专利名称：脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法
技术领域：
本发明与变压吸附法(PSA)气体分离有关，特别与用变压吸附法从变换气中脱除二氧化碳有关。
用变压吸附法从变换气中脱除二氧化碳，国内外已有很多已公开的专利文献报导。美国专利4592860，中国专利91107278.0都报导了从变换气中脱除CO2的方法。这些脱碳方法与湿法脱碳相比，具有操作容易，能耗低等优点。缺点是脱碳后，净化产品气的收率较低。特别是变压吸附法用于含氢、氮混合气中脱除CO2时，产品气中氮的收率就更低。变压吸附法从变换气中脱除二氧化碳的关键是提高氢、氮的收率。
在我国以生产碳酸氢铵为主的化肥厂中变换气的组成因原料不同而异。
其范围为CO218～31％(V)CH41～4％(V)CO 1～3％(V)O2+Ar ＜1％(V)N210～22％(V)H240～60％(V)H2S ～200Mg/m3H2O 饱和在上述组份中，H2O、CO2、H2S是强吸附组份，CH4、CO吸附能力居中，O2、N2是弱吸附组份，H2几乎不吸附。在变压吸附脱碳时，H2O和H2S同时被完全脱除；CH4、部分被脱除；N2损失小部分。
变压吸附从变换气中脱除二氧化碳，开始吸附时在塔的底部形成CO2杂质饱和吸附区，在CO2饱和吸附区之上形成一段CO2传质区，在CO2传质区到塔的出口形成N2的吸附区。在CO2饱和吸附区内，床层死空间充满了原料气；在CO2传质区内，床层死空间从下至上充满了含CO2浓度从原料CO2浓度降至0的氮、氢混合气；在N2吸附区，床层死空间充满了氮、氢气(产品气)。在CO2传质区内，通常取一特定较低CO2浓度位置称为吸附前沿。
随着吸附的进行，CO2吸附前沿向上推进，CO2分子因吸附力远强于N2分子，抢占N2分子所占据的吸附位置，N2分子被“顶替”出来。被顶替出来的N2随末被吸附的N2、H2气一起作为产品从塔出口出来。当CO2吸附前沿推进到吸附塔的一定位置时，就停止吸附。
传统的变压吸附法脱二氧化碳方法中，吸附步骤结束后就开始均压降压。均压的目的就是要尽可能地回收吸附塔中死空间的氮、氢气。均压次数越多，均压降结束后塔内压力就越低，回收的氮、氢气就越多，产品收率就越高。但是，要增加均压次数，就必须增加吸附塔的数目或延长吸附时间。这两种办法都要增加大量投资。
本发明的目的是提供一种投资省，能耗低，产品气收率高的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法。
本发明是这样实现的；本发明的PSA方法由两塔或两个以上的吸附塔组成。各步骤通过按程序控制程控阀的开关来实现，每一个吸附塔在一个周期中依次经历包括以下步骤1.吸附(A)将原料气从塔底部送入吸附塔，在吸附塔内易吸附组份(杂质)被选择吸附，并在床层内从下至上建立了CO2杂质饱和吸附区和CO2传质区，不易吸附组份(产品)通过整个吸附床并从产品出口排由，CO2吸附前沿在吸附过程中不断向床的产品端移动，当吸附前沿移动到床层的一定位置时，停止吸附。
2.产品回收(RP)从吸附床产品端另一管线排出产品气，随着产品气的不断排出，床内压力不断下降，杂质前沿下断向前推进，当CO2吸附前沿推进到一定位置时，停止回收产品。
3.压力均降(D)在产品回收步骤后，由吸附床产品端排出气体，排出的气体进入另一个等待均压气升压的吸附塔，随着均降过程的进行，吸附杂质前沿继续向前推进。均压步骤根据工艺要求可设计多次均压，当最后一次均压结束，吸附杂质前沿正好到达出口端。
4.顺向放压(PP)顺着吸附方向继续放出气体，这一部分气体中杂质高于产品质量要求，低于原料气中杂质浓度，顺放气返回原料气系统。当产品回收步骤回收产品量较大，均压结束时塔内压力已降至常压或负压时，就没有顺向放压(PP)了。
5.抽真空(VC)顺放结束后，吸附床内压力已接近大气压，抽真空降压，吸附的杂质解吸出来并从进料端排出塔外，吸附剂得到再生。
6.均压升压(R)抽真空结束后，从出口端接受从另一床层来的均压降压气体，使床层压力升高。均压升压的次数与均压降压的次数是一样的。
7.最终升压(FR)用产品气从出口端对床层进行升压至达到吸附压力。最终升压也可以用原料气从吸附塔进料端对床层进行升压至达到吸附压力。
本发明与以前的PSA脱碳方法不同之处是采用了产品回收步骤；没有逆放步骤，采用了顺放气收集步骤；从而提高了产品收率，使变压吸附法脱碳不但能耗低，操作容易，而且产品收率也高。
本发明吸附塔可为2～20个的组合。
本发明的吸附步骤时的吸附压力为0.02MPa～3.0MPa。
