混合气体分离方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种混合气体分离方法和系统。该方法包括：步骤1，将混合气加压后送入吸附塔中与吸附剂接触，以利用吸附剂吸附其中的至少一部分非有效组的分体；步骤2，使吸附塔中的吸附剂进入再生阶段，并得到含有非有效组分的气体；步骤3，将步骤1中吸附塔的出口输出的中间产品气压缩至膜分离装置工作压力；步骤4，将步骤3中增压后的气体冷却降温后，优选冷却降温至20?100℃，经过过滤后输入所述膜分离装置；步骤5，通过所述膜分离装置对所述中间产品气进行分离，得到渗透气和非渗透气，并将所述渗透气回流至所述步骤1中的混合气中再次循环利用、将所述非渗透气作为产品气输出。本发明具有能耗更低、目标有效气体纯度和收率较高的特点。
【专利说明】
混合气体分离方法和系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及化工领域，特别涉及一种混合气体分离方法和系统。
【背景技术】
[0002] 随着能源结构的重整，从不同种类的混合气，如填埋气、沼气、天然气、合成尾气、 裂解气等混合气体中分离出具有较高能源利用价值的纯净气体正广受关注。混合气中多种 气质组分的存在不但降低了其使用价值，可能还存在一定的安全隐患。所以我们必须对混 合气体分离净化，得到较为纯净的单组分气体。
[0003] 分离净化混合气一般采用变压吸附（PSA)工艺、物理、化学吸收工艺、膜分离工艺 等，但各工艺均有自身的特点和不同建设地点的适应性。
[0004] 变压吸附工艺是利用吸附剂对不同气质组分的吸附能力不同，且吸附在吸附剂上 的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随温度的上升而下降的特性，实现混合气中不同 组分的分离，同时也可实现吸附剂在高压下吸附在低压下解吸再生，使吸附剂的吸附与再 生循环，达到连续分离的目的。此工艺具有自动化程度较高，操作简单，分离程度高、能耗 低、分离产品纯度高的特点。
[0005] 化学吸收工艺采用化学溶剂，利用溶解、中和反应、络合反应、氧化还原反应等，吸 收混合气中的某种或多种气体，有效分离混合气。必要时可通过溶液的加热，气提过程，释 放出被吸收的气质组分，以再生吸收液或得到纯净气体。该工艺具有有效组分气体收率高， 纯度高的优点，但存在能耗高、配套公用工程复杂的问题。
[0006] 膜分离工艺是一种新兴的化工分离技术，利用混合气中不同组分在高分子膜上的 溶解-扩散速率不同，实现分离净化目的。具有分离精度高、渗透率高、选择性强、常温下操 作无相态变化、污染小等优点，但对混合气气质要求苛刻、不易清洗、使用寿命短、运行能耗 高且成本高等问题。
【发明内容】
[0007] 本发明提出了一种混合气体分离方法和系统，其可将变压吸附和膜分离的特点相 互结合，具有能耗更低、目标有效气体纯度和收率均较高的特点。
[0008] 本发明要解决的技术问题是现有技术中变压吸附工艺回收率低、化学吸收工艺能 耗高、膜分离工艺能耗高及使用寿命短等，提供一种新的变压吸附与膜分离组合分离混合 气体的工艺。该工艺用于混合气的分离净化中，具有回收率高、纯度高、能耗低、膜使用寿命 长的优点。
[0009] 本发明首先提供了一种混合气体分离方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1，将混合气加压后送入吸附塔中与吸附剂接触，以利用吸附剂吸附其中的至 少一部分非有效组的分体;优选地，所述混合气被加压至〇. 1~〇. 8MPa，加压使用的压缩机 排气温度为20-60 °C ;优选地，变压吸附的操作压力为0.05-2. OMPa、操作温度为20-60 °C。其 中，所述混合气可以包括甲烷、氢气、二氧化碳、氮气、氧气等，当然还可以含有其他组分的 气体。在一个实施例中，吸附剂可以为根据所分离的混合气的成分而选择的吸附剂，其动态 吸附量大，再生容易。
