專利名稱:一種利用變壓吸附改進(jìn)的氣體分離方法
本發(fā)明是關(guān)于一種將氣體混合物進(jìn)行分離的方法，此方法是將氣體混合物通過(guò)吸附床，在吸附床里，吸附劑優(yōu)選吸附氣體混合物的第一個(gè)組分，然后才吸附氣體混合物的第二個(gè)組分。更具體地說(shuō)本發(fā)明是關(guān)于利用變壓吸附(PSA)將氣體混合物進(jìn)行分離的方法，此法利用了一種比原料氣易吸附組分濃度較高的氣體將難吸附的組分從吸附床的進(jìn)料端置換出來(lái)，隨后至少在吸附床的兩個(gè)不同位置排出氣體，使吸附床同時(shí)減壓。
早先人們應(yīng)用PSA法的目的就是從基本上不可吸附的氣體中除去少量易吸附的組分。PSA法這種應(yīng)用的實(shí)例是從空氣中除水，又稱無(wú)熱干燥，或從氫氣中除去少量雜質(zhì)。后來(lái)這一技術(shù)推廣到氣體混合物的主體分離方面，例如從含有30-90%(摩爾)的氫氣和其他象一氧化碳和二氧化碳易吸附組分的氣流中回收氫氣，或者利用氮?dú)庠诜肿雍Y上的選擇性吸附從空氣中回收氧氣。
美國(guó)專利3，430，418(Wagner)介紹了PSA法在多級(jí)吸附床系統(tǒng)中進(jìn)行的情況，該系統(tǒng)至少具有四級(jí)吸附床。正如一般所知道的以及此專利所敘述的那樣，PSA法通常是以循環(huán)的處理程序進(jìn)行的，每個(gè)吸附床都包括有如下處理程序(1)較高壓力的吸附，從吸附床的產(chǎn)品端伴有產(chǎn)品氣流釋放出;(2)并流減壓到中間壓力，并從吸附床產(chǎn)品端釋放出空隙空間氣體;(3)逆流減壓到較低的解吸壓力;(4)清洗;和(5)再加壓。在并流減壓階段釋放出的空隙空間氣體通常用于均衡壓力，以及在較低的解吸壓力下給每一個(gè)吸附床提供清洗氣體。
大家都知道應(yīng)用3級(jí)吸附床進(jìn)行氣體混合物分離的類似系統(tǒng)。比方說(shuō)，請(qǐng)看美國(guó)專利3，738，087號(hào)(McCombs)。為完成一次循環(huán)，當(dāng)使用給定的原料氣流速時(shí)，吸附床進(jìn)行1到5的步驟越快，則吸附床可以越小。如果兩步同時(shí)進(jìn)行，則吸附床的數(shù)目可以減少?；蛘哐h(huán)的速度可以增加;因此可以降低造價(jià)。
美國(guó)專利4，589，888號(hào)(Hiscock等)公開(kāi)了使特定的同時(shí)處理步驟進(jìn)行有益的合并可以減少循環(huán)時(shí)間。由較高的吸附壓力并流減壓釋放出的氣體可同時(shí)用作壓力均衡氣和清洗氣。并流減壓也是在中間壓力下進(jìn)行，而逆流減壓是同時(shí)在減壓吸附床的相反的一端進(jìn)行。
美國(guó)專利4，512，780號(hào)(Fuderer)公開(kāi)了帶有中間產(chǎn)品回收的變壓吸附法。在多級(jí)吸附床系統(tǒng)的各吸附床之間使用置換步驟和壓力均衡步驟，可從變壓吸附法中回收三種產(chǎn)品。這個(gè)方法對(duì)于回收兩種產(chǎn)品是有效的而且成本低。
PSA法首先用于只回收一種具有高純度的重要組分的氣體分離。例如，美國(guó)專利3，430，418號(hào)(Wagner)的方法或者美國(guó)專利4，589，888號(hào)(Hiscock等)的方法，能夠從含有80摩爾氫和20摩爾一氧化碳的100摩爾的原料氣中，分離出60摩爾純度為99.999%的氫氣，但是不能回收純的一氧化碳;而20摩爾的一氧化碳和20摩爾的氫氣仍各以50%的純度混在一起。這兩個(gè)方法沒(méi)有一個(gè)能實(shí)現(xiàn)完全的分離。只能以高純度回收一種難吸附的輕組分。
為了回收一種高純度的易被吸附的“重”組分，需要另外的步驟，即，在減壓前為把輕組分從吸附床中置換出去，則要用一種重組分清洗吸附床。前面的幾篇專利已經(jīng)描述過(guò)這種清洗步驟。這些方法所遇到的問(wèn)題如下(a)如果清洗完全，輕組分完全從吸附床中被置換出去，則可以獲得純的重組分，但是重組分的吸附帶的前沿穿透輕組分，因此不能以高純度回收到輕組分;(b)如果輕組分的置換不完全，可以得到如圖2所示的重組分在吸附床的典型濃度分布圖，如果這樣的吸附床逆流減壓，以在進(jìn)料端回收主要的重組分，則吸附床中仍然存在的輕組分很迅速地到達(dá)進(jìn)料端，因而，重組分的純度下降。因此，在一個(gè)單級(jí)的PSA裝置中用先有技術(shù)的方法同時(shí)獲取兩個(gè)高純度的主要的組分，是行不通的。
