WO2017095268A1 - Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбцией - Google Patents

Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбцией Download PDF

Info

Publication number
WO2017095268A1
WO2017095268A1 PCT/RU2016/000839 RU2016000839W WO2017095268A1 WO 2017095268 A1 WO2017095268 A1 WO 2017095268A1 RU 2016000839 W RU2016000839 W RU 2016000839W WO 2017095268 A1 WO2017095268 A1 WO 2017095268A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas mixture
gas
target
adsorbent
adsorber
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000839
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2017095268A4 (ru
Inventor
Леонид Федорович ШЕСТИПЕРСТОВ
Original Assignee
Леонид Федорович ШЕСТИПЕРСТОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Леонид Федорович ШЕСТИПЕРСТОВ filed Critical Леонид Федорович ШЕСТИПЕРСТОВ
Publication of WO2017095268A1 publication Critical patent/WO2017095268A1/ru
Publication of WO2017095268A4 publication Critical patent/WO2017095268A4/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification

Definitions

  • the invention relates to methods for separating gas mixtures by short-cycle non-heating adsorption.
  • the method of gas separation by means of short-cycle non-heating adsorption (abbreviation CBA, sometimes abbreviated CCA) is based on the property of individual sorbent chemicals to selectively sorb specific gas models, due to either the adsorption capacity of the adsorbent (for example, for zeolites) or the adsorption rate (for example, for carbon molecular sieves) in well-adsorbed gases several times or even tens of times higher than the same parameters for other gases.
  • Adsorption is carried out at elevated pressure, and desorption is carried out by reducing the pressure in the adsorber and removing the desorbed components of the gas mixture from it.
  • the method of separation of gas mixtures by short cycle adsorption-free adsorption (CBA) is widely used to produce one or more target gases from binary and multicomponent gas mixtures, in particular, in the production of nitrogen, oxygen and argon from atmospheric air, during the evolution of hydrogen from a hydrogen-containing gas, during gas dehydration from water vapor, as well as in various physicochemical industrial and research processes.
  • CBA short cycle adsorption-free adsorption
  • a method of short-cycle non-heating adsorption (CBA) and a membrane gas separation method have been industrially mastered.
  • the KBA method is technologically more complex than the membrane method of separating gas mixtures, which is due to the need for constant switching of flows through adsorbers, but allows to achieve greater purity of the target gas or mixture than the method of membrane gas separation.
  • the concentration of residual oxygen can be reduced to 0.001%, which is many times higher than the concentration of residual oxygen that is actually achievable using the membrane method, which is about 0.5%.
  • KBA installations When nitrogen is released from atmospheric air, the disadvantages of industrially developed KBA installations in relation to the installations membrane gas separation are: uneven consumption of the source gas and the production of production gas, a complex automation system, increased consumption of the source gas and a lower degree of extraction of the target component from the gas mixture.
  • KBA installations are the only industrially developed solution, since in a single-stage separation scheme, membrane methods do not allow to achieve enrichment of the target mixture with oxygen over 50% of the volume concentration, while the flow of oxygen-enriched gas escapes from the gas separation membrane at low pressure.
  • solutions are known that contain a larger number of adsorbers at different stages of regeneration and enrichment, for example, four-adsorber schemes (see U.S. Patent N2,070,161; N ° 5,026,406) or a scheme containing 9 adsorbers used to separate hydrogen-containing gas ( see U.S. Patent No. 5,133,785).
  • the separation of the initial mixture is carried out in multi-adsorber plants, the adsorbers in which are connected to each other by internal recycle flows, provided by the use of additional pumping equipment.
  • Atmospheric air is a multicomponent gas mixture, with a predominance of components: nitrogen 78%, oxygen 20.9%, argon 0.9% volume.
  • Carbon dioxide, inert gases and other impurities are contained in atmospheric air in small quantities, the extraction of which can be of commercial importance only in high-performance plants for liquefying atmospheric air by cryogenic methods, where almost all components of atmospheric air are released.
  • a sufficiently pure nitrogen-argon mixture or oxygen-argon mixture in small and medium-sized local installations, well-studied and industrially developed designs of CBA plants are traditionally used, containing, as a rule, two adsorbers in which one adsorber is alternately located in adsorption under high pressure, and the other in desorption under reduced pressure.
  • 2,737,167 has developed a CBA scheme containing two or more sequentially installed stages in which a portion of the desorption gas of the subsequent stages is added to the feed gas of the previous stage (s) by means of compressor equipment, which allows to increase the degree of extraction of the target component gas mixture, but for the case of oxygen evolution from atmospheric air, the described scheme cannot ensure oxygen purity above 95%.
  • the oxygen purity limit of 95% is due to the fact that on almost all types of zeolites the adsorption capacities for oxygen and argon are almost the same, therefore, when the gas mixture is enriched with oxygen up to 95%, it is simultaneously enriched with argon to about 5%.
  • the separation of argon and oxygen molecules on modern synthetic zeolites is practically unrealizable.
  • the second stage of the CBA extracts production oxygen with a purity of 99% or higher, obtained by desorption of pre-absorbed oxygen from a carbon molecular sieve, under a small excess pressure or vacuum, while the gas is enriched in argon gas the mixture under excess pressure is removed from the second stage of the CBA, at the end of the oxygen adsorption process.
  • the disadvantages of this scheme are: its complexity; the presence of two sequentially working separation stages with adsorbents of different types; production of high purity oxygen at low pressure; the need for an additional compressor to raise the pressure of oxygen extracted from the adsorbent in the second stage of the KBA. 3. Brief description of the drawings
  • FIG. 1 shows a diagram of a short cycle adsorption-free adsorption unit, which allows one to extract high purity target gas from a multicomponent gas mixture.
  • the list of items 1,2 - the main adsorbers filled with an adsorbent that sorb well non-target components of the gas mixture; 3 - auxiliary adsorber filled with an adsorbent that sorbs well the target component of the gas mixture; 4, 5, b, 7, 8, 9, 10, 11 - valves; 12, 13 - throttling devices, 14, 15, 16, 17 - check valves.
  • a description of the operation of the circuit is given in the sections "Disclosure of the Invention" and “Implementation of the Invention”.
  • the present invention for the separation of multicomponent gas mixtures by a short cycle heatless adsorption method with three-stage extraction of the target gas of high purity is as follows.
  • the installation scheme (for an example of the simplest scheme, see Fig. 1, a detailed description of an example implementation of the installation is given in the "Implementation of the invention" section) consists of: two or more main adsorption columns (adsorbers) filled with an adsorbent that sorb well non-target components of the gas mixture; one or more auxiliary adsorbers filled with an adsorbent that sorbs well the target component of the gas mixture; systems of switching valves, check valves and throttling devices.
  • the stream of the separated gas mixture which has been preliminarily purified from mechanical impurities and partially dried from water vapor, is passed under excessive pressure through the adsorbent bed in the main adsorbers, in which the modes of adsorption of non-target components of the gas mixture are alternately and cyclically organized with increasing pressure and desorption of previously sorbed components at pressure reduction.
