一种膜分离和变压吸附耦合调节合成气氢碳比同时副产氢气的系统
阅读说明：本技术 一种膜分离和变压吸附耦合调节合成气氢碳比同时副产氢气的系统 (System for regulating hydrogen-carbon ratio of synthesis gas and simultaneously producing hydrogen by coupling membrane separation and pressure swing adsorption ) 是由 何绍辉 徐徜徉 杨文皓 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种膜分离和变压吸附耦合调节合成气氢碳比同时副产氢气的系统,原料气首先进入膜分离器,在分离膜两侧压差的推动下得到渗透气和非渗透气,渗透气经过变压吸附提纯高浓度产品氢气和一氧化碳浓度较高的解析气,解析气经压缩机增压后与膜分离非渗透气混合成氢碳比达到要求的合成气。通过调节膜分离的操作压力或膜分离面积调整进入变压吸附的渗透气量,从而调节变压吸附的生产氢气量,来调节合成气的氢碳比。本发明充分利用了膜分离和变压吸附两种气体分离方法的各自优点,整套系统能耗低、无外排废气产生,同时达到调节合成气氢碳比和副产高浓度氢气的目的。(The invention discloses a system for regulating the hydrogen-carbon ratio of synthesis gas and coproducing hydrogen by coupling membrane separation and pressure swing adsorption. The permeation gas amount entering the pressure swing adsorption is adjusted by adjusting the operating pressure of the membrane separation or the membrane separation area, so that the hydrogen production amount of the pressure swing adsorption is adjusted, and the hydrogen-carbon ratio of the synthesis gas is adjusted. The invention fully utilizes the respective advantages of the membrane separation method and the pressure swing adsorption method, the whole system has low energy consumption and no outward exhaust gas, and simultaneously achieves the purposes of regulating the hydrogen-carbon ratio of the synthesis gas and producing the byproduct high-concentration hydrogen.)
技术领域
本发明涉及煤化工和石油化工的气体分离领域，具体为一种膜分离和变压吸附耦合工艺调节合成气氢碳比同时副产氢气的系统。
背景技术
用合成气生产不同的化工产品要求合成气具有不同的氢碳比，如；费托合成要求的氢碳比为3～3.6；合成甲醇的要求氢碳比为2.05～2.25；二丙基庚醇（2PH）生产要求氢碳比尽量维持在1.02；羰基合成反应要求氢碳比为1左右，另外合成氨的氢氮比要求为3，因此合成气的调比对于生产是必须的调整手段。
随着科技的进步，现代化的煤或天然气制合成气一般造气压力较高可以达到固定床加压煤气化压力为2.4MPa，流化床煤气化压力3.0-6.5MPa，使粗合成气具有较高的压力，便于采用膜分离的方法分离气体。
粗合成气可以在前序生产工段通过如造气、二次转化、补充新鲜氢气、补碳等手段调整氢碳比，但是受生产条件限制，操作复杂，不能满足后续生产要求。