例如利用兩個(gè)獨(dú)立的包括幾個(gè)固定床的變壓吸附處理裝置，就可以獲得象這樣的完全分離。例如第一個(gè)裝置可從含氫和一氧化碳的原料氣中回收純氫和含一氧化碳濃度為70%的富一氧化碳?xì)怏w。此氣體混合物經(jīng)壓縮，通過(guò)第二個(gè)可回收純一氧化碳和富氫氣體的變壓吸附裝置。富氫氣體可以作為原料氣加到第一個(gè)變壓吸附裝置中，然后被再循環(huán)。兩個(gè)獨(dú)立的PSA裝置的結(jié)合可以產(chǎn)生極好的分離效果，具有很高的適應(yīng)性。例如這種系統(tǒng)可以從含有雙組分的氣體混合物中回收99.8%以上的可吸附“輕”組分，如純度達(dá)99.999%的氫，也基本上可以回收100%的較容易吸附組分，例如可回收純度高于99.5%的一氧化碳。
英國(guó)專利1，536，995號(hào)(Benkmann)敘述了一個(gè)既適合于回收難吸附組分又適合于回收易吸附組分的PSA法。此法基于Benkmann的圖2所示的串級(jí)循環(huán)雙吸附床。原料氣加入下吸附床，該吸附床吸附了更容易吸附的組分。加料步驟后，緊接著就是共清洗步驟，在此步驟中難吸附組分即“輕”組分在下吸附床中被再循環(huán)的“重”組分氣流置換出來(lái)，因此在這一步驟結(jié)束時(shí)，下吸附床只含有“重”組分。這時(shí)自動(dòng)閥切斷上吸附床和下吸附床之間的聯(lián)系，(逆流)減壓從下吸附床回收重組分產(chǎn)品。與此同時(shí)，上吸附床也減壓和清洗以除去所有的重組分。上下吸附床的步驟順序是聯(lián)鎖的，不能獨(dú)立循環(huán)。此系統(tǒng)的適應(yīng)性減小，而復(fù)雜性增加。此系統(tǒng)的問(wèn)題是需要一組串聯(lián)的雙吸附床;如果過(guò)程的條件例如進(jìn)料氣的組成改變，則不可能改變兩吸附床的體積比，即，此系統(tǒng)具有較低的適應(yīng)性。兩吸附床的上端含有較多的空隙空間氣體，這種氣體增加了減壓損耗和壓縮機(jī)的功率;也增加了壓力降。
工業(yè)上仍舊要求進(jìn)一步減少PSA所需要的主要設(shè)備的數(shù)量和提高這種設(shè)備的效率。本發(fā)明用一個(gè)簡(jiǎn)單、較經(jīng)濟(jì)和較有適應(yīng)性的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的氣體分離，從而滿足了這一方面的要求。由于本發(fā)明是以低的壓縮功率要求來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體分離的，因此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了費(fèi)用。這種低壓縮功率的要求是通過(guò)需要較少置換氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)已知有提供高純度產(chǎn)品的置換循環(huán);然而本發(fā)明是以較低的能量消耗來(lái)提供這樣的產(chǎn)品。
本發(fā)明是一固定床變壓吸附法，此方法把混合原料氣流至少分離成兩股產(chǎn)品氣流。本方法包括下列步驟A)將原料氣送入吸附床并進(jìn)行吸附，以選擇性地吸附易被吸附的組分;
B)清洗吸附床，使用含有較高濃度的易被吸附組分的氣體作為清洗氣，置換存留在吸附床中的原料氣;
C)至少?gòu)奈酱驳膬蓚€(gè)不同地點(diǎn)排出氣體，使吸附床減壓;和D)吸附床重新加壓。
優(yōu)選的實(shí)施例也包含并流減壓和清掃步驟。并流減壓可以在清洗步驟前、后或與清洗步驟同時(shí)進(jìn)行。
圖1是描述實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備示意圖。
圖2是再描述圖1中的某一個(gè)吸附床的條件示意圖。
圖3和圖4說(shuō)明了在一個(gè)吸附床中完成步驟A)，B)和C)時(shí)的條件。
圖5說(shuō)明了多端減壓的情況。
本發(fā)明包括利用變壓吸附法進(jìn)行氣體純化和分離的方法，此方法利用單級(jí)多個(gè)吸附床實(shí)現(xiàn)二組分的分離。此方法的步驟包括至少含有兩個(gè)組分的氣體混合物在吸附床上的吸附。吸附床有一個(gè)輸入端即進(jìn)料端和一個(gè)輸出端即產(chǎn)品端。兩個(gè)組分中一個(gè)比另一個(gè)更容易吸附。
在加壓下使吸附進(jìn)行到傳質(zhì)前沿處于吸附床內(nèi)理想位置為止。傳質(zhì)前沿是已吸附氣體組分的吸附劑和未吸附的吸附劑之間的分界帶。典型的易吸附組分是二氧化碳、甲烷或一氧化碳。典型的難吸附組分是氮?dú)饣驓錃?。吸附步驟可以按需要地進(jìn)行，直到傳質(zhì)前沿至少通過(guò)吸附床的一半為止。
當(dāng)吸附步驟進(jìn)行到吸附床吸附足夠量時(shí)，就用含有較高濃度的易吸附組分的氣體置換氣體混合物。這一步驟就使位于吸附床進(jìn)料端的難吸附組分被置換到吸附床的產(chǎn)品端。置換步驟對(duì)于形成高純度的產(chǎn)品氣是至關(guān)緊要的，因?yàn)檫@一步基本上將難吸附組分從吸附床中除去了。而且置換步驟可保證吸附床的已吸附(Charged)區(qū)實(shí)質(zhì)上只含有易吸附組分，吸附床的未吸附(uncharged)區(qū)只含有難吸附組分。
