变压吸附系统的设计和操作方法

专利名称：变压吸附系统的设计和操作方法
背景技术：
变压吸附用于大量气体混合物的分离和含有不希望的杂质的气流的净化是广为人知的。该方法已被改进并适用于更宽范围的原料气体、操作条件、产品回收和产品净化。大多数大型变压吸附(PSA)系统采用多个并联的吸附剂床，这些吸附剂床交替顺序循环进行典型的工艺步骤进料/吸附、均压、减压、排空、吹扫和再升压。PSA系统广泛用于化工领域以回收和净化有用气体产品例如氢气、碳氧化物、合成气、轻质烃和大气中。
由于涉及大量的变量和参量，PSA系统的操作和设计存在复杂的工程技术方面的难题。这些变量和参量包括例如吸附剂的类型、吸附剂的颗粒尺寸、床的长/径比、气流速度、气体停留时间、PSA操作循环的类型、PSA循环中的各操作步骤的持续时间、吸附剂床的数目、进料气体的压力、进料气体的组成、产品产量和产品纯度。
向化学处理、金属精炼和其他相关工业提供高纯氢气存在很大的全球市场。用于满足这种市场需要的一种典型的商业化制氢方法是天然气或其他富含甲烷的烃气流的重整。重整工艺是通过烃与水蒸气和/或含氧气体(例如空气或富氧空气)反应，得到含有氢气、碳氧化物、水、残留的烃和氮气的粗重整气体而实现的。如果不要求回收一氧化碳并且氢气是主要产品，则一氧化碳可转化为额外的氢气，而二氧化碳通过水煤气变换反应产生转换的合成气。从这种转换的合成气中回收氢气一般涉及多床PSA工艺，在该工艺中每个吸附剂床均采用一层活性炭来除去CO2和CH4，再通过一层沸石或分子筛吸附剂用于除去CO和N2。其它能够通过PSA工艺提高纯度以产出高纯氢气产品的富氢气源包括含氢气和C1-C6烃的精炼厂的尾气，还包括从烃的部分氧化单元排出的气流。
采用重整装置/PSA的一体化系统生产氢气的全部成本包括资金成本和操作成本。经济地生产高纯氢气需要降低操作和资金成本，其中资金成本很大程度上与重整装置的规模和含PSA吸附剂床的容器的尺寸有关。PSA床的尺寸一般随PSA系统的氢气产率(即每单位床层体积产出的氢气量)的提高而减小，而且PSA床的尺寸也随PSA系统的氢气床尺寸因子(即产出给定量的氢气产品所需的吸附剂床体积)的降低而减小。显然，较小的床层尺寸因子和较高的氢气产率是优选的。
通过改良的工艺循环和/或改良的吸附剂能够提高氢气产率和回收率。重整装置的尺寸显著地受PSA系统中的氢气回收率的影响，而且PSA氢气回收率的提高直接导致较小的重整装置。PSA氢气回收率的提高还使得重整原料气体即天然气的用量减少，而重整原料气体构成重整装置操作成本的主要部分。在氢气生产领域迫切需要改进设计和操作方法以减少总的资金和操作成本，特别是改进用于最终氢气回收的PSA系统。通过如下所述的及随后的权利要求所限定的本发明的实施方式可使这种需要得到满足。
发明简述本发明的实施方式涉及一种用于分离气体混合物的方法，包括(a)提供具有多个吸附剂容器的变压吸附系统，每个容器均设有入口和出口；(b)提供设置于每个吸附剂容器内的颗粒状吸附材料床，其中吸附材料针对气体混合物中的一种或多种成分的吸附具有选择性，而且其中每个吸附材料床的特征在于床层深度和小于约1.3mm的平均颗粒直径；和(c)启动进料步骤，该进料步骤包括将气体混合物引入吸附剂容器的入口，使气体混合物通过颗粒状吸附材料床，并在此从气体混合物中吸附一种或多种组分，以及从吸附剂容器出口排出产品气体；继续该进料步骤维持一段进料时间；和终止该进料步骤；以英尺表示的床层深度乘以空床停留时间与进料时间的无量纲比值小于约4。
气体混合物可包括氢气和选自一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气、氧气、氩气、含有1至12个碳原子的烃、硫化氢、硫化羰和水的一种或多种成分。产品气体是至少含99vol％氢气的高纯氢气。此外，气体混合物还可选自空气、沼气、天然气和富氦气体混合物。在该备选的方案中，产品气体将含有选自氧气、甲烷和氦的主要成分，而且这种主要成分在产品气体中的含量超过约99.5vol％。