  • the concentrated target gas accumulated by the adsorbent in the auxiliary adsorber is used.
  • both the gas accumulated in the main adsorber at the time of the end of the adsorption phase enriched with the target component by transferring it to the auxiliary adsorber and the initial gas mixture supplied to the auxiliary adsorber directly from the inlet can be used.
  • the gas mixture accumulated in the auxiliary adsorber under excessive pressure, depleted in the target gas, but enriched with components (the second product), which are slightly adsorbed by the adsorbent in the main and auxiliary adsorbers, can be either discharged or economically justified for further purification or separation. In justified cases, the desorption gas from the main adsorbers can also be sent for further processing.
  • the production cycle of the target product of high purity is as follows.
  • the raw gas mixture under excess pressure is fed into one of the main adsorbers, where well-adsorbed non-target components are mainly removed from it.
  • the gas supply is shut off, a bypass line opens, along which the gas accumulated in the main adsorber enriched with the target gas enters the auxiliary adsorber until its supply stops, the pressure in the auxiliary adsorber rises.
  • the previously working main adsorber is connected to the discharge line, the pressure in it drops and the desorption of previously sorbed components of the gas mixture begins.
  • selective absorption of the target gas by the adsorbent occurs at this time.
  • an additional supply of the raw gas mixture into it from the inlet pipe or from another source may be provided.
  • the remaining non-adsorbed gas mixture is discharged to a discharge or for further processing, the pressure in the auxiliary adsorber decreases, after which the previously adsorbed target gas begins to be desorbed from the adsorbent, and is supplied to the main adsorber, which is in the final phase of desorption of the previously adsorbed components, from where the target gas displaces the desorption products.
  • the discharge stops, and the pressures in the main and auxiliary adsorbers are equalized.
  • the volume of the target gas accumulated in the main adsorber at the time the feed gas begins to feed into it determines the capacity of the installation for the target gas of high purity.
  • the pressure in the main adsorber is raised to the operating value, the gas mixture enriched in the target product is further purified from well-adsorbed components, after which the target gas of high purity enters the consumer through a non-return valve on the outlet line of the corresponding adsorber.
  • the other main adsorber switched into the desorption process and the auxiliary adsorber operations similar to those described above are performed.
  • the adsorbents are selected so that the saturation time of the adsorbent in the main adsorbers is approximately twice the saturation time of the adsorbent in the auxiliary adsorber.
  • the number of auxiliary adsorbers must be equal to the number of main adsorbers, while both direct and cross connection of auxiliary and main adsorbers is required, due to the fact that in such a scheme the target gas taken from bypass from one main adsorber is used for purging and filling the target gas with another main adsorber.
  • the present invention implements a method for processing the main stream of a shared gas mixture in three stages, on two types of adsorbent.
  • the feed gas mixture enters the main adsorber under excess pressure, where well-adsorbed non-target components are mainly removed from it, after which the gas enriched in the target product is transferred to the auxiliary adsorber.
  • the second stage is the absorption of the target gas by the adsorbent in the auxiliary adsorber, followed by removal of the unabsorbed components of the gas mixture, with further extraction of the target gas from the adsorbent and its transfer back to the main adsorber.
  • the third stage is the pressure increase of the target gas with its bringing to high purity in the main adsorber and the delivery of the prepared portion of the target gas to the consumer. Moreover, in the main adsorber, which is in the production phase, at the same time are portions of the raw gas mixture separated by the conditional concentration front, which correspond to the first processing stage and the high-purity target gas corresponding to the third processing stage.
  • Three-time treatment with adsorbents of the separated mixture before serving it to the consumer ensures high purity of the target product and a high degree of its extraction from the initial gas mixture.
  • auxiliary adsorber or adsorbers, if there are several
  • the minimum degree of pressure rise will be realized if only the gas enriched with the target component is used to fill the auxiliary adsorber, which is passed from the main adsorber at the end of the adsorption phase.
  • This option will correspond to the minimum specific productivity of the scheme for the target product, but a high degree of its extraction from the raw gas mixture.
  • the maximum degree of extraction of the target component can be increased to 99% or higher by supplementing the circuit with a compressor pumping gas from the main adsorber to the auxiliary one after the end of the pressure flow induced in the adsorbers by gas equalization.
  • the maximum degree of pressure rise in the auxiliary adsorber is realized by supplying it with an initial gas mixture with a maximum inlet pressure. This option will correspond to the maximum specific productivity of the circuit for the target product, but a slightly lower degree of its extraction from the initial gas mixture, since some of the target gas will be lost when the non-adsorbed gas is discharged
  • the proposed method of extracting the target component from a multicomponent gas mixture including that implemented by means of the one shown in FIG. 1 of the scheme, can be used both in problems of separation of atmospheric air, and in problems of separation of other gas mixtures.
  • the degree of extraction of the target gas by the developed scheme and its purity will approximately correspond to the achievable purity of the target gas of the two-stage scheme described in U.S. Patent No. 5,137,549, but the installation design complexity, its overall dimensions and material consumption will be significantly lower.
  • the energy consumption for obtaining the target product by the developed scheme will be lower than for the scheme described in US patent N2 5,137,549, since the output of the target gas of this scheme is realized under excess pressure that differs from the pressure of the initial gas mixture by the amount of hydraulic resistance of the adsorber and gas path , while in the scheme of US patent N2 5,137,549, the target gas leaves the adsorbers of the second stage at the desorption stage under low pressure or even vacuum, after which it reaches the required level them to the installation of the compressor, consuming additional energy.
  • the requirement for the length of the adsorption zone of the adsorbers and the total adsorbent volume in the main adsorbers is reduced, since the target product is separated in three stages, which reduces the requirements for the residual impurity content at each stage of processing the gas mixture, ensuring high purity of the target product at the output of the installation, with a sufficiently high degree of extraction from the source gas mixture, comparable with the degree of extraction of the target gas in US patent N2 4,737,167, which solves the problem of reducing the active the length of the adsorption zone, however, the complexity of the design of the installation corresponding to the present invention, and its energy consumption will be lower.
  • the installation’s output time for a given product gas purity will be lower than for other CBA installations, since the installation does not use the target product for back-flushing of the main adsorption columns during desorption and their filling after desorption is completed, which makes it possible to refuse a significant output receiver volume required in other process variants.
  • the scheme allows the incoming gas mixture to be divided into three streams, one of which is the target gas of high purity under excess pressure, the second stream is also taken under excess pressure and enriched in gases that are weakly adsorbed by the adsorbent in the main and auxiliary adsorber, and the third stream is selected at low pressure and enriched with gases, well adsorbed in the main adsorbers.
