CN113350968A - 一种用于合成氢回收尾气成分的提氢装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于合成氢回收尾气成分的提氢装置及工艺。装置包括冷却器、气液分离器、吸附塔系统、顺放气缓冲罐、解吸气缓冲罐和解析气压缩机，冷却器连接气液分离器，气液分离器连接吸附塔系统，吸附塔系统连通顺放气缓冲罐和解吸气缓冲罐，解吸气缓冲罐连接解析气压缩机。吸附塔系统中包括八个吸附塔，任意时刻有其中一个吸附塔处于进料吸附的状态，其工艺过程包括吸附、四次均压降压、顺放、逆放、冲洗、四次均压升压和产品最终升压。本发明提供的装置适用于甲醇合成氢回收尾气提氢，有效的将尾气中的氢气进一步提出，获得高纯度产品，有效提高了尾气的利用率。本发明的工艺过程简单、操作稳定、对于含多种杂质的混合气可将杂质一次脱除得到高纯度产品。

Description

一种用于合成氢回收尾气成分的提氢装置及工艺

技术领域

本发明属于工业尾气回收领域，具体涉及一种用于合成氢回收尾气成分的提氢装置及工艺。

背景技术

甲醇合成装置驰放气中氢气含量高达76%-77%，经过膜分离（氢回收）处理后的尾气中氢气含量42%-43%；以往氢回收尾气都是作为燃料气使用，资源利用率低。如何将尾气中的氢气再提纯利用是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种用于合成氢回收尾气成分的装置及提氢工艺，主要是针对甲醇合成驰放气经氢回收后尾气提氢再利用的一种工艺，将尾气中的氢气提纯再利用，该工艺过程简单、操作稳定、对于含多种杂质的混合气可将杂质一次脱除得到高纯度产品。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种用于合成氢回收尾气成分的提氢装置，其包括冷却器、气液分离器、吸附塔系统、顺放气缓冲罐、解吸气缓冲罐和解析气压缩机，所述冷却器连接气液分离器，气液分离器连接吸附塔系统，吸附塔系统的上端通过管道连通顺放气缓冲罐，吸附塔系统的下端通过管道连通解吸气缓冲罐，解吸气缓冲罐连接解析气压缩机。

如上所述的装置，优选地，所述吸附塔系统包括A塔、B塔、塔C、D塔、E塔、F塔、G塔和H塔共八个吸附塔，八个吸附塔串联连接，工作时，任意时刻都有一台吸附塔处于吸附状态。

如上所述的装置，优选地，吸附塔装填有用于脱除合成氢回收尾气成分中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮气的吸附剂。

如上所述的装置，优选地，每个所述吸附塔内从进口端到出口段从下向上依次装填有DKT-100、DKT-15B、DKT-300这3种吸附剂。

一种用于合成氢回收尾气成分的提氢工艺，采用上述装置进行，其包括如下步骤：

S1、吸附：合成氢回收尾气经冷却器、气液分离器后的尾气进入吸附塔系统，在吸附塔系统内先经程控阀XV101a进入吸附塔A，气体中CO₂、CO、CH₄及N₂的组份被塔内附吸剂吸附，纯净的氢气从吸附塔顶部连续排出经程控阀XV102a连续排出去后工段；

S2、一均降：在吸附过程完成后，关闭程控阀XV101a和XV102a，打开程控阀XV103a和XV103c，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了二均升的C塔，直到A、C两塔的压力基本相等为止；

S3、二均降：在一均降完成后，关闭程控阀XV103a打开程控阀XV104b和XV104d，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了三均升的D塔，直到A、D两塔的压力基本相等为止；

S4、三均降：在二均降完成后，关闭程控阀XV104d打开程控阀XV104e，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了四均升的E塔，直到A、E两塔的压力基本相等为止；

S5、四均降：在三均降完成后，关闭程控阀XV104a打开程控阀XV105a和XV105f，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了冲洗过程的F塔，直到A、F两塔的压力基本相等为止；

S6、顺放：在四均降完成后，关闭程控阀XV105f打开程控阀XV109，将A塔内较高压力的产品气放入顺放气缓冲罐，用作吸附塔再生冲洗气源；

S7、逆放：在完成连续四次顺向减压和顺放过程后，A塔的吸附前沿已基本达到床层出口；关闭程控阀XV105a和XV109，打开程控阀门XV107a和逆放调节阀HV102匀速将吸附塔的压力降至0.09Mpa.G，逆放气放至解吸气缓冲罐，

