CN105056708A - 一种新型的变温变压吸附工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体净化领域，具体为一种新型的变温变压吸附工艺。该工艺中每个吸附塔均完成吸附、逆向降压、升温、冷却和升压步骤，其中在逆向降压步骤和升温步骤完成了脱附过程。该工艺由≥2台吸附塔、1个或多个再生气加热器、流体切换阀门和管线组成。吸附步骤为待净化的原料气自上而下进入吸附塔，在常温及吸附压力下吸附脱除原料气中的杂质组分。本发明利用一股再生气对不同的吸附塔实现冷吹步骤和加热步骤同时进行，实现了利用有效的再生气达到最佳的再生效果。吸附塔关键再生步骤即加热步骤和冷吹步骤的时间可以达到吸附时间的95%以上，达到最佳的吸附和解吸最佳配合。

Description

一种新型的变温变压吸附工艺

技术领域

本发明涉及气体净化领域，具体涉及一种利用最小的再生气源，实现了气体的高效净化、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的净化工艺，具体为一种新型的变温变压吸附工艺。

背景技术

气体净化是从气体混合物中除去杂质，其目的是得到符合生产及使用要求的气体，目前通用的气体净化操作一般可分为五大类。

一、吸收吸收是气体净化中最重要的操作过程、是气相的组分向液相传质过程，而解吸是溶解于液相的组分向气相的传质过程。

二、吸附是气体中一个或几个组分在多孔固体表面的选择性浓缩，被吸附的组分称为吸附介质，多孔固体称为吸附剂。吸附又可分为变温吸附和变压吸附。

变温吸附(TemperatureSwingAdsorption，简称TSA)方法是利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附，升温脱附的操作方法，且多用于常压气体及空气的减湿、空气中溶剂蒸汽的回收等,但存在周期长、投资较大能耗高，吸附剂使用寿命不长等缺点；变压吸附(PressureSwingAdsorption，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，抵押下解析，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。

三、膜渗透在气体净化领域方面是相对较新的技术，在此过程中聚合物膜分离气体是基于一个或多个气体组分从膜的一边选择性渗透到另一边。虽然膜渗透技术在气体净化操作上应用的还不多，但其发展是很迅速的。

四、化学转化是很多化工过程中最基本的操作单元，也用于气体净化的操作中。化学转化包括催化与非催化气相反应，以及气相与固相的反应。这种过程需要一个反应器，在反应器内装填催化剂。

五、凝缩主要用于从废气中除去有机挥发物(VOC)，这种过程主要是将气体冷却至一定温度，在此温度下该有机化合物的蒸汽压很低，有机化合物的蒸汽就冷凝

目前在针对从各种化工混合气体中提纯某一种或几种气体多用变压吸附方法。变压吸附是利用专用的吸附剂，加压吸附，减压解吸，其优点是工艺流程简单，操作弹性大，产品纯度易控制调节，通过特定的控制系统。实现全自动操作，吸附剂使用寿命长，其缺点是吸附是时间短，吸附量小，且由于吸附周期较短且频繁，造成了对吸附设备的冲击频繁，对吸附设备的材质提出了较高要求。

目前针对变压吸附及变温吸附工艺的特点，出现了一种新的变温变压吸附技术，这种新技术是在变压吸附技术的基础上，在变压脱附之后，又进行升温脱附，是脱附进行得更彻底，从而使吸附剂的吸附时间延长，可在6小时以上，其缺点是仍需冷却用水，脱附时需用蒸汽，需要消耗大量资源。

发明内容

本发明正是基于以上技术问题，提供吸附剂再生性能好、有用气体回收率高、吸附时序安排合理、节能环保、热利用率高的一种新型的变温变压吸附工艺。

本发明的技术方案为：

一种新型的变温变压吸附工艺，该工艺中每个吸附塔均完成吸附、逆向降压、升温、冷却和升压步骤，其中在逆向降压步骤和升温步骤完成了脱附过程。

该工艺由≥2台吸附塔、1个或多个再生气加热器、流体切换阀门和管线组成。

吸附步骤是为了将待净化的原料气自上而下进入吸附塔，在常温及吸附压力下吸附脱除原料气中的杂质组分。逆向降压步骤为吸附塔中被吸附的杂质组分在吸附塔压力降低的情况下，通过阀门放空或进入管网中。升温步骤为：将再生气通过加热器，使升温后的再生气再次进入吸附塔，使吸附塔内的温度升高至吸附剂再生温度，使吸附塔内已经被吸附的杂质组分进行脱附，再将阀门放空或者进入管网。冷却步骤为：将常温下的再生气体进入吸附塔，使吸附塔内温度降低，同时将再生废气通过阀门放空或进入管网，使吸附塔降到常温。升压步骤为：另一吸附塔内的部分预处理气体通过阀门对吸附塔进行升压，使吸附塔达到吸附压力，为下一次吸附做准备。