颗粒状吸附材料可包括一种或多种选自活性炭、化学改性的活性炭、活性氧化铝、化学改性的活性氧化铝、硅胶和沸石的吸附剂。颗粒状吸附材料床可包括活性炭层和具有或不具有粘接剂的CaA沸石层。
进料时间可在大约10到120秒之间。床层深度可在大约3到15英尺之间。空床停留时间可在大约10到30秒之间。
变压吸附系统包括至少两个吸附剂容器。在一个具体的实施方案中，变压吸附系统设有五个并联的吸附剂容器，并且每个吸附剂容器依次进行下列循环工艺步骤，该循环工艺步骤包括(1)在进料阶段将作为原料气体的气体混合物引入第一吸附剂容器的入口，使气体混合物通过颗粒状吸附材料床，并在此从气体混合物中吸附一种或多种成分，并从吸附剂容器的出口排出产品气体；(2)通过从其出口排出第一减压气体使第一吸附剂容器减压，并将该第一减压气体引入正在加压的第二吸附剂容器的出口；(3)通过从其出口排出第二减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第二减压气体引入正在加压的第三吸附剂容器的出口；(4)通过从其出口排出第三减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第三减压气体引入正进行吹扫的第四吸附剂容器的出口；(5)通过从其出口排出第四减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第四减压气体引入正在加压的第四吸附剂容器的出口；(6)通过从其入口排出废气使第一吸附剂容器进一步减压；(7)通过将第五吸附剂容器提供的第三减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进行吹扫，并从第一吸附剂容器的入口排出吹扫废气；(8)通过将第五吸附剂容器提供的第四减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器加压；(9)通过将第二吸附剂容器提供的第二减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进一步加压；(10)通过将第三吸附剂容器提供的第一减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进一步加压，并从第一吸附剂容器的入口引入原料气体；(11)通过将原料气体引入其入口来对第一吸附剂容器进一步加压；(12)以循环的方式重复步骤(1)到(11)。
原料气体的压力在大约15到800psig之间。


图1示出了与本发明实施方案联合使用的一种典型的变压吸附循环的循环图；图2示出了实施例1中当使用平均颗粒直径为1.0和1.6mm的吸附剂、进料时间为120秒时，氢气回收率与床层深度的关系曲线；图3示出了实施例1中当使用平均颗粒直径为1.0和1.6mm的吸附剂、进料时间为60秒时，氢气回收率与床层深度的关系曲线；图4示出了实施例1中当使用平均颗粒直径为1.0和1.6mm的吸附剂、进料时间为30秒时，氢气回收率与床层深度的关系曲线；图5示出了实施例2中当使用平均颗粒直径为1.0mm的吸附剂、进料时间在50至100秒之间时，以及当使用平均颗粒直径为1.6mm的吸附剂、进料时间在90至140秒之间时，氢气回收率与床层深度的关系曲线；图6示出了实施例2中当使用平均颗粒直径为1.0mm的吸附剂、进料时间在70至100秒之间时，以及当使用平均颗粒直径为1.6mm的吸附剂、进料时间在100至120秒之间时，氢气回收率与床层深度的关系曲线；图7示出了实施例2中当使用平均颗粒直径为1.0mm的吸附剂、进料时间在100至130秒之间时，以及当使用平均颗粒直径为1.6mm的吸附剂、进料时间在120至140秒之间时，氢气回收率与床层深度的关系曲线；图8示出了当使用平均颗粒直径为1.0和1.6mm的吸附剂、进料时间为120秒时，氢气回收率与折合的(reduced)床层深度的关系曲线；图9示出了当使用平均颗粒直径为1.0和1.6mm的吸附剂、进料时间为60秒时，氢气回收率与折合的床层深度的关系曲线；图10示出了当使用平均颗粒直径为1.0和1.6mm的吸附剂、进料时间为30秒时，氢气回收率与折合的床层深度的关系曲线；图11示出了当使用平均颗粒直径为1.0mm的吸附剂、进料时间为16秒时，氢气回收率与折合的床层深度的关系曲线；图12示出了当使用平均颗粒直径为1.0mm的吸附剂、进料时间分别为16、30、60和120秒时，氢气回收率的增量与折合的床层深度的关系曲线；发明的详细描述本发明的实施方案提供了通过明智地选择吸附剂颗粒尺寸、吸附过程的进料时间和床层长度，来生产高纯产品的改进的变压吸附工艺的设计和操作方法。