CN103328375A - 使用低温分离生产氨合成气和纯甲烷的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在一种用于通过低温分离原料气生产氨合成气和纯甲烷的方法中，所述原料气含有至少75%的氢，以及甲烷和氮，原料气在热交换器（7）中被冷却并部分冷凝，部分冷凝的原料被送至相分离器（31），来自相分离器的气体被送至氮洗涤塔（45），液氮被送至所述氮洗涤塔的顶部并且氨合成气（57，67，69）从所述氮洗涤塔的顶部被提取出，来自所述相分离器的液体经过膨胀并被送至分离塔（19），富含氮的气体流（43）从所述分离塔的顶部被提取出，氮含量低而富含甲烷的液体流（39）从所述分离塔的底部被提取出，该氮含量低而富含甲烷的液体流蒸发以产生纯甲烷产品（71，73）。

Description

使用低温分离生产氨合成气和纯甲烷的方法和装置
本发明涉及一种用于通过低温分离原料气以生产氨合成气和纯甲烷的方法和装置。
原料气优选地含有至少75%的氢和至少5%的甲烷。
术语“纯甲烷”是指所生产的甲烷含有至少80%的甲烷，优选地含有至少85%的甲烷，且优选地含有少于2%的氮，或甚至少于1.5%的氮。
本说明书中的所有纯度均用摩尔百分比表示。所有压力均为绝对压力。
氨合成厂以氢和氮按一定的化学计量比例的混合物为原料。某些成分，比如氩、甲烷、氧、一氧化碳或二氧化碳被认为对于合成过程是惰性的或是催化剂毒物。
因而，要与氮混合的氢需要被净化。举例来说，所述氢可以通过蒸汽重整器或煤气化工艺产生。
从DE-A-2814660已知通过在氮洗涤工艺中洗涤氢生产氨合成气，在所述氮洗涤工艺中液氮被送至洗涤塔的顶部。
在这种情况下，通过对乙炔厂的废气部分冷凝处理以生产氢流，并将氢流送至氮洗涤塔。部分冷凝过程产生的液体在一塔内被进一步处理。
本发明的一个目的是处理部分冷凝过程产生的液体以生产富含甲烷的流。特别地，期望生产氮含量极低的富含甲烷的流。如果甲烷随后被用于产生合成气，则甲烷中氮的存在会增大加热器和用于产生合成气的单元的尺寸。
另外，如果使用含氮的甲烷产生的合成气进而被用于供给甲醇合成单元，则氮的存在会由于其增大清洗流的量从而减少产量。
因此，期望降低流中的氮含量。
根据本发明的一个目的，提供了一种用于通过低温分离原料气以生产氨合成气和纯甲烷的方法，所述原料气含有至少75%的氢，以及甲烷和氮，优选地含有至少5%的氮，在所述方法中，原料气在热交换器中冷却并部分冷凝，部分冷凝的原料被送至相分离器，来自相分离器的气体被送至氮洗涤塔，液氮被送至氮洗涤塔的顶部，氨合成气从氮洗涤塔的顶部被提取出，来自相分离器的液体经过膨胀并被送至分离塔，富含氮的气体流从所述分离塔的顶部被提取出，贫含氮而富含甲烷的液体流从所述分离塔的底部被提取出，贫含氮而富含甲烷的液体流蒸发以形成纯甲烷产品。
根据进一步可选的实施例：
-所述富含氮的气体流含有至少50%的氮和/或至少20%的一氧化碳。
-贫含氮的流含有至少80%的甲烷，优选地至少85%的甲烷，且含有至多2%的氮，优选地至多1.5%的氮。
-来自所述相分离器的气体含有至少90%的氢。
-所述氮洗涤塔在25bar和35bar之间操作。
-所述分离塔在1.5bar和8bar之间操作。
-所述分离塔具有底部再沸器，且原料气的至少一部分和/或源自原料气的气体被用于加热该底部再沸器。
-原料气被冷却并部分冷凝以产生气体和液体，且由部分冷凝产生的气体的至少一部分被用于使分离塔再沸。
-来自氮洗涤塔底部的液体被送至分离塔的顶部。
-所述分离塔具有顶部冷凝器，液氮在所述顶部冷凝器中蒸发，富含氮的气体流在顶部冷凝器中部分冷凝，且来自相分离器的液体被送至分离塔的中部。
-所述分离塔不具有顶部冷凝器，且其中来自相分离器的液体被送至所述分离塔的顶部。
-来自氮洗涤塔底部的液体在热交换器中蒸发。
-从相分离器被送至分离塔的液体含有至少65%的甲烷，优选地含有至少70%的甲烷，且含有至少5%的氮，优选地含有至少10%的氮。
