專利名稱：變壓吸附提濃氫氣的工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于氣體分離領域，尤其涉及從含氫氣體中分離氫氣的變壓吸附(PSA)過程。其國際專利分類號為B01D53/04。
眾所周知，在許多煉油和化工裝置施放氣中都含有氫氣，例如加氫精制、加氫裂化、催化裂化、合成氨、烴類裂解制烯烴、合成甲醇、催化重整等裝置。被施放出的含氫混合氣體，通常還含有N2、CO、CO2、H2O、Ar以及C1-C4烴等。
關于氣體的分離，早在1969年U.S.P3，430，418公開了一次均壓的PSA工藝;1971年U.S.P.3，564，816公開了四塔二次均壓的PSA工藝，該工藝廣泛用于分離含氫混合氣，其氫氣純度達99.999%。為擴大裝置生產能力，提高氫氣回收率，U.S.P.3，986，849[1]公開了多塔PSA工藝。[1]是10個吸附塔工藝流程，在一個循環周期內有三次均壓，每一時刻總有三個吸附塔處于吸附步驟，其它七個塔分別處于不同的再生階段。該工藝簡稱10-3-3流程(參見附
圖1)，吸附塔的工作程序見附圖2。由圖看出，該工藝當某塔吸附步驟結束后，即進行三次均壓、順向放壓、逆向放壓、沖洗，三次充壓、產品氫充壓，完成一個循環周期。USP4402712[2]公開了一個新的10塔PSA工藝(見附圖3、4)。它是三次均壓、四塔吸附，簡稱為10-3-4工藝流程。其發明目的是解決可同時處理兩種原料氣的方法。當某塔吸附步驟結束后，開始進行三次均壓、順向放壓，然后逆向放壓、沖洗。再生步驟結束。接著，進入升壓步驟，即三次充壓，產品氫充壓，又進入了吸附步驟。文獻[2]同[1]相比，其不同之處在于[2]可采用兩種原料氣，有兩條進料管線，兩條廢氣管線，四個塔同時處于吸附狀態。在處理能力相同時，[2]比[1]的吸附塔尺寸要小些。文獻[2]的不足之處是當兩種原料氣的氫含量相差比較大時，若按含氫高的原料氣設計吸附時間，則處理氫含量低的吸附塔中的吸附前沿將穿透，不能保證產品氫的純度;若按低含氫原料氣設計吸附時間，則處理高含氫的吸附塔中的吸附劑不能充分利用，將降低產品氫的收率。再者，當原料氣之一流量發生變化時，則不能隨流量變化而自動調整吸附周期，從而使其不能處于最佳運行狀態。
本發明提出了一種改進的用于從含氫混合氣體中分離提濃氫的十塔變壓吸附工藝。該工藝的氫氣產品的收率比已有技術高，在相同處理能力下，其吸附劑比10-3-3流程的用量少，吸附塔尺寸比10-3-3的小。
本發明的十塔流程為四次均壓，四塔同時吸附，簡稱為L10-4-4工藝流程。該工藝在任何時刻內，總有四個塔處于吸附步驟，其它六個塔則分別處在不同的再生和升壓步驟。該工藝由吸附、再生和升壓三個步驟構成一個循環周期。被分離的原料氣經原料管線進入吸附塔，經吸附劑吸附，產品氫通過產品管線送至氫氣貯罐。吸附步驟完成后，進入再生步驟。再生步驟包括四次均壓、順向放壓，逆向放壓、沖洗。再生步驟結束后，進入升壓(亦稱充壓，下同)步驟。升壓步驟包括四次充壓和產品氫充壓。這樣就完成了一個循環周期。本發明的L10-4-4工藝，在運行的任一時刻總有四個塔處于吸附步驟，而其余各塔分別處于再生和升壓步驟。
采用本發明可以最大限度地發揮吸附劑的作用，可提高氫氣收率1-2%(體)。
附圖1-8及其符號說明附圖1是PSA10-3-3流程圖;
附圖2是PSA10-3-3流程各塔工作程序;
附圖3是PSA10-3-4流程圖;
附圖4是PSA10-3-4流程各塔工作程序;
附圖5是PSAL10-4-4流程圖;
附圖6是PSAL10-4-4流程各塔工作程序;
附圖7是PSA L8-2-3流程各塔工作程序;
附圖8是PSA L5-2-2流程各塔工作程序。
附圖中的符號A-吸附， E1D-一次均壓，
E2D-二次均壓， E3D-三次均壓，E4D-四次均壓， PP-順向放壓，D-逆向放壓， P-沖洗，E1R-一次充壓(即升壓，下同)，E2R-二次充壓，E3R-三次充壓， E4R-四次充壓，R-產品氣充壓， Ff-原料氣，Wg-廢氣， PH-產品氫;
吸附塔的編號，分別以阿拉伯數字1、2、3、4、5、6、7、8、9、10表示;圖中沒有注明數字的閥(
