一种分离含有氯化氢和氢气混合气体的工艺系统
技术领域
本实用新型属于气体分离领域，具体涉及氯化氢和氢气混合气体的分离。
背景技术
盐酸和氯化氢气体是化工行业的重要基础原料和产品，在食品加工、纺织、医药等行业应用广泛，尤其在氯碱化工中有起到十分关键的作用。
Cl2+H2＝2HCl+Q
由氯气和氢气燃烧反应生成氯化氢的反应式可以看出，氯气和氢气是按照摩尔比1：1反应生产氯化氢。在实际生产过程中氯气过量危害更大，为了使氯气充分燃烧完全，一般氢气的体积流量比氯气过量5％～10％。在这样的氯氢比例控制下，燃烧反应的火焰呈青白色。
氢气过量时，多余氢气不能参加燃烧反应，火焰不稳定且呈白色，在合成炉燃烧器喷嘴处产生白色雾状气流，造成氯化氢纯度降低，不利于后续工序的生产。
传统的氯碱工业常用的分离氯化氢与氢气的工艺原理为：氯化氢易溶于水，氢气不溶于水，根据两种气体在水中的溶解性不同，氯化氢先被水吸收，从而将氯化氢与氢气分离。进一步地，吸收饱和的盐酸(30％-32％)又通过盐酸脱吸塔进行脱吸，脱吸出来的氯化氢经过多级干燥出去水分，达到产品气要求送出装置。
整个生产过程中，将气态氯化氢变为液体盐酸最后又通过脱吸变为气态，脱吸出来的氯化氢又要通过浓硫酸进行干燥，流程复杂，含酸污水排放量大，产生的稀硫酸又急需处置，环保、市场压力大，同时能耗也大，与国家提倡的绿色环保、节能降耗方针背道而驰。
变压吸附工艺和膜分离工艺已广泛由于气体分离行业，是比较成熟的，两种工艺基本原理简介如下：
1、变压吸附技术
变压吸附技术是以吸附剂(多孔固体物质)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分，不易吸附低沸点组分；高压下吸附量增加(吸附组分)、减压下吸附量减小(解吸组分)的特性。将原料气在压力下通过吸附剂床层，相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点组分的氢不易吸附而通过吸附剂床层，达到氢和其余组分的分离。然后在减压下解吸被吸附的杂质组分，使吸附剂获得再生，以便下一次再进行吸附分离杂质。这种压力下吸附杂质提纯氢气、减压下解吸杂质使吸附剂再生的循环便是变压吸附过程。
2、膜分离技术
膜分离的基本原理就是利用一种高分子聚合物薄膜(膜通常是聚酰亚胺或聚砜)来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异, 导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此，可将气体分为“快气”(如H2、He 等)和“慢气”(如N2、HCl、CH4及其他烃类等)。当混合气体在驱动力——膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。膜分离系统的核心部件是一构型类似于管壳式换热器的膜分离器，数万根细小的中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。混合气体进入分离器后沿纤维的一侧轴向流动,“快气”不断透过膜壁而在纤维的另一侧富集，通过渗透气出口排出,而滞留气则从与气体入口相对的另一端非渗透气出口排出。
尽管变压吸附(PSA)技术和膜分离技术在气体分离领域已有广泛的研究和应用，但是在氢气和氯气燃烧得氯化氢气体后的分离回收研究报道则尚未见有。
发明内容
本实用新型的目的是解决目前氯化氢和氢气混合气体分离流程复杂，含酸污水排放量大，同时能耗也大的问题，提供一种分离含有氯化氢和氢气混合气体的工艺系统，以变压吸附(PSA)和膜分离耦合的工艺系统对混合气体进行分离纯化，分离流程简短，酸污染小，环保且能耗小。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种分离含有氯化氢和氢气混合气体的工艺系统，包括变压吸附单元和膜分离器，所述变压吸附单元包括至少二个时序错开的吸附塔、均压罐和真空泵，吸附塔并联设置，吸附塔底部管路分别连通进气支管、真空管路和均压管路，进气支管上设置有进气阀，进气支管与原料气进气管连通，真空管路上安装真空阀并连通真空泵，均压管路上安装有均压阀并连通均压罐；吸附塔顶部管路分别连通出气支管和均压管路，出气支管上安装有出口阀并顶部管路连通缓冲罐进气口，缓冲罐出气口连通过滤器进气口，过滤器出气口连通膜分离器进气口，膜分离器上部连通渗透气去水吸收管路，膜分离器不透侧经底部出气口连通原料气进口。
所述变压吸附单元包括2-12个吸附塔。
所述变压吸附单元中设置有1-5个均压罐，系统中还设置有1-2个缓冲罐。
所述吸附塔中装填的吸附剂自下而上分别为氧化铝和活性碳，氧化铝和活性碳的装填体积比为0.35：1。
本实用新型系统适用于氢气和氯气燃烧获得氯化氢行业中，产品中氢气的分离处理。
首次将变压吸附与膜分离组合应用于氯化氢和氢气混合气体分离中，原料气进行PSA工艺，PSA单元的解析气作为产品送出装置，PSA单元的净化气作为膜分离单元的原料气。进入到膜单元的净化气，在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术。气体膜分离是指在压力差为推动力的作用下，利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程。气体分离膜因其能耗低,无需相变，可依靠压差进行驱动分离，适合带气压的混合气体分离吸收等优点。
本实用新型非渗透气循环送至PSA工艺前作为原料气，用以增加HCl的回收率。渗透气经过水吸收后制得盐酸产品，未被吸收的氢气送至用户指定管网。
附图说明
图1是本实用新型涉及工艺流程框图。
图2是本发明的工艺装置示意图。
其中：1、吸附塔；2、均压罐；3、真空泵；4、压缩机；5、缓冲罐；6、过滤器；7、膜分离器，8、进气阀；9、真空阀；10、出口阀；11、均压阀。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。
本实例为氯碱行业中电解氯化钠溶液生产烧碱及氯化氢气体，如图2所示的分离含有氯化氢和氢气混合气体的工艺系统，包括变压吸附单元和膜分离器，所述变压吸附单元包括5个时序错开的吸附塔1、均压罐2和真空泵3，吸附塔并联设置，各吸附塔中装填的吸附剂自下而上分别为氧化铝、活性碳，装填体积比例分别为0.35:1，吸附塔底部管路分别连通进气支管、真空管路和均压管路，进气支管上设置有进气阀8，进气支管与原料气进气管连通，真空管路上安装真空阀9并连通真空泵，均压管路上安装有均压阀11并连通均压罐；吸附塔顶部管路分别连通出气支管和均压管路，出气支管上安装有出口阀10并顶部管路连通缓冲罐5进气口，缓冲罐出气口连通过滤器6进气口，过滤器器出气口连通膜分离器7进气口，膜分离器7上部连通渗透气去水吸收管路，膜分离器不透侧经底部出气口连通原料气进口。
采用5塔变压吸附法，原料气处理量为1500Nm3/h，吸附塔吸附时工作压力约0.04-0.1MPa，被处理的气体组分组成表1所示。
表1原料气规格条件
根据设计要求，本实例主要从吸附塔的出口得到纯度≥99.8％的解析气回收利用，膜分离渗透气中HCl(纯)流量≤100Nm3/h，作为酸性气体被纯水吸收制得盐酸，分离后的氢气送至企业指定地点。
变压吸附过程
本实例中的变压吸附系统每次同时处于吸附状态的吸附塔数量为1或2，根据工艺要求或阀门的分组可选择3次均压或4次均压，吸附压力约 0.04-0.1MPa。
每个吸附塔循环操作过程相同，但在时间上均匀错开，分别相差五分之一个分周期，3次均压时各塔的循环单元过程为：
4次均压时各塔的循环单元过程为：
装置运行时，工艺过程中各个分步骤如吸附、均压降、抽真空、均压升、终充等时间均由操作人员根据工艺状况从计算机上设定控制。
吸附过程：微正压原料气(>0.04MPaG,<40℃)进入吸附塔1底部，进入正处于吸附状态的塔内。在塔内氯化氢专用吸附剂的选择吸附下，其中的氯化氢气体被吸附下来，未被吸附的氢气及氯化氢作为尾气进入净化气压缩机4后去下一工序，进入膜分离器。
均压过程：当塔内吸附氯化氢的传质区前沿到达吸附剂床层出口预留段某一位置时，关掉该吸附塔底进气阀和塔顶出口阀，停止吸附。吸附床开始转入再生过程。通过均压顺着吸附方向将塔内较高压力富含氯化氢的气体均入其它已完成负压再生的吸附塔，该过程可充分回收床层死空间的氯化氢气体。
解吸过程：在均压过程结束后，逆着吸附方向进行抽真空，抽真空解吸出来的气体做为产品氯化氢气体(解析气)，然后进入缓冲罐，经缓冲罐缓冲后回到生产工艺。抽真空结束后，吸附塔再经过均压升及利用尾气对吸附塔进行终充，使得吸附塔内压力接近吸附压力后，吸附塔即转入下一个吸附过程。
整个操作过程在入塔气体温度下进行，每台吸附塔依次经历吸附、均压降、逆放、吹扫、均压升、最终升压步序。
膜分离过程
来自PSA单元的净化气，通过净化气压缩机4压至0.4MpaG，并经过净化气缓冲罐5、过滤器6除去物料中可能存在的固体颗粒及液滴，进入膜分离器 7。相较于HCl，H2更快的溶解、扩散至膜材料中，在压力差的作用下，更快的透过膜，进入渗透气中。不透侧气体中的HCl得以浓缩至约96.1％，经减压至微正压后，返回到原料气管网中，再次进入PSA单元提纯。工艺流程框图详见图1，物料平衡详见表2。
表2物料平衡
上述仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
