背景技术：
1、可使用变压吸附(psa)从气体混合物以非常高的纯度回收非常轻的组分诸如氢气。在变压吸附中，使用循环压力变化基于要分离的组分的不同吸附力来实现分离。良好地吸附至吸附剂的物质在要分离的气体混合物在高压通过吸附剂的步骤或阶段(“吸附阶段”)中被保留在吸附剂上。在后续的步骤或阶段中，这些物质通过压力释放(“解吸阶段”)基本上从吸附剂被去除。
2、因此，存在在吸附阶段中获得的通常包含具有非常低沸点的组分的高压产物，以及在解吸阶段中获得的通常包含具有较高沸点的组分的低压产物(也被称为变压吸附尾气)。
3、对于进一步的细节，参考专业文献，诸如于2011年10月15日首次出版的ullmann’sencyclopedia of industrial chemistry中peterreiner lohmüller和allan m.watson的文章“hydrogen,3.purification”，https://doi.org/10.1002/14356007.o13_o04。
4、使用没有另外的工艺步骤的变压吸附步骤，可以例如从在30巴(绝对压力)提供的进料气体混合物提取处于类似压力水平的具有例如99.999mol％氢气含量的高纯度氢气(高压产物)。可在较低压力，例如在5巴(绝对压力)的压力获得气体混合物的其余组分(包括未回收的氢气)(低压产物)。
5、表1列出了针对所选择的物质的吸附力、沸点和分子质量，这些物质可至少部分地包含在根据本发明的实施方案的组分混合物中。
6、表1
7、
8、
9、变压吸附可能具有以下缺点：要在高压回收的组分(例如氢气)的产率可能相当低，例如仅70％至90％。同时，要在高压回收的组分的相当大的量也仍然存在于变压吸附尾气中，即变压吸附尾气中的轻沸组分的浓度可能仍然很高。
10、已开发了各种方法来改善变压吸附尾气的纯度。例如参考us 3,838,553a。此类方法包括压缩低压产物和深冷分离和/或部分冷凝，以及将未冷凝的组分再循环到变压吸附步骤。当要分离的产物具有非常宽地分离的沸点时，或者通常在要从目标化合物分离的组分具有相对较高的沸点的情形下，此类方法特别有效。这适用于例如氢气与组分乙烷、二氧化碳和/或丙烷的分离。然而，如果要从高压产物分离的组分也具有低沸点，诸如氮气、一氧化碳、氧气或甲烷，则深冷分离通常已被证明是昂贵和/或困难的。
11、本发明的目的是使用变压吸附来改善对轻组分(诸如氢气)从包含另外的轻组分的对应组分混合物的分离。
技术实现思路
1、针对该背景，提供了一种包括独立权利要求的特征的用于分离含有轻组分的组分混合物的方法和设备。本发明的优选实施方案是从属权利要求和以下说明书的对象。
2、根据本发明，提供了一种用于在含有轻组分的组分混合物中将氢气与甲烷分离的方法，该轻组分包含氢气、甲烷以及优选地选自氮气、一氧化碳和氧气的至少一种另外的组分，其中在第一压力水平形成变压吸附进料料流，其中使该变压吸附进料料流经受变压吸附步骤，其中从该变压吸附步骤取出处于该第一压力水平的高压产物以及处于低于该第一压力水平的第二压力水平的低压产物，其中使用该低压产物或其一部分在处于或高于该第二压力水平的第三压力水平形成膜进料料流，其中使该膜进料料流经受膜分离步骤，其中从该膜分离步骤取出处于该第三压力水平的保留物以及处于低于该第三压力水平的第四压力水平的渗透物，其中使用该渗透物或其一部分形成该变压吸附进料料流，并且其中使用该组分混合物或其一部分形成该变压吸附进料料流和/或该膜进料料流。
3、如果在下文中提及使用一种料流“形成”的进料料流，这并不旨在排除此类料流也并非是使用另外的料流所形成的。在本发明的实施方案中，例如，变压吸附进料料流可使用渗透物料流或其一部分以及任选地组分混合物或其一部分来形成，并且膜进料料流可使用使用低压产物或其一部分以及任选地组分混合物或其一部分形成的来形成。即，可将组分混合物完全或部分地与渗透物料流或其一部分合并以形成变压吸附进料料流，而膜进料料流不是通过将组分混合物或其一部分与低压产物或其一部分合并而形成的。在替代方案中，可将组分混合物完全或部分地与低压产物或其一部分合并以形成膜进料料流，而变压吸附进料料流不是通过将组分混合物或其一部分与低压产物或其一部分合并而形成的。在另一个替代方案中，可将组分混合物的一部分与渗透物或其一部分合并以形成变压吸附进料料流，并且可将组分混合物的另一部分与低压产物或其一部分合并以形成膜进料料流。
