本實(shí)用新型涉及二氧化碳分離領(lǐng)域，具體是一種一段式利用真空變壓吸附從含CO₂原料氣中分離高純度CO₂的裝置。

背景技術(shù)：

二氧化碳（CO₂）是主要的溫室氣體，會(huì)導(dǎo)致氣候變化和全球變暖。世界目前正處于向低碳排放轉(zhuǎn)型時(shí)期，中國(guó)連同許多國(guó)家正在推出或已經(jīng)推出碳稅/碳交易計(jì)劃，以減少二氧化碳排放，溫室氣體排放和提高能源效率。因此，從各種工業(yè)排放氣體中回收利用二氧化碳有巨大的環(huán)境利益和經(jīng)濟(jì)利益，符合“資源-產(chǎn)品-再生資源”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，能夠?qū)崿F(xiàn)資源綜合利用。應(yīng)對(duì)各種氣體分離和提純的需要，很多技術(shù)，包括低溫冷凝、液態(tài)吸收法、固體吸附和膜分離法可以用來(lái)分離回收二氧化碳，但它們都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)?；诠腆w吸附法的變壓吸附技術(shù)（PSA）和真空變壓吸附技術(shù)（VSA），已經(jīng)普遍應(yīng)用于氫氣（H₂）、氧氣（O₂）、氮?dú)猓∟₂）、甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）等工業(yè)氣體的分離提純。目前為止，一般的變壓吸附技術(shù)在針對(duì)化肥廠合成氨變換排放氣或者石化煉油廠排放尾氣實(shí)施二氧化碳回收分離的工藝，通常采用將尾氣加壓的方式，二氧化碳在高壓下被吸附分離出來(lái)。在這些二氧化碳分離過(guò)程中，現(xiàn)有工藝通常采用多級(jí)壓縮機(jī)把尾氣加壓到 > 6 bar.a的高壓，利用PSA原理來(lái)回收/脫除尾氣中的二氧化碳。該工藝可以實(shí)現(xiàn)85%左右的回收率，以及大約95%左右的二氧化碳純度。長(zhǎng)期以來(lái)，因?yàn)樵撟儔何降募夹g(shù)特性，造成產(chǎn)品CO₂的純度不高，不利于二氧化碳的進(jìn)一步利用。同時(shí)由于對(duì)尾氣整體加壓，能耗較高，因此使用現(xiàn)有變壓吸附技術(shù)回收二氧化碳造成了能源和資源的浪費(fèi)。

美國(guó)專利申請(qǐng)2010/010449 A1描述了一種具有高熱效率二氧化碳回收能力的裝置。該專利申請(qǐng)表明選擇溶劑清洗系統(tǒng)或PSA系統(tǒng)可用于CO₂脫離，含氫氣體再循環(huán)回到系統(tǒng)。但顯然描述是膚淺的，也沒(méi)有實(shí)際的脫碳處理的工藝細(xì)節(jié)。美國(guó)專利申請(qǐng)2010/0287981 A1描述了蒸汽重整系統(tǒng)中各種氫氣和二氧化碳回收處理工藝。該發(fā)明中的目標(biāo)氣體是水煤氣變換產(chǎn)出物。使用常規(guī)的氫氣PSA對(duì)H₂回收后，尾氣被壓縮到一定的壓力首先輸送到壓力真空變壓吸附（PVSA）和膜系統(tǒng)對(duì)二氧化碳回收。然而，該發(fā)明中既沒(méi)有實(shí)施例，也沒(méi)有具體的流程（循環(huán)）或詳細(xì)表現(xiàn)性能。同樣地在美國(guó)專利申請(qǐng)US 2008/0072752 A1中，基于壓力真空變壓吸附（PVSA）和PSA的工藝流程被用于分離二氧化碳和氫氣，該專利申請(qǐng)公開(kāi)的步驟主要包括進(jìn)料吸附步驟、一系列的降壓步驟、排空步驟、排空后的均壓步驟、一系列的均壓步驟以及復(fù)壓步驟，該專利申請(qǐng)使用的原料氣的壓力要求較高（100~500psia），將高壓力的原料氣經(jīng)過(guò)一系列降壓步驟降至大氣壓力附近，從而使吸附劑中吸附的非CO₂氣體釋放以使后續(xù)排空步驟中收集的CO₂產(chǎn)品氣的純度提升。該專利申請(qǐng)本身對(duì)原料氣的壓力要求高，并且工藝步驟多，設(shè)備投入和運(yùn)行成本高。這些現(xiàn)有工藝技術(shù)的處理目標(biāo)都是水氣變換反應(yīng)的排放氣體（尾氣）。

