專利名稱：回收中等純度的二氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的說來涉及從至少含有C02和H2的物流(如合成氣)中回 收純度約$80摩爾％的二氧化碳(C02)的真空變壓吸附(VPSA)方法和 設(shè)備。對C02 VPSA的進(jìn)料可以高于環(huán)境壓力。C02VPSA單元產(chǎn)生 兩股物流，富含H2的物流和C02產(chǎn)物物流。過程循環(huán)(cycle)的步驟選 擇為使過程中的H2損失最小或沒有，且無需額外的處理設(shè)備?；厥?的C02可進(jìn)一步提濃、封存(sequester)或用于諸如強(qiáng)化采油(EOR)的應(yīng) 用中。
背景技術(shù)：
蒸汽曱烷重整(SMR)是大量生產(chǎn)氫氣(H2)的主要方法。在天然氣 的催化轉(zhuǎn)化后，按如下方程(l)產(chǎn)生CO和H2:
(1) CH4 + H20 CO + 3 H2。
根據(jù)方程(2)對氣體混合物進(jìn)行變換(通過水-煤氣變換反應(yīng))以進(jìn) 一步產(chǎn)生H2:
(2) CO + H20^>C02 + H2。
在水-煤氣變換反應(yīng)之后，通常的產(chǎn)物氣體具有介于約100-500psia 的壓力，介于約60-150°F的溫度，和60-80摩爾％ H2、 15-25摩爾％ C02、 0.1-5摩爾。/。CO、 3-7摩爾o/。CH4、 0-5摩爾o/。N2的組成，并被水飽和。 隨后將該氣體混合物進(jìn)料至變壓吸附(PSA)單元，以產(chǎn)生高純H2(例如 純度至少99%的H2)。
在某些現(xiàn)有H2生產(chǎn)設(shè)備中，胺單元置于變換反應(yīng)器和H2PSA單 元之間，以從變換反應(yīng)器產(chǎn)生的物流中提取C02。然而，這種方法耗 能過多。此外，胺單元難以操作，并且公知存在操作問題，例如腐蝕、 流體損失等等。
美國專利4,171，206涉及從SMR廢氣中以高C02 (99.9+%)回收率 生產(chǎn)高純C02 (99.99+%)和高純H2 (99.99+%)。該專利公開了兩列吸附 床，在進(jìn)料和再加壓(re-pressurization)步驟的過程中這兩列吸附床
彼此連通。C02列中的床采用了高純C02的高壓沖洗步驟。同一床按照這種步驟來進(jìn)行減壓和排空。對減壓的氣體進(jìn)行再壓縮，并用于高 壓沖洗。高壓高純沖洗步驟的排出物再循環(huán)至進(jìn)料。
美國專利4,299，596涉及通過應(yīng)用兩列床生產(chǎn)兩種高純產(chǎn)物，在 進(jìn)料和并流減壓步驟過程中這兩列床結(jié)合成整體。通過再次壓縮后的 并流減壓氣體對產(chǎn)生更強(qiáng)烈吸附的物質(zhì)的列進(jìn)行吹掃(purge)。可將并 流減壓氣體的一部分再循環(huán)用于再加壓。排空和放氣步驟產(chǎn)生了更強(qiáng) 烈吸附的物質(zhì)的 一部分和吹掃氣體的 一部分。
美國專利4,770,676涉及從垃圾填埋氣體生產(chǎn)曱烷和C02。其為 集成的變溫吸附(TSA)和變壓吸附(PSA)方法。PSA產(chǎn)生的廢物再生所 述TSA。
美國專利4,840,647涉及從含10-30% C02的環(huán)境壓力進(jìn)料物流生 產(chǎn)295%的C02。所述加工步驟是進(jìn)料、并流排空、逆流排空以產(chǎn)生產(chǎn) 物和再加壓步驟。并流排空氣體用于壓力均衡/再加壓，并與進(jìn)料混合。
美國專利4,857,083考慮從氣體混合物生產(chǎn)C02。在進(jìn)料步驟的 末尾，進(jìn)料柱的排放端與排空床的入口端連接，以降低該床內(nèi)的壓力。 隨后通過排空產(chǎn)生二氧化碳。之后進(jìn)行增壓步驟。
美國專利4,913,709涉及生產(chǎn)兩種高純產(chǎn)物。該文獻(xiàn)建議使用兩 列床，在進(jìn)料和再加壓步驟過程中這兩列床結(jié)合成整體。通過在排空 步驟過程中得到的更強(qiáng)烈吸附的物質(zhì)對產(chǎn)生所述更強(qiáng)烈吸附的物質(zhì) 的列進(jìn)行吹掃。該吹掃在低壓進(jìn)行，并且在床減壓后進(jìn)行。吹掃步驟 中的排出物經(jīng)再壓縮，并再循環(huán)作為進(jìn)料。
美國專利4,915,711公開了使用單列床生產(chǎn)兩種高純產(chǎn)物。通過 在排空步驟中得到的更強(qiáng)烈吸附的物質(zhì)對床進(jìn)行吹掃。該吹掃在低壓 進(jìn)行，并且在床減壓后進(jìn)行。吹掃步驟和減壓步驟中的排出物經(jīng)再壓 縮，并再循環(huán)作為進(jìn)料。
美國專利5,026,406公開了通過使用單列床來生產(chǎn)兩種高純產(chǎn)物。 通過在排空步驟中得到的更強(qiáng)烈吸附的物質(zhì)對床進(jìn)行吹掃。該吹掃在 低壓進(jìn)行，并且在床減壓后進(jìn)行。吹掃步驟和減壓步驟中的排出物經(jīng) 再壓縮，并再循環(huán)作為進(jìn)料。
美國專利5,051,115由氣體混合物以高純度生產(chǎn)了更強(qiáng)烈吸附的 物質(zhì)。通過所述高純度的強(qiáng)烈吸附物質(zhì)來進(jìn)行并流吹掃步驟。該吹掃 物流和產(chǎn)物在排空步驟中獲得。排空步驟的排出物再循環(huán)用于再加壓。
美國專利5,248,322涉及具有四步的方法吸附、減壓、排空和 通過減壓氣體的一部分進(jìn)行壓力補(bǔ)償，以及再加壓。減壓氣體的第一 部分(更高壓)再循環(huán)，而第二部分(更低壓)用于壓力補(bǔ)償。
美國專利5,354,346涉及具有五步的方法吸附、減壓、低壓并 流吹掃、排空和通過減壓和低壓吹掃排出氣體的 一 部分進(jìn)行壓力補(bǔ) 償，以及再加壓。減壓氣體的第一部分(更高壓)再循環(huán)，而第二部分(更 低壓)和低壓吹掃排出氣體用于壓力補(bǔ)償。
美國專利6,245,127論述了從低壓氣體混合物以恒定純度產(chǎn)生 C02。其采用同步吹掃和排空步驟。逆流吹掃通過吸附更弱的物質(zhì)進(jìn) 行。
需要提供經(jīng)濟(jì)上有利的回收C02的方法和設(shè)備。還需要相對于現(xiàn) 有技術(shù)更有效且更易于使用的這類方法和設(shè)備
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通常涉及從至少含有C02和H2的物流(如合成氣)中回收純 度約280摩爾％的二氧化碳(C02)的真空變壓吸附(VPSA)方法和設(shè)備。 對C02 VPSA的進(jìn)料可以高于環(huán)境壓力。C02 VPSA單元產(chǎn)生兩股物 流，富含H2的物流和C02產(chǎn)物物流。過程循環(huán)的步驟選擇為使過程 中的H2損失最小或沒有，且無需額外的處理設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的二氧化碳可用于任何所需的目的。例如且非限 制性地，如本文所述產(chǎn)生的C02可用于液化以產(chǎn)生食品級質(zhì)量的產(chǎn)
物，用于提高油回收率的超臨界C02,或僅僅用于封存的C02以避免
在大氣中增加溫室氣體以滿足規(guī)章的要求。
本發(fā)明利用吸附劑由高壓減壓至低壓，來提高床內(nèi)的C02濃度。 在C02濃度提高后，通過進(jìn)一步減壓產(chǎn)生C02產(chǎn)物。這能夠?qū)崿F(xiàn)是因 為以下認(rèn)識，對某些吸附劑從高壓到減壓至低壓提高了吸附床內(nèi)的 C02濃度。因此，可以消除對現(xiàn)有4支術(shù)中所用的沖洗、吹掃和/或再循 環(huán)步驟的需求。這進(jìn)而使得能消除對某些旋轉(zhuǎn)電機(jī)部件(如沖洗壓縮 機(jī)、吹掃壓縮機(jī)和循環(huán)壓縮機(jī))和相應(yīng)的能源需求，從而提供比現(xiàn)有技 術(shù)的系統(tǒng)操作更簡單且更經(jīng)濟(jì)的方法和設(shè)備。本發(fā)明方法不需要蒸 汽，從而預(yù)期能減少C02分離的成本。為了提高C02回收率，并最小化或消除H2損失，本發(fā)明使用減 壓的氣體來增加或提高低壓床內(nèi)的壓力。因此，床減壓提高了產(chǎn)物中 的C02濃度，并且同時(shí)通過用單元內(nèi)的其他床進(jìn)行補(bǔ)償，提高了C02 回收率并最小化或消除了 H2損失。
所述方法的另一明顯特征是最終的減壓氣體(圖2、 6、或7中的 步驟序號5(DPf)，或圖5、 10、 11或12的步驟4(DPf))沒有浪費(fèi)。相 反，該氣流現(xiàn)在是富含C02的，可用于兩種方式中的任一種或結(jié)合使 用。首先，最終減壓氣流可與排空步驟中產(chǎn)生的C02混合。在該實(shí)施 方案中，混合的氣體構(gòu)成了所述C02產(chǎn)物。在替代方案中或進(jìn)一步地， 最終的減壓氣流部分或全部通過處于排空中的床。在該實(shí)施方案中， 排空的氣體構(gòu)成了 C02產(chǎn)物。以這種方式，預(yù)期C02 VPSA的Kb損 失會(huì)最小化或完全消除。
