CN1806893A - 变压吸附脱碳工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变压吸附脱碳工艺和装置。本工艺采用并列的吸附塔，将原料气中的CO2气体经吸附塔内的吸附剂吸附脱除，从而得到产品气，其工艺流程的每一循环包括吸附、降压、回收、抽真空、升压和最后充压过程。①在所述的回收过程中是从吸附塔的中上部位进行气体回收；②在所述的升压过程后，进行逆向充压过程，然后进行所述的最后充压过程；所述的逆向充压过程是将回收过程中回收的气体，经一个回收气处理系统处理后，从吸附塔顶部逆向输入吸附塔。本发明能提高工艺流程的有效气体收率，降低系统能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体分离工艺及装置，特别是一种变压吸附脱碳工艺及装置。
背景技术
目前变压吸附脱碳(脱除原料气中的CO2气体)的工艺流程主要有两种：一种是使用放空流程，即用有效气体冲洗床层，此流程的缺点是有效气体收率低。另一种使用回收流程，即将放空流程中的冲洗床层的气体从吸附塔的顶部通过压缩机回收，由于从吸附塔顶部进行回收，造成吸附塔内的杂质前沿不断向吸附塔顶部推进，造成系统解吸的能耗高，此流程的缺点是系统能耗高。
变压吸附脱碳就是利用装填于吸附塔内的固体颗粒状物质(称为吸附剂)的内外表面对CO2气体的附着能力，将原料气中的CO2气体脱除，整个工作过程就是根据要求控制产品气体中的CO2气体的含量。由于原料气是从吸附塔的底部进入吸附塔，随着时间的推移，杂质不断向吸附塔的顶部推进。在吸附塔内的杂质气体的浓度梯度始终是呈一个三角型，即上部杂质气体的浓度低，下部杂质气体的浓度高。
现将变压吸附脱碳的两种工艺流程简介如下：(原料气的组份包括：H2、N2、CO2、CO、CH4、H2S、H2O。具体含量根据各厂的工况和产品的不同也不尽相同。脱碳产品气的组份包括：H2、N2、CO2、CO、CH4、H2S、H2O。具体含量根据各厂的工艺和产品的不同也不尽相同，若产品为液氨，产品气CO2含量小于0.2％；产品为甲醇，产品气CO2含量0.5％～1.0％(联醇工艺)，2％～5％(单醇工艺)。其中吸附剂为活性氧化铝、活性碳、硅胶组成。只是根据装置的原料气成份和产品气的用途不同进行不同的配比。其中活性氧化铝的作用是除去原料气中的饱和水，活性碳的作用是除去原料气中的硫化物和部分CO2，硅胶的作用是除去原料气中的CO2。)
一、放空工艺流程(图1)
图1中阀门编号说明：
1#为原料气进口阀(即图1中的A1、B2、C3、D4)
2#为产品气出口阀(即图1中的A2、B2、C2、D2)
3#为真空泵进口阀(即图1中的A3、B3、C3、D3)
4#为均压进出口阀(即图1中的A4、B4、C4、D4)
5#为终充气进口阀(即图1中的A5、B5、C5、D5)
6#为放空气出口阀(即图1中的A6、B6、C6、D6)
此工艺流程一个循环包括：吸附、降压、放空、抽真空、升压、最后充压等过程：①吸附：原料气通过1#阀门进入吸附塔，杂质气体被吸附剂吸附后的产品气通过2#阀门流出吸附塔，进入下一工段；②降压：当产品气中指标超过生产指标时，吸附过程结束，通过4#阀门将塔吸附塔内的高压气体转移到其它需要升压的吸附塔(此过程称降压)；③放空：：当降压过程完成后，吸附塔内还高于常压，通过6#阀门将吸附塔吸附塔内的气体排放到大气中；④抽真空：排放完毕，通过3#阀门用真空泵对吸附塔抽真空，让吸附于吸附剂中的杂质气体解吸；⑤升压：当吸附吸附剂中的杂质气体解吸完毕后，通过4#阀门将其它吸附塔内的高压气体转移到吸附塔内(此过程称升压)；⑥最后充压：仅通过吸附塔内的压力转移不能将吸附塔内的压力提高到吸附压力，通过5#阀门将产品气转移到吸附塔内，让吸附塔内的压力达到吸附压力(此过程称最后充压)，最后充压完毕后，该吸附塔进入下一个吸附循环。
