專利名稱：大規(guī)模變壓吸附方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到利用變壓吸附(PSA)進(jìn)行氣體分離的方法，該方法大大地提高了分離處理的量。
PSA提供了一種有效而又經(jīng)濟(jì)的方法，用來對含有至少兩種具有不同吸附特征的氣體的多組分氣流進(jìn)行分離。吸附力較強(qiáng)的氣體可以是雜質(zhì)，該雜質(zhì)被從吸附力較不強(qiáng)的氣體(它被分離出來作為產(chǎn)品)中除去；或者，吸附力較強(qiáng)的氣體可以是目標(biāo)產(chǎn)物，它被從吸附力較不強(qiáng)的氣體中分離出來的。例如，人們期望從含氫的原料流中去除一氧化碳和輕質(zhì)烴，以制得純凈(99+％)的氫氣流用于氫化裂解或其它催化方法，因?yàn)檫@些雜質(zhì)可能會(huì)對催化劑或?qū)Ψ磻?yīng)產(chǎn)生副作用。另一方面，可能希望從原料流中回收吸附力較強(qiáng)的氣體如乙烯，從而制得富含乙烯的產(chǎn)物。
在PSA方法中，一般將多組分氣體在能吸附至少一種組分的升高的壓力下供入到多個(gè)吸附區(qū)中的至少一個(gè)中，而使至少一種其它組分通過吸附區(qū)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，送到吸附器的原料流被終止，吸附區(qū)被一個(gè)或多個(gè)并流的降壓步驟降壓，該降壓步驟中壓力被降至規(guī)定的水平，這就使留在吸附區(qū)的已分離的、吸附力較不強(qiáng)的組分或多個(gè)組分被排除而沒有顯著濃度的吸附力強(qiáng)的組分。然后，吸附區(qū)被逆流的減壓步驟降壓，該降壓步驟中，吸附區(qū)的壓力通過以與原料流方向呈逆流回收解吸氣體而進(jìn)一步地降低。最后，吸附區(qū)被經(jīng)歷了并流降壓步驟的吸附床的流出物凈化，并被再增壓。再增壓的最后階段一般都伴隨有產(chǎn)物，并常常被稱作產(chǎn)物再增壓。在多區(qū)系統(tǒng)中，一般都有附加步驟，上面所提到的那些可以分階段地進(jìn)行。其它的有US-A-3176444、US-A-3986849、US-A-3430418和3703068，描述了利用并流降壓和逆流降壓兩者的的多區(qū)、絕熱的PSA系統(tǒng)，這些專利的公開內(nèi)容被全文引用。屬于Fuderer等人和Wagner的上述專利在這里被引用。
已知不同種類的吸附劑適宜用在PSA系統(tǒng)中，對吸附劑的選擇依賴于原料流的組成和其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的因素。一般地，適宜的吸附劑包括分子篩、硅凝膠、活性碳和活性鋁土。對于某些分離，專門的吸附劑是有利的。PSA一般使用弱吸附劑并被用于分離，其中待分離成分的含量可從痕量至高于95％(摩爾)。當(dāng)要回收高濃度的貴重原料、產(chǎn)物或重新使用的溶劑時(shí)，優(yōu)選PSA系統(tǒng)。PSA循環(huán)是解吸時(shí)的壓力遠(yuǎn)低于吸收時(shí)的壓力的循環(huán)。在某些應(yīng)用中，解吸在真空條件下進(jìn)行——真空吸附(VSA)。為克服弱吸附劑所固有的低操作負(fù)載的問題，PSA循環(huán)一般具有短的循環(huán)時(shí)間——約為數(shù)秒到數(shù)分鐘——以保持合理的吸附床尺寸。
