CN117695805A - 一种变压吸附气体分离系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压吸附气体分离系统及方法。系统包括原料气管道，解吸气管道，产品气管道，降压/升压管道，以及若干台吸附塔、第一多通程控阀和第二多通程控阀。分离方法为吸附塔循环经历如下步骤：吸附步骤、多次顺向降压步骤、逆向降压步骤、再生步骤、多次逆向升压步骤。本发明吸附塔入口和出口均连接多通程控阀，可有效降低系统中程控阀门使用数量，工艺更加简洁，系统占地更小，可有效降低系统设备投资，可有效避免在吸附塔出入口连接旋转阀时PSA工艺阀门出现故障后系统整体停车整修的风险。

Description

一种变压吸附气体分离系统及方法

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种变压吸附气体分离系统及方法。

背景技术

变压吸附气体分离技术具有操作方便、产品纯度高、原料适应性强等多种优点，广泛应用于石油、化工、能源、冶金、环保、医疗等领域，可以从混合气体中分离提纯氧气、氮气、氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，为各种应用场景提供纯净气体，并成为各种工业领域不可或缺的气体分离与净化单元。

随着应用领域的不断拓展，各种场景对变压吸附技术的要求也各不相同，从而推动变压吸附技术的不断进步。如高效吸附剂的开发和先进循环工艺的研究推动大型变压吸附回收率的提升和投资的降低，特殊工艺的改进可以减少吸附塔的数量和系统的占地面积。然而，传统变压吸附工艺技术为了配合循环工艺步骤，每个吸附塔需要设置4-10台程控阀门，从而造成系统的控制过程复杂，仪表繁多，如图5所示，为传统6塔变压吸附工艺系统图，图中101-106、201-206、301-306、401-406、501-506、601-606、701-706为相对应的程控阀门，具体程控阀门的功能可以参照专利CN112758892B理解。专利CN211159177U、CN210978624U、CN213761173U公布了采用一组旋转阀控制多台吸附器的变压吸附系统，与常规变压吸附工艺相比旋转阀具有阀门数量少控制简单的优点，然而，由于该技术只有一组阀门，多台吸附塔组成的变压吸附系统所有的控制过程都转化为了阀门内部结构，对阀门的加工精度较高，同时，由于只有一组阀门，阀门一旦故障会造成系统停车。

因此，设计一种变压吸附气体分离系统及方法，以至少克服上述部分技术问题，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种变压吸附气体分离系统及方法，以至少克服上述部分技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种变压吸附气体分离系统，包括原料气管道、解吸气管道、产品气管道、降压/升压管道、以及若干台吸附塔，吸附塔入口连接有第一多通程控阀，吸附塔出口连接有第二多通程控阀，第一多通程控阀分别与原料气管道和解吸气管道相连接，第二多通程控阀分别与降压/升压管道和产品气管道相连接。

进一步地，降压/升压管道包括二均/三均管道和接入至产品气管道的一均/终充管道，第二多通程控阀分别与二均/三均管道和一均/终充管道相连接。

进一步地，一均/终充管道与产品气管道之间设有最终升压调节阀。

进一步地，降压/升压管道还包括冲洗入管道，冲洗入管道分别与每个第二多通程控阀相连接。

进一步地，降压/升压管道还包括顺放管道，顺放管道分别与每个第二多通程控阀相连接。

进一步地，冲洗入管道和顺放管道之间设有顺放/冲洗调节阀。

进一步地，解吸气管道包括逆放气管道和再生出管道，第一多通程控阀分别与逆放气管道和再生出管道相连接。

一种变压吸附气体分离系统的分离方法，每台吸附塔循环经历如下步骤：吸附步骤、多次均压降压步骤、顺放步骤、逆放步骤、冲洗再生步骤、多次均压升压步骤和最终升压步骤。

一种变压吸附气体分离系统的分离方法，每台吸附塔循环经历如下步骤：吸附步骤、多次均压降压步骤、逆放步骤、抽空步骤、多次均压升压步骤和最终升压步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计科学合理，吸附塔入口和出口均连接多通程控阀，如此可使系统中程控阀门数量只有传统PSA工艺系统中程控阀门数量的1/3～1/5，本发明工艺更加简洁，阀门数量降低，系统占地更小，可有效降低系统设备投资。本发明每个吸附塔入口和出口均连接有程控阀门，当其中有阀门故障后可以将其切换至辅助流程，可有效避免在吸附塔出入口连接旋转阀时PSA工艺阀门出现故障后系统整体停车整修的风险。

