專利名稱：通過吸附使氣體混合物分離的工藝和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用來分離氣體混合物特別是生產氫的一種工藝，它利用具有n(n＞1)個吸附器的一整套裝置通過壓力變動吸附(PSA)來分離，在每個吸附器中按順序循環(huán)執(zhí)行下列階段，經(jīng)過T/n時間后，循環(huán)從一個吸附器轉至另一個，其中T代表循環(huán)的周期(a)在高循環(huán)壓力下的一基本恒壓的吸附階段，(b)吸附器的一再生階段，它包括經(jīng)與另一吸附器平衡壓力而進行的至少一個第一減壓步驟(b1)，和接著進行的減壓至低循環(huán)壓力的減壓步驟(b3),(b4)，和(c)一壓力上升階段，它包括經(jīng)與處在步驟(b1)期間的另一吸附器平衡壓力而進行的至少一個再加壓步驟(c1)，和利用產品氣體在高循環(huán)壓力下的一最終再加壓步驟(c3)，在步驟(a)期間排放出一基本恒定的產品氣體流量，將其并引入在步驟(c)期間的一吸附器內和/或引入涉及該步驟(c)的一輔助容器(capacity)內，在下文中，術語“進口”和“出口”代表在吸附階段內吸附器的進口和出口端；表述“順流”代表在該吸附階段期間在吸附器內氣體循環(huán)的方向，而表述“逆流”代表循環(huán)的反方向。
在用來提純氫的PSA循環(huán)中，壓力平衡的目的是減少要制造的氣體的損失。這樣，為了回收在吸附階段末接近吸附劑出口的氫，再生階段包括至少一個第一順流減壓步驟，該減壓是通過與處于第一逆流再加壓步驟的另一吸附器平衡壓力而進行?？紤]到簡單起見，該循環(huán)具有一單個平衡步驟，在跟隨通過平衡進行第一減壓的多個減壓步驟期間，從吸附器提取的氣體通常用于沖洗在低循環(huán)壓力下的另一吸附器然后作為剩余氣體提取。
這樣，在平衡壓力下仍存在于吸附器中的氣體被認為是損失。實際上，壓力越高，在一吸附器中包含的氣體量越大。因此，平衡壓力越低，氫的損失越少，也就是說提取產量越高。
在PSA整套裝置中施加的另一約束是它們應以一基本恒定的產品流量生產。為此目的，在以恒定的流量供給整套裝置情況下(通常是在生產氫的整套裝置情況下)，已經(jīng)提出在吸附階段期間以一恒定的產品氣體流量排放，通過同時與第一再加壓氣體平衡壓力而將該氣體逆流供給在第一再加壓步驟期間的吸附器。然而，本方法導致平衡壓力上升，這減少了上面所述的產量。
還提出了將一輔助容器引入到制造工序中以便基本消除生產流量的變化。然而這種方案的嚴重缺陷是如果所需的使用壓力僅略低于在出口處來自吸附器的產品氣體的壓力，仍需一很大容積的輔助容器。
本發(fā)明的一個目的是通過利用一小容積的輔助容器能夠獲得一基本恒定的產品流量和一很滿意的產量。
為此目的，本發(fā)明提供一上述類型的分離工藝，其特征在于-在階段(a)的第一步驟(a1)期間(步驟(a1)周期與步驟(b1)周期相同)，排放的產品氣體流進輔助容器，和-在該階段的跟隨步驟(a1)的第二步驟(a2)期間，排放的氣體進入處于中間再加壓步驟(c2)的一個吸附器中，該吸附器同時與輔助容器連通，-氣體混合物向整套裝置供給的流量基本上恒定。
根據(jù)本發(fā)明的工藝可包括下列特征中的一個或多個-在步驟(a1)期間，輔助容器只與向其供應產品氣體的吸附器連通，和-在步驟(c2)期間，在吸附器和輔助容器之間進行平衡壓力。
本發(fā)明的另一目的是提供實施上述工藝的一整套裝置。
該類型的整套裝置包括n個吸附器，n＞1，一組管線、換向及控制元件和一可與該整套裝置的一生產線路相連的輔助容器，其特征在于輔助容器平行于生產線路布置且可與每個吸附器的產品出口端相連。
參見附圖來描述本發(fā)明的一實施例。


圖1是本發(fā)明的整套裝置圖，圖2是該整套裝置的操作循環(huán)圖。
圖1所示的整套裝置是用來在一生產線路1中，在較高壓力下以基本恒定的流量生產氫，該壓力典型的約為25至30巴。利用四個吸附器2A至2D從一氣體供給混合物中通過選擇吸附進行這種生產。該供給氣體是例如蒸汽轉化的合成氣，該合成氣通過供氣線路3以一恒定流量引入。
