CN1075741C - 从富氢废气中提取氢的变压吸附法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种从富氢废气中提取氢的改进变压吸附法，其技术特点是用抽真空进行解吸再生；在系统中设置均压塔；在吸附再生循环的每一个时段既保持有两个或两个以上吸附塔同时处于吸附步骤，又保持有一个或一个以吸附塔同时处于抽真空步骤，且抽真空为连续的。使用本发明可大大提高氢气回收率，变废为宝，降低生产成本，还可节省高达25%的工程费用和配套费用，而且设备利用率高，实用性强。

Description

从富氢废气中提取氢的变压吸附法

本发明涉及变压吸附气体分离技术领域，是一种从富氢废气中提取氢的变压吸附法。

富氢废气是化工生产过程中排放的废气，如合成氨弛放气、甲醇弛放气、甲醛尾气等。这类富氢废气通常的处理办法是将其作为燃料使用，这是十分可惜的。如果能将这类废气中的氢气加以分离回收，返回生产系统中，将大大降低生产成本。变压吸附作为一种先进的气体分离净化技术已将这一愿望变成了现实。目前在这方面比较有代表性的是美国专利3430418所公开的四塔一次均压变压吸附工艺。该工艺的特点是采用四塔并联系统；不易吸附组份作为产品气引出；解吸再生阶段分为三个步骤：首先是把停止吸附的塔的压力顺着吸附进行的方向减压，以回收塔内死空间里的产品组份。然后逆着吸附方向减压至常压和在此压力下用一部份产品气冲洗床层，以脱附和清除在吸附剂上的杂质组份。再后用产品气将冲洗完毕的塔充压到吸附压力，以备再次分离和净化废气。具体来说，即每个吸附塔都必须经过吸附、均压降、逆放、冲洗、均压升、最终充压等步骤；整个过程是在环境温度下进行的。而中国专利1040352A则是针对甲醇弛放气中含有甲醇，提出了采用活性碳和分子筛作为吸附剂，可省去甲醇预处理装置的方法，使甲醇在减压过程中得到解吸，但其工艺过程与前述专利的工艺相比没有改变，只是专指了吸附剂及其比例和装填位置。由于已有技术吸附剂的解吸是通过减压后在低压下用产品气进行冲洗来完成的，故对产品气形成浪费，使氢气回收率较低，只有60～80％。除此之外，已有技术的工艺使系统设备利用率不高，不能更好地体现变压吸附工艺的优越性。

本发明的首要目的是弥补已有技术的不足，提供一种能使氢气回收率得到较大提高的变压吸附工艺。

本发明的次要目的是在达到上述目的基础上，进一步提高氢气回收率，降低生产成本。

本发明的第三个目的是提高设备利用率，降低工程费用及配套费用。

本发明的最后一个目的是进一步提高设备利用率。

本发明的首要目的是通过这样一种技术解决方案达到的：即在由两个或两个以上吸附塔组成的吸附再生循环系统中，每一个吸附塔都依次按吸附→均压降→逆向降压→解吸→均压升→最终充压完成一次吸附再生循环工艺过程，但在每一个时段中各个吸附塔又分别处在不同的工艺步骤，其中均压降、均压升是在吸附塔之间进行，解吸是采用抽真空的方法，而且是逆着进气方向对塔内吸附床层抽真空。这样一方面可使解吸进行的更彻底，以提高下一次循环的吸附率，另一方面避免了用产品气冲洗解吸的浪费，较大地提高了氢气的回收率。

本发明的第二个目的是这样达到的：在上述吸附再生循环系统中设置均压塔，均压塔可采用1～10个的组合。对于均压降、均压升除可在吸附塔之间进行，还可或同时在吸附塔与均压塔之间进行，均压次数可为1～10次。

本发明的其余目的则分别通过以下一些技术措施达到的：一是在系统吸附再生循环过程的每一个时段中都始终保持有两个或两个以上吸附塔同时处于进气吸附步骤；二是在系统吸附再生循环过程的每一个时段中，保持有一个或一个以上的吸附塔同时处于抽真空步骤，并且抽真空在整个工艺过程中是连续的。

本发明各具体的工艺步骤控制如下：

1．吸附：采用两个或两个以上的吸附塔同时进富氢废气，并在接近富氢废气压力0.2～4.0MPa(表压)下进行吸附。吸附压力最好控制在1.8～2.4MPa(表压)。吸附塔中的吸附剂可根据需要选用沸石分子筛、煤质活性碳、果壳活性碳、硅酸、活性氧化铝等及其它能够选择吸附除氢气以外其余杂质气体的吸附剂。富氢废气经吸附床层后，杂质被吸附剂吸附，纯氢气作为产品气引出。富氢废气既可从吸附塔下部也可从吸附塔上部进入，对应引出的产品气则相反。