)為截止閥。
本發明的PSA L10-4-4工藝是把10個吸附塔分別劃分為奇數(即塔1，3，5，7，9)系列和偶數(即塔2，4，6，8，10)系列兩個系列，它們共用一條原料管線，一條尾氣管線和一條產品管線。
下面通過附圖5-8對本發明的PSAL10-4-4工藝進行具體的描述。
現以塔1為例。原料氣通過閥11進入吸附塔1，產品氫通過閥12由共用產品線送到產品貯罐，雜質被塔內的吸附劑吸附。塔1的吸附步驟結束后，進入再生步驟，對塔1的吸附劑進行再生。塔1通過閥16、66對塔6進行一次均壓(E1D)，(此時塔6是第四次升壓)，通過閥16，76對塔7進行二次均壓(E2D)(塔7是第三次升壓)，通過閥13、83對塔8進行三次均壓(E3D)，(塔8是第二次升壓)，第四次均壓(E4D)是通過閥13、93、對塔9進行一次升壓。通過上述四次均壓將塔1中貯存的氫氣回收到塔6、7、8、9四塔內，同時提高了它們的壓力，塔1吸附劑上的雜質得到部分解吸，四次均壓后的塔1通過閥15、105、104進行順向放壓(PP)，對塔10沖洗，解吸塔10吸附劑上的雜質。之后，塔1通過閥14進行逆向放壓(D)，使塔1吸附劑上的雜質進一步地解吸，并通過共用的尾氣管線排出裝置。然后，用塔2順向放壓氣體通過閥25、15、14對塔1進行沖洗(P)。塔1再生步驟結束。接著，用塔3第四次均壓的氣體通過閥33、13對塔1進行一次充壓(E1R);用塔4的第三次均壓氣體通過閥43、13對塔1第二次充壓(E2R);用塔5的第二次均壓氣體通過閥56、16對塔1第三次充壓(E1R);用塔6第一次均壓氣體通過閥66、16對塔1第四次充壓，最后用產品氫對塔1充壓(R)到吸附壓力。完成了吸附分離氣體的一個循環周期。
當塔1完成了吸附(A)步驟時，塔5進入了吸附步驟。進入再生步驟的塔1當完成了第二次均壓時，塔2完成了吸附步驟，塔6進入了吸附步驟。由此可見，兩個相鄰吸附塔(例如塔1、2、3…)之間相差兩步(見附圖6)，每進行兩步再生則有一個塔結束吸附步驟，同時有另一個吸附塔完成升壓步驟而進入吸附步驟。
本發明的PSA L10-4-4工藝，在運行過程中，當某塔所屬的部件發生故障，造成該塔不能正常運轉時，則能(自動地或手動)由十塔運行切換成八塔運行，即變成二次均壓，三塔吸附的八塔流程，簡稱為PSA L8-2-3流程。
由10塔運行切換8塔運行，應從奇、偶兩個系列中各切掉一個塔，而不應從一個系列中切掉兩個吸附塔。10塔變成8塔，可有五種切換方案，這五種方案的各塔工作程序見附圖7。現假設塔9出現故障，則切掉塔9、塔10，變成塔1、2、3、4、5、6、7、8處于運行狀態。現以塔1為例來說明L8-2-3工藝流程。即原料氣通過閥11進入塔1，產品氫通過閥12由共用管線送到氫貯罐，雜質被吸附在塔1吸附劑上。塔1吸附步驟結束后，通過閥16、56對塔5進行一次均壓(E1D)，塔5為二次升壓(E2R)，塔1一次均壓后通過閥15、75進行順向放壓(PP)，對塔7進行沖洗(P)，使塔7吸附劑上的雜質解吸。之后，通過閥15、75進行二次均壓(E2D)，對塔7進行一次升壓(E1R)。二次均壓之后通過閥14進行逆向放壓(D)，使塔1中的吸附劑上雜質進一步地解吸，并通過共用廢氣管線排出裝置。然后，通過閥35、15用塔3的順向放壓(PP)氣體對逆向放壓后的塔1進行沖洗(P)，使其吸附劑上的雜質得到解吸，接著用塔3的二次均壓(E2D)的氣體通過閥35、15對塔1進一次升壓(E1R)，用塔5一次均壓(E1D)氣體通過閥56、16對塔1進行二次升壓(E2R)。之后，用產品氫通過閥12對塔1充壓到吸附壓力。完成一個吸附分離循環周期。
當由10塔切換成8塔(L8-2-3)流程時，其處理能力基本保持不變，只是收率略有降低，而文獻[1]的10-3-3切換成8-2-2時，其處理能力下降20%左右，收率略有下降。
