一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统及提纯氢气方法

摘要

本发明公开了一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统及提纯氢气方法，解决现有技术氢气回收率低或投资高的技术问题。提纯氢气系统包括吸附塔、第一至第九程控阀、原料气输送管线、冲洗出管线、逆放气管线、冲洗入管线、顺放管线、第二均压/第三均压管线、第四均压管线、第一均压及最终升压管线、产品气外输管线、抽真空设备和管道。提纯氢气方法为每个吸附塔依次经过包括吸附步骤、顺向降压步骤、逆向降压步骤、低压冲洗再生步骤和逆向升压步骤的重复循环步骤进行变压吸附提纯氢气。本发明在吸附塔处于低压冲洗步骤时抽真空使冲洗再生压力低于常压冲洗工艺再生压力，冲洗效率更高，吸附剂再生更加彻底，从而提高吸附剂动态吸附容量，提高氢气回收率。

说明书

技术领域

本发明属于变压吸附提纯气体技术领域，具体涉及一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统及提纯氢气方法。

背景技术

变压吸附提纯氢气技术广泛应用于石油、化工、能源等领域，并且随着工业技术的发展，变压吸附提纯氢气系统已经成为大型工业系统的主要单元，并且变压吸附提纯氢气系统规模逐步增加，已经达到每小时产氢几十万立方米。

变压吸附提纯氢气技术是利用吸附剂对不同气体的吸附容量的差异，并且吸附容量随着吸附压力的增加而增加，随着吸附压力的降低而减小的特性，在高压下吸附，在低压下解吸再生，从而实现氢气的提纯。常用吸附剂的再生方式有两中，一种为常压冲洗再生，即利用一部分氢气在常压下对吸附剂冲洗再生，再生压力在0.02～0.05MPag；另一种再生方式为抽空再生，即利用真空泵对吸附塔抽真空，吸附剂在真空条件下再生，再生压力为-0.08MPag～-0.095MPa。其中冲洗再生工艺吸附塔数量少，投资低，但是氢气的回收率相对也低；而抽空再生工艺需要更多的均压次数，一般抽空工艺比冲洗工艺多2步以上均压，因此，吸附塔的数量更多，投资更高，但是氢气的回收率相对也较高。

变压吸附提氢工艺研究的目的在于提升效率，改善再生，专利CN210874700U采用高压再生工艺，将传统的冲洗再生压力由0.02～0.05MPag提高至0.1～0.3MPag，这样可以降低解吸气的增压能耗，然而，高压冲洗工艺会降低吸附剂的再生效果，降低氢气回收率；为了提升抽空工艺的再生效果，多个专利公布了在抽空步骤的后期引入冲洗气，即在抽空后期采用抽空冲洗工艺增强吸附剂的再生，如专利CN110052114A在抽空阶段的中后期采用抽空与冲洗同时进行的工艺，同时还可以实现抽空工艺和冲洗工艺的切换，如CN1151957C、CN109276973A、CN109529534A、CN110252083A、CN211635878U等专利技术在抽空步骤后引入了抽空冲洗步骤，然而，这种改进仍然是基于抽空再生，仍然需要比冲洗工艺多出更多的均压次数、较低的再生压力和较大的真空泵。如何提升冲洗再生工艺的效率仍然是需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统及提纯氢气方法，解决现有技术常压冲洗再生工艺中氢气回收率低而抽空再生工艺投资高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统，包括至少三个吸附塔，接入至吸附塔内并设第一程控阀10X的原料气输送管线、设第二程控阀20X的冲洗出管线和设第三程控阀30X的逆放气管线，以及从吸附塔内接出并设第四程控阀40X的冲洗入管线、设第五程控阀50X的顺放管线、设第七程控阀70X的第二均压/第三均压管线、设第六程控阀60X的第四均压管线、设第八程控阀80X的第一均压及最终升压管线和设第九程控阀90X的产品气外输管线；冲洗出管线上设有抽真空设备，冲洗入管线和顺放管线之间连通有管道。

进一步地，管道上设有顺放调节阀。

进一步地，第一均压及最终升压管线和产品气外输管线之间通过终充调节阀相连通。

一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统的提纯氢气方法，采用至少三个吸附塔分别经过重复循环步骤进行变压吸附提纯氢气，每个吸附塔所经历重复循环步骤依次为吸附步骤、顺向降压步骤、逆向降压步骤、低压冲洗再生步骤和逆向升压步骤。