在熱電廠煙道氣二氧化碳捕集工藝中，真空變壓吸附（VSA）也曾被采用（例如中國(guó)專利CN103055659B），但電廠煙道氣本身壓力低，二氧化碳濃度低，需要對(duì)煙道氣本身進(jìn)行增壓，而且煙道氣本身含有大量的水氣，需要預(yù)處理脫除，由于二氧化碳的分壓低，因此變壓吸附的脫附真空度要求極高，通常在1-3kPa絕壓左右，能耗極大，且收率不高，并且二氧化碳濃度不超過(guò)96%。

反映中國(guó)目前的典型技術(shù)，中國(guó)專利申請(qǐng)CN104587797A提出了五段變壓吸附分離流程從煉化制氫尾氣中分離提純出二氧化碳、甲烷、一氧化碳和氫氣的方法，但該工藝需要壓縮煉化制氫尾氣到0.85MPa，并且需要產(chǎn)品預(yù)處理，吸附塔數(shù)目眾多，變壓吸附循環(huán)步驟過(guò)于冗長(zhǎng)復(fù)雜，不具備高新能效技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。此外，中國(guó)專利申請(qǐng)CN102659104A提出了濕法脫碳再串聯(lián)變壓吸附分離流程從煉化制氫中變氣中分離出二氧化碳，以便改進(jìn)甲烷制氫氣效率的方法。在該兩段組合工藝中，二氧化碳經(jīng)過(guò)液態(tài)加壓閃蒸和高壓氣態(tài)PSA精制提純才能達(dá)到98.6%純度，設(shè)備投入和運(yùn)行成本都非常高。

澳大利亞專利申請(qǐng)AU2016201267A1提供了一種回收二氧化碳、高純度氫氣和生產(chǎn)高熱值燃料氣體的復(fù)合兩級(jí)工藝過(guò)程，包括二氧化碳真空變壓吸附（CO₂VSA）階段和H₂變壓吸附（H₂PSA）的階段。二氧化碳真空變壓吸附階段包括吸附步驟、順流均壓步驟、二氧化碳產(chǎn)品氣吹掃步驟、順流均壓步驟、抽空排氣步驟、輕質(zhì)回流步驟、逆流均壓步驟以及加壓步驟。其中的二氧化碳產(chǎn)品氣吹掃是傳統(tǒng)真空變壓吸附方法中通常用以提高二氧化碳產(chǎn)品氣純度的步驟，一方面高濃度的二氧化碳產(chǎn)品氣可以將CO₂含量較低的貧CO₂氣體由吸附塔頂部送出吸附塔，另一方面高濃度的二氧化碳產(chǎn)品氣將大大減少非二氧化碳?xì)怏w的分壓含量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非二氧化碳?xì)怏w組分的脫附以及二氧化碳的二次吸附，使得吸附的二氧化碳得到進(jìn)一步純化。但該步驟的一個(gè)缺點(diǎn)是二氧化碳被多次吸附與解吸，降低了吸附劑的使用效率，使真空泵的能耗升高。

總而言之，之前的技術(shù)均以凈化非二氧化碳?xì)怏w為目的，因此設(shè)計(jì)床層高度普遍較高，超過(guò)3米，床層高造成壓降較大，因此壓縮能耗較大。在很多石化煉廠尾氣中，二氧化碳濃度高（約50%）且在低溫下含飽和水蒸氣，之前采用的變壓吸附循環(huán)基于“汽提”循環(huán)（stripping cycle）機(jī)理，未考慮和顧全二氧化碳?xì)怏w的純度和收率。并且在用于二氧化碳提純的傳統(tǒng)真空變壓吸附方法中，使用產(chǎn)品氣吹掃步驟（或置換步驟）用以提高二氧化碳產(chǎn)品氣的純度，此舉減低了吸附劑的使用效率，增加了真空泵的能耗，增加了工業(yè)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種從含CO₂原料氣中分離高純度CO₂的裝置，其特征在于，所述裝置為一段式真空變壓吸附氣體分離裝置，所述裝置包括進(jìn)氣緩沖罐1，第一管道2，兩個(gè)以上的吸附塔，第二管道4，第三管道5，第四管道6，真空泵7，貧CO₂氣體罐8和CO₂產(chǎn)品罐9；每個(gè)所述吸附塔包含進(jìn)氣閥，排氣閥，第一閥和第二閥，所述吸附塔內(nèi)放置有吸附劑，所述吸附塔的底部含有分流板；所述進(jìn)氣緩沖罐1通過(guò)所述第一管道、所述進(jìn)氣閥與所述吸附塔底部相連，使含CO₂原料氣由所述吸附塔底部進(jìn)入所述吸附塔；每個(gè)所述吸附塔的頂部通過(guò)所述第二管道4、所述排氣閥與貧CO₂氣體罐8相連，用于回收貧CO₂氣體；各所述吸附塔的頂部通過(guò)第三管道5以及第一閥相互連通，通過(guò)控制所述第一閥的開(kāi)關(guān)，使所述吸附塔之間的氣體可以相互流動(dòng)；每個(gè)所述吸附塔的底部通過(guò)第四管道6、第二閥與真空泵7相連，所述真空泵7與所述CO₂產(chǎn)品罐9相連，用于回收CO₂產(chǎn)品氣。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的裝置中吸附塔的高度為0.5-2.0米。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的裝置中吸附塔的數(shù)目為 4-10個(gè)。