S8、冲洗：逆放结束后，关闭程控阀XV107a，打开冲洗调节阀PV104、程控阀门XV106a和XV108a用顺放气缓冲罐合格的产品气对A塔进行冲洗，

S9、四均升压：在冲洗再生过程完成后，关闭程控阀XV106a和XV108a，打开程控阀XV105a和XV105d，再将D塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S10、三均升压：在四均升压过程完成后，关闭程控阀XV105a，打开程控阀XV104a和XV104e，再将E塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S11、二均升压：在三均升压过程完成后，关闭程控阀XV104e，打开程控阀XV104f，再将F塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S12、一均升压：在二均升压过程完成后，关闭程控阀XV104a和XV104f，打开程控阀XV103a和XV103f，再将G塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S13、产品气升压：经过四次均压升压过程后，吸附塔压力已升至接近于吸附压力；这时，关闭程控阀XV103g，用产品气经终充调节阀HV101和程控阀XV103a将吸附塔压力升至吸附压力；

八个吸附塔交替进行以上的吸附，保证始终有一个吸附塔处于吸附状态、再生操作即实现气体的连续分离与提纯。

利用物理吸附的原理，当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。吸附剂通常都是在常温和较高压力下，将混合气体中的易吸附组分吸附，不易吸附的组分从床层的一端流出，然后降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。

本发明所用活性氧化铝（DKT100）为一种物理化学性能极其稳定的高空隙Al₂O₃，规格为Φ3-5球状，抗磨耗、抗破碎、无毒。对几乎所有的腐蚀性气体和液体均不起化学反应。主要装填在脱碳吸附塔底部，用于脱除游离水。

本发明所用的活性碳(DKT15B)为其表面所具有的氧化物基团和无机物杂质使表面性质表现为弱极性或无极性，加上其具有的特别大的内表面积，使得活性炭成为一种能大量吸附多种弱极性和非极性有机分子的广谱耐水型吸附剂。装填在吸附塔的下部，用于脱除C₂H₆与CO₂等。

本发明所用的分子筛(DKT300)为一种具有立方体骨架结构的硅铝酸盐，型号为5A，规格为Φ2-3球状，无毒，无腐蚀性。5A分子筛不仅有着较大的比表面积，而且有着非常均匀的空隙分布，其有效孔径为0.5nm。5A分子筛是一种吸附量较高且吸附选择性极佳的优良吸附剂，装填于吸附塔的上部，主要用于脱除CO、甲烷和氮等，保证产品纯度。

PSA提氢装置是在一定压力下从混合的组分中提取氢气而设计的，设计允许原料气组分和压力在较宽的范围内变化，但在不同的原料气条件下吸附参数应作相应的调整以保证产品的质量，同时产品氢收率也将随原料而变化。

采用上述工艺来自氢回收装置的尾气，其中氢气含量为42%-43%，利用本发明工艺可将氢气提纯至99.99%以上，获得氢回收率为61%。

（三）有益效果

本发明的有益效果是：

与传统PSA流程相比，本装置流程具有如下特点：

1）本装置多达四次的均压回收产品气过程是高产品气回收率的可靠保证。

2）本装置先进的PSA专用软件在某个吸附塔出现故障时，可将故障塔切除，转入7塔或6塔操作，并且不影响处理能力，只是收率有少量下降。这一功能大大地提高了装置运行的可靠性。

3）本装置的吸附剂装填采用密相装填技术，可减小吸附死空间，提高吸附剂收率。

本发明提供的装置再生部分时间单塔再生，部分时间双塔再生，节约了再生时间，提高了再生效率。本发明提供的装置适用于甲醇合成氢回收尾气提氢，可将尾气中的氢气进一步提出，获得高纯度产品，有效提高了尾气的利用率。装置中采用了八个吸附塔，其中一个吸附塔始终处于进料吸附的状态，其工艺过程由吸附、四次均压降压、顺放、逆放、冲洗、四次均压升压和产品最终升压等步骤组成。