  • the second and third streams may be subjected to direct use or further separation into marketable products.
  • the proposed method for the separation of multicomponent gas mixtures by the short cycle adsorptionless heating method with three-stage extraction of the target gas of high purity has a number of significant distinctive features and advantages with respect to the known CBA methods that solve similar problems.
  • the implementation of the present invention for the separation of multicomponent gas mixtures by means of a short cycle adsorptionless heating system with three-stage extraction of the target gas of high purity is illustrated by the scheme of a three-adsorber unit KBA (see Fig. 1).
  • the installation depicted in the diagram can be used to separate atmospheric air with the release of high-purity oxygen and by-production of an argon-enriched gas mixture, as well as to separate other multicomponent gas mixtures, for example, multicomponent hydrogen-containing gases.
  • the main adsorbers 1 and 2 are filled with synthetic zeolite with a pore diameter of 5 angstroms (0.5 nm), and the auxiliary adsorber 3 is filled with a carbon molecular sieve with a pore diameter of 4 angstroms (0.4 nm).
  • the characteristics of the adsorbents are selected so that the saturation time of the adsorbent in the main adsorbers 1 or 2 (60 seconds) is approximately twice the saturation time of the adsorbent in the auxiliary adsorber 3 (30 seconds).
  • the valve opening speed and the corresponding rate of pressure rise and release in the adsorbers are limited and selected so that there is no intensive attrition of the adsorbent. Status of the switching valves of the circuit of FIG. 1, for the full cycle option with a duration of 120 seconds, is shown in table 1.
  • the operation of the circuit is as follows: purified and partially drained of water vapor atmospheric air under excess pressure, for example 0.6 MPa gage, through one of the supply valves 4 or 5, is fed into one of the adsorbers 1 or 2, which is in the adsorption mode, from the production nozzle of the adsorber through one of the check valves 16 or 17 leaves the target gas - oxygen with a purity of 98-99% and higher.
  • non-return valves 16 and 17 switching valves can be applied, switching together with valves 4 and 5, respectively.
  • the other of the adsorbers 1 or 2 is in the desorption mode of previously adsorbed gases.
  • the desorption mode of one of the main adsorbers 1 or 2 and the pressure rise mode in the auxiliary adsorber 3 are characterized by the presence of a bypass phase at the beginning of these modes, during which the oxygen-enriched gas from one adsorber 1 or 2 is at a higher pressure (at the beginning of the desorption period) , through one of the valves 10 or 11 and the corresponding throttling connection 12 or 13, enters the adsorber 3, which is under lower pressure (at the beginning of the pressure rise period).
  • valves 10 or 11 are closed, valve 7 or 8 is opened, through which desorption gas is removed from the regenerated adsorber, valve 6 is simultaneously opened, through which the source air is supplied and the gas mixture is pressurized in adsorber 3, after which valve 6 closes.
  • the adsorber 3 is kept in the off state for a period of time, the pressure in it somewhat decreases due to the absorption of oxygen by the adsorbent, after which, by temporarily opening the valve 9, it is diverted for further processing or discharged into the atmosphere of the inter-granular space adsorber 3 gas enriched in argon and nitrogen.
  • the oxygen accumulated in the adsorbent of the adsorber 3 is desorbed and supplied to the adsorber 1 or 2 to displace the nitrogen desorbed in it and fill the corresponding adsorber before raising the pressure in it.
  • an excess of nitrogen saturated from nitrogen adsorbed from the adsorbent layer leaves the adsorber 1 or 2 under the influence of its own excess pressure.
  • a vacuum pump can be additionally installed on the discharge line, which reduces the pressure in the desorbed adsorber below atmospheric pressure by the middle of the desorption phase.
  • nitrogen is displaced from the regenerated adsorber by oxygen coming from the adsorber 3 through one of the valves 10 or 11 and the corresponding check valve 14 or 15.
  • the corresponding discharge valve 7 or 8 closes, while a certain period of time the oxygen supply from the adsorber 3 is maintained, until the moment before opening the valves 4 or 5, corresponding to the beginning of the air supply to the corresponding adsorber, thereby increasing the amount of oxygen yes adsorber ready for the beginning of the adsorption phase.
  • the air entering through the inlet of the adsorber, as it moves along the adsorber, is purged of nitrogen absorbed by the synthetic zeolite, as a result of which an oxygen-argon mixture remains in the intergranular space, partially purified from nitrogen, separated with high-purity oxygen by a concentration front, moving together with the gas to the production nozzle of the adsorber.
  • FIG. 1 Another example of the application of the circuit depicted in FIG. 1, consists in the extraction of high purity hydrogen from a multicomponent gas mixture containing hydrogen, methane, carbon dioxide (carbon dioxide), carbon monoxide (carbon monoxide) and nitrogen, to obtain a second commercial product in the form of a methane-rich mixture and carbon dioxide as the third product.
  • the following composition of the initial gas mixture was adopted: hydrogen 75.6%, carbon dioxide 17.5%, carbon monoxide 0.5%, methane 6.2% and nitrogen 0.2% volume, at a pressure of the initial gas mixture 0, 8 MPa
  • the main adsorbers 1 and 2 are filled with industrial synthetic zeolite 13X, characterized by an increase in the adsorption capacity for gases in the following sequence: H 2 ⁇ CH 4 ⁇ C02 ⁇ N2 ⁇ CO.
  • the adsorber 3 is filled with a carbon molecular sieve with a pore diameter of 3 angstroms (0.3 nm), for which the adsorption rate of H 2 is much higher than the adsorption rate of CH 4 .
  • the main adsorbers in the first stage of gas processing, carbon monoxide, nitrogen, carbon dioxide are predominantly adsorbed.
  • hydrogen is adsorbed in the auxiliary treatment adsorber, after which the remaining unabsorbed gas with a methane content of at least 50% is discharged for use as gas fuel into the fuel network of the enterprise with a pressure of about 0.2 MPa gage.
  • hydrogen is returned to the main adsorbers, where it is purified from impurities and supplied to the consumer with a purity of 99% and a pressure of about 0.7 MPa gage.
  • the desorption gas stream from the main adsorbers is discharged at a pressure of about 0.02 MPa gage, contains about 70% carbon dioxide, and can be sent for further processing to produce marketable carbon dioxide.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способам разделения газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией. Настоящим изобретением реализуется способ выделения из многокомпонентной газовой смеси целевого газа высокой чистоты, посредством обработки входного потока многокомпонентной газовой смеси в три этапа, на двух типах адсорбента. На первом этапе сырьевая газовая смесь под избыточным давлением заходит в основной адсорбер, где из нее в основном удаляются хорошо сорбируемые нецелевые компоненты, после чего обогащенный целевым продуктом газ перемещается во вспомогательный адсорбер. Вторым этапом является поглощение адсорбентом во вспомогательном адсорбере целевого газа, с последующим удалением из вспомогательного адсорбера непоглощенных компонентов газовой смеси, с дальнейшим извлечением целевого газа из адсорбента и его перемещением обратно в основной адсорбер. Третьим этапом является подъем давления целевого газа с его доведением до высокой чистоты в основном адсорбере и выдача подготовленной порции целевого газа потребителю. В сравнении с наиболее совершенными установками короткоцикловой безнагревной адсорбции, изобретение позволяет обеспечить сходную чистоту целевого продукта и степень его извлечения из исходной газовой смеси, при меньшей сложности технологической схемы и меньших энергозатратах, с сопутствующим снижением общих габаритов и материалоемкости установки.

