一种变压吸附脱除氢气中氩的方法与流程

本发明属于提纯领域,具体涉及一种变压吸附脱除氢气中氩的方法。

背景技术：

常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即氢气在1标准大气压和0℃，氢气的密度为0.089g/l。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充)。氢气是相对分子质量最小的物质，主要用作还原剂。随着环保法规要求的日益严格以及氢气所具有的良好的燃烧性能，未来市场对氢气具有巨大的潜在需求。工业生产中对氢气的纯度要求较高，比如电子工业需要纯度大于99.999％，在某些情况下甚至要求更高。因此需要对含氢原料气进行分离提纯以满足不同的生产需求。然而，目前的工艺以膜分离法和低温吸附分离及低温精馏为主，其中膜分离法的压力损失较大，能耗大，难以工业化生产，低温吸附分离及低温精馏的方法需要大量冷量，能够极高。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种变压吸附脱除氢气中氩的方法，解决了现有工艺中的能耗大的问题，利用多个吸附塔分级降压与分级升压，将压力回收利用，不仅提升了变压吸附效率，而且保证纯度稳定。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种变压吸附脱除氢气中氩的方法，将原料氢气通入至吸附系统内，进行交替式吸附处理，实现产品气的连续排出，所述吸附系统采用多级均压法循环再生体系。

所述原料氢气采用含有氩的氢气，所述氩含量浓度从ppm级至百分比级。

所述吸附系统包括多个吸附塔，且多个所述吸附塔形成连续的吸附再生循环体系。

每个所述吸附塔内形成完整的吸附-再生循环，具体步骤如下：

步骤1，原料氢气从塔底加入至吸附塔内，通过吸附塔内的吸附床将氩气吸附，氢气作为产品气通过塔顶排出；当氩的传质前沿到达床层出口预留段时，关掉吸附塔的进料阀和出口阀，停止吸附，此时吸附塔进入再生过程中；

步骤2，将吸附塔的吸附床尾端气体通入至下一吸附塔内，形成均压降压过程，这一过程中，吸附塔顶端的已经吸附完成的高纯氢气回收至下一吸附塔内，确保氢气的充分回收；

步骤3，待吸附塔与下一吸附塔压力持平后断开，将吸附塔顶端连通至顺放气罐内，将吸附塔顶端经均压处理后的氢气收集至顺放气罐内，达到回收产品气的效果，同时在后续作为吸附剂再生气源；这一过程中，底层的氩气与氢气由下至上流动，不断上升直至吸附前沿达到吸附床的出口处；

步骤4，将吸附塔底部与解吸气缓冲罐连通，逆着吸附方向降压处理，直至吸附塔内压力将至常压，这一过程中，氩在压力作用下从吸附剂中大量解吸，进入至解吸气缓冲罐内；

步骤5，将顺放气罐内的气体逆着吸附方向通入吸附塔内，对吸附塔内的吸附床进行解吸处理，冲洗吸附床内的杂质，并将解吸气冲洗至解吸气缓冲罐内；

步骤6，冲洗完成后吸附塔与下一个待再生的吸附塔相连，形成均压升压处理，这一过程中，利用其它待再生吸附塔上层的高纯氢气进行升压处理，不仅能够提升吸附塔内的压力，同时回收其它吸附塔的死空间氢气，反复数次与不同的带再生吸附塔进行均压升压处理；

步骤7，将均压升压处理后的吸附塔被通入产品氢气，直至吸附塔的压力达到吸附压力；

经上述处理即可完成一次吸附-再生的循环。

经过多次的均压升压处理后，吸附塔的压力经由其他待再生的吸附塔的均压处理后大幅度提升，但是离吸附压力存在一定距离，利用产品气体直接提升吸附塔压力，直至达到吸附塔压力达到吸附压力。