本發明的L10-4-4流程在運行中，如果奇數系列或偶數系列中的公用系統部件，或者同一系列中的兩個或兩個以上吸附塔同時出現故障，則可(自動或手動)切換掉有故障的吸附塔系列，使無故障系列繼續運行。這時的運行流程為L5-2-2流程，即二次均壓(E1D、E2D)、兩個塔同時吸附。該流程各塔的工作程序示于附圖8。這里假定偶數系列被切掉，變成塔1、3、5、7、9這五個塔運行。現仍以塔1為例來說明L5-2-2流程。如下原料氣通過閥11進入吸附塔1，產品氫通過閥12由共用管線送到氫氣貯罐，雜質被吸附在塔1中的吸附劑上。塔1吸附步驟(A)結束后，塔1通過閥16、76對塔7進行一次均壓(E1D)，(此時塔7是第二次升壓)。一次均壓后，塔1通過閥15、95進行順向放壓(PP)，對塔9進行沖洗(P)，使塔9吸附劑上的雜質解吸。接著，塔1進行二次均壓(E1D)的氣體，通過閥15、95對塔9進行一次升壓。二次均壓后的塔1經閥14進行逆向放壓(D)，使塔1吸附劑上的雜質進一步地解吸，并通過共用廢氣管線排出裝置。然后用塔3順向放壓(PP)的氣體對塔1進行沖洗(P)，以解吸其吸附劑上的雜質。之后，用塔3二次均壓(E2D)的氣體通過閥35、15對塔1進行一次充壓(E1R)，用塔5一次均壓(E1D)的氣體通過閥56、16對塔1進行二次充壓(E2R)，然后用產品氫經閥12對塔1充壓(R)到吸附壓力。完成一個吸附分離循環周期。
L10-4-4流程同文獻[1]的10-3-3流程比，當都切換成五塔運行時，本發明L5-2-2流程比文獻[1]的5-2-1流程的處理量要大。
實施例例1、原料氣的組成如下，其壓力為2.45MPa。要求產品氫的純度為99.99%
(V)，CO含量不高于10ppm，CO2含量不高于10ppm。試比較10-3-3、L10-4-4流程的塔體積和氫氣收率。其結果列于表1
從表1不難看出，本發明在氫收率高出1%的情況下，其10個塔的總體積比10-3-3小35.3米3，相當于節約吸附劑25%。這對降低吸附塔的造價、節約吸附劑極為有利。
例2、原料氣的組成和其壓力同例1。對產品氫的純度及雜質含量要求與例1相同。試比較由10塔運行切換成8塔運行的8-2-2、L8-2-3流程之差別，結果見表2。
表2
結果表明L8-2-3流程的處理能力與原來10塔基本相同，不會影響下游裝置的供氫量。
同樣，本發明的工藝流程，當切換成五塔運行時，即L5-2-2流程仍然比文獻[1]的5-2-1流程優越，其處理能力比后者大很多。
權利要求
1.一種適用于從含氫原料氣中以變壓吸附提濃氫的十塔工藝，由吸附步驟、再生步驟和升壓步驟組成一個循環周期，在運行時同時有四塔處在吸附步驟，其特征在于L10-4-4工藝采用四次均壓(E1D、E2D、E3D、E4D)、順向放壓(PP)，逆向放壓(D)，沖洗(P)；采用四次升壓(E1R、E2R、E3R、E4R)和產品氫充壓(R)，提高產品氫的收率。
2.根據權利要求1所述的L10-4-4工藝，其特征在于當完成了吸附步驟的某一吸附塔進入再生步驟時，每進行兩步再生就有一個塔完成升壓步驟而進入吸附步驟，就有一個塔完成吸附步驟。
3.根據權利要求1所述的L10-4-4工藝，當該工藝在運行過程中由于某一吸附塔的部件發生故障而不能正常運行時，可切換成八塔流程進行運轉，其特征在于該八塔工藝流程為L8-2-3，即在任一時刻總有三個塔處于吸附步驟;采用二次均壓(E1D、E2D)，二次升壓(E1R、E2R)和產品氫充壓到吸附壓力。
4.根據權利要求1所述的L10-4-4工藝，當奇數系列或偶數系列中的公用系統部件，或者同一系列中的兩個或兩個以上的吸附塔出現故障時，可切換掉有故障的系列，變成五塔流程進行運行，其特征在于該五塔工藝流程為L5-2-2，即在任一時刻總有兩個塔處于吸附步驟;采用二次均壓(E1D、E2D)，二次升壓(E1R、E2R)和產品氫充壓(R)到吸附壓力。
全文摘要
本發明提供一種適用于從含氫原料氣中以變壓吸附提濃氫氣的十塔工藝，即L10—4—4工藝。它是由吸附、再生和升壓步驟構成的，其特點是四塔同時處于吸附步驟，采用了四次均壓，四次升和產品氫充壓。提高了裝置的處理能力，使產品氫增加1～2％(體)的收率。
文檔編號C01B3/56GK1070840SQ92110918
公開日1993年4月14日 申請日期1992年9月24日 優先權日1992年9月24日
發明者曹壽康, 梁福忠, 劉中捷, 王文彬 申請人:中國石油化工總公司, 中國石油化工總公司洛陽石油化工工程公司