[发明专利]以正常和调低模式操作的六床变压吸附方法

说明书

 

发明领域

本发明涉及利用新的且先进的循环从含有氢气的进料气体(即，合成气体)获得提高的氢气回收率的六床变压吸附(PSA)系统。在一个此类循环中，六个床各自均具有四个压力均衡步骤，并且所述床中的至少一个接收并处理所述进料气体以获得氢气产物气体(即，6-1-4循环)。该六床PSA系统可以以调低(turndown)模式操作，其中一个或两个床处于离线。新的五床循环包括三个均衡步骤，同时至少一个床在操作中(即，5-1-3循环)。四床循环包括两个均衡步骤，同时至少一个床在操作中。该调低模式分别实现氢气生产量小于4%的减少和8%的减少。此外，本发明涉及PSA的床中所采用的新的吸附层。

 

发明背景

在化学处理工业中，仍然存在对由流出物处理的诸如氢气的高纯度气体的需求。这些流出物是含有氢气的进料混合气体(即，合成气体)，其来自天然气或石油(naptha)的蒸气甲烷重整、烃类的催化重整、异构化处理等类似物，所述流出物被输送至PSA以用于进一步加工。这一不断增长的需求需要开发出用于从各种进料混合物生产氢气(H₂)的高效的分离工艺(例如，PSA)。为了获得高效的PSA分离工艺，必须同时降低PSA系统的资金和运营成本。降低PSA系统成本的一些方式包括降低吸附剂库存，减少PSA床的数量，并在PSA处理中使用先进的循环。前述降低PSA系统成本的方式构成本发明的要素。

众所周知，常规PSA系统用于分离含有具有不同吸附特征的成分的进料混合气体。例如，在典型的PSA系统中，将多成分气体混合物在升高的压力下通至多个吸附床中至少一个，以吸附至少一种被强吸附的成分同时至少一种组分通过。在氢气PSA的情况下，氢气是通过床的最弱吸附的成分。在规定的时间，中止进料步骤并在一个或更多个步骤中将吸附床并流减压，在一个或更多个步骤中逆流净化，并在一个或更多个步骤中逆流泄料以使基本上纯的氢气产物能以高回收率离开该床。步骤的顺序不限于上述顺序并且两个或更多个步骤的组合也可作为单个步骤使用。

美国专利第4,834,780号涉及六床PSA系统，其具有在6-1-3和6-1-4循环操作中的一个床，其中该循环中的第一个数字表示总床数，第二个数字表示在任何时刻进料步骤的床数，而第三个数字表示该PSA循环中的床到床均衡步骤数。因此，6-1-3意指在任一时刻均具有一个床在进料的六床PSA循环，并且该PSA循环包括三个床到床均衡步骤。在下面的表1中再现该循环。

 

表1：6-1-3 PSA循环图。

 

根据6-1-3循环的教导，PSA系统将PSA尾气的连续流输送至除去压力、流速和组成波动的缓冲罐中，然后将其送至上游单元(例如，SMR)供使用(例如，SMR燃烧器燃料)。然而，本专利的6-1-4循环的特征是不连续PSA尾气流经缓冲罐送至上游。不连续PSA尾气流可在氢气设备中产生波动。

美国专利第6,454,838号涉及改进的6-1-4循环，以除去供应至缓冲罐的不期望的不连续PSA尾气。然而，本专利中提供的解决方案导致具有几个无用步骤的PSA循环。特别地，描述二十四个步骤循环有四个空闲步骤且重叠第四均衡和泄料步骤。本领域技术人员将意识到PSA循环中的无用步骤总是导致PSA工艺性能下降(例如，较低的氢气回收率)。在替代实施方案中，美国专利第6,454,838号公开了6-1-4 PSA循环，其中PSA循环由循环中的二十四个步骤组成(参见表3)，其特征如下：(1)重叠提供净化以及第四均衡步骤；(2)用于暂时贮存来自第二均衡步骤的气体的另外的罐；(3)无无用步骤以及(4)连续废气流动。然而，在该实施方案中，利用贮罐以便除去四个无用步骤。此外，与现有技术6-1-3循环相比，用于利用第四均衡的循环的PSA工艺回收率下降1 – 1.5%。参见表4。

由本发明的转让人共有的美国专利第6,007,606号公开了涉及将具有各种纯度的产物贮存于分离的贮罐以供随后使用的PSA工艺。在净化和再加压步骤期间，使用床的产物端所接收的增加纯度的产物。此外，在提高压力步骤期间为了增加产物成分含量在床的进料端接收逆流减压步骤期间在床的进料端收集的不同组分流。