CN107514873A - 一种合成气分离净化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合成气分离净化的装置及方法。该装置包括：压缩机构，其用于接收综合分离机构的循环气，并将循环气压力压缩到与原料气同一等级，最后将两者混合冷却后输送至深冷机构；深冷机构，其用于接收来自所述压缩机构的混合气，并分离回收其中的部分二氧化碳气体，并排出富氢气体；综合分离机构，其用于接收来自所述深冷机构的富氢气体，使用变压吸附和分离装置对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，可得到高纯度氢气和富含二氧化碳的循环气。本发明的装置通过压缩机构、深冷机构和综合分离机构的协调配合工作，不仅能够高效分离提纯合成气中氢气，并分离回收其中的二氧化碳，而且实现了在低能耗回收的情况下同时获得高回收率。

Description

一种合成气分离净化的装置及方法
技术领域
本发明属于合成气处理领域，具体涉及一种合成气分离净化的装置及方法。
背景技术
在合成气生产与制备过程中，由于原料来源和加工工艺的不同，反应制备得到的合成气含有除了氢气外还有大量杂质气体(二氧化碳，硫化氢，氮气等)。从提纯氢气，控制温室气体排放，减少酸性气体对后续设备腐蚀的角度出发，必须将合成气进行分离，以制备所需产品，并保证下游工序和产品的安全。
压缩冷凝法是一种传统的气体分离方法，利用原料气中各组分露点的不同，通过加压和冷却将其部分液化，在低温下精馏而实现气体分离。该方法具有流程简单、处理量大、回收率高等优点，在合成气分离与回收中已得到广泛的应用。但是压缩冷凝法主要有以下不足之处：启动时间长、灵活性差、能耗高。此外为避免气体阻塞管道，还需要预先脱除原料气中二氧化碳和水分。
变压吸附法利用混合气中不同组分在特定吸附剂上的选择性不同而实现分离目的。目前其主要应用于分离合成气，并对氢气提纯。尽管变压吸附法所得氢气产品纯度高，但其流程复杂，设备数量多，并且大量的吸收塔反复地升压和降压，这需要额外的能耗与公用工程，导致操作费用和投资均显著地增高。
国内外合成气制备装置已增加了分离装置用于合成气的分离回收。专利CN101417799A，利用低温甲醇洗-脱硫脱碳净化系统对合成气进行预处理，获得主要包含CO和H2的净化气，之后利用换热器升温进入分离器分离得到高纯度CO和H2。该法存在投资高、设备复杂、回收H2纯度较低等缺点。
专利CN202156925U中，利用分离装置对合成气进行预分离，再配合使用变压吸附装置获得高纯度氢气。其缺点在于非渗透气没有回收利用，直接降低了氢气等产品的回收率，同时变压吸附装置反复升压降压，能量消耗较高。
专利CN101875484A中，对于含酸性气体较多的合成气采用物理吸收溶剂移除合成气中的H2S并通过化学吸收溶剂从合成气中移除CO2，得到纯度较高的H2，最后通过对吸收剂处理得到高纯度CO2。其缺点在于需要对吸收剂进行再生处理，能源消耗比较大，而且需要对吸收剂进行持续的补充，操作较为复杂。
上述方法虽然可以实现合成气中H2的分离和提纯，但是普遍存在操作复杂、能耗过高、处理不够灵活等缺点。因此发明一种高效分离提纯合成气中H2，尤其能降低合成气分离回收中能量消耗的装置及方法具有重大的经济利益和现实意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种合成气分离净化的装置。其包括压缩机构、深冷机构和综合分离机构。本发明的装置通过压缩机构、深冷机构和综合分离机构的协同配合工作，实现了在低能耗情况下同时获得高回收率的氢气和二氧化碳。
本发明的又一目的在于提供一种利用上述合成气分离净化装置回分离合成气的方法，其包括压缩步骤、深冷分离步骤和综合分离步骤。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种合成气分离净化的装置，所述装置包括：