Description

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
РАЗДЕЛЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ СПОСОБОМ КОРОТКОЦИКЛОВОЙ БЕЗНАГРЕВНОЙ АДСОРБЦИЕЙ
1. Область техники
Изобретение относится к способам разделения газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией. Способ разделения газов посредством короткоцикловой безнагревной адсорбции (аббревиатура КБА, иногда встречается аббревиатура КЦА) основан на свойстве отдельных химических веществ-сорбентов избирательно сорбировать модекулы определенных газов, вследствии того, что либо сорбционная емкость адсорбента (например для цеолитов), либо скорость адсорбции (например для углеродных молекулярных сит) у хорошо сорбируемых газов в несколько раз и даже десятков раз превышает аналогичные параметры для других газов. Адсорбция проводится при повышенном давлении, а десорбция производится посредством снижения давления в адсорбере и удаления из него десорбированных компонентов газовой смеси.
Способ разделения газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией (КБА) широко используется для получения одного или нескольких целевых газов из бинарных и многокомпонентных газовых смесей, в частности при производстве азота, кислорода и аргона из атмосферного воздуха, при выделении водорода из водородосодержащего газа, при осушке газа от водяных паров, а также в различных физико-химических промышленных и исследовательских процессах. Для избирательного поглощения газов используются различные виды и марки адсорбентов (цеолиты, углеродные молекулярные сита и др.).
2. Уровень техники
Из известных некриогенных способов разделения многокомпонентных газовых смесей, таких как атмосферный воздух или водородосодержащие газы, в настоящее время промышленно освоены способ короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) и способ мембранного разделения газов. Способ КБА является технологически более сложным, чем мембранный способ разделения газовых смесей, что обусловлено необходимостью постоянного переключения потоков через адсорберы, но позволяет достигать большей чистоты целевого газа или смеси, чем способ мембранного разделения газов. Например, при выделении из атмосферного воздуха целевой азотно- аргоновой смеси, в установке короткоцикловой безнагревной адсорбции концентрация остаточного кислорода может быть снижена до 0,001%, что многократно выше, чем реально достижимая при применении мембранного метода концентрация остаточного кислорода, составляющая около 0,5%. При выделении азота из атмосферного воздуха недостатками промышленно освоенных установок КБА по отношению к установкам мембранного разделения газа являются: неравномерность потребления исходного газа и выдачи продукционного газа, сложная система автоматизации, повышенный расход исходного газа и меньшая степень извлечения целевого компонента из газовой смеси. Однако, для производства малых и средних объемов кислородно-аргоновой смеси из атмосферного воздуха, установки КБА являются единственным промышленно освоенным решением, так как в одноступенчатой схеме разделения мембранные методы не позволяют достигать обогащения целевой смеси кислородом свыше 50% объемной концентрации, при этом поток обогащенного кислородом газа выходит из газоразделительной мембраны под низким давлением.
Для разделения многокомпонентных водородосодержащих газовых смесей известны решения, содержащие большее количество адсорберов, находящихся в различных стадиях регенерации и обогащения, например четырехадсорберные схемы (см. патенты США N2 4,070,161; N° 5,026,406) или схема, содержащая 9 адсорберов, используемая для разделения водородосодержащего газа (см. патент США N2 5,133,785). Разделение исходной смеси, согласно этим патентам, проводят в многоадсорберных установках, адсорберы в которых связаны друг с другом внутренними рециклами потоков, обеспечивающимися применением дополнительного насосно-компрессорного оборудования. Большое количество адсорберов, сложные связи между ними, наличие дорогостоящего дополнительного оборудования - практически исключают повторяемость решений и ограничивает сферу применения таких установок использованием на крупнотоннажных химических производствах, нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводах. В данных задачах, для предварительного концентрирования водорода в газовой смеси, в ряде случаев применяются мембранные методы концентрирования, основанные на высокой проникающей способности водорода через полимерные мембраны. Многоадсорберные схемы КБА обычно специализированы для разделения водородосодержащих газов и не нашли промышленного применения в задачах воздухоразделения.
Атмосферный воздух является многокомпонентной газовой смесью, с преобладанием компонентов: азот 78%, кислород 20,9%, аргон 0,9% объема. Углекислый газ, инертные газы и другие примеси содержатся в атмосферном воздухе в малых количествах, извлечение которых может иметь коммерческое значение только в высокопроизводительных установках по сжижению атмосферного воздуха криогенными способами, где выделяются практически все компоненты атмосферного воздуха. Для выделения из атмосферного воздуха достаточно чистой азото-аргоновой смеси или кислородно-аргоновой смеси, в малых и средних локальных установках, традиционно применяются хорошо изученные и промышленно освоенные схемы установок КБА, содержащие, как правило, два адсорбера, в которых попеременно один адсорбер находится в режиме адсорбции под повышенным давлением, а другой - в режиме десорбции при пониженном давлении. Степень обогащения продукционной азотно- аргоновой смеси целевыми компонентами и производительность двухадсорберной схемы доведены до практически достижимого предела (см. пат. США N° 4,925,461; пат. США N2 4,548,799; пат. США N2 4,948,391). Для подавляющего большинства потребителей наличие в продукционном азоте около 1,2% аргона не имеет значения, по этой причине вопросы очистки продукционного азота от аргона до настоящего времени не обладают актуальностью.
Другая ситуация складывается с выделением установками КБА кислорода из атмосферного воздуха. Промышленно освоенные одноступенчатые установки КБА обеспечивают недостаточно высокую степень извлечения кислорода из атмосферного воздуха, при этом концентрация продукционного кислорода не превышает 95% объемных, что существенно ограничивает область использования полученного таким способом кислорода. В частности, для промышленных установок кислородной резки стали требуется кислород чистотой не ниже 98-99%. Для повышения степени извлечения целевого продукта в патенте США N2 4,737,167 разработана схема КБА, содержащая две или более последовательно установленных ступени, в которых часть газа десорбции последующих ступеней посредством компрессорного оборудования добавляется к сырьевому газу предыдущей ступени (ступеней), что позволяет повысить степень извлечения целевого компонента газовой смеси, но для случая выделения кислорода из атмосферного воздуха, описанная схема не может обеспечить чистоту кислорода выше 95%. Предел чистоты кислорода 95% обусловлен тем, что практически на всех типах цеолитов адсорбционные емкости по кислороду и аргону практически одинаковы, поэтому при обогащении газовой смеси кислородом до 95% одновременно происходит ее обогащение аргоном примерно до 5%. Разделение молекул аргона и кислорода на современных синтетических цеолитах практически нереализуемо. Для получения кислорода более высокой чистоты используются сложные многоступенчатые схемы КБА с комбинированием обработки газа на различных типах адсорбентов. Как наиболее полное развитие такой концепции, в патенте США N2 5,137,549 описана двухступенчатая схема установки КБА для получения кислорода высокой чистоты, включающая первую ступень с адсорберами, заполненными синтетическим цеолитом, поглощающим азот, и вторую ступень с адсорберами, заполненными углеродным молекулярным ситом, используемым для поглощения кислорода. При прохождении первой ступени КБА концентрируется кислородно-аргоновая смесь под избыточным давлением, на второй ступени КБА извлекается продукционный кислород чистотой 99% и выше, получаемый путем десорбции предварительно поглощенного кислорода из углеродного молекулярного сита, под малым избыточным давлением или вакуумом, при этом обогащенная аргоном газовая смесь под избыточным давлением выводится из второй ступени КБА, по окончании процесса адсорбции кислорода. Недостатками данной схемы являются: ее сложность; наличие двух последовательно работающих ступеней разделения с адсорбентами разных типов; продуцирование кислорода высокой чистоты при низком давлении; необходимость дополнительного компрессора для подъема давления кислорода, извлекаемого из адсорбента на второй ступени КБА. 3. Краткое описание чертежей
