CN102674249A - 一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法及实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法及实现装置，其包括以下步骤：a、吸附：将氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0.5%、压力为1.2Mpa的原料气送入吸附塔内，吸附塔内装填有氢气提纯吸附剂，将原料气中的二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户；b、再生：原料气在吸附塔内吸附完成后，先对吸附塔进行均压降、逆放，逆放气进入膜分离单元，渗透气存放于缓冲罐中，而后将渗透气回补到已抽空的吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充。本发明采用上述工艺，能减少变压吸附装置的规模，提高氢气收率，减小成本。
Description
技术领域
本发明涉及氢气提纯领域，具体是一种一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法及实现装置。
背景技术
变压吸附技术（PSA）与膜分离技术两种方式都能用于裂解气制取氢气。变压吸附技术（PSA）制取99.9%以上高纯度氢气，在小规模一段式变压吸附制氢装置中运用，为提高收率，降低运行成本，采用多次均压，但其氢气收率一般不会超过92%，并且一次性投资也比较大。长期以来，因为变压吸附技术（PSA）的特性，产品氢气收率与产品氢气纯度成反比，造成在高纯度产品氢气要求下，产品氢气收率不高，因此，在现有变压吸附技术（PSA）中制取高纯度氢气过程中造成了巨大的资源浪费。
在制氢工艺中还采用了膜分离技术，虽然采用膜分离技术可以降低能耗，减少一次性投资，收率也高，但所制取的氢气纯度一般不会超过99.8%，同时对原料气流量超过1-2万标方/小时状况，膜分离一次性投资将会大幅度上升。
发明内容
本发明提供了一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法及实现装置，相比传统的氢气提纯生产工艺，可减少变压吸附装置的规模，提高氢气收率，减小成本。
本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现：一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法，包括以下步骤：
a、吸附：将氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0.5%、压力为1.2Mpa的原料气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入吸附塔内，吸附塔内装填有氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户，此时氢气的含量99.9%以上；
b、再生：原料气在吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对吸附塔进行均压降，接着进行逆放，逆放气进入膜分离单元，膜分离单元的非渗透气放空，渗透气存放于缓冲罐中，而后将渗透气回补到已抽空的吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程。
所述步骤b的具体过程为：
b1、均压降：吸附过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的吸附塔内；这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间的有效气的过程，床层死空间，即吸附塔内未能有效利用的部分，床层死空间内所含气体组分为有效气体氢气。
b2、逆放：吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中氢气含量为35%、其余为二氧化碳及一氧化碳；
b3、将逆放气加压后经膜分离单元后进入缓冲罐内暂存，此时氢气含量约为70%；
b4、逆放完成后，对吸附塔进行抽真空处理；
b5、抽空完成后，对吸附塔进行升压，最初的一次就是将缓冲罐中的逆放气回补至吸附塔内，称为初步升压；
b6、在初步升压完成后，用其它吸附塔内压力较高的氢气依次对该吸附塔进行升压；这一过程与均压降过程相对应，既是升压过程，也是回收其他吸附塔内床层死空间的氢气的过程。
b7、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将吸附塔内的压力升至吸附压力。这样做是为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附，并保证产品纯度和压力在这一过程中不发生波动。
一种实现上述的一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法的装置，包括进气管、至少3个吸附塔、膜组件、缓冲罐、真空泵、出气管以及逆放管，所述进气管、出气管、逆放管分别通过设有气动切断阀的管道与吸附塔连通，所述膜组件、真空泵通过设有气动切断阀的管道与逆放管连通，所述膜组件通过设有气动切断阀的管道与缓冲罐连通，所述缓冲罐通过设有气动切断阀的管道与吸附塔连通，所述吸附塔通过设有气动切断阀的管道还连接有终充管、均压管。
所述终充管与出气管相连通，且终充管与出气管的连通处设有气动调节阀。
所述出气管上设有气动调节阀。
所述吸附塔有4个。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明具有膜分离技术和变压吸附技术的双重特点，原料气经预处理后，进入变压吸附单元进行变压吸附，处理量可以很大，而且可得到高纯度氢气。变压吸附单元的逆放管上加装膜组件，并在膜组件的渗透侧设置缓冲罐，缓冲罐中渗透气回补到变压吸附单元抽完真空的吸附塔中。这样得到高纯度氢气，不仅提高了氢气收率，还减小了变压吸附装置的规模，从而使成本较低。
附图说明
图1为氢气提纯装置的结构示意图。
附图中所对应的附图标记为：1、进气管，2、吸附塔，3、逆放管，4、膜组件，5、缓冲罐，6、真空泵，7、出气管，8、气动调节阀，9、终充管，10、均压管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例的一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法包括以下步骤：
