CN109704280A - 一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统 - Google Patents

一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于化工技术领域，提供了一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统，变压吸附用于提纯H2、吸收装置用于提纯CO2、膜分离装置用于提浓H2。煤合成气或天然气经蒸汽重整获得的混合气。首先，重整气经过变压吸附装置提纯获得高纯度氢气产品，解吸气进入吸收装置分离得到CO2产品；经吸收装置脱除CO2的解吸气进入氢气膜分离装置，膜渗透获得提浓的H2返回变压吸附装置，获得高纯度氢气产品。本发明使用变压吸附、吸收、膜分离联用的方法实现了蒸汽重整气中氢气及二氧化碳的分离，同时得到H2、CO2产品，H2收率高，多个分离单元协同耦合增效的优势，具有很好的经济效益和社会效益。

Description

一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统
技术领域
本发明属于化工技术领域，涉及一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统。
背景技术
H2(氢气)是目前石油化工领域中用量较大的化工原料之一，被广泛用于生产合成氨、油品、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。同时，氢能作为一种洁净、高效、可储存、可再生的能源受到人们越来越多的关注。煤气化(或天然气)制氢是炼厂H2的主要来源。
变压吸附是H2分离提纯过程中常见的一种吸附分离技术，它有如下优点：产品纯度高，一般可在室温和不高的压力下工作，该技术发展迅速，并日益成熟。虽然变压吸附法操作灵活，可以获得高纯度H2，但其也具有一些缺点：H2进料要求浓度较大，回收率不高，同时由于需求量的增大，装置长时间满负荷运转，吸附剂易于饱和，常造成解吸气H2浓度过高等问题。
在CO2(二氧化碳)的分离技术方面，工业上常利用其酸性、吸附性强的特点，采用碱性溶液吸收或吸附剂吸附等方式进行分离脱除。目前工业化装置常用的CO2分离方法包括吸收、变压吸附、膜分离等方法。在这些技术中，吸收法相对来说较成熟，在化工行业已经得到了广泛的应用。工业上常用的气体吸收方法包括物理吸收法和化学吸收法两种。
膜分离技术以其投资费用低，操作简单，分离效率高，占地面积小等明显优势，近几十年来得到快速发展。气体膜分离技术不仅仅是其他分离技术的竞争对手，更因为其具有操作难度低、易于与其他分离技术耦合等优点，能和其他分离过程联合起来应用，从而实现提升分离效果。
实际石化工业生产中，煤合成气(或天然气)经蒸汽重整获得的混合气，一般使用变压吸附装置提纯H2，而其解吸气通常会用作为燃料气。但是，解吸气中仍含有大量H2可回收利用，同时，其中含有的大量CO2气体，为了避免过度排放对环境造成的温室效应，需要对解吸气中的CO2进行分离利用。
发明内容
本发明目的在于提供一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统，使用变压吸附装置、CO2吸收装置以及H2膜分离装置，实现蒸汽重整气中H2的回收利用，同时分离利用高纯度CO2，以提高制氢装置经济性和社会效益。
为达到上述目的，本发明的技术方案：
1吸收塔；2第1#循环泵；3第1#换热器；4解吸塔；5第2#循环泵；6第2#换热器；7第3#换热器；8第4#换热器；9第1#除雾器；10第1#压缩机；11第5#换热器；12第2#除雾器；13精密过滤器；14氢膜分离器；15第6#换热器；16第2#压缩机；17第7#换热器；18变压吸附装置。
一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统，包括变压吸附装置、CO2吸收装置以及H2膜分离装置；
来自煤合成气或天然气经蒸汽重整获得的混合气，主要成分为H2、CO2、CH4、CO和N2；首先，混合气经过变压吸附装置18提纯获得高纯度氢气产品，解吸气进入CO2吸收装置分离得到CO2产品；经CO2吸收装置脱除CO2的解吸气进入H2膜分离装置，膜渗透侧获得提浓的H2返回变压吸附装置，获得高纯度氢气产品；
