PL162439B1 - Sposób selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych metoda adsorpcji PL - Google Patents

Abstract

PSA w instalacji zawierajacej baterie adsorberów wypelnionych porowatym sorbentem lub warstwami porowatych sorbentów, pracujacej wedlug cyklicznie powtarzanego harmonogra- mu zawierajacego operacje technologiczne adsorpcji, obnizania cisnienia, plukania sorbentu, podwyzszania i wyrównywania cisnienia; które wykonuje sie przez otwieranie odpowiednich zaworów odcinajacych zainstalowanych przy adsorberach, wedlug okreslonego programu czasowego, przez co do i z adsorberów doprowadza sie lub odbiera odpowiednie strumienie gazów, wykonujac tym samym ciagly proces rozdzialu gazu, znamienny tym , ze po wykonaniu operacji adsorpcji wykonuje sie operacje czesciowego, wspólpradowego obniza- nia cisnienia w adsorberze, a gaz odbierany z adsorbera wykorzystuje sie bezposrednio do przeciwpradowego plukania sorbentu w innym adsorberze, a nastepnie wykonuje sie operacje wspólpradowego obnizania cisnienia, a otrzymany gaz wykorzystuje sie do wspólpradowego podwyzszania cisnienia w innym adsorberze i cisnienia miedzy polaczonymi adsorberami wyrównuja sie i dalej kolejno wykonuje sie operacje przeciwpradowego obnizania cisnienia i przeciwpradowego plukania sorbentu gazem otrzymywanym w operacji wspólpradowego czesciowego obnizania cisnienia, a gazy odbierane z adsorberów w trakcie wykonywania tych operacji laczy sie i odprowadza z instalacji jako gaz resztowy, a po wykonaniu tych operacji wykonuje sie operacje wspólpradowego podwyzszania cisnienia w adsorberze, gazem otrzy- mywanym, ze wspólpradowego obnizania cisnienia w innym adsorberze i przeciwpradowe podwyzszanie cisnienia w adsorberze czescia wodoru odbieranego w stadium adsorpcji, ... PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych zawierających 40-70% molowych wodoru metodą adsorpcji - desorpcji przy zmiennym ciśnieniu.

Metoda selektywnego rozdziału mieszanin gazowych na drodze adsorpcji pod zwiększonym ciśnieniem i desorpcji przy niższym ciśnieniu, zwana metodą adsorpcyjną PSA (pressure swing adsorption), realizowana jest w instalacjach adsorpcyjnych składających się z 4 do 10 adsorberów, wypełnionych porowatym sorbentem, lub warstwami sorbentów. Proces rozdziału realizuje się poprzez cykliczne i sekwencyjne wykonywanie periodycznych operacji technologicznych za pomocą otwierania odpowiednich zaworów, wchodzących w skład systemu zaworów, służących do doprowadzania i odprowadzania odpowiednich strumieni gazowych do i z odpowiednich adsorberów w odpowiednich przedziałach czasów cyklu pracy instalacji, według określonego harmonogramu czasowego pracy instalacji realizowanego cyklicznie.

Istota metody adsorpcyjnej PSA polega na tym, że w stadium adsorpcji przez złoże sorbentu przepuszcza się pod zwiększonym ciśnieniem, rozdzielany gaz. Następuje adsorpcja składników mieszaniny gazowej, składniki nie zaadsorbowane odbierane są z drugiego końca w postaci strumienia o wyższym ciśnieniu. Po wyczerpaniu się pojemności adsorpcyjnej sorbentu kończy się wykonywanie adsorpcji, adsorpcję realizuje się w innym adsorberze. Po zakończeniu

162 439 adsorpcji złoże sorbentu poddaje się regeneracji, polegającej na kilkustopniowym obniżaniu ciśnienia w adsorberze. Gaz z adsorbera odbiera się we współprądzie do przepływu gazu w stadium adsorpcji i wykorzystuje się go do przeciwprądowego podwyższania ciśnienia w innym adsorberze. Gaz z ostatniego stopnia obniżania ciśnienia wykorzystuje się do płukania sorbentu w innym adsorberze. Po wykonaniu tych operacji prowadzi się przeciwprądowe obniżanie ciśnienia w adsorberze, a następnie przeciwprądowe płukanie sorbentu gazem, otrzymywanym z ostatniego stopnia współprądowego obniżania ciśnienia. W trakcie tych operacji następuje desorpcja zadsorbowanych składników gazu i wypłukanie resztek zanieczyszczeń przy pomocy gazu płuczącego. Po wykonaniu tych operacji realizuje się przeciwprądowe podwyższenie ciśnienia w adsorberach gazami otrzymanymi wskutek współprądowego obniżania ciśnienia. Końcowe podwyższanie ciśnienia w adsorberze do ciśnienia w stadium adsorpcji wykonuje się gazem odbieranym w stadium adsorpcji z adsorberów. Po wykonaniu ostatniej operacji adsorber jest przygotowany do wykonania następnego cyklu adsorpcji pod zwiększonym ciśnieniem i desorpcji pod ciśnieniem niższym niż w stadium adsorpcji.