所述吸附系统的多级均压法，包括多个吸附塔，且每个吸附塔交替进行吸附-再生循环，实现气体的连续分离与提纯。

所述交替式吸附处理采用高选择性吸附剂，该吸附剂的氩气吸附量远高于氢气，分离系数达到10以上，所述吸附剂采用分子筛，且分子筛内含有大量直径为几埃的微孔。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.本发明解决了现有工艺中的能耗大的问题，利用多个吸附塔分级降压与分级升压，将压力回收利用，不仅提升了变压吸附效率，而且保证纯度稳定。

2.本发明利用吸附塔的循环使用，将残留的高纯氢气充分利用，大大提升了氢气的回收率，也减少了压力损失。

3.本发明提供的方法能够根据产品的需求设置不同数量的吸附塔组合，形成产品气的连续排出，且利用吸附再生体系实现了吸附塔的连续循环使用。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

结合图1，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

实施例1

一种变压吸附脱除氢气中氩的方法，将原料氢气通入至吸附系统内，进行交替式吸附处理，实现产品气的连续排出，所述吸附系统采用三级均压法循环再生体系。

所述原料氢气采用含有氩的氢气，所述氩含量浓度从ppm级至百分比级。

所述吸附系统包括五个吸附塔，且五个所述吸附塔形成连续的吸附再生循环体系。

每个所述吸附塔内形成完整的吸附-再生循环，具体步骤如下：

步骤1，原料氢气从塔底加入至吸附塔内，通过吸附塔内的吸附床将氩气吸附，氢气作为产品气通过塔顶排出；当氩的传质前沿到达床层出口预留段时，关掉吸附塔的进料阀和出口阀，停止吸附，此时吸附塔进入再生过程中；

步骤2，将吸附塔的吸附床尾端气体通入至下一吸附塔内，形成均压降压过程，这一过程中，吸附塔顶端的已经吸附完成的高纯氢气回收至下一吸附塔内，确保氢气的充分回收；

步骤3，待吸附塔与下一吸附塔压力持平后断开，将吸附塔顶端连通至顺放气罐内，将吸附塔顶端经均压处理后的氢气收集至顺放气罐内，达到回收产品气的效果，同时在后续作为吸附剂再生气源；这一过程中，底层的氩气与氢气由下至上流动，不断上升直至吸附前沿达到吸附床的出口处；

步骤4，将吸附塔底部与解吸气缓冲罐连通，逆着吸附方向降压处理，直至吸附塔内压力将至常压，这一过程中，氩在压力作用下从吸附剂中大量解吸，进入至解吸气缓冲罐内；

步骤5，将顺放气罐内的气体逆着吸附方向通入吸附塔内，对吸附塔内的吸附床进行解吸处理，冲洗吸附床内的杂质，并将解吸气冲洗至解吸气缓冲罐内；

步骤6，冲洗完成后吸附塔与下一个待再生的吸附塔相连，形成均压升压处理，这一过程中，利用其它待再生吸附塔上层的高纯氢气进行升压处理，不仅能够提升吸附塔内的压力，同时回收其它吸附塔的死空间氢气，反复数次与不同的带再生吸附塔进行均压升压处理；

步骤7，将均压升压处理后的吸附塔被通入产品氢气，直至吸附塔的压力达到吸附压力；

经上述处理即可完成一次吸附-再生的循环。

经过多次的均压升压处理后，吸附塔的压力经由其他待再生的吸附塔的均压处理后大幅度提升，但是离吸附压力存在一定距离，利用产品气体直接提升吸附塔压力，直至达到吸附塔压力达到吸附压力。

如图1所示，所述吸附系统的三级均压法，包括五个吸附塔，具体步骤如下：

步骤1，原料氢气通过原料气缓冲罐通入至第一吸附塔内，经由第一吸附塔内的吸附床吸附，高纯氢气作为产品氢气，通过第一吸附塔顶端直接排出，氢气中的氩通过吸附床上的吸附剂直接吸附；