压缩机构，其用于接收综合分离机构输送的循环气，并将循环气压力压缩到与原料气同一等级，最后将两者混合冷却后输送至深冷机构；
深冷机构，其用于接收来自所述压缩机构的混合气，冷凝分离其中的二氧化碳气体，并排出富氢气体；
综合分离机构，其用于接收来自所述深冷机构的富氢气体，对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，可得到高纯度氢气、富含二氧化碳的渗透气及混合循环气；
本发明的装置通过压缩机构、深冷机构和综合分离机构三部分的协同配合工作，高效回收了合成气中氢气和二氧化碳，并对氢气进行提纯处理，而且有效回收合成气中存在的硫化氢等酸性气体，避免了其对后续设备腐蚀。其中氢气的回收率约95.3％，纯度为99.9％；二氧化碳的综合回收率约96.8％；硫化氢回收率约98％。
根据本发明的一个具体实施例，所述压缩机构包括：至少一个压缩机，用于接收综合分离机构输送的循环气，将循环气压力压缩到与原料气同一等级；至少一个混合器，用于将原料气和第六料流循环气混合，得到；至少一个换热器，用于冷却第一料流。
根据本发明的一个具体实施例，压缩机构的入口与混合器第一入口相连，压缩机的出口与混合器的第二个入口相连，混合器出口与换热器入口相连，换热器出口与压缩机构出口相连。
根据本发明的一个具体实施例，所述深冷机构包括：至少一个换热器，其用于接收来自压缩机的第一料流，并输出温度低于第一料流露点温度的含有气液混合物的第二料流；至少一个气液分离器，其用于接收第二料流以进行气液分离，并在液相出口输出回收的高纯度液体二氧化碳，而在气相出口输出第三料流；至少一个膨胀机，用于接收来自气液分离器的第三料流，利用高压气体膨胀制冷并生产电力。
根据本发明的一个具体实施例，压缩机构的出口与一个深冷机构的换热器的入口相连，换热器的一个出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的气相出口与膨胀机入口相连，膨胀机出口与换热器的一个入口相连。
根据本发明的一个具体实施例，为提高装置能量效率，避免低温气体对后续膜组件的损坏，第三料流作为冷物流进入换热器组，升温到-16℃，同时将经透平膨胀机膨胀后的第三料流输送至换热器进行换热，从而将高压气体做功降温所得的部分/全部冷量作为换热器的冷源。
根据本发明的一个具体实施例，深冷机构将来自压缩机构的第一料流经过换热器冷却至-25～-35℃，从而冷凝回收二氧化碳等酸性气体。
根据本发明的一个具体实施例，所述综合分离机构包括：至少一套变压吸附装置，其用于接收来自所述深冷机构的第三料流，分离并提纯氢气，并排出第四料流解吸气；至少一个分流器，用于对第四料流解吸气分流，并输出第五料流和第六料流；至少一个压缩机，用于对第五料流加压并输送至下一装置；至少一个膜分离器，对第五料流中氢气和二氧化碳做进一步分离，得到第七料流渗余气，并排出富二氧化碳的渗透气；至少一个混合器，用于将第七料流和第六料流进行混合得到混合循环气。
根据本发明的一个具体实施例，综合分离机构的入口与深冷机构的一出口相连，变压吸附装置的入口与综合分离机构的入口相连，变压吸附装置的解吸气出口与分流器相连，变压吸附装置的产品气出口与综合分离机构的一出口相连，分流器第一出口与混合器第一入口相连，分流器第二出口与压缩机一出口相连，压缩机出口与膜分离器的入口相连，膜分离器渗余气出口与混合器第二入口相连，膜分离器的渗透气出口与综合分离机构的一出口相连，混合器出口与综合分离机构的一出口相连。
根据本发明的一个具体实施例，为避免一氧化碳等不凝气在装置体系内积累，所述渗余气将有一部分作为驰放气排出体系，驰放气所占渗余气比例为0.5～0.7；
根据本发明的一个具体实施例，所述的循环气进入所述压缩机构做循环处理，由此显著提高了氢气和二氧化碳的回收率。
根据本发明另一个方面，本发明提供了一种使用合成气分离净化的装置来分离回收合成气的方法，其包括如下步骤：
