Способ и устройство для отделения водорода от газовых потоков путем короткоцикловой адсорбции

Авторы патента:

B01D53/047 - адсорбция при переменном давлении

Владельцы патента RU 2471537:

ЛИНДЕ АКЦИЕНГЕЗЕЛЬШАФТ (DE)

В заявке описаны способ отделения водорода от кислородсодержащего газового потока, состоящего преимущественно из водорода, азота, кислорода, диоксида углерода, моноксида углерода, метана и/или других углеводородов, а также устройство для осуществления этого способа. Согласно изобретению газовый поток перед его подачей в процесс короткоцикловой адсорбции подвергают переработке проведением процесса термического превращения кислорода. Изобретение позволяет исключить образование взрывоопасной газовой смеси из водорода и кислорода при проведении процесса короткоцикловой адсорбции. 7 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к способу отделения водорода от кислородсодержащего газового потока, состоящего преимущественно из водорода, азота, кислорода, диоксида углерода, моноксида углерода, метана и/или других углеводородов, а также к устройству для осуществления этого способа.

Ниже изобретение рассматривается на примере отделения водорода от коксовального газа, однако может использоваться и для отделения водорода от любого газового потока любого состава, содержащего указанные выше компоненты, и поэтому не ограничено отделением водорода только от коксовального газа.

При получении кокса на коксохимических заводах или в коксохимических цехах уголь, преимущественно каменный уголь, нагревают без доступа воздуха. При этом образуются кокс, коксовальный газ и каменноугольная смола. Кокс с повышенным содержанием в нем углерода обычно используют в производстве чугуна и стали. Коксовальный же газ, состоящий преимущественно из водорода, метана и моноксида углерода, согласно уровню техники используют в основном в качестве промышленного топлива. Однако коксовальный газ обладает лишь примерно половиной теплотворной способности природного газа и часто загрязнен различного рода примесями, которыми может быть обусловлен выброс в окружающую среду вредных веществ или которые могут привести к производственным неполадкам. Поэтому с учетом постоянно ужесточаемых законов об охране окружающей среды предпринимаются попытки найти альтернативное применение коксовальному газу.

Обычно коксовальный газ на примерно 60% состоит из водорода. Водород используется помимо прочего в больших объемах на нефтеперерабатывающих заводах для уменьшения содержания серы в средних дистиллятах в установках для гидроочистки и для крекинга различных нефтяных фракций в установках для гидрокрекинга. Водород находит также применение в процессах восстановления оксидов металлов, в производстве аммиака, в качестве горючего или в топливных элементах. Один из известных способов отделения водорода от газового потока, который помимо водорода содержит преимущественно азот, диоксид углерода, моноксид углерода и метан, а также кислород и аргон в качестве примесей, описан в ЕР 1033346.

При разделении или очистке газовых смесей известным из уровня техники методом короткоцикловой адсорбции (цикл которой состоит из собственно адсорбции при подаче газа в адсорбер под высоким давлением, сброса давления, десорбции и повышения давления) газовую смесь подают под высоким давлением в реактор с адсорбентом (адсорбер). В зависимости от конкретного давления газовой смеси и используемого адсорбента компоненты газовой смеси в большей или меньшей степени адсорбируются на нем. В идеальном случае на адсорбенте должны адсорбироваться все компоненты газовой смеси кроме водорода. Таким путем водород можно отделять от остальных компонентов газовой смеси и получать его с высокой степенью чистоты. Регенерацию адсорбента при короткоцикловой адсорбции проводят путем снижения давления в реакторе до достаточно низкого уровня, при котором происходит десорбция связанных адсорбентом компонентов, которые затем можно отводить из реактора также в газообразном виде. Тем самым метод короткоцикловой адсорбции позволяет с применением нескольких реакторов, в каждом из которых происходят взаимные процессы адсорбции, соответственно десорбции, отделять водород от остальных газообразных компонентов и получать его с высокой степенью чистоты. Описанный в ЕР 1033346 способ позволяет получать водород путем его отделения от остальных газообразных компонентов с чистотой максимум 99,99%.

