CN113979410A - 一种从重整psa解析气中提纯高纯氢气的工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺及设备，涉及石油化工的技术领域，该方法包括以下步骤：S1、将重整PSA解析气进行压缩冷凝，以得到气相组分；S2、将所述气相组分进行加热，以得到高温气体；S3、利用膜分离技术对所述高温气体进行分离，以得到初纯氢气；S4、利用PSA分离法分离所述初纯氢气中的杂质，以得到高纯氢气。本发明结合压缩冷凝、膜与PSA法，能够最大程度的回收、提纯氢气，氢气回收率为84%，氢气的纯度可达99.97%以上，满足燃料电池用氢要求，给炼厂带来更大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及提纯的技术领域，具体是一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺及设备。
背景技术
炼厂中连续重整装置副产氢气，重整PSA解析气中含有大量的氢气和轻烃等高价值组分，氢气是加氢装置的原料，且热值较天然气低，轻烃也是重要的化工原料。根据某炼厂的实际生产情况，每年产生炼厂气约5.8万吨，其中含有氢气的量约为2860万吨，按照燃料电池氢气价格计算，这部分氢气价值1.14亿元/年。若当做燃料气使用，经济效益仅为3881万元/年，回收氢气有很大的经济潜力。当前，我国大力发展燃料电池车，但由于技术还不够成熟，目前的氢气成本较高，成为燃料电池车普及的绊脚石，找到低成本制氢是降低氢成本的重要措施之一。将炼厂气中的氢气提纯用于燃料电池用氢，不仅可以减低燃料电池车的用氢成本，也可以给炼厂创造出更大的经济效益。
从炼厂气中回收氢气的技术主要有深冷分离法、膜分离法和变压吸附（PSA）分离法。
深冷分离技术发展较早，在上世纪50年代就有了，目前该技术比较成熟。它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，在低温下将炼厂气中各组分按工艺要求冷凝下来，不易冷凝的氢气最先得到，氢气回收率为90-95%，纯度为95-98%。其后用精馏法将其中的各类烃逐一分离。深冷分离单独用于回收氢气，经济上不合算，产品氢气的纯度不高、投资大、能搞高、不适合中小规模的炼厂气回收氢气。
膜分离法是在一定压力下，利用混合气各组分在膜中渗透速率的差异进行分离的。尤其适用于带压、氢气含量低的干气中氢气的浓缩，其优点在于占地小、操作简单、能耗低等。但膜分离回收氢气的纯度一般不高。在90-95%左右。
PSA分离是利用吸附剂对混合气体中各组分的吸附选择性不同，通过改变压力或温度来实现吸附于再生的一种分离方法，具有再生速度快、能耗低、操作简单、容易陈述稳定等特点。通过压力变化实现分离的PSA回收提出氢气工艺相对成熟，可获得纯度为98%以上的氢气产品，但氢气回收率不高，约为85%。
发明内容
本发明提出了一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺，其包括以下步骤：
S1、将重整PSA解析气进行压缩冷凝，以得到气相组分；
S2、将所述气相组分进行加热，以得到高温气体；
S3、利用膜分离技术对所述高温气体进行分离，以得到初纯氢气；
S4、利用PSA分离法分离所述初纯氢气中的杂质，以得到高纯氢气。
本发明的进一步设置为：将所述步骤S4中得到的重整PSA解析气执行所述步骤S1至步骤S4。
本发明的进一步设置为：所述初纯氢气执行所述步骤S4之前，进行压缩冷凝操作。
本发明提出了一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的设备，其包括依次连接第一压缩机、第一冷凝器、分离罐、加热器、膜分离单元以及PSA单元。
本发明的进一步设置为：在所述膜分离单元与所述PSA单元之间设置有第二压缩机和第二冷凝器；所述膜分离单元的输出端连接所述第二压缩机的输入端，所述第二压缩机的输出端连接所述第二冷凝器的输入端，所述第二冷凝器的输出端连接所述PSA单元的输入端的。
本发明的有益技术效果为：
本发明提供了一种压缩冷凝、膜与PSA耦合提纯炼厂解析气中氢气用于燃料电池氢的回收方法及工艺。首先解析气进入压缩机升压后，进入冷却器冷凝液相轻烃，以液态形式回收一部分轻烃，再利用气体膜分离方法，让氢气在膜渗透侧浓缩，以气体形式回收大部分氢气，最后利用PSA单元对渗透侧的富氢气体进一步提纯，膜的渗余侧气体送至燃料气管网补充燃料，PSA单元的解析气循环回压缩机。该分离提纯氢气的方法及系统可以最大程度回收并提纯解析气中的氢气，氢气回收率达到88.39%，氢气的纯度可以达到99.97%以上，满足燃料电池用氢要求，给炼厂带来更大的经济效益。
附图说明
图1为本发明中工艺的流程图；
图2为本发明中设备的构造图。
附图标记：1、第一压缩机；2、第一冷凝器；3、气液分离罐；4、加热器；5、膜分离单元；6、第二压缩机；7、第二冷凝器；8、PSA单元。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明提出了一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺，包括以下步骤：
S1、将重整PSA解析气进行压缩冷凝，以得到气相组分；
S2、将气相组分进行加热，以得到高温气体；
S3、利用膜分离技术对高温气体进行分离，以得到初纯氢气；
S4、利用PSA分离法分离初纯氢气中的杂质，以得到高纯氢气。