2．均压降：在吸附床层接近饱和时，停止进富氢废气，然后顺着进气方向将吸附塔内的压力降低，以回收塔内大量的死空间气体。此过程既可以完全在吸附塔之间进行，又可完全在吸附塔与均压塔之间进行或者同时采用在吸附塔之间和吸附塔与均压塔之间进行。均压次数可为1～10次，具体次数根据产品气中氢气纯度的要求而定。从提高氢气回收率及缩短工艺时间综合考虑，均压降过程最好依次数同时采用在吸附塔之间和吸附塔与均压塔之间进行。均压降的终压控制为原吸附压力的10～20％。

3．逆向降压：均压降后，又将塔内剩余气体逆着进气方向排放到塔外，直至塔内压力降至大气压，此时吸附剂得到部份解吸。

4．抽真空：为了达到更深层次的解吸，在吸附剂已得到部份解吸的情况下，需逆着进气方向对吸附床层抽真空，使杂质从吸附剂上进一步脱附出来。抽真空压力控制为-0.053～-0.096MPa(表压)。为了使真空泵工作效率大幅度提高，同时省去价格昂贵，占地面积大的真空缓冲罐，抽真空过程可以是连续的，即在工艺安排上，使系统中一个或一个以上吸附塔抽真空步骤刚完成，正好是另一个或一个以上吸附塔抽真空步骤的开始。

5．均压升：与均压降相反，均压升是把高于该吸附塔压力的气体，从其他正处于均压降步骤的吸附塔或/和装有均压降步骤均过来气体的均压塔中倒充进处于这一步骤的吸附塔，使塔内压力增高。其均压升的次数与均压降次数相同。

6．最终充压：最终充压是用产品气从产品端或用富氢废气从进气端，如果为了适应工艺要求缩短终充时间，也可采用产品气和富氢废气同时从各自的端口对吸附塔进行充压，使塔内压力尽快达到吸附工作压力。当压力达到吸附工作压力后，该塔即可进入下一循环的吸附步骤。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1．大幅度地提高了氢气的回收率。已有技术由于吸附剂的解吸是用产品气(即氢气)冲洗进行，冲洗压力通常要从1.2MPa降至0.9MPa，故有0.3MPa的氢气白白放走。这部分氢气不用，将使氢气的回收率提高15％左右。本发明用抽真空方法替代了冲洗解吸，就可大大提高氢气回收率。虽然抽真空将增加动力消耗等，但只占因氢气回收率提高而产生的经济效益的20％左右。另外由于本发明在系统中设置有均压塔，使吸附塔的逆向降压压力比以往明显降低，一般降幅在0.1～0.35MPa，从而也使氢气回收率增加。

2．大大降低了工程费用及配套费用。本发明采用的两个或两个以上的吸附塔同时进富氢废气以及在系统中设置有均压塔的方法，与已有的单塔进气和未设置有均压塔的系统相比，在处理同等气量的条件下，可大大降低工程费用及配套费用。以六塔工艺流程为例，采用本发明方法的六个塔的吸附剂总用量比以往流程的用量节省 ，设备体积减小

，相应的管道、阀门大小也要减小30％。这样就可节省25％的工程费用，同时还节省配套费用，经济效益十分显著。另外，再加上在吸附剂的解吸过程中还采用了连续抽真空的方法，使得系统中真空泵的效率大幅度提高，真空泵的使用台数比间断抽真空的要节省15％，而且可省去真空缓冲罐，因而还可进一步降低工程费用，同时还使解吸更加完全。

3．设备利用率高、实用性强。本发明提供的变压吸附法可在同套工业装置上变换使用多套工艺流程。如在由六个吸附塔和两个均压塔组成的六塔双进四均压的工艺流程中，其中一个吸附塔的阀门出现故障，则可变换采用五塔双进三均压的工艺，这种组合就有六种，同时系统不需要停止工作就可维修，并且处理原料气的量还可保持不变，非常适合工厂连续化生产的要求。

下面给出实施例并对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例为由六个吸附塔和三个均压塔组成的系统，该系统采用六塔双进双抽五均压工艺。在系统吸附再生循环的每一个时段中，各塔的步序如下表所示：

步序…………→

A塔	吸              附				吸                    附
											B塔	1↑	终           充			吸                附
C塔	抽  空		5↑	4↑3↑2↑	1↑	终               充
											D塔	抽                空				抽   空		5↑		4↑3↑2↑
E塔	1↓	2↓3↓4↓	5↓	放    空	抽               空
											F塔	吸         附				1↓	2↓3↓4↓		5↓		放  空