a、吸附：将氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0.5%、压力为1.2Mpa的原料气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入吸附塔内，吸附塔内装填有氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户，此时氢气的含量99.9%以上；
b、再生：原料气在吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对吸附塔进行均压降，接着进行逆放，逆放气进入膜分离单元，膜分离单元的非渗透气放空，渗透气存放于缓冲罐中，而后将渗透气回补到已抽空的吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程。
所述步骤b的具体过程为：
b1、均压降：吸附过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的吸附塔内；
b2、逆放：吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中氢气含量为35%、其余为二氧化碳及一氧化碳；
b3、将逆放气加压后经膜分离单元后进入缓冲罐内暂存，此时氢气含量约为70%；
b4、逆放完成后，对吸附塔进行抽真空处理；
b5、抽空完成后，对吸附塔进行升压，最初的一次就是将缓冲罐中的逆放气回补至吸附塔内，称为初步升压；
b6、在初步升压完成后，用其它吸附塔内压力较高的氢气依次对该吸附塔进行升压；
b7、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将吸附塔内的压力升至吸附压力。
如图1所示，本实施例的一段式变压吸附膜分离提纯氢气的装置，包括进气管1、至少3个吸附塔2、膜组件4、缓冲罐5、真空泵6、出气管7以及逆放管3，进气管1、出气管7、逆放管3分别通过设有气动切断阀的管道与吸附塔2连通。
本实施例的膜组件4、真空泵6通过设有气动切断阀的管道与逆放管11连通，膜组件4通过设有气动切断阀的管道与缓冲罐5连通。
本实施例的缓冲罐5通过设有气动切断阀的管道与吸附塔2连通，吸附塔2通过设有气动切断阀的管道还连接有终充管9、均压管10。
本实施例的终充管9与出气管7相连通，且终充管9与出气管7的连通处设有气动调节阀8。
本实施例的出气管7上设有气动调节阀8。
作为优选，本实施例的吸附塔2有4个。
本实施例的工作原理：首先，原料气从进气管1进入，然后进入吸附塔2，吸附塔2吸附其中杂质后，经出气管7将合格产品气送出给用户。吸附塔2在完成吸附过程后，进行再生，具体过程是，先打开均压管10与吸附塔2之间的气动切断阀进行均压降，然后打开逆放管3与吸附塔2之间的气动切断阀实现逆放，在逆放过程中，打开膜组件4与逆放管3以及膜组件4与缓冲罐5之间的气动切断阀，关闭真空泵6与逆放管3之间的气动切断阀，在膜组件4的渗透侧回收逆放气中所含的氢气，并暂存于缓冲罐5中；吸附塔2逆放完成后，关闭膜组件4与逆放管3以及膜组件4与缓冲罐5之间的气动切断阀，打开真空泵6与逆放管3之间的气动切断阀进行抽真空，完成抽真空后，将缓冲罐5中的渗透气回补到已抽成真空的吸附塔2中，完成渗透气的回收；最后吸附塔2再由均压管10实现均压升，由终充管9完成终充，从而完成整个再生过程。
Claims (6)
1.一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、吸附：将氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0.5%、压力为1.2Mpa的原料气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入吸附塔内，吸附塔内装填有氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户，此时氢气的含量99.9%以上；
b、再生：原料气在吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对吸附塔进行均压降，接着进行逆放，逆放气进入膜分离单元，膜分离单元的非渗透气放空，渗透气存放于缓冲罐中，而后将渗透气回补到已抽空的吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程。
2.根据权利要求1所述的一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法，其特征在于：所述步骤b的具体过程为：
b1、均压降：吸附过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的吸附塔内；
b2、逆放：吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中氢气含量为35%、其余为二氧化碳及一氧化碳；
b3、将逆放气加压后经膜分离单元后进入缓冲罐内暂存，此时氢气含量约为70%；
b4、逆放完成后，对吸附塔进行抽真空处理；
b5、抽空完成后，对吸附塔进行升压，最初的一次就是将缓冲罐中的逆放气回补至吸附塔内，称为初步升压；
b6、在初步升压完成后，用其它吸附塔内压力较高的氢气依次对该吸附塔进行升压；
b7、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将吸附塔内的压力升至吸附压力。
3.一种实现权利要求1~2所述的一段式变压吸附膜分离提纯氢气的方法的装置，其特征在于：包括进气管（1）、至少3个吸附塔（2）、膜组件（4）、缓冲罐（5）、真空泵（6）、出气管（7）以及逆放管（3），所述进气管（1）、出气管（7）、逆放管（3）分别通过设有气动切断阀的管道与吸附塔（2）连通，所述膜组件（4）、真空泵（6）通过设有气动切断阀的管道与逆放管（11）连通，所述膜组件（4）通过设有气动切断阀的管道与缓冲罐（5）连通，所述缓冲罐（5）通过设有气动切断阀的管道与吸附塔（2）连通，所述吸附塔（2）通过设有气动切断阀的管道还连接有终充管（9）、均压管（10）。
4.根据权利要求3所述的一种高纯度高收率的氢气制备装置，其特征在于：所述终充管（9）与出气管（7）相连通，且终充管（9）与出气管（7）的连通处设有气动调节阀（8）。
5.根据权利要求3所述的一种高纯度高收率的氢气制备装置，其特征在于：所述出气管（7）上设有气动调节阀（8）。
6.根据权利要求3所述的一种高纯度高收率的氢气制备装置，其特征在于：所述吸附塔（2）有4个。
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