CN1209352A - 用于脱碳的改进变压吸附法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于脱碳的改进变压吸附法,其改进的技术措施:一是在系统中增加了均压塔;二是在吸附再生循环的每一个时段保持有两个或两个以上吸附塔同时处于吸附步骤;三是保持每一个时段有一个或一个以上吸附塔,同时处于抽真空步骤,且抽真空为连续的。使用本发明方法可进一步提高氢气回收率和其它指标,降低生产成本,节省25%的工程费用和配套费用,而且设备利用率高,实用性强,能满足工厂连续化生产的要求。

Description

用于脱碳的改进变压吸附法

本发明属于气体分离变压吸附技术领域，是一种从水煤气或半水煤气经过变换后的气体中脱除二氧化碳，同时根据要求尽可能多地脱除一氧化碳或尽可能多地回收(即不脱除)一氧化碳，所得到的产品气用于不同的化工生产中的改进变压吸附法。该工艺方法还可以在放空和抽真空过程中回收高浓度的二氧化碳气体。

在化工领域中，水煤气或半水煤气经常被作为原料用于生产，但在生产不同的化工产品时，对水煤气或半水煤气有不同的处理方法。如在合成氨的生产过程中，半水煤气经过变换后的气体典型组成为：氢气48～52％；氮气18～22％；一氧化碳1～3％；二氧化碳24～28％；甲烷1～3％；氧气加氩气小于1％(以上、以下单位都为体积百分数)。在甲醇生产过程中，其变换后气体的典型组成为：氧气60％；氮气2％；一氧化碳22.8％；二氧化碳15.2％；氧气加氩气少量。由于在上述变换气体中存在着大量后续工艺不需要的二氧化碳、一氧化碳等杂质组份，因而必须要脱碳后，才能作为原料气用于后续工序的生产。作为脱碳的传统方法很多，但由于存在诸多问题，正在被后来出现的流程简单、能量利用率更高的变压吸附法所替代。

目前利用变压吸附法从合成氨厂变换气中脱碳的较为典型的技术是中国专利CN1069708A公开的一种“从氨厂变换气脱除二氧化碳的变压吸附工艺”。该工艺技术的主要特点是用抽真空取代了已有变压吸附工艺中的顺向降压和冲洗，使得产品气(氢和氮)的回收率得到较大的提高，且其中所含二氧化碳浓度可控制在0.5％(体积百分数)以下，但抽真空的过程是不连续的。根据对已有技术的了解和分析，本发明人认为，上述的变压吸附工艺仍有不足之处，如氢气回收率不够理想；对脱除的二氧化碳未能回收；工程费用高、设备利用率低，不能更好地体现变压吸附工艺在脱碳中的优越性。

因此，本发明的任务之一是克服已有技术存在的缺点，拟提供一种能进一步提高氢气回收率和其它指标，回收高浓度二氧化碳，降低生产成本的改进变压吸附工艺方法。

本发明的任务之二是降低工程费用及配套费用，提高设备利用率，满足连续化生产的要求。

本发明的任务之三是在上述基础上进一步降低工程费用。

本发明的任务之一是由这样一种技术解决方案完成的：即在采用由多个吸附塔组成的吸附再生循环系统中，每一个吸附塔都依次按吸附→均压降→放空→抽真空→均压升→最终充压步骤完成一次吸附再生循环工艺过程，在这一过程的每一个时段中各个吸附塔又分别处在不同的工艺步骤。系统中还设置有均压塔(即没有装吸附剂的空塔)。均压塔可根据要求采用1～10个的组合，均压降、均压升既可以在吸附塔之间进行，又可以采用或同时采用在吸附塔与均压塔之间进行。均压次数可为1～10次。

本发明第二个任务的完成是在上述技术方案的基础上，使吸附再生循环过程的每一个时段都始终保持系统中有两个或两个以上的吸附塔同时处于进气吸附步骤。

完成本发明第三个任务的技术方案则是在吸附再生循环过程的每一个时段，系统中保持有一个或一个以上吸附塔同时处于抽真空步骤，且抽真空在整个工艺过程是连续的。

本发明的具体工艺过程控制如下：

1．吸附：采用两个或两个以上的吸附塔同时进原料气，并在接近原料气压力0.2～4.0MPa(表压)下进行吸附。吸附压力最好控制在0.6～1.8MPa(表压)。吸附塔中的吸附剂可根据需要选用分子筛、煤质活性碳、果壳活性碳、硅胶、活性氧化铝等及其它能够选择吸附原料气中二氧化碳和一氧化碳的吸附剂。在合成氨生产中，原料气经塔内吸附床层后，二氧化碳和大部份一氧化碳等作为杂质被吸附剂吸附，其余气体作为产品气引出。在甲醇生产中，二氧化碳等作为杂质被吸附剂吸附，其余气体则作为产品气引出。原料气既可从吸附塔下部也可从吸附塔上部进入，对应引出的产品气则相反。