附图说明

图1为本发明变压吸附气体分离系统示意图。

图2为本发明变压吸附气体分离系统另一示意图。

图3为本发明实例1中变压吸附气体分离系统示意图。

图4为本发明实例2中变压吸附气体分离系统示意图。

图5为传统变压吸附工艺技术中气体分离系统示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-原料气管道、2-解吸气管道、3-冲洗入管道、4-顺放管道、5-一均/终充管道、6-二均/三均管道、7-产品气管道、8-最终升压调节阀、9-顺放/冲洗调节阀、10-逆放气管道、11-再生出管道、12-第一多通程控阀、13-第二多通程控阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，本发明提供的一种变压吸附气体分离系统，包括原料气管道1、解吸气管道2、产品气管道7、降压/升压管道、以及若干台吸附塔T，吸附塔T入口连接有第一多通程控阀12，吸附塔T出口连接有第二多通程控阀13，第一多通程控阀12分别与原料气管道1和解吸气管道2相连接，第二多通程控阀13分别与降压/升压管道和产品气管道7相连接。

本发明降压/升压管道包括二均/三均管道6和接入至产品气管道7的一均/终充管道5，第二多通程控阀13分别与二均/三均管道6和一均/终充管道5相连接。一均/终充管道5与产品气管道7之间设有最终升压调节阀8。

本发明降压/升压管道还包括冲洗入管道3，冲洗入管道3分别与每个第二多通程控阀13相连接。降压/升压管道还包括顺放管道4，顺放管道4分别与每个第二多通程控阀13相连接。冲洗入管道3和顺放管道4之间设有顺放/冲洗调节阀9。

本发明解吸气管道2包括逆放气管道10和再生出管道11，第一多通程控阀12分别与逆放气管道10和再生出管道11相连接。

本发明设计科学合理，吸附塔入口和出口均连接多通程控阀，如此可使系统中程控阀门数量只有传统PSA工艺系统中程控阀门数量的1/3～1/5，本发明工艺更加简洁，阀门数量降低，系统占地更小，可有效降低系统设备投资。本发明每个吸附塔入口和出口均连接有程控阀门，当其中有阀门故障后可以将其切换至辅助流程，可有效避免在吸附塔出入口连接旋转阀时PSA工艺阀门出现故障后系统整体停车整修的风险。

本发明一种变压吸附气体分离系统的分离方法，如图1所示的变压吸附气体分离系统，图中T01-T06为吸附塔T的编号。变压吸附气体分离系统包括原料气管道1、解吸气管道2、产品气管道7、降压/升压管道、以及若干台吸附塔T，吸附塔T入口连接有第一多通程控阀12，吸附塔T出口连接有第二多通程控阀13，第一多通程控阀12分别与原料气管道1和解吸气管道2相连接，第二多通程控阀13分别与降压/升压管道和产品气管道7相连接。降压/升压管道包括二均/三均管道6和接入至产品气管道7的一均/终充管道5，第二多通程控阀13分别与二均/三均管道6和一均/终充管道5相连接。一均/终充管道5与产品气管道7之间设有最终升压调节阀8。本发明降压/升压管道还包括冲洗入管道3，冲洗入管道3分别与每个第二多通程控阀13相连接。降压/升压管道还包括顺放管道4，顺放管道4分别与每个第二多通程控阀13相连接。冲洗入管道3和顺放管道4之间设有顺放/冲洗调节阀9。

本发明上述系统的分离方法为每台吸附塔T循环经历如下步骤：吸附步骤A、第一均压降压步骤1D、第二均压降压步骤2D、第三均压降压步骤3D、顺放步骤PP、逆放步骤D、冲洗再生步骤P、第三均压升压步骤3R、第二均压升压步骤2R、第一均压升步骤1R和最终升压步骤FR。

本发明一种变压吸附气体分离系统的分离方法，如图2所示的变压吸附气体分离系统，图中T01-T06为吸附塔T的编号。变压吸附气体分离系统包括原料气管道1、解吸气管道2、产品气管道7、降压/升压管道、以及若干台吸附塔T，吸附塔T入口连接有第一多通程控阀12，吸附塔T出口连接有第二多通程控阀13，第一多通程控阀12分别与原料气管道1和解吸气管道2相连接，第二多通程控阀13分别与降压/升压管道和产品气管道7相连接。降压/升压管道包括二均/三均管道6和接入至产品气管道7的一均/终充管道5，第二多通程控阀13分别与二均/三均管道6和一均/终充管道5相连接。一均/终充管道5与产品气管道7之间设有最终升压调节阀8。解吸气管道2包括逆放气管道10和再生出管道11，第一多通程控阀12分别与逆放气管道10和再生出管道11相连接。