W instalacjach adsorpcyjnych pracujących metodą PSA surowiec gazowy rozdziela się zazwyczaj na dwa strumienie, z których jeden odbiera się z instalacji pod zwiększonym ciśnieniem jako produkt, a drugi odbiera się pod niższym ciśnieniem, równym ciśnieniu desorpcji i płukania sorbentu. Znane są rozwiązania, według których w instalacji adsorpcyjnej PSA gaz rozdziela się na trzy lub cztery frakcje o różnym składzie. Znane są także rozwiązania, według których w jednej instalacji rozdziela się równocześnie dwa różniące się składem gazy i otrzymuje się dwa produkty gazowe. Stosuje się także metody polegające na zastosowaniu innych gazów do wykonywania operacji płukania. W ten sposób można między innymi otrzymać mieszankę syntezową do produkcji amoniaku lub wodór i wysokokaloryczny gaz opałowy, przy rozdziale gazów z konwersji węglowodorów.

Metoda adsorpcyjna PSA stosowanajest szeroko do oczyszczania wodoru otrzymywanego w procesie reformingu lub półspalania gazu ziemnego, węglowodorów frakcji benzynowych, do odzysku wodoru z rafineryjnych gazów wodorowych. Wymienione zastosowanie metody PSA dotyczą gazów zawierających 70-95% molowych H2, a w wyniku rozdziału otrzymuje się wodór o czystości 99,99% - 99,000% molowych. Sprawność wydzielania wodoru, w stosunku do jego zawartości w rozdzielanym gazie, w zależności od metody kształtuje się na poziomie 85-93%.

Metoda adsorpcyjna PSA znajduje coraz szersze zastosowanie do wydzielania wodoru z mieszanin o niewielkiej jego zawartości, dostępnych po stosunkowo niskim ciśnieniu, między innymi takich jak gazy rafineryjne odpadowe, odpadowe gazy z produkcji amoniaku, gaz koksowniczy, to jest gazów zawierających 40-70% molowych H2, o ciśnieniu 0,8-1,8 MPa. W tych przypadkach zastosowanie metody PSA pozwala na otrzymywanie wodoru o czystości 99,9% molowych, przy sprawności wydzielania wodoru kształtującej się na poziomie 70-85%.

Sprawność wydzielania wodoru w metodzie adsorpcyjnej PSA zależy głównie od różnicy ciśnień między stadium adsorpcji, a stadium płukania sorbentu, ilości stopni współprądowego obniżania ciśnienia, z których gaz wykorzystuje się do przeciwprądowego podwyższania ciśnienia w innych adsorberach. Sprawność wydzielania wodoru zależy także od składu rozdzielanej mieszaniny, rodzaju i właściwości stosowanych sorbentów. Czystość wodoru otrzymywanego metodą adsorpcyjną PSA zależy głównie od sprawności wydzielania wodoru i sposobu regeneracji sorbentu, a zwłaszcza od ilości i czystości wodoru stosowanego w fazie płukania sorbentu.

Podstawowe rozwiązanie technologiczne procesu rozdziału gazów metodą PSA, znajdujące zastosowanie do oczyszczania wodoru, jest przedstawione w opisie patentowym USA 3 986 849. Rozwiązanie to charakteryzuje się tym, że oczyszczanie wodoru prowadzi się w cyklu zawierającym trójstopniowe, współprądowe obniżanie ciśnienia, z wykorzystaniem otrzymywanych strumieni gazu do podwyższania ciśnienia w innych adsorberach, a płukanie sorbentu prowadzi się gazem z czwartego stopnia współprądowego obniżania ciśnienia. Modyfikację tego rozwiązania przedstawiono w opisie patentowym USA 4 468 237, według którego, gazy otrzymywane z poszczególnych stopni współprądowego obniżania ciśnienia wykorzystuje się

162 439 bezpośrednio do przećiwprądowego podwyższania ciśnienia w innych adsorberach, gdy te operacje są skoordynowane w czasie między sobą, lub gazy odprowadza się do zbiorników buforowych, skąd gazy wykorzystuje się do przeciwprądowego podwyższania ciśnienia, w przypadku gdy odpowiednie stopnie obniżania ciśnienia nie są skoordynowane w czasie z odpowiednimi stopniami podwyższania ciśnienia w innych adsorberach.