2．均压降：在吸附剂床层接近饱和时，停止进原料气，然后顺着进气方向将吸附塔内的压力降低，以回收塔内大量的死空间气体。此过程既可以完全在吸附塔之间进行，又可以完全在吸附塔与均压塔之间进行或者同时采用在吸附塔之间和吸附塔与均压塔之间进行。均压次数可为1～10次，具体次数根据对氢气回收率和产品气中二氧化碳浓度的要求而定。从提高氢气回收率及缩短工艺时间综合考虑，均压降过程最好依次数同时采用在吸附塔之间和吸附塔与均压塔之间进行。均压降的终压一般控制为吸附压力的10％～15％。

3．放空：均压降结束后，即将塔内尚剩余气体顺着进气方向(顺放)或逆着进气方向(逆放)排放到塔外，为了适应工艺要求缩短放空时间，还可以采取顺放和逆放同时进行，直至塔内压力降至大气压，此时吸附剂得到部份解吸。在放空的中后期，由于排放的气体中二氧化碳的浓度为85％以上，可通过装置切换收集回来利用。

4．抽真空：在放空过程中，吸附剂虽已得到部份解吸，但是要更深层的解吸，必须采用抽真空的方法。抽真空是逆着进原料气的方向对吸附床层进行，使吸附剂上吸附的杂质从吸附剂上进一步脱附出来。抽空压力控制为-0.04～-0.096MPa(表压)。在抽空排放气中二氧化碳浓度可高达95％，因而也收集回来利用。为了使真空泵工作效率大幅度提高，同时省去价格昂贵、占地面积大的真空缓冲罐，在工艺安排上，本发明使系统中一个或一个以上吸附塔抽真空步骤刚完成，正好是另一个或一个以上的吸附塔抽真空步骤的开始，故抽真空过程相对于整个系统的运作来说是连续的。

5．均压升：与均压降相反，均压升是把高于该吸附塔压力的气体从其他正处于均压降步骤的吸附塔或/和装有均压降步骤均过来气体的均压塔中倒充进处于这一步骤的吸附塔，使塔内压力升高。其均压升的次数与均压降次数相同。

6．最终充压：在经过均压升后，吸附塔内的压力与吸附工作压力仍有0.1～0.35MPa的差距，因而需对其再次充压，以使塔内压力达到吸附工作压力。最终充压是用产品气从产品端或用原料气从进气端对吸附塔进行充压。为了适应工艺要求缩短终充时间，也可采用产品气从产品端和原料气从进气端同时对吸附塔进行充压。当压力达到吸附工作压力后，该塔即可重新进入下一循环的吸附步骤。

本发明与已有技术相比，具有的优点有：

1．进一步提高了氢气回收率和其它指标，降低了生产成本。本发明由于在系统中设置有均压塔，并且采用了吸附塔之间以及吸附塔与均压塔之间的多次均压，这样就使得在现有设备的前提条件下，吸附塔的放空压力比以往明显降低，一般降幅在0.1～0.35MPa，从而使氢气的回收率达99％，氮气的回收率达93％，产品气中的二氧化碳浓度为0.2％(体积百分数)以下，同时还可回收浓度为85～96％的二氧化碳。此外，在同样达到使放空压力降低的要求下，采用均压塔也比用吸附塔明显降低了生产成本。

2．本发明采用的两个或两个以上的吸附塔同时进原料气吸附以及在系统中设置有均压塔的方法，与已有的单塔进原料气和未设置有均压塔的系统相比，在处理同等气量的条件下，可大大降低工程费用及配套费用。以六塔工艺流程为例，采用本发明方法的六个塔的吸附剂总用量比以往流程的用量节省 $\frac{1}{4}$ ，设备体积减小 $\frac{1}{4}$ ，相应的管道，阀门大小也要减小30％。这样本发明在吸附剂用量和设备制作费用上可节省25％的工程费用，同时还节省了配套费用，经济效益和社会效益十分显著。再加上在吸附剂的解吸过程中采用了连续抽真空的方法，使得系统中真空泵的效率大幅度提高，真空泵的使用台数比以往流程要节省15％，因而还可进一步降低工程费用，同时还使解吸更加完全。

3．由于本发明变压吸附法可在同套工业装置上变换使用多套工艺流程，因而使得设备利用率高，实用性强。如在由六个吸附塔和二个均压塔组成的六塔双进四均压的工艺流程中，其中一个吸附塔的阀门出现故障，则可变换采用五塔双进三均压的工艺，这种组合又有六种，同时系统不需要停止工作就可进行维修，并且处理原料气的量还可保持不变，非常适合工厂连续化生产的要求。

4．本发明工艺方法简单、通用性强，不仅可用于合成氨的生产，还可用于甲醇的生产以及其它需要脱碳的混合气体的分离。

下面给出实施例并对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例为由六个吸附塔和四个均压塔组成的系统，该系统采用六塔双进双抽五均压工艺。在吸附再生循环过程的每一个时段中，系统各塔的步序如下表所示：

