[发明专利]具有以正常和调低模式操作的工艺循环的大规模变压吸附系统

说明书

发明领域

本发明涉及利用新的且先进的循环从含有氢气的进料气体(即，合成气体)来获得提高的氢气回收率的大规模变压吸附系统(即，十二至十六床范围)。该大规模设备每天产生100-190百万标准立方英尺氢气。更特别地，通过新开发的工艺循环，十二-十六床PSA系统提供更好的分离，更低的吸附剂要求(即，更低的床尺寸因素(BSF))以及更低的资金和运营成本。设计本发明的循环用于具有十二至十六床的PSA系统。然而，还提供了新循环，其中十二床PSA系统可以调低模式操作，其中一个或更多个床处于离线，本文也称为“调低模式”。此外，本发明涉及PSA的床中所采用的新的吸附层。

发明背景

在化学处理工业中，仍然存在对由流出物处理的诸如氢气的高纯度气体的需求。这些流出物是来自天然气或石油(naptha)的蒸气甲烷重整、烃类的催化重整、异构化处理等的含有氢气的气体混合物(即，合成气体)，所述流出物被输送至PSA以供进一步加工。这一不断增长的需求需要开发出用于从各种进料混合物生产氢气(H₂)的高效的分离工艺(例如，PSA)。为了获得高效的PSA分离工艺，必须同时降低PSA系统的资金和运营成本。一些减少PSA系统成本的方式包括降低吸附剂库存，减少PSA床的数量，并在PSA处理中使用先进的循环。前述减少PSA系统成本的方式构成本发明的要素。

众所周知，常规PSA系统可分离含有具有不同吸附特征的成分的进料混合气体。例如，在典型的PSA系统中，使多成分气体在升高的压力下流至多个吸附床的至少一个，以吸附至少一种被强吸附的成分同时至少一种成分通过。在氢气PSA的情况下，氢气是通过床的最弱吸附的成分。在规定的时间，中止进料步骤并以一个或更多个步骤将吸附床并流减压，以一个或更多个步骤逆流净化，并以一个或更多个步骤逆流减压以使基本上纯的氢气产物能以高回收率离开床。步骤的次序不限于前述次序，并且两个或更多个步骤的组合可作为单个步骤的一部分而被实施。

在相关领域中，美国专利第6,379,431号涉及变压吸附方法，包括具有多个床的设备以及在整个工艺中同时逆流净化至少两个床。本专利公开了用于十二床PSA系统的工艺循环，其具有三个或四个床同时进料，以及三个或四个均衡步骤。特别地，这些是12-3-3/4和12-4-4循环。在12-3-3/4循环中，该3/4均衡步骤意指第四均衡不是实际的均衡步骤(即，其中两个床相通的均衡步骤)。实际上，均衡步骤与提供净化步骤重叠。另一方面，12-4-4循环的特征是保持步骤，其通常使PSA性能降低。同样，美国专利第6,379,431号并未遵循在该PSA循环中净化步骤期间的顺序回流方案(sequential reflowing protocol)，其总是导致氢气回收率降低。

美国专利第6,210,466号公开克服了对于多种气体分离的PSA单元能力的历史局限性的16-4-4PSA循环。现在可以在单个综合工艺系列中实现超过约11万标准立方米每小时（100百万标准立方英尺每天）的容量。相应的重要的设备减少导致与PSA工艺中接受的原理偏离，即净化步骤的时长必须等于或小于吸附步骤的时长。本专利公开了相对于吸附步骤增加净化时间，并结合从其它一个或多个吸附床向一列吸附床中的任何吸附床提供净化气体，并且在提供-净化步骤期间，其它吸附床同时提供净化气体至进行基本上所有的净化步骤的吸附床，使得单个列可以在容量方面提供显著的增加，而回收率或性能方面的损失最小。所述的益处是那些非常地大规模的PSA单元现在可以构造为单列的设备，成本显著低于两个或更多平行列设备的成本。

美国专利第6,565,628B2号涉及通过减少需要的压力均衡时间来减少变压吸附方法中循环时间的方法。本文件公开了十四和十六床PSA系统，其具有尤其是用于十四床系统的14-3-5、14-3-4和14-4-4循环，以及用于十六床系统的16-4-4、16-4-4/5和16-4-5循环。与具有5个平行床同时进料以及五个床到床均衡步骤的本发明的十四床PSA系统循环相比，所有这些循环具有更低的生产量和回收率。此外，对于十六床PSA系统，本发明的循环与现有PSA循环相比具有较高的生产量和较高的回收率。