[发明专利]一种变压吸附单元装置、变压吸附系统及其吸附分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及混合气体分离技术领域，尤其涉及一种变压吸附单元装置、变压吸附系统及其吸附分离方法。 

背景技术

变压吸附（PSA）方法是一种能对混合气体进行分离处理从而以高浓度和/或高净化度方式得到其中某一或某些特定组分产品气的有效措施，已有越来越多的研究和应用，以达到进一步节约能源和/或使资源得到充分利用。特别是能同时得到高含量和/或高纯度的易吸附组分和难吸附组分两种气体产品。例如，ZL92113609.9号中国专利就曾提出了一种“同时制取两种高纯度和高收率产品气的变压吸附气体分离法”。在公告号为CN1063351C的中国专利文献“提高变压吸附过程中均压次数的方法”，通过增加均压次数的方式，是一种能解决同时提高两种产品气的纯度和收率方面的有效措施，但能耗较高。 

在公告号为CN1172737C和公开号为CN1347747A、1342509A、1334135A、1546205A、1583221A，以及1557528A等诸多中国专利文献中，又分别提出了一种两段式及三段式的变压吸附方法，采用了将分别均由若干个吸附塔组成的两套（或三套）独立的变压吸附系统相互串联，每套（段）系统的变压吸附过程各自均按常规方式操作运行，完成相应的吸附、均压和解吸等步骤，分别得 到易吸附和难吸附组分气体两种产品。其特点在于，其两段式系统中的后一段（以及三段式系统中的后段）变压吸附过程是以前一段系统的出口气为原料，对前一段系统的出口气进一步进行净化精制；在解吸过程中，后一段吸附系统的均压过程结束后，吸附塔内的有效气体并不直接放空，而是直接或通过中间缓冲罐再将其返回到前一段吸附系统加以回收，从而达到提高两种气体产品的回收率和净化度的目的。例如，在以两段式吸附系统处理含有CO₂和H₂等组分的混合气体时，其一段系统用于脱除和提纯CO₂产品气，出口气中CO₂的浓度很高；二段系统以一段出口气为原料，进一步分离回收其中的CO₂，提高其出口气中H₂的净化度。这种采用两段或多段串连式的变压吸附系统对混合气体进行分离处理，可以提高易吸附和难吸附两种组分气体产品的回收率和净化度，并具有所需气体组分产品的损失小、电耗极低，以及操作简便、弹性大、运行费用低和自动化程度高等优势，但由于其各段变压吸附分离处理过程是分别在独立运行的吸附塔系统中进行的，因此整个处理系统所需的占地面积大幅度增加，同时各系统中配套所需的程控阀和中间缓冲罐等设备数量及投资也相应增大。 

在授权公告号CN100493671C专利文献中所述，两段变压吸附方法应用于变换气脱碳中，产品CO₂纯度98.5%（V），产品气中CO₂含量小于0.2%（V），氢气收率大于98.5%（V），氮气回收率大于95%（V），CO₂回收率大于70%。CO₂的纯度和产品气中CO₂含量满足生产需要，但是氢气和氮气回收率偏低，造成有效气体和能量的损失；而二氧化碳的回收率仅大于70%，导致以天然气为原料的企业无法将更多合成氨生产为尿素，导致液氨大量剩余。 

由此可以看出，上述已有报导和使用的变压吸附系统中的吸附塔单元，均 为普通单一吸附塔的结构形式。各种变压吸附方法也均是基于此种形式吸附塔单元所进行的研究和改进，因此受这一传统形式单一吸附塔单元结构自身局限所带来的问题和不足而难以有更大突破。同时，有效气体的回收率偏低，导致生产成本增加，二氧化碳的放空也对环境造成伤害。 

发明内容

为了解决现有的变压吸附装置的不足，本发明首先将提供一种新的变压吸附单元装置。在此基础上，本发明还将进一步提供采用由含有所说吸附单元装置的变压吸附系统进行混合气体分离的变压吸附方法。 

本发明所说变压吸附系统的变压吸附单元装置，同样分别设置有带程控阀的原料气进口和处理后的气体出口，该吸附单元装置是由以首尾连接方式依次设置的主吸附塔和至少一个副吸附塔组成的串连式复合结构，首尾相连的各吸附塔间分别设有控制塔间通断的主程控阀，主吸附塔上设有原料气进口，末级副吸附塔上设有处理后的气体出口。 

在上述基本结构的基础上，为进一步增加变压吸附处理过程中对各操作单元根据不同需要进行相互组合、调整时的灵活性和适应性，在上述结构中的至少一个所说吸附塔的出口与其所邻的主程控阀之间还设有至少一条带有程控阀的分支通路，和/或在至少一个所说吸附塔的进口与其所邻的主程控阀之间还设有至少一条带有程控阀的分支通路。