此流程由于有部分气体放空，造成装置的有效气体损失。
二、回收工艺流程(图2)
图2中阀门编号说明：
1#为原料气进口阀(即图2中的A1、B2、C3、D4)
2#为产品气出口阀(即图2中的A2、B2、C2、D2)
3#为真空泵进口阀(即图2中的A3、B3、C3、D3)
4#为均压进出口阀(即图2中的A4、B4、C4、D4)
5#为终充气进口阀(即图2中的A5、B5、C5、D5)
7#为回收气出口阀(即图2中的A7、B7、C7、D7)
8#为顺向终充气进口阀(即图2中的A8、B8、C8、D8)
此工艺流程一个循环包括：吸附、降压、放空、抽真空、升压、顺向充压、最后充压等过程：①吸附：原料气通过1#阀门进入吸附塔，杂质气体被吸附剂吸附后的产品气通过2#阀门流出吸附塔，进入下一工段；②降压：当产品气中指标超过生产指标时，吸附过程结束，通过4#阀门将塔吸附塔内的高压气体转移到其它需要升压的吸附塔；③回收：当降压过程完成后，吸附塔内还高于常压，通过7#阀门用压缩机将吸附塔内的气体进行回收；④抽真空：回收完毕，通过3#阀门用真空泵对吸附塔抽真空，让吸附于吸附剂中的杂质气体解吸；⑤升压：当吸附吸附剂中的杂质气体解吸完毕后，通过4#阀门将其它吸附塔内的高压气体转移到吸附塔内；⑥顺向充压：仅通过吸附塔内的压力转移不能将吸附塔内的压力提高到吸附压力，通过8#阀门将回收转移到吸附塔内；⑦最后充压：若还达不到吸附压力，再通过5#阀门将产气转移到吸附塔内，让吸附塔内的压力达到吸附压力，最后充压完毕后，该吸附塔进入下一个吸附循环。
此流程由于回收气全部通过吸附塔顶部流出，造成吸附塔内的杂质气体不断向吸附塔上部污染，造成系统抽真空的解吸难度增加(即增加能耗)。另外：由于回收气作为顺向升压气体，通过吸附塔底部进入吸附塔，此步骤造成杂质气体向吸附塔上部推进，从而减小了吸附剂的利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的变压吸附脱碳工艺及装置，克服已有技术中存在的上述问题，提高工艺流程的有效气体收率，降低系统能耗。
为达到上述发明目的，本发明的构思是：
本发明工艺流程采用从吸附塔的中上部位进行气体回收。在回收的同时，吸附塔内的上部的气体由上向下从吸附塔中上部位流出，此过程相当于是冲洗过程，通过这种方式来减轻抽真空解吸的难度，降低能耗。本流程的附加的技术特征是：将回收气体进行单独处理，处理后的气体从吸附塔的顶部进入吸附塔，此过程的意义在于，将吸附塔上部的杂质向吸附塔下部推赶，从而提高吸附剂的利用率。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种变压吸附脱碳工艺，采用并列的吸附塔，将原料气中的CO2气体径吸附塔内的吸附剂吸附脱除，从而得到产品气，其工艺流程的每一循环包括吸附、降压、回收、抽真空、升压和最后充压过程，其特征在于：
(1)在所述的回收过程中是从吸附塔的中上部位进行气体回收；
(2)在所述的升压过程后，进行逆向充压过程，然后进行所述的最后充压过程；
所述的逆向充压过程是将回收过程中回收的气体，经一个回收气处理系统处理后，从吸附塔顶部逆向输入吸附塔。本发明能提高工艺流程的有效气体收率，降低系统能耗。
