CN110354637A - 一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法，所述方法包括：(1)原料气进入第一吸附塔，进行吸附操作至吸附剂达到饱和；(2)将吸附后的第一吸附塔进行均压操作；(3)将产品气通入对未吸附气体进行置换，将置换出的气体吹扫进其他吸附塔；(4)将置换后的第一吸附塔再次进行均压操作；(5)将第一吸附塔进行真空解吸，得到产品气；(6)将解吸后的第一吸附塔进行充压。本发明采用上述工序使多个吸附塔配合，实现了易吸附气体的增浓，尤其是以产品气作为置换气，并使置换出的气体进入其他吸附塔，置换后进行均压操作，不仅提高置换效果，还可提高易吸附组分的浓度和回收率。
Description
技术领域
本发明属于气体吸附技术领域，涉及一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法，尤其涉及一种含产品气置换的变压吸附法增浓易吸附气体的方法。
背景技术
变压吸附是化学工业中常用的一种气体分离方式，由于其灵活性强、运行成本低、分离效果佳等优势得到广泛的工业应用。根据需要吸附分离后可以回收易吸附的气体，也可以回收难吸附的剩余气体，或者两者同时回收。其中，吸附剂是影响分离效果的因素之一，吸附流程的设计优化对分离效果的提升同样至关重要。
目前，气体吸附分离的流程一般包括吸附、均压、解吸、终充的步骤，而置换也是吸附流程中常用的操作之一，可用于在一定程度上提高产品浓度，但是进行置换操作时，吸附塔内的气体除了杂质气还有部分产品气，置换后的气体直接排放会造成目标产品气的损失，降低产品回收率的同时还可能造成污染，而若将置换后的气体输送回原料罐，则会降低吸附剂的气体处理量。此外，在高压条件下进行气体分离时，一般采用低压置换，低压置换操作不仅对产品气的増浓效果有限，而且会由于目标气体分压的降低而导致气体解吸，反而降低了目标气体的处理量以及增浓效果。
CN 107694284A公开了一种多塔置换真空变压吸附浓缩煤气层甲烷的方法，主要包括加压、CH4吸附、CO2置换、降压、吸附剂真空解吸、真空吹扫等步骤，该方法置换前未采用均压操作，置换气的压力较高，既会置换塔内的未吸附气体，也会置换甲烷，造成气体分离效果不佳，而且采用CO2进行置换还会引入其他杂质气体，不利于煤层气中甲烷的增浓。CN102350171A公开了一种采用置换方式的气体分离方法，共有至少6个吸附塔共同组合实现循环吸附，每个吸附塔都依次完成吸附、降压、放空、置换、抽真空、升压并充压的循环工序，同一时间内，每个吸附塔完成一个工序，但该方法是将原料气中的杂质气吸附，并以此为基础完成后续工序，重点在于气体分离，对于吸附并增浓产品气的情况，其操作工序以及各吸附塔的配合情况会有较大差别。
综上所述，对于混合气体中组分的分离以及易吸附气体的增浓，还需要寻求更优化的工序步骤，以充分提高产品气的浓度和回收率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法，本发明采用变压吸附的方法，利用吸附剂对目标组分的选择性吸附，使气体吸附分离过程中置换出的气体进入其他吸附塔，并在置换后采用均压操作，在增强置换效果的同时，大幅提高产品气的浓度及回收率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)原料气进入第一吸附塔，其中的易吸附组分被吸附剂吸附，难吸附组分流出，吸附操作进行至吸附剂达到饱和；
(2)将步骤(1)吸附后的第一吸附塔与第三吸附塔进行均压操作；
(3)将产品气通入步骤(2)均压后的第一吸附塔，对未吸附气体进行置换，将置换出的气体吹扫进入步骤(2)的第三吸附塔中；
(4)将步骤(3)置换后的第一吸附塔与第四吸附塔进行均压操作；
(5)将步骤(4)均压后的第一吸附塔进行抽真空，经步骤(1)吸附的易吸附组分解吸，得到产品气；
(6)将步骤(5)解吸后的第一吸附塔采用第四吸附塔置换出的气体和外源气进行充压，再次进行步骤(1)操作。
本发明中，利用吸附剂对目标组分的选择性吸附，在吸附塔内完成一套吸附工序，将原料气中的易吸附组分吸附后，通过均压操作降压，然后置换吸附塔中的未吸附气体，置换出的气体则进入并联设置的其他吸附塔中，再通过置换后的均压、真空解吸的步骤，在提高产品气纯度的同时，还可提高产品气的回收率；解吸后再引入其他吸附塔置换出的气体增压以及最终充压，进一步提高易吸附气体的回收率，完成整个操作工序，然后循环进行。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述方法需要至少5个吸附塔完成循环吸附。
