CN1243763A - 采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物的方法以及实现该方法的工厂设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物的方法,其中,对每一个吸收器采用了压力变化循环,它包括吸收、减压/再生和升压阶段的一系列步骤。循环还至少临时包括了隔离吸收器(Ⅱ;Ⅳ)的一个或一个以上的步骤,在该步骤中记录了被隔离吸收器的压力变化。

Description

采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物 的方法以及实现该方法的工厂设备
本发明涉及了采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物的方法，其中，对每一个吸收器采用了压力周期性变动的循环，它包括吸收、减压/再生和升压阶段的一系列步骤。
对于所有压力变化类型的吸收循环均可实现本发明，例如如下的循环：
-所谓VSA(真空周期性变动的吸收)循环，其中，基本上在大气压力下进行吸收，循环的最小压力要比该大气压力低得多，通常的量级为250到500毫巴。一般采用三个吸收器的设备来实现这些循环；
-所谓MPSA超大气循环，它与上述循环的不同之处在于：在比大气压力高得多的压力下进行吸收，通常的量级为1.3到2巴。一般采用两个吸收器的设备来实现这些循环；
-所谓PSA(压力周期性变动的吸收)循环，其中，在比大气压力高得多的压力下进行吸收，通常的量级为3到50巴，同时循环的最小压力基本上等于大气压力或者等于几巴的压力。
以下涉及了后者的应用，并采用缩写词PSA来作为描述所有循环的通用术语。另外，所表示的压力为绝对压力。
词语“压力周期性变动的吸收”或PSA在这里用于表示已提出的各种循环，例如采用基本上为等温的选择性吸收作用，从蒸汽转化的合成气体中生产氢气，每个吸收器的压力在高压和低压之间变化。循环的高压可大于或等于大气压力，而循环的低压可等于或小于大气压力。这些运行过程包括了吸收器的吸收、减压/再生和再加压的各个步骤的组合。
另外，下文中术语“入口”和“出口”表示在吸收阶段中吸收器的入口和出口端；词语“顺流”表示在该吸收阶段中吸收器内气体流动的方向；词语“逆流”表示相反的流动方向。
所谓PSA工厂设备，也就是实现上述PSA循环的工厂设备，均充分利用了日益增长的成果，特别是在提纯氢气、处理天然气体、分离空气中的气体、再生溶液和分馏合成气体等方面的成果。
这些成果引导着PSA工厂设备的制造厂商来制造工厂设备，这些工厂设备尽管运行较好，但也变得越来越复杂。
这从以下事实可以看出：工厂设备包括了与大量阀门相连接的许多吸收器。
因此，例如在报告US 4 834 780中描述的PSA工厂设备，包括了6个吸收器和37个阀门，在报告US 4 475 929中描述的另一个工厂设备包括了10个吸收器和67个阀门。
如果循环的适当运行依赖于打开和关闭可得到所需压力循环的阀门的顺序，则易于看到，在每个循环上工作的这些阀门中，有一个产生误动作就可能引起PSA工厂设备运行的严重问题。
例如，应特别强调造成阀门误动作的两种情形：
1)第一种误动作是在于阀门的机械故障，使得尽管已发出了打开指令而阀门仍然保持关闭(或者情形相反)，或者阀门仅仅非常缓慢地打开或关闭。
装在阀门中或者可能时与定时系统连接的位移传感器可以发现这种事故。
另外，如果这种类型的误动作一般引起各个吸收器压力循环的明显不平衡，则这种事故相当容易判断。
2)第二种误动作可能由已关闭阀门的密封缺陷所引起，它导致在各吸收器之间，或者吸收器和生产物管线或残余物管线之间的内部泄漏。
与机械故障不同，在运行中的设备上很难发现已关闭的不密闭阀门中的泄漏。
