CN102419071A - 合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置及回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合成氨驰放气回收的技术领域，公开了一种合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置及其回收方法，包括冷箱、原料气管道、水冷却器、气液分离器、气液平衡罐、节流减压阀、净化系统、制冷系统及精馏系统，制冷系统包括混合冷剂循环压缩机、中压循环氮压机以及主换热器，中压循环氮压机通过管道分别与水冷却器及主换热器相连接；所述的精馏系统包括脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔，所述主换热器、脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔通过管道连接。本发明利用混合冷剂和氮气双制冷系统来分离回收合成氨驰放气中甲烷和氩气的装置及方法，可得到高纯度的甲烷和氩气，同时能够得到较高纯度的氮气和氢气。
Description
技术领域
本发明涉及合成氨驰放气回收的技术领域，尤其涉及了一种合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置及其回收方法。
背景技术
液体甲烷（LNG）是一种优质能源，具有热值高、洁净、燃烧污染小等特点，且便于运输，是21世纪中国城市民用燃气首选燃料。LNG可以作为优质的车用燃料，与汽油相比，它具有热值高、抗爆性好、燃烧完全、排气污染小、发动机寿命长、降低运输成本等优点，即使与压缩天然气相比，它也具有储存效率高、加一次气续行程远，车装钢瓶压力小、重量轻、数量小、建站不受供气管网的限制等优势。有利于环境保护，减少城市污染。
氩气是目前工业上应用很广的稀有气体。在飞机制造、造船、原子能工业和机械工业部门，对特殊金属，例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢在焊接时，往往用氩作为焊接保护气，防止焊接件被空气氧化或氮化。在金属冶炼方面，氧、氩吹炼是生产优质钢的重要措施，每炼1t钢的氩气消耗量为1～3m3。此外，对钛、锆、锗等特殊金属的冶炼，以及电子工业中也需要用氩作为保护气。由于空气中氩的含量极少（0.093%），传统空分制氩，成本很高。
合成氨一直是化工产业的能耗大户。合成氨生产过程中，合成工段放空气和氨罐驰放气中共约含甲烷34.8Nm3/吨氨，氩气7.5 Nm3/吨氨，氮气30.2 Nm3/吨氨。如果按30万吨氨/年的生产规模和300天操作时间计算，以上各组分的量分别对应3.48×104 Nm3/d甲烷，7500 Nm3/d氩气和3.02×104 Nm3/d氮气。一般的处理方法是将大部分的含量较高的氢和氮回收利用，将剩余含氢、氮、氩、甲烷的驰放气燃烧或直接排放。这样不仅浪费了能源、污染了环境，同时也降低了氮肥厂的经济效益。国家近几年来一直致力于合成氨节能工程，这就有必要对合成氨回收过程进行优化。如果分离回收液体甲烷和液氩，氮气回合成工段，将带来极大的经济和环保效益。
目前，合成氨驰放气回收一般采用以下工艺方法，但均存在一定的缺陷：
（1）等压水洗氨回收：其工艺主要是将放空气和驰放气进行水洗变成氨水，或者进一步用蒸汽加热提纯成液氨。优点是回收后气体压力不会降低，缺点是需要大量的热蒸汽消耗或氨水的再处理。
（2）氮气双膨胀制冷回收：该技术主要是将外界的氮气分别压缩为低压氮气和中压氮气后送入换热器，出换热器的氮气再进行双膨胀后获得更低的温度，然后进换热器为其提供冷量。优点是较单一的氮气膨胀能耗低5%左右，缺点是循环氮气的使用量大。