[0011] 步骤2,使吸附塔中的吸附剂进入再生阶段，并得到含有非有效组分的气体;优选 地，所述吸附剂可采用以下方式再生:真空解析、和/或产品气反冲洗，优选地，真空解析的 真空度为-0.5-0.098MPa。其中，吸附和吸附剂再生过程可间歇也可连续进行。
[0012] 步骤3,将步骤1中吸附塔的出口输出的中间产品气压缩至膜分离装置工作压力， 优选为0.4-4.OMpa。优选地，所述膜分离装置可以为一级膜工艺、或者二级膜工艺、三级膜 工艺、或者多级膜工艺，可根据原料混合气组分及产品气要求合理配置。
[0013] 步骤4，将步骤3中增压后的气体冷却降温后，优选冷却降温至20-100°C，经过过滤 后输入所述膜分离装置;优选地，所述膜分离装置中的膜的操作压力为〇. 4.0-4. OMPa、操作 温度为20~100°C。
[0014] 步骤5,通过所述膜分离装置对所述中间产品气进行分离，得到渗透气和非渗透 气，并将所述渗透气回流至所述步骤1中的混合气中再次循环利用、将所述非渗透气作为产 品气输出。
[0015] 其中，所述中间产品气中有效组分气体含量较原料气含量增加5-60% (摩尔百分 比）、有效组分气体回收率大于99%，从变压吸附解析出来的非有效组分气体含量大于80% (摩尔百分比）。
[0016]通过上述工艺，可生成高纯度的产品气，其中有效组分气体含量满足当前国家相 关行业或国家标准、有效组分气体回收率大于97 %、渗透气回流量为5 %~40 % (摩尔）。
[0017] 本发明还提供了一种可用于上述方法的混合气体分离系统，包括：混合气压缩机 1，入口与原料气进料管道2连接;吸附塔3，入口与所述混合气压缩机1的出口及真空栗4连 接；中间产品气压缩机5,入口与所述吸附塔3的出口连接，其压比大、效率高、压缩气含油量 小;冷却器6，入口与所述中间产品气压缩机5的出口连接;过滤器7，入口与所述冷却器6的 出口连接，以保证进膜之前气体品质符合膜元件工作要求;膜分离装置8，入口与所述过滤 器7的出口连接，所述膜分离装置8包括渗透气出口 9和非渗透气出口 10，所述渗透气出口 9 与所述原料气进料管道2连接，所述非渗透气出口 10与产品气输出管线连接。在一个实施例 中，膜分离装置8的膜可以为根据所分离的混合气的组份而选择的膜，由高性能聚合物制 成，选择率大，其可以从现有技术中的膜中选择。
[0018] 优选地，所述吸附塔3的个数为多个，所述多个吸附塔3并联设置。
[0019 ]优选地，所述过滤器7由多个过滤器串联或并联而成。
[0020] 优选地，所述混合气压缩机1和所述中间产品气压缩机5均可为工艺螺杆压缩机、 或往复式压缩机、或离心式压缩机。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0022] 本发明所述的工艺采用变压吸附与膜分离组合分离混合气体的工艺，充分发挥变 压吸附与膜分离各自的优点。
[0023] (1)该工艺通过变压吸附保证回收率的同时，将原料气处理至符合膜元件工作要 求，通过膜分离保证产品气纯度，具有回收率高、纯度高、膜元件工作寿命长的优点；
[0024] (2)该工艺在变压吸附段操作压力为0.05~0.8MPa(G)、膜分离段操作压力为0.4 ~4MPa(G)，且混合气经变压吸附装置后，杂质组分气体被吸附，出口气量减小，则中间气压 缩机工作负荷减小，有效降低工艺装置能耗，同时降低装置运行成本；
[0025] (3)该工艺在变压吸附操作过程中，允许非有效组分气体穿透吸附床层，组分含量 为3%~50% (摩尔百分比），相对应膜分离设备膜面积相应调整，有效提高整套工艺操作弹 性；
[0026] (4)该工艺中变压吸附可将混合气中非有效组分气体大部分去除，有效保证膜组 件的稳定、高效运行，延长膜元件使用寿命；
[0027] (5)该工艺中变压吸附所用吸附剂为循环再生利用，膜元件为高性能聚合物选择 性渗透膜，在混合气分离净化工艺过程中无废气、废液、废渣产生。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明中的混合气体分离系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029] 本发明涉及一种变压吸附与膜分离组合分离混合气体的工艺，主要解决现有混合 气体分离技术中使用单纯变压吸附有效气体组分回收率低、使用单纯膜分离工艺能耗高、 选择性差、使用寿命短的问题。
