专利名称：变压吸附气体分离方法
技术领域：
本发明涉及变压吸附气体分离方法，即一种改进的变压吸附气体分离或纯化方法。混合气体的组分分离和纯化的变压吸附法，是根据吸附剂对气体混合物中各气体组分具有不同的吸附选择性和在较高压力下吸附容量大、在较低压力下吸附容量小的特性，由吸附塔吸附与解吸交替运行，从而是一种使气体分离和纯化循环进行的方法。吸附在较高压力下进行；解吸在较低压力或使用不易吸附组分冲洗或真空下进行，或者在二者甚至三者均需要的条件下进行解吸，有时还需要伴以加热。本说明书仅采用通常所说的冲洗变压吸附或真空变压吸附的方法来说明本发明。
现有技术对于小型变压吸附(PSA)制氮气或氧气的装置，通常采用两个吸附塔为一组交替吸附来取得产品。在这类装置中，当其中一个吸附塔处于吸附状态时，另一个吸附塔则处于再吸附准备过程。再吸附准备过程包括降压、冲洗、升压步骤。降压过程中，吸附剂中吸附的气体解吸，吸附剂恢复吸附能力。冲洗过程、抽空过程或抽空冲洗过程(以下称再生过程)，是为了使吸附剂更进一步得到解吸，并使吸附剂中易吸附的气体组分降低到某一浓度，以利于下一个吸附循环时，易吸附气体组分不会很快逸出吸附塔，由此使气体组分分离度提高。由于原料空气易得，上述两个吸附塔的再生过程中，一般不会对吸附塔吸附的有用气体以及死空间的有用气体作回收。两塔工作状态与时间的关系见表1。
表1二塔一进工艺此表及后面的表中符号意义如下A 吸附adsorptionL 降压、均压(或P)结束后逆向或顺向降压(pressure dischargefollow or against raw flow)1-NL第一次均压降至第n次均压降1-N(equalization de-pressure)NR～1R第n次均压升至第一次均压升N-1(equalization re-pressure)P冲洗解吸时表示冲洗气流出，抽空解吸时表示RR(product flow towashing step or keeping step)PP抽空解吸或冲洗解吸或冲洗置换(washing or vacuum)PP1-PPn冲洗解吸或冲洗置换或第一系统至第n系统抽空解吸(washing or1-system-n-system vacuum)FR用非吸附相气或原料气或可与吸附相气混合之气最终升压(finally re-pressure)RR隔离时间段(吸附塔保持前一状态)由于不回收降压过程流出的有用气体，对于原料气不易获得，或附加值高的原料气，上述流程不宜使用。为了回收降压过程流出的有用气体，通常采用两个以上的吸附塔一起工作，在吸附塔降压解吸过程中，设有吸附塔与吸附塔之间的一次或多次均压步骤，使降压解吸过程流出的有用气体流入正处于升压阶段的吸附塔以节约原料和能量。以非吸附相作为产品时，还用降压过程流出的非吸附相气体直接冲洗需要再生的吸附塔，可以提高吸附剂吸附能力。常见的多塔变压吸附流程，举例如表2-表9所示
表2三塔一进一均工艺<
表3四塔一进二均工艺
表4五塔一进三均工艺
表5六塔二进三均工艺
表6七塔二进三均工艺
表7八塔二进三均工艺
表8九塔三进四均工艺
表9十塔四进四均工艺综观上述流程不难发现，吸附系统的吸附塔数越多，可以实现的均压次数越多，就能越多地回收吸附塔均压降阶段流出的有用气体和能量。
但表2-9所列变压吸附流程由于均压是在吸附塔之间直接进行，各塔的动作时间互相制约。对于任一流程而言，要保证吸附剂再生时间，又增加均压次数，则不能增加同时进气的吸附塔数；或既增加均压次数，又增加同时进气吸附塔塔数，就难以保证吸附塔再生过程的时间，结果限制了吸附剂的利用率。
Doshi在美国专利US 4,340,398中公开了一种采用三个或多个吸附塔的变压吸附法，其中降压流出气不是从吸附塔出口端直接输送到另外的吸附塔，而是先输送到空罐，然后再将空罐中的气体输送到另外的吸附塔用于升压。但在流程中未安排多塔同时吸附，吸附剂利用率仍不高。
中国专利申请公开CN 1156637A公开了一种采用一个或一个以上的带折流板的外部气体贮槽，用于贮存在吸附塔降压过程中流出的气体，使不会出现返混现象，再用该气体经吸附塔出口端对吸附塔进行吹扫、均压和升压。这样流进塔的产品气纯度逐步增高，有利于提高产品的纯度和收率。但也没有安排使更多吸附塔同时处于吸附状态，由此吸附剂利用效率提高的幅度有限。
中国专利申请公开CN 1175474A公告了一种N塔(N为5以上含5)的真空变压吸附工艺，其特点是采用N-2个吸附塔同时进行吸附，如此增加了吸附剂的吸附时间比。但是，由于其限制了解吸时间比，吸附剂的再生效果不好，因而吸附剂的实际利用效率并没有得到有效的提高。此外，该工艺仅有一次均压，对高压力吸附工艺的吸附塔流出气不能进行有效的直接回收，因此气体回收率受到限制。另外，由于真空泵不能直接对塔连续抽空，因而抽空效率不高。