优选地，每个吸附塔内均完成所述吸附、均压、置换、均压、解吸、充压的步骤。
本发明中，根据每个吸附塔中的操作工序，以及吸附塔之间气体的进出关系，至少并联设置5个吸附塔，可以使一个吸附塔完成一个操作流程的过程中，其他吸附塔能够从不同节点出发，以相同的顺序同样可以完成一个循环，实现了多个吸附塔的相互配合，提高原料气的处理速率。
本发明中，吸附塔前的“第一”、“第三”“第四”等，只是对并联设置的吸附塔进行区分，而且该区分方式并不是固定的，如以其中一个吸附塔为第一吸附塔时，步骤(2)中不一定只能与第三吸附塔均压，其只是工序上的对应，第一吸附塔需要降压，而另一个进行到解吸后升压工序的吸附塔则正好符合要求，而不局限于第三吸附塔，即同一时刻，不同的吸附塔处于吸附循环中的不同阶段，且各自不相同，吸附塔的数量与吸附循环中操作工序的阶段划分数量相关；本发明中重点在于多个吸附塔之间工序相配合，使其均能够同时完成一个循环吸附。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述原料气包括易吸附组分和难吸附组分，其中易吸附组分包括甲烷。
优选地，所述原料气中易吸附组分的体积分数为2～60％，例如2％、5％、10％、20％、30％、40％、50％或60％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述难吸附组分包括氮气、氧气、一氧化碳或惰性气体中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氮气和氧气的组合，氧气和一氧化碳的组合，氮气、一氧化碳和惰性气体的组合等。
本发明中可处理的原料气需要满足特定的吸附剂对不同组分的吸附性有明显差别，以利用对易吸附组分的强吸附性分离与提纯。本发明处理的原料气中甲烷为易吸附组分，包括中低浓度煤层气、工业甲烷尾气等。
本发明步骤(1)中，原料气从吸附塔底部进入，易吸附组分在吸附塔内富集，吸附塔内甲烷浓度底部先升高，然后上部再升高，相当于甲烷浓度分布曲线前端不断上移，实时测量吸附塔出口处的甲烷浓度，开始明显增加时表明吸附床开始穿透，停止通入原料气。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述吸附剂包括活性炭、分子筛或离子液沸石中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：活性炭和分子筛的组合，分子筛和离子液沸石的组合，活性炭、分子筛和离子液沸石的组合等，优选为离子液沸石。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述吸附压力为0.1～1.0MPa，例如0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.8MPa或1.0MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，吸附压力的选择主要由原料气中易吸附组分浓度而定，而当其中含有易燃组分时，如甲烷，氧含量会决定其爆炸极限，基于安全性考量，吸附压力也受氧含量的影响。
本发明中，原料气中甲烷浓度较低时，一般以常压操作为佳，保证安全性，甲烷浓度较高时，可以采用加压操作，提高气提处理能力。
优选地，步骤(1)所述吸附温度为-10～60℃，例如-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃或60℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为20～30℃。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)和步骤(4)所述均压操作独立地至少为一级。
本发明中，步骤(1)完成吸附后吸附塔内压力较高，与其他低压力的吸附塔连通进行压力平衡，杂质气体和少量未吸附的甲烷进入另一吸附塔，避免直接排出造成的甲烷回收率降低；均压级数则根据下一步骤的置换压力来决定。
优选地，步骤(3)所述置换压力为80～1000kPa，例如80kPa、100kPa、150kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa、800kPa或1000kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，吸附、均压后吸附塔中仍存在未吸附的气体，采用产品气对未吸附气体进行置换，产品气中甲烷分压较高，通过竞争吸附效应将吸附在吸附剂表面的杂质气体解吸，随同未吸附气体吹扫进入另一个需要升压的吸附塔，而本吸附塔内甲烷气体比例极大提高，同时降低由于甲烷气体直接流出而造成的回收率损耗，置换时间根据需要的产品气中甲烷浓度和回收率而调整。