根据本发明的另一个目的，提供了一种用于通过低温分离原料气以生产氨合成气和纯甲烷的装置，所述原料气含有至少75%的氢，以及甲烷和氮，优选地含有至少5%的氮，所述装置包括：热交换器——在所述热交换器中原料气被冷却并部分冷凝，相分离器，将部分冷凝的原料送至相分离器的导管，氮洗涤塔，分离塔，将气体从相分离器送至氮洗涤塔的导管，将液氮送至氮洗涤塔顶部的导管，将氨合成气从氮洗涤塔顶部提取出的导管，使来自相分离器的液体膨胀的阀——所述相分离器通过导管与分离塔相连，将富含氮的气体流从分离塔顶部提取出的导管和将贫含氮而富含甲烷的液体流从分离塔底部提取出的导管，以及使贫含氮而富含甲烷的液体流蒸发以产生纯甲烷产品的机构。
根据进一步的可选特征：
-所述分离塔具有底部再沸器，并包括输送原料气的至少一部分和/或从原料气得到的气体以便加热底部再沸器的导管。
-所述装置包括用于使原料气被冷却和部分冷凝以产生气体和液体的机构，以及用于将由部分冷凝产生的气体的至少一部分送至再沸器的机构。
-所述装置包括将液体从氮洗涤塔底部送至分离塔顶部的导管。
-所述分离塔具有顶部冷凝器，且所述装置包括用于将液氮送至顶部冷凝器的导管，用于将富含氮的气体流送至顶部冷凝器的导管，以及用于将液体从相分离器送至分离塔中部的导管。
-所述分离塔不具有顶部冷凝器，且所述装置包括用于将液体从相分离器送至分离塔顶部的导管。
-用于输送来自氮洗涤塔底部的液体以使其在热交换器中蒸发的导管。
本发明将会参考图1至图3进行更详细的说明，图1至图3表示根据本发明的方法。
在图1中，来自Rectisol（低温甲醇洗）
Figure BDA00003523753300031
的富氢气体已经预先在分子筛净化单元中净化以去除二氧化碳和甲醇。
处于30bar和40bar之间、温度为-53℃的原料气1含有至少75%的氢，至少2%的氮以及至少6%的甲烷，且也可能含有一氧化碳、氩或诸如乙烷的烃类杂质。原料气1被分成两部分5、3。一个部分5在被送至第一相分离器9之前在主交换器管路7中被冷却并且部分冷凝。主热交换器管路分为两个部段7、85，其中部段7是两个中较冷的一个。
来自相分离器9的蒸气相6与原料气的另一部分3混合以生成气流11。气流11被送至分离塔19的底部再沸器21并且然后被送至第二相分离器23。来自第二相分离器23的气体25被送至主热交换器管路7以被冷却并且然后被送至第三相分离器31。气体25可以与原料气11的在阀81中膨胀后的部分81混合。来自第三分离器31的顶部气体作为原料被送至氮洗涤塔45的底部。顶部气体33含有93%的H2、4%的N2、2%的CO和1%的CH4。
来自第三相分离器31的液体35在阀37中膨胀之后被送至分离塔19。液体35含有至少65%的甲烷或者甚至至少70%的甲烷，至少5%的氮或者甚至至少10%的氮，其余的由氢、一氧化碳和其它杂质组成。塔的底部液体39含有至少80%的甲烷，优选地至少85%的甲烷，少于2%的N2，更优选地少于1.5%的氮。富含甲烷的液体在阀41中膨胀并被送入第四相分离器17。来自第四相分离器17的液体73在主热交换器管路7中蒸发和加热之后被送至界区（battery limit）以在压缩之后被用作例如蒸汽重整器的原料。来自第四相分离器17的气体71在主热交换器管路7中加热之后也被送至界区。
来自分离塔19的顶部气体43含有至少50%的氮，至少20%的一氧化碳以及少量氢和甲烷，并且在主热交换器管路7中被加热之后用作燃料。分离塔19不具有顶部冷凝器。
分离塔19的再沸腾负荷是由原料气1和/或源自原料气1的气体的冷却来提供的，所述源自原料气1的气体是通过冷却和相分离得到的。
来自第一相分离器9的液体13在阀15中膨胀并被送至第四相分离器17。
来自第二相分离器23的液体27在阀29中膨胀并被送至第四相分离器17。
处于大约40bar的高压氮气HPN265在主交换器管路7中被冷却并液化。高压氮气HPN2的一部分被送至塔45的顶部并且根据氨合成的要求，HPN2的剩余部分59与来自氮洗涤塔45的富含H2的气体57混合。