一种新型的变温变压吸附工艺，如图1所示，包括2个吸附塔，具体为吸附塔A和吸附塔B、1个再生气加热器和多个流体切换阀门和管线组成，具体包括以下步骤：

(1)吸附打开阀门1a、5a，将待净化的原料气通过阀门1a自上而下进入吸附塔A，在常温及0.5MPa(A)-3.0MPa(A)的吸附压力下吸附脱除原料气中的杂质组分，未被吸附的组分，即脱除杂质后的产品气通过阀5a流出，吸附完毕，关闭阀1a，停止进原料气；

(2)逆向降压由于吸附塔A中的压力比常压或管网中的压力要高很多，此时打开阀2a，吸附塔A中的被吸附的杂质组分在吸附塔压力降低的情况下，自上而下的通过阀门2a放空或进入管网中；

(3)升温继续开启阀2a，同时打开阀3a，阀7a，由于为了不把杂质带入吸附塔，为吸附塔内的吸附剂再生的多部分为纯度较高的惰性气体，比如氮气之类的，或者经过本变温吸附装置净化的产品气，此处产生的再生气需要经过加温，所以将再生气通过再生气加热器，加热到使加热器温度升高至略高于吸附剂再生需要的温度，使升温后的再生气通过阀7a再次进入吸附塔A，使吸附塔A内的温度升高至吸附剂再生的温度，使吸附塔A内已经被吸附的杂质组分进行脱附，再经过阀2a放空或进入管网中，待吸附剂再生完毕，关闭阀7a；

(4)冷却继续开启阀2a，打开阀8，常温下的再生气体经过阀7a进入吸附塔A，使吸附塔A内温度降低，同时将再生废气通过阀2a放空或进入管网，使吸附塔A降到常温时关闭阀2a和阀8；

(5)升压打开阀6，吸附塔B内的部分预处理气体通过阀6对吸附塔A进行升压，使吸附塔A达到吸附压力，为下一次吸附做准备，升压完毕，关闭阀6。

该新型的变温变压吸附工艺中，在工作时至少有1台吸附塔处于吸附状态，其余1台处于再生的不同阶段，吸附塔之间的吸附与再生工艺切换都通过程控阀控制。

吸附塔B的操作步骤与吸附塔A相同，不过在时间上是相互错开的。

下面的表1为典型的变温吸附的操作程序表，如表1所示，该变温吸附分为两个步序，每个步序分成4个时间片，两个吸附塔在操作步序上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。

表1中的t1与t2为每一个时序的时间，

常规-TSA

如图2所示，该变温变压吸附工艺采用3台吸附塔，其中任意时刻总有1台处于吸附步骤，保证连续的脱除杂质，另2台处于再生步骤，实现吸附塔的再生。每个吸附塔的一次循环中均需经历吸附(A)、逆向降压(D)、升温(H)、冷却(L)、升压(R)等五个步骤。三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。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(一)利用一股再生气对不同的吸附塔实现冷吹步骤和加热步骤同时进行，实现了利用有效的再生气达到最佳的再生效果。

(二)吸附塔关键再生步骤即加热步骤和冷吹步骤的时间可以达到吸附时间的95％以上，达到最佳的吸附和解吸最佳配合。

(三)完全解决加热步骤和冷吹步骤的矛盾关系，实现能将吸附塔加热到较高的温度实现很好的解吸，同时也能将吸附塔冷却至常温为下次吸附做好有效的保证。

(四)节能的工艺，再生气初期进入冷吹步骤的吸附塔(塔内温度为加热步骤结束的温度)，可换热实现初步加热之后再进入加热器，实现热量的循环利用，减少加热热源的能耗。

(五)是一个使热量有效回收的工艺。再生气出本工艺装置的气体95％以上为加热步骤带出的解吸气，此气体升温到一定的温度，而此解吸气常用于做燃料，相当于加热的燃料去燃烧，热量有效回收同时燃料的燃烧效果更佳。特别是对于此解吸气去后续燃烧装置需要保温或伴热的情况来说，相当于直接节约了保温或伴热的需求。

附图说明：

图1为吸附塔为2塔的变温变压吸附工艺流程示意图；

图2为实施例1中记载的吸附塔为3塔的变温变压吸附工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例并不限制本发明的范围，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。

实施例1：

如图2所示，为本新型的变温变压吸附工艺中采用三个吸附塔的工艺步骤，它们各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。

以A塔为例说明如下：

(1)、吸附(A)

开启1a，使待净化的原料气通过阀1a自下而上进入吸附塔A塔，在工作压力下吸附杂质组份，未被吸附的产品组份(即产品气)，通过阀2a流出的即为本装置净化后的产品气，吸附完毕，关闭阀1a、阀2a，停止进原料气。

(2)逆向降压(D)

由于吸附塔A中的压力较之环境压力或管网中的压力要高出很多，此时打开阀6a，吸附塔A中的被吸附的杂质组分在吸附塔压力降低的情况下，从吸附塔内部自上而下地通过阀6a放空或进入管网中。在气体排出吸附塔的过程中，随着吸附塔的压力逐渐降低，已被吸附的杂质气体随着压力的降低逐渐脱附，使吸附剂得到第一步再生。