发明内容
本发明针对现有技术中能源浪费和环境污染，以及上述合成氨驰放气处理方法的不足，本提供一种利用混合冷剂和氮气双制冷系统来分离回收合成氨驰放气中甲烷和氩气的装置及方法，可得到高纯度的甲烷和氩气，同时能够得到较高纯度的氮气和氢气。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，包括冷箱、原料气管道、水冷却器 
、水冷却器
、气液分离器、气液平衡罐、节流减压阀、与原料气管道相连通的净化系统、用于提供深冷分离所需的制冷系统及用于逐级分离驰放气的精馏系统，制冷系统包括混合冷剂循环压缩机、中压循环氮压机以及主换热器，混合冷剂循环压缩机、水冷却器
、气液分离器、气液平衡罐及主换热器之间通过管道相连接，中压循环氮压机通过管道分别与水冷却器
及主换热器相连接；所述的精馏系统包括安装有第一冷凝器的脱氢塔、安装有第二冷凝器和第二蒸发器的甲烷精馏塔、安装有第三冷凝器和第三蒸发器的氩精馏塔，所述主换热器、脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔通过管道连接。
作为优选，所述的净化系统包括第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器，所述净化系统通过管道与主换热器相连接。
作为优选，所述的中压循环氮压机通过管道与主换热器相连接，主换热器通过管道与氩精馏塔的第三蒸发器相连接，第三蒸发器通过管道分别与第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器相连接，脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔的上部分别通过管道与主换热器相连。
作为优选，所述的主换热器包括第一换热器和第二换热器，气液分离器的气相出口通过管道与第二换热器相连接，第二换热器通过管道与第二蒸发器相连接，第二换热器上连接有节流减压阀，所述气液分离器的液相出口通过管道与第一换热器相连。
作为优选，所述的主换热器为多通道板翅式换热器。
作为优选，所述的主换热器、脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔、节流减压阀均置于冷箱内，冷箱内填充有珠光砂保温材料。
利用上述的分离回收装置分离回收甲烷和氩气的方法如下：
将合成氨驰放气混合后，经过第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器的净化系统，除去其中微量氨、CO2、水分等杂质。
将经过净化后的驰放气作为原料气进入主换热器换热，被冷却到气液混合状态，然后出主换热器去脱氢塔。脱氢塔将大部分的氢分离，含氢较多的富氢气通过节流减压阀节流减压后经主换热器复热出冷箱。脱氢塔底部得到贫氢液，通过节流减压阀节流减压后送入甲烷精馏塔。
甲烷精馏塔顶部得到氮和氩的混合气体，通过节流减压阀节流减压后送入氩精馏塔。甲烷精馏塔底部得到高纯度的液体甲烷，液体甲烷经主换热器换热后被冷却，并通过节流减压阀节流减压，得到液化天然气（LNG）。
氩精馏塔顶部得到较高纯度的氮气，含氮较多的富氮气通过节流减压阀节流减压后经主换热器复热出冷箱。氩精馏塔底部得到高纯度的液氩（LAr），通过节流减压阀节流减压出装置。
来自外界的混合冷剂（MRC）经过混合冷剂循环压缩机压缩和水冷却器冷却以及气液分离器分离后，气液分离器顶部的气相混合冷剂经主换热器换热冷却后，去甲烷精馏塔作为第二蒸发器的热源，将液体甲烷蒸发，蒸发液体甲烷的同时再次冷却，冷却后再次进主换热器换热冷却，冷却后通过节流减压阀节流减压，再进主换热器提供高温段冷量，复热后出主换热器；气液分离器底部的液相混合冷剂经主换热器换热冷却后抽出，通过节流减压阀节流减压后与出主换热器顶部的气相混合冷剂混合后一起进主换热器，复热后出冷箱，进气液平衡罐进行气液平衡后去混合冷剂循环压缩机循环压缩。