中国专利申请公开CN 1160598A公开了《六塔真空变压吸附气体分离工艺》的方法，吸附塔数量只限于6，并且只能是真空变压吸附，同时处于吸附状态的塔数为2(即塔数的1/3)，吸附剂利用率不够高。
本发明的目的本发明旨在解决已有技术存在的吸附剂利用效率低、系统设备投资高、有效气体回收率不够高和运行成本高的问题。
本发明提出了更好的分离方法，依照此种方法，可以完全依据吸附剂特性，确定吸附塔数量为2～24的任意数目，同时处于吸附状态的吸附塔数量可以为塔数的1/3～2/3，能更好地满足各种吸附工艺的要求。
本发明的变压吸附气体分离方法是(1).设有N个吸附塔，N大于等于2，其中有些吸附塔能同时处于吸附状态，使吸附塔同时处于吸附状态尽可能的多，以提高吸附剂的利用率；(2).设有M个空罐，M大于等于2，用于在吸附塔降压过程中与吸附塔均压，这种间接均压最多能进行M次，避面或减少吸附塔间的直接均压，同时，回收吸附塔流出的气体，并由这些空罐供气给吸附塔最终充压前升压或冲洗，使吸附塔在工作时间上的相互制约减少，从而能合理安排流程，并能使均压次数增多，使同时处于吸附状态的吸附塔数目增加，最高可达总塔数的2/3，脱附时间增长，并能按排吸附、冲洗、置换、抽真空、脱附或升压步骤连续进行；(3).优选的N为2-24；(4).最好的同时处于吸附状态的塔数为N/3-2N/3；(5).优选的M为2-18；(6).在冲洗、置换操作时，设置成1-12小系统，使气体组份不同的冲洗、置换气体能分阶段对吸附塔工作；(7).在系统抽空解吸操作时，分1-12个相对独立的小系统，使其中各个抽空系统能连续对吸附塔抽空；(8).抽空操作分1-12个小步骤，处于各小步骤时，吸附塔与不同的抽空系统相连，这样能使各抽空系统连续、直接对吸附塔抽空，并在不同的抽空系统出口获得不同组份的气体；(9).吸附塔升压过程中，部分或全部空罐中的气体可从吸附塔的出口或其入口流入吸附塔；(10).整个工艺流程中的全部装置能连续恒流量地最终升压，省去因最终升压不连续而设计的原料气或吸附流出气缓冲罐。
本发明所述的变压吸附包括冲洗变压吸附、真空变压吸附、变温变压吸附、真空变温变压吸附。
本发明使用空罐贮存吸附塔降压流出气。空罐数量、体积尺寸，主要取决于吸附压力、放空初压、吸附塔体积、被吸附组份解吸性能以及产品气体浓度要求。吸附塔数量的确定，按照吸附剂的性能以及气体处理要求来定。
对于变温变压吸附，是在吸附塔降压步骤后，升压步骤前，增加或同时执行升温。降温步骤是在升温结束以后进行。
对于真空变温变压吸附，是在吸附塔降压步骤后，升压步骤前，增加或同时执行升温。降温步骤是在真空步骤后增加或同时执行。
本发明的变压吸附气体分离方法，具有如下的突出优点和效果1.本发明是对中国专利申请公开CN1160598A的改进，是一种既能够使装置有足够的均压次数，又能使同时处于吸附状态塔数足够多，还能使吸附剂再生时间充足的设计方法，采用本设计方法，可使吸附剂实际使用效率较现有技术提高很多。
2.本发明在变压吸附工艺流程中，设计了能使吸附塔总数中的三分之一至三分之二的吸附塔同时处于吸附状态，使吸附剂利用率提高，使被吸附气体组份在相同时间内的被吸附气体量增多。已有技术由于过多兼顾吸附塔与吸附塔之间的相互均压与直接协调，不可能也未想到，采用本发明的设计方法来实际提高在相同时间、相同吸附剂量的条件下的吸附气体量。同时，如中国专利申请公开CN1175474，虽然采用N-2个吸附塔同时处于吸附状态，却没有也不可能给吸附剂的解吸留下充足的时间，而且该变压吸附工艺因没有采用本发明的设计方法，因此，在吸附压力较高时，无法有效地回收吸附塔降压过程流出的有用气体。
3.本发明的分离方法中，设计了1个或多个空罐回收吸附塔降压过程流出的气体，分阶段地回收不同组份的流出气，并将空罐气体用于吸附塔升压或冲洗，由此协调吸附塔之间的配合。设计多个空罐似乎会使设备总投资增加，但事实恰恰相反，这样设计会使吸附塔流出气中的有用气体回收更多，能量回收也更多，并可减小吸附设备的尺寸、节省其它大型缓冲罐以及价格昂贵的吸附剂，从而使整个变压吸附装置的总投资降低。
4.本发明的分离方法中在吸附塔降压时，首先与空罐均压后，最多保留一次吸附塔与吸附塔之间的直接均压，这样有利于使最终升压气体量在任何时间保持稳定。
5.本发明的分离方法中设计了1-12个冲洗、置换系统，目的在于，吸附塔可以使用多种组份气体分阶段冲洗、置换，有利于达成连续冲洗、置换，并节省用气量。
6.本发明的分离方法中设计了1-12个抽空系统，目的在于，吸附塔需要真空抽吸时，可以使真空系统直接、连续对塔抽空，不需要设置真空蓄能器。