尽管如此，由于吸收器的不平衡运行，或者直接由于生产物漏失到残余气体的管线中，它们会造成起PSA工厂设备性能的降低。
为了识别在关闭状态下具有密封缺陷的阀门，通常采用定期的停产检修来进行密封试验。
但是，这种类型检查具有费时费力的缺点。另外，由于是在工厂设备停产期间检查，这些检查只能在相隔很久的时间上进行。
但是，如果由阀门密封缺陷引起并导致提取效率降低几个百分点的生产损失可能延续几个月，则这种损失是很显著的。
本发明的目的是提供一种方法来克服这些缺点，它能够在PSA工厂设备的工作循环期间发现密封缺陷。
为此，本发明涉及一种方法，它采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物，其中，对每个吸收器采用压力周期性变动的吸收循环，它包括吸收、减压/再生和升压阶段的一系列步骤，运行过程的特征在于：循环还至少临时包括了隔离吸收器的一个或一个以上的步骤，在该步骤中记录了被隔离吸收器中的压力变化。
本发明的方法还具有一个或几个以下的特征：
-在循环的高压和低压之间的中等压力上进行隔离步骤，
-把所记录的压力变化与预定的界限值比较，当压力变化超出预定界限值时发出警告，
-隔离步骤的时间为总循环时间的0.5％到5％之间，
-隔离步骤的时间大于5秒，最好在10到20秒之间，
-在平衡吸收器之间压力的两个步骤之间进行隔离吸收器的步骤，
-在吸收器的第一个顺流减压步骤之后和气体洗脱步骤之前，特别是紧接在上述第一个顺流减压步骤之后进行上述隔离步骤，
-在吸收器的第一个再加压步骤之后和最终再加压步骤之前，特别是紧接在最终再加压步骤之前进行上述隔离步骤，
-循环的高压和低压之间的压差大于或等于6巴，最好是大于或等于10巴。
本发明还涉及了一种采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物的设备，它至少包括一个吸收器和一个装置，该装置在吸收器中实现包括吸收、减压/再生和升压阶段一系列步骤的压力变化循环，工厂设备的特征在于：它还包括隔离每个吸收器的装置和记录被隔离吸收器中压力变化的装置。
本发明的设备还可以具有这样的特征：设备还包括一个装置，它用于把上述记录的压力变化与在存储器中贮存的预定界限值作比较，以及一个装置，它在上述比较装置的控制下，当压力变化超出预定界限值时发出警告。
本发明还涉及了上述方法在气体混合物中，特别是在包括两种或更多种不同气体H2、N2、CO、CH4、CO2的混合物中提纯氢气的应用，以及在气体混合物中，特别是在包括两种或更多种不同气体He、N2、O2、Ar的混合物中提纯氦气的应用。
本发明的其它特征和优点将出现在以下的描述中，描述以举例方式给出，它并不意味着给出任何限制，并参照了附图，其中：
-图1简化表示了本发明的工厂设备；
-图2是一个曲线图，表示了采用图1工厂设备来实现本发明的运行过程；
-图3简化表示了本发明运行过程的一种变化方式。
图1代表的工厂设备是用于生产氢气的设备，它在相当高的压力下，通常为15到30巴的量级。
采用编号分别为I、II、III和IV的四个吸收器，依靠从输送的气体混合物作选择性的吸收来进行氢气生产。例如，所输送的气体是蒸汽转化的合成气体，并由输送管道1以不变的流率提供，采用相关的控制阀11、21、31、41把每个吸收器I到IV的入口与管道1连接。
采用相关的控制阀12、22、32和42把每个吸收器I到IV的出口与氢气生产管道2连接。
另外，一方面采用相关的控制阀13、23、33和43把每个吸收器I到IV的出口与管道3连接，以平衡吸收器之间的压力，另一方面采用相关的控制阀14、24、34和44与洗脱管道4连接。