中压循环氮压机将来自外界的氮气压缩后，在主换热器中冷却后抽出，去氩精馏塔，作为第三蒸发器的热源，将液体氩气蒸发，蒸发液体氩气的同时再次冷却，冷却后分成三股，分别通过节流减压阀节流减压后去脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔中为第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器提供冷量，脱氢塔、甲烷精馏塔、氩精馏塔冷凝器中汽化后的氮气合并后去主换热器，复热后出冷箱，去中压循环氮压机循环压缩。
作为优选，所述的中压循环氮压机的出口压力为2.0MPa-4.5MPa。
作为优选，合成氨放空气和氨罐驰放气的压力为0.5MPa-10.0MPa。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
1、本发明通过利用混合冷剂和氮气双制冷分离回收合成氨驰放气中甲烷和氩气，换热效率极高，能耗极低，以极小的能耗实现了甲烷与氩气的分离回收。
2、本发明与氮气双膨胀制冷回收相比，能量更易匹配，且循环冷剂的使用量小。
3、本发明通过设置三个精馏塔，使产品的纯度更高，且回收率更高。
附图说明
图1是本发明的各装置连接示意图。
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1至附图2与实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，包括冷箱、原料气管道、水冷却器
8、水冷却器
11、气液分离器9、气液平衡罐10、节流减压阀、与原料气管道相连通的净化系统、用于提供深冷分离所需的制冷系统及用于逐级分离驰放气的精馏系统，净化系统包括第一分子筛吸附器1和第二分子筛吸附器2，所述净化系统通过管道与主换热器5相连接。制冷系统包括混合冷剂循环压缩机3、中压循环氮压机4以及主换热器5，混合冷剂循环压缩机3、水冷却器
8、气液分离器9、气液平衡罐10及主换热器5之间通过管道相连接，中压循环氮压机4通过管道分别与水冷却器
11及主换热器5相连接；所述的精馏系统包括安装有第一冷凝器15的脱氢塔12、安装有第二冷凝器16和第二蒸发器17的甲烷精馏塔13、安装有第三冷凝器18和第三蒸发器19的氩精馏塔14，所述主换热器5、脱氢塔12、甲烷精馏塔13、氩精馏塔14通过管道连接。
中压循环氮压机4通过管道与主换热器5相连接，主换热器5通过管道与氩精馏塔14的第三蒸发器19相连接，第三蒸发器19通过管道分别与第一冷凝器15、第二冷凝器16和第三冷凝器18相连接，脱氢塔12、甲烷精馏塔13、氩精馏塔14的上部分别通过管道与主换热器5相连。
主换热器5包括第一换热器51和第二换热器52，气液分离器9的气相出口通过管道与第二换热器52相连接，第二换热器52通过管道与第二蒸发器17相连接，第二换热器52上连接有节流减压阀，所述气液分离器9的液相出口通过管道与第一换热器51相连。
主换热器5为多通道板翅式换热器。主换热器5、脱氢塔12、甲烷精馏塔13、氩精馏塔14、节流减压阀均置于冷箱内，冷箱内填充有珠光砂保温材料。
实施例2
利用实施例1所述的装置分离回收甲烷和氩气的方法，包括如下步骤：
步骤a：将合成氨驰放气混合后，经过设置有第一分子筛吸附器1和第二分子筛吸附器2的净化系统，除去其中微量氨、CO2、水分等杂质；
步骤b：将步骤a中经过净化的驰放气作为原料气进入主换热器5换热，被冷却到气液混合状态，然后出主换热器5进入脱氢塔12，脱氢塔12将大部分的氢分离，含氢较多的富氢气经过节流减压后经主换热器5复热出冷箱，脱氢塔12底部得到贫氢液，节流减压后送入甲烷精馏塔13；