優(yōu)選地，吸附劑在吸附塔內(nèi)以密相分層裝填的方式分布。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的裝置還包括與吸附塔頂部相連的頂部緩沖罐。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的裝置不包括用于壓縮原料氣的壓縮機(jī)。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的裝置為撬裝式設(shè)備，包括撬塊和分布在所述撬塊中的一段式真空變壓吸附氣體分離裝置，所述一段式真空變壓吸附氣體分離裝置包括進(jìn)氣緩沖罐（1），第一管道（2），兩個(gè)以上的吸附塔，第二管道（4），第三管道（5），第四管道（6），真空泵（7），貧CO₂氣體罐（8）和CO₂產(chǎn)品罐（9）；每個(gè)所述吸附塔包含進(jìn)氣閥，排氣閥，第一閥和第二閥；所述吸附塔內(nèi)放置有吸附劑，所述吸附塔的底部含有分流板；其中所述進(jìn)氣緩沖罐（1）通過(guò)所述第一管道、所述進(jìn)氣閥與所述吸附塔底部相連，使含CO₂原料氣由所述吸附塔底部進(jìn)入所述吸附塔；每個(gè)所述吸附塔的頂部通過(guò)所述第二管道（4）、所述排氣閥與貧CO₂氣體罐（8）相連，用于回收貧CO₂氣體；各所述吸附塔的頂部通過(guò)第三管道（5）以及第一閥相互連通，通過(guò)控制所述第一閥的開(kāi)關(guān)，使所述吸附塔之間的氣體可以相互流動(dòng)；每個(gè)所述吸附塔的底部通過(guò)第四管道（6）、第二閥與真空泵（7）相連，所述真空泵（7）與所述CO₂產(chǎn)品罐（9）相連，用于回收CO₂產(chǎn)品氣。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的撬塊為集裝箱。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的裝置包括自動(dòng)控制系統(tǒng)。

更優(yōu)選地，自動(dòng)控制系統(tǒng)為帶有通訊模式的可編程邏輯控制器或帶有通訊模式的分布式控制系統(tǒng)。

使用本實(shí)用新型的真空變壓吸附氣體分離裝置從含CO₂原料氣中分離高純度CO₂能夠獲得令人滿意的CO₂純度和回收率。本實(shí)用新型裝置不對(duì)原料氣（尾氣）進(jìn)行任何壓縮，原料氣直接進(jìn)入本實(shí)用新型的真空變壓吸附氣體分離裝置進(jìn)行CO₂分離提純，并且本實(shí)用新型的裝置吸附塔高度低、循環(huán)周期短，為工業(yè)生產(chǎn)凈化CO₂節(jié)省成本、產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另一方面，本實(shí)用新型的的裝置為撬裝式設(shè)備，有效地解決了一般變壓吸附設(shè)備占地面積大，運(yùn)輸、移動(dòng)困難的缺陷。在帶有自動(dòng)控制系統(tǒng)的裝置中，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/無(wú)線操作和控制運(yùn)行。

附圖說(shuō)明

圖1是使用本實(shí)用新型裝置的一個(gè)實(shí)施例的循環(huán)流程圖。

圖2是本實(shí)用新型的真空變壓吸附氣體分離裝置的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的裝置進(jìn)行進(jìn)一步闡述，但并不將本實(shí)用新型限制在所述的具體實(shí)施方式的范圍中。

本實(shí)用新型所述的含CO₂原料氣中含有的CO₂為>15%（體積比），優(yōu)選地，含有的CO₂為30%-60%（體積比），此外，適用于本實(shí)用新型中的原料氣還可以含有任何一種或多種組分，例如水（H₂O），氫氣（H₂），甲烷（CH₄），一氧化碳（CO），氮?dú)猓∟₂），氧氣（O₂）或少量其他氣體組分。不同的原料氣所包含的各種組分的含量有所不同，有代表性的原料氣為甲烷蒸汽重整制氫單元的尾氣、煤制合成氣等。所述含CO₂原料氣的壓力范圍為0-50KPa表壓，通常為30-40KPa表壓，溫度范圍為10-50°C。

使用本實(shí)用新型的真空變壓吸附氣體分離裝置從含CO₂原料氣中分離高純度CO₂可通過(guò)吸附塔的循環(huán)工作進(jìn)行，例如包含如下步驟：