当氩气的吸附前沿达到吸附床一定高度后，关闭第一吸附塔的进气阀和排气阀，停止原料氢气输入和产品氢气输出；此时，吸附在氩气距离吸附床出口还存在一定距离；

步骤2，原料氢气通入至第二吸附塔内进行步骤1的吸附处理，同时将第一吸附塔的出口端与经过第二级升压均衡处理的第三吸附塔的出口端打开，进行第一级均压处理，均压过程中，氩气的吸附前沿不断朝向吸附床出口移动，同时吸附床上方的氢气转移至第三吸附塔内，当第一吸附塔和第三吸附塔压力持平后，断开出口端的连接，此时的氩气吸附前沿还未达到吸附床出口；

步骤3，将第一吸附塔的出口端与经过第三级升压均衡处理第四吸附塔的出口端相接通，进行第二级均压处理，直至第一吸附塔和第四吸附塔压力均衡，断开出口端内的连接，均压过程中，第一吸附塔的氩气吸附前沿向着吸附床的出口移动，直至压力均衡时，氩气吸附前沿与出口的距离缩短，但是并未达到出口；

步骤4，将第一吸附塔的出口端与刚冲洗完成的第五吸附塔的出口端相接通，进行第三级均压处理，直至第一吸附塔和第五吸附塔压力均衡，断开出口端内的连接，均压过程中，第一吸附塔的氩气吸附前沿向着吸附床的出口移动，进一步靠近出口；

步骤5，第一吸附塔出口端与顺放罐连通，将第一吸附塔的气体通入至顺放罐内，直至达到一定压力；断开顺放罐与第一吸附塔出口端的连接；

步骤6，第一吸附塔的进料口与解吸气缓冲罐内，逆向降压，将吸附床的大部分杂质解吸，并将解吸气体排入解吸气缓冲罐内；

步骤7，将第一吸附塔与顺放罐相连通，顺放罐内的氢气对吸附床进行冲洗，进一步降低杂质分压，确保吸附剂充分再生；当顺放罐内压力达到一定值后关闭连通结构，结束冲洗；

步骤8，经冲洗后第一吸附塔出口端与刚结束第二级均压处理的第二吸附塔出口端相通，进行第三级升压处理，当第一吸附塔和第二吸附塔压力均衡后，关闭出口段连通；

步骤9，将第一吸附塔的出口端与刚结束第一级压力均压处理的第三吸附塔出口端相通，进行第二级升压处理，当第一吸附塔和第三吸附塔压力均衡后，关闭出口段连通；

步骤10，将第一吸附塔的出口端与刚结束吸附的第四吸附塔出口端相通，进行第一级升压处理，当第一吸附塔和第四吸附塔压力均衡后，关闭出口段连通；

步骤11，将第一吸附塔连通产品氢气，产品氢气将第一吸附塔内的压力提升至吸附压力；

至此，第一吸附塔完成吸附-再生的过程中，并用于后续的吸附工艺中。

五个所述吸附塔在吸附-再生过程中交错使用，能够保证排出的样品气纯度在循环中不受波动。

上述方法通过变压吸附装置实现，该装置主要由1台原料气缓冲罐v01、5台吸附塔v02a-e、1台产品气缓冲罐v03、1台顺放罐v04、1台解吸气缓冲罐v05和一系列程序控制阀组成。

以第一吸附塔v02a为例说明在一次循环周期内各工艺步骤及其工艺过程。(所有程序控制阀的开关动作均由微机控制完成)

吸附：

开启程控阀kv01a和kv02a(关闭与第一吸附塔v02a相连的其它程控阀门，下同)。

原料氢气从kv01a进入第一吸附塔v02a，ar被吸附，h2通过kv02a出塔，当ar的吸附前沿移动到吸附塔一定位置时，关闭kv01a和kv02a，停止原料气输入和产品输出。此时第一吸附塔v02a中吸附前沿至出口端之间还留有一段未吸附杂质的吸附剂。