在接著的并流減壓步驟，吸附前沿進(jìn)一步朝著輕產(chǎn)品端前進(jìn)。較輕的組分從吸附床中被置換出來(lái)。圖3說(shuō)明了吸附床內(nèi)輕組分(氦)和重組分(甲烷)的雙組分氣體混合物的氣體組成。曲線A、B和C分別表示了吸附、置換和并流減壓步驟完成時(shí)的氣體組成分布圖。在A、B和C的每個(gè)步驟中，甲烷前沿朝著輕產(chǎn)品端前移，而較多的氦從吸附床中被置換出來(lái)，在輕產(chǎn)品端被回收。因此圖3說(shuō)明了置換步驟在并流減壓步驟之前進(jìn)行的情況。
在圖4中，曲線A、B和C表示了在吸附、并流減壓和置換步驟完成時(shí)的甲烷的百分摩爾濃度。并流減壓流出氣體一般用于其他吸附床再加壓。如果進(jìn)料氣吸附壓力高，則對(duì)并流減壓步驟特別有利，因?yàn)檫@樣的減壓實(shí)質(zhì)上減少了所需的置換氣體量。在原料氣處于中等和較低的壓力情況下，循環(huán)可能相當(dāng)有效，而不需要單獨(dú)的并流減壓步驟。原料氣、置換氣的相對(duì)量，并流減壓步驟的最終壓力以及吸附床的尺寸，是這樣選擇的，即在步驟C完成時(shí)，主要的重組分的前沿應(yīng)保持在吸附床內(nèi)，而輕產(chǎn)品端基本上只含純的輕組分。
下面參照?qǐng)D3和圖4，步驟的順序是在圖3中，吸附→置換→減壓在圖4中，吸附→減壓→置換。
考慮圖3和圖4的情況，是將等量的原料氣和置換氣送到吸附床內(nèi)。此外，原料氣的起始?jí)毫徒K壓相同。圖3步驟順序的優(yōu)點(diǎn)是，較輕的組分是在最高的壓力下得到的，最終的濃度分布圖略陡些。圖4步驟順序的優(yōu)點(diǎn)是，需要較低壓力的置換氣。此外為了節(jié)省時(shí)間，步驟B和步驟C同時(shí)進(jìn)行也是可能的。在上述兩種情況下，在步驟C完成時(shí)，吸附床的進(jìn)料端只含有相當(dāng)純的易吸附組分，吸附床的產(chǎn)品端只含有難吸附的“輕”組分。
根據(jù)本發(fā)明，然后至少?gòu)奈酱驳膬蓚€(gè)不同點(diǎn)同時(shí)排出氣體，使吸附床減壓。從吸附床的側(cè)面排氣口，或從吸附床的進(jìn)料端或從這兩點(diǎn)回收可吸附的組分。而從吸附床的輕產(chǎn)品端則回收相當(dāng)純的難吸附組分。通過(guò)固定開(kāi)度但手可調(diào)節(jié)的或控制的閥，可以進(jìn)行這樣的兩端減壓或三端減壓。例如可以利用位于輕產(chǎn)品端的固定開(kāi)度的閥(fixed position valves)和位于另一氣體排出口的往復(fù)壓縮機(jī)。適當(dāng)調(diào)節(jié)或控制閥門(mén)的開(kāi)度，在吸附床中在傳質(zhì)前沿/吸附前沿/附近就能夠建立零流平面。當(dāng)過(guò)程條件改變時(shí)，例如原料氣組成改變時(shí)，調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度或壓縮機(jī)的抽氣速度很容易改變零流平面的位置。
“兩端減壓”(DED)的含義并不局限于如圖5A所示的吸附床同時(shí)并流和逆流減壓的情形。如果提供側(cè)面排氣口，當(dāng)整個(gè)吸附床并流減壓時(shí)，也能夠建立零流平面。圖5B說(shuō)明了這種情形。圖5B表明，吸附床在側(cè)面排氣口以上的部分朝著輕產(chǎn)品端減壓，而吸附床在側(cè)面排氣口以下的部分則朝著側(cè)面排氣口減壓。吸附床上下兩部分都是并流減壓，在側(cè)面排氣口得到純的重組分。根據(jù)圖5B所示的這種類型的減壓，有些氣體可能流過(guò)“零流平面”，朝向輕產(chǎn)品端流形成“極小流平面”。由于不適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)流速，有可能會(huì)出現(xiàn)這種情況，但是為了保證更穩(wěn)定的控制和在過(guò)程條件受到微小擾動(dòng)的情況下保證不會(huì)有主要的輕組分漏到側(cè)面排氣口，也可以有意地產(chǎn)生上述那種出現(xiàn)極小流平面的情況。
在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求
書(shū)中所使用的“并流減壓”是指僅在一個(gè)位置從吸附床中排出氣體的減壓。更精確地說(shuō)，是從輕產(chǎn)品端除去氣體。
如圖5C所示，在吸附床的三個(gè)不同點(diǎn)同時(shí)排出氣體也是可能的。這樣，在吸附床內(nèi)就建立了兩個(gè)零流平面。