进一步地，吸附步骤为原料气在1.0MPa～7.0MPa压力下从吸附塔进料端进入吸附塔，非氢杂质被吸附剂吸附，氢气产品从吸附塔的出料端流出。

进一步地，顺向降压步骤为吸附塔内气体顺着吸附时气体流向流出吸附塔，吸附塔内压力降低，顺向降压步骤包含至少两次降压过程，并且顺向降压步骤包含均压降压步骤和为再生吸附塔提供冲洗再生气的顺放步骤。

进一步地，逆向降压步骤为吸附塔内气体逆着吸附时气体流向流出吸附塔，吸附塔内压力降低，逆向降压步骤包含至少一次降压过程。

进一步地，低压冲洗再生步骤为再生气从吸附塔出口端逆着吸附时气流方向对吸附塔冲洗，吸附塔内所吸附杂质在低压下解吸并随冲洗气体流出吸附塔，过程中抽真空设备对处于低压冲洗再生步骤吸附塔抽真空使其内压力为-0.06～0.005MPa，优选-0.035～0.005MPa。

进一步地，逆向升压步骤包括均压升压步骤和最终升压步骤，均压升压步骤为完成再生后的吸附塔，利用顺向降压步骤的气体对吸附塔进行逆向升压；最终升压步骤为完成均压升步骤的吸附塔利用产品气或者原料气将吸附塔压力升至吸附压力。

进一步地，吸附塔中装填有分子筛吸附剂，或者分子筛与活性氧化铝、活性炭、硅胶中的一种至多种组成复合吸附床。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，在吸附塔处于冲洗步骤时给吸附塔抽真空，使得冲洗再生的压力低于常压冲洗工艺的再生压力，冲洗效率更高，吸附剂再生更加彻底，从而提高吸附剂的动态吸附容量，提高氢气回收率，氢气回收率可提高4个百分点以上，单位吸附剂的处理能力提高30％以上。

附图说明

图1为本发明低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统流程图(以10塔为例)。

图2为本发明低压冲洗再生吸附塔内压力变化曲线图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-原料气输送管线、2-冲洗出管线、3-逆放气管线、4-冲洗入管线、5-顺放管线、6-第四均压管线、7-第二均压/第三均压管线、8-第一均压及最终升压管线、9-产品气外输管线、10-终充调节阀、11-顺放调节阀、12-抽真空设备、13-吸附塔、14-管道。

第一程控阀10X、第二程控阀20X、第三程控阀30X、第四程控阀40X、第五程控阀50X、第六程控阀60X、第七程控阀70X、第八程控阀80X、第九程控阀90X。其中，10X、20X、30X、40X、50X、60X、70X、80X、90X中的X为吸附塔的编号，相应的，10X、20X、30X、40X、50X、60X、70X、80X、90X为程控阀编号，如图1中，T03号吸附塔所对应的10X、20X、30X、40X、50X、60X、70X、80X、90X则分别为103、203、303、403、503、603、703、803、903，T10号吸附塔所对应的10X、20X、30X、40X、50X、60X、70X、80X、90X则分别为110、210、310、410、510、610、710、810、910，其他以此类推。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和2所示，本发明提供的一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统，包括至少三个吸附塔13，接入至吸附塔13内并设第一程控阀10X的原料气输送管线1、设第二程控阀20X的冲洗出管线2和设第三程控阀30X的逆放气管线3，以及从吸附塔13内接出并设第四程控阀40X的冲洗入管线4、设第五程控阀50X的顺放管线5、设第七程控阀70X的第二均压/第三均压管线7、设第六程控阀60X的第四均压管线6、设第八程控阀80X的第一均压及最终升压管线8和设第九程控阀90X的产品气外输管线9；冲洗出管线2上设有抽真空设备12，冲洗入管线4和顺放管线5之间连通有管道14，管道14上设有顺放调节阀11，第一均压及最终升压管线8和产品气外输管线9之间通过终充调节阀10相连通。

本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，在吸附塔处于冲洗步骤时给吸附塔抽真空，使得冲洗再生的压力低于常压冲洗工艺的再生压力，冲洗效率更高，吸附剂再生更加彻底，从而提高吸附剂的动态吸附容量，提高氢气回收率，氢气回收率可提高4个百分点以上，单位吸附剂的处理能力提高30％以上。

