[發明專利]從低氫濃度的進料氣體混合物中回收氫的吸附方法

有效

• 申請號: 200810086515.2
• 申請日: 2008-03-14
• 公開（公告）號: CN101264861A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: T·C·戈爾登;E·L·小韋斯特;J·R·赫夫頓;P·A·諾沃薩特
• 申請（專利權）人: 氣體產品與化學公司
• 主分類號: C01B3/50
• 分類號: C01B3/50
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

相關申請的交叉引用

未使用。

關于聯邦主持的研究或開發的聲明

本發明是在基于Air?Products?and?Chemicals(空氣化工公司)與美國 能源部之間的合作協議號DE-FC36-01GO11087的政府支持下完成的。 這種政府支持不構成美國能源部的背書。美國能源部對本發明具有一定 權利。

背景技術

本發明涉及變壓吸附方法，更具體的說，涉及這樣的方法：從具有 相對低氫濃度的進料氣體混合物中以高回收率和高純度回收作為未吸 附產品的氫。

變壓吸附方法是用于分離包含具有不同吸附特性的組分的氣體混 合物的公知方法。例如，經由變壓吸附來生產氫是為化工制造業、金屬 精練、及其它相關工業提供高純度的氫的數百萬美元的工業。通常，從 具有高氫濃度的氣體混合物中分離氫，例如從具有或不具有變換反應器 的轉化爐中分離。

通常，含有低氫濃度的氣體混合物作為燃料燃燒以從氫中回收熱 值。

存在這樣的用途：其中從具有低氫濃度的進料氣體混合物中回收氫 是有用的。例如，在熔融碳酸鹽燃料電池中，合成氣(包括一氧化碳和 氫)可以通入陽極組件中，而氧化氣體(通常為空氣)通入陰極組件中。 從陽極得到的廢氣含有未反應的燃料(一氧化碳和氫)以及水和二氧化 碳。如美國專利4,532,192和美國專利公開2004/0229102所述，為改善 燃料電池的效率，可以將一氧化碳和氫與二氧化碳和水分離，并將一氧 化碳和氫循環回陽極。所分離的二氧化碳可以循環回陰極，因為二氧化 碳是熔融碳酸鹽燃料電池所需要的。

可以希望從陽極的廢氣流中回收純氫。在這種情況中，純氫可以用 作質子交換膜(PEM)燃料電池的燃料，或者可以存儲用于燃料電池交 通工具。在本申請中，在水氣轉換反應之后，陽極廢氣的組成可以含有 約70％二氧化碳、25％氫、和5％水，以及少于1％的一氧化碳、氮和 甲烷。

燃料電池工業所面臨的問題是，從含有低氫濃度的進料氣體混合物 中回收高百分比的氫。需要以高氫回收率來從含有低氫濃度的進料氣體 混合物中回收高純氫。

在未來氫經濟中，對于分配氫所考慮的選擇集中在從天然氣中分離 低濃度的氫(dilute?hydrogen)。氫是在低成本的集中式設備中生產的， 然后注入天然氣管線中，隨后沿氣管網絡輸送到分布的燃料補給站中。 在每個染料補給站中，高純H₂從H₂/天然氣混合物中分離出來。實際問 題將該氣體的氫含量限制到低于約20％，而其余組分由典型的天然氣物 種(例如，甲烷、N₂、C2+烴類)組成。

從精煉燃料氣中回收氫是所關注的另一個領域。目前，許多精煉廠 需要氫以用于多種單元操作，包括加氫裂化、加氫脫硫、和重整。如果 存在合適的工藝，從各種低氫濃度的進料流中回收氫可以是有吸引力的 選擇。精煉燃料氣是在精煉廠中任何數量的處理單元中生成的輕質氣體 的匯集。精煉燃料氣的典型組成是約25％氫、約67％C₁-C₆烴、約2％ 氧、約5％氮、約1％二氧化碳、和ppm量級的硫化氫。從這種具有低 氫含量的進料氣體中回收高純度氫氣流的有效方法將會是需要的。

現有技術教導了變壓吸附不適于從含有低氫濃度的進料氣體混合 物中回收氫。例如，Lancelin等人，“Hydrogen?Purification?by?Pressure Swing?Adsorption(通過變壓吸附來純化氫)”，(記載于Hydrogen Symposium?of?the?AFTP(AFTP的氫研討會)，1976年2月26日)顯示 了氫回收率作為使用變壓吸附的進料氣體混合物中氫濃度的函數的繪 圖。該繪圖顯示，在含有70％氫的進料氣體混合物中氫回收率為約80 ％，在含有50％氫的進料氣體混合物中氫回收率降低到約60％。

發明內容

如本文所述，本發明人已經發現了一種使用變壓吸附從含有低氫濃 度的進料氣體混合物中回收氫的高回收率方法。

公開了一種在多個吸附床中將氫與至少一種吸附力更強的組分分 離以生產富氫產品氣的方法，該多個吸附床各自包括對該至少一種吸附 力更強的組分具有選擇性的吸附劑。多個吸附床中的每個都經受重復周 期。該方法包括：