7.本发明的分离方法中设计了每个吸附塔抽空步骤分作1-12个小步骤，吸附塔与不同的抽空系统相连，这样可以使各抽空系统连续对塔抽空，并可在不同的抽空系统出口获取不同组分的气体。
8.本发明的分离方法中设计了将均压流出气含较多易吸附组份的空罐气体从吸附塔进口端均压入的方法，有利于克服均压次数太多，造成的吸附前沿较早突破的弊端，从而保证不会由于增加均压次数而使气体分离纯化效果差。另外，与吸附流出气组份相近或相同的空罐气体则仍由吸附塔出口端均压入，这有利于吸附前沿的回推。
9.本发明的分离方法中设计了连续最终充压过程的目的，是使原料气或吸附流出气，作为充压气体时，流量不产生波动，由此可省去相应的缓冲罐。
10.采用本发明，对于必需采用多塔变压吸附工艺的大型气体分离，由于吸附剂利用率的提高，可大大降低吸附剂的用量，吸附设备相应减小，虽然使用多个空罐，也不会使占地面积增加。
11.本发明采用了M个用作间接均压的空罐，可以将每一个步序的时间，按照吸附剂的特性需要加长或缩短，而不用强迫其他步序时间相应增长或缩短，整个系统时序编排变得容易而且合理。均压次数的确定，不再受到吸附塔数量的限制，而是设计人按照吸附剂的吸附与解吸特性来确定，这样一来，可以通过最大限度的设计均压次数，以提高有用气体收率。同时，吸附剂再生时间与吸附时间之比也可大大提高，有利于吸附剂每次吸附容量的提高。再则，可以将吸附剂同时处于吸附状态的比例尽可能提高，更进一步加强了单位时间、单位体积吸附剂的气体处理能力。由此，对于相同的气体处理量，相同的气体回收率，系统投资将大大减少。同理，相同的投资，可以处理更多的气体，而且，气体回收率也将得到提高。
原有表2～表9的技术，吸附塔之间的直接均压必须相互对应，由此导致某些步序的时间长度不能完全按照吸附剂本身的特性来确定，而必须受到其他步序时间的制约；均压次数必须按照吸附塔个数和同时进原料气吸附塔个数来确定，而不能完全按照吸附剂的吸附与解吸特性来确定。
12.依照本发明的分离方法，对于五塔以上的系统，依照本发明的分离方法，编排时序表时，很容易得到连续终充、连续冲洗、连续抽空的效果；也可以很容易地将冲洗、真空再生分为单系统、双系统、多系统等。但在实际设计时是否使用这些特点，应该按照吸附剂的特性来确定。
13.依照本发明的分离方法，能够容易地使系统可以共用的程控阀门更多。
14.依照本发明的分离方法，可以容易地使吸附塔均压降流出气体从吸附塔入口端均压流入，而并不更多地需要程控阀门。这对于低压阶段均压流出气体中含有较高吸附相气体浓度的工艺来说，气体分离效果将更好，有用气体回收率将更高。
由上所述，采用本发明的分离方法来确定工艺流程，可以使单位时间、单位体积的吸附剂，气体处理能力较以往的技术提高很多。因此，我们可以减少吸附剂的使用量，相应减少吸附塔重量。如果采用连续终充，对于从非吸附相得到产品的工艺流程，还可以取消非吸附相产品缓冲罐，而且非吸附相产品气体流量可以比已有技术更稳定。
为了更清楚地说明本发明，列举如下的实例，但其对本发明并无任何限制。
实施例1本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表10所示。吸附塔数2，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数是N(2～18)，冲洗与最终升压不连续。
实施例2本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表11所示。吸附塔数3，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数是N(2～18)，塔对塔冲洗与最终升压不连续。
实施例3本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表12所示。吸附塔数3，同时处于吸附状态的塔数是1，均压次数是N(2～18)+1(一次直接均压)，塔对塔冲洗与最终升压不连续。
实施例4本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表13所示。吸附塔数3，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数是N(2～18)，冲洗与最终升压不连续。
实施例5本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表14所示。吸附塔数4，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数是N(2～18)，塔对塔冲洗不连续，最终升压不连续。