必須強(qiáng)調(diào)指出，沒(méi)有前面對(duì)吸附床的清洗，也就是說(shuō)不將輕組分從進(jìn)料端置換出來(lái)，僅靠DED本身是不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要的組分很好的分離的。只有置換步驟和DED步驟相結(jié)合才能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。此外，與代表現(xiàn)有技術(shù)的美國(guó)專利4，589，888號(hào)(Hiscock)相比較時(shí)(此專利技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)主要組分的完全分離)，就顯示出本發(fā)明的明顯差別。
在兩端減壓步驟完成時(shí)，吸附床可以用純氫氣從產(chǎn)品端進(jìn)行清掃，清掃的廢氣或簡(jiǎn)稱之為“純廢氣”可用作燃料氣，或者經(jīng)壓縮后加到原料氣中去。另外，吸附床也可以再加壓而去掉清掃步驟。
在兩端減壓期間回收的一部分易吸附氣體可以很方便地再壓縮，并用于置換步驟中。
循環(huán)是用吸附床再加壓完成的。也需要指出，為了能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用，常規(guī)的變壓吸附裝置可以很容易進(jìn)行改裝。例如可以使用并聯(lián)組成的多級(jí)吸附床。本技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)的一般技術(shù)人員是可以確定使氣體進(jìn)行最佳分離的傳質(zhì)前沿的最佳位置的，而不必作過(guò)多的實(shí)驗(yàn)。
參考圖1，圖1示出了一單級(jí)的PSA系統(tǒng)。在此實(shí)施例中示出了7、8、9和10四個(gè)單級(jí)吸附床為一組的并聯(lián)系統(tǒng)，但是在高效率循環(huán)時(shí)也可以使用5至12個(gè)單級(jí)吸附床。
含有易吸附的第一組分和難吸附的第二組分的原料氣在加壓下經(jīng)由總管2和吸附床各自的進(jìn)料支管3、4、5和6，加入吸附床7、8、9和10的進(jìn)料端，直到建立起圖2所示的濃度分布圖為止。然后原料氣被通過(guò)管20從下游加入的氣體所置換。管20中的氣體在通過(guò)總管23到達(dá)各自的置換支管24、25、26和27進(jìn)行循環(huán)之前，最好在壓縮機(jī)21中壓縮到吸附壓力。另外，被壓縮的氣體也可以經(jīng)由管22循環(huán)到其他吸附裝置。“重”氣體產(chǎn)品可以作為最終產(chǎn)品沿管20、22或23而在任何一點(diǎn)從系統(tǒng)中除去。
管23中的下游氣體含有高濃度的第一個(gè)組分，因此下游氣體進(jìn)入吸附床7、8、9和10的進(jìn)料端就使得存留在吸附床進(jìn)料端的任何難吸附組分朝著吸附床的產(chǎn)品端移動(dòng)。用下游氣體置換原料氣可稱之為“清洗”或“并流清洗”，為了得到相當(dāng)純的“重組分”產(chǎn)品，這種置換是必須的。
下面兩個(gè)實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明的，而不是對(duì)本發(fā)明作出限制，至于本發(fā)明的保護(hù)范圍將在權(quán)利要求
書(shū)中概括說(shuō)明。
實(shí)施例1A.8千克分子的含有70%(摩爾)氫、5%(摩爾)一氧化碳、1%(摩爾)甲烷和24%(摩爾)二氧化碳的原料氣通到一高度為8米的吸附床中，該吸附床裝有厚度為6米的活性炭和厚度為2米的13X型分子篩。吸附床直徑為1米。原料氣溫度35℃，壓力2.2兆帕(MPa)。
B.在吸附步驟A完成后，1.6千克分子的含有98.5%(摩爾)二氧化碳、0.5%(摩爾)一氧化碳、0.6%(摩爾)甲烷和0.4%(摩爾)氫的氣體在2.2兆帕壓力下通到吸附床的進(jìn)料端。在步驟A和置換步驟B期間，99.999%的純氫氣從輕組分產(chǎn)品端，即從吸附床頂部排出。
C.然后該吸附床進(jìn)行兩步并流減壓，從2.2兆帕降到0.8兆帕，而在吸附床頂端所得到的99.996%的氫氣用于使其他吸附床再增壓。這一步驟結(jié)束時(shí)，吸附床在直到約6米的高度范圍內(nèi)實(shí)際上不含氫氣。
D.然后該吸附床減壓到0.12兆帕，亦即1.2巴(Bar)，同時(shí)提取出純度為98.5%的二氫化碳(在進(jìn)料端)，和提取出純度為99.992%的氫氣(在頂端)。該氫氣流用于清掃另一個(gè)吸附床，而從在進(jìn)料端得到的3千克分子的二氧化碳中取1.6千克分子壓縮到2.2兆帕，用于另一吸附床的步驟B，而余下1.4千克分子二氧化碳作為純度98.5%CO2產(chǎn)品。