本发明提供的用于甲醇合成氢回收尾气提氢工艺，将尾气中的氢气提纯再利用，该工艺过程简单、操作稳定、对于含多种杂质的混合气可将杂质一次脱除得到高纯度产品。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为吸附塔的连接关系图。

【附图标记说明】

1：冷却器；

2：气液分离器；

3：吸附塔系统；

4：顺放气缓冲罐；

5：解吸气缓冲罐；

6：解析气压缩机；

7：氢回收的尾气；

8：产品气；

9：解析气。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本发明提供的一种用于合成氢回收尾气成分的装置，如图1所示，其包括冷却器1、气液分离器2、吸附塔系统3、顺放气缓冲罐4、解吸气缓冲罐5和解析气压缩机6，所述冷却器1通过管道连接气液分离器2，气液分离器2通过管道连接吸附塔系统3，吸附塔系统3的上端通过管道连通顺放气缓冲罐4，吸附塔系统3的下端通过管道连通解吸气缓冲罐5，解吸气缓冲罐5连接解析气压缩机6。其中吸附塔系统3包括A塔、B塔、C塔、D塔、E塔、F塔、G塔和H塔共八个相同的吸附塔，八个吸附塔串联连接，工作时，任意时刻都有一台吸附塔处于吸附状态。

每个吸附塔装填有用于脱除原料气中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮气等杂质的吸附剂，以保证输出高质量的氢气。具体地，吸附塔内从进口端到出口段从下向上依次装填了DKT-100、DKT-15B、DKT-300此3种吸附剂。装置运行时，自界区外的原料气或氢回收的尾气7首先进入冷却器1降温到≤40℃，再经过气液分离器2分离出原料气中的游离水，然后直接从塔底部进入吸附塔系统(A塔～H塔)中正处于吸附状态的吸附塔(始终有1台吸附塔处于吸附状态)内，在多种吸附剂组成的复合吸附床的依次选择吸附下，气体中的CO₂、CO、CH₄及N₂等组份被塔内吸附剂吸附，纯净的氢气从吸附塔顶部连续排出去后经顺放气缓冲罐4作为产品气8排出，逆放气和冲洗解吸气混合后经解吸气压缩机6加压获得解析气9。

吸附塔中被杂质组分饱和的吸附剂，先后经过4次均压降、顺放、逆放、冲洗、均压升、终升等步骤进行再生。经过这一系列过程后，吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。各吸附塔交替进行吸附、再生(始终有其中1个塔处于吸附状态)，即可实现气体的连续分离与提纯。整体的流程示意如下图2所示，图中八个塔（T101A、T101B 、T101C 、T101D 、T101E 、T101F 、T101G 、T101H 表示8个塔是串联关系），图2中冷却器1的下端进入的是循环冷却上水1-1的进水口，上端出来的是循环冷却上水1-2的出水口，冷却器1的上端还连接有放压阀进行超压放空气去放气空7-1，解吸气缓冲罐5连接有放压阀进行超压放空气去放气空5-1，解析气压缩机6的下端连接有循环冷却上水6-1的进水口，上端连接有的是循环冷却上水1-2的出水口。

下面以吸附塔系统中A塔（T101A）为例说明描述整个变压吸附提氢工艺过程（记为8-1-4PSA）：

1)吸附（A）

原料气经程控阀XV101a，自塔底进入吸附塔T101A中正处于吸附状态的一台吸附塔，气体中CO₂、CO、CH₄及N₂等组份被塔内吸附剂吸附，纯净的氢气从吸附塔顶部连续排出经程控阀XV102a连续排出去后工段。

当被吸附杂质的传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段某一位置时，关掉该吸附塔的原料气进料阀和产品气出口阀，停止吸附。吸附床开始转入再生过程。

2)一均降（E1D）

在吸附过程完成后，关闭程控阀XV101a和XV102a，打开程控阀XV103a和XV103c，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了二均升的C塔，直到A、C两塔的压力基本相等为止。这一过程不仅是降压过程，而且也回收了A塔床层死空间内的产品气，A塔的吸附前沿将向前推移，但未达到出口。

3)二均降（E2D）

在一均降完成后，关闭程控阀XV103a打开程控阀XV104a和XV104d，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了三均升的D塔，直到A、D两塔的压力基本相等为止。这一过程不仅是降压过程，而且也回收了A塔床层死空间内的产品气，A塔的吸附前沿将继续向前推移，但仍未达到出口。