При использовании подобного известного из уровня техники способа при содержании кислорода в газовом потоке более 1 об.% повышается риск возникновения аварийной ситуации. Содержащийся в газовой смеси кислород сначала адсорбируется при высоком давлении в адсорбере, однако в ходе последующего протекания процесса адсорбции вновь вытесняется из адсорбента в газовую фазу ее активнее адсорбирующимися компонентами. В результате в адсорбере повышается количество кислорода, который в сочетании с содержащимся в газе водородом образует способную к воспламенению, взрывоопасную смесь. Образование подобной взрывоопасной смеси повышает риск возникновения аварийной ситуации при разделении или очистке газовых смесей известным из уровня техники методом короткоцикловой адсорбции.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ указанного в начале описания типа, который исключал бы образование взрывоопасной газовой смеси водорода с кислородом и тем самым минимизировал бы возможный риск возникновения аварийной ситуации.

Указанная задача решается благодаря тому, что водород отделяют от газового потока проведением процесса короткоцикловой адсорбции в комбинации с предшествующим процессу короткоцикловой адсорбции проведением процесса термического превращения кислорода без катализатора.

Использование процесса термического превращения кислорода без катализатора в сочетании с процессом короткоцикловой адсорбции позволяет уменьшить содержание кислорода в газовой смеси уже перед проведением процесса короткоцикловой адсорбции до уровня, при котором невозможно образование взрывоопасной газовой смеси из водорода и кислорода. Методы термического превращения, т.е. связывания, кислорода зарекомендовали себя как исключительно стабильные и надежные. При создании изобретения неожиданно было установлено, что при этом можно отказаться от применения катализатора. Поэтому содержащиеся в газовом потоке каталитические яды не могут отравлять никакой катализатор по причине его отсутствия, регенерация которого потребовала бы остановки производственного процесса. Помимо этого при создании изобретения было установлено, что при использовании предлагаемого в изобретении способа необходимость в каталитической доочистке отделенного водорода в большинстве случаев может отсутствовать. Таким образом, снижение содержания кислорода в перерабатываемом газовом потоке в целях повышения безопасности технологического процесса и снижение содержания кислорода в перерабатываемом газовом потоке в целях повышения чистоты получаемого продукта (водорода) до требуемого уровня происходят в одну стадию.

Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в возможности безопасной и надежной переработки методом короткоцикловой адсорбции даже газовых потоков с относительным содержанием в них кислорода более 1 об.%.

Процесс термического превращения кислорода предпочтительно проводить при температуре в пределах от 300 до 500°С. При такой температуре, лежащей в пределах от 300 до 500°С, кислород способен легко вступать в химические реакции, главным образом связываться с водородом с образованием воды.

Перед проведением процесса термического превращения кислорода содержащий его исходный газовый поток предпочтительно подогревать, для чего его целесообразно пропускать через теплообменник в противотоке к газовому потоку, выходящему из процесса термического превращения водорода. Выходящий из процесса термического превращения кислорода горячий газовый поток необходимо охлаждать перед его поступлением в процесс короткоцикловой адсорбции. Этот вариант осуществления изобретения позволяет эффективно использовать тепловую энергию указанного горячего газового потока на одновременный подогрев кислородсодержащего исходного газового потока перед его подачей в процесс термического превращения кислорода.

Для получения отделенного водорода с максимально возможной степенью чистоты отделенный водород в еще одном варианте осуществления изобретения предлагается подвергать еще одной переработке проведением дополнительного каталитического процесса удаления из него остаточных следов кислорода.

Подобный последующий каталитический процесс отделения кислорода позволяет дополнительно повысить чистоту продукта.

В отношении устройства положенная в основу изобретения задача решается благодаря тому, что по ходу газового потока перед устройством для проведения процесса короткоцикловой адсорбции расположен обогреваемый реактор.

Подобный реактор предпочтительно должен быть рассчитан на работу при температурах в пределах от 300 до 500°С. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения между указанным реактором и устройством для проведения процесса короткоцикловой адсорбции предусмотрен теплообменник.

Настоящее изобретение позволяет прежде всего исключить образование взрывоопасной газовой смеси из водорода и кислорода при проведении процесса короткоцикловой адсорбции и тем самым минимизировать риск возникновения аварийной ситуации.

1. Способ отделения водорода от кислородсодержащего газового потока, состоящего преимущественно из водорода, азота, кислорода, диоксида углерода, моноксида углерода, метана и/или других углеводородов, отличающийся тем, что водород отделяют от газового потока проведением процесса короткоцикловой адсорбции в комбинации с предшествующим процессу короткоцикловой адсорбции проведением процесса термического превращения кислорода без катализатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что методом короткоцикловой адсорбции возможна также надежная переработка газовых потоков с относительным содержанием в них кислорода более 1 об.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс термического превращения кислорода проводят при температуре в пределах от 300 до 500°С.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что процесс термического превращения кислорода проводят при температуре в пределах от 300 до 500°С.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что газовый поток подогревают перед его подачей в процесс термического превращения кислорода.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что газовый поток подогревают путем его пропускания через теплообменник в противотоке к газовому потоку, выходящему из процесса термического превращения водорода.

7. Способ по одному из пп.1-4, 6, отличающийся тем, что водород после проведения процесса его отделения от газовой смеси подвергают еще одной переработке проведением дополнительного каталитического процесса удаления кислорода.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что водород после проведения процесса его отделения от газовой смеси подвергают еще одной переработке проведением дополнительного каталитического процесса удаления кислорода.

Изобретение относится к области химии. .

Адсорбционно-мембранный способ разделения газовых смесей // 2443461

Изобретение относится к способам разделения газовых смесей методом короткоцикловой безнагревной адсорбции. .

Способ очистки газов // 2401799

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для выделения и очистки водорода. .

Адсорбер // 2257944

Изобретение относится к устройствам для разделения газов адсорбцией, в частности к адсорберам для осуществления циклического адсорбционно-десорбционного процесса разделения воздуха.

Способ разделения газа переменного состава короткоцикловой безнагревной адсорбцией // 2169605

Изобретение относится к технологии разделения газов на цеолитах короткоцикловой безнагревной адсорбцией и предназначено для разделения на кислородо- и азотообогащенные газы газа переменного состава с постоянно увеличивающейся концентрацией кислорода.

Адсорбционная установка // 1554951

Изобретение относится к адсорбционной технике, а именно к конструктивному оформлению процессов сорбции, и может быть применено в газовой, химической и нефтехимической промышленности.

Способ очистки гелиевого концентрата // 1407522

Способ первичной регенерации адсорбента в блоках комплексной очистки газа // 1357054

Изобретение относится к области очистки газов адсорбентами, регенерация которых осуществляется горячим газом, проходящим через адсорбент . .

Способ регенерации адсорбционных блоков // 1152628

Способ разделения атмосферного воздуха // 874137

Системы и способы для переработки водорода и моноксида углерода // 2507240

Изобретение относится к области химии. Сырьевой поток 209 разделяют в первой адсорбционной системе с переменным давлением (PSA1) на первую фракцию 210, включающую в значительной степени адсорбированные компоненты и на вторую фракцию 212, включающую в значительной степени неадсорбированные компоненты, при этом первая фракция 210 включает большую часть СН4 и CO2 из сырьевого потока, а вторая фракция 212 включает большую часть Н2 и СО из сырьевого потока. Первую часть второй фракции 214 подают во вторую систему PSA2. Разделяют первую часть второй фракции во второй системе PSA2 на третью фракцию 213, включающую в значительной степени адсорбированные компоненты, и четвертую фракцию 217, включающую в значительной степени неадсорбированные компоненты. При этом третья фракция 213 включает большую часть N2, CO и CO2 и диоксида углерода, включенного в первую часть, а четвертая фракция 217 - большую часть Н2 в первой части. Пропускают, по меньшей мере, часть второй части 215 второй фракции или четвертой фракции 217 с образованием рециркулированного потока в процесс конверсии 208 синтез-газа, включающего большую часть H2 и СО из потока неконвертированного газа. Объединяют части первой фракции 210 и третьей фракции 213 в поток и подают вторую часть первой фракции 210 в качестве сырьевого газа в процесс производства синтез-газа. Изобретение позволяет повысить эффективность. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

Способ мембранно-адсорбционного концентрирования водорода из обедненных газовых смесей (варианты) // 2509595

Изобретение относится к области химии и биотехнологии. Способ непрерывного выделения и концентрирования водорода из биосингаза, состоящего из пяти и более компонентов, включающий подачу биосингаза из реактора (пиролизного реактора или биореактора) с помощью компрессора в мембранный модуль для предконцентрирования водорода в пермеате или ретентате и последующую подачу пермеата (после дополнительного компремирования) или ретентата (без дополнительного компремирования) в блок короткоцикловой адсорбции с получением на выходе концентрата водорода. При этом мембраны с селективностью H2/CO2>1 используют для предконцентрирования водорода в виде пермеата; мембраны с селективностью H2/CO2<1 используют для предконцентрирования водорода в виде ретентата. Технический результат заключается в обеспечении возможности выделения водорода из биогаза и возможности длительного применения мембраны. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Способ и устройство для отделения газообразного компонента // 2519482

Изобретение относится к способу и устройству для отделения по меньшей мере одного газообразного компонента из отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа. На первом этапе поток отработанного газа при первом давлении проходит через, по меньшей мере, один адсорбционный сепаратор, посредством чего газообразный компонент преобладающим образом отделяется из отработанного газа. На втором этапе газообразный компонент при втором давлении, которое ниже, чем первое давление, преобладающим образом удаляется из адсорбционного сепаратора. Изобретение позволяет создать способ и устройство, которое не требует технического обслуживания, обуславливает низкие инвестиционные затраты и затраты энергии и характеризуется незначительной занимаемой площадью. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ эксплуатации коксовой печи // 2533149

Изобретение относится к способу эксплуатации коксовой печи. Согласно способу возникающий в процессе коксования коксовый газ в виде полезного газа подается на материальную переработку, при этом от коксового газа отделяют водород, а для создания части необходимой для процесса коксования тепловой энергии в качестве горючего газа подается синтез-газ, который получают из ископаемого топлива посредством процесса газификации, при этом в качестве горючего газа используют первую долю полученного синтез-газа, при этом дополнительную долю полученного синтез-газа используют для дальнейшего синтеза с отделенным от коксового газа водородом. Изобретение обеспечивает эффективное использование возникающего коксового газа при эксплуатации коксовой печи. 24 з.п. ф-лы.

Получение кислорода в больницах // 2562975

Изобретение относится к системе для получения кислорода в учреждении, содержащей по меньшей мере одно устройство для получения медицинского воздуха, блок адсорбции с перепадом давления, который служит для получения потока кислорода, и учреждение, содержащее сеть трубопроводов для медицинского воздуха и вакуумную систему, причем по меньшей мере одно устройство для получения медицинского воздуха присоединено к сети трубопроводов для медицинского воздуха, при этом по меньшей мере первая часть потока получаемого медицинского воздуха подается из по меньшей мере одного устройства для получения медицинского воздуха к сети трубопроводов для медицинского воздуха. При этом по меньшей мере одно устройство для получения медицинского воздуха присоединено к блоку адсорбции с перепадом давления, при этом по меньшей мере вторая часть потока получаемого медицинского воздуха подается в качестве исходного газа в блок адсорбции с перепадом давления, причем блок адсорбции с перепадом давления и вакуумная система соединены между собой, при этом обеспечивается регенерация адсорбера или адсорберов блока адсорбции с перепадом давления с помощью вакуумной системы. Также изобретение относится к способу работы системы и способу ее монтажа. Использование настоящего изобретения позволяет использовать имеющуюся инфраструктуру медицинского учреждения. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 ил.

Разделение газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с использованием трех адсорбционных колонн // 2597600

Изобретение относится к способам разделения газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией. Способ реализуется на установке, которая состоит, в частности, из источника давления, трех идентичных адсорбционных колонн, системы переключающих клапанов. Поток разделяемой газовой смеси под давлением пропускают через слой адсорбента одновременно в одной из трех параллельно соединенных адсорбционных колонн, в которых циклически и последовательно организовывают режимы адсорбции и десорбции при повышении и понижении давления, посредством переключения системы входных, продувочных и перепускных клапанов. Из трех адсорбционных колонн в каждый момент времени две находятся в режиме адсорбции хорошо сорбируемых компонентов газовой смеси, одна находится в режиме десорбции ранее сорбированных компонентов газовой смеси. В сравнении с традиционно применяющимися установками с двумя адсорбционными колоннами, изобретение позволяет обеспечить непрерывность и повышенную равномерность потреблени разделяемой газовой смеси, непрерывность и повышенную равномерность продуцирования целевого газа, а также позволяет повысить степень извлечения целевых компонентов из газовой смеси с сопутствующим увеличением срока службы адсорбента, снижением общих габаритов и материалоемкости установки. 2 ил.

Способ извлечения гелия и устройство для его осуществления // 2605593

Описаны способ и устройство для повышения степени извлечения гелия. Поток, содержащий гелий и по меньшей мере один способный окисляться компонент, вводят в зону окисления в присутствии кислорода для окисления способного окисляться компонента с образованием первого потока паров и первого потока жидкости. Первый поток паров вводят в зону адсорбции при переменном давлении для образования потока очищенного гелия и потока хвостового газа. Поток хвостового газа подвергают сжатию. Сжатый поток хвостового газа вводят в зону мембранного разделения для образования обогащенного гелием потока пермеата и потока ретентата. Обогащенный гелием поток пермеата подвергают сжатию и возвращают в систему окисления. Технический результат: увеличение степени извлечения гелия путем доизвлечения его из пермеата. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Разделение многокомпонентных газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с трехэтапным извлечением целевого газа высокой чистоты // 2607735

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при производстве азота, кислорода и аргона из атмосферного воздуха. Способ включает использование нескольких адсорбционных колонн. Основные колонны (1, 2) заполнены адсорбентом, поглощающим нецелевые компоненты газовой смеси, а вспомогательные адсорбционные колонны (3) заполнены адсорбентом, поглощающим целевой компонент газовой смеси. Сырьевую газовую смесь под избыточным давлением подают в основные адсорбционные колонны (1, 2), после чего обогащенный целевым продуктом газ перемещают в вспомогательные адсорбционные колонны (3), где адсорбент поглощает целевой газ. После этого целевой газ выделяют из адсорбента и перемещают обратно в основные адсорбционные колонны (1, 2), где поднимают давление целевого газа с его доведением до высокой чистоты. Адсорбенты подбираются таким образом, чтобы время насыщения адсорбента в основных адсорбционных колоннах было примерно вдвое больше времени насыщения адсорбента в одной или нескольких вспомогательных адсорбционных колоннах. Изобретение позволяет уменьшить сложность технологической схемы, общие габариты и материалоемкость установки. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей // 2625983

Изобретение относится к мембранно-адсорбционным устройствам с использованием газового эжектора для разделения газовых смесей. Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей содержит компрессор, к выходу которого подключен вход эжекционного смесителя, через регулятор давления газа по меньшей мере два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом и через регулятор давления газа вход десорбционного эжектора. Выход эжекционного смесителя через регулятор расхода газа подключен к первому распределительному клапану. Входы адсорберов подключены к первому распределительному клапану для переключения потока сжатого газа из компрессора между адсорберами. Выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем. Технический результат - обеспечение стационарного режима работы мембранного фильтра при постоянных потоках питания и продукта и постоянного потока вытеснения с адсорберов для обеспечения максимальных разделительных характеристик устройства в целом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

Роторно-пластинчатая адсорбционная установка // 2628393

Изобретение относится к устройствам для разделения смеси газов адсорбцией при переменном давлении и может быть использовано при разделении воздуха путем короткоцикловой безнагревной адсорбции с получением газовой смеси с повышенным содержанием кислорода. Адсорбционная установка состоит из электропривода 1, редуктора 2, роторно-пластинчатого адсорбционного модуля 3. Роторно-пластинчатый адсорбционный модуль состоит из следующих конструктивных элементов: статора 4, внутренний криволинейный профиль которого образован двумя окружностями с меньшим и большим радиусом, переход между которыми осуществляет через криволинейные сопрягающие поверхности, в котором имеются впускное отверстие с фильтрующим элементом 5 для разделяемой газовой смеси и выпускное отверстие, оборудованное глушителем 6 и фильтром 7 для удаления газа при регенерации; вращающегося ротора 8 цилиндрической формы с радиальными пазами, на внешней поверхности которого между радиальными пазами имеются полости, заполненные адсорбентом 9, повторяющим по форме внешнюю поверхность ротора, от каждой полости к центру ротора радиально отходит канал, соединяемый с одной из торцевых поверхностей ротора; свободнодвижущихся уплотнительных пластин 10, установленных в пазы ротора; двух торцевых крышек, одна из которых изготовлена как крышка ресивера и имеет два отверстия, одно отверстие служит для установки однонаправленного регулируемого клапана 11 и подачи обогащенного кислородом воздуха, второе отверстие служит для установки дросселя 12 и обеспечивает дросселирование газа при регенерации в рабочий объем роторно-пластинчатого модуля; ресивера 13; регулировочного устройства расхода продуктового газа потребителю 14. Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции, уменьшении массовых и габаритных характеристик, повышении удельной производительности и надежности адсорбционной установки. 9 ил.