一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法及装置
技术领域
本发明涉及氢气回收领域,具体涉及一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法及装置。
背景技术
变压吸附技术(PSA)广泛应用于氢气回收领域。在现有的变压吸附制氢工艺及装置中,为提高收率,降低运行成本,采用多次均压,但其氢气收率一般不会超过92%。长期以来,因为变压吸附技术的特性,产品氢气收率与产品氢气纯度成反比,造成在得到高纯度产品氢气的要求下,产品氢气收率不高,因此,在现有变压吸附技术基础上制取高纯度氢气造成了巨大的资源浪费。
变压吸附塔在工作一段时间后,其内部的分子筛会逐渐失去活性,需要再生后才能继续工作,传统的再生方法包括真空抽取法和冲洗法两种。真空抽取法需要用到大型的真空泵,提高了成本投入,而且后续的能源消耗量也更大。冲洗法是通过产品氢气对分子筛进行冲洗,使分子筛内杂质分压降低,从而完成分子筛的再生,这个过程需要用到大量产品氢气和加压装置,提高了成本投入,增加了能耗,得到的冲洗气体无法有效利用,降低了氢气的收率。
另外,膜分离技术也越来越广泛的运用到氢气回收领域。通过膜分离技术得到的氢气纯度较高,最高能达到99.8%,但是依然不能达到高纯度的要求。而且,原料气体在需要较高的压力才能通过膜分离装置,这使得膜分离装置前端要配备增压泵,增加了成本投入和能耗。
发明内容
本发明的第一个目的即在于克服现有工艺氢气收率低、氢气纯度不高、成本投入大、能耗高的不足,提供一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法。
本发明的第一个目的通过以下技术方案实现:
一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法,包括以下步骤:
A.一段变压吸附:将原料气体加压后送入一段变压吸附塔,吸附部分杂质,得到中间气体;
B.二段变压吸附:将中间气体加压后送入二段变压吸附塔,吸附杂质,得到产品氢气;
C.再生:一段变压吸附塔均压降后逆放,二段变压吸附塔均压降后逆放,二段变压吸附塔的逆放气体对一段变压吸附塔进行第一次冲洗,二段变压吸附塔均压升,然后采用产品氢气对二段变压吸附塔进行高压冲洗,同时将高压冲洗气体导入膜分离装置,回收氢气含量较高的渗透气,将未渗透气用于对一段变压吸附塔进行第二次冲洗,冲洗完成后,对一段变压吸附塔进行均压升,完成再生。
均压降是指,吸附过程结束后的变压吸附塔顺着吸附方向将塔内的较高压力的气体放入其它已完成再生的较低压力的变压吸附塔内的过程。这一过程用于降低吸附过程结束后的变压吸附塔的内部压力,更为重要的是,通过气体的流动,可以回收床层死空间(吸附完成后,床层内未能有效利用的部分,该部分内含有有效气体氢气)内的有效气体。
逆放是指,变压吸附塔完成最后一次均压降之后,逆着吸附方向放出塔内氢气含量较低的气体,将变压吸附塔内压力降至接近常压。
均压升是与均压降对应的过程,即是将其他变压吸附塔内的较高压力的气体放入内部压力较低的变压吸附塔内,使其内部压力升高的过程。该过程同样可以回收床层死空间内的有效气体。
冲洗是指采用氢气含量高的气体通过变压吸附塔内的分子筛,使分子筛内杂质的分压降低,从而带出分子筛内杂质的过程。
