CN102538394B - 一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法 - Google Patents

一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，其中，以氨和二氧化碳混合气体为原料，将氨和二氧化碳混合气体冷却后进行精馏分离。该方法工程造价低，操作简单，公用工程的配套难度小，适用性强，尤其是不需采用大量的水，绿色环保，特别适用于生产尿素和三聚氰胺产生的尾气的处理。

Description

一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法
技术领域
本发明涉及一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，尤其是涉及一种适用于分离生产尿素和三聚氰胺产生的尾气中氨和二氧化碳的方法。
背景技术
生产尿素和三聚氰胺所产生的尾气的主要成分是氨和二氧化碳混合气体，目前主要采用的分离方法是：首先，氨和二氧化碳混合气体通过用水吸收后生成碳铵液；接着，将碳铵液转移至二氧化碳解吸塔，采用蒸汽加热，再用大量的水洗涤分离出部分二氧化碳和低浓度的高氨碳比溶液；然后，再将低浓度、高氨碳比的溶液转移到蒸氨塔中，用大量蒸汽使其蒸发，蒸发后的氨和二氧化碳水蒸汽混合物，经冷凝吸收产出部分的氨气和碳铵液，碳铵液返回二氧化碳解吸塔，从而实现氨和二氧化碳的分离。但是，该方法投资大，能耗高，公用工程的配套难度大。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种节能、工程造价低、公用工程的配套难度小的低温精馏分离氨和二氧化碳的方法。
本发明提供了一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，其中，以氨和二氧化碳混合气体作为原料，将氨和二氧化碳混合气体冷却后进行精馏分离。
根据本发明提供的低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，其中，将冷却后的氨和二氧化碳混合气体加入精馏塔中进行精馏分离，在精馏塔顶部得到二氧化碳气体，在精馏塔底部得到氨。
优选地，向所述精馏塔中加入回流液，所述回流液包含作为必要组分的液体二氧化碳以及作为选择组分的氨和二氧化碳混合液。更优选地，所述液体二氧化碳从精馏塔的顶部加入。
优选地，所述精馏塔底部有上升气，所述上升气为氨气。
优选地，将冷却后的氨和二氧化碳混合气体从所述精馏塔的中部加入。
根据本发明提供的低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将氨和二氧化碳混合气体加入换热器中进行冷却，然后将其全部或其一部分加入精馏塔中；
(2)将二氧化碳气体加入换热器中进行冷却；
(3)当步骤(1)中将经过换热器冷却后的氨和二氧化碳混合气体全部加入精馏塔中时，使步骤(2)中经换热器冷却后的二氧化碳气体进入设置在精馏塔底部的冷凝器中进行冷却，得到液体二氧化碳，将其作为回流液加入精馏塔中；
当在步骤(1)中将经过换热器冷却后的氨和二氧化碳混合气体的一部分加入精馏塔中时，使步骤(1)中经换热器冷却后的另一部分氨和二氧化碳混合气体和步骤(2)中经换热器冷却后的二氧化碳气体进入设置在精馏塔底部的冷凝器进行冷却，得到氨和二氧化碳混合液以及液体二氧化碳，将它们作为回流液加入精馏塔中；
(4)在精馏塔中，将氨和二氧化碳混合气体精馏分离，在精馏塔顶部得到二氧化碳气体，在精馏塔底部得到液氨；
其中，在所述精馏塔底部得到的液氨经冷凝器换热后，液氨气化产生氨气，将其中一部分氨气作为所述上升气，而将另一部分氨气和从精馏塔顶部得到的二氧化碳气体加入步骤(1)和(2)所述的换热器中，从而实现对步骤(1)中所述的氨和二氧化碳混合气体以及步骤(2)中所述的二氧化碳气体的冷却，然后将它们分别作为产品引出。