来自氮洗涤塔45顶部的构成氨合成气的产品的一个部分69通过主交换器管路85被加热至环境温度。氨合成气产品的另一部分67将在
Figure BDA00003523753300051
中被加热以用于冷量回收。
氨合成气67、69含有75%的氢和25%的氮。
氮洗涤塔底部的液体47在阀49中膨胀至低压（例如3-5bar）并被送至第五相分离器51。气体53和液体55被分别送至主热交换器管路7以用作冷量回收。所述两种流体53、55在液体蒸发之后被混合并作为燃料气体被送至界区。
冷平衡是通过喷射来自空分装置的在界区供应的液氮而达到的。
氮洗涤塔45在25bar和35bar之间操作且分离塔19在1.5bar和7bar之间操作。
在图2中，使用了不同的分离塔，所述分离塔除了具有底部再沸器21之外，还具有顶部冷凝器75。第五相分离器51被去除。
源自Rectisol 
Figure BDA00003523753300052
的富氢气体已经预先在分子筛净化单元中被净化以去除二氧化碳和甲醇。
处于30bar和40bar之间、温度为-53℃的原料气1含有至少75%的氢，至少2%的氮以及至少6%的甲烷，且也可能含有一氧化碳、氩或诸如乙烷的烃类杂质。原料气1被分成两部分5、3。一个部分5在被送至第一相分离器9之前在主交换器管路7中被冷却并且部分冷凝。
来自相分离器9的蒸气相6与原料气的另一部分3混合以生成气流11。气流11被送至分离塔19的底部再沸器21并且然后被送至第二相分离器23。来自第二相分离器23的气体25被送至主热交换器管路7以被冷却并且然后被送至第三相分离器31。气体25可以与原料气11的在阀81中膨胀后的部分81混合。来自第三分离器31的顶部气体作为原料被送至氮洗涤塔45的底部。顶部气体33含有93%的H2、4%的N2、2%的CO和1%的CH4。
来自第三相分离器31的液体35在阀37中膨胀之后被送至分离塔19的中部。液体35含有至少65%的甲烷或者甚至至少70%的甲烷，至少5%的氮或者甚至至少10%的氮，其余的由氢、一氧化碳和其它杂质组成。塔的底部液体39含有至少80%的甲烷，优选地至少85%的甲烷，少于2%的N2，更优选地少于1.5%的氮。富含甲烷的液体在阀41中膨胀并被送入第四相分离器17。来自第四相分离器17的液体73在主热交换器管路7中蒸发和加热之后被送至界区以在压缩之后被用作例如蒸汽重整器的原料。来自第四相分离器17的气体71在主热交换器管路7中加热之后也被送至界区。
来自分离塔19的顶部气体43含有至少50%的氮，至少20%的一氧化碳以及少量氢和甲烷，并且被送至顶部冷凝器75以通过与液氮LIN进行热交换而冷凝。顶部气体的一部分43在主热交换器管路7中被加热之后用作燃料。
分离塔19的再沸腾负荷是由原料气1和/或源自原料气1的气体的冷却来提供的，所述源自原料气1的气体是通过冷却和相分离得到的。
来自第一相分离器9的液体13在阀15中膨胀并被送至第四相分离器17。
来自第二相分离器23的液体27在阀29中膨胀并被送至第四相分离器17。
处于大约40bar的高压氮气HPN265在主交换器管路7中被冷却并液化。高压氮气HPN2的一部分被送至塔45的顶部并且根据氨合成的要求，HPN2的剩余部分59与来自氮洗涤塔45的富含H2的气体57混合。
来自氮洗涤塔45顶部的构成氨合成气的产品的一个部分69通过主交换器管路7被加热至环境温度。氨合成气产品的另一部分67将在
Figure BDA00003523753300061
交换器中被加热以用于冷量回收。
氨合成气67、69含有75%的氢和25%的氮。
氮洗涤塔底部的液体在阀49中膨胀至低压（例如1.5-7bar）并以液态被送至分离塔19的顶部。来自冷凝器75的蒸发的氮77在主热交换器7中升温。
冷平衡是通过喷射来自空分装置的在界区供应的液氮而达到的。
在图3中示出了图1的变型，其中第六相分离器与第五相分离器串联。如前源自Rectisol 
Figure BDA00003523753300071
的富氢气体已经预先在分子筛净化单元中被净化以去除二氧化碳和甲醇。
处于30bar和40bar之间、温度为-53℃的原料气1含有至少75%的氢，至少2%的氮以及至少6%的甲烷，且也可能含有一氧化碳、氩或诸如乙烷的烃类杂质。原料气1被分成两部分5、3。一个部分5在被送至第一相分离器9之前在主交换器管路7中被冷却并且部分冷凝。
来自相分离器9的蒸气相6与原料气的另一部分3混合以生成气体流11。气体流11被送至分离塔19的底部再沸器21并且然后被送至第二相分离器23。来自第二相分离器23的气体25被送至主热交换器管路7以被冷却并且然后被送至第三相分离器31。气体25可以与原料气11的在阀81中膨胀后的部分81混合。来自第三分离器31的顶部气体作为原料被送至氮洗涤塔45的底部。顶部气体33含有93%的H2、4%的N2、2%的CO和1%的CH4。
来自第三相分离器31的液体35在阀37中膨胀之后被送至分离塔19。液体35含有至少65%的甲烷或者至少70%的甲烷，至少5%的氮或者甚至至少10%的氮，剩余部分由氢、一氧化碳和其它杂质组成。塔的底部液体39含有至少80%的甲烷，优选地至少85%的甲烷，少于2%的N2，更优选地少于1.5%的氮。该富含CH4的液体在阀41中膨胀并被送入第四相分离器17。来自第四相分离器17的液体73在主热交换器管路7中蒸发和加热之后被送至界区以在压缩之后被用作例如蒸汽重整器的原料。来自第四相分离器17的气体71在主热交换器管路7中加热之后也被送至界区。
来自分离塔19的顶部气体43含有至少50%的氮，至少20%的一氧化碳以及少量氢和甲烷，并且在主交换器管路7中被加热之后用作燃料。分离塔19不具有顶部冷凝器。
分离塔19的再沸腾负荷是由原料气1和/或源自原料气1的气体的冷却来提供的，所述源自原料气1的气体是通过冷却和相分离得到的。
来自第一相分离器9的液体13在阀15中膨胀并被送至第四相分离器17。
来自第二相分离器23的液体27在阀29中膨胀并被送至第四相分离器17。
处于大约40bar的高压氮气HPN265在主交换器管路7中被冷却并液化。根据氨合成的要求，高压氮气HPN2的一部分被送至塔45的顶部并且HPN2的剩余部分59与来自氮洗涤塔45的富含H2的气体57混合。
来自氮洗涤塔45顶部的构成氨合成气的产品的一个部分69通过主交换器管路7被加热至环境温度。氨合成气产品的另一部分67将在
Figure BDA00003523753300081
交换器中被加热以进行冷量回收。
氨合成气67、69含有75%的氢和25%的氮。
氮洗涤塔底部的液体47在阀49中膨胀至中压（例如7-14bar）并被送至第五相分离器51。富含氢的气体53被送至主交换器管路7进行冷量回收。气体53能够被送至
Figure BDA00003523753300082
再循环压缩机的入口以增加氢的产量。
来自第五相分离器51的液体在阀89中膨胀并且然后被送至第六相分离器91。来自第六相分离器91的气体93在热交换器7、85中被加热并且液体95在热交换管路7中蒸发并在热交换器85中被加热。
冷平衡是通过喷射来自空分装置的在界区供应的液氮而达到的。
对于所有的附图，氮洗涤塔45在25bar和35bar之间工作且分离塔19在1.5bar和7bar之间工作。

Claims (15)

1.一种用于通过原料气的低温分离生产氨合成气和纯甲烷的方法，所述原料气含有至少75%的氢，以及甲烷和氮，优选地含有至少5%的氮，其中，所述原料气在热交换器（7）中被冷却并部分冷凝，部分冷凝的原料气被送至相分离器（31），来自所述相分离器的气体被送至氮洗涤塔（45），液氮被送至所述氮洗涤塔的顶部，并且从所述氮洗涤塔的顶部提取氨合成气（57，67，69），来自所述相分离器的液体经过膨胀并被送至分离塔（19），从所述分离塔的顶部提取富含氮的气体流，并且从所述分离塔的底部提取贫含氮而富含甲烷的液体流（39），并且使所述贫含氮而富含甲烷的液体流蒸发以形成纯甲烷产品（71，73）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分离塔（19）具有底部再沸器（21），并且原料气的至少一部分（3）和/或源于原料气的气体（6）被用于加热所述底部再沸器（21）。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，原料气被冷却并部分冷凝以形成气体（6）和液体（13），并且由所述部分冷凝所致的气体的至少一部分被用于使所述分离塔（19）再沸腾。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，来自所述氮洗涤塔（45）底部的液体（47）被送至所述分离塔（19）的顶部。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述分离塔（19）具有顶部冷凝器（75），并且液氮在所述顶部冷凝器中蒸发，所述富含氮的气体流在所述顶部冷凝器中部分冷凝，并且来自所述相分离器（31）的液体被送至所述分离塔的中部。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述分离塔（19）不具有顶部冷凝器，并且来自所述相分离器（31）的液体被送至所述分离塔的顶部。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，来自所述氮洗涤塔底部的液体（47，55，95）在所述热交换器中蒸发。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，从所述相分离器被送至所述分离塔的液体含有至少65%的甲烷，优选地至少70%的甲烷以及至少5%的氮，优选地至少10%的氮。
9.一种用于通过原料气的低温分离生产氨合成气和纯甲烷的装置，所述原料气含有至少75%的氢，以及甲烷和氮，优选地含有至少5%的氮，所述装置包括热交换器（7），其中所述原料气在所述热交换器中被冷却并部分冷凝；相分离器（31）；用于将部分冷凝的原料气送至所述相分离器的导管；氮洗涤塔（45）；分离塔（19）；用于将来自所述相分离器的气体送至所述氮洗涤塔的导管；用于将液氮送至所述氮洗涤塔的顶部的导管；用于从所述氮洗涤塔的顶部提取氨合成气的导管；用于使来自所述相分离器的液体膨胀的阀（37），所述相分离器通过导管与所述分离塔相连；用于从所述分离塔的顶部提取富含氮的气体流的导管和用于从所述分离塔的底部提取贫含氮而富含甲烷的液体流的导管；以及用于使所述贫含氮而富含甲烷的液体流蒸发以形成纯甲烷产品的机构（7）。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述分离塔（19）具有底部再沸器（21）并包括用于输送原料气的至少一部分和/或源于原料气的气体以便加热所述底部再沸器的导管。
11.根据权利要求10所述的装置，所述装置包括用于使所述原料气被冷却和部分冷凝以生成气体和液体的机构，以及用于将由所述部分冷凝所致的气体的至少一部分送至所述再沸器（21）的机构。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的装置，所述装置包括用于将来自所述氮洗涤塔（45）底部的液体送至所述分离塔（19）的顶部的导管。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的装置，其中，所述分离塔（19）具有顶部冷凝器（75）并且包括用于将液氮送至所述顶部冷凝器的导管，用于将富含氮的气体流送至所述顶部冷凝器的导管，以及用于将来自所述相分离器（31）的液体送至所述分离塔的中部的导管。
14.根据权利要求9至12中的任一项所述的装置，其中，所述分离塔（19）不具有顶部冷凝器并且包括用于将来自所述相分离器（31）的液体送至所述分离塔的顶部的导管。
15.根据权利要求14所述的方法，包括用于输送来自所述氮洗涤塔（45）底部的液体以使其在所述热交换器（7）中蒸发的导管。
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