具有額外洗脫的變壓吸附方法
【專利說明】具有額外洗脫的變壓吸附方法
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種通過吸附處理氣體的方法，在該類型的方法中采用變壓吸附處理 單元，通常稱為PSA單元，而且其中所述單元通過洗脫氣體調(diào)整。
[0002] PSA單元通常用于進(jìn)料氣體的分離和/或提純，特別是在生產(chǎn)氨氣和二氧化碳、干 燥、分離空氣組分等領(lǐng)域。
[0003] 所用生產(chǎn)基本純的氨氣的"PSA-也"單元采用不同來源的進(jìn)料氣體，例如由蒸汽重 整得到的氣體、煉廠氣或焦?fàn)t氣形成，或者由來自乙締或苯乙締生產(chǎn)單元的廢氣形成，或來 自低溫氨氣-一氧化碳分離單元。
[0004] 通常來說，PSA單元由幾個(gè)吸附器組成，所述吸附器W-定時(shí)間間隔形成操作循 環(huán)，為了方便隨后稱為"PSA循環(huán)"，其在多至操作的吸附器數(shù)的相位時(shí)間內(nèi)均勻分布，而且 由基本步驟，即如下步驟組成：
[0005] -吸附，基本在循環(huán)的高壓下進(jìn)行；
[0006] -順流減壓，通常從循環(huán)的高壓開始；
[0007] -逆流減壓，通常從循環(huán)的低壓開始；
[000引-洗脫，基本在循環(huán)的低壓下進(jìn)行;和
[0009] -再加壓，從循環(huán)的低壓到循環(huán)的高壓。
[0010] 在下文中，描述會(huì)設(shè)及PSA單元在穩(wěn)定狀態(tài)下的操作，即在此期間所述單元處于開 車或停車的暫態(tài)時(shí)期除外，其通常對(duì)應(yīng)于為該目的設(shè)置的特殊循環(huán)。
[0011] 穩(wěn)定狀態(tài)下PSA單元的主要操作約束條件包括產(chǎn)品純度。在該操作條件下，此時(shí)通 常優(yōu)化PSA單元的處理效能水平(performance level)，從而最大化提取效率(產(chǎn)生的氣體 量/該氣體在進(jìn)料氣體中的存在量），或從而最小化耗能。
[0012] 用運(yùn)種方法得到PSA單元的額定操作循環(huán)，其可W直接作為額定操作條件(進(jìn)料氣 體的流動(dòng)速率、被處理氣體的流動(dòng)速率、進(jìn)料氣體組成、單元的操作溫度等）的函數(shù)來確定。 當(dāng)操作條件只是略微偏離額定條件時(shí)，在過去提出通過調(diào)節(jié)額定循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)調(diào) 整PSA單元的操作，W保證處理效能水平保持處于預(yù)定最小限值之上。運(yùn)樣的方法有兩條規(guī) 則，它們是：
[0013] 生產(chǎn)量"規(guī)則，其在于作為進(jìn)料氣體流動(dòng)速率的函數(shù)改變循環(huán)的相位時(shí)間的持 續(xù)時(shí)間；和
[0014] 純度控制"規(guī)則，其在于作為被處理氣體的純度的函數(shù)改變相位時(shí)間。
[0015] 運(yùn)里可取的是限定對(duì)循環(huán)時(shí)間和相位時(shí)間（或更簡單地相位)的理解。
[0016] 如上所述，吸附器因此開始吸附期直到其在高壓下停止負(fù)載組分，然后通過減壓 和提取被吸附化合物再生，然后復(fù)原，從而再次開始新的吸附期。此時(shí)吸附器進(jìn)行了一個(gè) "壓力循環(huán)"，所述PSA方法的基本原則是將運(yùn)些循環(huán)一個(gè)接一個(gè)地連接在一起;因此其是一 個(gè)循環(huán)過程。吸附器回到其起始狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間稱為循環(huán)時(shí)間。原則上，每一個(gè)吸附器W 一定時(shí)間間隔進(jìn)行相同的循環(huán)，該時(shí)間間隔稱為相位時(shí)間或更簡單地相位。因此存在下面 關(guān)系。
[0017] 相位時(shí)間二循環(huán)時(shí)間/吸附器數(shù)，可見相位數(shù)等于吸附器數(shù)。
[001引可W有任意數(shù)目N個(gè)吸附器，但通常N為2-32,更典型為4-16。
[0019] 最終，在穩(wěn)定的操作下(運(yùn)里假設(shè)在降低的進(jìn)料流動(dòng)速率下），得到了所需純度和 所用循環(huán)的額定效率。
[0020] 然而，事實(shí)是，相對(duì)于具體就運(yùn)種情況所作出的設(shè)計(jì)，在運(yùn)些新條件下運(yùn)行的單元 是超設(shè)計(jì)(overdesign)。攤銷初始投資歸結(jié)為較低氨氣產(chǎn)量，因此具體成本更高。在該單元 的長操作期內(nèi)，運(yùn)種操作是不經(jīng)濟(jì)的。
[0021] 本發(fā)明的目的是利用運(yùn)種超設(shè)計(jì)W改善生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)條件，特別是通過提高提取效 率，即通過生產(chǎn)更多適銷氨氣(如果由于某些原因進(jìn)料流動(dòng)速率受到限制），或通過降低必 要的進(jìn)料氣體量，且由此例如降低消耗的天然氣量，從而得到通過SMR產(chǎn)生合成氣(如果產(chǎn) 量是固定的）。
[0022] 本發(fā)明的一種解決方案是一種由進(jìn)料氣體料流生產(chǎn)富集化合物X的氣體料流的變 壓吸附(PSA)法，該方法采用至少兩個(gè)吸附器，其中每一個(gè)吸附器經(jīng)受具有高壓和低壓的壓 力循環(huán)，并且包括下述連續(xù)步驟：
[0023] a)在循環(huán)的高壓下吸附，產(chǎn)生富集化合物X的氣體料流
[0024] b)減壓到循環(huán)的低壓
[0025] C)在低壓下借助洗脫氣體洗脫 [00%] d)再加壓到高壓
[0027] 其特征在于：
[0028] -洗脫氣體包含一部分由吸附器減壓得到的氣體料流和一部分富集化合物X的氣 體料流，和
[0029] -所述富集化合物X的氣體料流的比例可W通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)。
[0030] 取決于情況，本發(fā)明的方法可W具有一個(gè)或多個(gè)下述特征：
[0031] -富集化合物X的氣體料流的比例作為至少一個(gè)PSA操作條件的函數(shù)調(diào)節(jié)；
[0032] -操作條件包括PSA的進(jìn)料流動(dòng)速率、低壓、高壓、進(jìn)料料流的溫度、氣體進(jìn)料料流 的組成和所需富氣體料流中的化合物X的濃度，W及所需富集化合物X的氣體料流的流動(dòng)速 率.
[0033] -壓力循環(huán)的相位時(shí)間對(duì)應(yīng)于壓力循環(huán)持續(xù)時(shí)間除W吸附器數(shù)，并且富集化合物X 的氣體料流的比例作為相位時(shí)間的函數(shù)確定；
[0034] -壓力循環(huán)的相位時(shí)間對(duì)應(yīng)于壓力循環(huán)持續(xù)時(shí)間除W吸附器數(shù)，并且富集化合物X 的氣體料流的比例的選擇使得相位時(shí)間對(duì)應(yīng)于額定相位時(shí)間± 5 %，額定相位時(shí)間對(duì)應(yīng)于 設(shè)計(jì)條件下的PSA的相位時(shí)間；
[0035] -調(diào)節(jié)裝置包括自動(dòng)閥；
[0036] -自動(dòng)閥在PSA循環(huán)中還具有另外的功能；
[0037] -壓力循環(huán)包括1-6次，優(yōu)選2-5次均壓；
[0038] -減壓步驟b)包括幾個(gè)子步驟，由減壓得到的氣體料流部分與另外子步驟同時(shí)取 出或由另外子步驟至少部分地取出；
[0039] -富集化合物X的氣體料流部分的取出貫穿相位時(shí)間的持續(xù)時(shí)間；
[0040] -化合物X是氨氣或C〇2。
[0041] "額定條件"可定義為客戶設(shè)定的所有條件，其決定了單元的設(shè)計(jì)和它的效能。
[0042] 例如，對(duì)于出-PSA，考慮進(jìn)料氣體的組成、所需此純度、產(chǎn)物流動(dòng)速率、進(jìn)料氣體壓 力、生產(chǎn)壓力(或單元中的最大壓降）和廢氣的最小壓力。運(yùn)些主要參數(shù)中可增加其他條件， 所述其他條件將導(dǎo)致任選必須超設(shè)計(jì)某一設(shè)備(例如再生氣體組成的最大波動(dòng)可決定廢氣 生產(chǎn)量的規(guī)模）。應(yīng)注意最小此提取效率可W是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):此時(shí)其將設(shè)定在確定PSA循環(huán)中 提供的最小均壓次數(shù)?？山o出進(jìn)料氣體每一組分的組成范圍，而不是進(jìn)料氣體的精確組成。 此時(shí)設(shè)計(jì)人員的責(zé)任是確定對(duì)PSA而言最嚴(yán)格的組成。
[0043] 現(xiàn)在將采用下述兩個(gè)方案更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，第一個(gè)對(duì)應(yīng)于就循環(huán)和基本規(guī) 則而言標(biāo)準(zhǔn)的出-PSA單元，第二個(gè)根據(jù)本發(fā)明。
[0044] W實(shí)例方式和非限制性地，選擇了 8.1.3PSA循環(huán)，即所述循環(huán)具有8個(gè)吸附器，同 一時(shí)間只有1個(gè)處于生產(chǎn)中且3次均壓。
[0045] 在一個(gè)相位時(shí)間過程中，下面所用表示在于顯示8個(gè)吸附器的情況。
[0046] 必要的話，此時(shí)可通過每行補(bǔ)充下述步驟構(gòu)建完整的循環(huán)。
[0047] 表 1
[0049] 實(shí)際上，當(dāng)吸附器完成其在循環(huán)的高壓下的生產(chǎn)相位時(shí)(Ads),其通過均壓Edl和 Ed2(由死時(shí)間I分開)減壓，然后進(jìn)行第3次均壓Ed3,然后是死時(shí)間和第一個(gè)提供吹掃(PP) 的步驟。接下來的相位由兩個(gè)補(bǔ)充提供吹掃的步驟(使得在一個(gè)相位的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn) 生洗脫氣體)和逆流泄壓步驟組成。接下來的兩個(gè)相位致力于洗脫步驟。應(yīng)注意單個(gè)洗脫相 位足W獲得一個(gè)有效的PSA循環(huán)，但洗脫持續(xù)時(shí)間太短和壓降較高不利于PAS的效能。接下 來的相位對(duì)應(yīng)于在增壓Eup 3和2下的均壓，并且最后的相位由最后的均壓Eupl和最后用產(chǎn) 物再加壓組成(也可通過進(jìn)料氣體再加壓）。應(yīng)注意選擇貫穿相位的持續(xù)時(shí)間內(nèi)再加壓，因 此與第一次均壓同時(shí)，從而保證恒定產(chǎn)物流動(dòng)速率。運(yùn)緩慢地限制第一次均壓化dl)過程中 回收的氣體，因此略微降低了出的提取效率。
[0050] 具體來說，已知至少對(duì)于此-PSA來說，先驗(yàn)地，增加均壓次數(shù)（如果高低壓條件允 許），達(dá)4或5次(正如如下情況，通常用于處理源于如SMR單元的范圍為25-30己（絕對(duì)壓力） 的合成氣且其廢氣在低壓下使用（約1.3己（絕對(duì)壓力））W供應(yīng)SMR的燃燒器的單元），使得 可W提高出提取效率。運(yùn)導(dǎo)致產(chǎn)率的損失。
[0051] 此外，運(yùn)也為在從由二元甲燒-氨氣混合物形成的進(jìn)料氣體生產(chǎn)高純度氨氣方面 的出版物"Parametric Sl:udy of a Pressure Swing Adso巧tion Process",AI化E 1999， Annual Meeting，Dallas"所證實(shí)。所用的壓力循環(huán)類似于上述那些。表明均壓次數(shù)從I次變 化到3次使得就效率而言可W增加2.5%，但是不利的是吸附劑量增加40%。
[0052]在提供吹掃(PP)步驟過程中取出的洗脫氣體量對(duì)所述方法能效的影響也是一個(gè) 已知的事實(shí)。為此，通常利用洗脫比P/F，其為即在壓力和溫度操作條件下，使用的洗脫氣體 量與循環(huán)過程中引入吸附器中的進(jìn)料氣體量的比（W實(shí)際立方米計(jì)）。前