所述混合气中含有浓度约为50～80mol％的H2和10～50mol％的CO2，进入变压吸附装置18，得到高纯度氢气，其解吸气进入吸收塔1底部；CO2吸收装置包括吸收塔1、第1#循环泵2、第1#换热器3、解吸塔4、第2#循环泵5、第2#换热器6、第3#换热器7和第4#换热器8；变压吸附装置18的解吸气经吸收塔1底部进入CO2吸收装置；从吸收塔1顶部得到脱除CO2后的混合气体，进入后续分离提纯工艺流程；吸收剂、补充的吸收剂及水从吸收塔1顶部进入CO2吸收装置，吸收剂包括但不限于一乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA、活性MDEA；在吸收塔1吸收CO2后，从吸收塔1塔底得到含有较高CO2浓度的吸收剂富液，吸收剂富液在第1#循环泵2的作用下，经在第1#换热器3与解吸塔4塔底贫液换热后，富液从解吸塔4塔顶淋下，富液与由第4#换热器8加热介质产生的吸收剂蒸气在解吸塔4中逆流接触，富液中的CO2在高温下从液相吸收剂中解吸出来，从解吸塔4顶进入第3#换热器7部分冷凝，气相得到摩尔浓度大于99mol％的CO2产品，液相吸收剂回流回解吸塔4中；解吸塔4塔底得到含CO2浓度较低可重复利用的吸收剂贫液，吸收剂贫液在第2#循环泵5的作用下，分为两路，一路经过第4#换热器8换热后从解吸塔4塔底进入，另一路经由第1#换热器3与第2#换热器6的降温后，与补充的吸收剂和水混合后回到吸收塔1塔顶。
从吸收塔1顶部得到脱除CO2后的混合气体流股经第1#除雾器9进行液滴的去除后，再通过第1#压缩机10加压后，其压力为2～5MPa(绝压)，压缩后流股出口较高，在第5#换热器11中使用公用工程冷却水移除部分热量，使之温度降低到30～80℃，从而符合进入第2#除雾器12和精密过滤器13的要求；过程流股经过第2#除雾器12和精密过滤器13去除其中的液滴和微小固体颗粒等杂质；之后在氢膜分离器14中经过膜分离装置提浓H2，在膜渗余侧得到H2摩尔浓度较低的膜渗余气，作为燃料气；在膜渗透侧得到提浓的H2浓度为85～95mol％的渗透气，其压力为0.1-0.5MPa(绝压)，经第6#换热器15冷却至35～45℃后，经第2#压缩机16加压至2.5～3MPa(绝压)；经压缩后流股温度较高，使用第7#换热器17进行冷却至40℃后，渗透气返回与制氢装置产生的蒸汽重整气混合进入变压吸附装置18进行变压吸附处理提纯H2，其产品H2摩尔浓度达98.5～100％。
所述的H2膜分离装置所使用膜材料为中空纤维膜或平板膜。
所述的中空纤维膜或平板膜为有机膜、无机膜或复合膜。
本发明的有益效果：本发明使用变压吸附、吸收、膜分离联用的方法实现了蒸汽重整气中氢气及二氧化碳的分离，同时得到H2、CO2产品，H2收率高，多个分离单元协同耦合增效的优势，具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图中：1吸收塔；2第1#循环泵；3第1#换热器；4解吸塔；5第2#循环泵；6第2#换热器；7第3#换热器；8第4#换热器；9第1#除雾器；10第1#压缩机；11第5#换热器；12第2#除雾器；13精密过滤器；14氢膜分离器；15第6#换热器；16第2#压缩机；17第7#换热器；18变压吸附装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明的系统包括依次相连的变压吸附装置、吸收塔、第1#循环泵、第1#换热器、解吸塔、第2#循环泵、第2#换热器、第3#换热器、第4#换热器、第1#除雾器、第1#压缩机、第5#换热器、第2#除雾器、精密过滤器、氢膜分离器、第6#换热器、第2#压缩机、第7#换热器。
所述蒸汽重整气主要组分及浓度为64.3mol％H2，19.15mol％CO2，10.38mol％CH4，6.17mol％CO和膜渗透气主要组分及浓度为91.02mol％H2，4.82mol％CO2，2.61mol％CH4，1.55mol％CO混合后，进入变压吸附装置，得到纯度为99.27mol％氢气产品，其解吸气经吸收塔底部进入吸收装置。
从所述变压吸附装置得到的解吸气，主要组分及浓度为26.51mol％H2，56.66mol％CO2，10.56mol％CH4，6.27mol％CO，经塔底进入吸收塔，从吸收塔顶部得到脱除CO2后的混合气体，进入后续分离提纯工艺流程；吸收剂(活性MDEA)与补充的吸收剂及水从吸收塔顶部进入吸收装置；在吸收塔吸收CO2后，从吸收塔塔底得到含有较高CO2浓度的吸收剂(富液)在第1#循环泵的作用下，经在第1#换热器与解吸塔底贫液换热后，从解吸塔塔顶淋下，与由塔底再沸器加热介质产生的吸收剂蒸气在解吸塔中逆流接触；富液中的CO2在高温下从液相中解吸出来，从吸收塔顶进入第3#换热器部分冷凝，气相得到浓度为99.99mol％的CO2产品；液相吸收剂回流回塔中；而在解吸塔塔底得到含CO2浓度较低可以重复利用的吸收剂(贫液)，在第2#循环泵的作用下，经由第1#换热器与第2#换热器的降温后，与补充的吸收剂和水混合后回到吸收塔塔顶。