進(jìn)料吸附步驟：將含有CO₂的原料氣通過(guò)吸附塔底部的開(kāi)關(guān)閥注入吸附塔內(nèi)，此時(shí)原料氣的壓力范圍為0-50KPa表壓，通常為30-40KPa表壓，溫度為10-50°C。吸附塔中包含至少一種在進(jìn)料壓力和溫度下優(yōu)先吸附CO₂的吸附劑，這些吸附劑可以包括以下一種或多種：沸石（沸石A，沸石X，沸石Y等），活性炭，活性氧化鋁，金屬有機(jī)骨架，硅膠或其他任何可選擇性吸附CO₂優(yōu)于非CO₂氣體的固體粒狀分子吸附材料。所述吸附劑在吸附塔內(nèi)以密相分層方式裝填。采用密相裝填法，可以將吸附劑在反應(yīng)器內(nèi)沿半徑方向呈放射性規(guī)整地排列，從而減少吸附劑顆粒間的孔隙，提高吸附劑的裝填密度。密相裝填除了可以多裝吸附劑外，由于裝填過(guò)程中吸附劑顆粒在反應(yīng)器橫截面上規(guī)整排列，因此其沿吸附塔縱向、徑向的裝填密度也非常均勻。吸附劑的密相裝填，可以確保原料氣的流量分布均勻，以最大限度地、充分地作用于吸附劑。與傳統(tǒng)的裝填方法相比較，吸附劑的密實(shí)裝填具有如下優(yōu)點(diǎn)：①吸附塔可多裝填吸附劑，提高加工能力或延長(zhǎng)吸附劑的使用周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量；②吸附劑床層裝填均勻，緊密一致，可減少死空間，減少相對(duì)位移；③吸附劑床層徑向溫度均勻；④裝填時(shí)采用專門(mén)機(jī)械，連續(xù)化作業(yè)，裝填速度大大提高。原料氣自下而上經(jīng)過(guò)吸附塔，原料氣中大部分CO₂在氣體流動(dòng)過(guò)程中被吸附劑所吸附，原料氣轉(zhuǎn)變?yōu)樨欳O₂氣體由吸附塔頂部排出。排出的貧CO₂氣體可排出至貧CO₂氣體罐或進(jìn)入剛完成抽空排氣步驟的其他吸附塔中或進(jìn)入剛完成逆流加壓步驟的其他吸附塔中。進(jìn)入貧CO₂氣體罐的氣體可送往下游做進(jìn)一步處理或直接排出；進(jìn)入剛完成逆流加壓步驟的吸附塔中的貧CO₂氣體可用以提高其他吸附塔內(nèi)的壓力，其中未被吸附的CO₂進(jìn)行再一次的吸附，提高了CO₂氣體的回收率；進(jìn)入剛完成抽空排氣步驟的吸附塔的貧CO₂氣體具有清洗的作用，提高了CO₂氣體的回收率。

順流減壓步驟：進(jìn)料吸附步驟之后是一個(gè)或多個(gè)的順流減壓步驟。當(dāng)CO₂的吸附前沿移動(dòng)到床層的某一位置時(shí)，關(guān)閉吸附塔底部的開(kāi)關(guān)閥停止原料氣進(jìn)入吸附塔，停止吸附。打開(kāi)該吸附塔頂部的閥門(mén)，將其與剛完成輕質(zhì)回流步驟的其他吸附塔之間連通，由該吸附塔排出的貧CO₂氣體經(jīng)由其他吸附塔的頂部進(jìn)入其他吸附塔，使二者之間壓力均衡，從而提高剛完成輕質(zhì)回流步驟的吸附塔的壓力。該步驟可以達(dá)到降低完成進(jìn)料吸附過(guò)程的吸附塔內(nèi)壓力的作用，使該吸附塔中殘留的貧CO₂氣體排出該吸附塔，并使吸附劑中還殘留的除CO₂以外的其他氣體組分釋放出來(lái)，以此提高最終產(chǎn)品氣中CO₂的濃度，并且重新循環(huán)入真空變壓裝置內(nèi)的貧CO₂氣體中的少量的CO₂可以進(jìn)一步吸附，提高了CO₂的回收率。通過(guò)順流減壓步驟，隨著該吸附塔內(nèi)壓力的降低，吸附劑中吸附的CO₂逐步解吸。根據(jù)吸附塔內(nèi)壓力變化情況，順流減壓步驟可以執(zhí)行一次或多次，直至該吸附塔內(nèi)的壓力達(dá)到一定值。

抽空排氣步驟：關(guān)閉該吸附塔與其他吸附塔的連接，打開(kāi)該吸附塔底部與真空泵連接的閥門(mén)，通過(guò)真空泵回收該吸附塔內(nèi)吸附劑吸附的CO₂，隨著吸附塔內(nèi)壓力的降低，被吸附的CO₂氣體從吸附劑中解吸出來(lái)，解吸的CO₂進(jìn)入與真空泵連通的CO₂產(chǎn)品罐。

