CN109701364B

CN109701364B - 一种水合法分离气体的系统及方法

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Publication number: CN109701364B
Application number: CN201711017109.6A
Authority: CN
Inventors: 陈光进; 郭莹; 孙长宇; 王国清; 刘蓓; 杜志国; 秦慧博; 刘同举; 贾翀之; 李晓锋
Original assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: CN109701364A

Abstract

本发明公开了一种水合法分离气体的系统及方法。系统包括：水合吸收塔、闪蒸罐和解析塔；水合吸收塔底部出口连接闪蒸罐，闪蒸罐下部出口连接换热器后连接解吸塔上部；闪蒸罐上部出口连接泵后连接水合吸收塔下部；解吸塔底部出口依次连接换热器、泵后连接水合吸收塔上部。该方法相对于传统方法具有经济、高效等优点。随后对工作液进行再生处理，实现其循环利用的特点，进而达到多级连续分离混合气的目的。本发明的整个流程中工作液均具有良好的流动特点，避免了切换操作时的诸多缺陷。

Description

一种水合法分离气体的系统及方法

技术领域

本发明涉及气体分离领域，进一步地说，是涉及一种水合法分离气体的系统及方法。

背景技术

煤在炼焦过程中生成焦炭的同时得到副产品焦油和焦炉煤气。焦炉煤气中含有约50％的H₂和30％的CH₄，是一种含量丰富的氢气源，因此从焦炉煤气中分离氢气是焦炉煤气的一个重要应用途径。目前，这种类型混合气分离难度大，难以回收利用。如何将H₂从混合气中进行分离并回收是减少氢耗，降低制氢成本的首要任务。另外在IGCC发电过程中，煤气化是首要环节，其所得混合气(CO₂/H₂)中CO₂的含量高达40％，为了提高混合气的燃烧热值以获得高纯的含氢原料气，首先需要对混合气中CO₂实现有效分离。因此如何对这些混合气有效利用是目前化工行业研究的重点问题之一。

目前已报道的该类混合气分离技术主要有变压吸附、深冷分离法以及膜分离法等。变压吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)分离技术的基本原理是利用不同气体组分在固体材料上吸附特性差异及吸附量随压力变化的特性，通过周期性的改变吸附床层的压力实现气体的分离或提纯。深冷分离法又称低温精馏法，是一种低温分离工艺，其原理是利用原料中各组分相对挥发度的差异，通过气体透平膨胀制冷，在低温下将干气中各组分按工艺要求冷凝下来，然后用精馏法将其中的各类烃按照其沸点的不同逐一加以分离。膜分离是一项新兴的高效分离技术，它是用膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，各组分透过膜的迁移率不同，从而达到分离目的的技术。

Hammerschimdt最初发现水合物生成过程可以实现对气体混合物的选择性分离。随后人们便开始对单组分气体的水合生成条件进行了系统的研究，结果发现不同气体的水合物生成条件完全不同。水合法分离气体混合物技术的原理正是基于这一特点，通过选择合适的操作温度和压力，使得分离平衡后易水合气体组分在水合物相中得到富集，同时难水合气体组分在平衡气相中得到富集，从而实现混合气分离的目的。

吸收-水合耦合分离技术主要采用水/柴油乳液体系在水合物生成条件下来分离气体混合物，其中乳液内添加了一定剂量的乳化剂和水合物阻聚剂，来分散水滴和防止水合物聚集。液态水是以微米级水滴的形态分散于柴油中，使其水合物转化率非常高。更重要的是得益于水合物阻聚剂的作用，水滴转化为水合物后会均匀分散在柴油中，不会发生水合物的聚集现象。这样一方面不会发生分离设备堵塞，另一方面可以利用柴油/水合物浆液良好的流动特性促使分离介质在分离塔和解吸塔之间流动而实现一个分离-解吸-分离的连续气体分离过程。但油水乳液中的油相对各气体组分均具有较大的溶解度，使得浆液中除了含有易生成水合物的气体组分外，还含有较多不易生成水合物的组分，使整个分离效果降低。

发明内容

现有的吸收-水合分离技术由于油相对气体的吸收作用，使得气体的分离效果受到了限制。为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种水合法分离气体的系统及方法。本发明的关键是通过中间闪蒸罐来实现高浓度易形成水合物的气体回流到水合吸收塔底部、反吹水合物浆液中溶解的不易生成水合物的组分的途径进一步提高混合气分离的效果。该方法相对于传统方法具有经济、高效等优点。随后对工作液进行再生处理，实现其循环利用的特点，进而达到多级连续分离混合气的目的。本发明的整个流程中工作液均具有良好的流动特点，避免了切换操作时的诸多缺陷。

本发明的目的之一是提供一种水合法分离气体的系统。

包括：

所述系统包括：水合吸收塔、闪蒸罐和解析塔；

水合吸收塔底部出口连接闪蒸罐，闪蒸罐下部出口连接换热器后连接解吸塔上部；闪蒸罐上部出口连接泵后连接水合吸收塔下部；解吸塔底部出口依次连接换热器、泵后连接水合吸收塔上部。

水合分离塔、解吸塔为鼓泡塔或板式塔。

本发明的目的之二是提供一种水合法分离气体的方法。

包括：

(1)待分离的原料气进入水合分离塔的中下部；气体和工作液在塔内逆向接触，工作液在下行过程中逐步生成水合物，形成水合物浆液；

所述工作液为水溶液或油水乳液；

所述水溶液或者油水乳液可采用本领域现有技术的常规的水溶液或油水乳液，如：水溶液(如水+阻聚剂+热力学促进剂(阻聚剂可以为Span20、oπ等，热力学促进剂可以为四氢呋喃、环戊烷等)或油水乳液(如柴油+水+热力学促进剂+乳化剂+阻聚剂等等)。

(2)水合物浆液先经闪蒸罐减压，脱出部分易形成水合物的气体后再进入解吸塔，使水合物彻底分解，分离成气体产品和工作液；

(3)闪蒸罐产生的气态物流返回水合分离塔底部，和水合物浆液逆向接触，反吹脱出水合物浆液中不易生成水合物的组分；

(4)来自解吸塔底的工作液返回水合分离塔顶部循环使用。

优选：

闪蒸罐的压力低于水合分离塔的操作压力，高于解吸塔的工作压力。

水合分离塔压力为3-5MPa。

闪蒸罐压力为1-3MPa。

解析塔压力为0-0.5MPa。

本发明具体可采用以下技术方案：

本发明的分离过程和解吸过程主要在塔式设备中进行。将待分离混合气从水合塔中下部注入，使工作液与混合气连续逆向充分接触。工作液在向下的流动过程中对混合气逐渐进行吸收-水合分离，最终形成水合物浆液。将含有水合物的工作液流经一个中间闪蒸罐进行减压，脱出部分气体后注入解吸塔。中间闪蒸罐的压力应低于水合分离塔的操作压力，高于解吸塔的工作压力。中间闪蒸罐脱出的部分气体返回水合分离塔底部，与水合物浆液逆向接触，反吹脱出水合物浆液中不易生成水合物的组分，从而提高浆液中目标产品气体组分(易生成气体水合物的组分)的浓度，同时提高不易生成水合物组分在水合吸收塔顶排出气中的回收率。注入解吸塔的工作液通过升温将水合物彻底分解，分离出气体产品和工作液。随后将再生的工作液从解吸塔底部经过降温重新返回至水合分离塔顶部进行循环使用，进而达到多级连续分离混合气的目的。

图1是本发明方法工业应用的概念流程。将混合气4由水合吸收塔1中下部注入，在流向塔顶过程中，混合气与工作液逆向流动相互接触进行传质。工作液在向下的流动过程中逐渐形成水合物浆液。在整个吸收-水合的传质过程中由于混合气与工作液的逆向流动，从而提供很大的气液接触面积，使得吸收-水合分离能够快速完成并且在单级分离即能够达到很好的分离效果，进而也能够降低工业应用的成本。利用不同气体在浆液中的溶解能力以及形成水合物的条件不同，吸收水合塔中的工作液含有大量的易形成水合物的气体组分，而难形成水合物的气体组分则在吸收水合塔1的气相中不断得到富集。因此，从吸收水合塔1上部分离出来的气体主要以难形成水合物的气体3为主。从吸收水合塔1底部输送出富含有水合物的工作液，待其进入中间闪蒸罐10进行减压处理。工作液中将解吸出高浓度的易形成水合物的部分气体，随后通过11气体增压机输送回吸收塔1底部。使其同工作液进行逆流接触，反吹脱出水合物浆液中不易生成水合物的组分，从而提高浆液中目标产品气体组分的浓度。随后中间闪蒸罐中的工作液通过9换热器进行加热，输送到解吸塔2顶部。通过升高温度使工作液中易形成水合物的气体释放出来，并从解吸塔2顶部排出。解吸后的工作液中含有少量的气体，从解吸塔2底部排出，通过8换热器进行降温，经液体输送泵7输送回吸收塔1顶部。这样便实现了工作液的循环利用，以及混合气的连续分离。因此再经过有限次数的多级分离，便可得到高纯度的难形成水合物的气体。

本发明可以将炼厂干气，乙烯裂解气，天然气，烟道气，焦炉气等轻质气体混合物进行分离。

本发明的方法相对于传统方法具有经济、高效等优点。随后对工作液进行再生处理，实现其循环利用的特点，进而达到多级连续分离混合气的目的。本发明的整个流程中工作液均具有良好的流动特点，避免了切换操作时的诸多缺陷。

附图说明

图1是本发明使用吸收-水合法对混合气进行分离的工业应用概念流程图；

图2是无气体回流的CH₄/H₂分离流程图；

附图标记说明：

1.水合吸收塔；2.解析塔；3.难形成水合物气体；4.混合气；5.易形成水合物气体；6.新鲜工作液，7.液体输送泵；8.降温换热器；9.升温换热器；10.中间闪蒸罐；11.气体增压机。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1

使用混合气CH₄/H₂为32.0mol％/68.0mol％作为原料气进行试验，其中CH₄为易形成水合物气体，H₂为难形成水合物气体。实验流程见图1。吸收塔操作压力4.5MPa，进入吸收塔顶部的循环工作液温度为274.15K。闪蒸罐操作压力1.5MPa,绝热操作。解吸塔操作温度为298.15K，压力为0.1MPa。水合吸收塔1中所使用的工作液为油水乳液，其中水相占工作液总体积的20vol％。工作液与混合气逆向接触进行吸收-水合物过程，形成水合物浆液。将水合物浆液先在闪蒸罐内减压闪蒸，释放出部分溶解气，再通过换热器升温到298.15K，随后进入解吸塔中，解吸出绝大部分所吸收的气体，从解析塔顶排出。闪蒸罐闪蒸气返回吸收塔底部。而再生的工作液通过换热器降温，返回吸收塔顶部。实验结果见表1

表.1

对比例

使用混合气CH₄/H₂为32.0mol％/68.0mol％作为原料气进行试验。实验流程见图2。吸收塔操作压力4.5MPa，进入吸收塔顶部的循环工作液温度为274.15K。解吸塔操作温度为298.15K，压力为0.1MPa。水合吸收塔1中所使用的工作液为油水乳液，其中水相占工作液总体积的20vol％。工作液与混合气逆向接触进行吸收-水合物过程，形成水合物浆液。将水合物浆液通过换热器升温到298.15K，随后进入解吸塔中，解吸出所吸收的气体，从解析塔顶排出。随后再生的工作液通过换热器降温，返回吸收塔顶部。实验结果见表2

表.2

Claims

1.一种水合法分离气体的系统，其特征在于所述系统包括：

水合吸收塔、闪蒸罐和解析塔；

2.如权利要求1所述的水合法分离气体的系统，其特征在于：

水合吸收塔、解吸塔为鼓泡塔或板式塔。

3.一种采用如权利要求1或2所述系统的水合法分离气体的方法，其特征在于所述方法包括：

(1)待分离的原料气进入水合吸收塔的中下部；气体和工作液在塔内逆向接触，工作液在下行过程中逐步生成水合物，形成水合物浆液；

所述工作液为水溶液或油水乳液；

(3)闪蒸罐产生的气态物流返回水合吸收塔底部，和水合物浆液逆向接触，反吹脱出水合物浆液中不易生成水合物的组分；

(4)来自解吸塔底的工作液返回水合吸收塔顶部循环使用；

闪蒸罐的压力低于水合吸收塔的操作压力，高于解吸塔的工作压力。

4.如权利要求3所述的水合法分离气体的方法，其特征在于：

水合吸收塔压力为3-5MPa。

5.如权利要求4所述的水合法分离气体的方法，其特征在于：

闪蒸罐压力为1-3MPa。

6.如权利要求5所述的水合法分离气体的方法，其特征在于：

解析塔压力为0-0.5MPa。