本发明上述系统的分离方法为每台吸附塔T循环经历如下步骤：吸附步骤A、第一均压降压步骤1D、第二均压降压步骤2D、第三均压降压步骤3D、逆放步骤D、抽空步骤V、第三均压升压步骤3R、第二均压升压步骤2R、第一均压升步骤1R和最终升压步骤FR。

如图1和2所示，本发明提供一种变压吸附气体分离系统及方法，每个吸附塔入口和出口各连接有1台多通程控阀门，其中吸附塔入口多通程控阀有吸附塔连接口、原料气连接口、解吸气连接口等多个通道口，吸附塔出口多通程控阀有吸附塔连接口、净化气连接口、降压/升压步骤气体连接口等多个通道口。多通程控阀门的一个通路与吸附塔联通，其他通道与其余多通阀的相同功能通道通过管道联通，分别构成原料气进料管路、解吸气管路、净化气出管路、降压/升压管路等。吸附塔入口多通阀具有为吸附塔输送气体，从吸附塔排出气体，保持关闭状态三种功能，吸附塔出口多通阀具有从吸附塔输出气体，为吸附塔输入气体，保持关闭状态三种功能。通过多通阀的切换完成气体的分离与净化过程。通过使用多通阀阀门代替传统的切换阀门，使得程控阀门数量只有常规变压吸附工艺的1/3～1/5，工艺更加简洁，占地更小，设备投资更低。

本发明由吸附塔、多通程控阀以及联通管道构成的变压吸附系统，通过多通阀的切换，每个吸附塔分别完成吸附步骤、顺向降压步骤、逆向降压步骤、再生步骤、逆向升压步骤等。

本发明吸附塔入口多通程控阀门的解吸气通道口为逆放气通道口和再生出通道口共用的通道口、或者吸附塔入口多通程控阀门的解吸气通道口为逆放气通道口和再生出通道口分开的两个通道口。

本发明吸附塔出口多通程控阀门的降压/升压通道口为多个均压通道口。

本发明吸附塔出口多通程控阀门的降压/升压通道口为多个均压通道口、顺放通道口和冲洗入通道口。

本发明吸附塔出口多通程控阀门的多个通道口直径不同，吸附塔入口多通程控阀门的多个通道口直径不同。

本发明根据工艺的需要，可以在顺放管道上连接顺放气缓冲罐；本发明根据工艺的需要，可以在降压/升压管道上连接均压气缓冲罐。

下面以实例对本发明一种变压吸附气体分离系统及方法进行阐述。

实施例1。

如图3所示，为变压吸附制氢系统，图中1A～1F为第一多通程控阀12的编号、2A～2F为第二多通程控阀13的编号、MA～MF分别为第一多通程控阀12相应通路、PA～PF分别为第二多通程控阀13相应通路。本实施例变压吸附制氢系统由6台吸附塔、12台多通阀、2台调节阀及连接管路组成，其中吸附塔入口多通阀有3个通道，其中1个通道与吸附塔入口管道连接，1个通道与原料气管道1连接，1个通道与解吸气管道2连接；吸附塔出口多通阀有6个通道，其中1个通道与吸附塔出口管路连接，剩余的通道分别与产品气管道7、二均/三均管道6、一均/终充管道5、顺放管道4、以及冲洗入管道3连接，顺放管道4与冲洗入管道3通过顺放/冲洗调节阀9联通，一均/终充管道5与产品气管道7通过最终升压调节阀8联通。

变压吸附制氢系统采用6-1-3/P冲洗再生流程，工艺时序如表1所示，通过多通阀的切换，每台吸附塔依次经历如下步骤(以吸附塔T01为例)：

1、吸附步骤A：多通阀1A与原料气管道1联通(该阀的MA通路始终处于联通状态)，多通阀2A与产品气管道7联通(该阀的PA通路始终处于联通状态)，原料气从吸附塔进口端进入吸附塔T01，强吸附组分被吸附剂吸附，弱吸附组分氢气从吸附塔的出口端流出，产品氢气经多通阀2A进入产品气管道7作为产品气送出装置。

2、第一均压降压步骤1D：多通阀1A关闭，多通阀2A与一均/终充管道5联通，此时吸附塔T03的多通阀2C也与一均/终充管道5联通，吸附塔T01与吸附塔T03进行均压，T01进行第一均压降，吸附塔T03进行第一均压升。

3、第二均压降压步骤2D：第一均压降压步骤结束后，多通阀2A与二均/三均管道6联通，此时吸附塔T04的多通阀2D也与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T04进行均压，吸附塔T01进行第二均压降压步骤，吸附塔T04进行第二均压升压步骤。

