变压吸附系统的设计和操作方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
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专利技术的实施方式可使这种需要得到满足。专利技术简述本专利技术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。 附图说明图1示出了与本专利技术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示出了当使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：EL小维斯特，DP兹威林，TC戈尔登，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]