(3)、升温(H)

吸附塔A塔逆向降压结束后，为了进一步提高吸附剂的再生程度，开始进行升温步骤。打开阀门7、阀门3c、阀门4c、阀门5a，再生气(为了不把杂质带入吸附塔，为吸附塔内的吸附剂进行再生的多为纯度较高的惰性气体，如氮气，或者经过本变温吸附装置净化的产品气)通过阀门7、3c、进入吸附塔C，此时吸附塔C刚刚完成升温步序，再生气对吸附塔C进行降温；通过阀门4c，该再生气蒸汽加热器，在该蒸汽加热器中与一定温度的饱和蒸汽换热，被加热至略高于吸附剂再生所需温度后，通过阀门5a，对吸附塔A进行升温，随着吸附塔A内部吸附剂床层温度升高，吸附塔A中被吸附的杂质气体进一步脱附，从吸附塔A中自上而下地从塔中流出，通过吸附剂床层温度升至一定水平，吸附剂完成再生。

为吸附塔A进行升温后，再生气通过阀门6a放空或进入管网中。通过升温步骤，进一步加深吸附剂的再生程度。再生结束后，关闭阀门3c、6a、4c、5a、6a。

(4)、冷却(L)

为使吸附塔A具备下一次吸附的条件，应该对吸附塔A进行降温。

开始进行降温步骤。打开阀门4a、阀门5b、阀门6b，再生气(为了不把杂质带入吸附塔，为吸附塔内的吸附剂进行再生的多为纯度较高的惰性气体，如氮气，或者经过本变温吸附装置净化的产品气)通过阀门7、3a进入吸附塔A，对刚刚完成升温步序的吸附塔A进行降温，使吸附塔A降至常温，为下一次吸附做准备；该再生气通过蒸汽加热器，在该蒸汽加热器中与一定温度的饱和蒸汽换热，被加热至略高于吸附剂再生所需温度后，对B塔进行升温，随着吸附塔B内部吸附剂床层温度升高，吸附塔B中被吸附的杂质气体进一步脱附，从吸附塔B中自上而下地从塔中流出，通过吸附剂床层温度升至一定水平，吸附剂完成再生，使B塔中的吸附剂继续再生，通过阀门6b放空或进入管网中。关闭阀门7、4a、5b、6b。

(5)、升压(R)

为了使吸附塔A更一步具备开始下一次吸附的条件，在完成冷吹步骤后，应对吸附塔A进行升压，使吸附塔A的压力满足吸附要求。

利用产品气对吸附塔A进行升压，打开阀门HV101，对吸附塔A进行升压。使吸附塔A达到吸附压力，为下一次吸附做好准备。升压完毕，关闭阀3a、HV101。

压力升压至一定程度后，关闭以上阀门。此时，吸附塔A的温度已经具备下次吸附的工作温度和压力。

通过以上步骤后后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。

其它两个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。

上述程控阀(*a-c)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。

下面的表2为本发明所述的新型变温吸附的操作程序表，如表2所示，该变温吸附分为三个步序，每个步序分成3个时间片，3个吸附塔在操作步序上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。

表2中的t1与t2为每一个时序的时间，该时间长短与表1中的t1与t2时间相同；IS标示隔离时间，将IS前的动作与后边的动作相互隔离。

X-TSA

Claims (8)

1.一种新型的变温变压吸附工艺，其特征在于：该工艺中每个吸附塔均完成吸附、逆向降压、升温、冷却和升压步骤，其中在逆向降压步骤和升温步骤完成了脱附过程。

2.根据权利要求1所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于：该工艺由≥2台吸附塔、1个或多个再生气加热器、流体切换阀门和管线组成。

3.根据权利要求1所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于：所述的吸附步骤为待净化的原料气自上而下进入吸附塔，在常温及吸附压力下吸附脱除原料气中的杂质组分。

4.根据权利要求1所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于：所述的逆向降压步骤为吸附塔中被吸附的杂质组分在吸附塔压力降低的情况下，通过阀门放空或进入管网中。

5.根据权利要求1所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于所述的升温步骤为：将再生气通过加热器，使升温后的再生气再次进入吸附塔，使吸附塔内的温度升高至吸附剂再生温度，使吸附塔内已经被吸附的杂质组分进行脱附，再将阀门放空或者进入管网。

6.根据权利要求1所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于所述的冷却步骤为：将常温下的再生气体进入吸附塔，使吸附塔内温度降低，同时将再生废气通过阀门放空或进入管网，使吸附塔降到常温。

7.根据权利要求1所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于所述的升压步骤为：另一吸附塔内的部分预处理气体通过阀门对吸附塔进行升压，使吸附塔达到吸附压力，为下一次吸附做准备。

8.根据权利要求3所述的新型的变温变压吸附工艺，其特征在于：所述的压力为0.5MPa-3.0MPa。