由于存在很多竞争的物理现象，随颗粒尺寸、进料时间和床层深度而变化的最佳PSA性能很复杂。另外，由于与吸附剂容器成本和容器高度和直径之间的关系相关的问题，最佳的性能可不必与最佳的成本一致。
PSA系统的资金成本的主要部分是吸附剂容器的大小。由于较大的容器需要更多的钢材和装填更多的吸附剂，因此采用较大的容器导致资金成本上升。通过缩短进料时间或整个循环时间可减小PSA系统中的容器尺寸。由于进料时间缩短，吸附剂容器要处理的气体减少，从而容器变得较小。但是为了在小型吸附剂床中处理相同数量的气体或生产相同数量的产品，通过床层的气速必然更高，床层的接触时间必然更短。
为了弥补较小的床层和较高的气速，需要相应缩短进料时间并采用传质性能高的吸附剂来以高回收率生产高纯产品。改进吸附剂传质性能的最简单的方法是减小吸附剂的颗粒尺寸，其典型的特性是平均颗粒直径。颗粒尺寸的减小降低了通过吸附剂的气体分子所需的扩散距离从而提高了传质效率。但是较小的颗粒尺寸会带来潜在的问题。较小的颗粒会导致通过床层的较高的压降，在床层的吹扫步骤阶段较高的压降特别不利，因为吹扫气体的解吸能力取决于吹扫气体的总体积而不是吹扫气体的总质量。吹扫应该在压力尽可能低的情况下进行以提高解吸效率，因此不希望在吹扫阶段出现高的压降。此外，随着颗粒尺寸减小，而且随着吹扫气速提高以缩短循环时间，床层压降将增加，并引起吸附剂颗粒产生所不希望的流化。
对PSA系统的循环时间(特别是进料阶段)、颗粒尺寸和床层深度的优化是一个复杂的和非显而易见的过程。如上所述，希望缩短循环以减小床层尺寸和降低PSA的资金成本，并且需要减小吸附剂颗粒以适应该缩短的循环和减小的容器。然而，由于较小的颗粒尺寸会导致较高的床层压降并可能造成颗粒流化，要求选择循环时间、颗粒尺寸和床层深度以得到最佳的性能，对于PSA系统的设计人员和操作人员来说是困难的挑战。该优化过程被进一步复杂化，因为最佳的PSA性能，特别是回收率与最小的PSA资金成本不一致。这种情况的发生是由于容器尺寸变小，需要较大的直径以降低气速从而避免吸附剂颗粒流化。与容器高度相比，容器直径对容器成本的影响更大，因而容器成本随着容器直径的增加而迅速提高。因此应当在具有最小容器成本的PSA系统中实现最佳的PSA操作性能(例如，产品回收率)。兼顾操作性能与容器成本之间的大致平衡是PSA系统的工程设计和操作人员面对的部分挑战。
在本公开中，术语“床层深度”是指沿气流方向测量的气体进入床层的点和气体离开床层的点之间的颗粒状吸附材料的床层的尺寸。术语“颗粒尺寸”、“平均颗粒直径”和“平均颗粒尺寸”的含义是相同的，并且被定义为由在重量基础上的粒径分布的算术平均值所确定的颗粒直径。在PSA工艺中，术语“进料步骤”和“吸附步骤”的含义是相同的，并且被定义为将原料气体引入吸附剂床同时从床层排出产品气体的步骤。该步骤发生在进料期间。
空床停留时间是指空床体积与用单位时间的空床体积表示的原料气流速之间的比值。空床体积被定义为空的吸附剂床的体积，即由装入容器的吸附剂占据的空容器的总体积。例如在圆柱形容器中，空床体积是由容器直径和吸附剂床层深度确定的圆柱体的体积。折合的床层深度(reduced bed depth)被定义为空床停留时间与进料时间无量纲的比值与床层深度的乘积。
这里所描述的本发明的实施方案提供了确定进料时间长度、吸附剂颗粒尺寸和床层深度的最佳组合的方法，以将来自PSA系统的产品气体的成本降至最低。现有的变压吸附气体分离技术没有提供这种方法。
下列的实施例对本发明的实施方案进行了举例说明，但本发明并不仅限于在此所述的任何具体细节。