Odmianą przedstawionych wyżej rozwiązań jest technologia przedstawiona w opisie patentowym USA 4 375 363, według którego zastosowanie azotu jako gazu płuczącego daje wzrost sprawności wydzielania wodoru o kilka procent. Jako produkt odbiera się z instalacji mieszankę syntezową do produkcji amoniaku.

Według innego rozwiązania, przedstawionego w opisie patentowym USA 4 475 929, jako gaz płuczący stosuje się metan, co poprawia sprawność wydzielania wodoru. Jako produkt uzyskuje się gaz opałowy znajdujący zastosowanie w procesie produkcji wodoru. W wymienionych wyżej rozwiązaniach procesu PSA w fazie regeneracji sorbentu stosuje się wielostopniowe współprądowe obniżanie ciśnienia w adsorberach z wykorzystaniem strumieni gazowych do przeciwprądowego podwyższenia ciśnienia w innych adsorberach.

Jeszcze inny sposób otrzymywania wodoru przedstawia europejski opis patentowy EP 0 066 868. Rozwiązanie dotyczy wydzielania wodoru z mieszanin gazowych ubogich w wodór przy niewysokim ciśnieniu rozdzielanego gazu. Istota sposobu wydzielania wodoru metodą PSA przedstawiona w tym opisie polega na tym, że w instalacji adsorpcyjnej zawierającej cztery adsorbery, po operacji adsorpcji wykonuje się operację współprądowego obniżania ciśnienia, a otrzymywany strumień gazu wykorzystuje się do przeciwprądowego obniżania ciśnienia w innym adsorberze. Następnie wykonuje się przeciwprądowe dwustopniowe obniżanie ciśnienia. Gaz z pierwszego stopnia przeciwprądowego obniżania ciśnienia wykorzystuje się do przeciwprądowego płukania sorbentu w innym adsorberze, a strumień gazu otrzymywany w drugim stopniu przeciwprądowego obniżania ciśnienia wyprowadza się z instalacji. Po wykonaniu.operacji obniżania ciśnienia i płukania sorbentu wykonuje się dodatkowe płukanie sorbentu czystym wodorem otrzymywanym w stadium adsorpcji, a następnie podwyższa się ciśnienie w adsorberze do ciśnienia w stadium adsorpcji przy wykorzystaniu kolejno gazu otrzymywanego w operacji współrzędowego obniżania ciśnienia i wodoru ze stadium adsorpcji. Zastosowanie tego rozwiązania pozwala, w instalacji zawierającej cztery adsorbery wypełnione wąskoporowatym węglem aktywnym, otrzymywać wodór o czystości 99,9% molowych H2 z surowca zawierającego 60% molowych H2 w mieszaninie z CO2, CH4, CO i N2, przy ciśnieniu adsorpcji równym 1,7 MPa i ciśnieniu w stadium płukania sorbentu wodorem równym 0,1 MPa, przy sprawności wydzielania na poziomie 83-85%.

Znane rozwiązania procesowe metody adsorpcyjnej PSA są efektywne dla mieszanin zawierających co najmniej 40% molowych H2, gdy ciśnienie rozdzielanego gazu mieści się w zakresie 0,8-1,8 MPa. W tych warunkach, według znanych metod, można uzyskać wodór o czystości 99,7 - 99,9% molowych H2, przy sprwaności wydzielania na poziomie 75-85%. Zwiększenie czystości wodoru, zwłaszcza przy rozdziale gazu pod niższym ciśnieniem, jest związane z koniecznością wyraźnego obniżenia sprawności wydzielania wodoru. W przypadku wydzielania wodoru z mieszanin o skompHkowanym składzie, czystość otrzymywanego wodoru związana jest z rodzajami i właściwościami stosowanych sorbentów. Na czystość wodoru silnie wpływa skład elementarny gazu, a zwłaszcza zawartość zanieczyszczeń słabo adsorbujących się, takich jak N2, CO i O2. Przy niskich ciśnieniach rozdzielanego gazu występuje ograniczenie możliwości wykonania wielostopniowych operacji współprądowego obniżania ciśnienia z wykorzystaniem gazów do wykonania operacji przeciwprądowego podwyższania ciśnienia, gdyż przy rozprężaniu do niższych ciśnień następuje desorpcja składników zaadsorbowanych. Zazwyczaj w takich przypadkach stosuje się trzy lub cztery stopnie obniżania ciśnienia, przy czym gaz tylko z jednego lub dwóch stopni obniżania ciśnienia wykorzystuje się do powyższania ciśnienia w innych adsorbach.