富氢废气经管道输送至变压吸附界区内，经过调压系统将富氢废气的压力控制在1.8～2.4MPa(表压)后同时进入A塔和F塔(双进)，并在此压力范围内吸附，杂质被吸附剂吸附滞留在吸附床层内，合格的产品气从A塔和F塔引出。其余四塔中C塔和D塔同时处在抽真空步骤(双抽)，另两塔各自依次在进行解吸再生的其它步骤。本工艺一次循环周期大约80分钟。在本实施例中，五次均压降的第一、五次是在吸附塔之间进行，第二、三、四次是在吸附塔与均压塔之间进行。第一次均压降压力下降至原吸附压力的65％，经二、三、四次均压降后，压力下降至原吸附压力的12％，约为0.22MPa。均压升则反之。逆向降压压力降至大气压。抽真空终压控制在-0.053～-0.096MPa(表压)。当含56％(体积百分数)氢气的富氢废气在上述工艺条件下，经过本系统装置后可得到氢气浓度为99％的产品气，此时氢气的回收率为95％。

实施例二：

本实施例为由五个吸附塔和四个均压塔组成的系统，该系统采用五塔三进单抽四均压工艺，各塔步序如后表所示。富氢废气经过管道输送至变压吸附界区内，经过调压系统将富氢废气压力控制在1.8～2.4MPa(表压)后同时进入A、B、C塔(三进)，并在此压力范围内吸附，杂质被吸附剂吸附滞留在吸附床层内，合格的产品气分别从A、B、C塔引出。其余两塔各自依次进行解吸再生的其它步骤。本工艺一次循环周期大约50分钟。在本实施例中，四次均压均在吸附塔与均压塔之间进行。第一次均压降压力下降

步序…………→

A塔	吸                 附					1↓	2↓3↓4↓	放空	抽    空
											B塔	吸                 附					吸                附
C塔	吸                 附					吸                附
											D塔	抽      空			4↑3↑2↑1↑	终充	吸                附
E塔	1↓	2↓3↓4↓	放空	抽    空		抽      空		4↑3↑2↑1↑		终充

至原吸附压力的80％，后三次均压降后压力下降至原吸附压力的20％，约为0.30MPa。逆向降压与抽真空参数控制与实施例一相同，略。当含氢气58％(体积百分数)的富氢废气在前述工艺条件下，经过本系统装置后可得到氢气浓度为99％的产品气，此时氢气的回收率为90％。

实施例三：

本实施例为由四个吸附塔和四个均压塔组成的系统，该系统采用四塔双进单抽四均压工艺。在该工艺中各塔步序如下表所示：

步序…………→

A塔	吸                 附					1↓	2↓3↓4↓	放空	抽     空
											B塔	吸                 附					吸                  附
C塔	抽     空			4↑3↑2↑1↑	终充	吸                  附
											D塔	1↓	2↓3↓4↓	放空	抽      空		抽       空		4↑3↑2↑1↑		终充

当实施例二的系统中任何一塔出现故障时，为确保化工生产的连续性，可采用本套工艺流程。由于只有四个吸附塔工作，为保证氢气回收率，系统处理富氢废气的能力下降为五塔的80％，但是氢气回收率要高一些。本实施例各步骤工艺控制参数除均压降终了的压力因少了一个吸附塔而改为降至0.22MPa外，其余与实施例二相同，故略去不述。当含氢气58％，其余为杂质的富氢废气在上述工艺条件下，经过本系统装置后可得到氢气浓度为99％的产品气，此时氢气的回收率为93％。

Claims (5)

1．一种从富氢废气中提取氢的变压吸附法，在由两个或两个以上的吸附塔组成的吸附再生循环系统中，每一个吸附塔都依次按吸附→均压降→逆向降压→解吸→均压升→最终充压步一骤完成一次吸附再生循环工艺过程，但在每一个时段中各个吸附塔又分别处在不同的工艺步骤，其中均压降、均压升是在吸附塔之间进行，其特征在于解吸是采用抽真空的方法，且是逆着进气方向对塔内吸附床层进行抽真空。

2．根据权利要求1所述的从富氢废气中提取氢的变压吸附法，其特征在于在吸附再生循环系统中，还设置有均压塔，均压塔可采用1～10个的组合，均压降、均压升还可或同时在吸附塔与均压塔之间进行，均压次数可为1～10次。

3．根据权利要求1或2所述的从富氢废气中提取氢的变压吸附法，其特征在于在系统吸附再生循环过程的每一个时段中，有两个或两个以上吸附塔同时处于进气吸附步骤。

4．根据权利要求1或2所述的从富氢废气中提取氢的变压吸附法，其特征在于在系统吸附再生循环过程的每一个时段中，有一个或一个以上的吸附塔同时处于抽真空步骤，并且抽真空在整个工艺过程中是连续的。

5．根据权利要求3所述的从富氢废气中提取氢的变压吸附法，其特征在于在系统吸附再生循环过程的每一个时段中，有一个或一个以上的吸附塔同时处于抽真空步骤，并且抽真空在整个工艺过程中是连续的。