建造現(xiàn)代化的氣體處理設(shè)施的一個(gè)問題是設(shè)施的尺寸或在任何一個(gè)設(shè)施中待處理氣體的量不斷增加。現(xiàn)代化的氣體處理設(shè)備的處理量一般大于約110,000標(biāo)立方米/小時(shí)(1億標(biāo)立方英尺/天)。大多數(shù)的PSA容器的直徑因要運(yùn)到建造地方而受到限制，容器的直徑一般限制在約4米(約13英尺)，容器的高度被吸附劑顆粒的壓碎強(qiáng)度所限制。對于高于110,000標(biāo)立方米/小時(shí)(1億標(biāo)立方英尺/天)的處理量，PSA方法配備有多列重復(fù)的設(shè)備，如泵、加熱器、管線、閥、容器和壓縮器。
本發(fā)明提供了一種方法，該方法克服了用于多種氣體分離的PSA設(shè)備的處理量的傳統(tǒng)的限制?，F(xiàn)在，一個(gè)單一的完整操作工藝列的處理量可超過約110,000標(biāo)立方米/小時(shí)(1億標(biāo)立方英尺/天)。該單一的完整操作序列可以包括10-20個(gè)吸附床。設(shè)備的減少來自于沒有接受PSA領(lǐng)域中所遵循的原則凈化步驟的長度必須等于或小于吸附步驟的長度。申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對于吸附步驟而增加凈化時(shí)間能顯著地提高處理量，并且在回收率或性能上具有最小的損失。凈化步驟的時(shí)間與吸收步驟的時(shí)間的比值優(yōu)選大于1.0而小于2.0。這一發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于，現(xiàn)在可以用遠(yuǎn)地低于第二條平行設(shè)備列的建造費(fèi)用的費(fèi)用來建造大規(guī)膜PSA單元。
本發(fā)明的目的是提供一種用在單列設(shè)備內(nèi)的大量氣體處理單元的PSA方法。
本發(fā)明的目的是提供一種操作程序，它能克服對容器尺寸和吸附力的物理限制，以便能夠處理大量進(jìn)料而不會(huì)失去大規(guī)模氣體分離系統(tǒng)的整體性能。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是在單列PSA區(qū)中從包含非吸附性氣體和吸附性氣體的氣體混合物中分離出非吸附性氣體的方法。該方法包括使氣體混合物通過單列PSA區(qū)，并回收含有非吸附性氣體的產(chǎn)物氣流和含有吸附性氣體的廢氣流。單列PSA區(qū)具有大量吸附床，每個(gè)吸附床進(jìn)行吸附步驟、至少三個(gè)并流平衡步驟(包括一個(gè)最后的并流平衡步驟)、一個(gè)提供凈化氣(provide-purge step)步驟、一個(gè)逆流泄料步驟、一個(gè)凈化步驟、至少三個(gè)逆流平衡步驟(包括一個(gè)最后逆流平衡步驟)和一個(gè)再增壓步驟。每個(gè)處理步驟按序發(fā)生并及時(shí)轉(zhuǎn)換，從而使吸附步驟發(fā)生在吸附步驟的時(shí)間內(nèi)，提供凈化氣步驟發(fā)生在提供凈化氣步驟的時(shí)間內(nèi)，以及凈化步驟發(fā)生在凈化步驟的時(shí)間內(nèi)。凈化步驟的時(shí)間大于吸附步驟的時(shí)間，凈化步驟包括這樣步驟正在進(jìn)行凈化步驟的吸附床從一個(gè)或多個(gè)正在進(jìn)行提供凈化氣步驟的其它吸附床接受凈化氣，其中這些其它吸附床同時(shí)向正在進(jìn)行凈化步驟的吸附床提供凈化氣。無論何時(shí)，進(jìn)行凈化步驟的吸附床的數(shù)量總是超過進(jìn)行吸附步驟的吸附床的數(shù)量。