从所述吸收塔顶部得到脱除CO2后的混合气体，其中主要组分及浓度为60.38mol％H2，1.29mol％CO2，24.04mol％CH4，14.29mol％CO，经第1#除雾器进行液滴的去除后，通过第1#压缩机；加压后，其压力为2.58MPa(绝压)，温度升高至125℃，之后在第5#换热器中使用公用工程冷却水移除部分热量，使之温度降低到40℃，从而符合进入第2#除雾器和精密过滤器的技术要求；过程流股经过第2#除雾器和精密过滤器去除其中的液滴和微小固体颗粒等杂质；之后在氢膜分离器中经过膜分离装置提浓H2，在膜渗余侧得到H2摩尔浓度较低的膜渗余气，可作为燃料气；在膜渗透侧得到提浓的H2摩尔浓度91.02mol％的渗透气，其压力为0.3MPa(绝压)，经第6#换热器冷却至40℃后，经第2#压缩机加压至2.58MPa(绝压)；经压缩后流股温度较高，使用第7#换热器进行冷却至约40℃后，渗透气返回与制氢装置产生的蒸汽重整气混合进入变压吸附装置进行变压吸附处理提纯H2，其产品H2浓度达99.27mol％。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变压吸附、吸收、膜分离联用的蒸汽重整气分离系统，其特征在于，所述的蒸汽重整气分离系统包括变压吸附装置、CO2吸收装置以及H2膜分离装置；
来自煤合成气或天然气经蒸汽重整获得的混合气，主要成分为H2、CO2、CH4、CO和N2；首先，混合气经过变压吸附装置(18)提纯获得高纯度氢气产品，解吸气进入CO2吸收装置分离得到CO2产品；经CO2吸收装置脱除CO2的解吸气进入H2膜分离装置，膜渗透侧获得提浓的H2返回变压吸附装置，获得高纯度氢气产品；
所述混合气中含有浓度约为50～80mol％的H2和10～50mol％的CO2，进入变压吸附装置(18)，得到高纯度氢气，其解吸气进入吸收塔(1)底部；CO2吸收装置包括吸收塔(1)、第1#循环泵(2)、第1#换热器(3)、解吸塔(4)、第2#循环泵(5)、第2#换热器(6)、第3#换热器(7)和第4#换热器(8)；变压吸附装置(18)的解吸气经吸收塔(1)底部进入CO2吸收装置；从吸收塔(1)顶部得到脱除CO2后的混合气体，进入后续分离提纯工艺流程；吸收剂、补充的吸收剂及水从吸收塔(1)顶部进入CO2吸收装置；在吸收塔(1)吸收CO2后，从吸收塔(1)塔底得到含有较高CO2浓度的吸收剂富液，吸收剂富液在第1#循环泵(2)的作用下，经在第1#换热器(3)与解吸塔(4)塔底贫液换热后，富液从解吸塔(4)塔顶淋下，富液与由第4#换热器(8)加热介质产生的吸收剂蒸气在解吸塔(4)中逆流接触，富液中的CO2在高温下从液相吸收剂中解吸出来，从解吸塔(4)顶进入第3#换热器(7)部分冷凝，气相得到摩尔浓度大于99mol％的CO2产品，液相吸收剂回流回解吸塔(4)中；解吸塔(4)塔底得到含CO2浓度较低可重复利用的吸收剂贫液，吸收剂贫液在第2#循环泵(5)的作用下，分为两路，一路经过第4#换热器(8)换热后从解吸塔(4)塔底进入，另一路经由第1#换热器(3)与第2#换热器(6)的降温后，与补充的吸收剂和水混合后回到吸收塔(1)塔顶；
从吸收塔(1)顶部得到脱除CO2后的混合气体流股经第1#除雾器(9)进行液滴的去除后，再通过第1#压缩机(10)加压后，其压力为2～5MPa，压缩后流股出口较高，在第5#换热器(11)中使用公用工程冷却水移除部分热量，使之温度降低到30～80℃，从而符合进入第2#除雾器(12)和精密过滤器(13)的要求；过程流股经过第2#除雾器(12)和精密过滤器(13)去除其中的液滴和微小固体颗粒；之后在氢膜分离器(14)中经过膜分离装置提浓H2，在膜渗余侧得到H2摩尔浓度较低的膜渗余气，作为燃料气；在膜渗透侧得到提浓的H2浓度为85～95mol％的渗透气，其压力为0.1-0.5MPa，经第6#换热器(15)冷却至35～45℃后，经第2#压缩机(16)加压至2.5～3MPa；经压缩后流股温度较高，使用第7#换热器(17)进行冷却至40℃后，渗透气返回与制氢装置产生的蒸汽重整气混合进入变压吸附装置(18)进行变压吸附处理提纯H2，其产品H2摩尔浓度达98.5～100％。
2.根据权利要求1所述的蒸汽重整气分离系统，其特征在于，所述的H2膜分离装置所使用膜材料为中空纤维膜或平板膜。
3.根据权利要求2所述的蒸汽重整气分离系统，其特征在于，所述的中空纤维膜或平板膜为有机膜、无机膜或复合膜。
4.根据权利要求1～3任一所述的蒸汽重整气分离系统，其特征在于，所述的吸收剂包括但不限于一乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA、活性MDEA。
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