Для раскрытия настоящего изобретения представлен чертеж Фиг. 1, на котором изображена схема установки короткоцикловой безнагревной адсорбции, позволяющая выделять целевой газ высокой чистоты из многокомпонентной газовой смеси. Перечень позиций: 1,2 - основные адсорберы, заполненные адсорбентом, хорошо сорбирующим нецелевые компоненты газовой смеси; 3 - вспомогательный адсорбер, заполненный адсорбентом, хорошо сорбирующим целевой компонент газовой смеси; 4, 5, б, 7, 8, 9, 10, 11 - клапаны; 12, 13 - дросселирующие устройства, 14, 15, 16, 17 - обратные клапаны. Описание работы схемы дано в разделах "Раскрытие изобретения" и "Осуществление изобретения".
4. Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение разделения многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с трехэтапным извлечением целевого газа высокой чистоты заключается в следующем. Схема установки (пример наиболее простой схемы см. Фиг. 1, детальное описание примера реализации установки приведено в разделе "Осуществление изобретения") состоит из: двух или более основных адсорбционных колонн (адсорберов), заполненных адсорбентом, хорошо сорбирующим нецелевые компоненты газовой смеси; одного или более вспомогательных адсорберов, заполненных адсорбентом, хорошо сорбирующим целевой компонент газовой смеси; системы переключающих клапанов, обратных клапанов и дросселирующих устройств. Поток разделяемой газовой смеси, прошедшей предварительную очистку от механических примесей и частичную осушку от паров воды, под избыточным давлением пропускают через слой адсорбента в основных адсорберах, в которых поочередно и циклически организованы режимы адсорбции нецелевых компонентов газовой смеси при повышении давления и десорбции ранее сорбированных компонентов при понижении давления. Для удаления газов десорбции из основных адсорберов и их частичного заполнения перед переключением в режим адсорбции, используется концентрированный целевой газ, накопленный адсорбентом во вспомогательном адсорбере. Для наполнения вспомогательного адсорбера могут использоваться как накопленный в основном адсорбере к моменту окончания фазы адсорбции газ, обогащенный целевым компонентом, путем его перепуска во вспомогательный адсорбер, так и исходная газовая смесь, подаваемая во вспомогательный адсорбер непосредственно из входной магистрали. Накопленная во вспомогательном адсорбере газовая смесь под избыточным давлением, обедненная целевым газом, но обогащенная компонентами (вторым продуктом), мало сорбированными адсорбентом в основных и вспомогательных адсорберах, может как сбрасываться, так и в экономически обоснованных направляться на дальнейшую очистку или разделение. В обоснованных случаях газ десорбции из основных адсорберов также может направляться на дальнейшую переработку. Цикл продуцирования целевого продукта высокой чистоты выполняется следующим образом. Сырьевая газовая смесь под избыточным давлением подается в один из основных адсорберов, где из нее в основном удаляются хорошо сорбируемые нецелевые компоненты. Перед моментом достижения фронтом вновь поступающего в основной адсорбер газа выходного продукционного патрубка, подача газа перекрывается, открывается линия перепуска, по которой накопленный в основном адсорбере газ, обогащенный целевым газом, поступает во вспомогательный адсорбер до момента прекращения его подачи, давление во вспомогательном адсорбере повышается. Далее, ранее работавший основной адсорбер подключается к линии разгрузки, давление в нем падает и начинается десорбция ранее сорбированных компонентов газовой смеси. Во вспомогательном адсорбере в это время происходит избирательное поглощение адсорбентом целевого газа. Для активизации процесса адсорбции и увеличения количества целевого газа во вспомогательном адсорбере, в обоснованных случаях может быть предусмотрена дополнительная подача в него сырьевой газовой смеси из входного трубопровода или из другого источника. По окончании адсорбции целевого газа, оставшаяся не сорбированной газовая смесь отводится на сброс или на дальнейшую переработку, давление во вспомогательном адсорбере снижается, после чего сорбированный ранее целевой газ начинает десорбироваться из адсорбента подаваться в основной адсорбер, находящийся в заключительной фазе десорбции ранее сорбированных компонентов, откуда целевой газ вытесняет продукты десорбции. После достижения фронтом целевого газа сбросного патрубка в основном адсорбере, сброс прекращается, производится уравнивание давлений в основном и вспомогательном адсорберах. Объем целевого газа, накопленного в основном адсорбере к моменту начала подачи в него сырьевого газа, определяет производительность установки по целевому газу высокой чистоты. Производится подъем давления в основном адсорбере до рабочего значения, обогащенная целевым продуктом газовая смесь дополнительно очищается от хорошо сорбируемых компонентов, после чего целевой газ высокой чистоты поступает потребителю через обратный клапан на выходной линии соответстующего адсорбера. В это же время, с другим основным адсорбером, переключенным в процесс десорбции, и вспомогательным адсорбером, производятся операции, аналогичные описанным выше действиям. При достижении концентрационным фронтом между целевым продуктом высокой чистоты и частично обогащенной целевым продуктом газовой смесью выходного патрубка основного адсорбера, находящегося в процессе продуцирования, подача входного потока сырьевой газовой смеси прекращается, цикл повторяется. В описанном цикле для схемы, изображенной на Фиг. 1, в каждом из основных адсорберов выполняется по одной фазе адсорбции и одной фазе регенерации, в то же время во вспомогательном адсорбере выполняется две фазы адсорбции и две фазы регенерации, так как производится его попарная попеременная работа как с одним, так и с другим основным адсорбером. Для схемы Фиг. 1 адсорбенты подбираются таким образом, чтобы время насыщения адсорбента в основных адсорберах было примерно вдвое больше времени насыщения адсорбента во вспомогательном адсорбере. В случае применения адсорбентов с аналогичным временем насыщения и в основных и во вспомогательных адсорберах, количество вспомогательных адсорберов должно быть равно количеству основных адсорберов, при этом требуется как прямое, так и перекрестное подключение вспомогательных и основных адсорберов, в связи с тем, что в такой схеме целевой газ, взятый при перепуске из одного основного адсорбера, используется для продувки и наполнения целевым газом другого основного адсорбера.
Таким образом, настоящим изобретением реализуется способ обработки основного потока разделяемой газовой смеси в три этапа, на двух типах адсорбента. На первом этапе сырьевая газовая смесь под избыточным давлением заходит в основной адсорбер, где из нее в основном удаляются хорошо сорбируемые нецелевые компоненты, после чего ообогащенный целевым продуктом газ перемещается во вспомогательный адсорбер. Вторым этапом является поглощение адсорбентом во вспомогаьельном адсорбере целевого газа, с последующим удалением непоглощенных компонентов газовой смеси, с дальнейшим извлечением целевого газа из адсорбента и его перемещением обратно в основной адсорбер. Третьим этапом является подъем давления целевого газа с его доведением до высокой чистоты в основном адсорбере и выдача подготовленной порции целевого газа потребителю. При этом в основном адсорбере, находящемся в фазе продуцирования, одновременно находятся разделенные условным концентрационным фронтом порции сырьевой газовой смеси, соответствующей первому этапу обработки и целевого газа высокой чистоты, соответствующего третьему этапу обработки.
Трехкратная обработка адсорбентами разделяемой смеси перед подачей ее потребителю обеспечивает высокую чистоту целевого продукта и высокую степень его извлечения из исходной газовой смеси.