术语“平衡吸收器之间的压力”用于表示吸收器之间的气体转移，以平衡在这些吸收器中的压力。这种平衡可以是总体的平衡，从而在平衡终了时两个相连通的吸收器中的压力相等，或者是部分的平衡，从而在平衡终了时两个相连通的吸收器中的压力并不相同。
工厂设备还具有管道5，用于排出残余的气体，采用相关的控制阀15、25、35和45把每个吸收器I到IV与管道5连接。
最后，工厂设备包括了用于平衡吸收器之间的压力的第三个管道6，采用相关的控制阀16、26、36和46把每个吸收器I到IV的出口与管道6连接。第三管道6是最终的再加压管道。为此，它由旁路87连接到生产管道2上。
另外，每个吸收器I、II、III、IV的出口与相应的监测设备100相连接。
每个监测设备100包括一个装置102，它用于记录压力变化并例如由压力传感器形成，一个存储器104，它包含着预定的压力变化界限值，一个装置106，它用于把所记录的压力变化与贮存的界限值作比较，以及一个装置108，它在上述比较装置106的控制下，当压力变化超出预定界限值时发出警告。
工厂设备还包括各种指令和控制装置(图中未示)，它们均在当前技术中熟知，并设计成可实现图2所示的压力周期性变动的吸收(PSA)循环。
在图2中，横坐标表示时间t，纵坐标表示绝对压力P，用箭头指示的线表示气体流的运动和目标。
对于每一个吸收器I到IV，表示了整个循环的四分之一，也就是说，在t＝0和t＝T/4之间，并且相互靠近地表示了吸收器I到IV的曲线图。
在该图中，当箭头平行于纵轴，它们还指示了在吸收器中流动的方向：当箭头沿着增加纵坐标的方向(在图中为向上)，则在吸收器中气流的方向为顺流。如果向上的箭头位于指示吸收器中压力的线之下，则气流通过吸收器的入口端进入吸收器；如果向上的箭头位于指示压力的线之上，则气流通过吸收器的出口端离开吸收器，入口和出口端分别是在吸收阶段中由上述吸收器来处理的气体入口端，以及从同一吸收器流出气体的出口端。当箭头沿着纵坐标减少的方向(在图中为向下)时，则在吸收器中气流的方向为逆流。如果向下的箭头位于指示吸收器压力的线之下，则气流通过吸收器的入口端离开吸收器；如果向下的箭头位于指示吸收器压力的线之上，则气流通过吸收器的出口端进入吸收器，入口和出口端仍是在吸收阶段中待处理气体的入口端和流出气体的出口端。
另外，带有编号的阀门符号已被表示在箭头上。这些阀门相应于图1中工厂设备的阀门。当这种符号画在箭头上，这意味着所指示的阀门处于打开状态并且气体流经它们。
在上述例子中，循环的高压PM量级为27巴，循环的低压量级Pm接近1.7巴。
阶段的时间T/4例如可为180秒。
应该注意到，为了在图中表示清楚起见，在图2中并未遵守压力的比例关系。
为了说明在工厂设备中同时发生的气流，参照了吸收器I来描述整个循环的第一个四分之一，也就是说在时间t＝0和t＝T/4之间，其中T是整个循环的延续时间，第二个四分之一循环参照了吸收器II，第三个四分之一循环参照了吸收器III，以及第四个四分之一循环参照了吸收器IV。为了对单个吸收器得到整个循环，仅需要把其它吸收器的四分之一循环合在一起。例如，为了得到吸收器I的整个循环，可把吸收器II在T/4和T/2之间的循环步骤，吸收器III在T/2和3T/4之间的循环步骤，以及吸收器IV在3T/2和T之间的循环步骤与在0和T/4之间的循环步骤合在一起。因此得到与所有吸收器相同的一个循环，但在时间上分别偏移T/4、T/2和3T/4。
另外，按照相关的时间间隔Δt1(在t＝0和t＝t’之间)，τ和Δt2(在t＝t’+τ和t＝T/4之间)，把每个四分之一循环再分成三个时间段，三个时间段之和等于T/4。
在Δt1期间的循环步骤吸收器I：
在Δt1期间，阀门11处于打开状态，吸收器I处于第一个顺流吸收步骤，其中，待处理的气体混合物通过管道1被引入，并在接近压力PM下被引到吸收器I的入口，以逆流方式流经吸收器。另外，阀门12处于打开状态，使得氢气生产物在吸收器I的出口流出，并送到生产物管道2。吸收器II和IV：