优选地，步骤(2)中所述二氧化碳气体的压力为1.5-5.0MPa。
步骤(3)中，回流液的必要组分液体二氧化碳以及选择组分氨和二氧化碳混合液均可以节流后再加入精馏塔中。
所述精馏塔可以选用单级精馏塔，也可以选用双级精馏塔。当选用双级精馏塔时，第一精馏塔中压力大于第二精馏塔中压力，氨和二氧化碳混合气体先在第一精馏塔中分离得到液体二氧化碳以及氨和二氧化碳混合液；然后在第二精馏塔中，将氨和二氧化碳混合液进一步分离成气体二氧化碳和气氨，二个精馏塔之间通过冷凝器连接。但是，所述精馏塔优选为单级精馏塔。
根据上述分离方法，为了补充系统的冷损，其中，在步骤(1)中所述氨和二氧化碳混合气体经换热器冷却后，将其全部或其中一部分加入膨胀机中进行膨胀制冷，膨胀后的混合气体进入精馏塔。
根据本发明提供的方法，为了补充系统的冷损，其中，在步骤(3)中，将经换热器冷却后的二氧化碳气体加入膨胀机中进行膨胀制冷，然后使其进入设置在精馏塔底部的冷凝器进行冷却。
根据本发明提供的方法，为了补充系统的冷损，还可将液体二氧化碳或液氨，优选液体二氧化碳，依次通入所述换热器和所述冷凝器中进行热交换以补充冷损。
根据本发明提供的方法，其中，所述精馏塔中合适的压力为0.1-2.0MPa，优选为0.1-0.6MPa。精馏塔中压力不能超过2.0MPa，当压力超过2.0MPa时，二氧化碳临界温度高于塔底液氨温度，二氧化碳冷凝，氨和二氧化碳无法分离。当氨和二氧化碳混合气体原料的压力接近常压时，精馏塔中压力优选为0.1-0.15MPa；当氨和二氧化碳混合气体的压力较高时，精馏塔中压力接近氨和二氧化碳混合气体原料的压力。
根据本发明提供的方法，为了进一步降低液体二氧化碳的温度，节约能源，其中，在步骤(3)中将所述回流液加入精馏塔中之前，先将其通入液体二氧化碳过冷器中与步骤(4)中从精馏塔顶部得到的二氧化碳气体进行热交换，使其进一步冷却；将经过液体二氧化碳过冷器热交换后的二氧化碳气体加入步骤(1)和(2)所述的换热器中，从而实现步骤(1)中所述的氨和二氧化碳混合气体以及步骤(2)中所述的二氧化碳气体的冷却，然后将该二氧化碳气体作为产品引出。
为了增大单位时间内氨和二氧化碳混合气体的处理量，步骤(1)中还包括对氨和二氧化碳混合气体进行压缩的步骤，将压缩后的氨和二氧化碳混合气体加入换热器中进行冷却，然后将其全部或其一部分加入精馏塔中。所述氨和二氧化碳混合气体的合适的压力为0.1-2.0MPa，优选为0.14-0.75MPa。
根据本发明提供的方法，其中，以生产尿素或三聚氰胺产生的尾气作为原料，该尾气的主要成分为氨和二氧化碳。为了减少冷能损耗，尾气可以先经过初步处理并冷却至室温后再采用本发明提供的方法进行分离。
本发明提供的低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，采用添加回流液的方式，有利于精馏塔中上升的氨和二氧化碳混合气体的分离；精馏塔底部有氨气作为上升气，有利于精馏塔中液相中氨和二氧化碳的分离。
本发明提供的低温精馏分离氨和二氧化碳的方法流程合理，冷能利用充分，节约能源。另外，本发明提供的分离方法，工程造价低，操作简单，公用工程的配套难度小，适用性强，尤其是不需采用大量的水，绿色环保，特别适用于生产尿素和三聚氰胺产生的尾气的处理。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是说明本发明的低温精馏分离氨和二氧化碳的一个实施方案的示意图；
图2是说明本发明的低温精馏分离氨和二氧化碳的另一个实施方案的示意图；
图3是说明本发明的低温精馏分离氨和二氧化碳的第三个实施方案的示意图；
图4是说明本发明的低温精馏分离氨和二氧化碳的第四个实施方案的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，温度为25℃，压力为0.14MPa，标准流量为5000NM3/h的氨和二氧化碳混合气体(其中，NH3/CO2体积比为1∶4)，加入换热器中和返流的低温氨气和二氧化碳气体进行换热冷却，然后进入单级精馏塔的中部进行精馏分离，单级精馏塔中的压力约为0.12MPa。