压缩步骤，接收循环气与原料气，将循环气压力压缩到与原料气同一等级，之后将两者混合、冷却并输出；
深冷分离步骤，接收混合气，并分离回收其中的二氧化碳气体，并排出富氢气体；
综合分离步骤，接收富氢气体，对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，产出高纯度氢气并排出富二氧化碳气体及循环气。
压缩冷凝、变压吸附和膜分离都是常见的气体分离手段，其操作所需的温度和压力条件不尽相同，本发明提供了一种合成气分离净化的装置及方法，旨在充分利用高压原料气，通过合理的流程组合和能量优化，减少对气体反复升压降压和加热，而其针对现有技术的不足，具有以下突出优点：1、对气液分离器所得气相料流进行冷量回收，并利用高压渗余气膨胀制冷，减少了昂贵低温制冷剂的消耗；2、将综合分离机构所得解吸气用膜分离手段处理，并对渗余气做回收处理，提高了氢气、二氧化碳等气体的回收率；3、使用透平膨胀机生产电力，减少整体能耗4、装置投资少，经济效益高，处理灵活，环保无污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见，下面简述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1表示本发明的一种合成气分离净化的装置示意图。
图2表示本发明的一个优选实施例的装置示意图。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不全是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，本发明提供了一种合成气分离净化的装置包括：
压缩机构X，其用于接收原料气Feed和综合分离机构Z输送的混合循环气FB-3，将循环气FB-3压力压缩到与原料气同一等级，将两者混合后经HEAT1冷却被输送至深冷机构；
深冷机构Y，其用于接收来自所述压缩机构的混合气FM-2，分离出流股FL-1以回收其中的二氧化碳，并排出富氢气体FG-4；
综合分离机构Z，其用于接收来自所述深冷机构Y的富氢气体FG-4，对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，可得到高纯度氢气FH、富含二氧化碳的渗透气FP-1及循环气FB-3；
在本实施例中，原料气的摩尔流率为30000kmol/h，压力为5MPa，温度为20℃，其中各组分摩尔分数如下：氢气56.4％、二氧化碳41.3％、一氧化碳1.1％、氮气0.7％、硫化氢0.5％。
在本实施例中，压缩机构X包括：一个压缩机COM1，用于接收综合分离机构Z输送的循环气FB-3，并将其压力由0.5MPa提升至5MPa，得到混合循环气FB-4；一个混合器MIX1，用于将原料气Feed和混合循环气FB-4混合，得到第一料流FM-1，压力为5MPa；一个换热器HEAT1，将第一料流FM-1冷却至35℃，输出流股FM-2。
在本实施例中，压缩机构X的入口与混合器MIX第一入口T1相连，压缩机COM1的出口T29与混合器MIX的第二个入口T30相连，混合器出口T2与换热器入口T3相连，换热器出口T4与压缩机构X的出口相连。
在本实施例中，所述换热器HEAT1为管式换热器，其作用是通过采用便宜的冷媒介，例如循环冷却水，将压缩后的第一料流FM-1冷却到尽可能低的温度，以节省后续机构的能耗。