步序…………→

原料气经过管道输送至变压吸附界区内，经过调压系统将此时的原料气压力控制在0.6～1.8MPa(表压)后同时进入A塔和F塔(双进)，并在此压力范围内吸附。原料气中杂质被吸附剂吸附滞留在吸附床层内，合格的产品气从A塔和F塔引出。其余四塔有两塔(B塔和E塔)处在抽真空(双抽)步骤等，另两塔则在各自依次进行解吸再生的其它步骤。系统一次吸附再生循环周期大约80分钟。在本实施例中，第一次均压降是在吸附塔之间进行，压力下降至原吸附压力的65％左右，后四次均压则是在吸附塔与均压塔之间进行，压力最终降至原吸附压力的10％，约为0.15MPa左右。均压升则反之。放空采用逆放减压至大气压。抽真空终了的压力一般要求达到-0.053～0.096MPa(表压)。在合成氨生产中，用上述工艺流程和工艺参数处理氢气浓度为51.6％，二氧化碳浓度为27.0％，甲烷浓度为1.4％，一氧化碳浓度为1.0％，氮气浓度为18.9％，氧气浓度为0.1％(以上、以下单位均为体积百分数)的原料气，可获得氢气浓度为72.5％，二氧化碳浓度为0.1％，氮气浓度为24.9％，一氧化碳浓度为0.8％，其余组份浓度为1.7％的产品气。此时氢气的回收率是99％，氮气的回收率是93％。当用上述工艺流程及参数处理氢气60％，氮气2％，二氧化碳15.2％，一氧化碳22.8％的甲醇生产原料气时，可获得组成为氢气69、7％，氮气1.5％，二氧化碳2.5％(后续工艺要求保留1～3％)，一氧化碳26.3％的产品气。此时氢气的回收率为99％，一氧化碳的回收率为96％。在解吸过程中所排放的高浓度二氧化碳回收经后续处理可得到浓度为98.5％的二氧化碳用于工业生产。

实施例二：

本实施例为由五个吸附塔和四个均压塔组成的系统，该系统采用五塔双进单抽五均压工艺，其各塔步序如下表所示：

步序…………→

当实施例一所述的六塔双进双抽五均压工艺流程中任何一塔出现故障时，为确保化工生产的连续性，可采用本套工艺流程。虽然只有五个吸附塔工作，但可保持处理原料气的能力不变，只是氢气的回收率要低一些。反之，则处理原料气的能力有所降低。本实施例各步骤工艺控制参数除均压降终了的压力因少了一个吸附塔而改为只降至0.22MPa外，其余与实施例一相同，故略去不述。在本实施例系统中，用上述工艺流程及参数分别处理与实施例一相同的原料气后，在合成氨生产中，其产品气组成浓度与实施例一基本相同，但氢气的回收率为96％(保证处理原料气量不变的情况下)，氮气的回收率为90％。而在甲醇生产中，当产品气组成浓度与实施例一基本相同的情况下，得到的氢气回收率为96％，一氧化碳的回收率为94％。

实施例三：

本实施例仍为由六个吸附塔和四个均压塔组成的系统，但本系统采用六塔三进双抽四均压工艺，其各塔步序如下表所示：

步序…………→

原料气经管道输送至变压吸附界区内，经过调压系统将原料气压力控制在0.6～1.8MPa(表压)后同时进入A、C、D塔(三进)，并在此压力范围内吸附。原料气中的杂质被吸附剂吸附滞留在吸附床层内，其余气体作为合格的产品气从A、C、D塔引出。其余三塔各自依次进行解吸再生循环的其它步骤。本工艺一次循环周期大约30分钟。在本实施例中，四次均压降均在吸附塔与均压塔之间进行。其中第一次压力下降控制为原吸附压力的20％，其后三次均压后压力下降至原吸附压力的10％，约为0.15MPa左右。由于本实施例其它工艺步骤参数控制与实施例一相同，故不赘述。用本实施例的工艺流程和参数处理与实施例一相同组成浓度的原料气，不管是在合成氨生产还是甲醇生产中，都可得到与实施例一基本相同组成浓度的产品气，且各自氢气、氮气或一氧化碳的回收率与实施例一相比可保持不变。同时也可将解吸过程中排放的高浓度二氧化碳回收，经后续处理获取浓度为98.5％的二氧化碳用于工业生产。

Claims (3)

1．一种用于脱碳的改进变压吸附法，在由多个吸附塔组成的吸附再生循环系统中，每一个吸附塔都依次按吸附→均压降→放空→抽真空→均压升→最终充压等步骤完成一次吸附再生循环工艺过程，但在每一个时段中各个吸附塔又分别处在不同的工艺步骤，其中均压降、均压升是在吸附塔之间进行，其特征在于系统中还设置有均压塔，均压塔可采用1～10个的组合，并且均压降，均压升还可或同时在吸附塔与均压塔之间进行，均压次数可为1～10次。

2．根据权利要求1所述的用于脱碳的改进变压吸附法，其特征在于在系统吸附再生循环过程的每一个时段中都始终保持有两个或两个以上的吸附塔同时处于进气吸附步骤。

3．根据权利要求1或2所述的用于脱碳的改进变压吸附法，其特征在于在系统吸附再生循环过程的每一个时段中，有一个或一个以上的吸附塔同时处于抽真空步骤，并且抽真空在整个工艺过程中是连续的。