4、第三均压降压步骤3D：第二均压降压步骤结束后，吸附塔T05的多通阀2E与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T05进行均压，吸附塔T01进行第三均压降压步骤，吸附塔T05进行第三均压升压步骤。

5、顺放步骤PP：第三均压降压步骤结束后，多通阀2A与顺放管道4联通，此时，吸附塔T06的多通阀2F与冲洗入管道3联通，同时多通阀1F与解吸气管道2联通，吸附塔T01的顺放气通过调节阀控制为吸附塔T06冲洗再生，吸附塔T01进行顺放步骤，吸附塔T06进行冲洗再生步骤。

6、逆放步骤D：顺放步骤结束后，关闭多通阀2A，多通阀1A与解吸气管道2联通，吸附塔T01内的气体逆着吸附时的气体流向流出吸附塔，作为解吸气送出系统，吸附塔内的压力降低至常压。

7、冲洗再生步骤P：逆放步骤结束后，多通阀2A与冲洗管道3联通，此时，吸附塔T02的多通阀2B与冲洗入管道3联通，从吸附塔T02的顺放气经顺放/冲洗调节阀9从吸附塔T 01的出口进入吸附塔，对吸附塔T01进行冲洗再生，再生废气经解吸气管道2送出系统。

8、第三均压升压步骤3R：冲洗再生步骤结束后，关闭多通阀1A，多通阀2A与二均/三均管道6联通，此时，吸附塔T03的多通阀2C也与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T03进行均压，吸附塔T03进行第三均压降压步骤，吸附塔T01进行第三均压升压步骤；

9、第二均压升压步骤2R：第三均压升压步骤结束后，吸附塔T04的多通阀2D与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T04进行均压，吸附塔T04进行第二均压降压步骤，吸附塔T01进行第二均压升压步骤；

10、第一均压升步骤1R：第二均压升压步骤完成后，多通阀2A与一均/终充管道5联通，此时吸附塔T05的多通阀2E也与一均/终充管道5联通，吸附塔T01与吸附塔T05进行均压，吸附塔T05进行第一均压降压步骤，吸附塔T01进行第一均压升压步骤；

11、最终升压步骤FR：第一均压升步骤完成后，打开最终升压调节阀8，产品气经最终升压调节阀8、一均/终充管道5进入吸附塔T 01，为吸附塔T01升压，直至吸附塔T01的压力与产品气压力平衡。

表1实例1时序表

步骤

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

T01

A

A

1D

2D

3D

PP

D

P

3R

2R

1R

FR

T02

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

PP

D

P

3R

2R

T03

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

PP

D

P

T04

D

P

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

PP

T05

3D

PP

D

P

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

T06

1D

2D

3D

PP

D

P

3R

2R

1R

FR

A

A

注：A：吸附步骤，1D：第一均压降压步骤，2D：第二均压降压步骤，3D：第三均压降压步骤，PP：顺放步骤，D：逆放步骤，P：冲洗步骤，3R：第三均压升压步骤，2R：第二均压升压步骤，1R：第一均压升压步骤，FR：最终压升步骤。

实施例2。

如图4所示，为变压吸附系统，图中1A～1F为第一多通程控阀12的编号、2A～2F为第二多通程控阀13的编号、MA～MF分别为第一多通程控阀12相应通路、PA～PF分别为第二多通程控阀13相应通路。本实施例变压吸附系统由6台吸附塔、12台多通阀、1台调节阀及连接管路组成，其中吸附塔入口多通阀有4个通道，其中1个通道与吸附塔入口管道连接，1个通道与原料气管道1连接，1个通道与逆放气管道10连接，1个通道与再生出管道11连接；吸附塔出口多通阀有4个通道，其中1个通道与吸附塔出口管路联通，剩余的通道分别与产品气管道7、二均/三均管道6、一均/终充管道5，一均/终充管道5与产品气管道7通过最终升压调节阀8联通。

变压吸附系统采用6-1-3/V抽空再生流程，工艺时序如表2所示，通过多通阀的切换，每台吸附塔依次经历如下步骤(以吸附塔T01为例)：

1、吸附步骤A：多通阀1A与原料气管道1联通(该阀的MA通路始终处于联通状态)，多通阀2A与产品气管道7联通(该阀的PA通路始终处于联通状态)，原料气从吸附塔进口端进入吸附塔T01，强吸附组分被吸附剂吸附，弱吸附组分净化气从吸附塔的出口端流出，净化气经多通阀2A进入产品气管道7送出系统；