第一级压力均衡降：

开启程控阀kv05a和kv05c。

第一吸附塔v02a吸附步骤停止后，与第三吸附塔v02c以出口端相连进行第一级压力均衡，均压过程中第一吸附塔v02a的吸附前沿朝出口端方向推进，但仍未达到其出口端。当两台吸附塔压力基本相等时，关闭阀kv05a，第一次压力均衡降步骤结束。

第二级压力均衡降：

开启程控阀kv04a、kv04d。

第一吸附塔v02a第一次压力均衡降步骤停止后，与刚结束第二级压力均衡升步骤的第四吸附塔v02d以出口端相连进行第二级压力均衡，均压过程中第一吸附塔v02a的吸附前沿继续朝出口端方向推进，但仍未达到其出口端。当两台吸附塔压力基本相等时，关闭阀kv04d，第二级压力均衡降步骤结束。

第三级压力均衡降：

开启程控阀kv04e，继续开启阀kv04a。

第一吸附塔v02a第二级压力均衡降步骤停止后，与刚结束冲洗步骤的第五吸附塔v02e以出口端相连进行第三级压力均衡，均压步骤结束后第一吸附塔v02a的吸附前沿进一步接近其出口端。当两台吸附塔压力基本相等时，关闭阀kv04a，第三级压力均衡降步骤结束。

顺向降压：

开启程控阀kv06a、kv07。

第一吸附塔v02a第三级压力均衡降步骤停止后，第一吸附塔v02a中的顺放气通过阀kv06a、kv07顺向放压到顺放罐v04，当第一吸附塔v02a压力降到设定值时，关闭阀kv06a、kv07，顺放步骤结束。

逆向放压：

开启阀kv03a。

第一吸附塔v02a顺放结束后，沿吸附的反方向进行降压，吸附剂中的大部分杂质得到解吸，当塔的压力降到设定值时，逆放结束。

冲洗：

开启阀kv08和调节阀hv03，kv06a、kv03a继续开启。

利用顺放罐v03的顺放气对第一吸附塔v02a进行冲洗，进一步降低第一吸附塔v02a中的杂质分压，使吸附剂得到充分再生。当顺放罐v04的压力降至规定值时，关闭阀kv08、kv03a、kv06a和调节阀hv03，冲洗步骤结束。

第三级压力均衡升：

开启阀kv04a，继续开启阀kv04b。

第一吸附塔v02a与刚结束第二级压力均衡降步骤的第二吸附塔v02b以出口端相连进行第三级压力均衡，均压过程中第一吸附塔v02a的压力升高，当这两台吸附塔压力基本相等时，关闭阀kv04b，第三级压力均衡升步骤结束。

第二级压力均衡升：

开启阀kv04c，继续开启阀kv04a。

第一吸附塔v02a与刚结束第一次压力均衡降步骤的第三吸附塔v02c以出口端相连进行第二级压力均衡，均压过程中第一吸附塔v02a的压力升高，当这两台吸附塔压力基本相等时，关闭阀kv04a，第二级压力均衡升步骤结束。

第一级压力均衡升：

开启阀kv05a和kv05d。

第一吸附塔v02a与刚结束吸附步骤的第四吸附塔v02d以出口端相连进行第一级压力均衡，均压过程中第一吸附塔v02a的压力升高，当这两台吸附塔压力基本相等时，关闭阀kv05d，第一级压力均衡升步骤结束(继续开启阀kv05a，用于第一吸附塔v02a下一步的最终升压步骤)。

最终升压：

开启终充调节阀hv04，程控阀kv10、继续开启程控阀kv05a。

经三次均压升步骤后，第一吸附塔v02a最终用产品气通过调节阀hv04限流充压使其逐步达到吸附压力。当压力接近吸附压力后，关闭阀kv05a、hv04，终充步骤结束。