发明人通过研究,发现变压吸附技术和膜分离技术都存在一定程度的缺陷,为了克服上述缺陷,发明人将膜分离技术和变压吸附技术组合起来使用。本方案采用两段式变压吸附以得到高纯度氢气,并通过膜分离装置处理二段变压吸附的冲洗气体,提高了收率。传统的膜分离技术要用到增压泵,其成本投入大,能耗高,发明人将将变压吸附技术与膜分离技术相结合也克服了上述缺陷。方法是,在二段变压吸附塔逆放完成后,对二段变压吸附塔均压升,使二段变压吸附塔内具备较高的压力,然后再对其进行高压冲洗,从而让冲洗气体达到高压状态,高压状态的冲洗气体能够自动通过膜分离装置,避免了增压泵的使用,降低了成本投入和能耗(如果在二段变压吸附塔逆放完成后,直接通入冲洗气体,冲洗气体的压力无疑会变低,无法自动通过膜分离装置),实现了无动力膜分离。另外,传统的变压吸附技术中,冲洗气体需要用加压装置进行加压后才能送入变压吸附塔进行冲洗,为解决这一问题,发明人将二段变压吸附塔的逆放气体用于一段变压吸附塔的第一次冲洗,将未渗透气用于对一段变压吸附塔的第二次冲洗,由于逆放气体和未渗透气均具备一定压力,可以不用加压即可直接用于一段变压吸附塔的冲洗,避免了加压装置的使用,降低了成本投入和能耗,实现了无动力冲洗,充分利用了氢气含量较低的逆放气体和未渗透气。
作为本发明技术方案的第一种优化,在所述步骤C中,所述高压冲洗气体经稳压后导入膜分离装置。由于变压吸附塔内部压力不均,从二段变压吸附塔出来的高压冲洗气体的压力存在波动,直接将其导入膜分离装置会影响膜分离装置的寿命。将高压冲洗气体稳压后再导入膜分离装置避免了上述问题。通常,我们可以采用稳压阀等装置对高压冲洗气体进行稳压。
作为本发明技术方案的第二种优化,将所述渗透气作为原料气体使用,进一步提高了收率。
作为本发明技术方案的第三种优化,在所述步骤C中,在对一段变压吸附塔均压升后,对一段变压吸附塔进行终充,使一段变压吸附塔内部压力达到吸附压力;在二段变压吸附塔冲洗完成后,对二段变压吸附塔进行终充,使二段变压吸附塔内部压力达到吸附压力。
终充是指向变压吸附塔内充入气体,使变压吸附塔内部压力达到吸附压力,其作用是使变压吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附状态,并保证产品纯度和压力在这一过程中不发生过大波动。
进一步的,采用所述中间气体对一段变压吸附塔进行终充,采用所述产品氢气对二段变压吸附塔进行终充。由于一段变压吸附对氢气纯度的要求不高,因此采用中间气体对一段变压吸附塔进行终充,二段变压吸附用于输出产品氢气,对氢气纯度要求高,因此,采用产品氢气对二段变压吸附进行终充,减少了产品氢气的使用,提高了收率。
本发明的第二个目的即在于克服现有的变压吸附装置和膜分离装置氢气收率低、氢气纯度不高、成本投入大、能耗高的不足,提供一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的装置。
本发明的第二个目的通过以下技术方案实现:
一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的装置,包括进气压缩机、多个一段变压吸附塔、第一逆放管、出气管、第一终充管、第一均压管、连接管、中间气体压缩机、多个二段变压吸附塔、第二逆放管、第二终充管、第二均压管、膜分离装置、缓冲罐A、缓冲罐B、第一冲洗管和高压冲洗管,进气压缩机通过管路与一段变压吸附塔的进口连接,第一逆放管与一段变压吸附塔的进口连接,第一终充管、第一均压管、第一冲洗管与一段变压吸附塔的出口连接,第二逆放管、高压冲洗管与二段变压吸附塔的进口连接,出气管、第二终充管、第二均压管与二段变压吸附塔的出口连接,连接管与一段变压吸附塔的出口以及二段变压吸附塔的进口连接,中间气体压缩机设置于连接管上,膜分离装置的非渗透端与高压冲洗管和缓冲罐A连接,膜分离装置的渗透端与缓冲罐B连接,缓冲罐B和第二逆放管与第一冲洗管连接。
本发明将变压吸附装置与膜分离装置结合,提高了氢气的收率和氢气的纯度,并且将缓冲罐B和第二逆放管与第一冲洗管连接,使得二段变压吸附塔的逆放气体以及未渗透气能够最接对一段变压吸附塔进行冲洗,避免了加压装置的使用,降低了成本投入和能耗,实现了无动力冲洗。另外,第二均压管不单能起到均压降的作用,还能在二段变压吸附塔逆放完成后,对二段变压吸附塔均压升,使二段变压吸附塔内具备较高的压力,然后再对其进行高压冲洗,从而让冲洗气体达到高压状态,高压状态的冲洗气体能够自动通过膜分离装置,避免了增压泵的使用,降低了成本投入和能耗,实现了无动力膜分离。