本发明提供的一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统的提纯氢气方法，采用至少三个吸附塔分别经过重复循环步骤进行变压吸附提纯氢气，吸附塔中装填有分子筛吸附剂，或者分子筛与活性氧化铝、活性炭、硅胶中的一种至多种组成复合吸附床，每个吸附塔所经历重复循环步骤依次为吸附步骤、顺向降压步骤、逆向降压步骤、低压冲洗再生步骤和逆向升压步骤。其中，吸附步骤为原料气在1.0MPa～7.0MPa压力下从吸附塔进料端进入吸附塔，非氢杂质被吸附剂吸附，氢气产品从吸附塔的出料端流出；顺向降压步骤为吸附塔内气体顺着吸附时气体流向流出吸附塔，吸附塔内压力降低，顺向降压步骤包含至少两次降压过程，并且顺向降压步骤包含均压降压步骤和为再生吸附塔提供冲洗再生气的顺放步骤；逆向降压步骤为吸附塔内气体逆着吸附时气体流向流出吸附塔，吸附塔内压力降低，逆向降压步骤包含至少一次降压过程；低压冲洗再生步骤为再生气从吸附塔出口端逆着吸附时气流方向对吸附塔冲洗，吸附塔内所吸附杂质在低压下解吸并随冲洗气体流出吸附塔，过程中抽真空设备对处于冲洗再生步骤吸附塔抽真空使其内压力为-0.06～0.005MPa优选-0.035～0.005MPa；逆向升压步骤包括均压升压步骤和最终升压步骤，均压升压步骤为完成再生后的吸附塔，利用顺向降压步骤的气体对吸附塔进行逆向升压；最终升压步骤为完成均压升步骤的吸附塔利用产品气或者原料气将吸附塔压力升至吸附压力。

采用上述方法，在吸附塔处于冲洗步骤时给吸附塔抽真空，使得冲洗再生的压力低于常压冲洗工艺的再生压力，冲洗效率更高，吸附剂再生更加彻底，从而提高吸附剂的动态吸附容量，提高氢气回收率，氢气回收率可提高4个百分点以上，单位吸附剂的处理能力提高30％以上。本发明所用的抽真空设备优选真空泵。

为了使本领域技术人员能够更好地理解本技术方案，现以10塔为例进行详细阐述。以下所用浓度百分数为摩尔百分数，压力表压，除非明确指明外均为绝对压力。

如图1所示，利用本发明的一种低压冲洗再生变压吸附提纯氢气系统，包括十个吸附塔13、原料气输送管线1、产品气外输管线9、逆放气管线3、冲洗出管线2、第一均压及最终升压管线8、第二均压/第三均压管线7、第四均压管线6、顺放管线5、冲洗入管线4、以及程控阀门101～910，终充调节阀HV101，顺放调节阀PV101，抽空设备12。

本10塔实例采用10-2-4/P流程，工艺时序和吸附塔T01阀门的开关状态如表1所示，即10个吸附塔，2个吸附塔同时吸附，4步均压，低压冲洗再生。以吸附塔T01为例的循环过程如下(为方便描述，以下将吸附塔13采用具体的塔号进行描述，即将吸附塔13根据具体涉及到的吸附塔描述为吸附塔T01、吸附塔T02、吸附塔T03、吸附塔T04、吸附塔T05、吸附塔T06、吸附塔T07、吸附塔T08、吸附塔T09和吸附塔T10)：

工序1吸附步骤(A)：步序1～步序4，原料气经原料气输送管线1和第一程控阀101流入吸附塔T01，杂质被吸附塔T01内的吸附剂吸附，氢气经第九程控阀901和产品气外输管线9送出系统，即得到产品气。

工序2第一均压降压步骤(1D)：步序5，关闭第一程控阀101和第九程控阀901，打开第八程控阀801和第八程控阀804，吸附塔T01和吸附塔T04通过第一均压及最终升压管线8联通，吸附塔T01和吸附塔T04进行第一均压，即吸附塔T01为第一均压降压步骤，吸附塔T04为第一均压升压步骤。

工序3第二均压降压步骤(2D)：步序6，关闭第八程控阀801，打开第七程控阀701和第七程控阀705，吸附塔T01和吸附塔T05通过第二均压/第三均压管线7联通，吸附塔T01和吸附塔T05进行第二均压，即吸附塔T01为第二均压降压步骤，吸附塔T05为第二均压升压步骤。