实施例6本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表15所示。吸附塔数4，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数是N(2～18)，冲洗连续，最终升压不连续。
实施例7本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表16所示。吸附塔数5，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数是N(2～18)+1，塔对塔冲洗连续，最终升压不连续。
实施例8本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表17所示。吸附塔数5，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数是N(2～18)，冲洗连续，最终升压连续。
实施例9本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表18所示。吸附塔数6，同时处于吸附状态的塔数是2，均压次数是N(2～18)+1，塔对塔冲洗不连续，最终升压连续。
实施例10本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表19所示。吸附塔数6，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数是N(2～18)，双系统连续冲洗，最终升压不连续。
实施例11本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表20所示。吸附塔数6，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数是N(2～18)+1，塔对塔不连续冲洗，最终升压不连续。
实施例12本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表21所示。吸附塔数6，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数是N(2～18)，连续冲洗，最终升压连续。
实施例13本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表22所示。吸附塔数7，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数是N(2～18)，连续冲洗，最终升压连续。
实施例14本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表23所示。吸附塔数7，同时处于吸附状态的塔数是4，均压次数是N(2～18)，连续冲洗，最终升压连续。
实施例15本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表24所示。吸附塔数8，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数是N(2～18)+1，连续冲洗，最终升压连续。
实施例16本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表25所示。吸附塔数8，同时处于吸附状态的塔数是4，均压次数是N(2～18)，连续冲洗，最终升压连续。
实施例17本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表26所示。吸附塔数8，同时处于吸附状态的塔数是5，均压次数是N(2～18)，不连续冲洗，最终升压不连续。
实施例18本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表27所示。吸附塔数9，同时处于吸附状态的塔数是4，均压次数是N(2～18)，连续冲洗，最终升压连续。
实施例19本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表28所示。吸附塔数9，同时处于吸附状态的塔数是5，均压次数是N(2～18)，连续冲洗，最终升压连续。
实施例20本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表29所示。吸附塔数8，同时处于吸附状态的塔数是4，均压次数是N(2～18)，双系统连续抽空，最终升压连续。
