专利名称：一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法及实现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及氢气提纯领域，具体是一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法及实现
>J-U装直。
背景技术：
变压吸附技术(PSA)与膜分离技术两种方式都能用于裂解气制取氢气。变压吸附技术(PSA)制取99. 9%以上高纯度氢气，在小规模一段式变压吸附制氢装置中运用，为提高 收率，降低运行成本，采用多次均压，但其氢气收率一般不会超过92%，并且一次性投资也比较大。长期以来，因为变压吸附技术(PSA)的特性，产品氢气收率与产品氢气纯度成反比，造成在高纯度产品氢气要求下，产品氢气收率不高，因此，在现有变压吸附技术(PSA)中制取高纯度氢气过程中造成了巨大的资源浪费。在制氢工艺中还采用了膜分离技术，虽然采用膜分离技术可以降低能耗，减少一次性投资，收率也高，但所制取的氢气纯度一般不会超过99. 8%，其指标还不能达到高纯度。
发明内容
本发明提供了一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法及实现装置，相比传统的氢气提纯生产工艺，可减少变压吸附装置的规模，提高氢气收率，减小成本。本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法包括以下步骤
a、第一级变压吸附将成分为氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0. 5%、压力为I. 2Mpa的原料气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入第一级吸附塔内，第一级吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的二氧化碳吸附，有效气成分氢气及其它杂质气体作为中间气则从第一级吸附塔顶部输出，此时氢气的含量约为95% ；
b、第二级变压吸附从第一级吸附塔顶部输出的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序进入第二级吸附塔内，第二级吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中剩余二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从第二级吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户，此时氢气的含量为99. 9%以上；
C、第一级变压吸附再生中间气在第二级吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对第一级吸附塔进行均压降，接着进行逆放，此时逆放气中氢气含量不到10%，直接排空，而后进行抽空，抽空完成后，将第二级吸附塔内的逆放回收气回补到已抽空的第一级吸附塔中，最后在第一级吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程；
d、第二级变压吸附再生中间气在第二级吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对第二级吸附塔进行均压降，接着进行逆放，并将逆放气暂存于缓冲罐内，然后将逆放气回补到已抽空的第一级吸附塔中，最后在第二级吸附塔内完成均压升、终充，从而完成其整个再生过程。所述步骤c的具体过程为
Cl、均压降吸附过程结束后，顺着吸附方向将第一级吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的第一级吸附塔内；这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间的有效气的过程，床层死空间，即吸附塔内未能有效利用的部分，床层空间内所含气体组分为有效气体氢气；
c2、逆放吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将第一级吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中氢气含量不足10%，其余为CO2等杂质； c3、逆放完成后，对第一级吸附塔进行抽真空处理；
c4、抽空完成后，对第一级吸附塔进行升压，最初的一次就是将第二级变压吸附再生的回收气缓冲罐中的回收气回补至第一级吸附塔内，称为初步升压；
c5、均压升在初步升压完成后，用其它第一级吸附塔内压力较高的氢气依次对该吸附塔进行升压；这一过程与均压降过程相对应，即是升压过程，也是回收其他吸附塔内床层死空间的氢气的过程；
c6、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将第一级吸附塔内的压力升至吸附压力。这样做是为了使第一级吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度和压力在这一过程中不发生波动，
所述步骤d的具体过程为
dl、均压降吸附过程结束后，顺着吸附方向将第二级吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的较低压力的第二级吸附塔内；这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间的氢气的过程；
d2、顺放完成均压降过程后，顺着吸附的方向放出纯净氢气，作为另外一个处于冲洗步骤吸附塔的冲洗气，使冲洗塔的吸附剂得到再生；
d3、逆放吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将第二级吸附塔内的压力降至接近常压，逆放时前一部分的逆放气经膜分离单元后放入缓冲罐内暂存，逆放后期的逆放气放空，在缓冲罐内得到氢气含量约为50%飞0% ；
d4、冲洗和抽真空逆放完成后，对第二级吸附塔进行冲洗处理，对第一级吸附塔进行抽真空处理；
d5、抽空完成后，对第一级吸附塔进行升压，最初的一次就是将第二级变压吸附再生的回收气缓冲罐中的逆放气回补至第一级吸附塔内，称为初步升压；
d6、升压在冲洗完成后，用其它第二级吸附塔内较高压力的氢气依次对该吸附塔进行升压；这一过程与均压降过程相对应，既是升压过程，也是回收其它吸附塔内床层死空间的氢气的过程；
d7、终充在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将第二级吸附塔内的压力升至吸附压力。这样做是为了使第二级吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附，并保证产品纯度和压力在这一过程中不发生波动。—种实现上述高纯度、高回收率的氢气提纯方法的装置，包括进气管、至少3个第一吸附塔、第一逆放管、出气管、真空泵、至少3个第二吸附塔、第二逆放管、膜组件以及缓冲罐，所述进气管、第一逆放管分别通过设有气动切断阀的管道与第一吸附塔连通，所述真空泵通过设有气动切断阀的管道与第一逆放管连通，所述第一吸附塔通过设有气动调节阀的管道与第二吸附塔连通，所述第二逆放管、出气管通过设有气动切断阀的管道与第二吸附塔连通，所述膜组件通过设有气动切断阀的管道分别与第二逆放管、缓冲罐连通，所述缓冲罐通过设有气动切断阀的管道与第一吸附塔连通，所述第一吸附塔通过设有气动切断阀的管道还分别连接有第一终充管、第一均压管，所述第二吸附塔设有气动切断阀的管道还分别连接有第二终充管、第二均压管。所述出气管上也设有气动调节阀。所述第一吸附塔有4个，所述第二吸附塔也有4个。本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果本发明具有膜分离技术和变压吸附技术的双重特点，原料气经预处理后，通过膜组件将杂质气体CO2在渗透侧排空，中间气由非渗透侧进入第一缓冲罐，而后进入吸附塔进行变压吸附。变压吸附系统的逆放管上加装第二膜组件，并在第二膜组件的非渗透侧设置第二缓冲罐，第二缓冲罐中非渗透气回补到抽完真空的吸附塔中，完成终充。这样不仅提高了甲烷收率，还减小了变压吸附装置的规模，从而使成本较低。·
图I为氢气提纯装置的结构示意图。附图中所对应的附图标记为1、进气管，2、第一吸附塔，3、第一逆放管，4、出气管，5、第一终充管，6、第一均压管，7、气动调节阀，8、真空泵，9、第二吸附塔，10、第二逆放管，11、第二终充管，12、第二均压管，13、膜组件，14、缓冲罐。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例
本实施例的一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法包括以下步骤
a、第一级变压吸附将成分为氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0. 5%、压力为I. 2Mpa的原料气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入第一级吸附塔内，第一级吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的二氧化碳吸附，有效气成分氢气及其它杂质气体作为中间气则从第一级吸附塔顶部输出，此时氢气的含量约为95% ；
b、第二级变压吸附从第一级吸附塔顶部输出的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序进入第二级吸附塔内，第二级吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中剩余二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从第二级吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户，此时氢气的含量为99. 9%以上；
C、第一级变压吸附再生中间气在第二级吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对第一级吸附塔进行均压降，接着进行逆放，此时逆放气中氢气含量不到10%，直接排空，而后进行抽空，抽空完成后，将第二级吸附塔内的逆放回收气回补到已抽空的第一级吸附塔中，最后在第一级吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程；d、第二级变压吸附再生中间气在第二级吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对第二级吸附塔进行均压降，接着进行逆放，并将逆放气暂存于缓冲罐内，然后将逆放气回补到已抽空的第一级吸附塔中，最后在第二级吸附塔内完成均压升、终充，从而完成其整个再生过程。所述步骤c的具体过程为
Cl、均压降吸附过程结束后，顺着吸附方向将第一级吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的第一级吸附塔内；
