способ выделения водорода из газовой смеси

Формула изобретения

Способ выделения водорода из газовой смеси, содержащей водород и метан, полученной в результате термического разложения метана, заключающийся в пропускании этой смеси в стадии адсорбции при повышенном давлении через слой адсорбента, выделении при этом чистого водорода для последующего внешнего использования, в понижении давления в стадии десорбции и выделении адсорбированных компонентов, таких как водород и метан, отличающийся тем, что водород-метановую смесь получают при пиролизе метана, из которой в стадии адсорбции при давлении 0,5-2,0 МПа извлекают чистый водород, а в стадии десорбции понижают давление сначала до 0,1 МПа и выделяют некондиционную фракцию водорода, которую возвращают на вход в адсорбер, а затем для завершения стадии десорбции давление понижают до нижнего уровня 0,1-0,005 МПа и выделяют фракцию, содержащую преимущественно метан, возвращаемую в поток исходного сырья, поступающего на пиролиз, что позволяет получить дополнительное количество водорода.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способам выделения водорода из газовой смеси. Более конкретно, оно относится к выделению водорода из смеси его с метаном (очищенным природным газом), которая получена в результате пиролиза метана. Потребность в выделении водорода из смеси с метаном возникла в последние годы в связи с переработкой природного газа в экологически чистое топливо - водород с одновременным получением углеродных нанотрубок, нановолокон.

Газовые смеси, в состав которых входят водород и метан, широко представлены в промышленной практике. К ним относятся нефтезаводские газы, газы конверсии и пиролиза углеводородного сырья и другие газы. Выделение водорода из них проводят с помощью низкотемпературного, мембранного методов и адсорбции. В настоящем изобретении рассмотрено выделение водорода из смеси с метаном с помощью адсорбции. Самым распространенным вариантом ее является промышленный процесс, который носит название короткоцикловой безнагревной адсорбции, КБА. (Зарубежное название метода Pressure Swing Adsorption, PSA). В этом методе разделяемую смесь под давлением пропускают через адсорбер, заполненный адсорбентом (активным углем или цеолитом), в котором происходит поглощение (адсорбция) компонентов смеси, сопутствующих водороду. Чистый водород выводят из адсорбера в качестве целевого продукта и направляют на использование. Поглощенные адсорбентом сопутствующие компоненты десорбируют из адсорбента при давлении более низком, чем давление при их поглощении. Продукты десорбции утилизируют или сбрасывают в атмосферу. После десорбции в адсорбере вновь поднимают давление и вновь проводят поглощение сопутствующих компонентов и выделение водорода. При низком давлении вновь осуществляют десорбцию сопутствующих компонентов. Операции повторяют многократно.

Непрерывность процесса выделения водорода и переработки газовой смеси обеспечивают путем использования нескольких адсорберов, работающих в разных фазах адсорбционно-десорбционного цикла. Количество адсорберов обычно составляет от двух до четырех. В одном из них поглощают сопутствующие компоненты и выделяют водород; в другом (других) осуществляют переходные стадии изменения давления и десорбируют сопутствующие компоненты. Эти процессы широко представлены в промышленной практике и отражены в большом количестве патентов и статей.

Известны методы разделения водородсодержащих смесей, в которых, наряду с переработкой исходной водородсодержащей смеси, перерабатывают фракцию сопутствующих компонентов. В известных способах фракцию сопутствующих компонентов образуют на основе монооксида углерода, паровая конверсия которого позволяет получить дополнительное количество водорода. Разделение водородсодержащих смесей с выделением фракции чистого водорода и фракции сопутствующих компонентов (монооксида углерода) рассмотрено в патентах (1. Couche, Michael Robert. Hydrogen generation process. US Patent № 5669960, U.S. Cl. 95/96; 423/359; 423/651; 95/121; 95/139; 95/143. 2. Kumar, Ravi; Kratz, Wilbur C. Separation of multicomponent gas mixtures by selective adsorption. US Patent № 5133785, U.S. Cl. 95/101; 95/130; 95/139; 95/140; 95/143/, которые являются аналогами настоящего изобретения. Разделение исходной смеси с выделением чистого водорода и фракции сопутствующих компонентов, согласно этим патентам, проводят в нескольких сериях многокорпусных адсорбционных установок, связанных друг с другом внутренними рециклами. Большое количество адсорберов, сложные связи между ними ограничивают сферу применения методов-аналогов.