E.然后該吸附床用步驟D從另一吸附床得到的壓力為0.12兆帕的氫氣清掃，而排出進(jìn)料端的清掃流出物含0.52千克分子的二氧化碳、0.08千克分子的甲烷、0.4千克分子的一氧化碳和0.4千克分子的氫。這種清掃流出物可用作燃料氣或其他的用途。
F.然后該吸附床用氫氣兩級(jí)加壓，也就是說(shuō)用步驟C所得到的氫氣加壓到1.5兆帕，最后用步驟A和步驟B所得到的一部分氫氣加壓到約2.2兆帕。
在這個(gè)實(shí)施例中，8摩爾的原料氣被分成5.2摩爾純度為99.999%的氫氣、1.4摩爾純度為98.5%的二氧化碳和1.4摩爾的燃料氣。在用8個(gè)單級(jí)床進(jìn)行的一次循環(huán)中，能夠達(dá)到320千克分子/時(shí)的處理速度。如果沒(méi)有步驟B和D，使用只有單級(jí)吸附床的單級(jí)PSA裝置進(jìn)行上述的分離是不可能的。
實(shí)施例2
A.含有66%(摩爾)氫、30%(摩爾)一氧化碳、3.7%(摩爾)二氧化碳和0.3%(摩爾)水的原料氣在2兆帕的壓力下通到活性炭吸附床的進(jìn)料端。在輕產(chǎn)品端，吸附排出氣是99.998%的氫氣。
B.然后該吸附床并流減壓到0.8兆帕。
C.含有28%(摩爾)二氧化碳、0.8%(摩爾)水、70.5%(摩爾)一氧化碳和0.7%(摩爾)氫的氣體送入吸附床的進(jìn)料端。步驟B和C所得到的氫氣用于使其他吸附床增壓。在步驟C結(jié)束時(shí)，基本上全部氫氣都是從在進(jìn)料端和位于從進(jìn)料端算起的占吸附床總高度70%處的側(cè)面排出口之間的這一部分吸附床中置換出來(lái)的?？墒俏酱沧詈笥嘞碌?0%高度部分仍含有氫氣，也就是含有CO-H2的前沿，并且吸附床最后8%的高度部分含有純度為99.99%的氫氣。與此同時(shí)CO2的前沿只是在吸附床18%的高度處，也就是說(shuō)接近進(jìn)料端。
D.然后該吸附床從0.8兆帕減壓到0.1兆帕，在三個(gè)不同點(diǎn)同時(shí)排出氣體(1)純度為99.99的氫氣從輕產(chǎn)品端排出，將用于清掃另一個(gè)吸附床;
(2)純度為99%的一氧化碳在側(cè)面排出口排出，用作一氧化碳產(chǎn)品;
(3)含有28%二氧化碳和70.5%一氧化碳的氣體從進(jìn)料端排出，將用于另一個(gè)吸附床的清洗，也就是用于氫氣的置換。
在實(shí)施步驟D的期間，在吸附床內(nèi)建立了兩個(gè)零流平面，也就是說(shuō)在進(jìn)料端以上吸附床20%的高度處建立了一個(gè)零流平面，在進(jìn)料端以上約70%的高度處建立了另一個(gè)零流平面。在吸附床高度為0和20%之間的部分逆流減壓，在吸附床高度為20%和70%之間的部分朝側(cè)面排出口并流減壓，吸附床最后余下的高度部分朝輕產(chǎn)品端減壓(請(qǐng)看圖5C)。
E.然后該吸附床用純度99.99%由步驟D得到的氫氣進(jìn)行清掃，清掃出的流出物含有25%(摩爾)的二氧化碳、1%水、38%一氧化碳和36%氫，送出作燃料，或另作他用。
F.該吸附床用氫氣再加壓到2兆帕。
在實(shí)施例2中，原料氣流分成三股氣流(1)92%的氫氣以純度為99.998%的氫氣回收;
(2)81%的一氧化碳以純度為99%的一氧化碳回收;
(3)殘余的氫氣和一氧化碳以及基本上全部的二氧化碳和H2O。
將例2的步驟D再分成下列兩步，也能夠獲得相同的分離效果(D1)將該吸附床并流減壓，壓力由0.8兆帕減小到0.26兆帕，在輕產(chǎn)品端和側(cè)面排出口同時(shí)分別取出氫氣和一氧化碳;
(D2)進(jìn)一步使該吸附床減壓，壓力由0.26兆帕減小到0.1兆帕，而同時(shí)在頂端排出氫氣，在進(jìn)料端排出含28%二氧化碳和70.5%一氧化碳的氣體，也就是說(shuō)進(jìn)行二端減壓(DED)。
將步驟D分為D1和D2可能需要增加一個(gè)吸附床，但是一氧化碳產(chǎn)品壓縮機(jī)和氣體置換壓縮機(jī)可以更容易設(shè)計(jì)，它們的工作會(huì)更加平穩(wěn)。
使用包括九個(gè)單級(jí)吸附床的PSA系統(tǒng)能有效地進(jìn)行上述分離吸附床號(hào) 步驟1 吸附
2 吸附3 并流減壓1，2均壓4 置換5 兩端減壓16 兩端減壓27 清掃8 均壓-再加壓29 均壓1和最終再加壓效率稍差但價(jià)格低廉的PSA系統(tǒng)可以進(jìn)行同樣的分離，它可能含有六個(gè)單級(jí)吸附床床號(hào) 步驟1 吸附2 置換和同時(shí)并流減壓均壓1和23 三端減壓4 清掃5 均壓-再加壓26 均壓1和最終再加壓通常在單級(jí)吸附床裝置中傳質(zhì)前沿可能會(huì)引起一些問(wèn)題。例如，如果傳質(zhì)前沿24從吸附床27被置換出來(lái)，這就使傳質(zhì)前沿24朝右運(yùn)動(dòng)(如圖2所示的曲線)，因而造成難吸附產(chǎn)物變得不純。這是由于吸附床已被吸附物質(zhì)飽和，而后吸附物質(zhì)溢入較純的流出產(chǎn)物中的緣故。開(kāi)始逆流減壓時(shí)，如果使傳質(zhì)前沿仍留在吸附床內(nèi)，則也可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品的不純。這種情況的一個(gè)例子包括了物質(zhì)在箭頭29表示的方向上的流動(dòng)。位于吸附床27的產(chǎn)品端的難吸附物質(zhì)26在流出吸附床27進(jìn)料端時(shí)與易吸附物質(zhì)25相混合。