輕質(zhì)回流步驟：保持該吸附塔與真空泵的連通，將該吸附塔頂部與進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔頂部連通，其他吸附塔頂部排出的貧CO₂氣體經(jīng)該吸附塔的塔頂進(jìn)入該吸附塔。由于真空泵始終保持工作，該吸附塔保持在一定的真空壓力下，從頂部進(jìn)入該吸附塔的貧CO₂氣體的流量大、流動(dòng)性好，有助于推出在吸附劑空隙和吸附劑上殘余的CO₂。由吸附劑進(jìn)一步解吸的CO₂，在貧CO₂氣體的推動(dòng)下通過(guò)真空泵進(jìn)入CO₂產(chǎn)品罐。通過(guò)輕質(zhì)回流步驟能夠進(jìn)一步提高CO₂產(chǎn)品氣的回收率。

逆流加壓步驟：輕質(zhì)回流步驟之后是一個(gè)或多個(gè)逆流加壓步驟。關(guān)閉該吸附塔與真空泵的連通，將該吸附塔與剛完成進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔的塔頂連通，其他吸附塔中通過(guò)順流減壓步驟排出的貧CO₂氣體經(jīng)塔頂進(jìn)入該吸附塔，使二者壓力均衡以提升該吸附塔內(nèi)的壓力。根據(jù)吸附塔內(nèi)壓力變化情況，逆流加壓步驟可以執(zhí)行一次或多次，直至吸附塔內(nèi)的壓力達(dá)到一定值。

加壓步驟：該步驟為吸附塔進(jìn)料前增壓步驟，可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：其一為原料氣加壓，即僅打開(kāi)吸附塔底部的閥門(mén)引入原料氣進(jìn)行增壓；其二為貧CO₂氣體增壓，即僅打開(kāi)吸附塔頂部的閥門(mén)引入貧CO₂氣體進(jìn)行增壓，此時(shí)打開(kāi)該吸附塔與進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔之間的連接，由其他吸附塔頂部排出的貧CO₂氣體進(jìn)入該吸附塔以提升塔內(nèi)壓力。通過(guò)加壓步驟，使吸附塔內(nèi)的壓力達(dá)到一定值，以防止下一步進(jìn)原料時(shí)因壓差過(guò)大造成吸附層流化，造成吸附劑磨損消耗，影響系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

完成加壓步驟的吸附塔返回至進(jìn)料吸附步驟，重復(fù)上述各步驟進(jìn)行吸附。這些步驟在真空變壓吸附裝置的多個(gè)吸附塔間交替循環(huán)反復(fù)進(jìn)行。本實(shí)用新型的裝置至少需要兩個(gè)裝填有在吸附壓力和溫度下優(yōu)先吸附CO₂的吸附劑的吸附塔，吸附塔的個(gè)數(shù)也可以為三塔或以上，優(yōu)選四到十塔，各個(gè)吸附塔以耦合方式循環(huán)運(yùn)行。

圖1是使用本實(shí)用新型裝置的一個(gè)實(shí)施方式的循環(huán)流程圖。

本實(shí)用新型的真空變壓吸附氣體分離裝置如圖2所示。所述裝置包含進(jìn)氣緩沖罐1，第一管道2，吸附塔，第二管道4，第三管道5，第四管道6，真空泵7，貧CO₂氣體罐8和CO₂產(chǎn)品罐9。

如圖2所示的裝置為四塔結(jié)構(gòu)（分別為3A，3B，3C，3D），每個(gè)吸附塔分別具有進(jìn)氣閥（分別為10A，10B，10C，10D），排氣閥（分別為11A，11B，11C，11D），兩組第一閥（分別為12A，12B；12C，12D；12E，12F；12G，12H）和第二閥（分別為13A，13B，13C，13D）。但本實(shí)用新型的吸附塔的個(gè)數(shù)不限于圖2所示的四個(gè)。每個(gè)吸附塔所含有的第一閥的個(gè)數(shù)不限于圖2所示的兩個(gè)，當(dāng)裝置中吸附塔的個(gè)數(shù)較少時(shí)（例如兩塔結(jié)構(gòu)），每個(gè)吸附塔所含有的第一閥的個(gè)數(shù)可以為一個(gè)，當(dāng)裝置中吸附塔的個(gè)數(shù)較多時(shí)（例如八塔結(jié)構(gòu)），每個(gè)吸附塔所含有的第一閥的個(gè)數(shù)可以為三個(gè)或多個(gè)。第一閥的作用在于使吸附塔之間的氣體流通，多閥結(jié)構(gòu)可以減少閥門(mén)的損耗，延長(zhǎng)裝置的使用壽命。如圖2所示的吸附塔3A的第一閥12A和12B，第一閥12A可用于進(jìn)行順流減壓步驟或逆流加壓步驟中吸附塔3A與其他吸附塔之間的壓力平衡，第一閥12B可用于進(jìn)料吸附步驟、輕質(zhì)回流步驟或加壓步驟中貧CO₂氣體進(jìn)出吸附塔3A，第一閥12A和12B的用途也可以根據(jù)情況相互對(duì)換，12A或12B也可以單獨(dú)完成上述用途。本實(shí)用新型裝置的吸附塔的高度為0.5-2.0米，優(yōu)選1.0-2.0米，吸附塔內(nèi)放置有在吸附壓力和溫度下優(yōu)先吸附CO₂的吸附劑。吸附劑在吸附塔內(nèi)以密相分層裝填的方式分布。吸附塔的底部還含有分流板，以使進(jìn)入吸附塔的氣流能夠均勻的進(jìn)入吸附劑。