在Δt1期间，由于在第一个逆流再加压阶段中与吸收器IV平衡压力，吸收器II经受第一个顺流减压。为此，阀门23处于打开状态，使得从吸收器II流出的氢气流入管道3，并且依靠阀门43流入吸收器IV。
在该步骤中，吸收器II的压力从PM降到中间值PE，PE被称为平衡压力。相似地，吸收器IV的压力从Pm升到中间值PE。吸收器III：
在Δt1期间，吸收器III经受逆流减压步骤，其中阀门35处于打开状态，从吸收器III流出的气体通过管道5被排除。
在τ期间的循环步骤吸收器I和IV：
在τ期间，吸收器I处于第二个顺流吸收步骤，它与上述Δt1期间步骤的区别仅在于：通过处于打开状态的阀门46，在从PE到PM的最终再加压步骤终了时，把从生产物管道2取得的氢气流以逆流方式送入吸收器IV。吸收器II：
在Δt1期间的第一个减压步骤之后，吸收器II被隔离一段时间τ，也就是说，与吸收器II连接的所有阀门21到26均处于关闭状态。
在该τ期间的隔离步骤中，τ为总循环时间的0.5％到5％之间，记录下在吸收器II中的压力变化，并采用装置106，把所记录的压力变化与贮存在存储器104中的预定界限值作比较。
如果与吸收器II连接的所有阀门21到26在关闭状态下均无泄漏，则被隔离吸收器II的压力变化为零，压力曲线表示为不变的高度。
但是，如果与吸收器连接的阀门21到26中有一个或几个存在密封缺陷，则被隔离吸收器II的压力变化不为零，压力曲线表示为具有斜度。如果该记录的压力变化超出贮存在存储器104中的界限值，装置106指示装置108发出警告，来警告负责监视工厂设备运行的操作人员。
最好是，隔离一个吸收器步骤的时间大于5秒，最好是在10到20秒之间。
如果在一个运行循环中吸收器I到IV顺序地被隔离，则实际上可以检查工厂设备中所有阀门的密封状态，而不需要PSA工厂设备作停产检修。
在τ期间，例如在PSA工厂在全量和减量运行时，该隔离步骤可以进行连续的或临时的PSA循环。吸收器III：
在τ期间，吸收器III达到循环的低压Pm，阀门35处于打开状态，通过管道5排除从吸收器III入口流出的气体。
作为另一种变化方式，在τ期间的隔离步骤中，可采取措施使阀门43处于打开状态，使得可以检查阀门23是否具有密封缺陷，因为此时管道3中的压力将高于被隔离吸收器的压力。
在Δt2期间的循环步骤吸收器I和IV：
在Δt2期间，吸收器I处于与上述τ期间相同的第三个吸收步骤，也就是说，通过处于打开状态的阀门46，在从PE到PM的最终再加压步骤中，把从生产物管道2取得的氢气流以逆流方式送入吸收器IV。吸收器II和III：
在Δt2期间，吸收器II经受第二个顺流减压步骤，其中，把从吸收器出口流出的气体以逆流方式送入在洗脱阶段中的吸收器III。
为此，阀门24处于打开状态，使得通过管道4把从吸收器II流出的氢气流入处于洗脱阶段的吸收器III中。
阀门35保持打开状态，通过管道5排除从吸收器III流出的气体。
图3表示了图2本方法的一种变化方式。该变化方式的不同之处在于：在Δt2期间，是吸收器IV在Δt1期间的第一再加压步骤之后和最后再加压步骤之前被隔离，从而有可能由装置104来记录压力变化，以检查所连接阀门41到46的密封状态。最终的再加压步骤延续Δt2-τ。
另外，当吸收器处于压力PM或压力Pm的阶段，也可以插入隔离步骤。但是，对此并不推荐，因为此时不能发现分别属于高压和低压网络的密封缺陷。
当然，本发明也可应用于吸收器数目不是四个的工厂设备，和/或在减压期间具有一个以上的平衡吸收器之间压力操作的工厂设备。本发明也可应用于例如采用缓冲容器来平衡两个吸收器之间压力的工厂设备。这些缓冲容器也可装有压力传感器，以便在隔离步骤中发现表示一个或几个阀门密封缺陷的压力变化。