本发明的均压降压(D)步骤次数可以随吸附塔数量的变化分一次至六次完成。
均压升压(R)步骤可以随吸附塔数量的变化分一次至六次完成。
每塔在一次循环中增加隔离步骤(I)，可以安排在二次均压升压(R)之间，或者安排在二次均压降压(D)之间，或者同时在二次均压降压和均压升压之间各安排一个隔离步骤(I)。
产品回收(RP)步骤回收的产品气经吸附塔出口，产品回收管道，程控阀直接或增压后与吸附步骤所得产品气一道去后工序。
顺向放压(PP)步骤的气体经吸附塔出口，顺放气回收管道，程控阀去原料气系统。
本发明提供的方法是，吸附步骤结束后，回收部分床层中的产品气，使塔内压力降至一较低的压力再开始均压。在相同塔数目，相同均压次数情况下，本发明均压结束后，塔内压力就低得多，从而提高了收率。
均压结束后，CO2吸附前沿正好达到吸附塔出口。传统的变压吸附脱碳方法中，均压结束后就逆向放压。逆向放压，就是将床层中含CO2的氮、氢气逆着吸附气流的方向放出塔外，随着压力下降，部分CO2解吸，放出的气体CO2浓度很高，通常放空了。本发明的方法中，没有这一道放步骤，而是均压结束后吸附塔压力就到常压或负压或是采用顺放采用顺放步骤将吸附塔中CO2含量较低的氮、氢气收集起来，返回原料系统，从而进一步增加了收率。当均压结束后，CO2吸附前沿到达吸附塔出口，吸附塔中传质区内死空间充满了CO2浓度较低的氮、氢气。CO2饱和区死空间充满CO2浓度较高的氮、氢气。传统变压吸附的逆放步骤就把这两部分氮、氢气都逆放放空了。采用顺放步骤，传质区死空间含CO2较低的氮、氢气从出口放出来，随着压力的降低吸附区的混合气向出口推进，在出口附近的CO2吸附传质区内，部分CO2被未吸附饱和的吸附剂吸附，同时进一步把吸附N2顶替出来，使CO2含量较低的氮、氢混合气从出口排出。试验结果证明，当产品中要求CO2＜0.5％时，均压被结束后顺向放压至常压，所收集的氮、氢、CO2的混合气中，CO2浓度低于原料气浓度。这一部分气体返回原料气系统对提高产品收率非常有利。众质周知，原料气须经造气、脱硫、变换等工序才能得到。将氮、氢含量高于原料气的顺放气收集返回原料系统，具有显著节能降耗的功效。
在用碳化脱碳的化肥厂中，碳化前的变换气和脱碳后的氮、氢气压差较大。例如，变换气压力为0.7MPa，碳化后碳、氢气去压缩机三段入口，三段入口的压力要求为0.45MPa。采用变压吸附脱碳，吸附结束后塔内的压力大于0.65MPa，若实施产品回收步骤将压力降至0.45MPa，0.2MPa的回收产品气直接去压缩机三段入口，不需增加另外的设备和动力。每塔每循环回收0.2MPa产品气，效益非常显著。即使要进一步更多地回收产品，多回收产品需增压至0.45MPa，增压消耗的能量也完全能从多回收的产品中得到补偿。
在煤气造气工段，都有一湿式气柜。将回收的顺放气放入湿式气柜中，则收集顺放气也不需增加另外的容器。由于产品回收步骤已把吸附塔压力降低，当均压结束后，塔内压力也低，顺放气量较少。
与传统PSA脱碳方法相比，本发明几乎不需额外增加投资，相反还减少了传统的方法所有的一组逆放程控阀。本发明使氮、氢收率大幅度提高，效益非常显著。
如下是本发明的附图
图1为本发明的六塔变压吸附的CO2流程图。
图2为本发明的六塔变压吸附的CO2程序图。
如下是
具体实施例方式实施例本实施例采用六个吸附塔，见图1；每时每刻两个吸附塔处于吸附状态，每个塔每循环中两次均压，见图2。
变换气组成为组份 含量(V％)CO225～28CO 1H250～53CH41～2N218～20H2O 饱和H2S ＜200Mg/m3原料气压力0.7MPa原料气温度常温(≤40℃)吸附塔底部装填活性氧化铝，中部装填活性炭，上部装填硅胶。
现以A塔为例，对本实施例的运行过程进行说明1.吸附(A)原料气(变换气)从管道G1，程控阀1A，进入吸附塔A，程控阀2A与1A同时开启，变换气中CO2在底部被吸附剂选择吸附，并在底部形成CO2杂质饱和吸附区，在CO2饱和吸附区之前上形成一段CO2传质区，在CO2传质区上，形成N2饱和吸附区。在CO2饱和区塔内空间的气体中CO2浓度与原料气相当，在CO2传质区，气体中CO2浓度从下至上逐渐降低，在N2饱和区空间气体中无CO2。未被吸附的H2、N2气从A塔出口，程控阀2A，管道G2，调节阀PV-1和产品缓冲罐V1去产品用户。随着吸附过程的进行，CO2传质区继续向前推进，当吸附前沿到达一定位置时，停止吸附。此时关闭程控阀1A、2A。
2.产品回收(RP)吸附结束后，塔内的压力为0.65MPa。此时开启程控阀3A和KV-6，吸附塔中CO2前沿与出口间的部分产品气经管道G9、调节阀PV-2进入产品缓冲罐，产品缓冲罐内的压力为0.45MPa。当塔A的压力降至0.45MPa时，关闭程控阀3A和KV-6，在产品回收步骤中，随着压力逐渐降低，CO2传质区继续向前推进到一定位置。