本發(fā)明的另一特征是通過減少對H2 PSA單元的進(jìn)料物流中的 C02,預(yù)期從H2PSA單元的H2回收會(huì)提高。
在優(yōu)選的C02 VPSA設(shè)備安裝在蒸汽曱烷重整器(SMR)/變換反應(yīng) 器和H2 PSA單元之間的實(shí)施方案中，H2 PSA單元的進(jìn)料物流中的C02 量減少，從而提高了從H2PSA單元的H2回收。在本發(fā)明的其他實(shí)施 方案中，可通過部分氧化反應(yīng)器等等來提供進(jìn)料物流。在這些實(shí)施方 案中任一方案中，對C02 VPSA單元的進(jìn)料物流是至少含有112和C02 的高壓(例如100-500psia)物流。
通過消除上述的硬件(即旋轉(zhuǎn)電機(jī))及相應(yīng)的能源需求，預(yù)期本發(fā) 明相對于現(xiàn)有技術(shù)能更有效地從合成氣或其他至少含C02和H2的物 流產(chǎn)生C02。


為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)參照以下結(jié)合附圖進(jìn)行 的具體描述，其中
圖1說明了本發(fā)明的實(shí)施方案，其中C02 VPSA單元置于H2PSA 單元的上游；
圖2說明了本發(fā)明一實(shí)施方案的具有6個(gè)床、三個(gè)壓力補(bǔ)償步驟 和貫穿排空床的流動(dòng)的C02 VPSA單元的循環(huán)步驟框圖(cycle step chart);圖3顯示了圖2的C02 VPSA單元的示意圖4顯示了圖2和3所示的C02 VPSA單元操作的閥順序；
圖5說明了本發(fā)明的具有5個(gè)床、兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟和貫穿排空
床的流動(dòng)的C02 VPSA單元的替代的循環(huán)步驟框圖6說明了本發(fā)明的具有7個(gè)床、三個(gè)壓力補(bǔ)償步驟和貫穿排空
床的流動(dòng)的C02 VPSA單元的替代的循環(huán)步驟圖7說明了本發(fā)明另一實(shí)施方案的具有6個(gè)床、三個(gè)壓力補(bǔ)償步
驟和直接混合的C02 VPSA單元的另一循環(huán)步驟； 圖8顯示了圖7的C02 VPSA單元的示意圖； 圖9顯示了圖7和8所示的C02 VPSA單元操作的閥順序； 圖10說明了本發(fā)明的具有5個(gè)床、兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟和直接混
合的C02 VPSA單元的又一循環(huán)步驟圖11說明了本發(fā)明的具有8個(gè)床、兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟和直接混
合的C02VPSA單元的又一循環(huán)步驟圖，其中兩個(gè)床是連續(xù)進(jìn)料且至
少兩個(gè)床連續(xù)處于排空狀態(tài)；以及
圖12說明了本發(fā)明的具有11個(gè)床、兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟和直接混
合的C02 VPSA單元的另一循環(huán)步驟圖，其中三個(gè)床是連續(xù)進(jìn)料且兩
個(gè)床連續(xù)處于排空狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本發(fā)明通常涉及從至少含有C02和H2的物流(如合成
氣)中回收純度約^80摩爾％的C02的真空變壓吸附(VPSA)方法和設(shè) 備。對C02 VPSA的進(jìn)料可以高于環(huán)境壓力。C02VPSA單元產(chǎn)生兩 股物流，富含Kb的物流和C02產(chǎn)物物流。
根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的二氧化碳可用于任何所需的目的。例如且非限 制性地，如本文所述產(chǎn)生的C02可用于液化以產(chǎn)生食品級質(zhì)量的產(chǎn)
物，用于提高油回收率的超臨界C02，或僅僅用于封存的C02以避免
在大氣中增加溫室氣體以滿足規(guī)章的要求。
如本文具體論述的，所述方法的明顯特征是最終的減壓氣體(圖 2、 6、或7中的步驟序號5(DPf)，或圖5、 10、 11或12的步驟4 (DPf)) 沒有浪費(fèi)。相反，該氣流(現(xiàn)在富含C02)可用于兩種方式中的任一種 或結(jié)合使用。首先，最終減壓氣流可與處于排空中的另一床產(chǎn)生的
iiC02混合。在該實(shí)施方案中，混合的氣體構(gòu)成了所述C02產(chǎn)物。在替 代方案中或進(jìn)一步地，最終的減壓氣流部分或全部通過排空中的床。 在該實(shí)施方案中，排空的氣體構(gòu)成了 C02產(chǎn)物的至少一部分。以這種
方式，預(yù)期C02 VPSA的H2損失會(huì)最小化或完全消除。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中且如圖1所示，系統(tǒng)10包括置于H2 PSA單元28上游的C02 VPSA單元30。如上所述，天然氣12和蒸汽 14可在蒸汽曱烷重整器16中重整以產(chǎn)生物流18,如以上方程(1)所示。 隨后物流18進(jìn)料入變換反應(yīng)器20以產(chǎn)生物流22，如方程(2)所示， 其也在上文中進(jìn)行了描述。
物流22可通過物流24進(jìn)料入C02 VPSA單元30。因此，閥26 通常處于關(guān)閉位置，并且當(dāng)C02 VPSA單元不使用時(shí)才處于開啟位置。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)所需處理能力(即C02回收率)閥26 可選擇地處于部分開啟位置。
當(dāng)圖1中所示的配置與本發(fā)明的方法和設(shè)備一起使用時(shí)，可產(chǎn)生 富含C02的物流36(如280摩爾％)以及富含H2的進(jìn)料32，該進(jìn)料預(yù) 期由H2 PSA單元28產(chǎn)生高H2回收率38。氫氣PSA單元28也可產(chǎn) 生用于設(shè)備10的燃料40。
本發(fā)明認(rèn)識到C02選擇性吸附劑層的減壓提高了吸附床內(nèi)的C02 濃度。更具體地，本發(fā)明認(rèn)識到并且利用吸附劑從高壓(如100-500psia) 減壓至低壓(即接近環(huán)境壓力和/或低于環(huán)境壓力)來提高床內(nèi)的C02濃 度。
本文所用的進(jìn)料入本發(fā)明的co2單元的"進(jìn)料物流"是至少含有 112和C02的壓力介于約100-500 psia (如375 psia)的物流。在通過多次
減壓提高了 C02濃度后，其可用于通過進(jìn)一步減壓來生產(chǎn)C02產(chǎn)物。 對于某些吸附劑，從高壓減壓至低壓會(huì)提高該吸附床內(nèi)的C02濃度。
所述方法中的這一步驟可用于消除現(xiàn)有技術(shù)中所述的多個(gè)處理步驟。 因而能夠消除多個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)部件(如沖洗壓縮機(jī)、吹掃壓縮機(jī)、循環(huán)壓 縮機(jī))和相關(guān)的能量需求，從而提供能夠改善操作并提高效率的方法和 系統(tǒng)。
如上所述，本發(fā)明的C02VPSA方法和設(shè)備可用于從諸如合成氣 的進(jìn)料氣產(chǎn)生純度約80摩爾％的C02。在本發(fā)明一實(shí)施方案中，所述 方法提供了貫穿排空床的流動(dòng)(參見例如圖2-6)。貫穿流動(dòng)(flowthrough)實(shí)施方案可使用不同數(shù)量的床和壓力補(bǔ)償步驟來實(shí)現(xiàn)。例如，
可利用6個(gè)床和三個(gè)壓力補(bǔ)償步驟來實(shí)現(xiàn)貫穿排空床的流動(dòng)(圖2-4)。
可選擇地，可利用5個(gè)床和兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟(圖5)或者7個(gè)床和三
個(gè)壓力補(bǔ)償步驟(圖6)來實(shí)現(xiàn)貫穿排空床的流動(dòng)。在這些方法中任意
方法的任何時(shí)刻，所述床必然處于以下步驟類型中的一個(gè)進(jìn)料
(feed)、減壓(depressurization)、排空(evacuation)、壓力補(bǔ)償(pressure
equalization)以及再力口壓(repressurization)。此夕卜，在圖6所示實(shí)施方案
的循環(huán)中可包括吹掃步驟。
在本發(fā)明的其他替代實(shí)施方案中，C02 VPSA方法和設(shè)備可用于
通過直接混合從諸如合成氣的進(jìn)料氣體產(chǎn)生純度為約80摩爾％的
C02。在這類實(shí)施方案中，最終減壓步驟(DPf)過程中產(chǎn)生的C02產(chǎn)物
不通過另一排空床。相反，該物流直接與來自排空床的物流混合。在