該整套裝置還包括一殘余氣體的排氣管線4，在吸附器出口之間的連接線路5，和通過線路7平行地與線路1連接的一輔助容器6。線路8與線路7連接以便使容器6與吸附器出口連通。
線路1通過支線9與吸附器出口連通，每個該支線9安裝有一截止閥10。類似的，線路8通過支線11與吸附器出口連通，每個該支線11安裝有一截止閥12。
線路3通過支線13與吸附器入口連通，每個該支線13安裝有一截止閥14。類似的，線路4通過支線15與吸附器入口連通，每個該支線15安裝有一截止閥16。線路5通過支線17與吸附器出口連通，每個該支線17安裝有一控制閥18。線路7包含兩個控制閥19和20，在該兩個控制閥19和20之間與線路8連通。線路4包括一位于支線15下游的控制閥21。
另外，該整套裝置包括對本領域技術人員來說是公知的多種不同的操作和控制裝置，這些操作和控制裝置適合工作在圖2所示的壓力變動吸附(PSA)循環(huán)中。
在該圖2中，時間t標繪在橫坐標軸上，絕對壓力P標繪在縱坐標軸上，箭頭標記線表示氣流的移動路線和目的地。當這些箭頭平行于縱坐標軸時，它們另外表示在一吸附器中的循環(huán)方向當箭頭指向縱坐標增加的方向(指向附圖的頂部)時，在吸附器中的流動方向是順流。如果向上指的箭頭位于表示吸附器的壓力的線下方，氣流通過其入口端進入吸附器內；如果向上指的箭頭位于表示壓力的線上方，氣流通過其出口端離開吸附器，該入口端和出口端分別是在吸附階段由所考慮的吸附器將要處理的氣體和從該同一吸附器流出的氣體。當箭頭指向縱坐標減少的方向(指向附圖的底部)時，吸附器中的流動方向是逆流。如果向下指的箭頭位于表示吸附器壓力的的線下方，氣流通過其入口端離開吸附器；如果向下指的箭頭位于表示壓力的線上方，氣流通過其出口端進入吸附器內，該入口端和出口端總是那些在吸附階段中將處理的氣體和產生的氣體。
在考慮過的實例中，高循環(huán)壓力PM大約為27巴，而低循環(huán)壓力Pm接近1.7巴。階段周期T/4為180秒。
應注意到，為附圖清楚起見，壓力的比例并非按圖2中的比例尺所示。
下面描述一個吸附器即吸附器2A的循環(huán)。其它吸附器跟隨著的循環(huán)是相同的，但分別移動T/4,T/2和3T/4的時間。
該循環(huán)包括下列連續(xù)步驟(a)吸附階段(幾乎恒壓)(a1)從t=0至t1，第一順流吸附步驟，其中待處理的氣體混合物通過線路3以大約為壓力PM引入到吸附器的入口并順流流過該吸附器。產生的氫在吸附器的出口排出并進入產品線1。一預定流量D的氫從線路1排放并通過線路7流入容器6。
(a2)從t1至t2，第二順流吸附階段，它與前述步驟的不同僅在于在吸附器出口排放的氫的流量D逆流流進另一吸附器中，該另一吸附器處于下面還將描述的第二再加壓步驟(c2)。
(a3)從t2至T/4，第三順流吸附步驟，它與前述步驟的不同僅在于在吸附器出口排放的氫的流量逆流流進另一吸附器中，該另一吸附器處于下面還將描述的最終再加壓步驟(c3)。
(b)吸附器再生階段(b1)從T/4至t3，這里t3-T/4=t1，第一順流減壓步驟，通過與在下面還將描述的第一逆流再加壓步驟(c1)中的另一吸附器平衡壓力來減壓。在此步驟期間，吸附器壓力從PM降至被稱為平衡壓力的一中間值PE。
(b2)從t3至t4，是一死期(dead period)，在此期間的吸附器被隔離。該任選步驟對于補償在循環(huán)的某些步驟間的周期差可以說是必須的。
(b3)從t4至T/2，一第二順流減壓步驟，其中從吸附器出口排放的氣體逆流進入在下面還將描述的沖洗步驟(b6)中的另一吸附器內。
(b4)從T/2至t5，一最終逆流減壓步驟，其壓力降至低循環(huán)壓力Pm，其中從吸附器入口排放的氣體通過線路4提取。
(b5)從t5至t6，處于低壓的一死期，在此期間吸附器被隔離。關于步驟(b2)的上述論述仍可適用。
(b6)從t6至3T/4，這里3T/4-t6=T/2-t4，處于低壓Pm的一逆流清洗/沖洗步驟，利用來自處于步驟(b3)的另一吸附器的氣體來逆流清洗/沖洗。來自該吸附器的氣體通過線路4提取。
(c)再加壓階段
(c1)從3T/4至t7，這里t7-3T/4=t3-T/4，第一逆流再加壓步驟，通過與處于第一順流減壓步驟(b1)期間的另一吸附器平衡壓力來逆流再加壓。在t7時刻，壓力重新增加到中間值PE。