作为本发明技术方案的第一种优化,所述膜分离装置与高压冲洗管之间设置有稳压阀。以保证吸附塔冲洗压力,在完成冲洗后直接终冲,完成再生过程。
作为本发明技术方案的第二种优化,将所述缓冲罐A通过回收气管与所述进气压缩机连接,使渗透气能够用作原料气体,提高了收率。
作为本发明技术方案的第三种优化,所述第一终充管与所述连接管连接,所述第二终充管与所述出气管连接。采用所述中间气体对一段变压吸附塔进行终充,采用所述产品氢气对二段变压吸附塔进行终充。由于一段变压吸附对氢气纯度的要求不高,因此采用中间气体对一段变压吸附塔进行终充,二段变压吸附用于输出产品氢气,对氢气纯度要求高,因此,采用产品氢气对二段变压吸附进行终充,减少了产品氢气的使用,提高了收率。
综上所述,本发明的优点和有益效果在于:
1.将膜分离技术和变压吸附技术组合起来使用,采用两段式变压吸附以得到高纯度氢气,并通过膜分离装置处理二段变压吸附的冲洗气体,提高了收率;
2.避免了增压泵和加压装置的使用,降低了成本投入和能耗,实现了无动力膜分离以及无动力冲洗;
3.采用稳压阀对高压冲洗气体进行稳压,避免了高压冲洗气体的压力波动对膜分离装置的影响;
4.将渗透气作原料气体,提高了收率;
5.采用均压的方式回收床层死空间内的气体,能够最大程度利用原料气体,提高了收率;
6.采用终充的方式将变压吸附塔内的压力提升至吸附压力,保证产品纯度和压力在吸附过程中不发生波动;
7.根据一段变压吸附和二段变压吸附对氢气纯度的不同要求,分别利用中间气体和产品氢气对一段变压吸附塔和二段变压吸附塔进行终充,减少了产品氢气的使用,提高了收率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例,下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域的技术人员来讲,在不付出创造性劳动的情况下,还可以根据下面的附图,得到其它附图。
图1为本发明一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的装置的结构示意图;
其中,附图标记对应的零部件名称如下:
1-进气压缩机,2-一段变压吸附塔,3-第一逆放管,4-出气管,5-第一终充管,6-第一均压管,7-连接管,8-中间气体压缩机,9-二段变压吸附塔,10-第二逆放管,11-第二终充管,12-第二均压管,13-膜分离装置,14-缓冲罐A,15-缓冲罐B,16-第一冲洗管,17-回收气管,18-高压冲洗管,19-稳压阀。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明,下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的,下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分,而不是全部。基于本发明记载的实施例,本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例,均在本发明保护的范围内。
实施例1:
一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法,包括以下步骤:
A.一段变压吸附:将原料气体加压后送入一段变压吸附塔,吸附部分杂质,得到中间气体;
B.二段变压吸附:将中间气体加压后送入二段变压吸附塔,吸附杂质,得到产品氢气;
C.再生:一段变压吸附塔均压降后逆放,二段变压吸附塔均压降后逆放,二段变压吸附塔的逆放气体对一段变压吸附塔进行第一次冲洗,二段变压吸附塔均压升,然后采用产品氢气对二段变压吸附塔进行高压冲洗,同时将高压冲洗气体导入膜分离装置,回收氢气含量较高的渗透气,将未渗透气用于对一段变压吸附塔进行第二次冲洗,冲洗完成后,对一段变压吸附塔进行均压升,完成再生。
本实施例中,在二段变压吸附塔逆放完成后,对二段变压吸附塔均压升,使二段变压吸附塔内具备较高的压力,然后再对其进行高压冲洗,从而让冲洗气体达到高压状态,高压状态的冲洗气体能够自动通过膜分离装置,避免了增压泵的使用,降低了成本投入和能耗,实现了无动力膜分离。将二段变压吸附塔的逆放气体用于一段变压吸附塔的第一次冲洗,将未渗透气用于对一段变压吸附塔的第二次冲洗,由于逆放气体和未渗透气均具备一定压力,可以不用加压即可直接用于一段变压吸附塔的冲洗,避免了加压装置的使用,降低了成本投入和能耗,实现了无动力冲洗。
本实施例提供的方法适用于回收各种原料气体中的氢气,其一段变压吸附塔和二段变压吸附塔内装填有可吸附原料气体中杂质的分子筛,分子筛的种类可以根据原料气体的种类进行选择。分子筛采用现有的分子筛,本领域技术人员能够通过分子筛的吸附特性和技术参数有针对性的选用。
需要说明的是,本实施例提供的方法并非严格按照文字叙述的顺序进行。众所周知,无论是一段变压吸附塔还是二段变压吸附塔都为多个,在一段变压吸附或二段变压吸附中,当一部分变压吸附塔进行吸附时,另一部分变压吸附塔即进行再生,整个氢气回收过程是一个不断循环的过程。
实施例2:
本实施例为了消除高压冲洗气体的压力波动对膜分离装置的影响,在实施例1的基础上,于步骤C中,将所述高压冲洗气体经稳压后导入膜分离装置。
实施例3:
本实施例为了提高收率,在实施例1的基础上,将渗透气作为原料气体使用。
实施例4:
本实施例为了保证产品纯度和压力在吸附过程中不发生波动,在实施例1的基础上,在步骤C中,在对一段变压吸附塔均压升后,对一段变压吸附塔进行终充,使一段变压吸附塔内部压力达到吸附压力;在二段变压吸附塔冲洗完成后,对二段变压吸附塔进行终充,使二段变压吸附塔内部压力达到吸附压力。
实施例5:
本实施例为了降低产品氢气的使用量,在实施例4的基础上,采用所述中间气体对一段变压吸附塔进行终充,采用所述产品氢气对二段变压吸附塔进行终充。
显而易见的,实施例1~实施例5中所述的方法可以任意组合。
实施例6:
如图1所示,一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的装置,包括进气压缩机1、四个一段变压吸附塔2、第一逆放管3、出气管4、第一终充管5、第一均压管6、连接管7、中间气体压缩机8、四个二段变压吸附塔9、第二逆放管10、第二终充管11、第二均压管12、膜分离装置13、缓冲罐A14、缓冲罐B15、第一冲洗管16和高压冲洗管18,进气压缩机1通过管路与一段变压吸附塔2的进口连接,第一逆放管3与一段变压吸附塔2的进口连接,第一终充管5、第一均压管6、第一冲洗管16与一段变压吸附塔2的出口连接,第二逆放管10、高压冲洗管18与二段变压吸附塔9的进口连接,出气管4、第二终充管11、第二均压管12与二段变压吸附塔9的出口连接,连接管7与一段变压吸附塔2的出口以及二段变压吸附塔9的进口连接,中间气体压缩机8设置于连接管7上,膜分离装置13的非渗透端与高压冲洗管18和缓冲罐A14连接,膜分离装置13的渗透端与缓冲罐B15连接,缓冲罐B15和第二逆放管10与第一冲洗管16连接。
需要说明的是,一段变压吸附塔2和二段变压吸附塔9的数量并不一定限于四个。
本实施例主要用于实现实施例1以及实施例4中所述的方法。
实施例7:
如图1所示,本实施例在实施例6的基础上,所述膜分离装置13与高压冲洗管18之间设置有稳压阀19。
本实施例用于实现实施例2中所述的方法。
实施例8:
如图1所示,本实施例在实施例6的基础上,将缓冲罐A14通过回收气管17与所述进气压缩机1连接。
本实施例用于实现实施例3中所述的方法。
实施例9:
如图1所示,本实施例在实施例6的基础上,第一终充管5与所述连接管7连接,所述第二终充管11与所述出气管4连接。
本实施例用于实现实施例5中所述的方法。
显而易见的,实施例6~实施例9中所述的技术方案可以任意组合。
对上述实施例中一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法及装置的结合,作进一步说明。
实施例10:
本实施例对上述实施例中一种变压吸附无动力膜分离联合分离氢气的方法及装置的结合,作出进一步说明。
如图1所示,将成分约为氢气质量百分比为37%、二氧化碳质量百分比为18.5%、一氧化碳质量百分比为1%、甲烷质量百分比为7%、氮气质量百分比为36.5%、压力为10Kpa的原料荒煤气通过进气压缩机1加压到0.7MPa后送入一段变压吸附塔2中,通过阀门的控制,原料气按一定的时间间隔,分不同的时段,逐次按顺序进入一段变压吸附塔2中。一段变压吸附塔2内的分子筛将原料气中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷及部分氮气吸附。得到的中间气体(氢气的质量百分比为76%,、氮气的质量百分比为22%、其它杂质的质量百分比为2%)从一段变压吸附塔2的出口流出,经中间连接管7,通过气体压缩机8加压至1.6Mpa后通过阀门的控制按一定的时间间隔,分不同的时段,逐次按顺序进入二段变压吸附塔9中。二段变压吸附塔9中内的分子筛将中间气体中的氮气和其它杂质吸附,得到纯度达99.9%以上的产品氢气。产品氢气通过出气管4导出。
打开第一均压管6与一段变压吸附塔2之间的阀门进行均压降,然后关闭第一均压管6与一段变压吸附塔2之间的阀门,打开第一逆放管3与一段变压吸附塔2之间的阀门,对压力降低的一段变压吸附塔2进行逆放,然后关闭第一逆放管3与一段变压吸附塔2之间的阀门。此时,逆放气体的氢气的质量百分比不到5%,杂质主要为12%质量百分比的甲烷、34%质量百分比的二氧化碳、1.6%质量百分比一氧化碳及质量百分比46%的氮气,此逆放气直接排空。
打开第二均压管12与第二变压吸附塔9之间的阀门进行均压降,然后关闭第二均压管12与第二变压吸附塔9之间的阀门,打开第二逆放管10与第二变压吸附塔9之间的阀门,对压力降低的二段变压吸附塔9进行逆放,逆放气体通过第一冲洗管16对一段变压吸附塔2进行第一次冲洗。此时,逆放气体氢气的质量百分比为32%,氮气的质量百分比为65%,其他杂质的质量百分比为3%。
打开第二均压管12与二段变压吸附塔9之间的阀门进行均压升,然后关闭第二均压管12与第二变压吸附塔9之间的阀门。打开第二终充管11与二段变压吸附塔9之间的阀门,采用产品氢气对二段变压吸附塔9进行冲洗,冲洗同时,打开高压冲洗管18与二段变压吸附塔9之间的阀门,冲洗气体经过高压冲洗管18和稳压阀19后自动进入膜分离装置13,渗透气的氢气质量百分比在70%~80%之间,渗透气储存于缓冲罐B15中,并通过回收气管17导入进气压缩机1作为原料气体使用,未渗透气的氢气质量百分比在20%~30%之间,储存与缓冲罐A14中并通过第一冲洗管16对一段变压吸附塔2进行第二次冲洗。一段变压吸附塔2冲洗完成后,打开第一均压管6与一段变压吸附塔2之间的阀门进行均压升,完成再生。打开第一终充管5与一段变压吸附塔2之间的阀门,采用中间气体对一段变压吸附塔2进行终充,使其内部压力达到吸附压力。二段变压吸附塔9冲洗完成后,完成再生,打开第二终充管11与二段变压吸附塔9之间的阀门,采用产品氢气对二段变压吸附塔进行终充,使其内部压力达到吸附压力,为下一次吸附作好准备。
本实施例采用荒煤气对本发明作出说明,但是针对其它气体的氢气回收也可以采用本发明进行。
如上所述,便可较好的实现本发明。