4、在本文中，使用术语“压力水平”以便表达不能使用精确的压力而是压力范围来实现本发明及其有利的实施方案。不同的压力水平可位于不同的范围内或彼此重叠的范围内。它们还涵盖预期和非预期的，特别是无意的压力变化，例如不可避免的压力或温度损失。针对压力水平以巴为单位来表达的值通常是绝对压力值(巴绝对压力)。
5、在根据本发明的实施方案的方法中，变压吸附步骤和膜分离步骤可各自使用如本领域技术人员已知的多个子单元中的对应单元(诸如吸附容器或膜滤筒)和相关联的设备来实现。变压吸附步骤还可至少部分地作为真空变压吸附步骤来执行，其中在低于大气压的压力水平获得低压产物。
6、所提出的方法克服了如上所述的变压吸附尾气的低产物纯度或变压吸附高压产物的低产率的问题。在本发明的实施方案中，变压吸附步骤与膜分离步骤的相互连接增加了变压吸附高压产物的产率，并且同时增加了具有较高沸点组分的产物的纯度。例如，通过将变压吸附步骤与膜分离步骤相互连接，实现了较高的氢气总产率，即使变压吸附仅提供例如85％的产率。
7、取决于目的，根据本发明的要处理的组合物的组成可以是不同的，如下文所解释的。本发明优于现有技术，诸如例如us 3,838,553 a中所述的方法，因为其对于对轻和非常轻沸点组分的分离基本上较不复杂，并且设备较少且在一些示例中较不能量密集。
8、在本发明的一个实施方案中，组分混合物可含有小于90mol％的氢气和甲烷，并且还可含有选自氮气、一氧化碳和氧气的至少一种另外的组分。特别地，此类组分混合物可以为来自蒸汽裂解单元的深冷分离列的所谓的尾气、合成气或具有类似组成的不同的气体混合物。
9、然而，在本发明的一个实施方案中，组分混合物中的氢气和甲烷的共同含量超过95mol％、超过98mol％或超过99mol％。这是下文在提及“基本上”包含氢气和甲烷的混合物的情形下所意指的。特别地，此类组分混合物特别地可以为如上所述的来自蒸汽裂解器的分离列的尾气或具有类似组成的不同的气体混合物。未包含在氢气和甲烷的共同含量中的其余部分可例如包含一氧化碳、二氧化碳以及比甲烷重的烃类。
10、在此类实施方案中，组分混合物中的氢气的含量可以为5mol％至95mol％，并且组分混合物中的甲烷的含量可以为组分混合物中的氢气和甲烷的共同含量的其余部分。氢气含量可以为例如70mol％至90mol％，特别地处于或约80mol％，并且甲烷含量可以为15mol％至25mol％，特别地处于或约19mol％。高压产物可包含含量为90mol％至100mol％，例如处于或约99mol％或99.995mol％的氢气。
11、在本发明的一个实施方案中，第三压力水平可处于第二压力水平，特别地在以下情形下：第一压力水平足够高和/或变压吸附步骤以这样的方式来执行，该方式适合于提供处于足够高压力的其低压产物以在没有进一步压缩的情况下传递到膜分离步骤。因此，本发明的对应实施方案可省去用于压缩变压吸附步骤的低压产物的压缩机，但是可能需要用于压缩要再循环到变压吸附步骤的渗透物的压缩机。
12、在本发明的此类实施方案中，第一压力水平可以为20巴绝对压力至40巴绝对压力，例如处于或约30巴绝对压力，第二压力水平和第三压力水平可以为3巴绝对压力至10巴绝对压力，例如处于或约5巴绝对压力，并且第四压力水平可以为0.5巴绝对压力至1.5巴绝对压力，例如处于或约1巴绝对压力。
13、然而，在本发明的一个替代性实施方案中，第三压力水平也可高于第二压力水平，特别地在以下情形下：第一压力水平执行或可不执行变压吸附步骤，以便提供处于足够高压力的其低压产物以在没有进一步压缩的情况下传递到膜分离步骤。因此，本发明的对应实施方案可包括用于压缩变压吸附步骤的低压产物的压缩机，但是可省略用于压缩要再循环到变压吸附步骤的渗透物的压缩机。