(c2)從t7至t8，這里t8-t7=t2-t1，中間逆流再加壓步驟，在此期間，一方面吸附器接受來自處于步驟(a2)中的另一吸附器中的產品氫的流量D，另一方面，吸附器通過線路8與容器6連通。當吸附器和容器的壓力等于同一中間壓力PI使得PE＜PI＜PM時本步驟結束。
壓力PI是吸附劑間平衡的周期、吸附壓力PM和平衡壓力PE、以及騰空再加壓容器6注入待再加壓的吸附器的周期的函數(shù)。該壓力PI實際上約為幾個巴。
(c3)從t8至T，這里T-t8=T/4-t2，一最終逆流再加壓步驟，它利用了來自處于步驟(a3)的另一吸附器的氫的流量D來逆流再加壓。在瞬時T，壓力基本上返回到值PM，且循環(huán)重新開始。
由于容器6平行于線路1布置和采取上面所述的利用該容器的方式，生產流量是穩(wěn)定的，且生產壓力保持基本等于待處理的氣體的壓力，減去整套裝置的壓力降。
而且，氫產量保持較高，因為低壓Pm保持在一最小值，且容器6的容積相比其布置在線路1上時有顯著的減少。
當然，本發(fā)明也能應用于涉及許多吸附器而非四個吸附器的循環(huán)中，和/或在減壓過程中在吸附器間包括超過一個的壓力平衡操作的循環(huán)。
權利要求
1．一種氣體混合物的分離工藝，它利用具有n個吸附器(2A至2D)的一整套裝置通過壓力變動吸附來分離，其中n＞1，在每個吸附器中按順序循環(huán)執(zhí)行下列階段(a)在高循環(huán)壓力(PM)下的一基本恒壓的吸附階段，(b)吸附器的一再生階段，它包括通過與在低壓下的另一吸附器平衡壓力來減壓的至少一個第一減壓步驟(b1)，和減壓至低循環(huán)壓力(Pm)的至少一個其它減壓步驟(b3；b4)；和(c)一壓力上升階段，它包括通過與在步驟(b1)下的另一吸附器平衡壓力的至少一個再加壓步驟(c1)，其特征在于在步驟(a)期間一基本恒定的產品氣體流量從產品氣流中排出并引入在步驟(c)期間的一個吸附器內和/或引入一涉及步驟(c)的輔助容器(6)內，和/或-在階段(a)的第一步驟(a1)期間，排放的產品氣體流量進入輔助容器(6)，和-在階段(a)的跟隨步驟(a1)的第二步驟(a2)期間，排放的氣體進入處于一中間再加壓步驟(c2)的一個吸附器中，該吸附器同時與輔助容器(6)連通。
2．如權利要求1所述的工藝，其特征在于在步驟(a1)期間，輔助容器(6)僅與向其供應產品氣體的吸附器連通。
3．如權利要求1或2所述的工藝，其特征在于在步驟(c2)期間，在吸附器和輔助容器(6)之間進行平衡壓力。
4．如權利要求1至3中任一所述的工藝，其特征在于氣體混合物向整套裝置供給的流量基本上是恒定的。
5．如權利要求1至4中任一所述的工藝，其特征在于壓力上升階段包括一最終再加壓步驟(c3)，該步驟利用產品氣體使壓力升高達高循環(huán)壓力。
6．如權利要求1至5中任一所述的工藝，其特征在于階段(a)的步驟(a1)的周期與階段(b)的步驟(b1)的周期相同。
7．如上述任一權利要求所述的工藝，其特征在于低循環(huán)壓力(Pm)高于大氣壓力。
8．如上述任一權利要求所述的工藝，其特征在于制造的產品是氫。
9．利用壓力變動吸附來分離一氣體混合物特別是制造氫的整套裝置，它包括n個吸附器(2A至2D)，n＞1，一組氣體管線和換向及控制元件以及與整套裝置的生產線(1)平行布置且可與每個吸附器(2A至2D)的產品出口端以及產品線路(1)相連的輔助容器(6)。
全文摘要
本工藝包括至少一個第一減壓/第一再加壓的步驟,該步驟是在吸附階段期間通過平衡兩個吸附器(2A至2D)間的壓力并排出一恒定的產品氣體流量而進行的。在第一減壓步驟期間,排出的產品氣體流到一輔助容器(6)中,該輔助容器平行于產品線路(1)布置且可與每個吸附器(2A至2D)的產品出口端相連。在第二再加壓步驟中,吸附器接受逆流排出的產品氣體并同時與輔助容器連通。本發(fā)明適用于在一恒定的供送氣體混合物的流量下制造氫。
文檔編號C01B3/00GK1207955SQ9810808
公開日1999年2月17日 申請日期1998年4月2日 優(yōu)先權日1997年4月2日
發(fā)明者Y·恩格勒, C·默恩里奧 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司