Wyżej omówione zależności oznaczają, że w przypadku wydzielania wodoru z mieszanin gazowych zawierających 40-70% molowych H2 i przy niskim ciśnieniu adsorpcji, albo nie można uzyskać wodoru o odpowiedniej czystości, co najwyżej uzyskuje się wodór o czystości 99,9%

162 439

S molowych H2, lub też, gdy odzyskuje się wodór o odpowoedniej czystości, dla zastosowań typowych, wymaga się wodoru o czystości większej niż 99,99% molowych, to osiągana sprawność wydzielania wodoru nie jest zachęcająca dla ekonomicznej realizacji procesu. Problemy te rozwiązuje sposób według niniejszego wynalazku.

Istota sposobu selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych metodą adsorpcji PSA w instalacji zawierającej baterię adsorberów wypełnionych porowatym sorbentem lub warstwami porowatych sorbentów, pracującej według cyklicznie powtarzanego harmonogramu zawierającego operacje technologiczne adsorpcji, obniżania ciśnienia, płukania sorbentu, podwyższania i wyrównywania ciśnienia; które wykonuje się przez otwieranie odpowiednich zaworów odcinających według określonego programu czasowego, przez co do i z adsorberów doprowadza się lub odbiera odpowiednie strumienie gazów polega na tym, że po wykonaniu operacji adsorpcji wykonuje się operację częściowego współprądowego obniżania ciśnienia w adsorberze, a gaz odbierany z adsorbera wykorzystuje się bezpośrednio do przeciwprądowego płukania sorbentu w innym adsorberze. Następnie wykonuje się operację współprądowego dalszego obniżania ciśnienia, a otrzymywany gaz wykorzystuje się bezpośrednio do współprądowego podwyższania ciśnienia w innym adsorberze. Ciśnienia między połączonymi absorberami wyrównuje się. Dalej kolejno wykonuje się przeciwprądowe obniżanie ciśnienia i przeciwprądowe płukanie sorbentu, a otrzymane strumienie gazu łączy się i wyprowadza z instalacji. Po wykonaniu tych operacji podwyższa się ciśnienie w adsorberze do ciśnienia w studium adsorpcji poprzez kolejno współprądowe doprowadzenie gazu otrzymywanego w operacji współprądowego obniżania ciśnienia i części wodoru otrzymywanego w stadium adsorpcji. Operacje częściowego współprądowego obniżania ciśnienia skoordynowane są w czasie z operacjami przeciwprądowego płukania sorbentu, a operacje współprądowego obniżania ciśnienia są skoordynowane w czasie z operacjami współprądowego podwyższania ciśnienia w innych adsorbentach na koniec wykonywania tych operacji wyrównuje się. Operacje adsorpcji w całej instalacji, w kolejnych adsorberach przesunięte w czasie o czas trwania operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia.

Sposób według wynalazku polega na tym, że dla instalacji zawierającej pięć adsorberów, zawsze w jednym adsorberze wykonuje się operację adsorpcji, dla instalacji zawierającej sześć adsorberów zawsze w dwóch adsorberach wykonuje się operację adsorpcji, a w przypadku instalacji zawierającej siedem adsorberów zawsze w trzech adsorberach wykonuje się operację adsorpcji a rozpoczęcie operacji adsorpcji w kolejnych adsorberach jest przesunięte w czasie o czas trwania operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia.

Sposób selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych metodą adsorpcji PSA według wynalazku charakteryzuje się tym, że w stadium adsorpcji przez adsorber wypełniony warstwą sorbentu lub warstwami odpowiednio dobranych sorbentów przepuszcza się pod zwiększonym ciśnieniem rozdzielony gaz, a z drugiego końca adsorbera odbiera się wodór. W trakcie adsorpcji składniki zawarte w gazie ulegają adsorpcji w sorbencie z wyjątkiem wodoru, który adsorbuje się w niewielkim stopniu. Po wyczerpaniu pojemności adsorpcyjnej sorbentu, lub w trakcie wzrostu zawartości zanieczyszczeń w wodorze odbieranym z adsobera, wykonywanie operacji adsorpcji kończy się w danym adsorberze, i rozpoczyna się w innym poprzez przełączenie odpowiednich zaworów. Po zakończeniu operacji adsorpcji wykonuje się operację częściowego współprądowego obniżania ciśnienia z wykorzystaniem gazu odbieranego z adsorbera do przeciwprądowego płukania sorbentu w innym adsorberze. W trakcie wykonywania tej operacji z adsorbera odbiera się praktycznie czysty wodór. Desorpcja składników słabo ulegających adsorpcji takich jak N2, O2 i CO jest niewielka, składniki te nie zanieczyszczają odbieranego gazu, gaz może być efektywnie wykorzystany do płukania sorbentu, nie zachodzi potrzeba dodatkowego płukania sorbentu czystym wodorem. Ilością odbieranego gazu reguluje się stopień obniżenia ciśnienia i jednocześnie reguluje się sprawnością wydzielania wodoru. Ilość odbieranego w tej operacji gazu z adsrobera jest ograniczona, wynika z tego że w końcowej fazie obniżania ciśnienia, przy zbyt dużej ilości odebranego gazu następuje desorpcja składników słabo zaadsorbowanych, które zanieczyszczając gaz wykorzystywany do płukania obniżają