4)三均降（E3D）

在二均降完成后，关闭程控阀XV104d打开程控阀XV104e，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了四均升的E塔，直到A、E两塔的压力基本相等为止。这一过程不仅是降压过程，而且也回收了A塔床层死空间内的产品气，A塔的吸附前沿将继续向前推移，但仍未达到出口。

5）四均降（E4D）

在三均降完成后，关闭程控阀XV104a打开程控阀XV105a和XV105f，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了冲洗过程的F塔，直到A、F两塔的压力基本相等为止。这一过程不仅是降压过程，而且也回收了A塔床层死空间内的产品气，A塔的吸附前沿将继续向前推移，但仍未达到出口。

6）顺放（PP）

在四均降完成后，关闭程控阀XV105f打开程控阀XV109，将A塔内较高压力的产品气放入顺放气缓冲罐4，用作吸附塔再生冲洗气源。这一过程吸附的压力继续下降，同时A塔的吸附前沿将继续向前推移，基本达到吸附塔的出口。

7）逆放(BD)

在完成连续四次顺向减压和顺放过程后，A塔的吸附前沿已基本达到床层出口。关闭程控阀XV105a和XV109，打开程控阀门XV107a和逆放调节阀HV102匀速将吸附塔的压力降至0.09Mpa.G，逆放气放至解吸气缓冲罐5，部分CO₂、CO、CH₄及N₂等解吸出来，吸附剂得到部分再生。

8）冲洗 (P)

逆放结束后，关闭程控阀XV107a，打开冲洗调节阀PV104、程控阀门XV106a和XV108a用顺放气缓冲罐4合格的产品气对A塔进行冲洗，这时被吸附的杂质大量解吸出来到解吸气缓冲罐5与逆放气混合后经解吸气压缩机加压后送到燃气管网，吸附剂得到完全再生。

9)四均升压(E4R)

在冲洗再生过程完成后，关闭程控阀XV106a和XV108a，打开程控阀XV105a和XV105d，再将D塔内较高压力的产品气回收进A塔。

10)三均升压(E3R)

在四均升压过程完成后，关闭程控阀XV105a，打开程控阀XV104a和XV104e，再将E塔内较高压力的产品气回收进A塔。

11)二均升压(E2R)

在三均升压过程完成后，关闭程控阀XV104e，打开程控阀XV104f，再将F塔内较高压力的产品气回收进A塔。

12)一均升压(E1R)

在二均升压过程完成后，关闭程控阀XV104a和XV104f，打开程控阀XV103a和XV103g，再将G塔内较高压力的产品气回收进A塔。

13)产品气升压(FR)

经过四次均压升压过程后，吸附塔压力已升至接近于吸附压力。这时，关闭程控阀XV103g，用产品气经终充调节阀HV101和程控阀XV103a将吸附塔压力升至吸附压力。经这一过程后，吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。

八个吸附塔交替进行以上的吸附(始终有一个吸附塔处于吸附状态)、再生操作即可实现气体的连续分离与提纯。

吸附塔B～H塔的工艺步序与吸附塔A塔都是完全相同的，只是在各步序的运行时间上依次错开1/8个吸附时间，这样就实现了始终有一塔处于吸附状态，七塔分别处于不同的再生状态，保证了原料气的连续分离与提纯。

由于VPSA氢提纯装置是由8台吸附塔组成。因而为提高装置的可靠性，本装置还编制了一套切塔与恢复程序。即：当某一台吸附塔出现故障时，可将其脱出工作线，让剩余的7个吸附塔转入7-1-3和6-1-3方式工作，但这时，装置处理气量和产氢量等指标会发生变化。

本装置上述8-1-4PSA工艺操作灵活，可以组合多种运行方式，在计算机程序控制下， 可8塔运行，需要时（如出现设备故障时）也可手动切换至7塔或6塔运行。

切塔后的相关运行参数见下表：

吸附塔总数	流 程	在线吸附床数	均压次数	再生方式
					8塔	8-1-4 VPSA	1	4	冲洗
7塔	7-1-3 VPSA	1	3	冲洗
					6塔	6-1-3 VPSA	1	3	冲洗