其中進(jìn)氣緩沖罐1通過(guò)所述第一管道、所述進(jìn)氣閥與所述吸附塔底部相連，使含CO₂原料氣由所述吸附塔底部進(jìn)入所述吸附塔。每個(gè)所述吸附塔的頂部通過(guò)所述第二管道4、所述排氣閥與貧CO₂氣體罐8相連，用于回收貧CO₂氣體；各所述吸附塔的頂部通過(guò)第三管道5以及第一閥相互連通，通過(guò)控制所述第一閥的開(kāi)關(guān)，使所述吸附塔之間的氣體可以相互流動(dòng)。每個(gè)所述吸附塔的底部通過(guò)第四管道6、第二閥與真空泵7相連，所述真空泵7與所述CO₂產(chǎn)品罐9相連，用于回收CO₂產(chǎn)品氣。本實(shí)用新型裝置中的所述第二閥可為單向閥，在此情況下，本實(shí)用新型的裝置僅能夠通過(guò)第二閥將吸附塔內(nèi)的CO₂回收至CO₂產(chǎn)品罐9中，而不能反向由CO₂產(chǎn)品罐9向吸附塔輸入CO₂產(chǎn)品氣，也就是說(shuō)本實(shí)用新型的裝置適用于不包含CO₂產(chǎn)品氣吹掃步驟的方法。本實(shí)用新型裝置中各閥門(mén)的開(kāi)關(guān)可通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程/無(wú)線操控。

本實(shí)用新型的裝置還包括與吸附塔頂部相連的頂部緩沖罐（圖中未示出）。

本實(shí)用新型的裝置不包括用于壓縮原料氣的壓縮機(jī)。

本實(shí)用新型的真空變壓吸附氣體分離裝置在撬塊（圖中未示出）內(nèi)分布以形成撬裝式設(shè)備。本實(shí)用新型中的“撬塊”是指任何適于封裝所述真空變壓吸附氣體分離裝置的結(jié)構(gòu)，例如能夠通過(guò)卡車、火車、貨船或飛機(jī)等運(yùn)輸方法運(yùn)輸?shù)募b箱。此時(shí)，在集裝箱上與進(jìn)氣緩沖罐1、貧CO₂氣體罐8和CO₂產(chǎn)品罐9對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)有管道進(jìn)出口用以輸入原料氣及輸出貧CO₂氣體和CO₂產(chǎn)品氣。撬裝式設(shè)備提供了模塊化的、一體化的、可移動(dòng)的氣體分離裝置，具有設(shè)備緊湊、占地面積小、移動(dòng)方便、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型的裝置包括自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如帶有通訊模式的可編程邏輯控制器（PLC）或帶有通訊模式的分布式控制系統(tǒng)（DCS），此時(shí)本實(shí)用新型的裝置可以遠(yuǎn)程/無(wú)線操作和控制運(yùn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)氣體分離的要求通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)本實(shí)用新型裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程/無(wú)線操控。

下面結(jié)合圖1和圖2對(duì)本實(shí)用新型所述的真空變壓分離裝置進(jìn)行說(shuō)明。

如圖1所示，每個(gè)吸附塔在一個(gè)循環(huán)過(guò)程中經(jīng)歷八個(gè)步驟，以吸附塔3A為例，包括：

A）進(jìn)料吸附步驟（AD）：打開(kāi)進(jìn)氣閥10A，原料氣通過(guò)進(jìn)氣緩沖罐1和進(jìn)氣管道2進(jìn)入吸附塔3A，原料氣自下而上通過(guò)吸附塔3A，原料氣中的CO₂被吸附塔內(nèi)的吸附劑所吸附，原料氣變?yōu)樨欳O₂氣體。此時(shí)根據(jù)需要，貧CO₂氣體可以通過(guò)排氣閥11A、11B、11C、11D和第二管道4進(jìn)入貧CO₂氣體罐8，進(jìn)行進(jìn)一步處理；也可以進(jìn)入正在進(jìn)行輕質(zhì)回流步驟（LR）或正在進(jìn)行貧CO₂氣體加壓步驟（WRP）的其他吸附塔，此時(shí)吸附塔3A頂部的第一閥12A或12B以及正在進(jìn)行輕質(zhì)回流步驟（LR）或正在進(jìn)行貧CO₂氣體加壓步驟（WRP）的其他吸附塔頂部的相應(yīng)的第一閥打開(kāi)，貧CO₂氣體從吸附塔3A的頂部經(jīng)過(guò)第三管道5由其他吸附塔的頂部進(jìn)入其他吸附塔。

