专利名称：浓缩和提纯高炉气中一氧化碳的变压吸附工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种采用催化吸附剂将含氮的一氧化碳多组分混合高炉气体以及石油和化工等工业中具有类似混合气体进行分离、浓缩和提纯的工艺过程，使其中一氧化碳和氮气分开，分别制得一氧化碳和氮气，在此同时得到副产二氧化碳。
在钢铁厂的高炉气中，主要含有二氧化碳、一氧化碳和氮气，这三种气体的典型组成是(体积百分数)二氧化碳10-20％、一氧化碳20-30％和氮气50-65％，另外还有少量的氢气、硫化氢、氧气、碳氢化合物和饱和水份。它的热值只有2527-3790K J/NM3，不能进行有效利用，若将一氧化碳进行浓缩，则可大大提高气体的热值。当一氧化碳被浓缩到70％(体积)，则热值为8845K J/NM3。这三种气体工业上都有着广泛的用途，因此对它们进行分离加以利用，是处理高炉尾气所面临的问题。解决这问题的关键是要有合适的方法来分离一氧化碳和氮气，因为从一氧化碳和氮气中分离提取二氧化碳，已有成熟的方法，可使用合适的吸附剂和过程，如采用活性炭和炭分子筛的变压吸附过程。
本发明目的是针对处理含氮气体的一氧化碳存在的不足之处提供一种浓缩和提纯高炉气体中一氧化碳的变压吸附工艺，采用催化吸附剂通过变压吸附方式实现从高炉尾气中分离回收纯一氧化碳和氮气，包括设置的前置变压吸附工序脱除或回收提纯二氧化碳。
浓缩和提纯高炉气中一氧化碳的变压吸附工艺是采取以下方案实现的变压吸附工艺分离回收纯一氧化碳和氮气的基本过程是在一吸附压力和环境温度下，利用催化吸附剂对一氧化碳具有很强吸附能力，使高炉尾气中的一氧化碳和氮气在通过装填有催化吸附剂床层一氧化碳被吸附下来并回收，脱除一氧化碳的氮气产品从床层出口排出。
本发明采用的催化吸附剂是由本专利申请人96.12.20申请的“含氮气中一氧化碳净化催化剂及过程”中的催化吸附剂(专利申请号为96117226.6)。该吸附剂由氯化铜、活性炭、天然优质凹凸棒土和混合稀土氯化物为原料，经浸渍或和混合，再加工成型的催化剂颗粒，在0～55℃的温度中，用于净化含氮气体中微量的一氧化碳。
催化吸附剂采用以下方法制备(微量一氧化碳净化催化剂)(1)制备氯化铜和混合氯化稀土的水溶液或氯化铜和混合氯化稀土粉末；(2)将粉状活性炭放入上述水溶液中浸渍或与上述粉末混合；(3)对于采用浸渍法制备的情况，分离液固混合物、干燥所得的固体混合物；(4)所得的固体混合物与优质凹凸棒土混合后成型；(5)加热、干燥所得的成型混合物1-5小时，合适的温度是100℃和400℃；(6)在还原气体中对所得的成型混合物进行还原处理，合适的还原气氛为氢气或/和一氧化碳的气体，温度为120～380℃，得微量一氧化碳净化催化剂(催化吸附剂)。
作为适用于本发明的钢铁厂高炉气或类似含氮一氧化碳混合气体，一般除了一氧化碳和氮气之外，还含有二氧化碳和少量的氢气，硫化物，氧气，碳氢化物和饱和水份。因此在使用本发明分离回收一氧化碳和氮气之前，需设置几个前置工序，脱除会影响催化吸附剂吸附一氧化碳的某些杂质组份，如脱除硫化物和水份的工序，但少量的氧气可不必脱除。混合气体中二氧化碳的存在会影响催化吸附剂吸附一氧化碳的吸附能力和纯度。本发明中，前置一个变压吸附过程，用来脱除二氧化碳，或吸附二氧化碳，由此得到浓缩或纯的二氧化碳，这可视需要而定。如需纯二氧化碳的场合，在变压吸附过程中，有一用产品的二氧化碳去置换吸附剂床层的步骤，以提高产品二氧化碳的浓度，而二氧化碳是通过真空减压得到的。在变压吸附脱除或浓缩提纯二氧化碳的过程中，吸附剂碳分子筛和活性炭能较好地满足过程的要求，而此过程是由高炉气或类似混合气浓缩或提纯一氧化碳所不可分的工艺。
