[发明专利]气体分离装置和方法

说明书

背景技术

存在多种已知的制氢工艺。一些示例包括：(1)天然气或石脑油的蒸汽重整，(2)碳氢化合物例如汽油和燃料油的催化重整，和(3)煤、重油或天然气的部分氧化。在这些工艺中，天然气的蒸汽重整可能是最常用的制氢工艺。

图1示出典型的制氢工艺。该工艺包括在蒸汽甲烷重整(“SMR”)单元内使甲烷110(例如，来自天然气)与蒸汽120反应，以主要产生氢和一氧化碳(有时被称为合成气)。蒸汽重整反应如下地进行：

CH₄+H₂O＝＞CO+3H₂

此反应通常在重整单元130内在高温和高压下进行。反应受平衡限制并且高度吸热。反应所需的热由熔炉137提供。熔炉137的燃料140可从甲烷给料115供给。离开熔炉137的热废气145可用于预热进料138，并且生成用于反应的蒸汽120或使蒸汽120过热。

然后，将重整单元130的流出流送到变换反应器150以获得额外的氢。在变换反应器150中，一氧化碳与蒸汽反应以产生更多的氢。此反应通常称为“水煤气变换”，并且变换反应的化学方程式如下：

CO+H₂O＝＞CO₂+H₂

蒸汽与重整反应得到的一氧化碳反应以产生二氧化碳和额外的氢气。反应能量是放热的，并且生成的热通常用于产生额外的蒸汽或加热其它工艺液流。

将变换反应器150的流出流冷却并送到净化单元160以分离氢气。变压吸附器(“PSA”)经常用作在蒸汽重整和变换反应之后的净化单元160。通常，在PSA工艺中，气体混合物流在高压下通过吸附床，从而该床选择性地吸附和保持杂质。在此方面，PSA工艺产生基本纯净的高压氢产品。PSA床上吸附的杂质在很低的压力下解吸。这些被解吸的杂质与未被回收的氢一起形成低压残余气体，该残余气体可包含二氧化碳、一氧化碳和未反应的甲烷。

为了提高工艺的总热效率，重要的是利用工艺液流例如重整单元130和变换反应器150的工艺流出物以及熔炉137的废气145内可用的热量。除了生成蒸汽或使蒸汽过热之外，这种热量可用于加热工艺进料、熔炉的燃烧空气，以及预热锅炉给水。通常，可以从所有可用的热量生成的蒸汽量超过蒸汽重整器130所需的蒸汽量。过量的蒸汽通常作为制氢装置的副产品被输出。

如下文的表1内所示，残余气体165工艺液流--其可包含CO₂、CO、CH₄和H₂--具有较低的热值(例如，与天然气的热值9090kcal/Nm³相比为2419kcal/Nm³)，并且通常处于大约1.3bara的低压。因此，残余气体在制氢装置内的使用受限制。通常，使残余气体165再循环到重整器熔炉137内并且用作燃料。

下面的表1示出了PSA周围的典型材料平衡。

表1