3.一均降压(D1)开启3A和3D，塔A内部分产品气从管道G3进入已完成二均气升压的D塔。对D塔而言。此步骤叫一均升。当两塔压力达到平衡时关闭3A和3D。此时两塔压力为0.26MPa。随着均压降压的过程进行，CO2传质区继续向前推进到一定位置。
4.二均降压(D2)开启4A和4E，塔A内部分产品气从管道G4进入已完成抽空步骤的E塔。对D塔而言，此步骤叫二均升。当两塔压力到平衡后，关闭4A和4E。
此时两塔压力为0.08MPa。随着二均降结束CO2传质区正好达到A塔出口。
5.顺放(PP)开启程控阀4A，KV-5，CO2传质区内CO2浓度低于变换气中CO2浓度的氢、氮气经PV-3，进入气柜V2。气柜压力为常压。当塔A压力降至常压时，关闭4A和KV-5。
6.抽真空(VC)开启5A、KV-2，塔A内CO2气体经管道G5a真空泵P1抽出放空，抽空步骤结束，塔内压力为-0.08MPa。关闭5A、KV-2，开启KV-8，直至C塔开始抽空。
7.二均升(R)开启4C、4A，C塔内二均降气体经管道G4进入A塔。两塔压力平衡后，关闭4C、4A。
8.隔离I全关A塔阀门，等待执行下一步骤。
9.一均升(R1)开启3D、3A，D塔内一均降气体经管道G3进入A塔。两塔压力平衡后，关闭3D、3A。
10.产品升压(FR)开启KV-1、3A，让部分产品气从出口进入A塔，当压力达到0.65MPa时，停止升压，关KV-1、3A。
至此，A塔完成了一个循环，又可开始吸附过程，其它5个塔与A塔一样，只是各步骤时间是相互错开的。
一次循环周期12分钟，产品氢、氮气中CO2＜0.3％(V)，H2收率99％，N2收率96％。
权利要求
1.一种脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，每个吸附塔在一次循环周期中依次经历包括吸附(A)，产品回收(RP)，均压降压(D)，抽真空(VC)，均压升压(R)，最终升压(FR)等工艺步骤。
2.根据权利要求1所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于吸附塔可为2-20个的组合。
3.根据权利要求1或2所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于吸附步骤时的吸附压力为0.02MPa～3.0MPa。
4.根据权利要求1或2所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，均压降压(D)步骤次数可以随吸附塔数量的变化分一次至六完成。
5.根据权利要求1或2所述有脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于均压升压(R)步骤可以随吸附塔数量的变化分一次至六次完成。
6.根据权利要求4所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于均压升压(R)步骤可以随吸附塔的数量变化分一次至六次完成。
7.根据权利要求6所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于每塔在一次循环中增加隔离步骤(I)，可以安排在二次均压升压(R)之间，或者安排在二次均压降压(D)之间，或者同时在二次均压降压和均压升压之间各安排一个隔离步骤(I)，每塔在均压降压(D)步骤后增加顺向放压(PP)步骤。
8.根据权利要求1或2或6或7所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于产品回收(RP)步骤回收的产品气经吸附塔出口，产品回收管道，程控阀直接或增压后与吸附步骤所得产品气一道去后工序。
9.根据权利要求8所述的脱除变换气中二氧化碳的变压吸附方法，其特征在于顺向放压(PP)步骤的气体经吸附塔出口，顺放气回收管道，程控阀去原料气系统。
全文摘要
本发明为一种脱除变换气中的二氧化碳的变压吸附方法,每一个吸附塔在一次循环周期中依次经历包括吸附(A),产品回收(RP),均压降压(D),顺向放压(PP),抽真空(VC),均压升压(R),最终升压(FR)等工艺步骤。
文档编号C01B3/00GK1171285SQ9710751
公开日1998年1月28日 申请日期1997年5月29日 优先权日1997年5月29日
发明者伍仁兴 申请人:伍仁兴