来自氢回收的尾气作为本实施例的原料气，其氢气含量为42%-43%，利用本发明可得到氢气99.99%以上的产品气，及解析气（主要由CO、CH₄、H₂、N₂组成）。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于合成氢回收尾气成分的提氢装置，其特征在于，其包括冷却器、气液分离器、吸附塔系统、顺放气缓冲罐、解吸气缓冲罐和解析气压缩机，所述冷却器连接气液分离器，气液分离器连接吸附塔系统，吸附塔系统的上端通过管道连通顺放气缓冲罐，吸附塔系统的下端通过管道连通解吸气缓冲罐，解吸气缓冲罐连接解析气压缩机。

2.如权利要求1所述的提氢装置，其特征在于吸附塔系统包括A塔、B塔、C塔、D塔、E塔、F塔、G塔和H塔共八个相同的吸附塔，八个吸附塔串联连接，工作时，任意时刻都有一台吸附塔处于吸附状态。

3.如权利要求2所述的提氢装置，其特征在于，吸附塔装填有用于脱除合成氢回收尾气成分中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮气的吸附剂。

4.如权利要求2所述的提氢装置，其特征在于，每个所述吸附塔内从进口端到出口段从下向上依次装填有DKT-100、DKT-15B、DKT-300这3种吸附剂。

5.一种用于合成氢回收尾气成分的提氢工艺，采用权利要求1-4中任一项所述提氢装置，其包括如下步骤：

S1、吸附：合成氢回收尾气经冷却器、气液分离器后的尾气进入吸附塔系统，在吸附塔系统内先经程控阀XV101a进入吸附塔A，气体中CO₂、CO、CH₄及N₂的组份被塔内附吸剂吸附，纯净的氢气从吸附塔顶部连续排出经程控阀XV102a连续排出去后工段；

S2、一均降：在吸附过程完成后，关闭程控阀XV101a和XV102a，打开程控阀XV103a和XV103c，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了二均升的C塔，直到A、C两塔的压力基本相等为止；

S3、二均降：在一均降完成后，关闭程控阀XV103a打开程控阀XV104a和XV104d，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了三均升的D塔，直到A、D两塔的压力基本相等为止；

S4、三均降：在二均降完成后，关闭程控阀XV104d打开程控阀XV104e，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了四均升的E塔，直到A、E两塔的压力基本相等为止；

S5、四均降：在三均降完成后，关闭程控阀XV104a打开程控阀XV105a和XV105f，将A塔内较高压力的产品气放入刚完成了冲洗过程的F塔，直到A、F两塔的压力基本相等为止；

S6、顺放：在四均降完成后，关闭程控阀XV105f打开程控阀XV109，将A塔内较高压力的产品气放入顺放气缓冲罐，用作吸附塔再生冲洗气源；

S7、逆放：在完成连续四次顺向减压和顺放过程后，A塔的吸附前沿已基本达到床层出口；关闭程控阀XV105a和XV109，打开程控阀门XV107a和逆放调节阀HV102匀速将吸附塔的压力降至0.09Mpa.G，逆放气放至解吸气缓冲罐，

S8、冲洗：逆放结束后，关闭程控阀XV107a，打开冲洗调节阀PV104、程控阀门XV106a和XV108a用顺放气缓冲罐合格的产品气对A塔进行冲洗， S9、四均升压：在冲洗再生过程完成后，关闭程控阀XV106A和XV108a，打开程控阀XV105a和XV105d，再将D塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S10、三均升压：在四均升压过程完成后，关闭程控阀XV105a，打开程控阀XV104a和XV104e，再将E塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S11、二均升压：在三均升压过程完成后，关闭程控阀XV104e，打开程控阀XV104f，再将F塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S12、一均升压：在二均升压过程完成后，关闭程控阀XV104a和XV104f，打开程控阀XV103a和XV103g，再将G塔内较高压力的产品气回收进A塔；

S13、产品气升压：经过四次均压升压过程后，吸附塔压力已升至接近于吸附压力；这时，关闭程控阀XV103g，用产品气经终充调节阀HV101和程控阀XV103a将吸附塔压力升至吸附压力；

八个吸附塔交替进行以上的吸附，保证始终有一个吸附塔处于吸附状态、再生操作即实现气体的连续分离与提纯。

Images