B）順流減壓步驟1（COC PE1）：當(dāng)吸附塔3A中的壓力到達(dá)一預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉吸附塔3A底部的進(jìn)氣閥10A，打開(kāi)吸附塔3A與正在進(jìn)行逆流加壓步驟（CCC PE）的其他吸附塔之間的連接，關(guān)閉吸附塔3A與貧CO₂氣體罐之間的連接，此時(shí)吸附塔3A頂部的第一閥12A或12B以及正在進(jìn)行逆流加壓步驟的其他吸附塔頂部的相應(yīng)的第一閥保持打開(kāi)狀態(tài)，吸附塔3A中的貧CO₂氣體從吸附塔3A頂部通過(guò)第三管道5由其他吸附塔的頂部進(jìn)入其他吸附塔，以使吸附塔3A和其他吸附塔的壓力均衡。

C）順流減壓步驟2（COC PE2）：選取另一個(gè)正在進(jìn)行逆流加壓步驟的吸附塔，將吸附塔3A與該吸附塔連通，重復(fù)順流減壓步驟1的操作。

D）抽空排氣步驟（EV）：關(guān)閉吸附塔3A頂部的閥門(mén)，打開(kāi)吸附塔3A底部的第二閥13A，打開(kāi)真空泵7，將吸附劑吸附的CO₂回收至CO₂產(chǎn)品罐9中。

E）輕質(zhì)回流步驟（LR）：抽空排氣步驟結(jié)束后，保持吸附塔3A與真空泵7的連通，將吸附塔3A與正在進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔連通，此時(shí)吸附塔3A頂部的第一閥12A或12B以及正在進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔頂部的相應(yīng)的第一閥打開(kāi)，在真空泵7的作用下，其他吸附塔中的貧CO₂氣流快速?gòu)钠渌剿捻敳拷?jīng)第三管道5由吸附塔3A的頂部進(jìn)入吸附塔3A。由貧CO₂氣流推出的吸附塔3A中吸附劑空隙及吸附劑上殘余的CO₂經(jīng)真空泵回收至CO₂產(chǎn)品罐內(nèi)。

F）逆流加壓步驟1（CCC PE1）：關(guān)閉真空泵7和吸附塔3A底部的第二閥13A，將吸附塔3A與剛完成進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔連通，此時(shí)吸附塔3A頂部的第一閥12A或12B與剛完成進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔頂部的相應(yīng)的第一閥保持打開(kāi)狀態(tài)，其他吸附塔中的貧CO₂氣體從其他吸附塔的頂部經(jīng)第三管道5由吸附塔3A的頂部進(jìn)入吸附塔3A，使吸附塔3A與其他吸附塔之間壓力均衡，提升吸附塔3A內(nèi)的壓力。

G）逆流加壓步驟2（CCC PE2）：選取另外一個(gè)剛完成進(jìn)料吸附步驟的吸附塔，將吸附塔3A與該吸附塔連通，重復(fù)逆流加壓步驟1的操作。

H）貧CO₂氣體加壓步驟（WRP）：關(guān)閉吸附塔3A與逆流加壓步驟2中的其他吸附塔之間的連接，將吸附塔3A與正在進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔之間的連接打開(kāi)，此時(shí)吸附塔3A頂部的第一閥12A或12B以及正在進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔頂部的相應(yīng)的第一閥保持打開(kāi)狀態(tài)，正在進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟的其他吸附塔內(nèi)產(chǎn)生的貧CO₂氣體從其他吸附塔的頂部經(jīng)第三管道5由吸附塔3A頂部進(jìn)入吸附塔3A，進(jìn)一步提升吸附塔3A的壓力。

之后吸附塔3A返回進(jìn)料吸附步驟，重復(fù)上述A）-H）的步驟。本實(shí)用新型的真空變壓吸附裝置中的每個(gè)吸附塔均循環(huán)運(yùn)行上述步驟，上述步驟A）-H）在各吸附塔之間交替耦合進(jìn)行，即某個(gè)吸附塔進(jìn)行某一步驟時(shí)，其他吸附塔相應(yīng)地進(jìn)行其他步驟，以此源源不斷的產(chǎn)生高純度的CO₂產(chǎn)品氣。例如，某個(gè)吸附塔正在進(jìn)行輕質(zhì)回流步驟，可設(shè)置其他吸附塔處在進(jìn)料吸附步驟，從而使其他吸附塔進(jìn)料吸附步驟產(chǎn)生的貧CO₂氣體作為此吸附塔輕質(zhì)回流步驟的清洗氣；又例如，某個(gè)吸附塔正在進(jìn)行順流減壓步驟，可設(shè)置其他吸附塔正處在逆流加壓步驟，其他吸吸附塔可與此吸附塔之間連通從而實(shí)現(xiàn)均壓；又例如，某個(gè)吸附塔正在進(jìn)行貧CO₂氣體加壓步驟，可設(shè)置其他吸附塔正處在進(jìn)行進(jìn)料吸附步驟，使其他吸附塔進(jìn)料吸附步驟產(chǎn)生的貧CO₂氣體作為此吸附塔貧CO₂氣體加壓步驟的加壓氣。