162 439 czystość sorbentu po fazie jego regeneracji, a tym samym obniżają czystość wodoru uzyskiwanego w procesie.

Po wykonaniu operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia wykonuje się operację współprądowego obniżania ciśnienia wykonuje się operację współprądowego obniżania ciśnienia z wykorzystaniem gazu do współprądowego podwyższania ciśnienia w innym adsorberze. W trakcie tej operacji, wskutek tak obniżania ciśnienia w adsorberze następuje silna desorpcja składników słabo zaabsorbowanych, które zanieczyszczają odbierany gaz wodorowy. Gaz o takim składzie nie nadaje się do wykonania operacji płukania i jest wykorzystywany według niniejszego wynalazku do współprądowego podwyższania ciśnienia w innym adsorberze.

Takie wykorzystanie gazu z tej operacji w powiązaniu z wykorzystaniem czystego wodoru z operacji częściowego obniżania ciśnienia powoduje to, że złoże sorbentu znajdujące się bliżej wylotu wodoru z adsorbera nie jest zanieczyszczone składnikami gazu, a w trakcie współprądowego podwyższania ciśnienia w adsorberze, zanieczyszczenia zawarte w gazie adsorbują się w początkowej warstwie sorbentu, a niezaadsorbowany wodór przemieszcza się do dalszych warstw sorbentu. Pod koniec operacji i współprądowego obniżania ciśnienia i współprądowego podwyższania ciśnienia, ciśnienie między połączonymi adsorberami wyrównuje się. Połączenie operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia z wykorzystaniem odbieranego wodoru do płukania sorbentu z wykonywaną w następnej kolejności operację współprądowego obniżania ciśnienia z wykorzystaniem gazu do współprądowego podwyższania ciśnienia w innym adsorberze pozwala na zwiększenie czystości wodoru odbieranego z instalacji przy niezmienionej sprawności wydzielania wodoru, co uzyskuje się przez zminimalizowanie ilości zanieczyszczeń wprowadzanych do warstw sorbentu znajdujących się bliżej wylotu wodoru z adsorbera w stadium adsorpcji.

Po wykonaniu operacji współprądowego obniżania ciśnienia, wykonuje się kolejno operacje przeciwprądowego obniżania ciśnienia i przeciwprądowego płukania sorbentu wodorem, otrzymywanym z operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia, a otrzymywane gazy łączy się i wprowadza z instalacji jako gaz resztowy. Po wykonaniu tych operacji zboże sorbentu w adsorberze jest zregenerowane, adsorber jest jednocześnie wypełniony czystym wodorem, a ciśnienie w adsorberze równe jest ciśnieniu w stadium płukania sorbentu.

W następnych kolejnych operacjach wykonuje się współprądowe podwyższanie ciśnienia gazem otrzymywanym w operacji współprądowego obniżania ciśnienia i przeciwprądowe podwyższanie ciśnienia częścią wodoru odbieranego z adsorberów w stadium adsorpcji. Po wykonaniu tych operacji ciśnienie w adsorberze wzrasta do ciśnienia równego ciśnieniu w stadium adsorpcji, adsorber jest przygotowany do wykonania następnego cyklu operacji technologicznych.

Bateria adsorberów PSA pracuje według ściśle określonego harmonogramu technologicznego i związanego z nim programu otwierania zaworów odcinających co powoduje, że proces składający się z operacji periodycznych wykonywanych w poszczególnych adsorberach jest procesem ciągłym w całej instalacji, to jest procesem z ciągłym dopływem rozdzielanego gazu i ciągłym odbiorem produktów rozdziału.