实施例1操作多床PSA中试装置来确定用于从含氢气体混合物中分离回收高纯氢气产品的最佳系统性能。中试装置使用直径为一英寸(one-inch)的圆柱形吸附剂容器，该吸附剂容器具有不同的床层深度，而且使用两种不同粒径的吸附剂，其中进料时间为120秒并且总的循环时间为600秒。该中试装置在五个床的结构中并采用图1示出的循环进行操作，来测量由(体积百分比)73％的H2、15％的CO2、5.5％的CH4、5.5％的CO和1.0％的N2组成的原料气组合物来测定H2的PSA性能。进料速度在38至230标准立方英尺/每小时之间变化。进料压力为325psig和进料温度为70。每一吸附剂容器包括位于进料端的填充了总吸附剂体积60％的活性炭层(Calgon型PCB)和填充了总吸附剂体积40％的5A型沸石层。使用的两种吸附剂平均颗粒直径分别为1.0和1.6mm。
通过取消EQ3步骤并保留余下的步骤不变来对图1的PSA循环进行改良。每一吸附剂容器包括设置在每一吸附剂容器内部的颗粒状吸附材料床，其中选择用于吸附气体混合物中的一种或多种成分的吸附剂材料。让每一吸附剂床顺序执行如下循环工艺步骤(1)在进料段期间将作为原料气体的气体混合物引入第一吸附剂容器的入口，在吸附步骤中使气体混合物通过颗粒状吸附材料床并在此从气体混合物中吸附一种或多种成分，并从该吸附剂容器的出口排出产品气体；(2)通过从其出口排出第一减压气体使第一吸附剂容器减压，并将该第一减压气体引入正在加压的第二吸附剂容器的出口；(3)通过从其出口排出第二减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第二减压气体引入正在加压的第三吸附剂容器的出口；(4)通过从其出口排出第三减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第三减压气体引入正进行吹扫的第四吸附剂容器的出口；(5)通过从其入口排出废气使第一吸附剂容器进一步减压；(6)通过将第五吸附剂容器提供的第三减压气体引入其出口，对第一吸附剂容器进行吹扫，并从第一吸附剂容器的入口排出吹扫废气；通过将第五吸附剂容器提供的第三减压气体引入其出口，对第一吸附剂容器进行吹扫，并从第一吸附剂容器的入口排出吹扫废气；(7)通过将第二吸附剂容器提供的第二减压气体引入其出口，来对第一吸附剂容器加压；(8)通过将第三吸附剂容器提供的第一减压气体引入其出口，来对第一吸附剂容器进一步加压，并将原料气体引入第一吸附剂容器的入口；(9)通过从其入口引入原料气体，来对第一吸附剂容器进一步加压；(10)以循环的方式重复步骤(1)到(9)。
在现有技术中步骤(2)和(3)一般被描述为均压步骤，虽然在该步骤的最后，交换气体的两个吸附剂床中的气压实际上可能并不相等。减压步骤(6)可被描述为泄压步骤，并且废气一般是在高于或等于大气压力下排出的。在吹扫步骤中从吸附剂容器的入口排出的吹扫废气是在PSA循环中的最低压力下排出的，而且该压力可高于、等于或低于大气压。采用空载步骤是必要的以在多个吸附剂容器之间平衡掉循环步骤。
对于颗粒尺寸分别为1.0和1.6mm、进料时间为120秒，将氢气的回收率作为床层深度的函数进行测定，数据呈现图2中。对于1.6mm的颗粒，氢气的回收率在床层深度为10至20英尺之间时达到最大值，对于1.0mm的颗粒，氢气的回收率在床层深度为5至10英尺之间时达到最大值。很显然，吸附剂的颗粒尺寸对产生最大氢气回收率的床层深度的范围具有很强影响。
对于颗粒尺寸分别为1.0和1.6mm、进料时间分别为60和30秒，同样将氢气的回收率作为床层深度的函数进行测定，数据分别呈现在图3和4中。进料时间为60秒的结果与图2中进料时间为120秒的结果相似，即对于1.6mm的颗粒，最佳的床层深度为10至20英尺，以及对于1.0mm的颗粒，最佳的床层深度为5至10英尺。而进料时间为30秒时，1.6mm的颗粒产生的最佳床层深度为18至25英尺，以及1.0mm的颗粒产生的最佳床层深度为大约5英尺。
