СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ОТ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ ПУТЕМ КОРОТКОЦИКЛОВОЙ АДСОРБЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATION HYDROGEN FROM GAS FLOWS BY SHORT-CYCLE ADSORPTION

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.