步骤c：步骤b中的甲烷精馏塔13顶部得到氮和氩的混合气体，节流减压后送入氩精馏塔14，甲烷精馏塔13底部得到高纯度的液体甲烷，液体甲烷经第二换热器52换热后被冷却，经过节流减压，得到液化天然气；
步骤d：步骤c中的氩精馏塔14顶部得到较高纯度的氮气，含氮较多的富氮气经节流减压后经主换热器5复热出冷箱，氩精馏塔14底部得到高纯度的液氩，节流减压出装置；
步骤e：来自外界的混合冷剂经过混合冷剂循环压缩机3压缩和水冷却器
8冷却以及气液分离器9分离后，气液分离器9顶部的气相混合冷剂经主换热器5换热冷却后，甲烷精馏塔13作为第二蒸发器17的热源，将液体甲烷蒸发，蒸发液体甲烷的同时再次冷却，冷却后再次进第二换热器52换热冷却，冷却后经节流减压，再进第二换热器52提供高温段冷量，复热后出第二换热器52；气液分离器9底部的液相混合冷剂经第一换热器51换热冷却后抽出，经节流减压后与出第二换热器52顶部的气相混合冷剂混合后一起进第一换热器51，复热后出冷箱，进气液平衡罐10进行气液平衡后进入混合冷剂循环压缩机3循环压缩；
步骤f：中压循环氮压机4将来自外界的氮气压缩后，在主换热器5中冷却后抽出，氩精馏塔14作为第三蒸发器19的热源，将液体氩气蒸发，蒸发液体氩气的同时再次冷却，经冷却、节流减压后进入脱氢塔12、甲烷精馏塔13、氩精馏塔14中为第一冷凝器15、第二冷凝器16、第三冷凝器18提供冷量，冷凝器中汽化后的氮气合并后进入主换热器5，复热后出冷箱，进入中压循环氮压机4循环压缩。
上述步骤中的中压循环氮压机4的出口压力为2.0MPa-4.5MPa。
合成氨放空气和氨罐驰放气的压力控制在0.5MPa-10.0MPa之间。
本发明通过混合冷剂和中压氮气双制冷，换热效率极高，能耗极低，以极小的能耗实现了甲烷与氩气的分离回收。并且能量更易匹配，且循环冷剂的使用量小。通过设置三个精馏塔，LNG的纯度达99%以上，回收率高达99.83%；LAr的纯度达99.99%以上，回收率达90%以上；同时，富氮气的纯度也高达92.45%，富氢气的回收率高达98.83%。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，包括冷箱、原料气管道、水冷却器 
（8）、水冷却器
（11）、气液分离器（9）、气液平衡罐（10）、节流减压阀、与原料气管道相连通的净化系统、用于提供深冷分离所需的制冷系统及用于逐级分离驰放气的精馏系统，其特征在于：所述的制冷系统包括混合冷剂循环压缩机（3）、中压循环氮压机（4）以及主换热器（5），混合冷剂循环压缩机（3）、水冷却器
（8）、气液分离器（9）、气液平衡罐（10）及主换热器（5）之间通过管道相连接，中压循环氮压机（4）通过管道分别与水冷却器
（11）及主换热器（5）相连接；所述的精馏系统包括安装有第一冷凝器（15）的脱氢塔（12）、安装有第二冷凝器（16）和第二蒸发器（17）的甲烷精馏塔（13）、安装有第三冷凝器（18）和第三蒸发器（19）的氩精馏塔（14），所述主换热器（5）、脱氢塔（12）、甲烷精馏塔（13）、氩精馏塔（14）通过管道连接。
2.根据权利要求1所述的合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，其特征在于：所述的净化系统包括第一分子筛吸附器（1）和第二分子筛吸附器（2），所述净化系统通过管道与主换热器（5）相连接。
3.根据权利要求1所述的合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，其特征在于：所述的中压循环氮压机（4）通过管道与主换热器（5）相连接，主换热器（5）通过管道与氩精馏塔（14）的第三蒸发器（19）相连接，第三蒸发器（19）通过管道分别与第一冷凝器（15）、第二冷凝器（16）和第三冷凝器（18）相连接，脱氢塔（12）、甲烷精馏塔（13）、氩精馏塔（14）的上部分别通过管道与主换热器（5）相连。