Przykładowy harmonogram pracy sześcioadsorberowej baterii PSA pracującej sposobem według wynalazku przedstawiono w tabeli 1. Harmonogram jest realizowany w 18 taktach. Czas trwania taktu równy jest 30-90 sekund. W stadium adsorpcji (AD), w każdym momencie realizacji harmonogramu znajdują się zawsze dwa adsorbery. Operacje adsorpcji wykonywane w kolejnych następnych adsorberach są przesunięte względem siebie w czasie o dwa takty to jest o czas trwania operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia (ED), które są wykonywane po zakończeniu operacji adsorpcji (AD). Operacje współprądowego, częściowego obniżania ciśnienia (ED) są skoordynowane w czasie z operacjami przeciwprądowego płukania sorbentu (PP) wykonywanymi w innych adsorberach. Dla instalacji sześcioadsorberowej operacje (ED) i (PP) są skoordynowane w czasie w następujących parach adsorberów: 1 i 5; 5 i 3; 3 i 1; 2 i 6; 6 i 4; 4 i 2. Współprądowe obniżanie ciśnienia (E1D), jest skoordynowane w czasie ze współprądowym podwyższaniem ciśnienia w innym adsorberze (E1R) Dl-a sześcioadsorberowej

162 439 instalacji operacje E1D i E1R są skoordynowane w następujących parach adsorberów: 1 i 5; 5 i 3; 3 i 1; 2 i 6; 6 i 4; oraz 4 i 2. Po wykonaniu operacji E1D wykonuje się kolejno przeciwprądowe obniżanie ciśnienia BD i płukanie sorbentu PP, następnie podwyższanie ciśnienia E1R i przeciwprądowe podwyższanie ciśnienia częścią wodoru odbieranego w stadium adsorpcji (FR).

Schemat technologiczny sześcioadsorberowej instalacji adsorpcyjnej PSA pracującej sposobem według wynalazku przedstawiono na rys. 1, na którym numerami 1 + 6 oznaczono kolejne adsorbery, numerami 11 + 66 oznaczono zawory odcinające, służące do wykonywania poszczególnych operacji technologicznych. Pierwsza cyfra numeru zaworu oznacza numer adsorbera przy którym zainstalowany jest zawór, druga cyfra oznacza numer zaworu przy danym adsorberze i numer szeregu zaworów, przypisany do wykonywania określonych operacji technologicznych. Zawory 11- 61 i 12 - 62 służą do wykonywania operacji adsorpcji (AD) i są otwarte w trakcie wykonywania tych operacji. Zawory 13-63 służą do jednoczesnego wykonywania operacji ED i Pp i są otwarte w trakcie wykonywania tych operacji, przy czym gaz płuczący z operacji (PP) odbierany jest przez otwarte zawory 15-65. Zawory 14 - 64 służą do jednoczesnego wykonywania operacji E1D i E1R i są otwarte w trakcie wykonywania tych operacji. Zawory 15-65 są wykorzystywane do wykonywania operacji BD i PP. Zawory 16-66 służą do wykonywania operacji fR i są otwarte podczas wykonywania tej operacji. Zawór regulacyjny 80 służy do regulacji czasu trwania operacji FR. Zawory 91 i 92 są zaworami zwrotnymi i służą do zamykania linii odbioru gazu, w przypadku gdy ciśnienie za zaworem jest wyższe niż przed zaworem. Numerami 10-60 oznaczono kolektory i przewody służące do doprowadzenia i odprowadzenia poszczególnych strumieni gazowych. Kolektor 10 służy do rozprowadzania rozdzielanego gazu do poszczególnych adsorberów. Kolektor 20 służy do odbioru wodoru (102) z poszczególnych adsorberów i odprowadzania go z instalacji. Przewody 30 służą do przesyłania gazu uzyskiwanego w trakcie współprądowego częściowego obniżania ciśnienia do adsorberów w których wykonuje się operacje płukania. Przewody 40 służą do przysyłania gazu w trakcie jednoczesnego wykonywania operacji współprądowego obniżania ciśnienia i współprądowego podwyższania ciśnienia E1D i E1R. Kolektor 50 służy do odbioru gazu z operacji BD i PP i odprowadzenia gazu resztowego 103 z instalacji. Kolektor 60 połączony poprzez zawór 80 z kolektorem 20 służy doprowadzeniu wodoru do poszczególnych adsorberów w trakcie wykonywania operacji FR.

Program przełączania zaworów dla sześcioadsorberowej instalacji adsorpcyjnej PSA pracującej sposobem według wynalazku przedstawiono w tabeli 2, a przykładowy przebieg ciśnień w adsorberze nr 1 przedstawiono na rysunku 2. W tabeli 2, dla odpowiednich taktów określono numery zaworów odcinających, znajdujących się w stanie otwartym; pozostałe zawory są zamknięte.