一個(gè)優(yōu)選且示例性的實(shí)施方案中，這可利用具有6個(gè)床和三個(gè)壓力補(bǔ)
償步驟的C02 VPSA單元來實(shí)現(xiàn)(圖7-9)。在其他實(shí)施方案中，這可通
過使用具有5個(gè)床和兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟的C02 VPSA單元來實(shí)現(xiàn)(圖
10)。在這些方法中任意方法的任何時(shí)刻，所述床必然處于以下步驟 類型中的一個(gè)進(jìn)料、減壓、排空、壓力補(bǔ)償以及再加壓。
也可使用貫穿流動(dòng)和直接混合的組合。在這類實(shí)施方案中，減壓 步驟(DPf)中產(chǎn)生的物流一部分在排空下貫穿床流動(dòng)，而剩余部分與離 開排空床的物流直接混合。
在需要提高設(shè)備能力的實(shí)施方案中，可采用圖11和12所示的實(shí) 施方案。更具體地，圖11顯示了本發(fā)明一實(shí)施方案的循環(huán)步驟框圖， 其中使用了兩個(gè)壓力補(bǔ)償和8個(gè)床，以及直接混合。在該實(shí)施方案中， 兩個(gè)床為連續(xù)進(jìn)料，而至少兩個(gè)床為連續(xù)排空。預(yù)期這種設(shè)置使得能 提高設(shè)備的能力。圖12顯示了本發(fā)明一實(shí)施方案的循環(huán)步驟圖，其 中使用了兩個(gè)壓力補(bǔ)償和11個(gè)床，以及直接混合。在該實(shí)施方案中， 三個(gè)床為連續(xù)進(jìn)料而兩個(gè)床為連續(xù)排空。同樣預(yù)期這種設(shè)置使得能提 高設(shè)備的能力。在這些方法中任意方法的任何時(shí)刻，所述床必然處于 以下步驟類型中的一個(gè)進(jìn)料、減壓、排空、壓力補(bǔ)償以及再加壓。
在任意所述實(shí)施方案中，每一床優(yōu)選填充有至少兩層吸附劑。床
去除i料物流中;水分，—從而任何殘^的水分都不會(huì)降低主(即C02-選擇性)吸附劑層的性能。所述水選擇性吸附劑層還優(yōu)選能從進(jìn)料物流 中去除雜質(zhì)(如痕量的硫或重碳?xì)浠衔?，達(dá)到這類雜質(zhì)存在的程度。 所述主、第二吸附劑層(即C02-選擇性吸附劑層)用于從充分去除水分 的進(jìn)料物流中選擇性地吸附C02。
對于第一吸附劑層(即水-選擇性吸附劑層)，優(yōu)選諸如活性氧化 鋁、硅膠或沸石分子篩的吸附劑。這些吸附劑只是說明性的，并且其 他能去除足量水分的吸附劑同樣適用于本發(fā)明。這類吸附劑的優(yōu)選特
性包括高壓碎強(qiáng)度性能、高抗磨性、大堆積密度、低顆粒間空隙率、
高熱容量、大熱導(dǎo)率、低壓降，并且在液態(tài)水中穩(wěn)定。
水-選擇性吸附劑層后的主吸附劑層(即co2-選擇性吸附劑層)優(yōu)
選具有以下特性高選擇性、高工作容量、動(dòng)力學(xué)速度快和低吸附熱。 這類吸附劑的典型例子包括，但不限于，NaY、 HY、 NaX、硅膠和活 性炭。主吸附劑(即C02-選擇性層)的其他優(yōu)選物理性質(zhì)包括高壓 碎強(qiáng)度、高抗磨性、大堆積密度、低顆粒間空隙率、高熱容量、大熱 導(dǎo)率，以及進(jìn)料和排空步驟中壓降低。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明中可使用含有兩種吸附劑的 復(fù)合混合層，只要所述吸附劑的特性滿足要求?，F(xiàn)在參見圖2-4,描 述了本發(fā)明的第一實(shí)施方案，其具有6個(gè)床(A1-A6)，并采用了十個(gè) 步驟以及貫通排空床的流動(dòng)來從合成氣產(chǎn)生富集的C02。處理步驟 包括
1. 進(jìn)料步驟.至少含有C02和H2氣體、壓力介于約100-500 psia (如約375 psia)且由變換反應(yīng)器20產(chǎn)生的進(jìn)料物流24(圖1所示)轉(zhuǎn)移 至本發(fā)明的C02 VPSA單元。來自C02VPSA單元(圖l中的單元30) 的高壓排出物32(即富含H2的物流)被送至H2 PSA單元28,從而產(chǎn)生 高壓、高純的H2產(chǎn)物(圖1中的物流38)。在預(yù)定時(shí)間后或C02突破 處于進(jìn)料24的床后，進(jìn)料步驟終止。
2. 并流(CoC)減壓1 (DPI). 將現(xiàn)在處于高進(jìn)料壓力(如100-500 psia)的已完成進(jìn)料步驟的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖2所示) 或相反(圖2中未顯示)的方向減壓至中等壓力(如80-400 psia)。
3. 并流(CoCV咸壓2 (DP2).將現(xiàn)在處于中等壓力(如80-400 psia) 的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖2所示)或相反(圖2中未顯示) 的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如60-300 psia)。4. 并流(CoCV咸壓3 (DP3).將現(xiàn)在處于次中等壓力(如60-300 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖2所示)或相反(圖2中未顯 示)的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如50-200 psia)。
5. 最終減壓(DPf).將現(xiàn)在處于低于步驟4開始時(shí)的壓力(約 50-200 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖2所示)和/或相反(圖 2中未顯示)的方向進(jìn)一步減壓至接近環(huán)境壓力的壓力(約20psia)。如 圖2中的箭頭所示(即從DPf至排空床的箭頭)，來自該步驟(DPf)的物 流貫穿排空床(如圖2中在各自的循環(huán)步驟上由床1至床6,床2至 床l,床3至床2，床4至床3，床5至床4或床6至床5)流動(dòng)。
6. 排空.將現(xiàn)在接近環(huán)境壓力(約20psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn) 料流相同(圖2中未顯示)或相反(圖2中所示)的方向排空至預(yù)定的低 壓，低于環(huán)境壓力的壓力(約1-12 psia)。如圖2所示，以及上述步驟 5(DPf)的描述中所指出的，該床接收來自另一處于DPf步驟的床的氣 體。來自排空床的氣體構(gòu)成了 C02產(chǎn)物物流。
7. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償3 (PE3).排空的床現(xiàn)在沿與進(jìn)料流相同 (圖2中未顯示)或相反(圖2中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步驟4 (DP3)產(chǎn) 生的氣體的壓力范圍(即至約50-200psia)。該步驟通過將來自步驟4 的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通過消除將 C02送至廢物物流的需求而使co2的損失最小化。
8. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償2 (PE2).步驟7中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖2中未顯示)或相反(圖2中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟3 (DP2)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約60-300psia)。該步驟通過將 來自步驟3的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通 過消除將C02送至廢物物流的需求而使C02的損失最小化。
9. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償1 (PE1).步驟8中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖2中未顯示)或相反(圖2中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟2 (DPl)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約80-400psia)。該步驟通過將 來自步驟2的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通 過消除將C02送至廢物物流的需求而使co2的損失最小化。
10. 再加壓(FeRP).通過進(jìn)料氣體或者通過處于步驟1的另一床 產(chǎn)生的排出物(即進(jìn)料排出物)的 一部分將壓力補(bǔ)償后的床再次加壓至 進(jìn)料壓力(100-500 psia)。再加壓至進(jìn)料壓力后，該床現(xiàn)在準(zhǔn)備好返回至步驟1了。
所述的十步過程是C02 VPSA單元中的一個(gè)床的一個(gè)循環(huán)。上述 對于這種貫通排空床流動(dòng)的實(shí)施方案的十個(gè)步驟是以循環(huán)方式與該 單元內(nèi)的其他床一起進(jìn)行的，從而步驟1的進(jìn)料-輸入和進(jìn)料-排出是
連續(xù)的。此外，排空步驟(序號6)設(shè)計(jì)為連續(xù)的。這確保了真空泵連 續(xù)操作，并且對C02 VPSA單元或H2 PSA單元的進(jìn)料-輸入沒有間斷。 在上述實(shí)施方案中采用了 6個(gè)吸附床來保持關(guān)鍵處理步驟的連續(xù)性。
圖2所示循環(huán)的示例性的相應(yīng)硬件和相應(yīng)的C02 VPSA方法的流 程圖如圖3所示。圖3中的各個(gè)閥可按圖4所示的方式操作，以執(zhí)行 上述六床方法的十個(gè)步驟。應(yīng)當(dāng)理解，所示的壓力和步驟持續(xù)時(shí)間僅 用于說明的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可使用壓力和步驟持續(xù) 時(shí)間的其他組合。
如可從上述描述中理解到的，本發(fā)明依靠將至少一種C02-選擇性
吸附劑從高壓減壓至低壓來提高床中的C02濃度。在C02濃度升高后，
通過進(jìn)一步降低壓力來產(chǎn)生C02產(chǎn)物。這能夠?qū)崿F(xiàn)是基于以下認(rèn)識， 即對于某些吸附劑，從高壓減壓至低壓會(huì)提高該吸附劑上的C02濃 度。
在圖2-4所示及上述的實(shí)施方案中，最終減壓(步驟序號5, DPf) 期間產(chǎn)生的氣體貫穿排空床流動(dòng)，如圖2的循環(huán)步驟圖中的箭頭所示。 通過以這種方式利用最終減壓的氣體物流(步驟序號5), C02 VPSA單
元的H2損失最小或沒有損失。
采用最終減壓氣體物流(DPf)貫穿排空床流動(dòng)的替代和額外的示 例性實(shí)施方案如圖5和6所示。
現(xiàn)在參見圖5,顯示了采用5個(gè)床和兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟的八步方 法的循環(huán)步驟圖。除步驟DP3和PE3被省略外，這些循環(huán)步驟以與如 上參照圖2所描述的那些步驟類似的方式執(zhí)行。更具體地，圖5的循 環(huán)步驟包括如下
1.進(jìn)料步驟.至少含有C02和H2氣體、壓力介于約100-500 psia (如約375 psia)且由變換反應(yīng)器20產(chǎn)生的進(jìn)料物流24(圖1所示)轉(zhuǎn)移 至本發(fā)明的C02 VPSA單元。來自C02VPSA單元(圖1中的單元30) 的高壓排出物32(即富含H2的物流)被送至H2PSA單元28，從而產(chǎn)生 高壓、高純的H2產(chǎn)物(圖1中的物流38)。在預(yù)定時(shí)間后或C02突破處于進(jìn)料24的床后，進(jìn)料步驟終止。
2. 并流(CoC)減壓1 (DPI). 將現(xiàn)在處于高進(jìn)料壓力(如100-500 psia)的已完成進(jìn)料步驟的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖5所示) 或相反(圖5中未顯示)的方向減壓至中等壓力(如80-400 psia)。
3. 并流(CoC)減壓2 (DP2).將現(xiàn)在處于中等壓力(如80-400 psia) 的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖5所示)或相反(圖5中未顯示) 的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如60-300 psia)。
4. 最終減壓(DPf).將現(xiàn)在處于低于步驟4開始時(shí)的壓力(約 50-200 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖5所示)和/或相反(圖 5中未顯示)的方向進(jìn)一步減壓至接近環(huán)境壓力的壓力(約20psia)。如 圖5中的箭頭所示(即從DPf至排空床的箭頭)，來自該步驟(DPf)的物 流貫穿排空床(如圖5中所示在各自的循環(huán)步驟上由床1至床5，床 2至床1，床3至床2，床4至床3，或床5至床4"危動(dòng)。
5. 排空.將現(xiàn)在接近環(huán)境壓力(約20psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn) 料流相同(圖5中未顯示)或相反(圖5中所示)的方向排空至預(yù)定的低 壓，低于環(huán)境壓力的壓力(約1-12 psia)。如圖5所示，以及上述步驟 4(DPf)的描述中所指出的，該床在DPf步驟持續(xù)期間接收來自另 一處 于DPf步驟的床的氣體。來自排空床的氣體構(gòu)成了 C02產(chǎn)物物流。
6. 逆流(CcO壓力補(bǔ)償2 (PE2).排空的床現(xiàn)在沿與進(jìn)料流相同 (圖5中未顯示)或相反(圖5中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步驟3 (DP2)產(chǎn) 生的氣體的壓力范圍(即至約60-300psia)。該步驟通過將來自步驟3 的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通過消除將 co2送至廢物物流的需求而使co2的損失最小化。
7. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償1 (PE1).步驟6中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖5中未顯示)或相反(圖5中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟1 (DP1)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約80-400psia)。該步驟通過將 來自步驟2的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通 過消除將co2送至廢物物流的需求而使C02的損失最小化。
8. 再加壓(FeRP).通過進(jìn)料氣體或者通過處于步驟1的另一床產(chǎn) 生的排出物(即進(jìn)料排出物)的一部分將壓力補(bǔ)償后的床再次加壓至進(jìn) 料壓力(100-500 psia)。再加壓至進(jìn)料壓力后，該床現(xiàn)在準(zhǔn)備好返回至 步驟1 了 。所述的八步過程是C02 VPSA單元中的一個(gè)床的一個(gè)循環(huán)。上述 對于這種貫通排空床流動(dòng)的實(shí)施方案的八個(gè)步驟是以循環(huán)方式與該 單元內(nèi)的其他床一起進(jìn)行的，從而步驟1的進(jìn)料-輸入和進(jìn)料-排出是 連續(xù)的。此外，排空步驟(序號5)設(shè)計(jì)為連續(xù)的。這確保了真空泵連 續(xù)操作，并且對C02 VPSA單元或H2 PSA單元的進(jìn)料-輸入沒有間斷。 在上述實(shí)施方案中采用了 5個(gè)吸附床來保持關(guān)鍵處理步驟的連續(xù)性。
現(xiàn)在參見圖6，顯示了采用7個(gè)床和三個(gè)壓力補(bǔ)償步驟的十一步 方法的循環(huán)步驟圖。除在最終減壓步驟(DPf)和排空步驟之間包含額外 的步驟(Rf)之外，這些循環(huán)步驟以與如上參照圖2所描述的那些步驟 類似的方式執(zhí)行。更具體地，圖6的循環(huán)步驟包括如下
1. 進(jìn)料步驟.至少含有C02和H2氣體、壓力介于約100-500psia (如約375 psia)且由變換反應(yīng)器20產(chǎn)生的進(jìn)料物流24(圖1所示)轉(zhuǎn)移 至本發(fā)明的C02 VPSA單元。來自C02VPSA單元(圖1中的單元30) 的高壓排出物32(即富含H2的物流)被送至H2 PSA單元28，從而產(chǎn)生 高壓、高純的H2產(chǎn)物(圖1中的物流38)。在預(yù)定時(shí)間后或C02突破 處于進(jìn)料24的床后，進(jìn)料步驟終止。
2. 并流(CoC)減壓1 (DPI). 將現(xiàn)在處于高進(jìn)料壓力(如100-500 psia)的已完成進(jìn)料步驟的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖6所示) 或相反(圖6中未顯示)的方向減壓至中等壓力(如80-400 psia)。
3. 并流(CoC)減壓2 (DP2).將現(xiàn)在處于中等壓力(如80-400 psia) 的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖6所示)或相反(圖6中未顯示) 的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如60-300 psia)。
4. 并流(CoCV咸壓3 (DP3).將現(xiàn)在處于次中等壓力(如60-300 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖6所示)或相反(圖6中未顯 示)的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如50-200 psia)。
5. 最終減壓(DPf).將現(xiàn)在處于低于步驟4開始時(shí)的壓力(約 50-200 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖6所示)和/或相反(圖 6中未顯示)的方向進(jìn)一步減壓至接近環(huán)境壓力的壓力(約20 psia)。
6. 接收吹掃(Rf). DPf (如圖6中的床l)產(chǎn)生的物流進(jìn)料至已完成 DPf但尚未進(jìn)行排空的另一床(如圖6中的床7)。在這段時(shí)間中(Rf步 驟的持續(xù)期間)，排出物(如圖6中的床7)流向罐42作為C02產(chǎn)物。在 床1的DPf的剩余時(shí)間段期間，氣體貫穿排空床(如圖6中的床7)流動(dòng)。
7. 排空.將現(xiàn)在接近環(huán)境壓力(約20psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn) 料流相同(圖6中未顯示)或相反(圖6中所示)的方向排空至預(yù)定的低 壓，低于環(huán)境壓力的壓力(約l-12psia)。如圖6所示，該床(床l)接收 來自另一處于DPf步驟的床(床2)的氣體。來自排空床的氣體構(gòu)成了
C02產(chǎn)物物流的至少一部分。
8. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償3 (PE3).排空的床現(xiàn)在沿與進(jìn)料流相同 (圖6中未顯示)或相反(圖6中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步驟4 (DP3)產(chǎn) 生的氣體的壓力范圍(即至約50-200psia)。該步驟通過將來自步驟4 的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通過消除將 co2送至廢物物流的需求而使C02的損失最小化。
9. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償2 (PE2).步驟7中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖6中未顯示)或相反(圖6中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟3 (DP2)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約60-300psia)。該步驟通過將 來自步驟3的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)4€高了 C02的回收率。這樣通 過消除將C O 2送至廢物物流的需求而使C O 2的損失最小化。
10. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償1 (PE1).步驟9中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖6中未顯示)或相反(圖6中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟2 (DP1)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約80-400psia)。該步驟通過將 來自步驟2的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通 過消除將C02送至廢物物流的需求而使co2的損失最小化。
11. 再加壓(FeRP).通過進(jìn)料氣體或者通過處于步驟1的另一床 產(chǎn)生的排出物(即進(jìn)料排出物)的 一部分將壓力均勻化后的床再次加壓 至進(jìn)料壓力(100-500 psia)。再加壓至進(jìn)料壓力后，該床現(xiàn)在準(zhǔn)備好返 回至步驟l 了。所述的十一步過程是C02 VPSA單元中的一個(gè)床的一 個(gè)循環(huán)。
上述對于這種貫通排空床流動(dòng)的實(shí)施方案的十一個(gè)步驟是以循 環(huán)方式與該單元內(nèi)的其他床一起進(jìn)行的，從而步驟1的進(jìn)料-輸入和進(jìn) 料-排出是連續(xù)的。此外，排空步驟(序號7)設(shè)計(jì)為連續(xù)的。這確保了 真空泵連續(xù)操作，并且對C02 VPSA單元或H2PSA單元的進(jìn)料-輸入 沒有間斷。在上述實(shí)施方案中采用了 7個(gè)吸附床來保持關(guān)鍵處理步驟 的連續(xù)性。如上所述，通過使最終減壓步驟(DPf)中產(chǎn)生的氣體貫穿處于排空
過程中和/或進(jìn)行排空步驟之前的床，可以消除C02 VPSA單元的所有 或幾乎所有H2損失(圖2-6)。在其他實(shí)施方案中(圖7-12)，通過將兩 股物流(即DPf和排空步驟的排出物)直接混合也可以實(shí)現(xiàn)極少或沒有 Hb損失。
現(xiàn)在參見圖7-9,顯示了具有6個(gè)床(Al-A6)并采用十個(gè)步驟的 本發(fā)明一實(shí)施方案，其采用了 DPf步驟和排空步驟的C02氣的直接混 合來從合成氣產(chǎn)生最終的富含C02的氣體。處理步驟包括
1. 進(jìn)料步驟.至少含有C02和H2氣體、壓力介于約(如約375 psia) 且由變換反應(yīng)器20產(chǎn)生的進(jìn)料物流24 (圖1所示)轉(zhuǎn)移至本發(fā)明的C02 VPSA單元。來自C02 VPSA單元(圖1中的單元30)的高壓排出物32(即 富含H2的物流)被送至H2PSA單元28，從而產(chǎn)生高壓、高純的H2產(chǎn) 物(圖1中的物流38)。在預(yù)定時(shí)間后或C02突破處于進(jìn)料24的床后， 進(jìn)料步驟終止。
2. 并流(CoCV咸壓1 (DPI). 將現(xiàn)在處于高進(jìn)料壓力(如100-500 psia)的已完成進(jìn)料步驟的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖7所示) 或相反(圖7中未顯示)的方向減壓至中等壓力(如80-400 psia)。
3. 并流(CoCV咸壓2 (DP2).將現(xiàn)在處于中等壓力(如80-400 psia) 的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖7所示)或相反(圖7中未顯示) 的方向進(jìn)一 步減壓至更低壓力(如60-300 psia)。
4. 并流(CoCV咸壓3 (DP3).將現(xiàn)在處于次中等壓力(如60-300 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖7所示)或相反(圖7中未顯 示)的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如50-200 psia)。
5. 最終減壓(X)Pf).將現(xiàn)在處于低于步驟4開始時(shí)的壓力(約 50-200 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖7所示)或相反(圖7 中未顯示)的方向進(jìn)一步減壓至接近環(huán)境壓力的壓力(約20psia),以產(chǎn) 生圖8所示的C02產(chǎn)物36b。該物流可構(gòu)成C02產(chǎn)物(圖8中的物流 36)的一部分。
6. 排空.將現(xiàn)在接近環(huán)境壓力(約20psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn) 料流相同(圖7中未顯示)或相反(圖7中所示)的方向排空至預(yù)定的低 壓，低于環(huán)境壓力的壓力(約l-12psia)。來自排空床的氣體(圖8中的 物流36a)構(gòu)成了 C02產(chǎn)物物流(圖中的物流36)的一部分。任選地，在流到罐42之前，可使用鼓風(fēng)機(jī)(未顯示)對物流36a進(jìn)行進(jìn)一步壓縮。
7. 逆流(CcO壓力補(bǔ)償3 (PE3).排空的床現(xiàn)在沿與進(jìn)料流相同 (圖7中未顯示)或相反(圖7中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步驟4 (DP3)產(chǎn) 生的氣體的壓力范圍(即至約50-200psia)。該步驟通過將來自步驟4 的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通過消除將 C O 2送至廢物物流的需求而使C O 2的損失最小化。
8. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償2 (PE2).步驟7中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖7中未顯示)或相反(圖7中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟3 (DP2)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約60-300psia)。該步驟通過將 來自步驟3的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通 過消除將C02送至廢物物流的需求而使C02的損失最小化。
9. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償1 (PE1).步驟8中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖7中未顯示)或相反(圖7中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步 驟2 (DP1)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約80-400psia)。該步驟通過將 來自步驟2的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通 過消除將co2送至廢物物流的需求而使co2的損失最小化。
10. 再加壓(FeRP).通過進(jìn)料氣體或者通過處于步驟1的另一床 產(chǎn)生的排出物(即進(jìn)料排出物)的 一部分將壓力補(bǔ)償后的床再次加壓至 進(jìn)料壓力(100-500psia)。再加壓至進(jìn)料壓力后，該床現(xiàn)在準(zhǔn)備好返回 至步驟1了。如圖7進(jìn)一步顯示的，C02產(chǎn)物36由來自物流36b (步 驟6)和36a (步驟7)的C02通過產(chǎn)物罐42形成。預(yù)期產(chǎn)物36的C02 純度水平為約80摩爾％或更高。
所述的十步過程是C02 VPSA單元中的一個(gè)床的一個(gè)循環(huán)。上述 對于這種直接混合實(shí)施方案的十個(gè)步驟是以循環(huán)方式與該單元內(nèi)的 其他床一起進(jìn)行的，從而步驟1的進(jìn)料-輸入和進(jìn)料-排出是連續(xù)的。 此外，排空步驟(序號6)設(shè)計(jì)為連續(xù)的。這確保了真空泵連續(xù)操作， 并且對C02 VPSA單元或H2PSA單元的進(jìn)料-輸入沒有間斷。在上述 實(shí)施方案中采用了 6個(gè)吸附床來保持關(guān)鍵處理步驟的連續(xù)性。
圖7所示循環(huán)的示例性的相應(yīng)石更件和相應(yīng)的C02VPSA方法的流 程圖如圖8所示。圖8中的各個(gè)閥可按圖9所示的方式操作，以執(zhí)行 上述六床方法的十個(gè)步驟。
應(yīng)當(dāng)理解，所示的壓力和步驟持續(xù)時(shí)間僅用于說明的目的。本領(lǐng)
21域技術(shù)人員可以理解，可使用壓力和步驟的其他組合。在圖7-9所示 及上述的實(shí)施方案中，最終減壓(DPf)期間產(chǎn)生的氣體與步驟序號6的 排空氣體混合。從而，C02 VPSA單元的H2損失極小或沒有損失。
采用最終減壓氣體物流(DPf)與排空床產(chǎn)生的氣體直接混合的另 一示例性實(shí)施方案如圖IO所示。
現(xiàn)在參見圖10,顯示了采用5個(gè)床和兩個(gè)壓力補(bǔ)償步驟的八步方 法的循環(huán)步驟圖。除步驟DP3和PE3被省略外，這些循環(huán)步驟以與如 上參照圖7所描述的那些步驟類似的方式執(zhí)行。更具體地，圖10的 循環(huán)步驟包括如下
1. 進(jìn)料步驟.至少含有C02和H2氣體、壓力介于約100-500 psia (如約375 psia)且由變換反應(yīng)器20產(chǎn)生的進(jìn)料物流24(圖1所示)轉(zhuǎn)移 至本發(fā)明的C02 VPSA單元。來自C02VPSA單元(圖1中的單元30) 的高壓排出物32(即富含H2的物流)被送至H2PSA單元28，從而產(chǎn)生 高壓、高純的H2產(chǎn)物(圖1中的物流38)。在預(yù)定時(shí)間后或C02突破 處于進(jìn)料24的床后，進(jìn)料步驟終止。
2. 并流(CoC)減壓1 (DPI). 將現(xiàn)在處于高進(jìn)料壓力(如100-500 psia)的已完成進(jìn)料步驟的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖10所示) 或相反(圖10中未顯示)的方向減壓至中等壓力(如80-400psia)。
3. 并流(CoC)減壓2 (DP2).將現(xiàn)在處于中等壓力(如80-400 psia) 的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖IO所示)或相反(圖IO中未顯示) 的方向進(jìn)一步減壓至更低壓力(如60-300 psia)。
4. 最終減壓(DPf).將現(xiàn)在處于低于步驟4開始時(shí)的壓力(約 50-200 psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn)料流相同(如圖10所示)或相反(圖 10中未顯示)的方向進(jìn)一步減壓至接近環(huán)境壓力的壓力(約20 psia),以 產(chǎn)生C02產(chǎn)物36b。該物流可構(gòu)成C02產(chǎn)物(物流36)的一部分。
5. 排空.將現(xiàn)在接近環(huán)境壓力(約20psia)的C02 VPSA床沿與進(jìn) 料流相同(圖IO中未顯示)或相反(圖IO中所示)的方向排空至預(yù)定的低 壓，低于環(huán)境壓力的壓力(約l-12psia)。來自排空床的氣體(圖8中的 物流36a)構(gòu)成了 C02產(chǎn)物物流(各圖中的物流36)的一部分。任選地， 在流到罐42之前，可使用鼓風(fēng)機(jī)(未顯示)對物流36a進(jìn)行進(jìn)一步壓縮。
6. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償2 (PE2).排空的床現(xiàn)在沿與進(jìn)料流相同 (圖IO中未顯示)或相反(圖10中所示)的方向壓力補(bǔ)償至步驟3 (DP2)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約60-300psia)。該步驟通過將來自步驟3 的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣通過消除將 C O 2送至廢物物流的需求而使C O 2的損失最小化。
7. 逆流(CcC)壓力補(bǔ)償1 (PE1).步驟6中經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)拇铂F(xiàn)在沿 與進(jìn)料流相同(圖10中未顯示)或相反(圖10中所示)的方向壓力補(bǔ)償至 步驟2 (DP1)產(chǎn)生的氣體的壓力范圍(即至約80-400psia)。該步驟通過 將來自步驟2的C02保持在VPSA系統(tǒng)內(nèi)提高了 C02的回收率。這樣 通過消除將C02送至廢物物流的需求而使C02的損失最小化。
8. 再加壓(FeRP).通過進(jìn)料氣體或者通過處于步驟1的另一床產(chǎn) 生的排出物(即進(jìn)料排出物)的一部分將壓力補(bǔ)償后的床再次加壓至進(jìn) 料壓力(100-500 psia)。再加壓至進(jìn)料壓力后，該床現(xiàn)在準(zhǔn)備好返回至 步驟1 了 。 二氧化碳產(chǎn)物36由來自物流36b (步驟4)和36a (步驟5) 的C02通過產(chǎn)物罐42形成。預(yù)期產(chǎn)物36的C02純度水平為約80摩 爾％或更高。
所述的八步過程是C02 VPSA單元中的一個(gè)床的一個(gè)循環(huán)。上述 對于這種直接混合的實(shí)施方案的八個(gè)步驟是以循環(huán)方式與該單元內(nèi) 的其他床一起進(jìn)行的，從而步驟1的進(jìn)料-輸入和進(jìn)料-排出是連續(xù)的。 此外，排空步驟(序號5)設(shè)計(jì)為連續(xù)的。這確保了真空泵連續(xù)操作， 并且對C02 VPSA單元或H2PSA單元的進(jìn)料-輸入沒有間斷。在上述 實(shí)施方案中采用了 5個(gè)吸附床來保持關(guān)鍵處理步驟的連續(xù)性。
還可預(yù)期，可對本發(fā)明進(jìn)行更改以產(chǎn)生更大量的C02,從而得到 更高的設(shè)備能力。例如，技術(shù)人員可能需要或希望處理比單真空序列 或單容器可處理的(由于流化或輸送限制)更高的進(jìn)料流率。在這種情
況下，所述處理步驟可設(shè)置為所有時(shí)刻均有至少兩個(gè)床處于進(jìn)料而至 少兩個(gè)床處于排空。這類示例性的循環(huán)步驟圖和設(shè)置如圖11和12所 示。替代地或附加地，可使用多個(gè)序列。
實(shí)施例
在六床中試單元上測試了圖7所示的直接混合過程循環(huán)，并且預(yù) 期容易放大。柱的內(nèi)徑(ID)為2.17英寸，且填充床高度為130英寸。 柱填充有1,3 lb商業(yè)銷售的活性氧化鋁，10.2 lb商業(yè)銷售的1/16，，NaY 小球，且頂部空隙填充有3"的陶瓷球。進(jìn)料含有2.8% CO、 15.7% C02、6.3% CH4和0.2% N2,以及余量的H2。進(jìn)泮牛為375 psia。所述過程以 循環(huán)模式運(yùn)行，直到達(dá)到循環(huán)穩(wěn)態(tài)。最終減壓步驟(DPf)為從約70到 約20psia。隨后，排空至約4psia。 二氧化碳回收率為約86%,純度 約83%。
上述方法可在進(jìn)料壓力高于100psia的條件下運(yùn)行，更優(yōu)選高于 300psia(例如，約375psia)。進(jìn)料氣體中的二氧化碳應(yīng)優(yōu)選高于10摩 爾％，且最優(yōu)選高于15摩爾％(例如，15-25摩爾％)。進(jìn)料溫度可介于 約40-200。F，更優(yōu)選介于約60-150°F,且最優(yōu)選約100°F。
在本發(fā)明的可選實(shí)施方案中，可加入儲(chǔ)罐來替代過程循環(huán)中的一 些吸附床，以儲(chǔ)存部分中間體氣體物流如減壓氣體。這些儲(chǔ)罐的目的 是使進(jìn)入和流出C02 VPSA單元的物流保持連續(xù)。
從而，本發(fā)明提供了用于從合成氣回收中等純度(如約$80摩爾％) 的C02的方法和設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，采用恒定進(jìn)料， 恒定產(chǎn)物產(chǎn)出，且旋轉(zhuǎn)電機(jī)優(yōu)選持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而消除了不必要的罐。 然而，如果有理由限制吸附床的數(shù)量(如吸附劑的高成本)，可如上所 說明地使用儲(chǔ)罐來替代吸附劑容器。雖然每 一 床都經(jīng)歷相同的循環(huán)， 但考慮到這些因素，床的數(shù)目需要最小化。
如上所述對C02 VPSA單元的進(jìn)料可以高于環(huán)境壓力，且可產(chǎn)生 C02產(chǎn)物。當(dāng)C02 VPSA單元安裝在H2 PSA單元上游時(shí)，預(yù)期通過 提取C02而提高H2的回收率，從而提高H2 PSA進(jìn)料物流中的H2分 壓?；厥盏腃02可以產(chǎn)生時(shí)的狀態(tài)使用或進(jìn)一步提濃，如Shah et al. 在同 一 日提交的標(biāo)題為"Carbon Dioxide Production Method ( 二氧化碳 生產(chǎn)方法)"的共有的美國專利申請第11/395,137號中所示，將其內(nèi) 容全文以引用的方式并入本文。隨后，所回收的C02可使用、封存或 應(yīng)用在諸如提高油回收率(EOR)的應(yīng)用中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明不限于C02 VPSA單元置于 SMR/變換反應(yīng)器下游和H2PSA單元上游的技術(shù)方案。本發(fā)明也可與 例如部分氧化反應(yīng)器，以及任何上述定義的進(jìn)料物流結(jié)合使用。
同時(shí)可以理解，在某些情況下壓力補(bǔ)償步驟可以省略。在這類情 況下，未經(jīng)壓力補(bǔ)償?shù)臍怏w可進(jìn)料入產(chǎn)物物流。因而，C02純度會(huì)降 低。由于更多的H2和/或C02會(huì)出現(xiàn)在物流36中，因而這可能會(huì)降低
H2和/或C02的回收率。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可很容易地將以上公開的具體實(shí)施方 案作為基礎(chǔ)來變換或設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相同目的的其他結(jié)構(gòu)。本領(lǐng) 域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)意識到，這類等同構(gòu)造并沒有偏離本發(fā)明所附權(quán)利 要求中限定的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 真空變壓吸附(VPSA)方法，其用于在VPSA單元中從至少包含CO2和H2的多組分氣體混合物中回收CO2，所述VPSA單元包含至少一個(gè)含有至少一種CO2-選擇性吸附劑的吸附床，所述方法包括將所述至少包含CO2和H2的多組分氣體混合物以處于第一壓力范圍內(nèi)的第一壓力進(jìn)料給至少一個(gè)吸附床一段預(yù)定的時(shí)間，以產(chǎn)生富含H2的物流；在第一減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第一壓力減壓至處于第二壓力范圍內(nèi)的第二壓力；在第二減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第二壓力減壓至處于第三壓力范圍內(nèi)的第三壓力；在第三減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第三壓力減壓至處于第四壓力范圍內(nèi)的第四壓力；在最終減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同或與所述進(jìn)料流相反的方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第四壓力減壓至接近環(huán)境壓力的壓力范圍，以至少產(chǎn)生CO2產(chǎn)物的第一部分；將所述至少一個(gè)吸附床沿與進(jìn)料流相反的方向由接近環(huán)境壓力的壓力排空至等于環(huán)境壓力或低于環(huán)境壓力的壓力，以至少產(chǎn)生CO2產(chǎn)物的第二部分，并且在所述排空步驟的過程中，所述至少一個(gè)吸附床接收CO2產(chǎn)物的第一部分的至少一部分；在第一壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽僖粋€(gè)吸附床進(jìn)行壓力補(bǔ)償；在第二壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽僖粋€(gè)吸附床進(jìn)行進(jìn)一步的壓力補(bǔ)償；在第三壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽僖粋€(gè)吸附床進(jìn)行進(jìn)一步的壓力補(bǔ)償；和在再加壓步驟中將所述至少一個(gè)吸附床再加壓至所述第一壓力范圍；其中所述方法循環(huán)反復(fù)。
2. 真空變壓吸附(VPSA)方法，其用于在VPSA單元中從至少包 含C02和H2的多組分氣體混合物中回收C02，所述VPSA單元包含 至少一個(gè)含有至少一種C02-選擇性吸附劑的吸附床，所述方法包括將所述至少包含C02和H2的多組分氣體混合物以處于第一壓力范圍內(nèi)的第 一壓力進(jìn)料給所述至少 一個(gè)吸附床一段預(yù)定的時(shí)間，以產(chǎn) 生富含H2的物流；在第 一減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少一個(gè)吸附床由第一壓力減壓至處于第二壓力范圍內(nèi)的第二 壓力；在第二減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少一個(gè)吸附床由第二壓力減壓至處于第三壓力范圍內(nèi)的第三 壓力；在最終減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同或與所述進(jìn)料流相反的 方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第三壓力減壓至接近環(huán)境壓力的壓力 范圍，以至少產(chǎn)生C02產(chǎn)物的第一部分；將所述至少 一 個(gè)吸附床沿與進(jìn)料流相反的方向由接近環(huán)境壓力 的壓力排空至等于環(huán)境壓力或低于環(huán)境壓力的壓力，以至少產(chǎn)生co2 產(chǎn)物的第二部分，并且在所述排空步驟的過程中，所述至少一個(gè)吸附 床接收所述C02產(chǎn)物的第 一部分的至少一部分；在第 一 壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽僖粋€(gè)吸附床進(jìn)行壓力補(bǔ)償；在第二壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽僖粋€(gè)吸附床進(jìn)行進(jìn)一步的壓力補(bǔ)償；和在再加壓(RP)步驟中將所述至少一個(gè)吸附床再加壓至所述第一 壓力范圍；其中所述方法循環(huán)反復(fù)。
3. 真空變壓吸附(VPSA)方法，其用于在VPSA單元中從至少包 含C02和H2的多組分氣體混合物中回收C02，所述VPSA單元包含 至少一個(gè)含有至少一種C02-選擇性吸附劑的吸附床，所述方法包括將所述至少包含C02和H2的多組分氣體混合物以處于第一壓力范圍內(nèi)的第 一壓力進(jìn)料給所述至少 一個(gè)吸附床一段預(yù)定的時(shí)間，以產(chǎn) 生富含H2的物流；在第 一減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少一個(gè)吸附床由第一壓力減壓至處于第二壓力范圍內(nèi)的第二壓力；在第二減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少一個(gè)吸附床由第二壓力減壓至處于第三壓力范圍內(nèi)的第三 壓力；在第三減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少一個(gè)吸附床由第三壓力減壓至處于第四壓力范圍內(nèi)的第四 壓力；在最終減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或與所述進(jìn)料流 相反的方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第四壓力范圍減壓至接近環(huán)境 壓力的壓力范圍，以至少產(chǎn)生C02產(chǎn)物的第一部分；將所述至少 一 個(gè)吸附床沿與進(jìn)料流相反的方向由接近環(huán)境壓力 的壓力排空至等于環(huán)境壓力或低于環(huán)境壓力的壓力，以至少產(chǎn)生C02 產(chǎn)物的第二部分；在第 一 壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽?一個(gè)吸附床進(jìn)行壓力補(bǔ)償；在第二壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽?一個(gè)吸附床進(jìn)行進(jìn)一步的壓力補(bǔ)償；在第三壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽?一個(gè)吸附床進(jìn)行進(jìn)一步的壓力補(bǔ)償；和在再加壓步驟中將所述至少一個(gè)吸附床再加壓至所述第一壓力范圍；其中所述方法循環(huán)反復(fù)。
4.真空變壓吸附(VPSA)方法，其用于在VPSA單元中從至少包 含C02和H2的多組分氣體混合物中回收C02，所述VPSA單元包含 至少一個(gè)含有至少一種C02-選擇性吸附劑的吸附床，所述方法包括將所述至少包含C02和H2的多組分氣體混合物以處于第一壓力 范圍內(nèi)的第 一 壓力進(jìn)料給所述至少 一 個(gè)吸附床 一 段預(yù)定的時(shí)間，以產(chǎn) 生富含Eb的物流；在第 一減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少一個(gè)吸附床由第一壓力減壓至處于第二壓力范圍內(nèi)的第二壓力；在第二減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或相反的方向，將 所述至少 一個(gè)吸附床由第二壓力減壓至處于第三壓力范圍內(nèi)的第三 壓力；在最終減壓步驟中沿與所述進(jìn)料流相同的方向或與所述進(jìn)料流 相反的方向，將所述至少一個(gè)吸附床由第三壓力減壓至接近環(huán)境壓力 的壓力范圍，以至少產(chǎn)生C02產(chǎn)物的第一部分；將所述至少 一 個(gè)吸附床沿與進(jìn)料流相反的方向由接近環(huán)境壓力 的壓力排空至等于環(huán)境壓力或低于環(huán)境壓力的壓力，以至少產(chǎn)生C02 產(chǎn)物的第二部分；在第 一壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽?一個(gè)吸附床進(jìn)行壓力補(bǔ)償；在第二壓力補(bǔ)償步驟中沿與所述進(jìn)料流相反的方向?qū)λ鲋辽?一個(gè)吸附床進(jìn)行進(jìn)一步的壓力補(bǔ)償；和在再加壓步驟中將所述至少一個(gè)吸附床再加壓至所述第一壓力范圍；其中所述方法循環(huán)反復(fù)。
5. 真空變壓吸附(VPSA)方法，其用于在VPSA單元中從至少包 含C02和H2的多組分氣體混合物中回收C02，所述VPSA單元包含 至少兩個(gè)吸附床，且每一床含有至少一種C02-選擇性吸附劑的，所述 方法包括進(jìn)料步驟、減壓步驟、排空步驟、壓力補(bǔ)償步驟和再加壓步驟； 其中所述方法以循環(huán)方式且在穩(wěn)態(tài)進(jìn)行；其中產(chǎn)生富含H2的物流，且由至少一種C02產(chǎn)物物流產(chǎn)生最終C02產(chǎn)物；以及其中所述最終C02產(chǎn)物的純度為約三80摩爾％ C02。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、 3或5所述的方法，其中所述吸附床的數(shù)目 包括6個(gè)床。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2、 4或5所述的方法，其中所述吸附床的數(shù)目 包括5個(gè)床。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述吸附床的數(shù)目包括7個(gè)床。;2、 3或4所述的方法，其中所述第二壓力 2、 3或4所述的方法，其中所述第三壓力 3或4所述的方法，其中所述第四壓力范
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述吸附床的數(shù)目包括8個(gè)床。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述吸附床的數(shù)目包括11 個(gè)床。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的方法，其中所述第一壓力 范圍為100-500 psia。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1 范圍為80-400 psia。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1 范圍為60—300 psia。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1 圍為50-200 psia。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的方法，其中接近環(huán)境壓力 的所述壓力的壓力范圍為約20psia。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的方法，其中低于環(huán)境壓力 的所述壓力的壓力范圍為l-12psia。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3、 4或5所述的方法，其中所述富含 H2的物流被進(jìn)料給H2變壓吸附(PSA)單元。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4或5所述的方法，其中每一個(gè)至少 一個(gè)床包含水選擇性吸附劑和C02-選擇性吸附劑。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述水選擇性吸附劑選自 包括如下物質(zhì)的組活性氧化鋁、硅膠、沸石分子篩及其組合。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述C02-選擇性吸附劑 選自包括如下物質(zhì)的組NaY、 HY、 NaX、硅膠、活性碳及其組合。
全文摘要
本發(fā)明通常涉及從至少含有CO₂和H₂的物流(如合成氣)中回收純度約≥80摩爾％的二氧化碳(CO₂)的真空變壓吸附(VPSA)方法和設(shè)備。對CO₂ VPSA的進(jìn)料可以高于環(huán)境壓力。CO₂ VPSA單元產(chǎn)生兩股物流，富含H₂的物流和CO₂產(chǎn)物物流。過程循環(huán)的步驟選擇為使過程中的H₂損失最小或沒有，且無需額外的處理設(shè)備?；厥盏腃O₂可進(jìn)一步提濃、封存或用于諸如提高油回收率(EOR)的應(yīng)用中。
文檔編號B01D53/047GK101460234SQ200780020678
公開日2009年6月17日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
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