2、第一均压降压步骤1D：多通阀1A关闭，多通阀2A与一均/终充管道5联通，此时吸附塔T03的多通阀2C也与一均/终充管道5联通，吸附塔T01与吸附塔T03进行均压，T01进行第一均压降，吸附塔T03进行第一均压升；

3、第二均压降压步骤2D：第一均压降压步骤结束后，多通阀2A与二均/三均管道6联通，此时吸附塔T04的多通阀2D也与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T04进行均压，吸附塔T01进行第二均压降压步骤，吸附塔T04进行第二均压升压步骤。

4、第三均压降压步骤3D：第二均压降压步骤结束后，吸附塔T05的多通阀2E与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T05进行均压，吸附塔T01进行第三均压降压步骤，吸附塔T05进行第三均压升压步骤。

5、逆放步骤D：第三均压降压步骤结束后，关闭多通阀2A，多通阀1A与逆放气管道10联通，吸附塔T01内的气体逆着吸附时的气体流向流出吸附塔，作为解吸气送出系统，吸附塔内的压力降低至常压；

6、抽空步骤V：逆放步骤结束后，多通阀1A与再生出管道11联通，此时，在真空条件下强吸附质从吸附塔T01的吸附剂上解吸，并经再生出管道11送出系统。

7、第三均压升压步骤3R：抽空步骤结束后，关闭多通阀1A，多通阀2A与二均/三均管道6联通，此时，吸附塔T03的多通阀2C也与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T03进行均压，吸附塔T03进行第三均压降压步骤，吸附塔T01进行第三均压升压步骤；

8、第二均压升压步骤2R：第三均压升压步骤结束后，吸附塔T04的多通阀2D与二均/三均管道6联通，吸附塔T01与吸附塔T04进行均压，吸附塔T04进行第二均压降压步骤，吸附塔T01进行第二均压升压步骤；

9、第一均压升步骤1R：第二均压升压步骤完成后，多通阀2A与一均/终充管道5联通，此时吸附塔T05的多通阀2E也与一均/终充管道5联通，吸附塔T01与吸附塔T05进行均压，吸附塔T05进行第一均压降压步骤，吸附塔T01进行第一均压升压步骤；

10、最终升压步骤FR：第一均压升步骤完成后，打开最终升压调节阀8，产品气经最终升压调节阀8、一均/终充管道5进入吸附塔T 01，为吸附塔T01升压，直至吸附塔T01的压力与产品气压力平衡。

表2实例2时序

注：A：吸附步骤，1D：第一均压降压步骤，2D：第二均压降压步骤，3D：第三均压降压步骤，D：逆放步骤，V：抽空步骤，3R：第三均压升压步骤，2R：第二均压升压步骤，1R：第一均压升压步骤，FR：最终压升步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围。但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，包括原料气管道(1)、解吸气管道(2)、产品气管道(7)、降压/升压管道、以及若干台吸附塔T，吸附塔T入口连接有第一多通程控阀(12)，吸附塔T出口连接有第二多通程控阀(13)，第一多通程控阀(12)分别与原料气管道(1)和解吸气管道(2)相连接，第二多通程控阀(13)分别与降压/升压管道和产品气管道(7)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，降压/升压管道包括二均/三均管道(6)和接入至产品气管道(7)的一均/终充管道(5)，第二多通程控阀(13)分别与二均/三均管道(6)和一均/终充管道(5)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，一均/终充管道(5)与产品气管道(7)之间设有最终升压调节阀(8)。

4.根据权利要求2所述的一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，降压/升压管道还包括冲洗入管道(3)，冲洗入管道(3)分别与每个第二多通程控阀(13)相连接。

5.根据权利要求4所述的一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，降压/升压管道还包括顺放管道(4)，顺放管道(4)分别与每个第二多通程控阀(13)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，冲洗入管道(3)和顺放管道(4)之间设有顺放/冲洗调节阀(9)。

7.根据权利要求1所述的一种变压吸附气体分离系统，其特征在于，解吸气管道(2)包括逆放气管道(10)和再生出管道(11)，第一多通程控阀(12)分别与逆放气管道(10)和再生出管道(11)相连接。

8.根据权利要求1-7任意一项所述一种变压吸附气体分离系统的分离方法，其特征在于，每台吸附塔T循环经历如下步骤：吸附步骤、多次均压降压步骤、顺放步骤、逆放步骤、冲洗再生步骤、多次均压升压步骤和最终升压步骤。

9.根据权利要求1-7任意一项所述一种变压吸附气体分离系统的分离方法，其特征在于，每台吸附塔T循环经历如下步骤：吸附步骤、多次均压降压步骤、逆放步骤、抽空步骤、多次均压升压步骤和最终升压步骤。