为了提高解析气的利用率，将步骤S4中得到的重整PSA解析气执行步骤S1至步骤S4。
另外，初纯氢气执行步骤S4之前，进行压缩冷凝操作。
参见图2，本发明提出了一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的设备，用以实现上述工艺，其包括依次连接第一压缩机、第一冷凝器、分离罐、加热器、膜分离单元、第二压缩机、第二冷凝器以及PSA单元。
在具体实施时，首先将重整PSA解析气送至第一压缩机进行压缩，经压缩的重整PSA解析气温度和压力提高，再将其送入第一冷凝器进行降温，会使得一部分气相轻烃变为液相，从而得到气液混合物。
随后将气液混合物输送至气液分离罐进行气液分离，得到气相组分和液相轻烃。其中所得的液相轻烃送至液化气罐；气相组分进入加热器升温，温度高于露点温度，得到高温气体。
随后将高温气体输送至膜分离单元，利用膜分离单元对高温气体进行分离，得到初纯氢气。然后将初纯氢气在第二压缩机和第二冷凝器处分别进行压缩和降温操作。
随后将初纯氢气输送至PSA单元进一步提纯，得到高纯氢气。高纯氢气随即被输送进入燃料电池氢气的管网。提纯作业后获得渗余的贫氢气体送至燃料气管网，提纯作业后获得的重整PSA解析气循环送回第一压缩机。
实施例
以某炼油厂为例，该厂重整PSA解析气年产5.8万吨，采用本发明提供的工艺和设备提纯氢气，使提纯后的氢气满足燃料电池用氢要求。该厂重整PSA解析气压力为0.35MPaG，温度为30℃，重整PSA解析气组成见表1。
表1 某炼厂重整PSA解析气组成
| 组成 | H<sub>2</sub> | O<sub>2</sub> | N<sub>2</sub> | C<sub>1</sub> | C<sub>2</sub> | C<sub>3</sub> | C<sub>4</sub> | C<sub>5+</sub> |
| Vol% | 45.23 | 0.63 | 2.63 | 14.89 | 20.71 | 10.69 | 4.44 | 0.78 |
将重整PSA解析气进行如下具体的作业：
将重整PSA解析气经过第一压缩机升压至1.5MPa。压缩之后的气体进入第一冷凝器温度降至35℃，再进入分液罐进行气液分离，得到气相组分和液相轻烃，液相轻烃直接通入液化气管网。气相组分进入精密过滤器进行除尘。将过滤后的气相组分送至加热器，升温至70℃，得到高温气体。
将高温气体输送至膜分离单元进行分离。
膜分离单元的渗透侧的初纯氢气送往第二压缩机升压至2.2Mpa，然后经第二冷凝器降温至35℃；渗余侧的贫氢气体送至燃料气管网。将升压降温后的初纯氢气进入PSA单元。
在PSA单元内对初纯氢气进行提纯，PSA单元出口得到高纯氢气送至燃料电池氢气管网。PSA单元出口得到重整PSA解析气循环回第一压缩机。
本实施例中得到的高纯氢气的成分与GB/T37244-2018中燃料电池用氢指标对比情况见表2。重整PSA解析气中未检测到CO、CO2、H2S及NH3等物质，得到的高纯氢气也完全符合GB/T37244-2018中燃料电池的用氢要求。
表2 本实施例中的高纯氢气与GB/T37244-2018中燃料电池用氢的指标对比表
| 组分 | GB/T37244-2018 | 本实施例的高纯氢气 |
| 氢气纯度%（摩尔分数） | ≥99.97 | ≥99.99 |
| 总烃（以甲烷计）/（μmol·mol<sup>-1</sup>） | ≤5 | ≤3 |
| 氧（O<sub>2</sub>）/（μmol·mol<sup>-1</sup>） | ≤5 | ≤2 |
| 氮（N<sub>2</sub>）和氩（Ar）/（μmol·mol<sup>-1</sup>） | ≤100 | ≤80（N<sub>2</sub>） |
本实施例中，氢气的回收率为84%，氢气纯度为99.99%以上，一年可回收高纯氢气2669万标立方，该炼厂可获得经济效益6343万元/年。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将重整PSA解析气进行压缩冷凝，以得到气相组分；
S2、将所述气相组分进行加热，以得到高温气体；
S3、利用膜分离技术对所述高温气体进行分离，以得到初纯氢气；
S4、利用PSA分离法分离所述初纯氢气中的杂质，以得到高纯氢气。
2.根据权利要求1所述的一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺，其特征在于：将所述步骤S4中得到的重整PSA解析气执行所述步骤S1至步骤S4。
3.根据权利要求1所述的一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的工艺，其特征在于：所述初纯氢气执行所述步骤S4之前，进行压缩冷凝操作。
4.一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的设备，其特征在于：包括依次连接第一压缩机、第一冷凝器、分离罐、加热器、膜分离单元以及PSA单元。
5.根据权利要求4所述的一种从重整PSA解析气中提纯高纯氢气的设备，其特征在于：在所述膜分离单元与所述PSA单元之间设置有第二压缩机和第二冷凝器；所述膜分离单元的输出端连接所述第二压缩机的输入端，所述第二压缩机的输出端连接所述第二冷凝器的输入端，所述第二冷凝器的输出端连接所述PSA单元的输入端的。
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