大型煤化工的合成反应转化率不高，一般为循环加氢工艺，氢气作为过量反应物有回收价值，同时氢气作为新型清洁能源当前国家正在大力推广使用，利用合成气副产高浓度氢气具有广泛的应用前景。
除深冷分离外，本发明涉及的膜分离和变压吸附是主要的气体分离技术，在煤化工和石油化工的气体回收领域有广泛的应用，例如：回收甲醇合成和氨合成的驰放气中的氢气，变压吸附提纯重整氢气；回收加氢裂化或加氢精制生产中的含氢排放气中的氢气，甲醇裂解气变压吸附制氢等。
单独用膜分离或变压吸附技术调整合成气的氢碳比也有报道和专利申请，如实用新型授权专利公告号CN201065400Y煤气联产甲醇过程中原料气氢碳比调节装置，是用膜分离装置回收甲醇驰放气中的氢气返回到合成反应中提高合成气的氢碳比。公布号CN111232923A的发明专利是用变压吸附调节天然气直裂解循环反应气氢碳比的方法。申请公布号CN108384572A是用变压吸附技术调节费托合成氢碳比和联产氢气的方法。
受变压吸附和膜分离技术本身特点的限制，用单一技术调节合成气氢碳比并生产高浓度氢气一直未能得到实际广泛应用，因为膜分离技术调整合成气的氢碳比是可行的，但是这项技术一般只能得到纯度小于99%的氢气，同时渗透气压力需要降低很多，能耗较高；膜分离的优点是非渗透气不降压。
变压吸附技术在制取高浓度氢气领域有广泛的应用，但是因为作为合成气的解析气经过变压吸附后压力通常接近常压，增压的能耗较高，所以不能在合成气调比领域广泛应用。通常大型煤化工装置的合成气量比较大，增加了变压吸附和解析的负荷，使投资大幅增加。
发明内容
为解决背景技术中描述的问题，克服单一技术调节合成气氢碳比同时副产氢气的技术缺陷，本发明提供了一种膜分离和变压吸附耦合工艺调节合成气氢碳比同时副产氢气的系统。
本发明是这样实现的：
压力较高、氢碳比较高的粗合成原料气（11）首先进入膜分离器（1），在分离膜两侧压差的推动下得到压力降低一些的渗透气和仅有管道阻力降的非渗透气；经过膜分离得到的渗透气氢气浓度约80%--98%，膜分离的渗透气具有的压力能够保证其进入变压吸附提纯氢气的要求，而非渗透气压力不降低；
膜分离器（1）的渗透气（13）进入变压吸附装置（2），变压吸附装置（2）解析气（14）与膜分离器（1）非渗透气（12）按照目标氢碳比混合得到合成气（16），一氧化碳浓度较高的解析气（14），解析气量较少，但是压力很低，需要经压缩机（3）增压后才能与膜分离非渗透气（12）为合成气，低压解析气中的组分如一氧化碳二氧化碳等是合成气的主要原料，如外排会造成物料的损失，而与膜分离器的非渗透气混合后得到的具有一定氢碳比的合成气（16），则可以再利用。
变压吸附装置（2）的另一端输出经过膜分离和变压吸附二次提纯的氢气（15），可以得到浓度99.0%--99.99%的产品氢气和。
进一步地，所述变压吸附装置（2）解析气（14）经过压缩机（3）增压后再经过水冷器（4）水冷后与非渗透气（12）混合。
进一步地，原料气（11）在膜分离器（1）前先经过预处理保证入膜气体不含液体和固体杂质，不含有氨等碱性物质，然后加热原料气使原料气远离饱和露点。
进一步地，通过调整膜分离器（1）的操作压力或分离膜的使用面积或同时调整膜分离的操作压力和膜面积，达到调整合成气氢碳比的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
进入变压吸附的膜分离渗透气非氢杂质大幅降低，使变压吸附的吸附剂用量大幅减少，变压吸附装置的规模、投资和运行费用要远小于单独用变压吸附装置调节合成气氢碳比的方。
通过调节膜分离的操作压力或膜分离面积调整进入变压吸附的渗透气量，从而调节变压吸附的氢气产量，来最终调节合成气的氢碳比。膜分离的非渗透气压降很少，保证了合成气的使用压力。
经过变压吸附后的解析气量较少降低了压缩机功耗，减少运行成本。
本发明充分利用了膜分离和变压吸附两种气体分离方法的各自优点，整套系统能耗低、无外排废气产生，同时达到调节合成气氢碳比和副产高浓度氢气的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是系统的结构图。
图2为单独变压吸附工艺流程示意图。