实施例21本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表30所示。吸附塔数6，同时处于吸附状态的塔数是3，均压次数是N(2～18)，连续抽真空。
实施例22本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表31所示。吸附塔数16，同时处于吸附状态的塔数是10，均压次数是7，连续冲洗，最终升压连续。
实施例23本发明的一种变压吸附气体分离纯化方法，其流程如表32所示。吸附塔数23，同时处于吸附状态的塔数是13，均压次数是7，连续冲洗，最终升压连续。
实施例24本发明与已有技术比较例的投资、消耗、气体收率，如表33所示。
表10二塔一进N均工艺
表11三塔一进N均工艺
表12三塔一进N+1均工艺
表16五塔二进N+1均工艺一
表17五塔二进N均工艺二
表18六塔二进N+1均工艺
表19六塔三进N均工艺一
表20六塔三进N+1均工艺二
表21六塔三进N均工艺二
表22七塔三进N均工艺
表23七塔四进N均工艺
表24八塔三进N均工艺**将NL与NR之间增加N+1L/R交盖可得N+1均
表25八塔四进N均工艺*
表27九塔四进N均工艺
表28九塔五进N均工艺
表29八塔四进N均真空工艺
表30六塔三进N均真空工艺**本表中P表示用产品气体冲洗，PP表示真空抽吸吸附塔。
表31十六塔十进7均冲洗工艺
表32二十三塔十三进7均冲洗工艺
表33处理气量7000NM3/H压力0.8Mpa变换气脱碳装置投资、消耗对照
权利要求
1.一种变压吸附气体分离方法，其特征在于，所述的变压吸附包括冲洗变压吸附、真空变压吸附、变温变压吸附、真空变温变压吸附；所述的分离方法是设有N个吸附塔，N大于等于2，同时设有M个空罐，M大于等于2，空罐用于在吸附塔降压过程中与吸附塔最多进行M次间接均压，回收吸附塔流出的气体，并由这些空罐供气给吸附塔最终充压前升压或冲洗，避免或减少吸附塔间直接均压，使各吸附塔操作时间上相互制约减少，使均压次数增加，而且使同时处于吸附状态的吸附塔数目增加，最高可达总塔数的2/3，脱附时间增长，并能安排吸附、冲洗、置换、抽真空、脱附或升压步骤连续进行；
2.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的吸附塔数N为2～24；
3.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的空罐数M为2～18；
4.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的同时处于吸附状态的吸附塔数为吸附塔总数N的1/3～2/3；
5.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的冲洗、置换操作可设置成L个小系统，L为1～12，使气体组分不同的冲洗、置换气体能分阶段对吸附塔工作；
6.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的系统抽空解吸操作可分作K个相对独立的小系统，K为1～12，这样能使各抽空系统连续对吸附塔抽空，不需设置真空蓄能设备；
7.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的抽空操作可以分作I个小步骤，I为1～12，处于各小步骤时，吸附塔与不同的抽空系统相连，这样能使各抽空系统连续、直接对塔抽空，并可在不同的抽空系统出口获取不同组分的气体；
8.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述的吸附塔升压过程中，部分或全部空罐中的气体可从吸附塔出口端流入吸附塔或从进口端流入吸附塔；
9.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于，可设置全装置连续恒流量最终升压。
全文摘要
本发明涉及从气体混合物中分离或纯化一种或多种气体的变压吸附分离方法,旨在解决已有技术存在的吸附剂利用效率低、系统设备投资高、有效气体回收率不够高和运行成本高的问题。通过设置M个空罐,避免或减少吸附塔间直接均压,使各吸附塔的操作相互制约减少,从而能合理安排流程,既可使有足够多的均压次数,又能使同时处于吸附状态的吸附塔数足够多,还能使再生时间足够长,因而提高了吸附剂的利用率,从而使设备、管道、阀门的尺寸变小,达到节省投资和降低系统运行费用的目的。
文档编号B01D53/047GK1251315SQ98120170
公开日2000年4月26日 申请日期1998年10月15日 优先权日1998年10月15日
发明者杨皓, 张佳平 申请人:杨皓, 张佳平