[0030] 所述工艺步骤如下：混合气体经压缩机加压输送至变压吸附装置净化除杂后，再 通过压缩机加压至膜分离工艺工作压力，并经过多级过滤后输送至膜分离装置进行深度分 离提纯。本发明所述的组合分离混合气体工艺具有能耗低、自动化程度高、有效气体组分回 收率高、纯度高等优点；因此设备运行成本低，极具工程应用价值。
[0031] 【实施例1】
[0032] 按照如图1所示的方法将混合气进行分离。原料组成如表1所示。
[0033] 表1混合气组成表
[0034]
L〇〇35」混合气经混合气压缩机加压全0.55MPa(G)，排气温度为40°C，进入吸附塔，吸附塔 为2个，吸附、再生交替进行，连续操作。吸附剂为二氧化碳而选择的吸附剂，真空解析再生 吸附剂。吸附压力为〇.55MPa(G)，吸附温度为40°C，解析真空度为_0.095MPa(G)。经测定，吸 附塔顶中间气甲烷含量85 % (摩尔）、塔底出口解析气二氧化碳97 % (摩尔）。
[0036] 塔顶中间产品气经中间气压缩机增压至2.5MPa(G)后，由冷却器降温至40°C，再经 过多级过滤器将气体中的固体颗粒、油份等完全过滤去除，得到洁净的气体进入膜分离装 置。膜分离装置采用一级膜工艺，膜工作压力为2.5MPa(G)，工作温度为40°C。经膜分离后产 品气甲烷浓度为98.5% (摩尔），渗透气回流量为20% (摩尔）回流至原料进料管线。所采用 的膜为所分离混合气而选择的膜，由高性能聚合物制成，使用寿命达到10年。整个分离混合 气体过程中甲烷含量变化及甲烷回收率见表2。
[0037] 表2分离混合气体过程中甲烷含量变化及甲烷回收率表
[0038]
[0039] 【实施例2】
[0040] 按照实施例1所述的方法和步骤，混合气经混合气压缩机加压至0.80MPa(G)，排气 温度为60°C，进入吸附塔。吸附剂为二氧化碳而选择的吸附剂，真空解析再生吸附剂。吸附 压力为0.80MPa(G)，吸附温度为60°C，解析真空度为-0.1MPa(G)。经测定，吸附塔顶中间气 甲烷含量75 % (摩尔）、塔底出口解析气二氧化碳93 % (摩尔）。
[0041 ] 塔顶中间产品气经中间气压缩机增压至4. OMPa(G)后，由冷却器降温至60°C，再经 过多级过滤器将气体中的固体颗粒、油份等完全过滤去除，得到洁净的气体进入膜分离装 置。膜分离装置采用一级膜工艺，膜工作压力为4. OMPa(G)，工作温度为60°C。经膜分离后产 品气甲烷浓度为99% (摩尔），渗透气回流量为5% (摩尔）回流至原料进料管线。所采用的膜 为所分离混合气而选择的膜，由高性能聚合物制成，使用寿命达到10年。整个分离混合气体 过程中甲烷含量变化及甲烷回收率见表3。
[0042]表3分离混合气体过程中甲烷含量变化及甲烷回收率表
[0043]
[0044] 【实施例3】
[0045] 按照实施例1所述的方法和步骤，混合气经混合气压缩机加压至0.30MPa(G)，排气 温度为20°C，进入吸附塔。吸附剂为二氧化碳而选择的吸附剂，真空解析再生吸附剂。吸附 压力为0.30MPa(G)，吸附温度为20°C，解析真空度为-0.1MPa(G)。经测定，吸附塔顶中间气 甲烷含量95 % (摩尔）、塔底出口解析气二氧化碳90 % (摩尔）。
[0046] 塔顶中间产品气经中间气压缩机增压至1. OMPa(G)后，由冷却器降温至20°C，再经 过多级过滤器将气体中的固体颗粒、油份等完全过滤去除，得到洁净的气体进入膜分离装 置。膜分离装置采用一级膜工艺，膜工作压力为l.OMPa(G)，工作温度为20°C。经膜分离后产 品气甲烷浓度为97% (摩尔），渗透气回流量为40% (摩尔）回流至原料进料管线。所采用的 膜为所分离混合气而选择的膜，由高性能聚合物制成，使用寿命达到10年。整个分离混合气 体过程中甲烷含量变化及甲烷回收率见表4。
[0047] 表4分离混合气体过程中甲烷含量变化及甲烷回收率表
[0048]
[0049] 【比较例1】
[0050] 按照实施例1的方法和步骤，只是采用变压吸附的工艺方法来代替变压吸附与膜 分离相结合的工艺。如果要满足产品气中甲烷含量达到98.5%，甲烷回收率达到99%的要 求，必须将吸附塔增加到8台至10台，采用更为复杂的吸附流程，相应的真空解析设备也会 增加、能耗增加。
[0051] 【比较例2】
[0052]按照实施例2的方法和步骤，只是采用膜分离工艺代替变压吸附与膜分离相结合 的工艺。如果要满足产品气中甲烷含量达到99%，甲烷回收率达到98%，且要满足膜分离工 艺操作条件要求，能耗将增高。以l〇〇〇Nm 3/h甲烷二氧化碳混合原料气为例，能耗的比较见 表5〇
[0053] 表5能耗比较表
[0054]
【主权项】
1. 一种混合气体分离方法，其特征在于，包括： 步骤1，将混合气加压后送入吸附塔中与吸附剂接触，以利用吸附剂吸附其中的至少一 部分非有效组的分体;优选地，所述混合气被加压至0.1~〇.8MPa，加压使用的压缩机排气 温度为20_60°C ;优选地，变压吸附的操作压力为0.05-2. OMPa、操作温度为20-60°C ; 步骤2,使吸附塔中的吸附剂进入再生阶段，并得到含有非有效组分的气体； 步骤3，将步骤1中吸附塔的出口输出的中间产品气压缩至膜分离装置工作压力，优选 为0·4-4·OMpa; 步骤4,将步骤3中增压后的气体冷却降温后，优选冷却降温至20-100°C，经过过滤后输 入所述膜分离装置;优选地，所述膜分离装置中的膜的操作压力为〇. 4.0-4. OMPa、操作温度 为 20 ~100°C; 步骤5,通过所述膜分离装置对所述中间产品气进行分离，得到渗透气和非渗透气，并 将所述渗透气回流至所述步骤1中的混合气中再次循环利用、将所述非渗透气作为产品气 输出。2. 根据权利要求1所述的混合气体分离方法，其特征在于，所述吸附剂可采用以下方式 再生:真空解析、和/或产品气反冲洗，优选地，真空解析的真空度为-0.5-0.098MPa。3. 根据权利要求1和2所述的混合气体分离方法，其特征在于，所述膜分离装置可以为 一级膜工艺、或者二级膜工艺、三级膜工艺、或者多级膜工艺。4. 根据权利要求1至3所述的混合气体分离方法，其特征在于，所述中间产品气中有效 组分气体含量较原料气含量增加5-60 % (摩尔百分比）、有效组分气体回收率大于99 %，从 变压吸附解析出来的非有效组分气体含量大于80% (摩尔百分比）。5. 根据权利要求1所述的混合气体分离方法，其特征在于，所述混合气包括甲烷、氢气、 二氧化碳、氮气、氧气等。6. -种用于权利要求1至5所述方法的混合气体分离系统，其特征在于，包括： 混合气压缩机(1 )，入口与原料气进料管道(2)连接； 吸附塔(3)，入口与所述混合气压缩机(1)的出口及真空栗(4)连接； 中间产品气压缩机(5 )，入口与所述吸附塔(3)的出口连接； 冷却器(6 )，入口与所述中间产品气压缩机(5)的出口连接； 过滤器(7)，入口与所述冷却器(6)的出口连接； 膜分离装置(8)，入口与所述过滤器(7)的出口连接，所述膜分离装置(8)包括渗透气出 口（9)和非渗透气出口（10)，所述渗透气出口（9)与所述原料气进料管道(2)连接，所述非渗 透气出口（10)与产品气输出管线连接。7. 根据权利要求6所述的混合气体分离系统，其特征在于，所述吸附塔(3)的个数为多 个，所述多个吸附塔(3)并联设置。8. 根据权利要求6所述的混合气体分离系统，其特征在于，所述过滤器(7)由多个过滤 器串联或并联而成。9. 根据权利要求6所述的混合气体分离系统，其特征在于，所述混合气压缩机（1)和所 述中间产品气压缩机(5)均可为工艺螺杆压缩机、或往复式压缩机、或离心式压缩机。
【文档编号】B01D53/047GK105854519SQ201610409486
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月10日
【发明人】黄显波, 周民, 周一民, 罗仕忠, 龚琼, 沈思, 黄亚军
【申请人】成都中科能源环保有限公司