经前置处理脱除杂质、二氧化碳的高炉气或类似含氮的一氧化碳混合气体，采用若干个装填有催化吸附剂的固定床吸附器通过变压吸附方式来进行浓缩提纯一氧化碳，若干个吸附器采用变压吸附方式按顺序分别反复进行下面的各步操作工艺1．吸附原料气进入装有催化吸附剂固定床进行一氧化碳吸附，吸附温度0～55℃，吸附压力为0.04～0.7MPa(表压)，当一氧化碳的吸附相浓度前沿移到床层某一位置时，就停止吸附，而此时流出的气体是不含有一氧化碳的氮气组份，以及少量的氧气；2．多步减压吸附工序结束完成后，接着进行的是多步降压工序，首先把该吸附器与另一个经过真空脱气或已经过升压(Ⅰ)的吸附器连接，在与吸附时气流流向相同的情况下，使该吸附器的压力降至某一较低的压力；3．经并流降压的吸附器进一步降低压力至常压左右，此部分气体可用于经真空脱气的吸附器升压(Ⅰ)，在采用较低的吸附压力时，则经上面一步降压步骤，吸附器内的压力已较低，可没有此第二步均压步骤；4．清洗利用一部分产品一氧化碳气并流通过降至常压的吸附器，置换清洗吸附器内残留的杂质气体，进一步提高吸附床层内一氧化碳的浓度，如需要得到浓缩的一氧化碳，可以不采用此步骤，以提高产量；5．真空脱附对降至常压的吸附器进行真空减压，使吸附剂上吸附的一氧化碳得以脱附，回收脱附的一氧化碳，得到产品；6．将经真空脱附后的吸附器同已完成吸附步骤的吸附器连通起来，进行吸附器的升压(Ⅰ)步骤；7．多步升压对经升压(Ⅰ)步骤的吸附器进行升压(Ⅱ)步骤，如吸附压力较高(吸附压力大于0.2MPa)，可用处于降压步骤的吸附器的气体来实现升压(Ⅱ)步骤；当过程是用来提纯一氧化碳，此步骤可用其它吸附器在清洗时的废气来完成；当吸附压力较低(吸附压力不大于0.1MPa)，且过程是用来浓缩一氧化碳，则可去掉此步骤；8．利用其它吸附器在吸附时排放气进行吸附升压(Ⅲ)步骤。
这样各个吸附器通过依次反复进行上述步骤的操作工艺，即可实现连续地浓缩或提纯一氧化碳。
浓缩和提纯高炉气中一氧化碳的变压吸附工艺，采用对含氮气中一氧化碳具有高选择性的催化剂吸附剂，在0～55℃的温度及0.04～0.7MPa(表压)的压力下，钢铁厂高炉气经变压吸附过程，浓缩提纯一氧化碳气体，同时得到浓缩提纯的氮气，将一氧化碳进行浓缩则可大大提高气体的热值。在本发明工艺过程中，伴有一采用变压吸附方法脱除二氧化碳或浓缩提纯二氧化碳，这样可得到二氧化碳、一氧化碳、氮气三种在工业上都有着广泛用途的气体。本发明采用的催化吸附剂及工艺过程可适用于钢铁厂高炉气，以及石油和化工等工业中具有类似混合气体需要分离制取一氧化碳、氮气和二氧化碳的场合。
下面两个实例清楚地说明了高炉气和类似的含氮一氧化碳混合气进入装填有催化吸附剂的吸附器床层，通过变压吸附方式实现浓缩和提纯一氧化碳的基本步骤。
实例1钢铁厂的高炉尾气，经脱除了硫化氢、碳氢化合物和饱和水份后的混合气体组成为(体积百分数)二氧化碳15.7％、一氧化碳25.3％、氮气56.3％和氧气0.7％，这混合气体在温度为50℃、压力为0.6MPa下，通过装填有活性炭的吸附器床层，进行变压吸附脱除二氧化碳，而经脱二氧化碳的气体，继续流过装填有催化吸附剂的吸附器床层，通过变压吸附方式，浓缩一氧化碳，得到的产品气组成为(体积百分数)一氧化碳75.6％、氮气23.4％、二氧化碳0.4％和氧气0.6％，放空气的组成为(体积百分数)氮气98.6％、二氧化碳0.4％、一氧化碳0.8％和氧气0.2％。脱除二氧化碳的变压吸附过程采用三个装有活性炭的吸附器并联，每个吸附器经过吸附两步降压、真空脱附、三步升压的操作步骤；而浓缩一氧化碳的变压吸附过程也采用三个装有催化吸附剂的吸附器并联，每个吸附器同样经过吸附、两步降压、真空脱附、三步升压的操作步骤。在本例中，由于是浓缩一氧化碳，所以在制一氧化碳的变压吸附步骤中，没有采用上述第四操作步骤，即清洗步骤，故产品的一氧化碳浓度和产率都不是很高，一氧化碳浓度为75.6％(体积)，一氧化碳产率为每公斤催化吸附剂7.65升，而下例则有所不同。
实例2同钢铁厂高炉气相似的含氮一氧化碳混合气体，经脱除了硫化氢、碳氢化合物、饱和水份和变压吸附脱除二氧化碳后的混合气体组成为(体积百分数)一氧化碳21.6％、氮气77.6％和氧气0.8％，这混合气体在温度为4℃、压力为0.05MPa下，通过装填有催化吸附剂的吸附器床层，经变压吸附，得到提纯的一氧化碳。本例中提纯一氧化碳的变压吸附过程采用三个装有催化吸附剂的吸附器并联，每个吸附器经过吸附、一步降压、清洗、真空脱附、两步升压的操作步骤。由于是提纯一氧化碳，所以在变压吸附操作步骤中，具有一氧化碳清洗床层的操作步骤，即清洗步骤，故产品的一氧化碳浓度和产率较高，一氧化碳浓度为98.7％(体积)，一氧化碳产率为每公斤催化吸附剂9.86升。
权利要求
1．一种浓缩和提纯高炉气中一氧化碳的变压吸附工艺，首先脱除会影响催化吸附剂吸附一氧化碳的杂质组份，前置一个变压吸附过程，用来脱除二氧化碳和或吸附二氧化碳得到浓缩或纯的二氧化碳，其特征是将经前置处理脱除杂质和二氧化碳的高炉气或类似含氮的一氧化碳混合气体，采用装填有催化吸附剂的固定床吸附器来进行浓缩提纯一氧化碳，吸附器采用变压吸附方式按顺序分别反复进行下面的各步操作工艺(1)．吸附原料气进入装有催化吸附剂固定床进行一氧化碳吸附，吸附温度0～55℃，吸附压力为0.04～0.7MPa(表压)，当一氧化碳的吸附相浓度前沿移到床层某一位置时，就停止吸附，而此时流出的气体是不含有一氧化碳的氮气组份，以及少量的氧气，(2)．多步减压吸附工序结束完成后，接着进行的是多步解吸工序，首先把该吸附器与另一个经过真空脱气或已经过升压(Ⅰ)的吸附器连接，在与吸附时气流流向相同的情况下，使该吸附器的压力降至一较低的压力，(3)．经并流降压的吸附器进一步并流降低压力至常压左右，此部分气体可用于经真空脱气的吸附器升压(Ⅰ)，在采用较低的吸附压力时，则经上面一步降压步骤，吸附器内的压力已较低，可没有此第二步均压步骤，(4)．清洗利用一部分产品一氧化碳气并流通过降至常压的吸附器，置换清洗吸附器内残留的杂质气体，进一步提高吸附床层内一氧化碳的浓度，如只需得到浓缩的一氧化碳，可以不采用此步骤，以提高产量，(5)．真空脱附对降至常压的吸附器进行真空减压，使吸附剂上吸附的一氧化碳得以脱附，回收脱附的一氧化碳，得到产品，(6)．将经真空脱附后的吸附器同已完成吸附步骤的吸附器连通起来，进行吸附器的升压(Ⅰ)步骤，(7)．多步升压对经升压(Ⅰ)步骤的吸附器进行升压(Ⅱ)步骤，当吸附压力较高时(吸附压力大于0.2MPa)，可用处于降压步骤的吸附器的气体来实现升压(Ⅱ)步骤；当过程是用来提纯一氧化碳，此步骤可用其它吸附器在清洗时的废气来完成；当吸附压力较低(吸附压力不大于0.1MPa)，且过程是用来浓缩一氧化碳，则可去掉此步骤，(8)．利用其它吸附器在吸附时排放气进行吸附升压(Ⅲ)步骤。这样各个吸附器通过依次反复进行上述步骤的操作工艺，即可实现连续地浓缩或提纯一氧化碳。
2．根据权利要求1所述的浓缩和提纯高炉气中一氧化碳的变压吸附工艺，其特征是催化吸附剂由氯化铜、活性碳、天然优质凹凸棒土和混含稀土氯化物为原料，经浸渍或/和混合，再加工成型的催化剂颗粒，在0～55℃的温度，用于净化含氮气中微量的一氧化碳。
全文摘要
本发明涉及的是一种采用催化吸附剂将含氮的一氧化碳多组分混合高炉气体以及石油和化工等工业中具有类似混合气体进行分离、浓缩和提纯的工艺过程,使其中一氧化碳和氮气分开,分别制得一氧化碳和氮气,在此同时得到副产二氧化碳。其特征是将前置处理脱除杂质和二氧化碳的高炉气或类似含氮的一氧化碳混合气体,采用若干个装填有催化吸附剂的固定床吸附器通过变压吸附方式来进行浓缩提纯一氧化碳。若干个吸附器按顺序反复进行吸附,多步减压、清洗、真空脱附、多步升压等操作工艺步骤。
文档编号C10K1/00GK1224046SQ98111619
公开日1999年7月28日 申请日期1998年12月18日 优先权日1998年12月18日
发明者姚虎卿, 刘晓勤, 马正飞 申请人:南京化工大学