吸附床27的進(jìn)料端和該吸附床的產(chǎn)品端同時(shí)減壓時(shí)，就可以避免不純。這時(shí)吸附床就是進(jìn)行所謂的兩端減壓即“DED”。易吸附物質(zhì)25沿著箭頭29的方向流動(dòng)，而難吸附的物質(zhì)沿箭頭28的方向流動(dòng)。因此從吸附床27的進(jìn)料端得到了相當(dāng)純的易吸附物質(zhì)，從該吸附床的產(chǎn)品端得到了相當(dāng)純的難吸附物質(zhì)。
圖2是兩端減壓開(kāi)始時(shí)濃度分布的一個(gè)實(shí)例。當(dāng)兩端減壓開(kāi)始進(jìn)行時(shí)，建立了零流平面30。吸附床中的物質(zhì)逆流或沿箭頭29的方向向零流平面30的左邊流動(dòng)吸附床中的物質(zhì)并流或沿箭頭28的方向向零流平面30的右邊流動(dòng);在零流平面30的兩邊，流速逐漸增加，在吸附床的兩端達(dá)最大值。
控制吸附床兩端的流速很重要，因?yàn)槲酱矁啥说南鄬?duì)流速?zèng)Q定了零流平面30的位置。在吸附床兩端減壓期間，兩端流速不同，因?yàn)槲酱策M(jìn)料端的流出物的體積比產(chǎn)品端流出物的體積大。
吸附床這種卸料差別的原因是雙重的。首先吸附床吸附了易吸附組分的部分比較大。其次在相同的壓力下與吸附床結(jié)合的可吸附物質(zhì)量要比難吸附物質(zhì)量多。因此，在吸附床兩端同時(shí)減壓時(shí)，釋放出的可吸附物質(zhì)量要比難吸附物質(zhì)量多。
控制兩端的相對(duì)流速很容易做到。例如，可以在管15和20形成的總管上，也可在11、12、13和14各自的進(jìn)氣支管上或16、17、18和19排氣支管上安裝具有臨界流量的固定開(kāi)度閥。另外，可以使用容量型壓縮機(jī)來(lái)代替這種固定開(kāi)度閥。一旦吸附床減壓到解吸壓力，則兩端減壓就完成了。
在兩端減壓結(jié)束時(shí)，吸附床最好應(yīng)進(jìn)行清掃。通常是用難吸附氣體進(jìn)行這種逆流清掃。清掃流出物既可用作燃料，也可以壓縮后再加入原料氣中。然后該吸附床準(zhǔn)備用作另外的吸附循環(huán)，可以再加壓而無(wú)需清掃步驟。
循環(huán)操作中，常常很難控制原料氣與共清洗氣的流速和循環(huán)時(shí)間，以使圖2中的傳質(zhì)前沿24的濃度分布在每次循環(huán)中都在嚴(yán)格相同的位置。增加原料氣和共清洗氣的流速或者吸附時(shí)間，傳質(zhì)前沿24就會(huì)逐漸地以并流的方式朝著吸附床的產(chǎn)品端移動(dòng)。相反，減少原料氣和共清洗氣的流速或吸附時(shí)間會(huì)引起傳質(zhì)前沿24朝著吸附床的進(jìn)料端逆流移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)確定為了獲得對(duì)吸附床內(nèi)傳質(zhì)前沿24位置實(shí)際穩(wěn)定的控制，在兩端減壓前最好至少應(yīng)用一個(gè)小的傳質(zhì)前沿定位步驟和并流減壓步驟，使得傳質(zhì)前沿以并流的方式朝著吸附床的產(chǎn)品端移動(dòng)。當(dāng)前沿離吸附床的產(chǎn)品端太遠(yuǎn)時(shí)，可以在吸附床的側(cè)面排出口排出一些氣體。例如這種側(cè)面排出口可以是一個(gè)市售的排泄閥。
吸附床所選用的吸附劑是一類物質(zhì)，這一類物質(zhì)包括硅膠、沸石分子篩、活性炭、活性氧化鋁及其混合物。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員都可以認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的方法中，實(shí)際上選擇任何一種吸附劑都能使用。
適于分離的氣體混合物通常都有兩個(gè)或兩個(gè)以上的組分，其中一個(gè)組分易吸附，而另一個(gè)難吸附。常常認(rèn)為可分離的氣體組分一個(gè)是“較重”物質(zhì)，另一個(gè)是“較輕”物質(zhì)，這種看法常常是很有益的。氣體組分的這種特征會(huì)因所使用吸附劑的類型而變化。