另外，该方法同样可很好地应用于高压PM和低压Pm之间压差大于6巴的PSA循环的氢气提纯，以及例如高压PM和低压Pm之间压差大于10巴的PSA循环的氦气提纯。
此外，本发明的方法也可应用于分离包括两种或更多种不同气体H2、N2、CO、CH4、CO2的气体混合物，或者分离包括两种或更多种不同气体He、N2、O2、Ar的气体混合物。
另外，作为一种变化方式，可采取措施在图1的PSA设备的管道3和4上安装压力传感器，使得可能发现由于阀门密封缺陷造成的更易产生的泄漏。
还应注意到，对于一个给定容积的吸收器，因密封缺陷造成的压力变化在隔离步骤中变得更加明显，因此在以下情形下应用本发明的方法更加有利：
-隔离步骤的时间间隔长，
-在隔离步骤中工厂设备的各种管道之间的压差大，和/或
-气体混合物主要成分的吸收能力低。

Claims (14)

1.一种采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物的方法，其中，对每个吸收器采用压力周期性变动的吸收循环，它包括吸收、减压/再生和升压阶段的一系列步骤，其特征在于：循环还至少临时包括了隔离吸收器(II；IV)的一个或一个以上的步骤，在该步骤中记录了被隔离吸收器的压力变化。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于：在高压(PM)和低压(Pm)之间的中间压力上进行隔离步骤。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于：把所记录的压力变化与预定的界限值作比较，当压力变化超出预定界限值时发出警告。
4.按照权利要求1到3的方法，其特征在于：隔离步骤的时间间隔为总循环时间的0.5％到5％之间。
5.按照权利要求1到3中任一个的方法，其特征在于：隔离步骤的时间间隔大于5秒，最好在10秒到20秒之间。
6.按照权利要求1到5中任一个的方法，其特征在于：在平衡吸收器(II；IV)之间压力的两个步骤之间进行隔离一个吸收器(II；IV)的步骤。
7.按照权利要求1到6中任一个的方法，其特征在于：在吸收器(II)的第一个顺流减压步骤之后和气体洗脱步骤之前，特别是紧接在上述第一个顺流减压步骤之后进行隔离步骤。
8.按照权利要求1到6中任一个的方法，其特征在于：在吸收器(IV)的第一个再加压步骤之后和最终再加压步骤之前，特别是紧接在最终再加压步骤之前进行上述隔离步骤。
9.按照权利要求1到8中任一个的方法，其特征在于：循环的高压(PM)和低压(Pm)之间的压差大于或等于6巴，最好是大于或等于10巴。
10.采用压力周期性变动的吸收作用来分离气体混合物的设备，它至少包括一个吸收器(I，II，III，IV)和一个装置，该装置在吸收器中实现包括吸收、减压/再生和升压阶段一系列步骤的压力周期性变动的循环，其特征在于：它还包括隔离每个吸收器(I，II，III，IV)的装置和记录被隔离吸收器(I，II，III，IV)中压力变化的装置(102)。
11.按照权利要求10的设备，其特征在于：设备还包括一个装置(106)，它用于把上述记录的压力变化与在存储器(104)中贮存的预定界限值作比较，以及一个装置(108)，它在上述比较装置(106)的控制下，当压力变化超出预定界限值时发出警告。
12.按照权利要求1到9中任一个的方法，用于在气体混合物，特别是在包括两种或更多种不同气体H2、N2、CO、CH4、CO2的混合物中提纯氢气。
13.按照权利要求1到9中任一个的方法，用于在气体混合物，特别是在包括两种或更多种不同气体He、N2、O2和Ar的混合物中提纯氦气。
14.按照权利要求1到9中任一个的方法，用于空气的分离。
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