[发明专利]高效柔性变压吸附工艺

说明书

                               技术领域

本发明涉及一种具有柔性(flexible)流程结构和柔性操作条件的高效变压吸附工艺。它属于气体分离及净化技术。

                              背景技术

变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)是使气体在较高压力下吸附，而在较低压力下从吸附剂上脱附，因各组份气体在吸附剂上的平衡吸附量不同，或因吸附动力学差异实现气体分离的循环操作过程。PSA流程包含一个以上的吸附塔(吸附器)。在两个以上的吸附塔流程中，为回收机械能和提高产品收率，将操作中需要升压的塔和需要降压的塔连通，称为“均压”(Wagner，1969年U.S.Patent：3,430,418)。多塔流程中，往往按照各塔压力等级，多次均压(L.B.Batta，1971年U.S.Patent：3,564,816)。按物流在塔内的流动方向，区分为顺向均压和逆向均压。顺向均压目的是增大产品回收率，逆向均压用意在提高分离的清晰度，保证产品纯度。

一个典型的PSA循环包括以下步骤：高压下的吸附、顺向泄压、逆向泄压、吸附剂再生、增压和最终增压(参见杨祖葆：“吸附法气体分离”，化学工业出版社，1991)。存在的问题是：1、均压操作将流程中所有的吸附塔(吸附器)的运行紧密联系起来，任何一塔的操作状态的变化都会波及整个流程。由于采取塔间直接均压，使得多塔流程中的操作步骤排序复杂化。为照顾塔间配合，往往不能完全按照最佳条件分配各操作步骤的时间。由于操作的时间排序与塔数密切相关，不易通过吸附塔数目的简单增加来扩大生产能力，在某一塔出现故障情况下，很难做到不停车修理。2、顺向均压步骤导致较强吸附组份的前沿向吸附床的产品气出口端移动，致使吸附床利用率降低，相当于降低床层的吸附容量。3、现在的PSA技术所采用的吸附剂，包括各种沸石分子筛、活性炭、碳纤维、硅胶、活性氧化铝等，从比表面积考察，大都在数百至1000m²/g左右，吸附容量较低，生产单位量产品所需对原料气的压缩次数较多，致使单位产品能耗较高。

                              发明内容

本发明的目的在于提出一种柔性的(flexible)变压吸附流程，其中各吸附塔独立地在最佳条件下运行，提高整个变压吸附分离过程对偶然故障的应变能力，并且提高吸附床层利用率和吸附容量，降低能耗。

本发明是通过附图所示的变压吸附流程实现的。图中C₁、C₂...C_n是吸附塔。S₁、S₂是中间储罐，中间储罐的压力处于脱附压力与吸附压力之间的不同水平。各吸附塔完全是并列地与相关气体管线连接。即：每塔的产品出口端与产品管线连接，另一端通过阀门分别与不同压力水平的中间储罐连通管线、预吸附塔出口端的净化后原料气管线或常压脱附气管线连接。F₁和F₂是预吸附塔(净化器)；T_p是产品气储罐。在吸附塔中填充以高表面吸附剂(例如比表面积2000m²/g以上的超级活性炭)为主的单一或与其它常规吸附剂组成的混合吸附剂。在预吸附塔中，根据物流成份填充相应的常规净化吸附剂。原料气首先在吸附压力下通过一组预吸附塔，除掉其中对于主塔吸附剂难脱附的不利组份。然后进入主吸附塔的入口端，进行吸附操作，不易吸附的产品组份则进入产品气管线。吸附步骤停止后，依次与不同压力水平的中间储罐均压(本流程保证了吸附塔的逆向泄压)，最后经另一组预吸附塔向吹扫气管线泄压。下一步用产品气通过主吸附塔和预吸附塔逆向吹扫，气体进入吹扫气管线，使吸附床再生。两组预吸附塔定期切换。切换时可利用预吸附塔的旁路管线和常压脱附气管线调整预吸附塔压力。吹扫步骤之后，将中间储罐按照压力水平依次与主吸附塔均压(本流程保证了吸附塔的顺向增压)。最后，采用产品气对主吸附塔进行逆向增压，达到吸附压力，完成终充(压)步骤。本发明的操作特点，在于各吸附塔总是与中间储罐进行逆向泄压和顺向增压。

本发明的优点在于：1、具有流程结构上的柔性。由于各个吸附塔在流程中并联，一个塔的切入或切断不打乱整个变压吸附流程的运行，有利于不停车检修，也可以根据处理量的变化随时增减吸附塔数目。2、具有操作条件的柔性。每个塔的操作条件(各步骤的时间分配)无需考虑与其它塔操作的配合，因此可以调整在最佳状态。3、显著增大了床层的吸附容量。由于采取逆向泄压，提高了床层利用率，并且采用高表面吸