实施例2上述结果和图2、3和4给出的结果显示了H2回收率的最佳值随进料时间、吸附剂颗粒尺寸和床层深度的变化。这些是操作性能结果，并没有致力于实现这些最佳状态所需的PSA吸附剂容器和吸附剂的成本。如上所述，随着床层深度降低，容器直径必须增加以减小气流速度并使颗粒的流化最小化，这会导致容器的成本上升。
使用实施例1中的数据和PSA循环过程与估算的容器和吸附剂成本一起来计算商业化规模的氢气PSA系统的氢气回收率随床层深度的变化。图5给出了在恒定的吸附剂容器和吸附剂成本下，H2生产率为50,000,000标准立方英尺每天(MMSCFD)时，对于1.0和1.6mm的颗粒尺寸H2回收率随床层深度变化的曲线。对于1.0mm的颗粒，进料时间在50至110秒之间变化；对于1.6mm的颗粒，进料时间在90至140秒之间变化。从图5的结果可看出1.0mm的颗粒优于1.6mm的颗粒；对于1.6mm的颗粒，最佳的床层深度大于20英尺，而对于1.0mm的颗粒，最佳的床层深度范围在10至16英尺。这些结果与图2-4的结果形成对照，例如对于1.6mm的颗粒和90至140秒的进料时间，最佳的床层深度为约23英尺(图5)，而当不算入PSA的成本时，最佳的床层深度为15英尺(图2-4)。对于1mm的颗粒，算入成本时最佳的床层深度为约13英尺(图5)，而当不算入PSA的成本时最佳的床层深度为5至8英尺(图2-3)。
在H2生产率为5,000,000标准立方英尺每天(MMSCFD)的条件下重复上述计算，其结果在图6中示出。图6中的对应于颗粒尺寸分别为1.6和1.0mm的最佳床层深度范围与图5中示出的50MMSCFD的情况相似。再者，基于同样的PSA容器和吸附剂的成本的最佳床层深度范围与不考虑PSA容器和吸附剂成本时得到的最佳床层深度范围有显著的区别。
在H2生产率为500,000标准立方英尺每天(MMSCFD)的条件下重复上述计算，其结果在图7中示出。可看出小的颗粒尺寸还是优于大的颗粒尺寸，但是最佳的床层深度与图5和6相比发生移动。对于1.0mm的颗粒，最佳的床层深度现在小于5英尺，而对于1.6mm的颗粒，最佳的床层深度范围为16至20英尺。比较来看，图2-4中对于1.0mm的颗粒的最佳床层深度范围在5至8英尺，而对于1.6mm的颗粒大约在14英尺。
进一步分析上述实施例的数据表明，除上述的床层深度、吸附剂颗粒直径和进料时间等参数外，PSA系统的H2性能还是进料期间吸附剂容器内的气体停留时间的函数。气体停留时间在此根据空的吸附剂床的体积来定义，即装入容器时吸附剂所占据的空容器的总体积。例如在圆柱形容器中，这是由容器直径和吸附剂床深度确定的圆柱体的体积。空床停留时间是指空床体积与原料气流速之间的比值，该原料气流速用单位时间的空床体积来表示。
基于该更深一层的分析，确定了该PSA系统的性能可根据新参数来描述，该新参数被描述为折合的床层深度，其中该参数是指空床停留时间与进料时间的无量纲比值与床层深度的乘积。确定了最佳的PSA性能(例如，产品气体回收率)出现在等于或低于折合的床层深度的情况下。空床停留时间、床层深度、吸附剂颗粒直径和进料时间之间的这种最佳关系是新的，在现有技术中没有看到。
图2至4的试验装置数据示出了，对于所测试的两种颗粒尺寸的吸附剂(平均直径为1.0和1.6mm)，折合的床层深度与H2回收率的关系曲线。图8示出了进料时间为120秒，粒径为1.6和1.0mm的颗粒时，H2回收率与折合的床层深度的关系曲线。从中可以看出，1.6mm颗粒的最佳回收率出现在折合的床层深度为约4英尺时。对于平均直径在1.0mm的颗粒，最佳性能出现在折合的床层深度小于4英尺时。当进料时间分别为60、30和16秒时，图9、10和11示出了相似的曲线。在所有的例子中，1.6mm颗粒的最佳性能出现在折合的床层深度为约4英尺或更大时，而对于1.0mm的颗粒，最佳性能出现在折合的床层深度低于约4英尺时。