上述的变压吸附脱碳工艺中，所述的吸附过程是：原料气通过原料气进口阀从吸附塔底部进入吸附塔；CO2气体被吸附剂吸附后的产品气从吸附塔顶部流出，通过产品气出口阀进入下一工序；所述的降压过程是：当产品气中指标超过生产指标时，通过均压进出口阀，将吸附塔内的高压气体转移到其它需要升压的吸附塔；所述的回收过程是：通过回收气体出口阀，用压缩机(M)从吸附塔的中上部位进行气体回收至回收气处理系统；所述的抽真空过程是：通过真空泵进口阀从吸附塔底部抽出气体，使吸附于吸附剂中的CO2气体解吸；所述的升降过程是：通过均压进出口阀，从吸附塔顶部输入其它吸附塔来的高压气体；所述的最后充压过程是：通过终充气进口阀，将产品气从吸附塔顶部输入吸附塔，使其内压力达到吸附压力。
一种上述变压吸附脱碳工艺用的装置，包括并列的吸附塔，原料气管路通过原料气进口阀连接吸附塔底部，产品气管路通过产品气出口阀连通吸附塔顶部，有真空泵通过真空泵进口阀连通吸附塔的底部，均压管道通过均压进出口阀连通吸附塔的顶部，其特征在于吸附塔的中上部位通过回收气出口阀，经一个压缩机(M)连通一个回收气处理系统的进口，所述的回收气处理系统的出口连通终充气管路，终充气管路通过终充分进口阀连通吸附塔的顶部。
上述的变压吸附脱碳工艺用的装置，共有4～20台吸附塔并列安装。
下面结构附图加以进一步说明：参见图3。
图3中阀门编号说明：
1#为原料气进口阀(即图3中的A1、B2、C3、D4)
2#为产品气出口阀(即图3中的A2、B2、C2、D2)
3#为真空泵进口阀(即图3中的A3、B3、C3、D3)
4#为均压进出口阀(即图3中的A4、B4、C4、D4)
5#为终充气进口阀(即图3中的A5、B5、C5、D5)
7#为回收气出口阀(即图3中的A7、B7、C7、D7)
本发明的工艺流程一个循环包括：吸附、降压、回收、抽真空、升压、逆向充压、最后充压等过程：①吸附：原料气通过1#阀门进入吸附塔，杂质气体被吸附剂吸附后的产品气通过2#阀门流出吸附塔，进入下一工段；②降压：当产品气中指标超过生产指标时，吸附过程结束。通过4#阀门将吸附塔内的高压气体转移到其它需要升压的吸附塔；③回收：当降压过程完成后，吸附塔内还高于常压，通过7#阀门用压缩机将吸附塔内的气体进行回收；④升压：回收完毕，通过3#阀门用真空泵对吸附塔抽真空，让吸附于吸附剂中的杂质气体解吸(此过程称抽真空)；⑤、当吸附吸附剂中的杂质气体解吸完毕后，通过4#阀门将其它吸附塔内的高压气体转移到吸附塔内；⑥逆向充压：仅通过吸附塔内的压力转移不能将吸附塔内的压力提高到吸附压力，先通过5#阀门将回收转移到吸附塔内；⑦最后充压：若还达不到吸附压力，再通过5#阀门将产气转移到吸附塔内让吸附塔内的压力达到吸附压力，最后充压完毕后，该吸附塔进入下一个吸附循环。
本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的工艺流程中采用从吸附塔的中上部位进行气体回收，相当于一个冲洗过程，从而减轻抽真空解吸的难度，降低能耗。本发明将回收气体进行单独处理，处理后的气体从吸附塔顶部进入吸附塔，将吸附塔上部的杂质向吸附塔下部推进，从而提高吸附剂的利用率。
本工艺流程的经济价值为：相当于放空艺流程，有效气体总收率能提高3％；相对于回收工艺流程，系统能耗能降低10％，相同能力的装置投资能降低7％。
附图说明
图1是已知技术的放空工艺流程用装置结构示意图。
图2是已知技术的回收工艺流程用装置结构示意图。
图3是本发明的变压吸附脱碳工艺用装置结构示意图。
图4是本发明一个实施例的变压吸附脱碳工艺用装置的结构示意图。
图5是本发明二个实施例的变压吸附脱碳工艺用装置的结构示意图。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例1
参见图4，本工艺过程是6000Nm3/h变压吸附脱碳工艺过程