工序4第三均压降压步骤(3D)：步序7，关闭第七程控阀705，打开第七程控阀706，吸附塔T01和吸附塔T06通过第二均压/第三均压管线7联通，吸附塔T01和吸附塔T06进行第三均压，即吸附塔T01为第三均压降压步骤，吸附塔T06为第三均压升压步骤。

工序5第四均压降压步骤(4D)：步序8，关闭第七程控阀701和第七程控阀706，打开第六程控阀601和第六程控阀607，吸附塔T01和吸附塔T07通过第四均压管线6联通，吸附塔T01和吸附塔T07进行第四均压，即吸附塔T01为第四均压降压步骤，吸附塔T07为第四均压升压步骤。

工序6顺放步骤(PP)：步序9～10，关闭第六程控阀601和第六程控阀607，打开第五程控阀501和顺放调节阀11(PV101)，吸附塔T01和吸附塔T08、T09、T10通过顺放管线5联通，吸附塔T01的顺放步骤为吸附塔T08、T09、T10提供冲洗再生气。

工序7逆放步骤(D)：步序11，关闭第五程控阀501，打开第三程控阀301，吸附塔T01的气体逆着吸附时的方向通过逆放气管线3流出系统，在逆放步骤部分被吸附解吸。

工序8低压冲洗步骤(PV)：步序12～15，关闭第三程控阀301，打开第二程控阀201和第四程控阀401，吸附塔T01接受来自吸附塔T02、T03和T04的顺放气，逆着吸附时的气流方向对吸附床进行反冲洗，冲洗废气经低压的冲洗出管道2及抽真空设备12流出系统。在冲洗的全过程，抽真空设备12对吸附塔T01抽真空，使得冲洗时吸附塔T01的压力处于-0.06～0.005MPa，优选为-0.035～0.005MPag。

工序9第四均压升压步骤(4R)：步序16，关闭第二程控阀201和第四程控阀401，打开阀门第六程控阀601和第六程控阀605，吸附塔T01和吸附塔T05通过第四均压管线6联通，吸附塔T01和吸附塔T05进行第四均压，即吸附塔T01为第四均压升压步骤，吸附塔T05为第四均压降压步骤。

工序10第三均压升压步骤(3R)：步序17，关闭第六程控阀601和第六程控阀605，打开第七程控阀701和第七程控阀706，吸附塔T01和吸附塔T06通过第二均压/第三均压管线7联通，吸附塔T01和吸附塔T06进行第三均压，即吸附塔T01为第三均压升压步骤，吸附塔T06为第三均压降压步骤。

工序11第二均压升压步骤(2R)：步序18，关闭第七程控阀706，打开第七程控阀707，吸附塔T01和吸附塔T07通过第二均压/第三均压管线7联通，吸附塔T01和吸附塔T07进行第二均压，即吸附塔T01为第二均压升压步骤，吸附塔T07为第二均压降压步骤。

工序12第一均压升压步骤(1R)：步序19，关闭第七程控阀701和第七程控阀707，打开第八程控阀801和第八程控阀808，吸附塔T01和吸附塔T08通过第一均压及最终升压管线8联通，吸附塔T01和吸附塔T08进行第一均压，即吸附塔T01为第一均压升压步骤，吸附塔T08为第一均压降压步骤。

工序13最终压升压步骤(FR)：步序20，关闭第八程控阀808，打开终充调节阀10(HV101)，吸附塔T01通过第一均压及最终升压管线8与产品气外输管线9联通，用产品气对吸附塔T01最终升压，将吸附塔T01的压力升至吸附压力。

表1实例1时序及T01阀门开关表

注：A：吸附步骤，1D：第一均压降压步骤，2D：第二均压降压步骤，3D：第三均压降压步骤，4D：第四均压降压步骤，PP：顺放步骤，D：逆放步骤，PV：低压冲洗步骤，4R：第四均压升压步骤，3R：第三均压升压步骤，2R：第二均压升压步骤，1R：第一均压升压步骤，FR：最终压升步骤。

试验验证，在实验室进行了模拟试验，试验流程10-2-4/P，流程图为图1所示，原料气压力2.5MPa，再生压力-0.035MPa～0.005MPa；原料气组成：H

表2不同冲洗压力下的装置性能

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。