Прототипом настоящего изобретения является способ разделения метан-водородной смеси, изложенный в патенте /З. Sebastian С.Reyes; Jose G. Santiesteban. Separation of Hydrogen from hydrocarbons utilizing zeolitic imidazolate framework materials. US Patent № 2009/0211440, U.S. Cl. 95/55; 95/114; 95/106/. Авторы данного изобретения предлагают для разделения различных газовых смесей, включающих водород и один или несколько углеводородов от метана до бутана, в том числе и олефины от С₂ до С₄, использовать те или иные марки цеолитов типа ZIF. Источниками таких газовых смесей являются процессы: риформинга, нефтехимии, нефтепереработки, крекинга, очистки и т.д., а также «топливные газы» из заводских коллекторов.

При безусловности наличия двух стадий, а именно адсорбции и десорбции, для разделения упомянутых газовых смесей авторы известного изобретения не исключают использования дополнительных стадий при реализации PSA-процессов с целью повышения чистоты и степени извлечения нескольких продукционных потоков. Однако в этом случае требуются многокорпусные адсорбционные установки, что, как уже отмечалось, ограничивает сферу их применения.

Предполагаемое изобретение относится к выделению чистого водорода из смеси водорода и метана, образующейся при пиролизе очищенного природного газа. Целевым компонентом смеси является чистый водород. Наряду с ним, в процессе разделения получают две фракции компонентов. Одна из них - некондиционная смесь водорода и метана, другая - остаточный метан. Эти потоки используют для увеличения выхода водорода.

Согласно предлагаемому изобретению, выделение водорода из метан-водородной смеси, образующейся при пиролизе метана, проводят в установке, адсорберы которой заполнены адсорбентом - активным углем. Исходную газовую смесь водорода и метана пропускают через адсорбер и на верхнем уровне давления 0,5-2,0 МПа, в стадии адсорбции, выделяют чистый водород в качестве целевого компонента. При понижении давления в стадии десорбции до 0,1 МПа выделяют некондиционную смесь водорода и метана, которую присоединяют к исходной смеси и перерабатывают вместе с ней. При дальнейшем понижении давления до нижнего уровня 0,01÷0,005 МПа выделяют фракцию, содержащую преимущественно метан, возвращаемую в поток исходного сырья, поступающего на пиролиз, что позволяет получить дополнительное количество водорода.

Пример

Сущность изобретения иллюстрируют фиг.1, на которой приведена принципиальная схема двухадсорберной установки, и фиг.2 - циклограмма переключения клапанов в ней.

На фиг.1 цифрами обозначены следующие элементы: 101 и 102 - адсорберы, заполненные активным углем, 103 - компрессор, 104 - вакуум-насос, 150-153 - управляемые клапаны адсорбера 101, 160-163 - управляемые клапаны адсорбера 102, 200 - трубопровод исходной смеси, вводимой в установку, 201 - трубопровод водорода, выводимого из установки, 202 - трубопровод возврата остаточного метана на пиролиз.

На фиг.2 цифрами обозначены номера клапанов и в виде чередования черных и белых полей указаны положения клапанов. Черное поле - клапан открыт, белое поле - клапан закрыт.

Установка работает следующим образом. Исходную смесь водорода и метана, образовавшуюся в ходе пиролиза метана, охлаждают и при температуре 20-40°С по трубопроводу 200 подают во всасывающий патрубок компрессора 103. Сжатую до давления P₁, отвечающего верхнему уровню давления, смесь вновь охлаждают и подводят либо к коллектору клапанов 150-153, либо к коллектору клапанов 160-163. Выбор коллектора определяет компьютер, управляющий работой установки (на фигуре условно не показан).

Предположим, что исходную смесь подают на коллектор клапанов 150-153. При открытом клапане 150 давление в адсорбере 101 поднимается до верхнего уровня P₁; метан адсорбируется активным углем; водород, адсорбирующийся в меньшей степени, чем метан, собирается в верхней части адсорбера. Чистый водород выводят из адсорбера через клапан 151 и по трубопроводу 201 направляют на использование в качестве целевого продукта. Подачу исходной смеси в адсорбер 101 и выделение водорода продолжают до исчерпывания адсорбционной емкости угля, заполняющего адсорбер 101, по метану. (Обычно несколько минут). После этого компьютер закрывает клапаны 150 и 151.

В той фазе процесса, которая протекала в адсорбере 101 и описана выше, управляющий компьютер открывает клапана 162. Через этот клапан из адсорбера 102 выводят некондиционную смесь водорода и метана. Ее отбор проводят при падении давления в адсорбере 102 от P₁ до некоторого промежуточного давления Р ₂. Через клапан 162 некондиционную смесь направляют в трубопровод 200, в котором ее смешивают с исходной смесью и вместе с ней через клапан 150 вводят в адсорбер 101.

После достижения промежуточного давления Р₂ в адсорбере 102 управляющий компьютер закрывает клапан 162 и открывает клапан 163. Через этот клапан адсорбент в адсорбере 102 сообщают с вакуум-насосом 104. Давление в адсорбере 102 падает до нижнего уровня Р ₃, что сопровождается выведением из адсорбера 102 остаточного метана. Из вакуум-насоса 104 остаточный метан по трубопроводу 202 возвращают на пиролиз.

После завершения описанных операций управляющий компьютер переключает адсорберы. Эта операция отвечает закрытию клапанов 150, 151, 163, но открытию клапанов160, 161 и 152.

Испытания способа провели на двухадсорберной лабораторной установке, схема и циклограмма работы которой соответствуют фиг.1 и фиг.2. В каждом адсорбере установки находился 1 л микропористого активного угля. Смесь водорода и метана пропускали через адсорбер в направлении снизу-вверх под давлением P₁, равным 0,5÷2,0 МПа. Источником смеси служила смесь водорода и метана в баллоне. Расход смеси составлял примерно 10-20 л/мин. Исходная смесь содержала 15 или 30% водорода, остальное - метан. Продолжительность пропускания исходной смеси варьировали так, чтобы чистота водорода, выходящего из установки, была не ниже 99,5% об. Чистоту контролировали хроматографически. Обычно проскок метана наступал на четвертой - шестой минутах опыта. После этого давление в адсорбере, в стадии десорбции, противоточно понижали сначала до 0,1 МПа с одновременным отбором некондиционной фракции водорода и метана. После достижения давления Р₂=0,1 МПа отбор этой фракции прекращали, подключали вакуум-насос и в интервале давлений P₂-P ₃=0,1-(0,01÷0,005) МПа отбирали остаточный метан, который в промышленных условиях может быть направлен на пиролиз. Продолжительности отбора фракции некондиционной смеси и остаточного метана соответственно составляли 1 и 3 мин.

Содержание водорода во фракции чистого водорода было не менее 99,5%. Содержание водорода в некондиционной фракции составляло от 7 до 16%; содержание водорода во фракции остаточного метана составляло от 0,5 до 2%. Прочие результаты испытаний приведены в таблице.

Приведенные в таблице данные свидетельствуют об осуществимости и эффективности предлагаемого способа выделения водорода из смеси водорода и метана. Его следует осуществлять при давлении на стадии адсорбции 0,5<P₁<2,0 МПа. При давлении меньше 0,5 МПа процесс выделения практически не идет, при давлении больше 2 МПа эффективность степени извлечения водорода несколько падает. Интервал давлений отбора некондиционной смеси лежит между давлением на стадии адсорбции P₁ и атмосферным давлением Р ₂. Минимальное давление отбора фракции остаточного метана Р₃ определяется возможностями вакуум-насосов и составляет 0,01÷0,005 МПа.

Таким образом, предлагаемое изобретение отличается от прототипа следующими особенностями: выделение чистого водорода проводят из смеси с метаном, фракцию некондиционной смеси возвращают в адсорберы установки, а фракцию остаточного метана направляют на пиролиз.

Таблица
Содержание Н2 в исх. смеси % об.	Давление адсорбции, МПа	W0, нм3/ст.	W1, нм3/ст.	W2,	W3, нм3/ст.	А, %	В,%
нм3/ст.	% об.
Н 2	СН4
15	0,5	41,54	3,98	29,5	7,05	92,95	8,06	63,89	77,65
1,0	45,83	4,20	31,86	7,81	92,19	9,77	61,12	75,39
2,0	64,52	5,13	49,19	8,75	91,25	10,20	53,05	81,84
30	0,5	46,96	11,54	26,31	8,96	91,04	9,11	81,94	72,86
1,0	52,40	11,47	30,88	13,16	86,84	10,05	72,97	73,11
2,0	72,24	13,52	48,42	16,35	83,65	10,30	62,36	80,11

Условные обозначения:

Давление - абсолютное давление поступающего на разделение газа, W₁ - объем водорода, выведенного из адсорбера с рабочим объемом адсорбента 1 л за стадию адсорбции; W₂ - то же для некондиционной смеси, W₃ - то же для метана, W₀ - объем смеси, поступающей на разделение в адсорбер с рабочим объемом адсорбента 1 л в расчете на стадию адсорбции, А - степень извлечения водорода в стадии отбора чистого водорода, %, В - степень извлечения метана в стадии отбора остаточного метана, %.