В зависимости от требований конкретного случая реализации схемы, может быть реализована различная степень подъема давления во вспомогательном адсорбере (или адсорберах, если их несколько). Минимальная степень подъема давления будет реализована в том случае, если для заполнения вспомогательного адсорбера используется только обогащенный целевым компонентом газ, перепускаемый из основного адсорбера по окончании фазы адсорбции. Этому варианту будет соответствовать минимальная удельная производительность схемы по целевому продукту, но высокая степень его извлечения из сырьевой газовой смеси. При необходимости, максимальная степень извлечения целевого компонента может быть повышена до 99% и выше, путем дополнения схемы компрессором, откачивающим газ из основного адсорбера во вспомогательный после окончания побуждаемого уравниванием давлений в адсорберах перетока газа. Без использования компрессора, максимальная степень подъема давления во вспомогательном адсорбере реализуется подачей в него исходной газовой смеси с максимальным входным давлением. Этому варианту будет соответствовать максимальная удельная производительность схемы по целевому продукту, но несколько меньшая степень его извлечения из исходной газовой смеси, так как некоторая часть целевого газа будет теряться при сбросе не адсорбировавшегося газа
б из вспомогательного адсорбера. В связи с тем, что вне зависимости от дополнительной подачи сырьевого газа, будет сохраняться высокая чистота производимого установкой целевого продукта, имеется возможность гибкого регулирования выходной производительности установки КБА во времени, путем изменения количества дополнительно подаваемой во вспомогательный адсорбер исходной газовой смеси.
Предложенный способ извлечения из многокомпонентной газовой смеси целевого компонента, в том числе реализуемый посредством изображенной на фиг. 1 схемы, может применяться как в задачах разделения атмосферного воздуха, так и в задачах разделения других газовых смесей.
При сравнении разработанного способа КБА, иллюстрирующегося схемой Фиг. 1, с известными способами КБА и схемами извлечения целевого газа высокой чистоты из многокомпонентной газовой смеси, описанными, в частности, в патентах США N2 4,737,167, N° 5,026,406 и N° 5,137,549, отмечается ряд технических результатов настоящего изобретения.
Во первых, степень извлечения разработанной схемой целевого газа и его чистота будут примерно соответствовать достижимой чистоте целевого газа двухступенчатой схемы, приведенной в патенте США N2 5,137,549, но при этом сложность конструкции установки, ее общие габариты и материалоемкость будут существенно ниже.
Во вторых, энергозатраты на получение целевого продукта разработанной схемой будут ниже, чем для схемы, приведенной в патенте США N2 5,137,549, так как выход целевого газа настоящей схемы реализуется под избыточным давлением, отличающимся от давления исходной газовой смеси на величину гидравлического сопротивления адсорбера и газового тракта, в то время как в схеме патента США N2 5,137,549 целевой газ выходит из адсорберов второй ступени на стадии десорбции под низким давлением или даже вакуумом, после чего дожимается до необходимого уровня входящим в состав установки компрессором, затрачивающим дополнительную энергию.
В третьих, разработанный способ и схема подволяют в одну ступень получить целевой продукционный газ более высокой чистоты, чем позволяют это сделать установки в соответствии с патентами США N° 4,737,167, 2 5,026,406.
В четвертых, снижается требование к длине адсорбционной зоны адсорберов и общему объему адсорбента в основных адсорберах, так как выделение целевого продукта осуществляется в три этапа, что позволяет снизить требования к остаточному содержанию примесей на каждом этапе обработки газовой смеси, с обеспечением высокой чистоты целевого продукта на выходе установки, при достаточно высокой степени его извлечения из исходной газовой смеси, сравнимой со степенью извлечения целевого газа в патенте США N2 4,737,167, решающем задачи уменьшения активной длины зоны адсорбции, однако при этом сложность конструкции установки, соответствующей настоящему изобретению, и ее энергопотребление будут ниже. В пятых, время выхода установки на заданную чистоту газа продукта будет ниже, чем для других установок КБА, так как в установке целевой продукт не используется для обратной продувки основных адсорбционных колонн при десорбции и их заполнения после окончания десорбции, что позволяет отказаться от выходного ресивера значительного объема, необходимого в других вариантах процесса.
В шестых, схема позволяет разделять входящую газовую смесь на три потока, один из которых является целевым газом высокой чистоты под избыточным давлением, второй поток также отбирается под избыточным давлением и обогащен газами, слабо сорбирующимися адсорбентом в основных и во вспомогательном адсорбере, а третий поток отбирается при низком давлении и обогащен газами, хорошо сорбирующимся в основных адсорберах. В обоснованных случаях второй и третий потоки могут быть подвергнуты прямому использованию или дальнейшему разделению на товарные продукты.
Таким образом, предложенный способ разделения многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с трехэтапным извлечением целевого газа высокой чистоты имеет ряд существенных отличительных особенностей и преимуществ по отношению к известным способам КБА, решающим аналогичные задачи.
5. Осуществление изобретения
Осуществление настоящего изобретения по разделению многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с трехэтапным извлечением целевого газа высокой чистоты иллюстрируется схемой трехадсорберной установки КБА (см. Фиг. 1). Изображенная на схеме установка может быть использована для разделения атмосферного воздуха с выделением кислорода высокой чистоты и побочным получением обогащенной аргоном газовой смеси, а также для разделения других многокомпонентных газовых смесей, например многокомпонентных водородосодержащих газов.
Разделение атмосферного воздуха является наиболее часто встречающейся задачей установок КБА, в связи с этим детально описывается пример работы схемы, изображенной на Фиг. 1, для получения кислорода высокой чистоты (98-99% и выше) из атмосферного воздуха, содержащего азот 78%, кислород 20,9%, аргон 0,9% объема. В данном случае основные адсорберы 1 и 2 заполняются синтетическим цеолитом с диаметром пор 5 ангстрем (0,5 нм), а вспомогательный адсорбер 3 заполняется углеродным молекулярным ситом с диаметром пор 4 ангстрем (0,4 нм). Характеристики адсорбентов, в частности диаметр гранул, подбираются таким образом, чтобы время насыщения адсорбента в основных адсорберах 1 или 2 (60 секунд) было примерно вдвое больше времени насыщения адсорбента во вспомогательном адсорбере 3 (30 секунд). Скорость открытия клапанов и соответствующая скорость подъема и сброса давления в адсорберах ограничивается и выбирается такой, при которой не происходит интенсивного истирания адсорбента. Состояние переключающих клапанов схемы Фиг. 1, для варианта полного цикла с продолжительностью 120 секунд, указано в таблице 1.
Таблица 1 Открытое положение клапанов схемы Фиг. 1 в течении цикла
Figure imgf000011_0001