优选地，步骤(2)和步骤(4)均压后的压力较置换压力低5～100kPa，例如5kPa、10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、60kPa、80kPa或100kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，吸附塔采用产品气置换后压力较高，也可进行均压操作，降低塔压，避免解吸阶段所需能耗较高，也可排出部分杂质气体，以提高解吸得到甲烷的纯度。
作为本发明优选的技术方案，步骤(5)所述抽真空后，第一吸附塔内压力为10～35kPa，例如10kPa、15kPa、20kPa、25kPa、30kPa或35kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，采用真空泵对吸附塔进行真空处理，其中吸附气体得以解吸，同时实现吸附剂的再生。
另外，本发明中若非特意提及，所述压力均是指绝对压力。
优选地，步骤(5)解吸后，第一吸附塔先进行均压操作。
优选地，所述均压操作至少为一级，优选采用第三吸附塔和第四吸附塔依次均压。
优选地，所述均压操作后，第一吸附塔内的压力低于置换压力5～100kPa，例如5kPa、10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、60kPa、80kPa或100kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，真空解吸后吸附塔压力较低，需要进行充压，为避免需要过多外源气，还可以利用吸附塔间的配合先进行均压，在提高压力的同时引入含少量甲烷的气体，提高的甲烷回收率。
作为本发明优选的技术方案，步骤(6)采用第四吸附塔置换出的气体充压后，还包括再次均压操作。
本发明中，吸附塔吸附后存在置换操作，而吹扫出的气体进入其他需要升压吸附塔，因此，本吸附塔进行到升压阶段时，根据吸附塔间的配合，同一时间会有进行置换操作的吸附塔，将其吹扫气引入本吸附塔，进一步提高塔压，气体在各吸附塔间的转移，有助于甲烷回收率的提高；引入其他吸附塔置换出的气体后，若仍与吸附压力相差较大，则可以再次进行均压，一般而言，两者相差不大。
作为本发明优选的技术方案，步骤(6)所述外源气包括净化气和/或原料气，优选为净化气。
优选地，所述外源气的压力与步骤(1)所述吸附压力相同。
优选地，所述净化气进行反向充压，与步骤(1)中原料的的流动方向相反。
优选地，所述净化气包括氮气和氧气，优选为步骤(1)中吸附操作排出的难吸附组分。
本发明中，在循环吸附工序的最后，采用气体最终充压至吸附压力，开始循环再次进行吸附，优先采用净化气对吸附塔反向充压，一般为从塔顶吹至塔底，可以压缩甲烷浓度分布曲线，提高单位体积吸附剂的甲烷处理量。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)原料气进入第一吸附塔，其中的易吸附组分被吸附剂吸附，难吸附组分流出，吸附操作进行至吸附剂达到饱和，所述吸附压力为0.1～1.0MPa，吸附温度为-10～60℃；
(2)将步骤(1)吸附后的第一吸附塔与第三吸附塔进行均压操作，均压后的压力比步骤(3)置换压力低5～100kPa；
(3)将产品气通入步骤(2)均压后的第一吸附塔，对未吸附气体进行置换，所述置换压力为80～1000kPa，将置换出的气体吹扫进入步骤(2)的第三吸附塔中；
(4)将步骤(3)置换后的第一吸附塔与第四吸附塔进行均压操作，均压后的压力比步骤(3)置换压力低5～100kPa；
(5)将步骤(4)均压后的第一吸附塔进行抽真空至压力为10～35kPa，经步骤(1)吸附的易吸附组分解吸，得到产品气；
(6)将步骤(5)解吸后的第一吸附塔依次与第三吸附塔和第四吸附塔进行均压；
(7)将步骤(6)均压后的第一吸附塔采用第四吸附塔置换出的气体和外源气进行充压，外源气的压力与步骤(1)所述吸附压力相同，然后再次进行步骤(1)操作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法以吸附、均压、置换、均压、解吸、充压的工序实现易吸附气体的增浓，尤其是以产品气作为置换气，并使置换出的气体进入其他吸附塔，不仅提高置换效果，还可提高易吸附组分的浓度和回收率；
(2)本发明置换后进行均压操作，可进一步降低吸附塔内杂质气体的浓度，从而提高产品气中甲烷的浓度；通过降低吸附塔的压力来降低真空解吸操作过程中的能耗；
(3)本发明所述方法中多个吸附塔配合，通过各塔间的气体转移，避免未吸附的目标组分直接排出，提高了产品回收率，多个吸附塔同时操作可提高原料气的处理速率。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的吸附装置结构连接示意图；
图2是本发明实施例1提供的吸附装置的操作流程示意图；
图3是本发明实施例2提供的吸附装置结构连接示意图；
其中，101A-第一吸附塔，101B-第二吸附塔，101C-第三吸附塔，101D-第四吸附塔，101E-第五吸附塔，201-产品气储存装置。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明，但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种变压吸附法增浓甲烷的方法，所述方法采用5个并联设置的吸附塔组成的装置进行操作，所述装置的结构连接示意图如图1所示，包括第一吸附塔101A、第二吸附塔101B、第三吸附塔101C、第四吸附塔101D和第五吸附塔101E，还包括进料线、均压线、置换线、解吸线、终充线，每条管线与5个吸附塔独立相连，且均设有阀门；置换线和解吸线连接有产品气储存装置201。
本实施例以5塔操作流程为例，具体说明增浓甲烷的操作工序；其中采用的吸附压力为120kPa，解吸压力为20kPa，以第一吸附塔101A为例，包括20步操作流程，分别为：1.吸附；2.吸附；3.吸附，4.吸附；5.空置；6.均压；7.置换；8.空置；9.均压；10.空置；11.空置；12.空置；13.解吸；14.解吸；15.解吸；16.解吸；17.均压；18.均压；19.导入置换出的气体；20.终充；其他吸附塔分别按照同样顺序、不同节点进行20步循环，所述装置的操作流程示意图如图2所示，按流程的编号顺序进行操作。
下面以第一吸附塔101A为例，对20步操作流程具体说明：
1-4.吸附：打开阀门101A和102A，原料气进入第一吸附塔101A，并与吸附剂接触，吸附压力为120kPa，其中易吸附组分甲烷在吸附塔内得到富集，难吸附组分，如N2、O2和CO，从塔顶流出至尾气罐，实时测量吸附塔出口处的甲烷浓度，吸附剂吸附饱和后停止通入原料气。
5.空置：关闭阀门101A和102A，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在120kPa。
6.均压：打开阀门104A和104C，连通第一吸附塔101A与第三吸附塔101C，对第一吸附塔101A进行泄压，第三吸附塔101C进行升压，均压后两塔的压力均为92kPa。
7.置换：打开阀门KV13，利用产品气(105kPa)对第一吸附塔101A内未吸附气体进行置换，将其吹扫进入第三吸附塔101C，置换气甲烷分压较高，将吸附在吸附剂表面的杂质气体解吸进而吹扫出塔。
8.空置：关闭阀门104A、104C和KV13，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在105kPa。
9.均压：打开阀门104A和104D，连通第一吸附塔101A与第四吸附塔101D，对第一吸附塔101A进行泄压，第四吸附塔101D进行升压，均压后两塔压力均为65kPa。
10-12.空置：关闭阀门104A和104D，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在65kPa。
13-16.解吸：打开阀门108A，连通第一吸附塔101A与真空泵，对第一吸附塔101A进行抽真空操作，得到提纯的甲烷产品并对吸附剂进行再生，解吸真空度为20kPa。
17.均压：关闭阀门108A，打开阀门104A和104C，连通第一吸附塔101A与第三吸附塔101C，对第一吸附塔101A进行增压，第三吸附塔101C进行泄压，均压后两塔的压力均为65kPa。
18.均压：关闭阀门104C，打开阀门104D，连通第一吸附塔101A和第四吸附塔101D，对第一吸附塔101A进行增压，第四吸附塔101D进行泄压，均压后两的压力均为92kPa。
19.导入置换出的气体：打开阀门KV43，利用产品气对第四吸附塔101D进行置换，置换出的气体吹扫至第一吸附塔101A，第一吸附塔101A进行进一步增压至105kPa。
20.终充：利用净化气(120kPa)对第一吸附塔101A进行反向终充，实现对第一吸附塔101A的充压，开始下一个循环。
采用上述操作流程及其操作条件进行原料气中甲烷的增浓，以不同甲烷浓度的原料气进行多次实验，三种原料气各组分体积分数分别为：甲烷5.7％、氮气94.3％；甲烷15.6％、氮气84.4％；甲烷25.3％、氮气74.7％。经过30次上述循环工序，测量产品气中甲烷浓度和甲烷的回收率，结果如表1所示。
表1实施例1中不同甲烷浓度的原料气循环吸附实验结果
实施例2：
本实施例提供了一种变压吸附法增浓甲烷的方法，所述方法采用5个并联设置的吸附塔组成的装置进行操作，所述装置的结构连接示意图如图3所示，整体结构及连接关系与实施例1基本保持一致，区别在于：操作管线除了包括进料线、均压线、置换线、解吸线、终充线，还包括减压线。
本实施例以5塔操作流程为例，具体说明增浓甲烷的操作工序；其中采用的吸附压力为550kPa，解吸压力为25kPa，以第一吸附塔101A为例，包括18步操作流程，分别为：1.吸附；2.吸附；3.吸附，4.吸附；5.空置；6.均压；7.置换；8.空置；9.均压；10.均压；11.空置；12.空置；13.解吸；14.解吸；15.解吸；16.解吸；17.均压；18.均压；19.导入置换出的气体；20.终充；其他吸附塔分别按照同样顺序、不同节点进行20步循环。
下面以第一吸附塔101A为例，对20步操作流程具体说明：
1-4.吸附：打开阀门101A和102A，原料气进入第一吸附塔101A，并与吸附剂接触，吸附压力为550kPa，其中易吸附组分甲烷在吸附塔内得到富集，难吸附组分，如N2、O2和CO，从塔顶流出至尾气罐，实时测量吸附塔出口处的甲烷浓度，吸附剂吸附饱和后停止通入原料气。
5.空置：关闭阀门101A和102A，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在550kPa。
6.均压：打开阀门104A和104C，连通第一吸附塔101A与第三吸附塔101C，对第一吸附塔101A进行泄压，第三吸附塔101C进行升压，均压后两塔的压力均为390kPa。
7.置换：打开阀门KV13，利用产品气(395kPa)对第一吸附塔101A内未吸附气体进行置换，将其吹扫进入第三吸附塔101C，置换气甲烷分压较高，将吸附在吸附剂表面的杂质气体解吸进而吹扫出塔。
8.空置：关闭阀门104A、104C和KV13，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在395kPa。
9.均压：打开阀门104A和104D，连通第一吸附塔101A与第四吸附塔101D，对第一吸附塔101A进行泄压，第四吸附塔101D进行升压，均压后两塔压力均为220kPa。
10.均压：关闭阀门104A和104D，打开阀门KV14，与空置缓冲罐进行均压，均压后压力为101kPa。
11-12.空置：关闭阀门KV14，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在101kPa。
13-16.解吸：打开阀门108A，连通第一吸附塔101A与真空泵，对第一吸附塔101A进行抽真空操作，得到提纯的甲烷产品并对吸附剂进行再生，解吸真空度为25kPa。
17.均压：关闭阀门108A，打开阀门104A和104C，连通第一吸附塔101A与第三吸附塔101C，对第一吸附塔101A进行增压，第三吸附塔101C进行泄压，均压后两塔的压力均为220kPa。
18.均压：关闭阀门104C，打开阀门104D，连通第一吸附塔101A和第四吸附塔101D，对第一吸附塔101A进行增压，第四吸附塔101D进行泄压，均压后两的压力均为390kPa。
19.导入置换出的气体：打开阀门KV43，利用产品气对第四吸附塔101D进行置换，置换出的气体吹扫至第一吸附塔101A，第一吸附塔101A进行进一步增压至395kPa。
20.终充：利用吸附阶段流出的难吸收组分(550kPa)对第一吸附塔101A进行反向终充，实现对第一吸附塔101A的充压，开始下一个循环。
采用上述操作流程及其操作条件进行原料气中甲烷的增浓，以两种不同甲烷浓度的原料气进行实验，其中一种混合气体中，各组分体积分数分别为：甲烷40.2％、氧气11.6％、氮气48.0％和其他气体0.2％；另一种混合气体中，各组分体积分数分别为：甲烷31.1％、氧气11.8％、氮气56.8％和其他气体0.3％；经过30次上述循环工序，测量产品气中甲烷浓度和甲烷的回收率，结果如表2所示。
表2实施例2中不同甲烷浓度的原料气循环吸附实验结果
| 实验编号 | 1 | 2 |
| 原料气中甲烷浓度(％) | 40.2 | 31.3 |
| 产品气中甲烷浓度(％) | 99.6 | 96.8 |
| 产品气中氧浓度(％) | 0.1 | 0.5 |
| 甲烷回收率(％) | 97.4 | 96.1 |
实施例3：
本实施例提供了一种变压吸附法增浓甲烷的方法，所述方法采用5个并联设置的吸附塔组成的装置进行操作，整体结构及连接关系与实施例1基本保持一致，区别在于：操作管线除了包括进料线、均压线、置换线、解吸线、终充线，还包括减压线。
本实施例以5塔操作流程为例，具体说明增浓甲烷的操作工序与实施例2相同。
下面以第一吸附塔101A为例，对20步操作流程具体说明：
1-4.吸附：打开阀门101A和102A，原料气进入第一吸附塔101A，并与吸附剂接触，吸附压力为950kPa，其中易吸附组分甲烷在吸附塔内得到富集，难吸附组分，如N2、O2和CO，从塔顶流出至尾气罐，实时测量吸附塔出口处的甲烷浓度，吸附剂吸附饱和后停止通入原料气。
5.空置：关闭阀门101A和102A，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在950kPa。
6.均压：打开阀门104A和104C，连通第一吸附塔101A与第三吸附塔101C，对第一吸附塔101A进行泄压，第三吸附塔101C进行升压，均压后两塔的压力均为699kPa。
7.置换：打开阀门KV13，利用产品气(750kPa)对第一吸附塔101A内未吸附气体进行置换，将其吹扫进入第三吸附塔101C，置换气甲烷分压较高，将吸附在吸附剂表面的杂质气体解吸进而吹扫出塔。
8.空置：关闭阀门104A、104C和KV13，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在750kPa。
9.均压：打开阀门104A和104D，连通第一吸附塔101A与第四吸附塔101D，对第一吸附塔101A进行泄压，第四吸附塔101D进行升压，均压后两塔压力均为408kPa。
10.均压：关闭阀门104A和104D，打开阀门KV14，与空置缓冲罐进行均压，均压后压力为101kPa。
11-12.空置：关闭阀门KV14，不对第一吸附塔101A进行任何操作，压力保持在101kPa。
13-16.解吸：打开阀门108A，连通第一吸附塔101A与真空泵，对第一吸附塔101A进行抽真空操作，得到提纯的甲烷产品并对吸附剂进行再生，解吸真空度为30kPa。
17.均压：关闭阀门108A，打开阀门104A和104C，连通第一吸附塔101A与第三吸附塔101C，对第一吸附塔101A进行增压，第三吸附塔101C进行泄压，均压后两塔的压力均为408kPa。
18.均压：关闭阀门104C，打开阀门104D，连通第一吸附塔101A和第四吸附塔101D，对第一吸附塔101A进行增压，第四吸附塔101D进行泄压，均压后两的压力均为699kPa。
19.导入置换出的气体：打开阀门KV43，利用产品气对第四吸附塔101D进行置换，置换出的气体吹扫至第一吸附塔101A，第一吸附塔101A进行进一步增压至750kPa。
20.终充：利用净化气(950kPa)对第一吸附塔101A进行反向终充，实现对第一吸附塔101A的充压，开始下一个循环。
采用上述操作流程及其操作条件进行原料气中甲烷的增浓，以两种不同甲烷浓度的原料气进行实验，其中一种混合气体中，各组分体积分数分别为：甲烷25.2％、氮气74.8％；另一种混合气体中，各组分体积分数分别为：甲烷36.0％、氮气74.0％；经过30次上述循环工序，测量产品气中甲烷浓度和甲烷的回收率，结果如表3所示。
表3实施例3中不同甲烷浓度的原料气循环吸附实验结果
| 实验编号 | 1 | 2 |
| 原料气中甲烷浓度(％) | 25.2 | 36.0 |
| 产品气中甲烷浓度(％) | 92.5 | 99.1 |
| 甲烷回收率(％) | 98.2 | 98.1 |
由实施例结果可知，本发明可处理的原料其中甲烷初始浓度范围较宽，实施例中针对不同甲烷浓度在安全范围内采用不同压力进行吸附，尤其是混合气体中含有氧气时，吸附压力的选择还需要考虑氧含量浓度以及爆炸极限；增浓后甲烷浓度具有可控性，回收率均可达80％以上，最高达到98％以上。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述方法，即不意味着本发明必须依赖上述方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所用原料、操作的等效替换及辅助原料、操作的添加，具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)原料气进入第一吸附塔，其中的易吸附组分被吸附剂吸附，难吸附组分流出，吸附操作进行至吸附剂达到饱和；
(2)将步骤(1)吸附后的第一吸附塔与第三吸附塔进行均压操作；
(3)将产品气通入步骤(2)均压后的第一吸附塔，对未吸附气体进行置换，将置换出的气体吹扫进入步骤(2)的第三吸附塔中；
(4)将步骤(3)置换后的第一吸附塔与第四吸附塔进行均压操作；
(5)将步骤(4)均压后的第一吸附塔进行抽真空，经步骤(1)吸附的易吸附组分解吸，得到产品气；
(6)将步骤(5)解吸后的第一吸附塔采用第四吸附塔置换出的气体和外源气进行充压，再次进行步骤(1)操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法需要至少5个吸附塔完成循环吸附；
优选地，每个吸附塔内均完成所述吸附、均压、置换、均压、解吸、充压的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述原料气包括易吸附组分和难吸附组分，其中易吸附组分包括甲烷；
优选地，所述原料气中易吸附组分的体积分数为2～60％；
优选地，所述难吸附组分包括氮气、氧气、一氧化碳或惰性气体中任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述吸附剂包括活性炭、分子筛或离子液沸石中任意一种或至少两种的组合，优选为离子液沸石。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述吸附压力为0.1～1.0MPa；
优选地，步骤(1)所述吸附温度为-10～60℃，优选为20～30℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(4)所述均压操作独立地至少为一级；
优选地，步骤(3)所述置换压力为80～1000kPa；
优选地，步骤(2)和步骤(4)均压后的压力较置换压力低5～100kPa。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述抽真空后，第一吸附塔内压力为10～35kPa；
优选地，步骤(5)解吸后，第一吸附塔先进行均压操作；
优选地，所述均压操作至少为一级，优选采用第三吸附塔和第四吸附塔依次均压；
优选地，所述均压操作后，第一吸附塔内的压力低于置换压力10～100kPa。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)采用第四吸附塔置换出的气体充压后，还包括再次均压操作。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述外源气包括净化气和/或原料气，优选为净化气；
优选地，所述外源气的压力与步骤(1)所述吸附压力相同；
优选地，所述净化气进行反向充压，与步骤(1)中原料的的流动方向相反；
优选地，所述净化气包括氮气和氧气，优选为步骤(1)中吸附操作排出的难吸附组分。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)原料气进入第一吸附塔，其中的易吸附组分被吸附剂吸附，难吸附组分流出，吸附操作进行至吸附剂达到饱和，所述吸附压力为0.1～1.0MPa，吸附温度为-10～60℃；
(2)将步骤(1)吸附后的第一吸附塔与第三吸附塔进行均压操作，均压后的压力比步骤(3)置换压力低5～100kPa；
(3)将产品气通入步骤(2)均压后的第一吸附塔，对未吸附气体进行置换，所述置换压力为80～1000kPa，将置换出的气体吹扫进入步骤(2)的第三吸附塔中；
(4)将步骤(3)置换后的第一吸附塔与第四吸附塔进行均压操作，均压后的压力比步骤(3)置换压力低5～100kPa；
(5)将步骤(4)均压后的第一吸附塔进行抽真空至压力为10～35kPa，经步骤(1)吸附的易吸附组分解吸，得到产品气；
(6)将步骤(5)解吸后的第一吸附塔依次与第三吸附塔和第四吸附塔进行均压；
(7)将步骤(6)均压后的第一吸附塔采用第四吸附塔置换出的气体和外源气进行充压，外源气的压力与步骤(1)所述吸附压力相同，然后再次进行步骤(1)操作。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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