Przebieg procesu, przykładowo dla adsorbera nr 1 przedstawia się następująco:

(AD) - adsorpcja, gaz przepływa kolektorem 10 przez otwarty zawór 11 do adsorbera 1, wodór jest odbierany przez otwarty zawór 12 do kolektora 50, pozostałe zawory przy adsorberze 7 są zamknięte, ciśnienie w adsorberze równe jest ciśnieniu PAD;

(ED) - współprądowe częściowo obniżanie ciśnienia, gaz z adsorbera 1 odpływa przez przewód 30 i otwarty zawór 13 do adsorbera 5, gdzie wykonuje się operację PP, ciśnienie w adsorberze 1 obniża się do ciśnienia PED, pozostałe zawory przy adsorberze 1 są zamknięte;

(E1D) - współprądowe obniżanie ciśnienia, gaz z adsorbera 1 przewodem 40 przepływa do adsorbera 5 przez otwarty zawór 14, pozostałe zawory przy adsorberze 1 są zamknięte, w adsorberze 5 wykonuje się operację współprądowego podwyższania ciśnienia E1R przy wykorzystaniu tego gazu, ciśnienie w adsorberze 1 obniża się do ciśnienia PE1D, równego ciśnieniu PE1R w adsorberze 5;

(BD) - przeciwprądowe obniżanie ciśnienia, gaz z adsorbera 1 odbiera się przez otwarty zawór 15 do kolektora 50, ciśnienie w adsorberze obniża się do ciśnienia Ppp, równego ciśnieniu w adsorberze w stadium płukania;

(PP) - przeciwprądowe płukanie sorbentu, do adsorbera 1 doprowadza się wodór przewodem 30 poprzez otwarty zawór 33 z adsorbera 3 w którym wykonuje się operację Ed, gaz

162 439 płuczący odbiera się do kolektora 50 przez otwarty zawór 15, ciśnienie w adsorberze utrzymywane jest na stałym poziomie równym Ppp, pozostałe zawory przy adsorberze są zamknięte;

(E1R) - współprądowe podwyższanie ciśnienia, do adsorbera 1 doprowadza się strumień gazu przez przewód 40 i otwarty zawór 33 z adsorbera 3, w którym wykonuje się operację E1D, ciśnienie w adsorberze wzrasta do ciśnienia PE1R równego ciśnieniu PE1D w trzecim adsorberze, pozostałe zawory przy adsorberze 1 są zamknięte;

(FR) - przeciwprądowe podwyższanie ciśnienia, do adsrobera 1 przez zawór regulacyjny 80 i kolektor 60 z kolektora 20 oraz przez otwarty zawór 16 doprowadza się czysty wodór, ciśnienie w adsorberze 1 wzrasta do ciśnienia w stadium adsorpcji PAD, pozostałe zawory przy adsorberze 1 są zamknięte.

Sposób selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych metodą adsorpcji, według niniejszego wynalazku charakteryzuje się tym, że przy porównywalnych warunkach procesu, takich jak: ciśnienie w stadium adsorpcji, ciśnienie w stadium płukania, skład i ilość rozdzielanego gazu, ilości właściwości i rodzaje stosowanych sorbentów, czas trwania cyklu i poszczególnych operacji technologicznych, dla określonej sprawności wydzielania wodoru, czystość otrzymywanego wodoru jest wyższa niż przy zastosowaniu znanych metod, zwłaszcza gdy wodór wydziela się z mieszanin o niskim ciśnieniu, na poziomie 0,8-1,8 MPa, a zawartość wodoru w rozdzielanym surowcu mieści się w zakresie 40- 70% molowych. Zalety selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych, sposobem według wynalazku ilustrują przykłady.

Przykład I. W doświadczalnej instalacji adsorpcyjnej PSA składającej się z sześciu adsorberów, pracującej sposobem według wynalazku, według harmonogramu przedstawionego w tabeli 1 i programu otwierania zaworów przedstawionego w tabeli 2, z czasem trwania taktu równym 75 sekund, rozdzielano oczyszczony gaz koksowniczy, pozbawiony składników kwaśnych i CO₂ o składzie: N2+O2+2,6% molowych CO+9,8% molowych H2+60% molowych CH4+24,5% molowych, C2H4+2,3% molowych, C2Hć+0,7% molowych, C3-+C4-ł-0,l% molowych. Rozdział gazu prowadzono przy ciśnieniu adsorpcji równym 1,4 MPa i przy ciśnieniu w stadium płukania równym 0,11 MPa. Adsorbery o średnicy 0,1 m, wypełnione były wąskoporowatym węglem aktywnym o nieregularnej granulacji 1,5-2,5 mm typu GAC 616VC firmy Cecarbon. Do k:aż^de^go adsorbera za^owano ^0,03 m³ wę^gla aktywnego. ^W instatocji roz^dzie^lano ^22,6 m³/godz. ^gazu koksownicze^go ⁱ o^dbierano 11,4 m^3/go^dz o czysto&i ,% motowych zawierającego 20 ppm objętościowych CO, pozostałym składnikiem był azot. Sprawność wydzielania wodoru równa jest 84%.

Przykład II. W doświadczalnej instalacji jak w przykładzie I zawierającej adsorbery wypełnione wąskoporowatym węglem aktywnym GAC 616UC firmy Cecarbon i sitem moleku^larnym ^5A o ^śre^dnicy wytłoczek ^1,5 mm, w Rości: 0,°² m³ w^ęgla aktywnego ^GAC ^616UC i ^0,015 m³ sⁱta mo^lelcu^larne^go ^5A w ka^żdym adsorterze, roz^ekno ^gaz koksowmczy pod ciśnieniem adsorpcji równym 1,4 MPa i przy ciśnieniu w stadium płukania równym 0,108 MPa. ^W insta^lacjⁱ roz^dzie^lano ^23,5 m^3/go^dz ^gazu koksownicze^go ⁱ obierano Π3 rn/^go^dz wodoru o czystości 99,999%. Sprawność wydzielania wodoru równa jest 80,1%.

Tabela i

Numer Taktu

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

44

42

Numer adacberca 1

AD

ED

E1D

BD

PP

E1R

FR

2

E1R

FR

AD

ED

E4E

BD

PP

3

PP

E1R

FR

AD

ED

E1D

BD

4

E1D

BD

•PP

E4R

FR

AD

ED

5

ED

EW

BD

PP

E4R

FR

AD

6

AD

ED

E1D

BD

PP

E1R

FR

AD

Tabela 2

Numer taktu	Zawory otwarte w tym takcie
4	4 42 k 53 6l 62
2	44 42 20 M 53 61 62
3	44 42 21 22 5M 63
M	4 42 21 22 36 55 63
5	1 21 22 31 32 6M
6	1 21 22 31 32 M 65
7	4M 23 31 32 Ψ1 U
8	4 23 31 32 Ul M 56
9	24 33 M U 51 52
10	25 33 Ml 42 51 52 66
41	3M 1 5i 52 61 62
42	46 25 4 51 52 61 62

162 439

Py s. 2

Zakład Wydawnictw UPRP. Nakład 90egz.

Cena 10 000 zł

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób selektywnego wydzielania wodoru z mieszanin gazowych metodą adsorpcji PSA w instalacji zawierającej baterię adsorberów wypełnionych porowatym sorbentem lub warstwami porowatych sorbentów, pracującej według cyklicznie powtarzanego harmonogramu zawierającego operacje technologiczne adsorpcji, obniżania ciśnienia, płukania sorbentu, podwyższania i wyrównywania ciśnienia; które wykonuje się przez otwieranie odpowiednich zaworów odcinających zainstalowanych przy adsorberach, według określonego programu czasowego, przez co do i z adsorberów doprowadza się lub odbiera odpowiednie strumienie gazów, wykonując tym samym ciągły proces rozdziału gazu, znamienny tym, że po wykonaniu operacji adsorpcji wykonuje się operację częściowego, współprądowego obniżania ciśnienia w adsorberze, a gaz odbierany z adsorbera wykorzystuje się bezpośrednio do przeciwprądowego płukania sorbentu w innym adsorberze, a następnie wykonuje się operację współprądowego obniżania ciśnienia, a otrzymany gaz wykorzystuje się do współprądowego podwyższania ciśnienia w innym adsorberze i ciśnienia między połączonymi adsorberami wyrównują się i dalej kolejno wykonuje się operację przeciwprądowego obniżania ciśnienia i przeciwprądowego płukania sorbentu gazem otrzymywanym w operacji współprądowego częściowego obniżania ciśnienia, a gazy odbierane z adsorberów w trakcie wykonywania tych operacji łączy się i odprowadza z instalacji jako gaz resztowy, a po wykonaniu tych operacji wykonuje się operację współprądowego podwyższania ciśnienia w adsorberze, gazem otrzymywanym, ze współprądowego obniżania ciśnienia w innym adsorberze i przeciwprądowe podwyższanie ciśnienia w adsorberze częścią wodoru odbieranego w stadium adsorpcji, przy czym operacje współprądowego częściowego obniżania ciśnienia skoordynowane są w czasie z operacjami przeciwprądowego płukania sorbentu, a operacje współprądowego obniżania ciśnienia są skoordynowane w czasie z operacjami współprądowego podwyższania ciśnienia a operacje adsorpcji w całej instalacji w kolejnych adsorberach, jest przesunięta w czasie o czas trwania operacji częściowego współprądowego obniżania ciśnienia.

   WWW