本發(fā)明對(duì)于兩組分的氣體混合物以及更復(fù)雜的氣體混合都是很有用的。比方說(shuō)，本發(fā)明利用多級(jí)循環(huán)處理可以把空氣分離成各種不同的組分。也就是說(shuō)，多級(jí)循環(huán)處理可以進(jìn)行到分離出純組分為止。在第一次循環(huán)中，復(fù)雜的氣體混合物通到吸附床內(nèi)。然后用含有最易吸附組分的氣體混合物作為置換氣體，對(duì)吸附床進(jìn)行“共清洗”，使得難吸附組分向上游移動(dòng)。然后兩端減壓時(shí)，易吸附組分從吸附床的進(jìn)料端分出，而難吸附組分從吸附床的產(chǎn)品端分出。然后進(jìn)行后面的循環(huán)，進(jìn)一步分離第一次循環(huán)的兩種產(chǎn)物。
權(quán)利要求
1.一種用于固定床吸附系統(tǒng)中，易吸附組分與難吸附組分的氣體分離方法，此方法包括如下步驟a)在吸附壓力下把原料氣體混合物通到吸附床內(nèi)，以從原料氣中選擇吸附組分，該吸附床具有進(jìn)料端和產(chǎn)品端；b)用具有較高濃度易吸附組分的氣體置換吸附床內(nèi)的原料氣，由此從吸附床的一部分置換出難吸附組分；c)從吸附床的至少兩個(gè)不同的位置同時(shí)釋出氣體，使吸附床減壓，在吸附床的產(chǎn)品端回收相當(dāng)純的難吸附組分，至少?gòu)奈酱驳膸讉€(gè)不同位置中的某一個(gè)位置回收易吸附組分；和d)使吸附床再加壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是減壓步驟是從吸附床的進(jìn)料端和產(chǎn)品端同時(shí)釋出氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是減壓步驟是從吸附床的側(cè)面排出口和產(chǎn)品端同時(shí)釋出氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是減壓步驟進(jìn)一步包括了從吸附床的產(chǎn)品端和側(cè)面排出口同時(shí)釋出氣體的步驟和從進(jìn)料端和產(chǎn)品端同時(shí)釋出氣體的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是減壓步驟是同時(shí)從吸附床的進(jìn)料端、產(chǎn)品端和側(cè)面排出口釋出氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是在再加壓步驟之前還包括用難吸附組分清掃吸附床的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6的方法，其特征是用在減壓步驟時(shí)從產(chǎn)品端得到的釋出氣作為清掃氣，進(jìn)行清掃步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是吸附步驟和置換步驟都是在基本上相同的壓力下進(jìn)行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是在同時(shí)釋出氣體使吸附床減壓的步驟之前，還包括由側(cè)面排出口使吸附床減壓的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是在同時(shí)減壓步驟之前還包括在并流方向使吸附床減壓的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征是在置換步驟之前進(jìn)行并流減壓步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征是，并流減壓步驟是與置換步驟同時(shí)進(jìn)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征是在置換步驟之后進(jìn)行并流減壓步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是，置換步驟是使用固定開(kāi)度閥進(jìn)行的。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是，置換步驟是使用容量壓縮機(jī)進(jìn)行的。
16.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征是，并流減壓步驟還包括用從產(chǎn)品端得到的氣體使其他的吸附床再加壓的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求
11的方法，其特征是，并流減壓步驟還包括用從產(chǎn)品端得到的氣體使其他的吸附床再加壓的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征是，為了使傳質(zhì)前沿保持在吸附床內(nèi)，在同時(shí)減壓的步驟中產(chǎn)生最大的分離效率，并流減壓步驟應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行到足夠低的壓力。
19.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征是，置換步驟還包括使從進(jìn)料端回收得到的第一個(gè)組分通到吸附床內(nèi)的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求
19的方法，其特征是，第一個(gè)組分包括一氧化碳、二氧化碳或甲烷和第二個(gè)組分包括氫或氮。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20的方法，其特征是，吸附床所用的吸附劑是從沸石分子篩、活性炭、硅膠、活性氧化鋁及其混合物組成的一組物質(zhì)中選出的一種。
22.氣體純化的一種方法，此方法包括如下步驟a)在壓力下將原料氣混合物通到固定吸附床內(nèi)，該混合物首先流過(guò)進(jìn)料端，接著流過(guò)吸附床，然后流出產(chǎn)品端，該混合物至少包括兩個(gè)組分，其中第一個(gè)組分比第二個(gè)組分容易吸附，第一個(gè)組分選擇吸附在吸附床上;b)用含有較高濃度的第一個(gè)組分的氣體置換出吸附床內(nèi)的原料氣混合物，借此第二組分從進(jìn)料端被置換出去。c)降低壓力使吸附床兩端同時(shí)減壓，而從吸附床的進(jìn)料端回收相當(dāng)純的第一組分，從產(chǎn)品端回收相當(dāng)純的第二組分。
23.根據(jù)權(quán)利要求
22的方法，為使傳質(zhì)前沿位于吸附床內(nèi)，在同時(shí)減壓步驟之前還包括并流減壓步驟。
24.根據(jù)權(quán)利要求
23的方法，其特征是，并流減壓步驟是在置換步驟之前進(jìn)行。
25.根據(jù)權(quán)利要求
22的方法，其特征是，并流減壓步驟與置換步驟同時(shí)進(jìn)行。
26.根據(jù)權(quán)利要求
23的方法，其特征是，并流減壓步驟是在置換步驟之后進(jìn)行。
27.根據(jù)權(quán)利要求
23的方法，其特征是，并流減壓步驟還包括在產(chǎn)品端降低壓力的步驟。
28.根據(jù)權(quán)利要求
23的方法，其特征是，并流減壓步驟還包括在位于吸附床側(cè)面排出口處降低壓力的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求
28的方法，其特征是，置換步驟還包括從吸附床進(jìn)料端回收的第一組分再通入吸附床的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求
29的方法，其特征是，此方法還包括吸附床在同時(shí)減壓步驟之后進(jìn)行再加壓的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求
30的方法，其特征是，第一組分包括一氧化碳、氧或甲烷，而第二組分包括氫或氮。
32.根據(jù)權(quán)利要求
31的方法，其特征是，吸附床所用的吸附劑是從沸石分子篩、活性炭、硅膠、活性氧化鋁及其混合物中選出的某一種。
33.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是，吸附床的數(shù)目至少是4個(gè)。
34.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是，吸附床的數(shù)目是5個(gè)。
35.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是，吸附床的數(shù)目是6個(gè)。
36.根據(jù)權(quán)利要求
35的方法，其特征是，在任何給定的時(shí)間內(nèi)選擇吸附組分的步驟至少在一個(gè)吸附床中進(jìn)行。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種變壓吸附法，此法用單級(jí)吸附床實(shí)現(xiàn)了雙組分氣體的純化。吸附床在壓力下通入氣體混合物，此混合物的某些組分比另外一些組分容易被吸附。本方法使吸附床兩極分化，結(jié)果吸附床的一端含有易吸附組分。而另一端含有難吸附組分。當(dāng)吸附床吸附了氣體，它兩端就同時(shí)減壓，因而從兩端分別回收了被分離組分。
文檔編號(hào)B01D53/047GK87107532SQ87107532
公開(kāi)日1988年8月3日 申請(qǐng)日期1987年12月11日
發(fā)明者安德里扎·富達(dá)拉 申請(qǐng)人:聯(lián)合碳化公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan