专利名称：一种改进的变压吸附方法
技术领域：
本发明属于吸附分离技术领域，更具体地是一种从各种气体混合物分离或纯化气体组分的变压吸附(简称PSA)方法。
背景技术：
变压吸附(简称PSA)作为吸附分离过程的一项重要分支，主要用于各种工业气体混合物的分离与纯化。例如，用于从各种含氢混合气体中除去轻烃类、氮气、一氧化碳、二氧化碳等，以制取弱吸附能力的纯氢气体(纯度通常大于98％)，用于石油和化学工业中的各种加氢过程以及冶金和电子等工业领域。另一方面，还可用于从各种混合气体中回收较强吸附能力的气体如乙烯、一氧化碳、二氧化碳等。
为解决变压吸附过程产品气回收率低、吸附剂耗量大等问题，美国专利3986849提出了多床选择吸附的变压吸附方法。该工艺采用至少七个吸附床，每个吸附床经历至少三次均压步骤。对于该专利所述的十床三次均压变压吸附系统，每个吸附床的每次循环过程由吸附、一次均压降压、二次均压降压、三次均压降压、顺向降压(提供冲洗气)、逆向降压、逆向冲洗、三次均压升压、二次均压升压、一次均压升压、最终升压等步骤构成。在十床运行中，始终有三个吸附床处于吸附步骤(生产产品气)，其余七个吸附床处于不同的再生步骤。该方法提出的多床变压吸附方法，采用单床对单床的冲洗工艺，即一个吸附床顺向降压过程排放的气体仅为另外一个吸附床提供冲洗气，从而影响了多床变压吸附过程的生产效率和产品气回收率。要增加均压次数以提高产品气回收率，就必须增加变压吸附系统的吸附床数量或减少逆向冲洗的时间，从而导致变压吸附系统投资的增加或高产品气回收率的降低。((美)R.T.扬著，《吸附法气体分离》，化学工业出版社，1991年1月，叶振华著，《化工吸附分离过程》，中国石化出版社，1992年12月)发明内容本发明的目的是克服已知技术的不足，提供一种高产品气回收率、低吸附剂耗量的高效变压吸附方法。
本发明的主要技术方案以上述已知技术为基础，对多床同时吸附的变压吸附系统，用单床对多床的冲洗工艺即一个吸附床的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐同时为一个或至少两个其他吸附床提供冲洗气，可在同样的循环时间内，实现比上述已知技术更长的冲洗时间，或者可缩短循环时间，从而提高变压吸附系统的产品气回收率和变压吸附系统吸附剂的利用率，降低变压吸附系统的投资。
由于本发明可提供比上述已知技术更长的冲洗时间，在保证冲洗效果的情况下，逆向冲洗步骤的最后阶段也可进行辅助升压，因此可获得更多的均压次数，从而提高变压吸附系统的产品气回收率。此时一个吸附床的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐同时用作至少一个其他吸附床的逆向冲洗气和至少另一个其他吸附床的辅助升压气体。上述升压过程为辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。
本发明通过设置至少一个顺放气罐，还可以实现单床同时吸附的变压吸附系统的连续冲洗，并缩短其循环时间，从而提高变压吸附系统吸附剂的利用率，降低变压吸附系统的投资；或者在保证冲洗效果的情况下，在逆向冲洗步骤的最后阶段进行辅助升压(可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力)，因此可获得更多的均压次数，从而提高变压吸附系统的产品气回收率。
本发明的变压吸附方法特别适用于从各种含氢混合气体中除去轻烃类、氮气、一氧化碳、二氧化碳等，以制取弱吸附能力的纯氢气体。本发明的变压吸附系统的吸附压力为0.2-8.0Mpa，最好为0.7-3.6Mpa，吸附温度为5-80℃，最好为20-45℃，解吸压力为常压-4.0Mpa，最好为0.03-0.2Mpa。
本发明的变压吸附系统，根据所分离的流体和所采用的工艺技术不同，吸附床可以是单一吸附剂床层，也可以是不同吸附剂组成的两层或多层复合床，所用的吸附剂为工业上常用的吸附剂，包括分子筛、活性炭、活性氧化铝、硅胶等。吸附床的数量根据所分离的流体种类、流量、压力进行选择，通常为4至20个吸附床，最好为6至16个吸附床，始终有1个、2个或多个吸附床处于吸附步骤，构成多床多次均压工艺，均压次数为1至8次，最好为2至6次。其吸附和再生循环过程由吸附、多次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、多次均压升压和最终升压等步骤组成。
每个吸附床在每一次吸附和再生循环过程中依次经历以下步骤1.至少一个吸附步骤在吸附压力下，原料混合气进入吸附床的原料端，同时从吸附床的产品端输出产品气。
2.至少一个均压降压步骤由上述吸附床的原料端向上述吸附床的产品端排出床层死空间气体，分别用于其他吸附床的均压降压过程。均压降压步骤的次数即均压次数为1至8次最好为2至6次。
3.至少一个顺向降压排放步骤由上述吸附床的原料端向上述吸附床的产品端排出床层死空间气体，进一步降低上述吸附床的压力，上述吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐同时为至少一个其他吸附床或同时为至少两个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，或者用于同时为至少一个其他吸附床提供冲洗气和为至少一个其他吸附床提供辅助升压气体。顺向降压排放步骤可以占用1个、2个或多个时间单元，最好为1个或2个，也可与其他步骤包括最后一个均压降压步骤和逆向排放步骤中的1个或2个，共用1个时间单元。
4.至少一个逆向排放步骤由上述吸附床的产品端向上述吸附床的原料端将吸附塔压力降至解吸压力，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来，解吸气进入解吸气缓冲罐。逆向降压排放步骤可以占用1个、2个或多个时间单元，最好为1个或2个，也可与其他步骤包括最后一个均压降压步骤、顺向排放步骤、逆向冲洗步骤中的1个或2个，共用1个时间单元。
5.至少一个逆向冲洗步骤由上述吸附床的产品端接收顺放气向上述吸附床的原料端进行冲洗，使吸附剂中吸附的杂质进一步解吸，逆向冲洗步骤产生的冲洗再生气进入解吸气缓冲罐。在这一步骤中，上述吸附床单独或同时与至少一个其他吸附床一起直接或经过至少一个顺放气罐接收至少另一个其他吸附床提供的顺放气，用作逆向冲洗气或辅助升压气体。逆向冲洗步骤可以占用1个、2个或多个时间单元，最好为2至8个时间单元。最后一个逆向冲洗步骤，可接收顺放气进行逆向冲洗，也可接收顺放气进行辅助升压。在最后一个逆向冲洗步骤时，一个其他吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐为上述吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为至少另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可以占用1个时间单元，也可以占用1个时间单元的一部分时间；可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。
逆向冲洗步骤接收顺放气的时间与上述顺向排放步骤提供冲洗气的时间之比大于或等于1.0，最好为1.0至4.0。
6.至少一个均压升压步骤分别用来自其它吸附床均压降压步骤的排放气，由上述吸附床的产品端向上述吸附床的原料端依次对上述吸附床进行升压，这一过程与上述均压降压过程相对应，次数为1至8，最好为2至6次。一次均压升压即可接收一次均压降压步骤的排放气进行均压升压，也可接收产品气和原料气进行最终升压。
7.至少一个最终升压步骤
为了使上述吸附床可以平稳地切换至下一次吸附步骤并保证产品纯度在这一过程中不发生波动，需要用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。最终升压步骤可以占用1个、2个或多个时间单元，最好为1个或2个时间单元。
所有吸附床交替进行以上的吸附、再生循环(始终有至少1个吸附床始终处于进料吸附的状态)，即可实现气体的连续分离与提纯。
对于上述每个吸附、再生循环中的任何一个吸附床，偶数步骤和奇数步骤的时间可以相等，也可以是不等的，偶数步骤与奇数步骤(或奇数步骤与偶数步骤)的时间之比大于或等于1(最好为2至4)。
本发明的主要优点和效果本发明的变压吸附方法可在同样的循环时间内，实现比已知技术更多的均压次数和更长的冲洗时间，或者可缩短循环时间，从而提高变压吸附系统的产品气回收率和变压吸附系统的吸附能力，降低变压吸附系统的投资。
本发明的变压吸附方法可广泛应用于各种气体的变压吸附法净化或提纯过程如二氧化碳和甲烷分离、一氧化碳回收、二氧化碳回收、氢气净化与提纯等，特别适用于从各种含氢混合气体中除去轻烃类、氮气、一氧化碳、二氧化碳等，以制取弱吸附能力的纯氢气体。
图1为一个简化的循环步序图，介绍了已知技术的10床变压吸附工艺循环。
图2-8为本发明的简化循环步序图的典型实例，介绍了本发明的至少两个吸附床同时吸附的多床变压吸附工艺。
图2为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的一种3床同时吸附的10床变压吸附工艺循环。
图3为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的3床同时吸附的10床变压吸附工艺循环的另一变化形式。
图4为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的一种2床同时吸附的10床变压吸附工艺循环。
图5为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的2床同时吸附的10床变压吸附工艺循环的另一变化形式。
图6为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的一种8床变压吸附工艺循环。
图7为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的一种9床变压吸附工艺循环。
图8为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的另一种9床变压吸附工艺循环。
图9、10为本发明的简化循环步序图的典型实例，介绍了本发明的1个吸附床同时吸附的多床变压吸附工艺。
图9为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的一种6床变压吸附工艺循环。
图10为一个简化的循环步序图，介绍了本发明的一种7床变压吸附工艺循环。
在图1-10所示的简化循环步序图中，横轴为循环步骤的相对时间，每一格代表一个时间单元；纵轴为吸附床的编号，分别代表不同的吸附床。图中的符号分别代表A，吸附；E1D，1次均压降压；E2D，2次均压降压；E3D，3次均压降压；E4D，4次均压降压；PP，顺向排放；D，逆向排放；P，逆向冲洗；E1R，1次均压升压；E2R，2次均压升压；E3R，3次均压升压E4R，4次均压升压；FR，最终升压。
下面结合附图进一步说明本发明的特点。
图1用一个简化的循环步序图表示传统的10床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程由吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等20个步骤组成。
在这种传统的10床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有3个吸附床处于吸附步骤，每个吸附床有3个顺向排放步骤提供冲洗气、3个逆向冲洗步骤接收顺放气，任何一个吸附床所用的冲洗气直接由另一个吸附床提供，也就是说，顺向排放提供冲洗气的吸附床的数量和逆向冲洗接收顺放气的吸附床的数量是相等的。对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是相等的，均为每个循环的3/20。
图2用一个简化的循环步序图表示本发明的一种3床同时吸附的10床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程包含有与图1相同的步骤，由吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等20个步骤组成。
在这种本发明的10床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有3个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有2个顺向排放步骤同时为2个其他吸附床提供逆向冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。任何一个吸附床所产生的顺向排放气同时为两个其他吸附床提供逆向冲洗气，或为处于最后一个逆向冲洗步骤P1的一个其他吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/10，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的3/20至1/5。采用4个逆向冲洗步骤，逆向冲洗的时间比图1所示的已知技术延长25％；采用3个逆向冲洗步骤，可获得比图1所示的已知技术多一次的辅助升压步骤。
在图2所示的循环中，吸附床1在吸附步骤A之后，依次进行3次均压降压步骤E1-3D。1次均压降压步骤E1D时，吸附床1与吸附床5(此时吸附床5进行1次均压升压E1R)连通；2次均压降压步骤E2D时，吸附床1与吸附床6(此时吸附床6进行2次均压升压E2R)连通；3次均压降压步骤E3D时，吸附床1与吸附床7(此时吸附床7进行3次均压升压E3R)连通。3次均压降压步骤E1-3D结束后，吸附床1进行2个顺向排放步骤PP1～2，第1个顺向排放步骤PP1时，吸附床1同时与吸附床8(正进行逆向冲洗或辅助升压步骤P1)、吸附床9(正进行逆向冲洗步骤P3)连通为其提供逆向冲洗或辅助升压气；第2个顺向排放步骤PP2时，吸附床1同时与吸附床9(正进行逆向冲洗步骤P2)、吸附床10(正进行逆向冲洗步骤P4)连通为其提供逆向冲洗气。顺向排放步骤PP1～2结束后，吸附床1进行逆向排放步骤D，然后进行逆向冲洗步骤P1～4。逆向冲洗步骤P4时，吸附床1、吸附床10(正进行逆向冲洗步骤P2)同时与吸附床2(正进行顺向排放步骤PP2)连通；逆向冲洗步骤P3时，吸附床1、吸附床10(正进行逆向冲洗或辅助升压步骤P1)与吸附床3(正进行顺向排放步骤PP1)连通；逆向冲洗步骤P2时，吸附床1、吸附床2(正进行逆向冲洗步骤P4)同时与吸附床3(正进行顺向排放步骤PP2)连通；逆向冲洗步骤P1(此时吸附床1也可进行辅助升压)时，吸附床1、吸附床2(正进行逆向冲洗步骤P3)同时与吸附床4(正进行顺向排放步骤PP2)连通。逆向冲洗步骤P1～4结束后，吸附床1依次进行3次均压升压步骤E1～3R。3次均压升压步骤E3R时，吸附床1与吸附床5(正进行3次均压降压步骤E3D)连通；2次均压升压步骤E2R时，吸附床1与吸附床6(正进行2次均压降压步骤E2D)连通；1次均压升压步骤E1R时，吸附床1与吸附床7(正进行1次均压降压步骤E1D)连通。1次均压升压步骤E1R的部分时间也可用产品气或原料气对吸附床1进行最终升压。3次均压升压步骤E1～3R结束后，用产品气或原料气对吸附床1进行最终升压步骤FR。至此，吸附床1完成了一个完整的吸附和再生循环过程，然后进入下一轮循环。其他吸附床的吸附和再生循环过程与吸附床1相同，不再详细叙述。
图3-10所示的简化循环步序图表示的吸附和再生循环过程的叙述方式与图2相似。
图3用一个简化的循环步序图表示本发明的另一种3床同时吸附的10床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程由吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压等20个步骤组成。
在这种本发明的10床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有3个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为1个或2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤、3个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。在最后一个逆向冲洗步骤P1时，一个其他吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐为上述吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/20，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/10至3/20。
图4用一个简化的循环步序图表示本发明的一种2床同时吸附的10床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程，由吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压等20个步骤组成。
在这种本发明的10床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有两个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有2个顺向排放步骤同时为2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收冲洗。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。任何一个吸附床所产生的顺向排放气同时为另两个吸附床提供逆向冲洗气，或为处于最后一个逆向冲洗步骤P1的一个其他吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/10，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的3/20至1/5。
图5用一个简化的循环步序图表示本发明的另一种2床同时吸附的10床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程由吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压等20个步骤组成。
在这种本发明的10床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有3个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为两个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，2个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。任何一个吸附床所产生的顺向排放气直接或经过至少一个顺放气罐同时为另两个吸附床提供逆向冲洗气，或为处于最后一个逆向冲洗步骤P1的一个其他吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/20，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的3/20至1/5。
图6用一个简化的循环步序图表示本发明的一种8床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程，由吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等16个步骤组成。
在这种本发明的8床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有两个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为1个或2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，3个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。在最后一个逆向冲洗步骤P1时，一个其他吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐为上述吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为至少另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/16，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/8至3/16。
图7用一个简化的循环步序图表示本发明的一种9床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程，由吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等18个步骤组成。
在这种本发明的9床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有两个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有2个顺向排放步骤同时为2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。任何一个吸附床所产生的顺向排放气同时为另两个吸附床提供冲洗气，或为处于最后一个逆向冲洗步骤P1的一个其他吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/9，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/6至2/9。
图8用一个简化的循环步序图表示本发明的另一种9床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程，由吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压等18个步骤组成。在这种本发明的9床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有两个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为1个或2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，3个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。在最后一个逆向冲洗步骤P1时，一个其他吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐为上述吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为至少另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/18，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/9至1/6。
图9用一个简化的循环步序图表示本发明的一种6床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程，由吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等12个步骤组成。在这种本发明的6床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有1个吸附床处于吸附步骤，其特征在于每个吸附床顺向排放步骤排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于为1个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，2个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。在最后一个逆向冲洗步骤P1时，上述顺放气直接或经过至少一个顺放气罐用于为一个其他吸附床提供逆向冲洗气或辅助升压气体。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，偶数步骤和奇数步骤的时间是也不等的。偶数步骤与奇数步骤的时间之比大于1(最好为2至4)时，顺向排放步骤PP和逆向排放步骤D共用同一个时间单元；奇数步骤与偶数步骤的时间之比大于1(最好为2至4)时，最后一个均压降压步骤E3D和顺向排放步骤PP共用同一个时间单元。
图10用一个简化的循环步序图表示本发明的一种7床变压吸附工艺。每个吸附床的吸附和再生循环过程，由吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压等14个步骤组成。在这种本发明的7床变压吸附工艺中，在任何时候，始终有1个吸附床处于吸附步骤，其特征在于每个吸附床顺向排放步骤排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于为1个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，2个逆向冲洗步骤接收顺放气。最后一个逆向冲洗步骤P1，根据需要即可接收顺放气进行逆向冲洗，同时也可接收顺放气进行辅助升压步骤。在最后一个逆向冲洗步骤P1时，上述顺放气直接或经过至少一个顺放气罐用于为一个其他吸附床提供逆向冲洗气或辅助升压气体。上述辅助升压步骤，可升压至两个吸附床压力相等，也可升压至某一中间压力。一次均压升压E1R即可接收一次均压降压E1D排放气进行均压升压，也可同时接收产品气和原料气进行最终升压。最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力。
对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，偶数步骤和奇数步骤的时间也是不等的。奇数步骤与偶数步骤的时间之比大于1(最好为2至4)时，顺向排放步骤PP和逆向排放步骤D共用同一个时间单元。偶数步骤与奇数步骤的时间之比大于1(最好为2至4)时，最后一个均压降压步骤E4D和顺向排放步骤PP共用同一个时间单元。
图9、10介绍了本发明的1个吸附床同时吸附的多床变压吸附工艺，由于仅有1个吸附床同时进料吸附，生产能力受到限制，适用于生产能力不大的变压吸附装置。
图2-10为本发明的简化循环步序图的典型实例。吸附床的总数、同时进料吸附的吸附床数量、均压次数、顺放气罐和均压气罐的数量以及顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、最终升压等步骤的长短，均可根据本发明所述的内容和所分离的流体种类、流量、压力等进行选择，可有更多的变化形式，得到的变压吸附工艺均在本发明的范围内。
具体实施例方式
下面通过实例进一步说明本发明的特点。
实例1本实例对于一个产氢能力为50000Nm3/h工业氢的变换气变压吸附氢提纯装置，吸附压力为2.4Mpa，吸附温度为常温，解吸压力为0.03Mpa。原料气的摩尔组成为氢气，70.2％，一氧化碳，3％，二氧化碳，21.3％，甲烷，5.5％，水，饱和，产品氢的纯度大于99.9％。采用的吸附剂为工业上常用的分子筛、活性炭、硅胶，分别采用图1所述的已知技术的10床变压吸附工艺(工艺1)和图2所述的本发明的10床变压吸附工艺(工艺2)、图4所述的本发明的10床变压吸附工艺(工艺3)，本发明的10床变压吸附工艺(工艺2)和(工艺3)均采用一次辅助均压，其技术对比如表1
表1
实例2本实例对于一个产氢能力为15000Nm3/h工业氢的变换气变压吸附氢提纯装置，操作条件、原料气组成和吸附剂均与实例1相同，分别采用图1所述的已知技术的10床变压吸附工艺(工艺1)和图9所述的本发明的6床变压吸附工艺(工艺4)、图10所述的本发明的7床变压吸附工艺(工艺5)，本发明的6床变压吸附工艺(工艺4)和7床变压吸附工艺(工艺5)均未采用辅助均压，其技术对比如表2表2
权利要求
1.一种变压吸附方法，在包括至少4个吸附床的变压吸附装置中，始终有至少一个吸附床处于吸附步骤，其吸附和再生循环过程由至少一个吸附、至少一个均压降压、至少一个顺向排放、至少一个逆向排放、至少一个逆向冲洗、至少一个均压升压和至少一个最终升压在内的步骤组成，其特征在于(1)对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐同时为至少一个其他吸附床或同时为至少两个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体。逆向冲洗步骤可以占用1个、2个或多个时间单元，最后一个逆向冲洗步骤，可接收顺放气进行逆向冲洗或接收顺放气进行辅助升压，在最后一个逆向冲洗步骤时，一个其他吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过至少一个顺放气罐为上述吸附床提供逆向冲洗气和辅助升压气体，同时为至少另一个其他吸附床提供逆向冲洗气，所述的辅助升压步骤，占用1个时间单元或占用1个时间单元的一部分时间；升压至两个吸附床压力相等或升压至某一中间压力，所述的一次均压升压步骤即可接收一次均压降压步骤的排放气进行均压升压或同时接收产品气和原料气进行最终升压，所述的最终升压步骤用产品气从吸附床的产品端或同时用原料气从吸附床的原料端将上述吸附床的压力升至吸附压力，(2)对于每个循环中的任何一个吸附床，偶数步骤和奇数步骤的时间可以相等，也可以是不等的。偶数步骤与奇数步骤或奇数步骤与偶数步骤的时间之比大于或等于1，顺向排放步骤与最后一个均压降压步骤和逆向排放步骤等中的1个或2个共用同一个时间单元，(3)对于每个循环中的任何一个吸附床，逆向冲洗步骤接收顺放气的时间与顺向排放步骤提供冲洗气的时间之比大于或等于1，所述的变压吸附系统的吸附压力为0.2-0.8MPa，吸附温度为5-80℃，解吸压力为常压-4.0Mpa。
2.按照权利要求1所述的变压吸附方法，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，偶数步骤与奇数步骤或奇数步骤与偶数步骤的时间之比为2至4，所述的逆向冲洗步骤占用2至8个时间单元，逆向冲洗步骤接收顺放气的时间与顺向排放步骤提供冲洗气的时间之比为2至4。
3.按照权利要求1，2所述的变压吸附方法，在3床同时吸附的10床变压吸附工艺装置中，每个吸附床的吸附和再生循环过程，(1)包括吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压在内的20个步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有2个顺向排放步骤同时为2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/10，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的3/20至1/5。(2)或者包括吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压20个步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为1个或2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤、3个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/20，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/10至3/20。
4.按照权利要求1，2所述的变压吸附方法，在2床同时吸附的10床变压吸附工艺装置中，每个吸附床的吸附和再生循环过程包括吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压在内的20个步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，(1)有2个顺向排放步骤同时为2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/10，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的3/20至1/5，(2)或者有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，2个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/20，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的3/20至1/5。
5.按照权利要求1，2所述的变压吸附方法，在2床同时吸附的8床变压吸附工艺装置中，每个吸附床的吸附和再生循环过程，包括吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等16个步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为1个或2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，3个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/16，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/8至3/16。
6.按照权利要求1，2所述的变压吸附方法，在2床同时吸附的9床变压吸附工艺装置中，其特征在于对于每个吸附床的吸附和再生循环过程，(1)包括吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等18个步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有2个顺向排放步骤同时为2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，4个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/9，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/6至2/9，(2)或者包括吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压等18个步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，有1个顺向排放步骤，排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于同时为1个或2个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，1个逆向排放步骤，3个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间为每个循环的1/18，逆向冲洗接收顺放气的时间为每个循环的1/9至1/6。
7.按照权利要求1，2所述的变压吸附方法，在6床变压吸附工艺装置中，每个吸附床的吸附和再生循环过程，包括吸附、3次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、3次均压升压和最终升压等12个步骤组成且始终有1个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放步骤排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于为1个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，2个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，偶数步骤和奇数步骤的时间是不等的。当偶数步骤与奇数步骤的时间之比大于1时，顺向排放步骤和逆向排放步骤共用同一个时间单元；奇数步骤与偶数步骤的时间之比大于1时，最后一个均压降压步骤和顺向排放步骤共用同一个时间单元。
8.按照权利要求1，2所述的变压吸附方法，在7床变压吸附工艺装置中，每个吸附床的吸附和再生循环过程，包括吸附、4次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、4次均压升压和最终升压14个步骤，始终有1个吸附床处于吸附步骤，其特征在于对于每个循环中的任何一个吸附床，顺向排放步骤排出的气体(顺放气)直接或经过至少一个顺放气罐用于为1个其他吸附床提供冲洗气或辅助升压气体，2个逆向冲洗步骤接收顺放气，所述的顺向排放提供冲洗气的时间和逆向冲洗接收顺放气的时间是不等的，偶数步骤和奇数步骤的时间是不等的。当奇数步骤与偶数步骤的时间之比大于1时，顺向排放步骤和逆向排放步骤共用同一个时间单元。偶数步骤与奇数步骤的时间之比大于1时，最后一个均压降压步骤和顺向排放步骤共用同一个时间单元。
9.权利要求1-8所述的变压吸附工艺装置，适用于各种混合气体的分离与提纯，特别适用于从各种含氢混合气体中除去轻烃类、氮气、一氧化碳、二氧化碳，以制取弱吸附能力的纯氢气体。
全文摘要
一种变压吸附方法，包括至少4个吸附床，其吸附和再生循环过程由吸附、多次均压降压、顺向排放、逆向排放、逆向冲洗、多次均压升压和最终升压等步骤组成，其特征在于一个吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过顺放气罐同时为至少两个其他吸附床提供逆向冲洗气，在最后一个逆向冲洗步骤时，一个吸附床的顺向排放步骤排放的顺放气直接或经过顺放气罐为一个其他吸附床提供冲洗气和辅助升压气体，同时为至少另一个其他吸附床提供逆向冲洗气。本发明的方法可提高变压吸附系统的产品气回收率和吸附能力，降低变压吸附系统的投资，广泛地应用于各种气体的变压吸附法净化或提纯过程。
文档编号B01D53/047GK1498670SQ0214679
公开日2004年5月26日 申请日期2002年11月8日 优先权日2002年11月8日
发明者李群柱 申请人:李群柱