該方法可以將氫氣從包含氫氣、二氧化碳和氮?dú)獾臍怏w混合物中分離出來。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是在多吸附床PSA區(qū)中從包含非吸附性氣體和吸附性氣體的氣體混合物中分離出非吸附性氣體的方法。該方法包括以下步驟。使處于吸附壓力下的氣體混合物通過PSA區(qū)中大量吸附床的第一個(gè)吸附床。每個(gè)吸附床都包含吸附劑，該吸附劑在處于吸附步驟時(shí)間內(nèi)的吸附步驟中對吸附性氣體進(jìn)行選擇性吸附，吸附排出物流由此而被回收。在平衡步驟中，第一吸附區(qū)與其它吸附床一起被并流地降壓，每個(gè)其它吸附床具有順序降低的平衡壓力。并流降壓步驟至少被重復(fù)兩次以達(dá)到最后平衡步驟。將第一吸附床進(jìn)一步并流降壓，從而在處于提供凈化氣時(shí)間內(nèi)的提供凈化氣步驟中產(chǎn)生解吸排出物流，同時(shí)使解吸排出物流通過至少兩個(gè)正在進(jìn)行凈化步驟的其它吸附床。第一吸附床被逆流降壓至泄料壓力，廢物流在解吸壓力下被回收。第一吸附床在凈化步驟時(shí)間內(nèi)被凈化氣流所凈化，其中凈化步驟時(shí)間大于吸附步驟時(shí)間。該凈化氣流從一個(gè)或多個(gè)正在進(jìn)行并流提供凈化氣步驟的或正在進(jìn)行逆流平衡步驟的吸附床通過、通過平衡第一吸附床與其它吸附床的壓力，第一吸附床被逆流地再增壓，其中每個(gè)其它吸附床都具有順序增加的平衡壓力，該逆流再增壓步驟至少被重復(fù)兩次。第一吸附床是具有一部分吸附排出物流的逆流再增壓床，以上處理步驟被重復(fù)進(jìn)行以實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理。


圖1是一個(gè)簡化的循環(huán)圖，介紹了現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)的16-床PSA分離系統(tǒng)。
圖2是一個(gè)簡化的循環(huán)圖，介紹了本發(fā)明的用于16-床系統(tǒng)的新PSA循環(huán)。
圖3是一個(gè)簡化的循環(huán)圖，介紹了本發(fā)明的用于16-床系統(tǒng)的一種新PSA循環(huán)的變化形式。
本發(fā)明方法的進(jìn)料可以包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻⒍栊詺怏w和烴。本發(fā)明的方法可用于從吸附性化合物(如一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)夂蜔N)中分離出氫氣，或者用于從吸附性較弱的化合物(包括二氧化碳、硫氧化物、硫化氫、重質(zhì)烴及其混合物)中分離出甲烷。術(shù)語“烴”是指每分子具有1到8個(gè)碳原子的烴，包括烷烴、烯烴、環(huán)烯及芳香烴如苯。術(shù)語“單列設(shè)備”是指包括泵、加熱器、容器、閥、管線及壓縮器在內(nèi)的一系列處理設(shè)備，它們被裝配起來以完成特定的任務(wù)，如氣體分離，它不包含完全重復(fù)的設(shè)備。單列法與多列法相反，多列法包括一組并行的、相同的這類處理設(shè)備，它們被裝在一起以完成一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)。
根據(jù)本發(fā)明，吸附壓力一般從約350kPa到約7Mpa(50-1000磅/平方英寸)，優(yōu)選為從700kPa到約3.5Mpa(100-510磅/平方英寸)。解吸壓力優(yōu)選為從約3到550kPa(0.5-80磅/平方英寸)，更優(yōu)選為約3到約210kPa(0.5到30磅/平方英寸)。合適的操作溫度一般在約10-65℃(50-150°F)?？梢杂卸喾N并流降壓步驟將壓力降到中間壓力，還有并流凈化步驟及逆流凈化步驟，所有這些對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說都是熟知的，并在前面所引用的與PSA方法有關(guān)的專利中有所描述。例如，可以采用一到五個(gè)或更多的這樣的并流降壓步驟以使壓力平衡，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的收率。