Работа схемы осуществляется следующим образом: очищенный и частично осушенный от водяных паров атмосферный воздух под избыточным давлением, например 0,6 МПа изб., через один из питающих клапанов 4 или 5, подается в один из адсорберов 1 или 2, находящийся в режиме адсорбции, из продукционного патрубка адсорбера через один из обратных клапанов 16 или 17 выходит целевой газ - кислород с чистотой 98-99% и выше. В обоснованных случаях вместо обратных клапанов 16 и 17 могут быть применены переключающие клапаны, переключающимися совместно с клапанами 4 и 5 соответственно. В то же время другой из адсорберов 1 или 2 находится в режиме десорбции ранее сорбированных газов. Режим десорбции одного из основных адсорберов 1 или 2 и режим подъема давления во вспомогательном адсорбере 3 характеризуются наличием в начале этих режимов фазы перепуска, в ходе которой обогащенный кислородом газ из одного адсорбера 1 или 2, находящегося под более высоким давлением (в начале периода десорбции), через один из клапанов 10 или 11 и соответствующее дросселирующее соединение 12 или 13, поступает в адсорбер 3, находящийся под более низким давлением (в начале периода подъема давления). По окончании фазы перепуска, клапаны 10 или 11 закрываются, открывается клапан 7 или 8, через который газ десорбции выводится из регенерируемого адсорбера, одновременно открывается клапан 6, через который производится подача исходного воздуха и повышение давления газовой смеси в адсорбере 3, после чего клапан 6 закрывается. Адсорбер 3 в течении промежутка времени выдерживается в отключенном состоянии, давление в нем несколько снижается за счет поглощения адсорбентом кислорода, после чего путем временного открытия клапана 9 производится отвод для дальнейшей переработки или сброс в атмосферу оставшегося в межгранульном пространстве адсорбера 3 газа, обогащенного аргоном и азотом. После этого, в результате снижения давления, накопленный в адсорбенте адсорбера 3 кислород десорбируется и подается в адсорбер 1 или 2 для вытеснения десорбирующегося в нем азота и наполнения соответствующего адсорбера перед подъемом в нем давления. В первой половине фазы десорбции, избыток десорбирующегося из слоя адсорбента (синтетического цеолита) газа, насыщенного азотом, выходит из адсорбера 1 или 2 под действием собственного избыточного давления. Для повышения эффективности десорбции основных адсорберов 1 и 2 на линии сброса может быть дополнительно установлен вакуумный насос, к середине фазы десорбции снижающий давление в десорбирующемся адсорбере ниже атмосферного давления. На второй половине фазы десорбции, азот вытесняется из регенерируемого адсорбера кислородом, поступающим из адсорбера 3 через один из клапанов 10 или 11 и соответствующий обратный клапан 14 или 15. По завершении процесса регенерации адсорбента, соответствующий сбросной клапан 7 или 8 закрывается, при этом в течении определенного периода времени подача кислорода из адсорбера 3 сохраняется, до момента перед открытием клапанов 4 или 5, соответствующим началу подачи воздуха в соответствующий адсорбер, чем достигается увеличение количества кислорода в адсорбере, готовом к началу фазы адсорбции. Кислород, накопленный в основном адсорбере 1 или 2 к моменту начала подачи в него воздуха, проходит доочистку от остаточного азота в процессе подъема давления в адсорбере и собственного перемещения вдоль адсорбера к соответствующему патрубку подготовленного газа с обратным клапаном 16 или 17, через который продукционный кислород выдается в систему потребления. В то же время воздух, поступающий через входной патрубок адсорбера, по мере движения вдоль адсорбера очищается от азота, поглощаемого синтетическим цеолитом, в результате чего в межгранульном пространстве остается кислородно-аргоновая смесь, частично очищенная от азота, разделенная с кислородом высокой чистоты концентрационным фронтом, движущимся вместе с газом к продукционному патрубку адсорбера. Перед моментом достижения концентрационным фронтом между кислородом высокой чистоты и частично очищенной от азота кислородно-аргоновой смесью выходного патрубка основного адсорбера, находящегося в процессе продуцирования, подача входного потока сырьевой газовой смеси прекращается, описанные выше переключения адсорберов циклически повторяются.
Другой пример применения схемы, изображенной на Фиг. 1, заключается в извлечении водорода высокой чистоты из многокомпонентной газовой смеси, содержащей водород, метан, углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (моноокись углерода) и азот, с получением второго товарного продукта в виде обогащенной метаном смеси и углекислого газа в качестве третьего продукта. Для рассматриваемого примера принят следующий состав исходной газовой смеси: водород 75,6%, углекислый газ 17,5%, угарный газ 0,5%, метан 6,2% и азот 0,2% объема, при давлении исходной газовой смеси 0,8 МПа изб. В данном случае основные адсорберы 1 и 2 заполняются промышленным синтетическим цеолитом 13Х, характеризующийся повышением адсорбционной емкости для газов в следующей последовательности: H2<CH4<C02<N2<CO. Вспомогательный адсорбер 3 заполняется углеродным молекулярным ситом с диаметром пор 3 ангстрем (0,3 нм), для которого скорость адсорбции Н2 много выше, чем скорость адсорбции СН4. В основных адсорберах на первой стадии обработки газа преимущественно адсорбируются угарный газ, азот, углекислый газ. На второй стадии во вспомогательном адсорбере обработки адсорбируется водород, после чего оставшийся непоглощенным газ с содержанием метана не менее 50% отводится для использовании в качестве газового топлива в топливную сеть предприятия с давлением около 0,2 МПа изб. На третьей стадии обработки водород возвращается в основные адсорберы, где доочищается от примесей и поступает потребителю с чистотой 99% и давлением около 0,7 МПа изб. Поток газа десорбции из основных адсорберов отводится при давлении около 0,02 МПа изб., содержит около 70% углекислого газа, и может быть направлен на дальнейшую переработку с получением товарной углекислоты. При значительной производительности установки, из условий обеспечения равномерности потока потребляемой исходной газовой смеси и потока подаваемого потребителю водорода, целесообразно предусматривать две параллельно подключенных схемы согласно Фиг. 1, с единой системой управления, обеспечивающей сдвиг фаз работы одной схемы Фиг. 1 по отношению к фазам работы другой на время, равное 1/4 полной длительности цикла.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ разделения многокомпонентных газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией, включающий повышение давления потока разделяемой газовой смеси, пропускание его через слой адсорбента в параллельно соединенных адсорбционных колоннах, в которых циклически и последовательно организовывают режимы повышения и понижения давления, производят отвод и подачу потребителю потока обогащенного целевым компонентом газовой смеси продукта из колонны с повышенным давлением и продувку целевым компонентом газовой смеси колонны, находящейся под пониженным давлением, отличающийся тем, что используют несколько адсорбционных колонн, при этом основные колонны заполнены адсорбентом, преимущественно поглощающим нецелевые компоненты газовой смеси, а одна или несколько вспомогательных адсорбционных колонн заполнены адсорбентом, преимущественно поглощающим целевой компонент газовой смеси, и предназначены для организации обратной продувки целевым компонентом газовой смеси основных адсорбционных колонн, при их нахождении в режиме десорбции ранее адсорбированных нецелевых компонентов газовой смеси.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обратная продувка целевым компонентом газовой смеси основных адсорбционных колонн, находящихся в режиме десорбции ранее адсорбированных нецелевых компонентов газовой смеси, производится только на заключительной стадии десорбции.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по окончании стадии десорбции в основных адсорбционных колоннах производится частичный подъем давления целевого компонента газовой смеси, подаваемого из вспомогательных адсорбционных колонн, продолжающих находиться в стадии десорбции.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполнение вспомогательных адсорбционных колонн производится путем перепуска обогащенной целевым компонентом газовой смеси из основных адсорбционных колонн в начале процесса десорбции ранее сорбированных компонентов газовой смеси.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подъем давления до максимального значения во вспомогательных адсорбционных колоннах производится подачей исходной газовой смеси.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что из вспомогательных адсорбционных колонн в начале стадии десорбции предусматривается отбор на дальнейшую переработку или прямое использование газовой смеси, обогащенной компонентами газа, слабо поглощаемые адсорбентом в основных и во вспомогательных адсорбционных колоннах.
PCT/RU2016/000839 2015-12-02 2016-12-01 Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбцией WO2017095268A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151593 2015-12-02
RU2015151593A RU2607735C1 (ru) 2015-12-02 2015-12-02 Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с трехэтапным извлечением целевого газа высокой чистоты

