CN109569182A - 一种温压协同气体吸附分离提纯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温压协同气体吸附分离提纯系统，包括进气单元、排气单元、吸附分离单元和温度控制单元，吸附分离单元包括空气压缩机I、真空泵、吸附塔I、吸附塔II，进气单元通过空气压缩机I分别与吸附塔I、吸附塔II底部的进气口连通，吸附塔I、吸附塔II顶部的出气口分别与排气单元连通，吸附塔I、吸附塔II底部的回气口分别与真空泵连通，温度控制单元包括换热器I、换热器II和冷热交换装置，换热器I设置在吸附塔I内部，换热器II设置在吸附塔II内部，冷热交换装置分别与换热器I、换热器II连接。本发明提供的系统操作简便，解决了现有变压吸附提纯气体过程中分离过程能耗较高、产品收率较低、系统自身能量未能充分利用等问题。

Description

一种温压协同气体吸附分离提纯系统

技术领域

本发明涉及气体提纯技术领域，具体涉及一种温压协同气体吸附分离提纯系统，尤其适用于煤矿抽采低浓度瓦斯及通风瓦斯的吸附分离提纯。

背景技术

瓦斯是煤的伴生产物，是一种宝贵的不可再生的能源，同时也是一种强温室效应气体。从煤矿瓦斯的排放而言，通风瓦斯的排放约占煤矿瓦斯排放总量的70％。由于通风瓦斯的浓度低(≤1％)、流量波动大，很难对其进行直接利用。因此，如何实现煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯有效利用，对于提升煤矿安全高效的生产水平、减少温室气体排放具有十分重要意义。

针对类似煤矿瓦斯等混合气体，常规变压吸附是在等温条件下通过加压吸附、减压解吸的方式组合成吸附分离操作循环过程，吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压(降至常压或抽真空)过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，得到高纯产品气体。

煤矿低浓度瓦斯和通风瓦斯中主要的成分包括甲烷、氮气、氧气等组分，其中甲烷和氮气具有相似的理化结构特性，然而常规变压吸附技术手段很难将其有效分离，目前尚无针对难分离气体组分的温压协同气体吸附分离提纯装置系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种温压协同气体吸附分离提纯系统，安全高效、能耗低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种温压协同气体吸附分离提纯系统，包括进气单元、排气单元、吸附分离单元和温度控制单元，

所述吸附分离单元包括空气压缩机I、真空泵、吸附塔I、吸附塔II，空气压缩机I的进气端与进气单元连通，空气压缩机I的排气端分别与吸附塔I、吸附塔II底部的进气口连通，吸附塔I、吸附塔II顶部的出气口分别与排气单元连通，吸附塔I、吸附塔II底部的回气口分别与真空泵连通，空气压缩机I与吸附塔I、吸附塔II之间的管路上分别设有截止阀J1、截止阀J4，真空泵与吸附塔I、吸附塔II之间的管路上分别设有截止阀J2、截止阀J5，排气单元与吸附塔I、吸附塔II之间的管路上分别设有截止阀J3、截止阀J6，所述吸附塔I、吸附塔II的塔体内部均纵向设置吸附剂层，吸附剂层内填充有吸附剂，

所述温度控制单元包括换热器I、换热器II和冷热交换装置，所述换热器I设置在吸附塔I内部，换热器II设置在吸附塔II内部，所述冷热交换装置分别与换热器I、换热器II连接。

进一步地，所述冷热交换装置包括制冷器和加热器，所述制冷器的进液口分别与换热器I、换热器II连通，所述制冷器的出液口分别与换热器I、换热器II连通，制冷器进液口与换热器I、换热器II之间的管路上分别设有截止阀J11、截止阀J12，制冷器的出液口与换热器I、换热器II之间的管路上分别设有截止阀J7、截止阀J10，所述加热器的进液口分别与换热器I、换热器II连通，所述加热器的出液口分别与换热器I、换热器II连通，加热器的进液口与换热器I、换热器II之间的管路上分别设有截止阀J13、截止阀J14，加热器的出液口与换热器I、换热器II之间的管路上分别设有截止阀J8、截止阀J9。

