CN219744383U - 一种变压吸附工艺系统 - Google Patents

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李世刚
刘哲男
范晓月
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Abstract

本实用新型提供了一种变压吸附工艺系统，包括：吸附塔、程控阀、调节阀、多功能缓冲罐、分析仪表、控制系统，吸附塔设置有多台并联连接，内填装有吸附剂，分析仪表设置在系统管路上，多功能缓冲罐与吸附塔连接，本系统在兼顾产品气纯度和收率的前提下，降低控制系统复杂程度，减少阀门使用数量，可根据纯度和收率要求增加均压次数，从而节约装置投资成本10‑30％，简化提纯技术，适合压力高、原料气流量小、吸附剂装填量小等应用场景，在保证产品气体纯度和收率的同时，实现设备连续运行，简化工艺流程，保证吸附剂和设备使用寿命，降低提纯投资成本和后期维护成本。

Description

一种变压吸附工艺系统
技术领域
本实用新型属于气体吸附分离领域，尤其适合高浓度气体分离技术领域，具体涉及一种变压吸附工艺系统。
背景技术
纯气、高纯气和超纯气等工业气体是重要的工业原料，在不同领域均有应用。例如，超纯氢气可以用于氢能、半导体和石油化工；纯氩广泛应用于冶炼、焊接和电子工业；纯氧气在火焰加工和钢铁冶炼中发挥重要作用。因此，高效廉价的工业气体提纯技术是众多行业发展的必备前提。
目前工业提纯气体的方法多采用PSA技术。这种技术方法通用性强，可以根据不同原料气选用不同的吸附剂，设计提纯装置。提纯设备操作简便，自动化程度高，可无人化运行，使用寿命长。但整套设备的运行系统复杂，程控阀门数量多，这就导致气体泄露点多，后期维护工作量大、成本高。
常见的工艺时序如表所示，可以看出吸附塔数量越多，可以进行的均压次数就越多，但因为各步骤相互制约，无法同时增加均压次数和冲洗时间，难以保证冲洗时间和收率。
表1六塔一进三均工艺
1 A A ED1 ED2 ED3 PP|BD P P ER3 ER2 ER1 FR
2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 PP|BD P P ER3 ER2
3 ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 PP|BD P P
4 P P ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 PP|BD
5 ED3 PP|BD P P ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2
6 ED1 ED2 ED3 PP|BD P P ER3 ER2 ER1 FR A A
表2八塔一进三均工艺
1 A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP|BD P P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR
2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP|BD P P P P ER4 ER3 ER2
3 ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP|BD P P P P ER4
4 P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP|BD P P P
5 P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP|BD BD
6 PP|BD P P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2 ED3 ED4
7 ED3 ED4 PP|BD P P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A ED1 ED2
8 ED1 ED2 ED3 ED4 PP|BD P P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A
表3九塔二进四均工艺
1 A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A
2 A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR
3 ER1 FR A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2
4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4
5 P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P
6 P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD
7 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A ED1 ED2 ED3 ED4
8 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A ED1 ED2
9 ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A
表4十塔三进四均工艺
1 A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A
2 A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A
3 A A A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1
4 ER1 FR A A A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3
5 ER3 ER2 ER1 FR A A A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P
6 P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P
7 P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A A A ED1 ED2 ED3 ED4 PP
8 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A A A ED1 ED2 ED3
9 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A A A ED1
10 ED1 ED2 ED3 ED4 PP BD P P P ER4 ER3 ER2 ER1 FR A A A A A
目前国内外改进PSA技术的方法主要通过提高吸附剂性能和机械强度、简化控制系统等方法提升提纯效率，降低成本。这些方法可以满足压力较低的原料气提纯分离；但当原料气压力较高时，这些技术方案无法避免多次均压导致的阀门数量增多，控制系统复杂等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种变压吸附工艺系统，包括：吸附塔、程控阀、调节阀、多功能缓冲罐、分析仪表、控制系统，所述吸附塔设置有多台并联连接，吸附塔内填装有吸附剂，所述吸附剂的填装量与原料气中杂质含量、原料气压力、原料气流量和吸附时间相匹配，所述分析仪表设置在系统管路上，所述多功能缓冲罐与吸附塔连接，作用是均压缓冲和冲洗缓冲，多功能缓冲罐的数量、质量和体积与吸附塔体积、使用压力和压力降匹配，实现压力缓冲功能，增加均压次数，有利于系统的稳定运行，同时提高产品气的收率，所述程控阀、调节阀根据控制系统的程序设定时序进行完成开关动作和调节阀门开度，保证系统的连续运行，程控阀实现原料气输入、压力升降、冲洗床层和产品气输出。
具体的，所述系统用于氢气、一氧化碳、氮气、二氧化碳、气态烃类、惰性气体等的提纯分离。
具体的，所述吸附塔内装填有吸附剂，所述吸附剂种类与吸附相和非吸附相种类匹配，包括：分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、MOFs。
具体的，所述吸附塔压力设置为1MPa-6 MPa，系统原料气中杂质气体的含量为0.001％～30％，原料气流量为10Nm3/h～15000Nm3/h。
具体的，所述吸附塔数量设置为2-8台。
具体的，所述多功能缓冲罐数量设置为2-12台。
具体的，所述程控阀数量与所述多功能缓冲罐数量、吸附塔数量相匹配。
具体的，所述吸附塔塔底连接原料气管路、逆放气管路、抽真空管路，吸附塔塔顶连接产品气管路、终升压管路、均压管路和冲洗管路，各管路上的阀门数量与吸附塔数量和多功能缓冲罐数量匹配。
具体的，所述原料气管路上设有流量计，原料气中非吸附相的含量占70％以上，原料气管路的程控阀用于控制原料气的进气时间，原料气中吸附相含量、原料气压力、原料气流量和吸附时间与所述吸附塔吸附剂装填量相匹配。
一种变压吸附工艺系统，主要包括若干台吸附塔、多功能缓冲罐和若干条管路，管路上设有少量程控阀及分析仪表；吸附塔内装有高效吸附剂。其中：
1)若干台相同的吸附塔中装填高效吸附剂，用于吸附杂质气体，根据原料气中杂质含量、原料气压力、原料气流量和吸附时间调整吸附剂装填量；
吸附剂包括且不限于分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝和MOFs等。
2)若干条管线，分别为原料气管路A-in、产品气管路A-out、终升压管路FR、均压管路E、冲洗管路PP/P、逆放管路BD/P-out和抽真空管路V；
其中，在工艺方案中没有抽真空V步骤时可以不设置抽真空管路V。
3)管路上设有少量程控阀，阀门数量根据工艺方案确定；
4)系统中多功能缓冲罐的作用是均压缓冲和冲洗缓冲，多功能缓冲罐的数量、质量和体积与吸附塔体积、使用压力和压力降共同决定。
5)系统中包括多个程控阀、调节阀、仪表和控制系统。程控阀和调节阀根据控制系统的程序设定时序进行完成开关动作和调节阀门开度，保证系统的连续运行。
变压吸附分离提纯系统以若干台吸附塔为核心，塔底连接原料气管路A-in、逆放气管路BD/P-out和抽真空管路V，塔顶连接产品气管路A-out、终升压管路FR、均压管路T-E和冲洗管路PP/P。规定原料气管路A-in上的程控阀为V-1系列阀组，逆放管路BD/P-out上的程控阀为V-2系列阀组，抽真空管路V上的程控阀为V-3系列阀组，产品气管路A-out上的程控阀为V-4系列阀组，终升压管路FR上的程控阀为V-5系列阀组，均压管路E上的程控阀为V-6系列阀组，冲洗管路PP/P上的程控阀为V-7系列阀组。各管路上的阀门数量根据吸附塔数量和多功能缓冲罐数量确定。
原料气管路A-in上设有流量计F1。原料气中非吸附相的含量占70％以上。程控阀组V-1控制原料气的进气时间，根据原料气中吸附相含量、原料气压力、原料气流量和吸附时间调整吸附剂装填量。
吸附(A)：吸附步骤，原料气进入吸附塔；
均压降(ED)：均压降，吸附塔或多功能缓冲罐压力降低的过程；ED1-EDX表示第1次均压降至第X次均压降；
均压降(ER)：均压升，吸附塔或多功能缓冲罐压力升高的过程；ER1-ERX表示第1次均压升至第X次均压升；
顺放(PP)：吸附塔内气体顺向流出至多功能缓冲罐；
清洗(P)：气体冲洗吸附塔内杂质；
逆放排空(BD)：吸附塔内气体逆向释放至一定压力；
充压(FR)：吸附塔内压力升至吸附设定压力；
间隔时间段(TT)：不进行任何步骤。
本实用新型在兼顾产品气纯度和收率的前提下，降低控制系统复杂程度，减少阀门使用数量，可根据纯度和收率要求增加均压次数，从而节约装置投资成本10-30％，简化提纯技术。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本实用新型实施例中的一种变压吸附工艺系统。
附图标记：1-原料气；2-顺放罐；3-氢气吸附塔；4-多功能缓冲罐；5-产品气；6-吸附尾气。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
为清晰表述该实用新型，列举以下实施例，但不限于这些实施例。
如图1所示，本实用新型提供了一种变压吸附系统，
原料气1经过氢气吸附塔3，得到产品气5和吸附尾气6，系统设置有顺放罐2，系统包括四个氢气吸附塔3并联，系统设置两个多功能缓冲罐4。
实施例1
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表5所示。吸附塔数为3，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少4～12台。
表5三塔一进X均工艺
实施例2
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表6所示。吸附塔数为4，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少6～12台。
