[发明专利]变压吸附方法和系统

说明书

本发明涉及变压吸附(PSA)方法和系统。本发明更特别涉及经变压吸附(PSA)法制备氢气。

已知存在制备氢气的各种方法。某些实例包括如下：(1)天然气或石脑油蒸汽转化，(2)碳氢化合物，如汽油或燃料油催化转化，和(3)重油或天然气部分氧化。上述方法中，天然气蒸汽转化可能是最广泛用于氢气制备的方法。图1表示甲烷蒸汽转化法制备氢气的基本工艺单元。参照图1，原料如天然气经压缩，送入纯化单元以除去硫的化合物。已脱硫原料然后与过热蒸汽混合，并送入转化器初步产生H₂和CO。转化器流出流体送入热回收单元，然后送入移位转化器(shift converter)以获得额外的氢。移位转化器流出物通过冷却处理和热量回收单元，然后送入纯化单元(例如PSA)以制备高纯度氢。以下给出用于制备氢的某些先有技术方法简要介绍。

Sircar等人，在美国专利4,077,779中，阐述一种改进四床氢PSA法；其中，在每个吸附剂床减压作业之前采用顺流置换阶段，通常称为高压清洗阶段。通过在吸附剂床减压作业之前，采用高压清洗阶段来达到提高轻组分的回收率。此外，根据该发明，在清洗和再加压阶段之间采用抽气阶段，就能以高回收率(96.5％)从75％H₂和25％CO₂原料生产高纯度H₂(99.99％)。

Fuderer等人，在美国专利5,553,981中，公开了一种通过移位转化、洗涤和PSA的组合来提高氢回收率的方法。二氧化碳主要通过洗涤去除。然后通过PSA纯化氢。PSA系统的废料部分返回到移位转化单元，改善氢回收率。一个实例中，甲烷化之后原料典型含氢97％左右，通过PSA最终可以将H₂纯化到99.99％。如果80％PSA废料返回到移位转化器，15％返回到部分氧化单元和5％排放用作燃料气体，回收率可以达到99％。

Fong等人，在美国专利5,152,975中，公开了一种制备高纯度氢的方法。该方法包括如下基本步骤：(1)部分氧化气态碳氢化合物原料，制备H₂和CO合成气体混合物，(2)使合成气体混合物同蒸汽反应将CO转化成初步含有CO₂和H₂的原料气体混合物，和(3)使原料气体混合物通过PSA处理产生高纯度氢，和一种废弃气体杂质混合物。

Kapoor等人，在美国专利5,538,706中，公开了一种从碳氢化合物制备氢和一氧化碳的方法。它包括部分氧化、PSA分离和作为一种可能性的低温蒸馏。该系统通过改进PSA分离和减少原料，提供了较好的性能。部分氧化反应器产生高纯度氢和一氧化碳。通过PSA和蒸馏联合方法，或可能仅仅通过PSA法，使氢和一氧化碳与气体混合物(含有二氧化碳、甲烷和水蒸气等)分离。至少富含碳氢化合物(和水蒸气等)的气体混合物流要返回到反应器。PSA系统的优选实施方案，包括一些串连连接的吸附区(或沸石5A或沸石13X的床)，在每个吸附区，一氧化碳吸附比碳氢化合物、二氧化碳和水蒸气差，但比氢气更强。根据该发明，采用PSA基本循环，而减压/解吸阶段分成两部分：第一部分中等减压，这个过程顶部床经受逆流减压，而底部床经受顺流减压，且一氧化碳从两个吸附床之间排出；第二部分是对两个床的正常逆流减压。该方法正如权利要求所述，可以制备纯度至少98％的氢和一氧化碳，而进入PSA单元的气体含有约55％H₂和42％CO。

McCombs等人，在美国专利4,263,018中，公开了一种变压吸附法，利用至少两个吸附床和一个储槽，储槽或着是空槽或着是填料床。储槽用于贮存床顶部的均匀减压气体，它随后要用于均匀升压阶段对另一床加压。该发明实施了依次回流策略，其中均匀减压阶段收集的无用气体，在均匀升压阶段依照纯度提高次序返回。此外，该发明公开了使用底-底床均匀阶段，其中，接受底部均匀升压气体的床也同时接受给料，即底-底床均匀阶段过程不间断的给料。

Yamaguchi等人，在美国专利5,258,059中，阐述了一种PSA法，它至少采用了三个吸附剂床，和一个进料/出料程序控制型的处置塔(分离的储槽)。该处置塔用于贮存循环的顺流减压阶段回收的无用气体。该气体然后用于循环的再生阶段清洗吸附剂床。该处置塔是为避免气体混合而特别设计的，即该处置塔中存在杂质浓度梯度。该发明限于采用至少三个吸附剂床，和一个处置塔用于贮存顺流减压气体，该气体随后用于清洗。该发明没有举例说明，该处置塔如何能在先进的PSA循环中既供给清洗气体又供给产品加压气体。