图8-10的结果表明，在折合的床层深度低于约4英尺时，1.6mm颗粒的性能急骤下降。相反地，在折合的床层深度低于约4英尺时，1.0mm颗粒的性能有利地提高并趋向于最大值。图8-10的氢气回收率与折合的床层深度之间的关系曲线从1.6mm颗粒的形状特征发生变化，通过一个最大值，变化到1.0mm颗粒的形状特征，而在1.0mm颗粒的曲线中，氢气回收率随折合的床层深度减小而单调增加，并在折合的床层深度低于约4英尺时氢气回收率达到或接近最大值。随着平均颗粒尺寸的减小，该曲线的形状将从1.6mm颗粒的特性变化，并开始接近于1.0mm颗粒的曲线的特征形状。据估计这发生在平均颗粒直径为约1.3mm时。当平均颗粒直径减小到低于1.0mm时，氢气回收率与折合的床层深度的关系曲线将变得更加陡峭，当折合的床层深度减小到低于4英尺时，氢气回收率将更加迅速地提高。因此由氢气回收率与折合的床层深度之间的关系确定的最有利的操作区域可通过低于约4英尺的折合的床层深度和小于约1.3mm的平均颗粒尺寸来实现。该最有利的操作区域也可描述为其中(a)以英尺表示的床层深度乘以空床停留时间与进料时间的无量纲比值为小于约4并且(b)平均颗粒尺寸小于约1.3mm。
图12中示出了对于1.0mm的颗粒，在进料时间分别为120、60、30和16秒时，氢气回收率的增量与折合的床层深度的关系曲线。图12中的所有数据是图8-11中1mm颗粒的数据汇编。对图12的分析表明，不管进料时间的数值为多少，所有的曲线都示出了在折合的床层深度低于约4时，H2回收率具有最大增量。令人惊喜的是，不管进料时间为多少，H2回收率的最大增量出现在基本上低于相同的折合的床层深度值时。
上述实施方案可应用于任何含氢的气体混合物，该气体混合物还含有一种或多种一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气、氧气、氩气、含有1至12个碳原子的烃、硫化氢、硫化羰和水。氢气产品气体通常是氢气含量至少为99vol％纯度的高纯氢气。
吸附剂容器内的吸附剂床可以是如上所述的圆柱形床。另外，吸附剂床还可作为径向床或水平床配置在吸附剂容器中，两者在吸附领域是已知的。
虽然上述描述和实施例对使用图1的PSA循环来回收氢气的本发明的实施方案进行了举例说明，但是这些实施方案还可应用于其它气体混合物和其它吸附循环。例如，并联的吸附剂容器数量和图1的循环的变化对所需的折合的床层深度的操作区域仅有很小的影响。因而所需的实施方式可应用于采用两个或多个并联吸附剂容器的PSA系统，并且PSA循环具有最高达四个均压步骤和最高达总共16个的吸附剂床，其中在任何时候都有最多四个床处于进料状态。
可供选择地，原料气体混合物还可以选自空气、沼气、天然气和富氦气体混合物。在这些实施方案中，产品气体含有的主要成分选自氧气、甲烷和氦气，而且该主要成分在产品气体中的浓度大于99.5vol％。
本发明的实施方式可采用任何颗粒状吸附材料，该颗粒状吸附材料包括一种或多种选自活性炭、化学改性的活性炭、活性氧化铝、化学改性的活性氧化铝、硅胶和沸石的吸附剂。与上述的实施例中一样，该颗粒状吸附材料床可包括不同的吸附剂层，例如活性炭层和具有或不具有粘接剂的CaA沸石层。多个吸附剂层的任何组合使用均可结合到本发明的实施方案中。
实施方案可采用在大约10到约120秒之间的进料时间，在大约3到约17英尺之间的床层深度，在大约10秒到约30秒之间的空床停留时间。原料气体的压力可以在大约15到800psig之间，产品气体的压力(由于吸附剂床中的压降该压力会低一些)可以在大约15psig到约800psig之间。
权利要求
1.一种用于分离气体混合物的方法，包括(a)提供具有多个吸附剂容器的变压吸附系统，每个容器均具有入口和出口；(b)提供设置于每个吸附剂容器内的颗粒状吸附材料的床，其中吸附材料对气体混合物中的一种或多种成分的吸附具有选择性，并且其中每个吸附材料的床的特征在于床层深度和小于约1.3mm的平均颗粒直径；和(c)启动进料步骤，该进料步骤包括将气体混合物引入吸附剂容器的入口，使气体混合物通过颗粒状吸附材料床，并在此从气体混合物中吸附一种或多种成分，和从吸附剂容器的出口排出产品气体；继续该进料步骤维持一段时间；和终止该进料步骤；其中以英尺表示的床层深度乘以空床停留时间与进料时间的无量纲比值小于约4。