本發(fā)明的PSA方法屬于一般的PSA類型。原料流被導(dǎo)入一個(gè)在最高壓力下或吸附壓力下進(jìn)行吸附的吸附床，導(dǎo)入到具有入口端和對面有出料端的吸附床的入口端。
吸附劑可以包括能吸附和解吸可吸附化合物的粉狀固體、晶體化合物。這種吸附劑的實(shí)施例包括硅凝膠、活性鋁石、活性碳、分子篩及其混合物。分子篩包括沸石分子篩。優(yōu)選的吸附劑是沸石。
US-A-3986849描述了各種循環(huán)，例如采用240秒的吸附時(shí)間，10吸附床結(jié)構(gòu)，總循環(huán)時(shí)間為13分20秒。通過增加吸附床的數(shù)量，總吸附時(shí)間可以被減少。例如，對于吸附時(shí)間同為240秒的12吸附床結(jié)構(gòu)，總循環(huán)時(shí)間可以減至12分鐘。當(dāng)將相同的吸附劑體積用于10吸附床結(jié)構(gòu)和12吸附床結(jié)構(gòu)，并且需要對每單位體積的進(jìn)料提供相同的相對吸附劑投料量時(shí)，12床結(jié)構(gòu)可將生產(chǎn)能力增加約33％。類似地，對于吸附時(shí)間同為240秒的14吸附床結(jié)構(gòu)，總循環(huán)時(shí)間將減至11分12秒，生產(chǎn)能力相對于10吸附床結(jié)構(gòu)增加了66％。同樣的分析可以用在任意數(shù)量(奇數(shù)或偶數(shù))吸附床的結(jié)構(gòu)中。通常，保持吸附時(shí)間不變減少了總循環(huán)時(shí)間并增加了生產(chǎn)能力。當(dāng)吸附步驟中使用更多的吸附床時(shí)(相當(dāng)于更高的進(jìn)料速度)，亞循環(huán)時(shí)間(總循環(huán)時(shí)間除以吸附床的數(shù)量)減少，其作用是減少了該循環(huán)中其它步驟的可利用時(shí)間。與先有技術(shù)相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與減少吸附步驟的時(shí)間相比，減少接受凈化的時(shí)間對減少未經(jīng)吸附的排出產(chǎn)物的回收有顯著影響，還增加了所需要的吸附劑的相對體積。另外，所有的前述循環(huán)在凈化步驟中都比在吸附步驟中具有較少數(shù)量的吸附床。除了利用外部儲罐的PSA循環(huán)，所有現(xiàn)有技術(shù)中的PSA方法在提供凈化氣步驟中需要與接受凈化步驟或凈化步驟中相同數(shù)量的吸附床。
參照圖1，用一種方法循環(huán)圖表示具有16吸附床的傳統(tǒng)PSA系統(tǒng)。每個(gè)吸附床的循環(huán)均由以下步驟構(gòu)成一個(gè)吸附步驟、四個(gè)并流降壓步驟、一個(gè)并流提供凈化氣步驟、一個(gè)逆流泄料步驟、一個(gè)凈化步驟、四個(gè)逆流再增壓步驟和一個(gè)最后再增壓步驟。在這種傳統(tǒng)的16-床循環(huán)中，在任何時(shí)候，六個(gè)吸附床在吸附步驟中操作，三個(gè)吸附床在凈化步驟中操作，及三個(gè)吸附床在提供凈化氣步驟中操作。任何一個(gè)吸附床所用的凈化氣直接由其它吸附床提供。也就是說，提供凈化氣的吸附床的數(shù)量和接受凈化氣的吸附床的數(shù)量或進(jìn)行凈化步驟的吸附床的數(shù)量是相同的。對于循環(huán)中的任何一個(gè)吸附床，用于凈化步驟的時(shí)間(或凈化步驟時(shí)間)和用于提供凈化氣步驟的時(shí)間(或提供凈化氣時(shí)間)是相同的。此外，進(jìn)行吸附步驟的時(shí)間(或吸附步驟時(shí)間)比提供凈化氣步驟或凈化步驟的時(shí)間要長。