14、在本发明的此类实施方案中，第一压力水平可以为3巴绝对压力至10巴绝对压力，例如处于或约5巴绝对压力，第二压力水平可以为0.5巴绝对压力至1.5巴绝对压力，例如处于或约1巴绝对压力，第三压力水平可以为20巴绝对压力至30巴绝对压力，例如处于或约25巴绝对压力，并且第四压力水平可以为3巴绝对压力至10巴绝对压力，例如处于或约5巴绝对压力。
15、在本发明的实施方案中，可将保留物或其一部分传递到另外的处理步骤(诸如重整步骤)，并且可将高压产物或其一部分传递到燃烧步骤或不同的用途，特别地具体取决于其纯度。
16、在本发明的实施方案中，可使组分混合物或其一部分、吸附进料料流或其一部分、高压产物或其一部分、低压产物或其一部分、膜进料料流或其一部分、保留物或其一部分以及渗透物或其一部分中的至少一者经受一个或多个压缩步骤。即，如果需要的话，并且取决于该方法或设备内部和外部的所需条件，可使所有进料和/或产物料流经受压缩。
17、在本发明的实施方案中，任何压缩步骤(即刚刚提到的压缩步骤或压缩步骤中的至少一个压缩步骤)都可使用活塞式压缩机、螺杆式压缩机和涡轮式压缩机中的至少一者以及/或者使用在可使进料和/或产物料流中的任一者经受的膨胀步骤中产生的机械能来执行，或者压缩步骤中的至少两个压缩步骤可使用包括例如不同涡轮的共同机器来执行。
18、在本发明的实施方案中，可包括任何另外的方法步骤，即选自以下项的至少一个步骤：热交换步骤、冷却步骤、深冷分离或蒸馏步骤、变温吸附或干燥步骤、重整步骤、变换步骤、氢化步骤、吸收或洗擦步骤、另外的膜分离步骤和另外的变压吸附步骤。
19、一种用于分离含有轻组分的组分混合物的设备也是本发明的一部分，轻组分包含氢气、甲烷和优选地选自甲烷、氮气、一氧化碳和氧气的至少一种另外的组分，其中该设备包括被配置为以下的装置：执行变压吸附步骤和膜分离步骤；形成处于第一压力水平的变压吸附进料料流；使变压吸附进料料流经受变压吸附步骤；从变压吸附步骤取出处于第一压力水平的高压产物以及处于低于第一压力水平的第二压力水平的低压产物；使用低压产物或其一部分在处于或高于第二压力水平的第三压力水平形成膜进料料流；使膜进料料流经受膜分离步骤；从膜分离步骤取出处于第三压力水平的保留物以及处于低于第三压力水平的第四压力水平的渗透物；使用渗透物或其一部分形成变压吸附进料料流；以及使用组分混合物或其一部分形成变压吸附进料料流和/或膜进料料流。
20、关于此类设备的具体的另外的特征和实施方案，参考上文关于根据本发明的方法及其有利实施方案的解释。这同样适用于适于执行对应方法或其实施方案中的一个实施方案的对应设备。此类设备可特别地包括被编程为或适于相应地控制该设备的控制单元。
1.一种用于在含有轻组分的组分混合物(101)中将氢气与甲烷分离的方法(100，200，300)，所述轻组分包含氢气和甲烷，其中在第一压力水平形成变压吸附进料料流(102)，其中使所述变压吸附进料料流(102)经受变压吸附步骤(10)，其中从所述变压吸附步骤(10)取出处于所述第一压力水平的高压产物(103)以及处于低于所述第一压力水平的第二压力水平的低压产物(104)，其中使用所述低压产物(104)或其一部分在处于或高于所述第二压力水平的第三压力水平形成膜进料料流(105)，其中使所述膜进料料流经受膜分离步骤(20)，其中从所述膜分离步骤(20)取出处于所述第三压力水平的保留物(106)以及处于低于所述第三压力水平的第四压力水平的渗透物(107)，其中使用所述渗透物(107)或其一部分形成所述变压吸附进料料流(102)，并且其中使用所述组分混合物(101)或其一部分形成所述变压吸附进料料流(102)和/或所述膜进料料流(105)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述组分混合物(101)含有小于90mol％的氢气和甲烷，并且还含有选自氮气、一氧化碳和氧气的至少一种另外的组分。
3.根据权利要求1所述的方法(200，300)，其中所述组分混合物(101)中的氢气和甲烷的共同含量超过95mol％、超过98mol％或超过99mol％。
4.根据权利要求2所述的方法(200，300)，其中所述组分混合物(101)中的氢气的含量为5mol％至95mol％，并且其中所述组分混合物(101)中的甲烷的含量为所述组分混合物(101)中的氢气和甲烷的共同含量的其余部分。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法(200)，其中所述第三压力水平处于所述第二压力水平。
6.根据权利要求5所述的方法(200)，其中所述第一压力水平为20巴绝对压力至40巴绝对压力，所述第二压力水平和所述第三压力水平为3巴绝对压力至10巴绝对压力，并且所述第四压力水平为0.5巴绝对压力至1.5巴绝对压力。
7.根据权利要求3或4中任一项所述的方法(300)，其中所述第三压力水平高于所述第二压力水平。
8.根据权利要求7所述的方法(300)，其中所述第一压力水平为3巴绝对压力至10巴绝对压力，所述第二压力水平为0.5巴绝对压力至1.5巴绝对压力，所述第三压力水平为20巴绝对压力至30巴绝对压力，并且所述第四压力水平为3巴绝对压力至10巴绝对压力。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法(200，300)，其中将所述保留物(106)或其一部分传递到重整步骤。
10.根据权利要求3至8中任一项所述的方法(200，300)，其中将所述高压产物(103)或其一部分传递到燃烧步骤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100，200，300)，其中使所述组分混合物(101)或其一部分、所述吸附进料料流(102)或其一部分、所述高压产物(103)或其一部分、所述低压产物(104)或其一部分、所述膜进料料流(105)或其一部分、所述保留物(106)或其一部分以及所述渗透物(107)或其一部分中的至少一者经受一个或多个压缩步骤。
12.根据权利要求11所述的方法(100，200，300)，其中使用活塞式压缩机、螺杆式压缩机和涡轮式压缩机中的至少一者以及/或者使用在膨胀步骤中产生的机械能来执行所述压缩步骤或所述压缩步骤中的至少一个压缩步骤，或者其中使用共同机器来执行所述压缩步骤中的至少两个压缩步骤。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100，200，300)，所述方法还包括选自以下项的至少一个步骤：热交换步骤、冷却步骤、深冷分离或蒸馏步骤、变温吸附或干燥步骤、重整步骤、变换步骤、氢化步骤、吸收或洗擦步骤、另外的膜分离步骤和另外的变压吸附步骤。
14.一种用于在含有轻组分的组分混合物(101)中将氢气与甲烷分离的设备，所述轻组分包含氢气和甲烷，其中所述设备包括被配置为以下的装置：执行变压吸附步骤(10)和膜分离步骤；形成处于第一压力水平的变压吸附进料料流(102)；使所述变压吸附进料料流(102)经受所述变压吸附步骤(10)；从所述变压吸附步骤(10)取出处于所述第一压力水平的高压产物(103)以及处于低于所述第一压力水平的第二压力水平的低压产物(104)；使用所述低压产物(104)或其一部分在处于或高于所述第二压力水平的第三压力水平形成膜进料料流(105)；使所述膜进料料流经受所述膜分离步骤(20)；从所述膜分离步骤(20)取出处于所述第三压力水平的保留物(106)以及处于低于所述第三压力水平的第四压力水平的渗透物(107)；使用所述渗透物(107)或其一部分形成所述变压吸附进料料流(102)；以及使用所述组分混合物(101)或其一部分形成所述变压吸附进料料流(102)和/或所述膜进料料流(106)。
15.根据权利要求14所述的设备，所述设备还包括被配置为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法(100，200，300)的装置。