至此，第一吸附塔v02a的吸附、再生过程全部结束，紧接着进行下一次循环。

所述交替式吸附处理采用高选择性吸附剂，该吸附剂的氩气吸附量远高于氢气，分离系数达到12，所述吸附剂采用分子筛，且分子筛内含有大量直径为几埃的微孔。

实施例2

一种变压吸附脱除氢气中氩的方法，将原料氢气通入至吸附系统内，进行交替式吸附处理，实现产品气的连续排出，所述吸附系统采用二级均压法循环再生体系。

所述吸附系统的二级均压法，包括四个吸附塔，具体步骤如下：

步骤1，原料氢气通过原料气缓冲罐通入至第一吸附塔内，经由第一吸附塔内的吸附床吸附，高纯氢气作为产品氢气，通过第一吸附塔顶端直接排出，氢气中的氩通过吸附床上的吸附剂直接吸附；

当氩气的吸附前沿达到吸附床一定高度后，关闭第一吸附塔的进气阀和排气阀，停止原料氢气输入和产品氢气输出；此时，吸附在氩气距离吸附床出口还存在一定距离；

步骤2，原料氢气通入至第二吸附塔内进行步骤1的吸附处理，同时将第一吸附塔的出口端与经过第二级升压均衡处理的第三吸附塔的出口端打开，进行第一级均压处理，均压过程中，氩气的吸附前沿不断朝向吸附床出口移动，同时吸附床上方的氢气转移至第三吸附塔内，当第一吸附塔和第三吸附塔压力持平后，断开出口端的连接，此时的氩气吸附前沿还未达到吸附床出口；

步骤3，将第一吸附塔的出口端与经过第三级升压均衡处理第四吸附塔的出口端相接通，进行第二级均压处理，直至第一吸附塔和第四吸附塔压力均衡，断开出口端内的连接，均压过程中，第一吸附塔的氩气吸附前沿向着吸附床的出口移动，并靠近出口；

步骤4，第一吸附塔出口端与顺放罐连通，将第一吸附塔的气体通入至顺放罐内，直至达到一定压力；断开顺放罐与第一吸附塔出口端的连接；

步骤5，第一吸附塔的进料口与解吸气缓冲罐内，逆向降压，将吸附床的大部分杂质解吸，并将解吸气体排入解吸气缓冲罐内；

步骤6，将第一吸附塔与顺放罐相连通，顺放罐内的氢气对吸附床进行冲洗，进一步降低杂质分压，确保吸附剂充分再生；当顺放罐内压力达到一定值后关闭连通结构，结束冲洗；

步骤7，经冲洗后第一吸附塔出口端与刚结束第一级均压处理的第二吸附塔出口端相通，进行第二级升压处理，当第一吸附塔和第二吸附塔压力均衡后，关闭出口段连通；

步骤8，将第一吸附塔的出口端与刚结束吸附的第三吸附塔出口端相通，进行第一级升压处理，当第一吸附塔和第三吸附塔压力均衡后，关闭出口段连通；

步骤9，将第一吸附塔连通产品氢气，产品氢气将第一吸附塔内的压力提升至吸附压力；

至此，第一吸附塔完成吸附-再生的过程中，并用于后续的吸附工艺中。

四个所述吸附塔在吸附-再生过程中交错使用，能够保证排出的样品气纯度在循环中不受波动。

所述交替式吸附处理采用高选择性吸附剂，该吸附剂的氩气吸附量远高于氢气，分离系数达到15，所述吸附剂采用分子筛，且分子筛内含有大量直径为几埃的微孔。

实施例1-2按照上述方法进行变压吸附处理,具体数据如下：

综上所述，本发明具有以下优点：

1.本发明解决了现有工艺中的能耗大的问题，利用多个吸附塔分级降压与分级升压，将压力回收利用，不仅提升了变压吸附效率，而且保证纯度稳定。

2.本发明利用吸附塔的循环使用，将残留的高纯氢气充分利用，大大提升了氢气的回收率，也减少了压力损失。

3.本发明提供的方法能够根据产品的需求设置不同数量的吸附塔组合，形成产品气的连续排出，且利用吸附再生体系实现了吸附塔的连续循环使用。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。