此工艺流程是生产液醇，变压吸附脱碳的产品气的CO2含量为0.2％。系统由六台吸附塔组成，装置运行过程中同时有两台吸附塔吸附，两台吸附塔同时抽真空，两次压力均衡，简称6-2-2-2/V工艺流程。每一个吸附塔在一次循环中都要经过：吸附(A)、压力第一均衡降(E1L)、压力第二均衡降(E2L)、回收(RP)、抽真空(CU)、压力第一均衡升(E1R)、压力第二均衡升(E2R)、逆向充压(RRL)、最后充压(RL)等九个步序。
现以A塔在一个循环内经历九个步序的工况为例，对本装置变压吸附工艺过程进行说明。
(1)吸附(A)
开启程控阀KVA1、KVA2，原料气通过KVA1进入A塔，原料气中CO2和水(杂质组份)等在吸附压力下被吸附剂吸附，未被吸附的H2、N2、CO、CH4等组份(称为净化气)，经KVA2进入产品气总管送出界外。当CO2的吸附前沿到达吸附塔设定的一位置时关闭KVA1、KVA2，原料气停止进入A塔。塔内保持吸附时的压力。
(2)压力第一均衡降(E1L)
A塔吸附步骤停止后，即开启KVA4及KVF4。使A塔出口端和刚结束压力第二均衡升步骤的C塔的出口端相连通，A塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由A塔出口端经KVA4及KVF4阀，从A塔进入F塔。该步骤结束时，A塔和F塔压力基本达到平衡，从A塔内的CO2吸附前沿还未达到的出口端。
(3)压力第二均衡降(E2L)
A塔压力第一均衡降后，A塔和F塔压力基本达到平衡，关闭KVF4阀，打开KVC4阀，A塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由A塔出口端经KVA4及KVC4阀，从A塔进入C塔。该步骤结束时，A塔和C塔压力基本达到平衡，而A塔内的CO2吸附前沿还未达到出口端。
(4)回收(RP)
A塔压力第二均衡降后，A塔和C塔压力基本达到平衡，此时的压力略高于常压，关闭KVA4和KVC4阀，打开KVA7。将塔内气体通过回收的压缩机将A塔内的气体进行回收，回收后的气体进入回收气处理系统。
(5)抽真空(CU)
A塔回收完毕后，A塔的压力基本达到常压或微负压。打开KVA3阀，对A塔抽真空，该步骤结束后，A塔内的吸附剂再生完全。
(6)压力第一均衡升(E1R)
A塔抽真空后，A塔内的吸附剂再生完全，关闭KVA3阀，打开KVA4和KVB4阀，B塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由B塔出口端经KVA4及KVB4阀，从B塔进入A塔。该步骤结束时，B塔和A塔压力基本达到平衡。
(7)压力第二均衡升(E2R)
A塔压力第一均衡升后，B塔和A塔压力基本达到平衡。打开KVA4和KVF4阀，F塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由F塔出口端经KVA4及KVF4阀，从F塔进入A塔。该步骤结束时，F塔和A塔压力基本达到平衡。
(8)逆向充压(RRL)
A塔压力第二均衡升后，F塔和A塔压力基本达到平衡。但A塔压力还达不到吸附压力，打开KVA5，将回收气处理系统的气体充入A塔。
(9)最后终充(RL)
逆向充压完成后，A塔内的压力还达不到吸附压力打开KVA5阀，将产品气通过终充调节阀和KVA5阀进入A塔。使A塔的压力升至吸附压力。该步骤结束时。A塔的压力相应和吸附压力相同。
接下，A塔又准备开始下一个循环的吸附步序。
本工艺用的装置如图4所示：由6台吸附塔并列安装构成，原料气管路通过泵料气进口阀KV201A、KV201B、KV201C、KV201D、KV201E、KV201F连通吸附塔底部，产品气管路通过产品出口阀KV202A～F连通吸附塔的顶部，有真空泵通过真空泵进口阀KV203A～F连通吸附塔的底部，均压管道通过均压进出口阀KV204A～F连通吸附塔的顶部，吸附塔的中上部通过回收气出口阀KV207A～F往一个压缩机M连通一个回收气处理系统的进口，所述的回收气处理系统的出口连通终充气管路，终充气管路通过终充气进口阀KV205A～F连通吸附塔的顶部。