4.根据权利要求1所述的合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，其特征在于：所述的主换热器（5）包括第一换热器（51）和第二换热器（52），气液分离器（9）的气相出口通过管道与第二换热器（52）相连接，第二换热器（52）通过管道与第二蒸发器（17）相连接，第二换热器（52）上连接有节流减压阀，所述气液分离器（9）的液相出口通过管道与第一换热器（51）相连。
5.根据权利要求1所述的合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，其特征在于：所述的主换热器（5）为多通道板翅式换热器。
6.根据权利要求1所述的合成氨驰放气中甲烷和氩气的分离回收装置，其特征在于：所述的主换热器（5）、脱氢塔（12）、甲烷精馏塔（13）、氩精馏塔（14）、节流减压阀均置于冷箱内，冷箱内填充有珠光砂保温材料。
7.利用如权利要求1-6所述的装置分离回收甲烷和氩气的方法，其特征在于，方法如下：
步骤a：将合成氨驰放气混合后，经过设置有第一分子筛吸附器（1）和第二分子筛吸附器（2）的净化系统，除去其中微量氨、CO2、水分等杂质；
步骤b：将步骤a中经过净化的驰放气作为原料气进入主换热器（5）换热，被冷却到气液混合状态，然后出主换热器（5）进入脱氢塔（12），脱氢塔（12）将大部分的氢分离，含氢较多的富氢气经过节流减压后经主换热器（5）复热出冷箱，脱氢塔（12）底部得到贫氢液，节流减压后送入甲烷精馏塔（13）；
步骤c：步骤b中的甲烷精馏塔（13）顶部得到氮和氩的混合气体，节流减压后送入氩精馏塔（14），甲烷精馏塔（13）底部得到高纯度的液体甲烷，液体甲烷经第二换热器（52）换热后被冷却，经过节流减压，得到液化天然气；
步骤d：步骤c中的氩精馏塔（14）顶部得到较高纯度的氮气，含氮较多的富氮气经节流减压后经主换热器（5）复热出冷箱，氩精馏塔（14）底部得到高纯度的液氩，节流减压出装置；
步骤e：来自外界的混合冷剂经过混合冷剂循环压缩机（3）压缩和水冷却器
（8）冷却以及气液分离器（9）分离后，气液分离器（9）顶部的气相混合冷剂经主换热器（5）换热冷却后，甲烷精馏塔（13）作为第二蒸发器（17）的热源，将液体甲烷蒸发，蒸发液体甲烷的同时再次冷却，冷却后再次进第二换热器（52）换热冷却，冷却后经节流减压，再进第二换热器（52）提供高温段冷量，复热后出第二换热器（52）；气液分离器（9）底部的液相混合冷剂经第一换热器（51）换热冷却后抽出，经节流减压后与出第二换热器（52）顶部的气相混合冷剂混合后一起进第一换热器（51），复热后出冷箱，进气液平衡罐（10）进行气液平衡后进入混合冷剂循环压缩机（3）循环压缩；
步骤f：中压循环氮压机（4）将来自外界的氮气压缩后，在主换热器（5）中冷却后抽出，氩精馏塔（14）作为第三蒸发器（19）的热源，将液体氩气蒸发，蒸发液体氩气的同时再次冷却，经冷却、节流减压后进入脱氢塔（12）、甲烷精馏塔（13）、氩精馏塔（14）中为第一冷凝器（15）、第二冷凝器（16）、第三冷凝器（18）提供冷量，冷凝器中汽化后的氮气合并后进入主换热器（5），复热后出冷箱，进入中压循环氮压机（4）循环压缩。
8.根据权利要求7所述的分离回收甲烷和氩气的方法，其特征在于：所述的中压循环氮压机（4）的出口压力为2.0MPa-4.5MPa。
9.根据权利要求7所述的分离回收甲烷和氩气的方法，其特征在于：合成氨放空气和氨罐驰放气的压力为0.5MPa-10.0MPa。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |