸附床(B)进行着一阶抽真空。二阶抽真空步骤结束后,关闭阀(V2A)。
[0035] 二均升步骤E2R :打开阀(V7A)和阀(V7E),将吸附床(A)与吸附床(E)连通均压, 吸附床(A)压力升至290kPa(A)。二均升步骤结束后,关闭阀(V7E)。
[0036] 一均升步骤ElR :继续打开阀(V7A),并打开阀(V7F),将吸附床(A)与吸附床(F) 连通均压,吸附床(A)压力升至570kPa(A)。二均升步骤结束后,关闭阀(V7A)和阀(V7F)。
[0037] 终充步骤FR:打开阀(V8A),在控制阀(5)的控制下,用不易吸附组分产品气体将吸附床(A)充压至吸附压力。终充步骤结束后,关闭阀(V8A)。
[0038] 至此吸附床(A)的一个吸附周期结束,吸附床(A)以与上述相同的时序步骤往复循环作业,其它吸附床也以相同但各步骤相互错开的时序步骤循环作业,实现整个VPSA工艺过程的连续运行。
[0039] 由于抽真空步骤被分为一阶抽真空步骤和二阶抽真空步骤,一阶抽真空和二阶抽真空系统的管线和阀门的公称直径均为DN350,而经二阶抽真空步骤后,吸附床压力可以达到IOkPa㈧的较低负压。又由于在真空泵出口与压缩机入口之间设置了气柜(8),逆放和一阶抽真空以及二阶抽真空三个步骤开始时的峰值流量和步骤结束时的谷值流量在气柜内被缓冲,压缩机(9)得以在稳定的吸入压力和流量下均匀地排出流量和质量稳定的易吸附组分产品气体。

Claims (7)

1. 一种处理大规模原料气的真空变压吸附工艺,包括至少4座内部装填着吸附剂的功能并列的吸附床,每个吸附周期内,每座吸附床依次进行吸附步骤,接着进行包含多个步骤的浓缩易吸附组分过程,浓缩过程结束后,如果吸附床压力仍高于大气压,紧接着进行逆放步骤,然后进行抽真空步骤,最后是均压升和终充等步骤,每座吸附床按如此时序步骤相互交错地往复循环作业,实现整个真空变压吸附工艺过程的连续运行,其特征在于:抽真空工艺采用的是包含两个或两个以上各自独立的抽真空系统,各自承担不同负压等级范围的抽真空任务,分步骤地对吸附床接力抽真空的多阶抽真空工艺,并在抽真空设备与压缩机之间设置具有较大缓冲容积的缓冲容器。
2.根据权利要求I所述的真空变压吸附工艺,其特征在于:多阶抽真空工艺适用范围是原料气流量大于1000Nm3/h的真空变压吸附装置。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的真空变压吸附工艺,其特征在于:多阶抽真空工艺适用范围是原料气流量大于5000Nm3/h的真空变压吸附装置。
4.根据权利要求I所述的真空变压吸附工艺,其特征在于:多阶抽真空工艺适宜的抽真空负压范围为I〜30kPa(A)。
5.根据权利要求I或权利要求4所述的真空变压吸附工艺,其特征在于:多阶抽真空工艺适宜的抽真空负压范围为3〜20kPa(A)。
6.根据权利要求I所述的真空变压吸附工艺,其特征在于:缓冲容器采用可变容积的气柜或采用固定容积的容器。
7.根据权利要求I或权利要求6所述的真空变压吸附工艺,其特征在于:缓冲容器采用可变容积的气柜。
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