參照圖2，用單列操作的16個(gè)吸附床圖解說明了代表本發(fā)明的方法循環(huán)。圖2中所描述的循環(huán)包含有圖1所示同樣的步驟，但是不同點(diǎn)在于在吸附步驟中僅僅有四個(gè)床，在凈化步驟中有五個(gè)床，在循環(huán)中，凈化氣可在任何時(shí)候被從單一的吸附床送到一個(gè)以上的吸附床。此外，對于循環(huán)中的任何一個(gè)床，凈化時(shí)間顯著高于吸附時(shí)間。參照圖2，在吸附步驟后，吸附床1進(jìn)行四個(gè)并流的降壓或平衡步驟。在第一個(gè)平衡步驟中，吸附床1和吸附床6并流地相連。在下一個(gè)平衡步驟中，吸附床1被連接到吸附床7上。在第三個(gè)平衡步驟中，吸附床1被連接到吸附床8上，在最后一個(gè)或第四個(gè)平衡步驟中，吸附床1被連接到吸附床9上。然后吸附床1進(jìn)行一個(gè)提供凈化氣步驟，其中在提供凈化氣步驟的第一階段，吸附床被并流地降壓，凈化氣從吸附床1被排出，并使之通過吸附床10、11、12、13和14而產(chǎn)生凈化氣，用以凈化幾乎所有這些吸附床。在這個(gè)實(shí)施例中，在同一時(shí)間，吸附床16也正在進(jìn)行并流降壓，并給吸附床10、11、12、13和14提供凈化氣。在提供凈化氣步驟的下一階段，凈化氣被提供給吸附床11、12、13、14和15，在提供凈化氣步驟的最后階段，凈化氣被提供給吸附床11、12、13、14和15。在同一時(shí)間，吸附床2也正在進(jìn)行并流降壓，并將凈化氣提供給同樣的吸附床11、12、13、14和15。逆流泄料步驟緊跟著提供凈化氣步驟。在逆流泄料步驟中，吸附床被逆流降壓以釋放廢氣流。第一吸附床隨后被最初來自吸附床3、然后是吸附床3和4、然后是吸附床4、然后是吸附床4和5、然后是吸附床5、然后是吸附床5和6、然后是吸附床6、然后是吸附床6和7、然后是吸附床7、最后是吸附床7和8的凈化氣逆流地凈化。在吸附床1逆流凈化的最初階段，吸附床2正在進(jìn)行逆流泄料至廢壓(waste pressure)。吸附床3正在進(jìn)行并流提供凈化氣的步驟，吸附床4正在與吸附床12進(jìn)行第4個(gè)并流平衡步驟，吸附床5正在與吸附床11進(jìn)行第二個(gè)并流平衡步驟，吸附床6、7、8和9處于吸附步驟，吸附床10正在進(jìn)行最后再增壓，吸附床11正在與吸附床5進(jìn)行第二個(gè)逆流平衡，吸附床12正在與吸附床11進(jìn)行逆流平衡，吸附床13、14、15和16也正在進(jìn)行逆流凈化。該方法中，凈化氣被從一個(gè)或多個(gè)吸附床送到至少兩個(gè)進(jìn)行凈化步驟的其它吸附床。在最后一個(gè)平衡步驟結(jié)束時(shí)，吸附床1用吸附壓力再增壓。再增壓可通過再進(jìn)料或逆流導(dǎo)入一部分產(chǎn)物流來實(shí)現(xiàn)。在16吸附床的單列多床變壓吸附區(qū)中，該循環(huán)優(yōu)選包括至少四個(gè)吸附步驟、至少五個(gè)凈化步驟，且凈化步驟時(shí)間以1.25倍于吸附步驟時(shí)間的比例超過吸附步驟時(shí)間。當(dāng)一部分提供凈化氣由進(jìn)行最后并流降壓步驟的吸附床來提供時(shí)，提供凈化氣步驟的時(shí)間為凈化步驟時(shí)間的0.15-0.4倍。
參照圖3，列舉了一個(gè)用于16床循環(huán)的本發(fā)明方法循環(huán)的可供選擇實(shí)施方案。在圖3所示的16床循環(huán)中，有四個(gè)吸附步驟和六個(gè)凈化步驟。在這種結(jié)構(gòu)中，并流提供凈化氣被認(rèn)為是與最后并流平衡同步的步驟中的一部分，以及與之不同步的步驟中的一部分。并流提供凈化氣來自于一個(gè)吸附床并同時(shí)到達(dá)六個(gè)吸附床。