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2017095268A1 true WO2017095268A1 (ru) 2017-06-08
WO2017095268A4 WO2017095268A4 (ru) 2017-07-27

Family

ID=58452575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000839 WO2017095268A1 (ru) 2015-12-02 2016-12-01 Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбцией

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2607735C1 (ru)
WO (1) WO2017095268A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10478770B2 (en) * 2017-12-21 2019-11-19 Air Products And Chemicals, Inc. Separation process and apparatus for light noble gas
CA3103291C (en) * 2018-03-29 2023-02-28 Praxair Technology, Inc. Characteristics of tunable adsorbents for rate selective separation of nitrogen from methane
RU188323U1 (ru) * 2018-11-26 2019-04-08 Публичное акционерное общество "Аквасервис" Устройство регулирования дыхательной атмосферы в помещении

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5026406A (en) * 1989-05-18 1991-06-25 Air Products And Chemicals, Inc. Adsorptive process for producing two gas streams from a gas mixture
SU1666165A1 (ru) * 1989-01-23 1991-07-30 А.Н.Цедилин, О.Н.Черн вска и М.Г.Власова Устройство разделени атмосферного воздуха
US5395427A (en) * 1994-01-12 1995-03-07 Air Products And Chemicals, Inc. Two stage pressure swing adsorption process which utilizes an oxygen selective adsorbent to produce high purity oxygen from a feed air stream
RU2169605C2 (ru) * 1996-09-18 2001-06-27 Специальное конструкторско-технологическое бюро по электрохимии Способ разделения газа переменного состава короткоцикловой безнагревной адсорбцией
WO2007111739A2 (en) * 2005-12-21 2007-10-04 Uop Llc The use of mofs in pressure swing adsorption

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU874137A1 (ru) * 1980-02-11 1981-10-23 Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт им.Д.И.Менделеева Способ разделени атмосферного воздуха
JPS607920A (ja) * 1983-06-29 1985-01-16 Hitachi Ltd 非凝縮性混合ガスの分離方法
US5137549A (en) * 1988-10-14 1992-08-11 Vbm Corporation Two stage super-enriched oxygen concentrator
RU2077370C1 (ru) * 1995-07-19 1997-04-20 Государственное научно-производственное предприятие "Прибор" Концентратор кислорода
RU2140806C1 (ru) * 1998-12-08 1999-11-10 Конструкторское бюро "Арматура" Установка для получения кислорода из атмосферного воздуха

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1666165A1 (ru) * 1989-01-23 1991-07-30 А.Н.Цедилин, О.Н.Черн вска и М.Г.Власова Устройство разделени атмосферного воздуха
US5026406A (en) * 1989-05-18 1991-06-25 Air Products And Chemicals, Inc. Adsorptive process for producing two gas streams from a gas mixture
US5395427A (en) * 1994-01-12 1995-03-07 Air Products And Chemicals, Inc. Two stage pressure swing adsorption process which utilizes an oxygen selective adsorbent to produce high purity oxygen from a feed air stream
RU2169605C2 (ru) * 1996-09-18 2001-06-27 Специальное конструкторско-технологическое бюро по электрохимии Способ разделения газа переменного состава короткоцикловой безнагревной адсорбцией
WO2007111739A2 (en) * 2005-12-21 2007-10-04 Uop Llc The use of mofs in pressure swing adsorption

Also Published As

Publication number Publication date
RU2607735C1 (ru) 2017-01-10
WO2017095268A4 (ru) 2017-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100254295B1 (ko) 단일 흡착 베드를 이용한 압력 스윙 흡착 방법
EP0085155B1 (en) Nitrogen generation system
US5792239A (en) Separation of gases by pressure swing adsorption
EP0769319B1 (en) Duplex adsorption process
FI85953C (fi) Foerfarande foer framstaellning av en syreprodukt med en renhetsgrad av 95% fraon omgivande luft.
JP3232003B2 (ja) 圧力スイング式吸着法における還流
EP0791388B1 (en) VSA adsorption process with energy recovery
US3977845A (en) Adsorptive process for selective separation of gases
US4913709A (en) Adsorption process for recovering two high purity gas products from multicomponent gas mixtures
JP2744596B2 (ja) 供給ガス混合物の比較的吸着力の弱い成分から比較的吸着力の強い成分を選択的に分離する方法
US6524370B2 (en) Oxygen production
JPH04227812A (ja) 空気からの高窒素ガス回収方法
JP2006239692A (ja) 圧力スゥイング吸着プロセス及び装置
US6045603A (en) Two phase pressure swing adsorption process
WO2009116671A1 (ja) 高炉ガスの分離方法および装置
CA2160846A1 (en) Natural gas enrichment process
JPH11239711A (ja) 吸着材床の頂部及び底部の同時排気を用いたｐｓａ方法
WO2014148503A1 (ja) ガス精製方法
JP2004000819A (ja) ガス分離方法
JPH10314531A (ja) 圧力スイング吸着方法及び装置
RU2607735C1 (ru) Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с трехэтапным извлечением целевого газа высокой чистоты
JP6351721B2 (ja) ガス濃縮方法
CN113797704A (zh) 一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统
JP4895467B2 (ja) 酸素濃縮方法および酸素濃縮装置
RU2597600C1 (ru) Разделение газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с использованием трех адсорбционных колонн

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16871131

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16871131

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1