作為使用本實(shí)用新型裝置的另一種實(shí)施方式，圖1中的貧CO₂加壓步驟（WRP）也可以用原料氣加壓步驟（FRP）來(lái)替代。仍以吸附塔3A為例，其他步驟與圖1相同，在逆流加壓步驟2之后，關(guān)閉吸附塔3A與其他吸附塔之間的連接，關(guān)閉吸附塔3A頂部的第一閥12A或12B，打開(kāi)吸附塔3A底部的進(jìn)氣閥10A，原料氣通過(guò)第一管道2由吸附塔底部進(jìn)入吸附塔3A，使吸附塔3A內(nèi)的壓力達(dá)到一定值。

本實(shí)用新型的裝置，原料氣不需要進(jìn)行壓縮即可直接用于本實(shí)用新型所述真空變壓氣體分離裝置進(jìn)行CO₂的分離與純化，此舉能夠減少能耗，降低成本。并且，本實(shí)用新型的裝置適用于不包含CO₂產(chǎn)品氣吹掃步驟的方法，避免了傳統(tǒng)真空變壓氣體分離工藝中CO₂二次吸附的問(wèn)題，提高了吸附劑單位時(shí)間利用率，降低了真空泵能耗。因此，相比于常規(guī)的真空變壓氣體分離裝置采用中/高壓力，循環(huán)步驟時(shí)間較長(zhǎng)，吸附塔較大型化、笨重，本實(shí)用新型的裝置設(shè)備可以小型化，吸附塔高度低，吸附循環(huán)時(shí)間短，節(jié)約了設(shè)備資本投入，降低了運(yùn)行消耗。且本實(shí)用新型為撬裝式設(shè)備，吸附塔、管道等部件在撬塊內(nèi)按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)集成分布，設(shè)備緊湊、占地面積小、便于移動(dòng)。另外，自動(dòng)控制系統(tǒng)的加入，使得本實(shí)用新型的裝置可以遠(yuǎn)程/無(wú)線操控。

實(shí)施例1-3

從石化煉油廠甲烷蒸汽重整制氫尾氣（含CO₂原料氣）中分離提取高純度CO₂。

石化煉油廠甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)排放的尾氣（含CO₂原料氣）是富含CO₂的工業(yè)尾氣，其通常組分如下表：

表1 石化煉油廠甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)排放尾氣的組分

原料氣的壓力為表壓0-50KPa，溫度為10-50°C。使用如圖1所示的步驟及如圖2所示的真空變壓氣體分離裝置分離上述原料氣，其中真空變壓氣體分離裝置中吸附塔的個(gè)數(shù)分別為4，6和8個(gè)。吸附塔吸附劑為硅膠, 活性碳與沸石X（裝填比例為體積比1:1:5）。得到的CO₂產(chǎn)品氣的純度均大于99%，回收率均大于86%。

實(shí)施例4-6

從煤制合成氣（含CO₂原料氣）中分離提取高純度CO₂。

煤制合成氣（含CO₂原料氣）是富含CO₂的工業(yè)氣體，其通常組分如下表：

表2 煤制合成氣的組分

原料氣的壓力為表壓0-50KPa，溫度為10-50°C。使用如圖1所示的步驟及如圖2所示的真空變壓氣體分離裝置分離上述原料氣，其中使用原料氣加壓步驟代替圖1中所述的貧CO₂氣加壓步驟，其余步驟與圖1相同。其中真空變壓氣體分離裝置中吸附塔的個(gè)數(shù)分別為4，6和8個(gè)。吸附塔中吸附劑為硅膠，活性碳與沸石X（裝填比例為體積比1:1:6）。得到的CO₂產(chǎn)品氣的純度均大于99%，回收率均大于86%。

CO₂產(chǎn)品氣純度及回收率的計(jì)算方法為：

使用本實(shí)用新型設(shè)備分離的CO₂氣體純度通過(guò)紅外在線分析儀（比如英國(guó)Servomex 2400）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)定，取樣口設(shè)置在CO₂產(chǎn)品罐后。

CO₂氣體的回收率的計(jì)算方法為：

二氧化碳回收率=真空泵出口的二氧化碳流量/原料氣中的二氧化碳流量。

由以上實(shí)施例可知，使用本實(shí)用新型的氣體分離裝置用于提純CO₂，基本可以得到純度>99%和回收率>86%的CO₂產(chǎn)品氣。這種優(yōu)異的分離性能表現(xiàn)，可以為工業(yè)生產(chǎn)回收凈化CO₂節(jié)省巨大成本。