表6四塔一进X均工艺
实施例3
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表7所示。吸附塔数为4，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少6～12台。
表7四塔二进X均工艺
实施例4
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表8所示。吸附塔数为5，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数为X，升压(ER)不连续。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少8～16台。
表8五塔一进X均工艺
实施例5
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表9所示。吸附塔数为5，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少8～16台。
表9五塔二进X均工艺
实施例6
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表10所示。吸附塔数为6，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少8～20台。
表10六塔一进X均工艺
实施例7
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表11所示。吸附塔数为7，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少8～20台。
表11六塔二进X均工艺
实施例8
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表12所示。吸附塔数为6，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少8～20台。
表12六塔三进X均工艺
实施例9
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表13所示。吸附塔数为7，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少12～24台。
表13七塔二进X均工艺
实施例10
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表14所示。吸附塔数为7，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少12～24台。
表14七塔三进X均工艺
实施例11
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表15所示。吸附塔数为7，同时处于吸附状态的塔数是4，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少12～24台。
表15七塔四进X均工艺
实施例12
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表16所示。吸附塔数为8，同时处于吸附状态的塔数是4，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少16～24台。
表16八塔四进X均工艺
实施例13
本实用新型的一种变压吸附气体分离纯化案例，其时序流程如表17所示。吸附塔数为8，同时处于吸附状态的塔数是5，均压次数为X。该案例中需要多功能缓冲罐1～X-1台，均压阀门数量可减少16～24台。
表17八塔五进X均工艺
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以内权利要求书界定的范围为准。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种变压吸附工艺系统，其特征在于，包括：吸附塔、程控阀、调节阀、多功能缓冲罐、分析仪表、控制系统，所述吸附塔设置有多台并联连接，吸附塔内填装有吸附剂，所述分析仪表设置在系统管路上，所述多功能缓冲罐与吸附塔连接，所述程控阀、调节阀根据控制系统的程序设定时序进行完成开关动作和调节阀门开度，程控阀用于实现原料气输入、压力升降、冲洗床层和产品气输出。
2.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述系统用于氢气、一氧化碳、氮气、二氧化碳、气态烃类、惰性气体的提纯分离。
3.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述吸附塔内装填有吸附剂，所述吸附剂种类与吸附相和非吸附相种类匹配，包括：分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、MOFs。
4.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述吸附塔压力设置为1MPa-6 MPa，系统原料气中杂质气体的含量为0.001％～30％，原料气流量为10Nm3/h～15000Nm3/h。
5.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述吸附塔数量设置为2-8台。
6.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述多功能缓冲罐数量设置为2-12台。
7.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述程控阀数量与所述多功能缓冲罐数量、吸附塔数量匹配。
8.根据权利要求1所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述吸附塔塔底连接原料气管路、逆放气管路、抽真空管路，吸附塔塔顶连接产品气管路、终升压管路、均压管路和冲洗管路，各管路上的阀门数量与吸附塔数量和多功能缓冲罐数量匹配。
9.根据权利要求8所述的一种变压吸附工艺系统，其特征在于，所述原料气管路上设有流量计，原料气中非吸附相的含量占70％以上，原料气管路的程控阀用于控制原料气的进气时间，原料气中吸附相含量、原料气压力、原料气流量和吸附时间与所述吸附塔吸附剂装填量相匹配。
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