下面的實(shí)施例是為了說明的目的而提供，而不是對隨后權(quán)利要求的范圍的限制。
實(shí)施例1表1介紹了US-A-3986849(Fuderer等人)的使用了12個(gè)吸附床的循環(huán)的傳統(tǒng)PSA循環(huán)。在這種傳統(tǒng)的循環(huán)中，吸附步驟時(shí)間和降壓步驟時(shí)間是相等的，每一時(shí)間幾乎占了總循環(huán)時(shí)間的1/3。接受凈化氣占了循環(huán)的13％，再增壓占了總循環(huán)的21％。類似地，對于圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)的16-床循環(huán)，16一床循環(huán)中循環(huán)內(nèi)部的各步驟的分配如表1所示。現(xiàn)在吸附時(shí)間大約占了循環(huán)的37.5％，降壓時(shí)間約占總循環(huán)的31.3％，接受凈化時(shí)間約占總循環(huán)時(shí)間的15.6％，及再增壓時(shí)間約占總循環(huán)的15.6％。在高進(jìn)料速度下，吸附床的體積達(dá)到了最大實(shí)際尺寸，超過此尺寸必須減少吸附時(shí)間并相應(yīng)地減少總循環(huán)時(shí)間。這樣具有減少特定吸附劑投料量的期望效果，但是也具有減少接受凈化的時(shí)間的不想要的效果。減少接受凈化的時(shí)間顯著地降低了未吸附的排出物的回收，增加了每單位體積進(jìn)料所需的吸附劑的相對體積。因而，所期望的生產(chǎn)能力增加沒有實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上它具有雙倍的不利效果。未吸附的排出物的回收降低了，每單位體積進(jìn)料所需的吸附劑的相對體積增加了。
實(shí)施例2表2顯示了如圖2所示的本發(fā)明的用于16-床循環(huán)的PSA循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明，接受凈化步驟的時(shí)間被增加，提供凈化氣步驟被從接受凈化步驟中分離(de-coupled)出來。吸附步驟現(xiàn)在大約占了總循環(huán)的25％，降壓步驟大約占了總循環(huán)的28.1％，接受凈化步驟大約占了總循環(huán)的31.3％，再增壓步驟仍是總循環(huán)的15.6％。雖然對未吸附的排出物的回收降低了不到約0.1％，但是沒有增加每單位體積進(jìn)料所需的吸附劑的相對體積，并且總的循環(huán)時(shí)間減少了，相應(yīng)地增加了整體生產(chǎn)能力。這種循環(huán)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在逆流降壓步驟和凈化步驟中有更多的吸附床，這些步驟釋放氣體至低壓，離開吸附床的組成隨著時(shí)間而變化。在混合筒(或收集筒)前在所述步驟中具有更多的吸附床供這些氣體更充分地混合。這能顯著地降低混合所需的體積，因而筒的費(fèi)用降低了，對低壓氣體還提供了更好的控制。
