[发明专利]以正常和调低模式操作的十床变压吸附工艺

说明书

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十床变压吸附(PSA)系统。更特别地，通过新开发的工艺循环，十床PSA系统能够匹配被设计以生产1亿标准立方英尺每天的气体的常规十二床PSA系统的氢气回收率。

本申请是2012年1月4日提交的题为“以正常和调低模式操作的十床变压吸附工艺”的国家申请号为201280012939.9(PCT/US2012/020197)的发明专利申请的分案申请。

技术领域

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十床变压吸附(PSA)系统。更特别地，通过新开发的工艺循环，十床PSA系统能够与设计用于每天制造100百万标准立方英尺的气体的常规十二床PSA系统的氢气回收率相匹配。十床PSA系统和相关工艺循环是有利的，因为其提供床尺寸因素方面大约20％的降低。由于少利用两个床及相关的阀和配管而实现另外的资金成本节省。本发明十床PSA系统可以调低模式操作，其中一个或更多个床处于离线，本文也称为调低模式。此外，本发明涉及PSA的床中所采用的新的吸附层。

背景技术

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、异构化处理等的含有氢气的进料混合气体(即，合成气体)，所述流出物被输送至PSA以供进一步加工。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。一些减少PSA系统成本的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。前述减少PSA系统成本的方式构成本发明的要素。

众所周知，常规PSA系统可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，使多成分气体在升高的压力下流至多个吸附床的至少一个，以吸附至少一种被强吸附的成分同时至少一种成分通过。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，中止进料步骤并以一个或更多个步骤将吸附床并流减压，以一个或更多个步骤逆流净化，并以一个或更多个步骤逆流减压以使基本上纯的氢气产物能以高回收率离开床。步骤的次序不限于前述次序，并且两个或更多个步骤的组合可作为单个步骤的一部分而被实施。

在相关领域中，美国专利第4,475,929号公开了具有以下循环的四床、六床、九床和十床PSA系统：该循环利用较高压吸附并流减压至中间压力、逆流减压和/或较低压力净化和再加压。并流净化步骤是并流减压前在吸附压力下采用。采用甲烷或天然气作为并流净化气体。

美国专利第3,986,849号描述使用PSA系统中的至少七个床来进行进料气体混合物(例如含二氧化碳和氮杂的质氢气)的隔热的PSA分离。至少两个床在任何时刻在进料步骤中。根据本专利公开，在氢气纯化系统中使用七床、八床、九床和十床PSA系统。

美国专利第4,650,500号涉及10-3-3PSA循环(10床PSA系统-在任何时刻3个床在生产中-3个床到床均衡步骤)以实现改善的PSA工艺性能。变压吸附循环的吸附步骤时的床的数量在整个循环中以循环方式变化。因此，将最后的床再加压步骤与局部再加压-压力均衡步骤分离，据称能提高产物回收率而使产物流出物从吸附系统流出时或使用外部再加压贮罐时不会不连续。本专利还公开了用于氢气纯化的10-3-3PSA循环。

美国专利第6,379,431号公开了十床氢气PSA工艺，据称，该十床氢气PSA工艺具有与常规十二-床PSA系统相同的回收率。工艺具有四个压力均衡步骤，随后是提供净化、泄料、净化、压力均衡和产物再加压步骤。然而，循环不包括四个完全均衡步骤，并且某些循环包括无用步骤。而且，美国专利第6,379,431号中描述的工艺循环不遵循顺序回流方案(sequential refluxing protocol)，导致氢气回收率的下降。