压缩后的二氧化碳气体温度为25℃，压力为1.55MPa，标准流量为3000NM3/h，经换热器和返流的低温氨气和二氧化碳气体换热冷却后进入设置在单级精馏塔底部的冷凝器与单级精馏塔底部的液氨换热冷却，一方面使液氨气化，1000M3氨气从单级精馏塔底部引出经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出，另一部分氨气作为上升气用于提馏。另一方面，相应的二氧化碳气体冷凝成液体二氧化碳，液体二氧化碳经过液体二氧化碳过冷器与由单级精馏塔顶部出来的低温二氧化碳气体换热后，节流进入精馏塔顶部作为回流液。
经液体二氧化碳过冷器与液体二氧化碳换热后的二氧化碳气体，流量为7000NM3/h，再经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出。
为了补偿装置的冷损以及由于返流氨气和二氧化碳气体复热不足而形成的冷损，将适量的温度为25℃，压力为5.5MPa的液体二氧化碳经换热器和返流的氨气和二氧化碳气体换热后节流进入单级精馏塔底部的冷凝器以补充冷量。
此外，根据冷量平均情况，可以将部分液氨作为产品引出。
实施例2
如图2所示，温度为25℃，压力为0.6MPa，标准流量为5000NM3/h的氨和二氧化碳混合气体(其中，NH3/CO2体积比为1∶4)，加入换热器中和返流的低温氨气和二氧化碳气体进行换热冷却，然后进入单级精馏塔的中部进行精馏分离，单级精馏塔的压力约0.58MPa。
压缩后的二氧化碳气体温度为25℃，压力为5.0MPa，标准流量为3000NM3/h，经换热器和返流的低温氨气和二氧化碳气体换热冷却后进入设置在单级精馏塔底部的冷凝器与单级精馏塔底部的液氨换热冷却，一方面使液氨气化，1000M3氨气从单级精馏塔底部引出经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出，另一部分氨气作为上升气用于提馏。另一方面，相应的二氧化碳气体冷凝成液体二氧化碳，液体二氧化碳经过液体二氧化碳过冷器与由单级精馏塔顶部出来的低温二氧化碳气体换热后，节流进入精馏塔顶部作为回流液。
经液体二氧化碳过冷器和液体二氧化碳换热后的二氧化碳气体，流量为7000NM3/h，经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出。
为了补偿装置的冷损以及由于返流氨气和二氧化碳气体复热不足而形成的冷损，将适量的温度为25℃，压力为5.5MPa的液体二氧化碳经换热器和返流的气氨和二氧化碳气体换热后节流进入单级精馏塔底部的冷凝器以补充冷量。
此外，根据冷量平均情况，可将部分液氨作为产品引出。
实施例3
如图3所示，温度为25℃，压力为0.75MPa，标准流量为5000NM3/h的氨和二氧化碳混合气体(其中，NH3/CO2体积比为1∶2)，加入换热器中和返流的低温氨气和二氧化碳气体进行换热冷却，然后经膨胀机膨胀冷却后进入单级精馏塔的中部进行精馏分离，单级精馏塔的压力约0.12MPa。
压缩后的二氧化碳气体温度为25℃，压力为1.55MPa，标准流量为3000NM3/h，经换热器和返流的低温氨气和二氧化碳气体换热冷却后进入设置在单级精馏塔底部的冷凝器与单级精馏塔底部的液氨换热冷却，一方面使液氨气化，1670M3氨气从单级精馏塔底部引出经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出，另一部分氨气作为上升气用于提馏。另一方面，相应的二氧化碳气体冷凝成液体二氧化碳，液体二氧化碳经过液体二氧化碳过冷器与由单级精馏塔顶部出来的低温二氧化碳气体换热后，节流进入精馏塔顶部作为回流液。
经液体二氧化碳过冷器和液体二氧化碳换热后的二氧化碳气体，流量为6300NM3/h，经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出。
此外，根据冷量平衡情况，可将部分液氨作为产品引出。
实施例4
如图4所示，温度为25℃，压力为0.75MPa标准流量50000NM3/h的氨和二氧化碳混合气(其中，NH3/CO2体积比为1∶2)，加入换热器中和返流的低温氨气和二氧化碳气体进行换热冷却，然后再经膨胀机膨胀冷却后进入单级精馏塔的中部进行精馏分离，单级精馏塔的压力约0.12MPa。
压缩后的二氧化碳气体温度为25℃，压力为1.55MPa，标准流量为20000NM3/h，经换热器和返流的低温氨气和二氧化碳气体换热冷却后进入设置在单级精馏塔底部的冷凝器和单级精馏塔底部的液氨换热冷却，一方面使液氨气化，20000M3氨气从单级精馏塔底部引出经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出，另一部分氨气作为上升气用于提馏。另一方面，相应的二氧化碳气体冷凝成液体二氧化碳，液体二氧化碳经过液体二氧化碳过冷器与由单级精馏塔顶部出来的低温二氧化碳气体换热后，节流进入精馏塔顶部作为回流液。
10000M3的温度为25℃、压力为0.75MPa的氨和二氧化碳混合气体，经换热器和返流的低温氨气和二氧化碳气体换热冷却后，进入设置在单级精馏塔底部的冷凝器，液化成氨和二氧化碳混合液，氨和二氧化碳混合液经过液体二氧化碳冷器与由单级精馏塔顶部出来的低温二氧化碳气体换热后，进入单级精馏塔上部作为回流液。
经液体二氧化碳过冷器和液体二氧化碳换热后的二氧化碳气体，流量为60000NM3/h，经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出。
此外，根据冷量平衡情况，可将部分液氨作为产品引出。
实施例5
如图3所示，温度为25℃，压力为0.6MPa，标准流量5000NM3/h的氨和二氧化碳混合气(其中，NH3/CO2体积比为1∶2)，加入换热器中和返流的低温氨气和二氧化碳气体进行换热冷却，然后，全部5000NM3/h经膨胀机膨胀冷却后进入单级精馏塔的中部进行精馏分离，单级精馏塔的压力约0.12MPa。
压缩后的二氧化碳气体温度为25℃，压力为1.55MPa，标准流量为3000NM3/h，经换热器和返流的低温氨气和二氧化碳气体换热冷却后进入设置在单级精馏塔底部的冷凝器和单级精馏塔底部的液氨换热冷却，一方面使液氨气化，1670M3氨气从单级精馏塔底部引出经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出，另一部分氨气作为上升气用于提馏。另一方面，相应的二氧化碳气体冷凝成液体二氧化碳，液体二氧化碳经过液体二氧化碳过冷器与由单级精馏塔顶部出来的低温二氧化碳气体换热后，节流进入精馏塔顶部作为回流液。
经液体二氧化碳过冷器和液体二氧化碳换热后的二氧化碳气体，流量为6330NM3/h，经换热器和正流的二氧化碳气体以及氨和二氧化碳混合气体换热后作为产品气引出。
此外，根据冷量平衡情况，可将部分液氨作为产品引出。
上述实施例中的氨和二氧化碳混合气体的压力、组分、流量，压缩后二氧化碳气体的压力和流量，精馏塔的压力，膨胀机的气体流量，以及氨和二氧化碳混合液的用量等参数，可以根据实际情况进行适宜性的调整，这些调整并不影响本发明的效果，仍属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种低温精馏分离氨和二氧化碳的方法，该方法包括以下步骤：
（1）以氨和二氧化碳混合气体作为原料，将氨和二氧化碳混合气体加入换热器中进行冷却，然后将其全部或其一部分加入精馏塔中；
（2）将二氧化碳气体加入换热器中进行冷却；
（3）当步骤（1）中将经过换热器冷却后的氨和二氧化碳混合气体全部加入精馏塔中时，使步骤（2）中经换热器冷却后的二氧化碳气体进入设置在精馏塔底部的冷凝器中进行冷却，得到液体二氧化碳，将其作为回流液加入精馏塔中；
当在步骤（1）中将经过换热器冷却后的氨和二氧化碳混合气体的一部分加入精馏塔中时，使步骤（1）中经换热器冷却后的另一部分氨和二氧化碳混合气体和步骤（2）中经换热器冷却后的二氧化碳气体进入设置在精馏塔底部的冷凝器进行冷却，得到氨和二氧化碳混合液以及液体二氧化碳，将它们作为回流液加入精馏塔中；
（4）在精馏塔中，将氨和二氧化碳混合气体精馏分离，在精馏塔顶部得到二氧化碳气体，在精馏塔底部得到液氨；其中，所述精馏塔中的压力为0.1-2.0MPa；
其中，在所述精馏塔底部得到的液氨经冷凝器换热后，液氨气化产生氨气，将其中一部分氨气作为上升气，而将另一部分氨气和从精馏塔顶部得到的二氧化碳气体加入步骤（1）和（2）所述的换热器中，从而实现对步骤（1）中所述的氨和二氧化碳混合气体以及步骤（2）中所述的二氧化碳气体的冷却，然后将它们分别作为产品引出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（2）中所述二氧化碳气体的压力为1.5-5.0MPa。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述精馏塔为单级精馏塔或双级精馏塔。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述精馏塔为单级精馏塔。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，在步骤（1）中所述氨和二氧化碳混合气体经换热器冷却后，将其全部或其中一部分加入膨胀机中进行膨胀制冷，膨胀后的混合气体进入精馏塔。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，在步骤（3）中，将经换热器冷却后的二氧化碳气体加入膨胀机中进行膨胀制冷，然后使其进入设置在精馏塔底部的冷凝器进行冷却。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，将液体二氧化碳或液氨依次通入所述换热器和所述冷凝器中进行热交换以补充冷损。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，将液体二氧化碳依次通入所述换热器和所述冷凝器中进行热交换以补充冷损。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述精馏塔中的压力为0.1-0.6MPa。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述精馏塔中的压力为0.1-0.15MPa。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，在步骤（3）中将所述回流液加入精馏塔中之前，先将其通入液体二氧化碳过冷器中与步骤（4）中从精馏塔顶部得到的二氧化碳气体进行热交换，使其进一步冷却；将经过液体二氧化碳过冷器热交换后的二氧化碳气体加入步骤（1）和（2）所述的换热器中，从而实现步骤（1）中所述的氨和二氧化碳混合气体以及步骤（2）中所述的二氧化碳气体的冷却，然后将该二氧化碳气体作为产品引出。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤（1）中还包括对氨和二氧化碳混合气体进行压缩的步骤，将压缩后的氨和二氧化碳混合气体加入换热器中进行冷却，然后将其全部或其一部分加入精馏塔中。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述氨和二氧化碳混合气体为生产尿素或三聚氰胺产生的尾气。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤（3）中所述液体二氧化碳是从所述精馏塔的顶部加入的。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤（1）中冷却后的氨和二氧化碳混合气体是从所述精馏塔的中部加入的。
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