實(shí)施例3用一個(gè)試驗(yàn)設(shè)備評價(jià)在PSA循環(huán)中相對于吸附時(shí)間來改變凈化時(shí)間的影響。該試驗(yàn)設(shè)備由約含340cc吸附劑的單個(gè)吸附室、輔助容器、閥、和模擬多床PSA循環(huán)所需的連接管構(gòu)成。進(jìn)料包括約72.5％(摩爾百分比)的氫氣、0.67％(摩爾百分比)的氮?dú)狻?.04％(摩爾百分比)的一氧化碳、5.57％(摩爾百分比)的甲烷和約19.2％(摩爾百分比)的二氧化碳。吸附劑包括活性炭和沸石分子篩，制得的產(chǎn)物氫氣包含約小于1ppm的一氧化碳和約1ppm的甲烷。該室的操作按周期性地吸附和解吸的順序進(jìn)行，操作壓力從約2200kPa(320磅/平方英寸)到約160kPa(23磅/平方英寸)。凈化壓力約為160kPa(23磅/平方英寸)，最后平衡壓力約為614kPa(89磅/平方英寸)、以及提供凈化氣壓力約為255kPa(37磅/平方英寸)。該吸附床用約2140kPa(310磅/平方英寸)的產(chǎn)物氣壓的產(chǎn)物氣流再增壓。進(jìn)料溫度保持在室溫(平均約為21℃(70°F))。吸附劑室的溫度基本上與進(jìn)料溫度一樣或與進(jìn)料溫度保持在6℃的溫差范圍內(nèi)，在循環(huán)的吸附時(shí)間內(nèi)上述溫度的變化極小。用于現(xiàn)場測試的PSA循環(huán)時(shí)間包括吸附時(shí)間(其范圍從約90秒到約180秒)，平衡時(shí)間和泄料步驟時(shí)間約為30秒，提供凈化氣步驟時(shí)間約為60秒。測得的氫氣回收率和每個(gè)循環(huán)的進(jìn)料量如表3所示。
這些結(jié)果清楚地顯示了將吸附步驟時(shí)間減少約2倍(從約180秒到約90秒)導(dǎo)致氫氣的回收率出現(xiàn)約0.2％的變化，而以同樣的比例改變凈化步驟時(shí)間(從90秒到45秒)導(dǎo)致氫氣回收率出現(xiàn)約1.5％的變化。因而，減少凈化步驟時(shí)間的效果是減少吸附步驟時(shí)間效果的8-10倍。在PSA方法中，總循環(huán)時(shí)間和設(shè)備的費(fèi)用具有直接的關(guān)系?？傃h(huán)時(shí)間越短，費(fèi)用越低。象上面結(jié)果所支持的那樣，通過相對于吸附步驟時(shí)間來增加凈化步驟時(shí)間可以縮短總循環(huán)時(shí)間，而對總回收率的影響最小。
實(shí)施例4將實(shí)施例3所描述的試驗(yàn)設(shè)備和過程用于評價(jià)相對于提供凈化氣步驟時(shí)間來減少吸附步驟時(shí)間對產(chǎn)物回收率和循環(huán)時(shí)間的影響。表4概括了含有約99％(摩爾百分比)氫氣和1％(摩爾百分比)一氧化碳的氫氣進(jìn)料的結(jié)果。用于分離的吸附劑是5A型分子篩，吸附發(fā)生在約21℃(70°F)。PSA方法包括三個(gè)平衡步驟。
表4的第一欄顯示了在一個(gè)傳統(tǒng)的總循環(huán)時(shí)間為12分鐘的PSA循環(huán)中吸附步驟時(shí)間為180秒的氫氣回收率，其中凈化涉驟時(shí)間與吸附步驟時(shí)間之比約為0.5。在第二欄中，顯示了本發(fā)明循環(huán)的結(jié)果，其中凈化步驟時(shí)間與吸附步驟時(shí)間之比增加到約1.5，總循環(huán)時(shí)間減至10分鐘。表4顯示了通過相對于凈化步驟時(shí)間來減少吸附步驟時(shí)間，使總循環(huán)時(shí)間減少20％，而氫氣的回收率僅略有降低。
權(quán)利要求
1.一種在單列變壓吸附區(qū)中從包含非吸附性氣體和吸附性氣體的氣體混合物中分離出非吸附性氣體的方法，該方法包括使氣體混合物通過單列變壓吸附區(qū)以及回收含有非吸附性氣體的產(chǎn)物氣流和含有吸附性氣體的廢氣流，所說的單列變壓吸附區(qū)具有大量吸附床，每個(gè)吸附床占用一個(gè)吸附步驟、包括一個(gè)最后并流平衡步驟在內(nèi)的至少兩個(gè)并流平衡步驟、一個(gè)提供凈化氣的步驟、一個(gè)逆流泄料步驟、一個(gè)凈化步驟、包括一個(gè)最后逆流平衡步驟在內(nèi)的至少三個(gè)逆流平衡步驟和一個(gè)再增壓步驟，每個(gè)所說的步驟順序出現(xiàn)并及時(shí)轉(zhuǎn)換，其中吸附步驟發(fā)生在吸附步驟時(shí)間內(nèi)，提供凈化氣步驟發(fā)生在提供凈化氣步驟時(shí)間內(nèi)，以及凈化步驟發(fā)生在凈化步驟時(shí)間內(nèi)，凈化步驟的時(shí)間大于吸附步驟時(shí)間，其中所說的凈化步驟包括進(jìn)行凈化步驟的吸附床從一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行提供凈化氣步驟的其它吸附床接受凈化氣，其中所說的其它吸附床同時(shí)向進(jìn)行凈化步驟的吸附床提供凈化氣，并且無論何時(shí)，進(jìn)行凈化步驟的吸附床的數(shù)量總是超過進(jìn)行吸附步驟的吸附床的數(shù)量。
2.權(quán)利要求1的方法，其中凈化步驟時(shí)間與吸附步驟時(shí)間之比大于1.0且小于2.0。
3.權(quán)利要求1的方法，其中氣體混合物以大于110,000標(biāo)立方米/小時(shí)(1億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天)的進(jìn)料速度通過單列變壓吸附區(qū)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中單列變壓吸附區(qū)包括10-20個(gè)吸附床。
5.權(quán)利要求1的方法，其中多床變壓吸附區(qū)包括單列的16個(gè)吸附床，其中該方法包括至少四個(gè)吸附步驟，至少五個(gè)凈化步驟，且凈化步驟時(shí)間以1.25倍于吸附步驟時(shí)間的比例超過吸附步驟時(shí)間。
6.權(quán)利要求1的方法，其中一部分凈化氣由進(jìn)行最后并流降壓步驟的吸附床提供。
7.權(quán)利要求1的方法，其中提供凈化氣步驟發(fā)生在提供凈化氣步驟的時(shí)間內(nèi)，提供凈化氣時(shí)間小于凈化時(shí)間，所說的提供凈化氣步驟時(shí)間是凈化步驟時(shí)間的0.15-0.4倍。
8.權(quán)利要求1的方法，其中非吸附性成分包括氫氣，吸附性成分選自烴、二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)夂退鼈兊幕旌衔?；或者其中非吸附性成分包括甲烷，吸附性成分選自二氧化碳、碳原子數(shù)大于1的烴、硫氧化物、硫化氫和它們的混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方法,該方法通過在一個(gè)單列整體設(shè)備中獲得約110,000標(biāo)立方米/小時(shí)(1億標(biāo)立方英尺/天)以上的產(chǎn)量,以及打破了凈化步驟時(shí)間應(yīng)等于或小于吸附步驟時(shí)間的慣例,從而解決了用于多種氣體分離的PSA設(shè)備的生產(chǎn)量所受的限制。通過相對于吸附步驟來增加凈化時(shí)間,伴隨著從一個(gè)或多個(gè)吸附床為該列上的任何吸附床提供凈化氣,以及在提供凈化氣步驟期間,其它吸附床同時(shí)為幾乎所有進(jìn)行凈化步驟的吸附床提供凈化氣,使單列的產(chǎn)量有顯著的增加而回收率或性能的損失最小。
文檔編號C01B3/56GK1368398SQ0111238
公開日2002年9月11日 申請日期2001年2月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月10日
發(fā)明者M·維索爾, L·J·M·瓦格曼斯 申請人:環(huán)球油品公司