进一步地，所述冷热交换装置包括空气压缩机II、四通阀和V型球阀，所述四通阀的a接口与空气压缩机II的进气端连接，空气压缩机II的排气端与四通阀的c接口连接，四通阀的b接口与换热器I连接，四通阀的d接口与换热器II连接，所述V型球阀设置在与换热器I、换热器II之间。

优选的，所述换热器I、换热器II均为蛇形管式换热器。

优选的，所述吸附剂为炭吸附材料、分子筛、金属有机骨架材料等。

进一步地，所述空气压缩机I排气端的管路上还连接有冷干机，所述冷干机分别与吸附塔I、吸附塔II底部的进气口连通。冷干机将混合原料气脱除水分后再引入吸附塔，提高气体的分离精度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

吸附塔温度变化能够强化吸附解吸过程，大大减少装置一次循环的时间，有利于混合气体的高效分离；通过电动调节截止阀控制管路连通方式，可使双塔交替进行变温吸附、解吸过程，实现气体连续分离；双塔之间可优先通过温度控制单元进行热量交换，待温度平衡后通过冷热交换式或冷热泵同时对双塔进行降温或升温，节约能耗的同时，提高了装置换热效率。

本发明提供的系统操作简单，安装方便，解决了目前针对变压吸附提纯制备气体过程中分离过程能耗较高、产品收率较低、系统自身能量未能充分利用等问题。其特别适用于煤矿抽采低浓度瓦斯及通风瓦斯的综合利用，在减少温室气体瓦斯(甲烷)排放的同时获取煤矿瓦斯的清洁能源转换，实现煤矿瓦斯的清洁生产利用及煤矿区的循环经济发展。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统示意图。

图2为本发明实施例2的系统示意图。

图中：1–进气单元，2–空气压缩机I，3–真空泵，4–吸附塔I，5–换热器I，6–吸附塔II，7–换热器II，8–排气单元，9–制冷器，10–加热器，11–空气压缩机II，12–四通阀，13–V型球阀，J1～J14–截止阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

以下实施例中的截止阀、V型球阀均为电动调节阀。

实施例1

如图1所示，一种温压协同气体吸附分离提纯系统，包括进气单元1、排气单元8、吸附分离单元和温度控制单元，

所述吸附分离单元包括空气压缩机I2、真空泵3、吸附塔I4和吸附塔II6，所述空气压缩机I2的进气端与进气单元1连通，空气压缩机I2的排气端分别与吸附塔I4、吸附塔II6底部的进气口连通，吸附塔I4、吸附塔II6顶部的出气口分别与排气单元8连通，吸附塔I4、吸附塔II6底部的回气口分别与真空泵3连通，空气压缩机I2与吸附塔I4、吸附塔II6之间的管路上分别设有截止阀J1、截止阀J4，真空泵3与吸附塔I4、吸附塔II6之间的管路上分别设有截止阀J2、截止阀J5，排气单元8与吸附塔I4、吸附塔II6之间的管路上分别设有截止阀J3、截止阀J6，所述吸附塔I4、吸附塔II6的塔体内均纵向设置吸附剂层，吸附剂层内填充有吸附剂，例如炭吸附材料、分子筛、金属有机骨架材料等；

所述温度控制单元包括换热器I5、换热器II7、制冷器9和加热器10，所述换热器I5设置在吸附塔I4内部，所述换热器II7设置在吸附塔II6内部，换热器I5、换热器II7均为蛇形管式换热器，所述制冷器9的进液口分别与换热器I5、换热器II7连通，所述制冷器5的出液口分别与换热器I5、换热器II7连通，制冷器9的进液口与换热器I5、换热器II7之间的管路上分别设有截止阀J11、截止阀J12，制冷器9的出液口与换热器I5、换热器II7之间的管路上分别设有截止阀J7、截止阀J10，所述加热器10的进液口分别与换热器I5、换热器II7连通，所述加热器10的出液口分别与换热器I5、换热器II7连通，加热器10的进液口与换热器I5、换热器II7之间的管路上分别设有截止阀J13、截止阀J14，加热器10的出液口与换热器I5、换热器II7之间的管路上分别设有截止阀J8、截止阀J9。

提纯方法：首先打开截止阀J1，混合原料气通过进气单元1经空气压缩机I2加压后进入吸附塔I4，同时启动制冷器9和加热器10，关闭截止阀J8、截止阀J10、截止阀J12、截止阀J13，打开截止阀J7、截止阀J9、截止阀J11、截止阀J14，对吸附塔I4进行降温升压吸附过程，同时截止阀J5打开，开启真空泵3对吸附塔II6进行吹扫，吹扫结束后关闭截止阀J5，使吸附塔II6保持真空状态；截止阀J3打开，产品气从吸附塔I4塔顶流出，经排气单元8排出，当被吸附杂质气体到达吸附床出口预留段时，关闭截止阀J1、J3，打开截止阀J2，同时截止阀J4、J6打开，同时截止阀J7～J14转换开闭状态，吸附塔I4进入升温解吸杂质气体过程，杂质气体通过真空泵3排出装置；混合原料气通过进气单元1经空气压缩机I2加压后进入吸附塔II6，对吸附塔II6进行降温升压吸附过程，产品气从吸附塔II6塔顶流出，经排气单元8排出，吸附塔I4和吸附塔II6交替循环工作，保证系统运行的稳定性和连续性。

为了提高分离效果，所述空气压缩机I2排气端的管路上还连接有冷干机(图中未示出)，所述冷干机分别与吸附塔I4、吸附塔II6底部的进气口连通。混合原料气经空气压缩机I2加压后，首先进入冷干机脱除水分，再引入吸附塔内。

实施例2

如图2所示，一种温压协同气体吸附分离提纯系统，包括进气单元1、排气单元8、吸附分离单元和温度控制单元，

所述吸附分离单元包括空气压缩机I2、真空泵3、吸附塔I4、吸附塔II6，空气压缩机I2的进气端与进气单元1连通，空气压缩机I2的排气端分别与吸附塔I4、吸附塔II6底部的进气口连通，吸附塔I4、吸附塔II6顶部的出气口分别与排气单元8连通，吸附塔I4、吸附塔II6底部的回气口分别与真空泵3连通，空气压缩机I2与吸附塔I4、吸附塔II6之间的管路上分别设有截止阀J1、截止阀J4，真空泵3与吸附塔I4、吸附塔II6之间的管路上分别设有截止阀J2、截止阀J5，排气单元8与吸附塔I4、吸附塔II6之间的管路上分别设有截止阀J3、截止阀J6，所述吸附塔I4、吸附塔II6的塔体内均填充有吸附剂，

所述温度控制单元包括换热器I5、换热器II7、空气压缩机II11、四通阀12和V型球阀13，所述换热器I5设置在吸附塔I4内部，换热器II7设置在吸附塔II6内部，换热器I5、换热器II7均为蛇形管式换热器，所述四通阀12的a接口与空气压缩机II11的进气端连接，空气压缩机II11的排气端与四通阀12的c接口连接，四通阀12的b接口与换热器I5连接，四通阀12的d接口与换热器II7连接，所述V型球阀13设置在与换热器I5、换热器II7之间。

提纯方法：首先打开截止阀J1，混合原料气通过进气单元1经空气压缩机I2加压后进入吸附塔I4，同时截止阀J5打开，开启真空泵3对吸附塔II6进行吹扫，吹扫结束后关闭截止阀J5，使吸附塔II6保持真空状态，同时启动空气压缩机II11，通过控制四通阀12使换热器I5内的高温低压气态介质依次经四通阀12的b接口和a接口进入空气压缩机II11加压后成为高温高压液态介质，再依次通过四通阀12的c接口和d接口进入换热器II7，对吸附塔II6进行升温，高温高压液态介质转变为中温高压液态介质，打开V型球阀13，使换热器II7中的中温高压液态介质缓慢通过，当少量中温高压液态介质到达换热器I5后，由于空间突然增大，压力减小，中温高压液态介质会迅速汽化变成低温低压气态介质，从而吸收大量的热，对吸附塔I4进行降温；截止阀J3打开，产品气从吸附塔I4塔顶流出，经排气单元8排出；当被吸附杂质气体到达吸附床出口预留段时，关闭截止阀J1、J3，打开截止阀J2，同时截止阀J5关闭，截止阀J4、J6打开，同时改变四通阀12的方向，使温控单元内介质流动方向相反，从而对吸附塔I4进行升温解吸过程，杂质气体通过真空泵3排出装置，混合原料气通过进气单元1经空气压缩机I2加压后进入吸附塔II6，对吸附塔II6进行降温升压吸附过程，产品气从吸附塔II6塔顶流出，经排气单元8排出；吸附塔I4和吸附塔II6交替循环工作，保证系统运行的稳定性和连续性。

为了提高分离效果，所述空气压缩机I2排气端的管路上还连接有冷干机(图中未示出)，所述冷干机分别与吸附塔I4、吸附塔II6底部的进气口连通。混合原料气经空气压缩机I2加压后，首先进入冷干机脱除水分，再引入吸附塔内。

Claims (6)

1.一种温压协同气体吸附分离提纯系统，其特征在于，包括进气单元(1)、排气单元(8)、吸附分离单元和温度控制单元，

所述吸附分离单元包括空气压缩机I(2)、真空泵(3)、吸附塔I(4)和吸附塔II(6)，所述空气压缩机I(2)的进气端与进气单元(1)连通，空气压缩机I(2)的排气端分别与吸附塔I(4)、吸附塔II(6)底部的进气口连通，吸附塔I(4)、吸附塔II(6)顶部的出气口分别与排气单元(8)连通，吸附塔I(4)、吸附塔II(6)底部的回气口分别与真空泵(3)连通，空气压缩机I(2)与吸附塔I(4)、吸附塔II(6)之间的管路上分别设有截止阀J1、截止阀J4，真空泵(3)与吸附塔I(4)、吸附塔II(6)之间的管路上分别设有截止阀J2、截止阀J5，排气单元(8)与吸附塔I(4)、吸附塔II(6)之间的管路上分别设有截止阀J3、截止阀J6，所述吸附塔I(4)、吸附塔II(6)的塔体内均纵向设置吸附剂层，吸附剂层内填充有吸附剂，

所述温度控制单元包括换热器I(5)、换热器II(7)和冷热交换装置，所述换热器I(5)设置在吸附塔I(4)内部，所述换热器II(7)设置在吸附塔II(6)内部，所述冷热交换装置分别与换热器I(5)、换热器II(7)连接。

2.根据权利要求1所述的温压协同气体吸附分离提纯系统，其特征在于，所述冷热交换装置包括制冷器(9)和加热器(10)，所述制冷器(9)的进液口分别与换热器I(5)、换热器II(7)连通，所述制冷器(9)的出液口分别与换热器I(5)、换热器II(7)连通，制冷器(9)的进液口与换热器I(5)、换热器II(7)之间的管路上分别设有截止阀J11、截止阀J12，制冷器(9)的出液口与换热器I(5)、换热器II(7)之间的管路上分别设有截止阀J7、截止阀J10，所述加热器(10)的进液口分别与换热器I(5)、换热器II(7)连通，所述加热器(10)的出液口分别与换热器I(5)、换热器II(7)连通，加热器(10)的进液口与换热器I(5)、换热器II(7)之间的管路上分别设有截止阀J13、截止阀J14，加热器(10)的出液口与换热器I(5)、换热器II(7)之间的管路上分别设有截止阀J8、截止阀J9。

3.根据权利要求1所述的温压协同气体吸附分离提纯系统，其特征在于，所述冷热交换装置包括空气压缩机II(11)、四通阀(12)和V型球阀(13)，所述四通阀(12)的a接口与空气压缩机II(11)的进气端连接，空气压缩机II(11)的排气端与四通阀(12)的c接口连接，四通阀(12)的b接口与换热器I(5)连接，四通阀(12)的d接口与换热器II(7)连接，所述V型球阀(13)设置在与换热器I(5)、换热器II(7)之间。

4.根据权利要求1至3任一项所述的温压协同气体吸附分离提纯系统，其特征在于，所述换热器I(5)、换热器II(7)均为蛇形管式换热器。

5.根据权利要求1至3任一项所述的温压协同气体吸附分离提纯系统，其特征在于，所述吸附剂为炭吸附材料、分子筛、金属有机骨架材料中的一种或多种。

6.根据权利要求1至3任一项所述的温压协同气体吸附分离提纯系统，其特征在于，所述空气压缩机I(2)排气端的管路上还连接有冷干机，所述冷干机分别与吸附塔I(4)、吸附塔II(6)底部的进气口连通。