实施例2
本实施例是：参见图5，本工艺过程是15000Nm3/h变压吸附脱碳工艺过程
此工艺流程是生产联醇，变压吸附脱碳的产品气的CO2含量为0.5％～1％。系统由八台吸附塔组成，装置运行过程中同时有三台吸附塔吸附，两台吸附塔同时抽真空，三次压力均衡，简称8-3-2-3/V工艺流程。每一个吸附塔在一次循环中都要经过：吸附(A)、压力第一均衡降(E1L)、压力第二均衡降(E2L)、压力第三均衡降(E3L)、回收(RP)、抽真空(CU)、压力第一均衡升(E1R)、压力第二均衡升(E2R)、压力第三均衡升(E3R)、逆向充压(RRL)、最后充压(RL)等十一个步序。
现以A塔在一个循环内经历十个步序的工况为例，对本装置变压吸附工艺过程进行说明。
(1)吸附(A)
开启程控阀KVA1、KVA2，原料气通过KV201A进入A塔，原料气中CO2和水(杂质组份)等在吸附压力下被吸附剂吸附，未被吸附的H2、N2、CO、CH4等组份(称为净化气)，经KV202A进入产品气总管送出界外。当CO2的吸附前沿到达吸附塔设定的一位置时关闭KV201A、KV202A，原料气停止进入A塔。塔内保持吸附时的压力。
(2)压力第一均衡降(E1L)
A塔吸附步骤停止后，即开启KV204A及KV204C。使A塔出口端和刚结束压力第二均衡升步骤的C塔的出口端相连通，A塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由A塔出口端经KV204A及KV204C阀，从A塔进入C塔。该步骤结束时，A塔和C塔压力基本达到平衡，从A塔内的CO2吸附前沿还未达到的出口端。
(3)压力第二均衡降(E2L)
A塔压力第一均衡降后，A塔和C塔压力基本达到平衡，关闭KV204C阀，打开KV204H阀，A塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由A塔出口端经KV204A及KV204H阀，从A塔进入H塔。该步骤结束时，A塔和H塔压力基本达到平衡，而A塔内的CO2吸附前沿还未达到出口端。
(4)压力第三均衡降(E3L)
A塔压力第二均衡降后，A塔和D塔压力基本达到平衡，关闭KV204H阀，打开KV204D阀，A塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由A塔出口端经KV204A及KV204D阀，从A塔进入D塔。该步骤结束时，A塔和D塔压力基本达到平衡，而A塔内的CO2吸附前沿还未达到出口端。
(5)回收(RP)
A塔压力第三均衡降后，A塔和D塔压力基本达到平衡，此时的压力略高于常压，关闭KV204A和KV204D阀，打开KV204A。将塔内气体通过回收的压缩机将A塔内的气体进行回收，回收后的气体进入回收气处理系统。
(6)抽真空(CU)
A塔回收完毕后，A塔的压力基本达到常压或微负压。打开KV203A阀，对A塔抽真空，该步骤结束后，A塔内的吸附剂再生完全。
(7)压力第一均衡升(E1R)
A塔抽真空后，A塔内的吸附剂再生完全，关闭AKA3阀，打开KV204A和KV204B阀，B塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由B塔出口端经KV204A及KV204B阀，从B塔进入A塔。该步骤结束时，B塔和A塔压力基本达到平衡。
(8)压力第二均衡升(E2R)
A塔压力第一均衡升后，B塔和A塔压力基本达到平衡。打开KV204A和KV204G阀，G塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由G塔出口端经KV204G及KV204A阀，从G塔进入A塔该步骤结束时，G塔和A塔压力基本达到平衡。
(9)压力第三均衡升(E3R)
A塔压力第一均衡升后，C塔和A塔压力基本达到平衡。打开KV204A和KV204C阀，C塔内死空间气体(系指吸附剂颗粒之间及吸附剂内部空隙的气体)由C塔出口端经KV204C及KV204A阀，从C塔进入A塔该步骤结束时，C塔和A塔压力基本达到平衡。
(10)逆向充压(RRL)
A塔压力第三均衡升后，C塔和A塔压力基本达到平衡。但A塔压力还达不到吸附压力，打开KV205A，将回收气处理系统的气体充入A塔。
(11)最后终充(RL)
A塔逆向充压步骤结束后。打开KV205A阀，将产品气通过终充调节阀和KV205A阀进入A塔。使A塔的压力升至吸附压力。该步骤结束时。A塔的压力相应和吸附压力相同。
接下A塔又准备开始下一个循环的吸附步序。
本工艺用的装置如图5所示，基本上与实施例1的装置相同，所不同之处是：本实施例由8台吸附塔并列安排构成。
Claims (4)
1.一种变压吸附脱碳工艺，采用并列的吸附塔，将原料气中的CO2气体经吸附塔内的吸附剂吸附脱除，从而得到产品气，其工艺流程的每一循环包括吸附、降压、回收、抽真空、升压和最后充压过程，其特征在于：
(1)在所述的回收过程中是从吸附塔的中上部位进行气体回收；
(2)在所述的升压过程后，进行逆向充压过程，然后进行所述的最后充压过程；
所述的逆向充压过程是将回收过程中回收的气体，经一个回收气处理系统处理后，从吸附塔顶部逆向输入吸附塔。本发明能提高工艺流程的有效气体收率，降低系统能耗。
2.根据权利要求1所述的变压吸附脱碳工艺，其特征在于所述的吸附过程是：原料气通过原料气进口阀(A1、B1、C1、……)从吸附塔底部进入吸附塔；CO2气体被吸附剂吸附后的产品气从吸附塔顶部流出，通过产品气出口阀(A2、B2、C2、……)进入下一工序；所述的降压过程是：当产品气中指标超过生产指标时，通过均压进出口阀(A4、B4、C4、……)，将吸附塔内的高压气体转移到其它需要升压的吸附塔；所述的回收过程是：通过回收气体出口阀(A7、B7、C7、……)，用压缩机(M)从吸附塔的中上部位进行气体回收至回收气处理系统；所述的抽真空过程是：通过真空泵进口阀(A3、B3、C3、……)从吸附塔底部抽出气体，使吸附于吸附剂中的CO2气体解吸；所述的升降过程是：通过均压进出口阀(A4、B4、C4、……)，从吸附塔顶部输入其它吸附塔来的高压气体；所述的最后充压过程是：通过终充气进口阀(A5、B5、C5、……)，将产品气从吸附塔顶部输入吸附塔，使其内压力达到吸附压力。
3.一种权利要求1所述变压吸附脱碳工艺用的装置，包括并列的吸附塔，原料气管路通过原料气进口阀(A1、B1、C1、……)连接吸附塔底部，产品气管路通过产品气出口阀(A2、B2、C2、……)连通吸附塔顶部，有真空泵通过真空泵进口阀(A3、B3、C3、……)连通吸附塔的底部，均压管道通过均压进出口阀(A4、B4、C4、……)连通吸附塔的顶部，其特征在于吸附塔的中上部位通过回收气出口阀(A7、B7、C7、……)，经一个压缩机(M)连通一个回收气处理系统的进口，所述的回收气处理系统的出口连通终充气管路，终充气管路通过终充分进口阀(A5、B5、C5、……)连通吸附塔的顶部。
4.根据权利要求3所述的变压吸附脱碳工艺用的装置，其特征在于共有4～20台吸附塔并列安装。
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