2.如权利要求1所述的方法，其中气体混合物包括氢气和选自一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气、氧气、氩气、含有1至12个碳原子的烃、硫化氢、硫化羰和水的一种或多种成分。
3.如权利要求2所述的方法，其中产品气体是至少含99vol％氢气的高纯度氢气。
4.如权利要求1所述的方法，其中气体混合物选自空气、沼气、天然气和富氦气体混合物。
5.如权利要求4所述的方法，其中产品气体含有选自氧气、甲烷和氦气的主要成分，而且该主要成分在产品气体中的浓度超过约99.5vol％。
6.如权利要求1所述的方法，其中颗粒状吸附材料包括一种或多种选自活性炭、化学改性的活性炭、活性氧化铝、化学改性的活性氧化铝、硅胶和沸石的吸附剂。
7.如权利要求6所述的方法，其中颗粒状吸附材料的床包括活性炭层和具有或不具有粘接剂的CaA沸石层。
8.如权利要求1所述的方法，其中进料时间在大约10到约120秒之间。
9.如权利要求1所述的方法，其中床层深度在大约3英尺到约15英尺之间。
10.如权利要求1所述的方法，其中空床停留时间在大约10秒到约30秒之间。
11.如权利要求1所述的方法，其中变压吸附系统包括至少两个吸附剂容器。
12.如权利要求11所述的方法，其中变压吸附系统具有五个并联的吸附剂容器，并且让每个吸附剂容器依次进行下列循环工艺步骤，该循环工艺步骤包括(1)在进料期间将作为原料气体的气体混合物引入第一吸附剂容器的入口，使气体混合物通过颗粒状吸附材料的床，并在此从气体混合物中吸附一种或多种成分，并从吸附剂容器的出口排出产品气体；(2)通过从其出口排出第一减压气体使第一吸附剂容器减压，并将该第一减压气体引入正在加压的第二吸附剂容器的出口；(3)通过从其出口排出第二减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第二减压气体引入正在加压的第三吸附剂容器的出口；(4)通过从其出口排出第三减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第三减压气体引入正进行吹扫的第四吸附剂容器的出口；(5)通过从其出口排出第四减压气体使第一吸附剂容器进一步减压，并将该第四减压气体引入正在加压的第四吸附剂容器的出口；(6)通过从其入口排出废气使第一吸附剂容器进一步减压；(7)通过将第五吸附剂容器提供的第三减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进行吹扫，并从第一吸附剂容器的入口排出吹扫废气；(8)通过将第五吸附剂容器提供的第四减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进行加压；(9)通过将第二吸附剂容器提供的第二减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进行进一步加压；(10)通过将第三吸附剂容器提供的第一减压气体引入其出口来对第一吸附剂容器进行进一步加压，并从第一吸附剂容器的入口引入原料气体；(11)通过从其入口引入原料气体来对第一吸附剂容器进行进一步加压；以及(12)以循环的方式重复步骤(1)到(11)。
13.如权利要求12所述的方法，其中原料气体的压力在大约15到800psig之间。
全文摘要
一种用于分离气体混合物的方法，包括提供具有多个吸附剂容器的变压吸附系统，其中每个容器均具有入口、出口和设置在容器内的颗粒状吸附材料的床。吸附材料对气体混合物中的一种或多种成分的吸附具有选择性，并且每个吸附材料的床的特征在于床层深度和小于1.3mm的平均颗粒直径。在进料期间进行进料步骤，其中将气体混合物引入吸附剂容器，从气体混合物中选择吸附一种或多种组分，并且从吸附剂容器排出产品气体。以英尺表示的床层深度乘以空床停留时间与进料时间的无量纲比值小于约4。
文档编号B01D53/047GK1872390SQ20061007943
公开日2006年12月6日 申请日期2006年4月26日 优先权日2005年4月26日
发明者E·L·小维斯特, D·P·兹威林, T·C·戈尔登 申请人:气体产品与化学公司