图中：1、膜分离器；2、变压吸附装置；3、压缩机；4、水冷器；11、原料气；12、非渗透气；13、渗透气；14、解析气。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，压力较高、氢碳比较高的粗合成原料气11首先进入膜分离器1，在分离膜两侧压差的推动下得到压力降低一些的渗透气和仅有管道阻力降的非渗透气；经过膜分离得到的渗透气氢气浓度约80%--98%，膜分离的渗透气具有的压力能够保证其进入变压吸附提纯氢气的要求，而非渗透气压力不降低；
膜分离器1的渗透气13进入变压吸附装置2，变压吸附装置2解析气14与膜分离器1非渗透气12按照目标氢碳比混合得到合成气16，一氧化碳浓度较高的解析气14，解析气量较少，但是压力很低，需要经压缩机3增压后才能与膜分离非渗透气12为合成气，低压解析气中的组分如一氧化碳二氧化碳等是合成气的主要原料，如外排会造成物料的损失，而与膜分离器的非渗透气混合后得到的具有一定氢碳比的合成气16，则可以再利用。
变压吸附装置2的另一端输出经过膜分离和变压吸附二次提纯的氢气15，可以得到浓度99.0%--99.99%的产品氢气和。
所述变压吸附装置2解析气14经过压缩机3增压后再经过水冷器4水冷后与非渗透气12混合。
原料气11在膜分离器1前先经过预处理保证入膜气体不含液体和固体杂质，不含有氨等碱性物质，然后加热原料气使原料气远离饱和露点。
通过调整膜分离器1的操作压力或分离膜的使用面积或同时调整膜分离的操作压力和膜面积，达到调整合成气氢碳比的目的。
实施例1：
粗原料气条件：
气体分离要求：
产品气1：外销氢气: 流量约6350Nm3/h，纯度H2＞99.9% ，压力≥2.4MPaG。
产品气2：除氢气外其他气体混合为“羰基化合成气”，作为下游羰基化装置的原料。要求该“羰基化合成气”中 H2:CO比例约1:1（摩尔比）。压力≥2.3MPaG。
原料气氢气浓度67%（mol，下同），压力为5.2MPa，远高于两股产品气压力，非常适合利用膜分离和变压吸附耦合技术来满足生产要求，单独膜分离技术不能生产99.9%氢气产品，单独用变压吸附技术的对比方案见对比实例2.
原料气首先进入膜分离器，其非渗透气仅有管道阻力降约为0.1-0.2MPa，非渗透气的流量为10177.3Nm3/h，组成中氢碳比为1.0371，压力经过减压阀调节为2.3MPa，作为羰基合成气的主要部分与后续变压吸附解析气混合。
膜分离的渗透气压力设定为2.4MPa与产品氢气的要求压力相等，渗透气的流量为8317.04Nm3/h，氢气浓度为86.257%，渗透气进入变压吸附装置生产流量为6462.83Nm3/h、浓度为99.9%、压力为2.4MPa的产品气氢气输出界外。变压吸附解析气压力为0.1MPa，氢碳比为0.792，经压缩机增压到2.3MPa与非渗透气混合成氢碳比为0.9942的羰基合成原料气。
物料平衡表如下：
系统主要能耗为解析气增压的电耗约为263Kw，系统投资分为三个部分，分别是膜分离投资、变压吸附投资、压缩机投资。
对比实例2
有一个技术选择是单独用变压吸附技术来生产氢气和羰基合成气达到实例1的气体分离要求，流程示意图见图2 单独变压吸附工艺流程示意图。
对比实例是将一部分原料气直接进入变压吸附装置生产同样规格的产品氢气，变压吸附解析气压缩后与另一部分原料气混合成氢碳比合格的合成气。
对比实例2的物料平衡表如下：
对比实例2的投资为两个部分分别是变压吸附投资、压缩机投资。但是由于装置处理规模，吸附剂填充量、压缩机进气量等因素的影响，实例2的投资要高于实例1的投资。运行费用也可以只算压缩机功耗约为789Kw，远高于实例1的263Kw。
实例1和对比实例2的投资及运行费用对比见下表：
可见应用本发明的实例1投资及运行费用均低于对比实例2。
对比实例3
某能源化工公司采用膜分离技术，将氢碳比为1.3～1.5的合成气调节成氢碳比为1.0～1.02的合成气用于二丙基庚醇（2PH）生产中，合成气产量为25000Nm3/h，同时外排4465～8833 Nm3/h浓度为90%、压力为2.0MPa的氢气另做他用，这股氢气并未制成高浓氢气产品。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种稀土回收萤石制备氟化氢的方法