c2、逆放吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将第一级吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中氢气含量不足10%，其余为CO2等杂质；c3、逆放完成后，对第一级吸附塔进行抽真空处理；
c4、抽空完成后，对第一级吸附塔进行升压，最初的一次就是将第二级变压吸附再生的回收气缓冲罐中的回收气回补至第一级吸附塔内，称为初步升压；
c5、均压升在初步升压完成后，用其它第一级吸附塔内压力较高的氢气依次对该吸附塔进行升压；
c6、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将第一级吸附塔内的压力升至吸附压力。所述步骤d的具体过程为
dl、均压降吸附过程结束后，顺着吸附方向将第二级吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的较低压力的第二级吸附塔内；这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间的有效气的过程；
d2、顺放完成均压降过程后，顺着吸附的方向放出纯净氢气，作为另外一个处于冲洗步骤吸附塔的冲洗气，使冲洗塔的吸附剂得到再生；
d3、逆放吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将第二级吸附塔内的压力降至接近常压，逆放时前一部分的逆放气经膜分离单元后放入缓冲罐内暂存，逆放后期的逆放气放空，在缓冲罐内得到氢气含量约为50%飞0% ；
d4、冲洗和抽真空逆放完成后，对第二级吸附塔进行冲洗处理，对第一级吸附塔进行抽真空处理；
d5、抽空完成后，对第一级吸附塔进行升压，最初的一次就是将第二级变压吸附再生的回收气缓冲罐中的逆放气回补至第一级吸附塔内，称为初步升压；
d6、升压在冲洗完成后，用其它第二级吸附塔内较高压力的氢气依次对该吸附塔进行升压;
d7、终充在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将第二级吸附塔内的压力升至吸附压力。如图I所示，本实施例的高纯度、高回收率的氢气提纯装置，包括进气管I、至少3个第一吸附塔2、第一逆放管3、出气管4、真空泵8、至少3个第二吸附塔9、第二逆放管10、 膜组件13以及缓冲罐14，进气管I、第一逆放管3分别通过设有气动切断阀的管道与第一吸附塔2连通，真空泵8通过设有气动切断阀的管道与第一逆放管3连通。本实施例的第一吸附塔2通过设有气动调节阀7的管道与第二吸附塔9连通，第二逆放管10、出气管4通过设有气动切断阀的管道与第二吸附塔9连通，本实施例的膜组件13通过设有气动切断阀的管道分别与第二逆放管10、缓冲罐14连通，缓冲罐14通过设有气动切断阀的管道与第一吸附塔2连通。
本实施例的第一吸附塔2通过设有气动切断阀的管道还分别连接有第一终充管5、第一均压管6，第二吸附塔9设有气动切断阀的管道还分别连接有第二终充管11、第二均压管12。本实施例的出气管4上也设有气动调节阀7。作为优选，本实施例的第一吸附塔2有4个，第二吸附塔9也有4个。本实施例的工作原理首先，原料气从进气管I进入，然后进入第一吸附塔2，第一吸附塔2吸附其中的杂质后，进入第二吸附塔9，第二吸附塔9再次吸附杂质；第一吸附塔2在完成吸附过程后，进行再生，具体过程是，先打开第一均压管6与第一吸附塔2之间的气动切断阀进行均压降，然后打开第一逆放管3与第一吸附塔2之间的气动切断阀实现逆 放和抽真空，中间气进入第二吸附塔9进行第二次吸附，脱除杂质后，经出气管4将产品气送出装置给用户。第二吸附塔9完成吸附过程后，进行再生，具体过程是，先打开第二均压管12与第二吸附塔9之间的气动切断阀进行均压降，然后打开第二逆放管10与第二吸附塔9之间的气动切断阀实现逆放和抽真空，在逆放过程中，打开膜组件13与第二逆放管10以及膜组件13与缓冲罐14之间的气动切断阀，在膜组件13的渗透侧回收逆放气中所含的氢气，并暂存于缓冲罐14中；第二吸附塔9逆放完成后，关闭膜组件13与第二逆放管10之间的气动切断阀，打开真空泵8与第一逆放管3之间的气动切断阀进行抽真空，完成抽真空后，将缓冲罐14中的渗透气回补到已抽成真空的第一吸附塔2中，完成渗透气的回收；最后第一吸附塔2再由第一均压管6实现均压升，由第一终充管5完成终充，从而完成整个再生过程。
权利要求
1.一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法，其特征在于包括以下步骤 a、第一级变压吸附将成分为氢气含量为75%、二氧化碳含量为24.5%、一氧化碳含量为0. 5%、压力为I. 2Mpa的原料气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入第一级吸附塔内，第一级吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的二氧化碳吸附，有效气成分氢气及其它杂质气体作为中间气则从第一级吸附塔顶部输出，此时氢气的含量约为95% ； b、第二级变压吸附从第一级吸附塔顶部输出的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序进入第二级吸附塔内，第二级吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中剩余二氧化碳及一氧化碳吸附，有效气成分氢气则从第二级吸附塔顶部输出，经出口阀将产品氢气送出装置给用户，此时氢气的含量为99. 9%以上； C、第一级变压吸附再生中间气在第二级吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对第一级吸附塔进行均压降，接着进行逆放，此时逆放气中氢气含量不到10%，直接排空，而后进行抽空，抽空完成后，将第二级吸附塔内的逆放回收气回补到已抽空的第一级吸附塔中，最后在第一级吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程； d、第二级变压吸附再生中间气在第二级吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对第二级吸附塔进行均压降，接着进行逆放，并将逆放气暂存于缓冲罐内，然后将逆放气回补到已抽空的第一级吸附塔中，最后在第二级吸附塔内完成均压升、终充，从而完成其整个再生过程。
2.根据权利要求I所述的一种高纯度、高回收率氢气提纯方法，其特征在于所述步骤c的具体过程为 Cl、均压降吸附过程结束后，顺着吸附方向将第一级吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的第一级吸附塔内； c2、逆放吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将第一级吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中氢气含量不足10%，其余为CO2等杂质；c3、逆放完成后，对第一级吸附塔进行抽真空处理； c4、抽空完成后，对第一级吸附塔进行升压，最初的一次就是将第二级变压吸附再生的回收气缓冲罐中的回收气回补至第一级吸附塔内，称为初步升压； c5、均压升在初步升压完成后，用其它第一级吸附塔内压力较高的氢气依次对该吸附塔进行升压； c6、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将第一级吸附塔内的压力升至吸附压力。
3.根据权利要求I所述的一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法，其特征在于所述步骤d的具体过程为 dl、均压降吸附过程结束后，顺着吸附方向将第二级吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的较低压力的第二级吸附塔内； d2、顺放完成均压降过程后，顺着吸附的方向放出纯净氢气，作为另外一个处于冲洗步骤吸附塔的冲洗气，使冲洗塔的吸附剂得到再生； d3、逆放吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将第二级吸附塔内的压力降至接近常压，逆放时前一部分的逆放气经膜分离单元后放入缓冲罐内暂存，逆放后期的逆放气放空，在缓冲罐内得到氢气含量约为50%飞0% ； d4、冲洗和抽真空逆放完成后，对第二级吸附塔进行冲洗处理，对第一级吸附塔进行抽真空处理； d5、抽空完成后，对第一级吸附塔进行升压，最初的一次就是将第二级变压吸附再生的回收气缓冲罐中的逆放气回补至第一级吸附塔内，称为初步升压； d6、升压在冲洗完成后，用其它第二级吸附塔内较高压力的氢气依次对该吸附塔进行升压; d7、终充在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将第二级吸附塔内的压力升至吸附压力。
4.一种实现权利要求f 3任一项所述的一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法的装置，其特征在于包括进气管(I)、至少3个第一吸附塔(2)、第一逆放管(3)、出气管(4)、真空泵(8)、至少3个第二吸附塔(9)、第二逆放管(10)、膜组件(13)以及缓冲罐(14)，所述进气管(I)、第一逆放管(3)分别通过设有气动切断阀的管道与第一吸附塔(2)连通，所述真空泵(8)通过设有气动切断阀的管道与第一逆放管(3)连通，所述第一吸附塔(2)通过设有气动调节阀(7)的管道与第二吸附塔(9)连通，所述第二逆放管(10)、出气管(4)通过设有气动切断阀的管道与第二吸附塔(9)连通，所述膜组件(13)通过设有气动切断阀的管道分别与第二逆放管(10)、缓冲罐(14)连通，所述缓冲罐(14)通过设有气动切断阀的管道与第一吸附塔(2)连通，所述第一吸附塔(2)通过设有气动切断阀的管道还分别连接有第一终充管(5)、第一均压管(6)，所述第二吸附塔(9)设有气动切断阀的管道还分别连接有第二终充管(11)、第二均压管(12)。
5.根据权利要求4所述的一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法的实现装置，其特征在于所述出气管(4)上也设有气动调节阀(7)。
6.根据权利要求4所述的一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法的实现装置，其特征在于所述第一吸附塔(2)有4个，所述第二吸附塔(9)也有4个。
全文摘要
本发明公开了一种高纯度、高回收率的氢气提纯方法及实现装置，氢气提纯方法包括以下步骤a、第一级变压吸附，b、第二级变压吸附，c、第一级变压吸附再生，d、第二级变压吸附再生。实现装置包括进气管(1)、至少3个第一吸附塔(2)、第一逆放管(3)、出气管(4)、真空泵(8)、至少3个第二吸附塔(9)、第二逆放管(10)、膜组件(13)以及缓冲罐(14)。本发明采用上述方法及装置，能减少变压吸附装置的规模，提高甲烷收率，减小成本。
文档编号C01B3/50GK102701151SQ201210190548
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者詹家聪, 钟娅玲, 钟雨明 申请人:四川亚连科技有限责任公司