在本实施例中，所述深冷机构包括Y：一个多流股换热器MHEX，用流股间匹配换热回收冷量，并将流股FMF-1冷却至-30℃；一个换热器HEAT2，用于将流股FM-3(流股FM-3为流股FM-2经多流股换热器MHEX换热处理后的流股)，由18.8℃冷却至-15℃，并输出流股FM-4；一个分流器FS1，用于将流股FM-4分为FMF-1和FM-5，其中FMF-1占流股FM-4质量分数的28％；一个换热器HEAT3，将流股FM-5冷却到-30℃，并输出流股FM-6；一个混合器MIX2，将经过换热得到的流股FMF-2(流股FMF-2为流股FMF-1经多流股换热器MHEX换热处理后的流股)和FM-6等温混合并输出第二料流FM-7；一个气液分离器SEPA，其用于接收第二料流FM-7以进行气液分离，并在液相出口输出排出液FL-1,其中二氧化碳含量为96.3％，同时排出液FL-1中含硫化氢，其回收率为98.3％，而在气相出口输出第三料流FG-1；流股FG-1经多流股换热器MHEX换热转变为流股FG-2，温度由-30℃升高至-16.7℃，随后进入透平膨胀机TURB膨胀制冷变为输出流股FG-3，其压力由5MPa降至3.1MPa，温度由-16.7℃降低至-41.1℃，同时产生3.7MW的电力；低温流股FG-3被送入多流股换热器MHEX回收冷量，其温度由-41.1℃上升为30℃，变为流股FG-4并输送综合分离机构Z。
在本实施例中，深冷机构Y的入口与压缩机构X的出口相连，换热器HEAT1的出口T4与多流股换热器的一个入口a1相连，多流股换热器的一个出口a2与换热器HEAT2的入口T5相连，换热器HEAT2的出口T6与分流器FS1的入口T7相连，分流器FS1的第一出口T8a与多流股换热器的一个入口b1相连，其对应出口b2与混合器MIX2的第二入口T11b相连，分流器FS1的第二出口T8b与换热器HEAT3的入口T9相连，换热器HEAT3出口T10与混合器MIX2第一入口T11a相连，混合器出口T11c与气液分离器入口T12相连，气液分离器的液相出口T13b与深冷机构Y的一个出口相连，气相出口T13a与多流股换热器一个入口c1相连，多流股换热器MHEX的一个出口c2与透平膨胀机TURB的一个入口T14相连。透平膨胀机TURB出口T15与多流股换热器MHEX的一个入口d1相连，多流股换热器MHEX一个出口d2与深冷机构Y的出口相连。
在本实施例中，换热器HEAT2为管式换热器，其作用是使用低温冷剂，例如液氨，将流股FM-4冷却到-15℃，换热器HEAT3为管式换热器，其作用是使用低温冷剂，例如液态丙烷，将流股FM-5冷却至-30℃。
在本发明的一个优选实例中(如附图2所示)，通过在多流股换热器MHEX中引入低温流股C-1(液氨)，将图1实施例中的换热器HEAT2与多流股换热器合并，达到综合利用的目的。
在本发明的一个优选实例中(如附图2所示)，为充分利用膨胀机产生的能量，将深冷机构Y中的膨胀机TURB与综合分离机构Z中的压缩机COM2合并为同轴机器。
在本实施例中，所述综合分离机构Z包括：一个套变压吸附装置PSA，其用于接收来自所述深冷机构Y的第三料流FG-4，对气体中氢气进行分离提纯，可得到第四料流解吸气FB-1和产品气FH(氢气纯度为99.9％)；一个分流器FS2，用于将第四料流解吸气FB-1分流，输出第五料流FBF-1和第六料流FB-2，其中第五料流FBF-1占原第四料流FB-1的50％；一个压缩机COM2，用于将第五料流FBF-1压力由0.5MPa提升至1.5MPa，并输送入多流股换热器MHEX，使其温度由150.3℃降低至30℃，得到料流FBF-3；一个膜分离器MEMB，用于分离回收料流FBF-3中的二氧化碳，并输出第七料流渗余气FR-1和渗透气FP-1；一个分流器FS2，用于将第七料流FR-1分流，并输出流股FR-2和驰放气FPG，其中驰放气FPG占第七料流FR-1总量的63％；一个混合器MIX3，用于接收分流后的第七料流FR-2和第六料流FB-2，并将其混合输出循环气FB-3至压缩机构X。
在本实施例中，变压吸附装置的入口T16与多流股换热器MHEX出口d2相连，变压吸附装置的解吸气出口T17a与分流器FS入口T18相连，分流器FS第二出口T19b与混合器MIX3的入口T26b相连，第一出口T19a与压缩机COM2入口T20相连,压缩机COM2出口T21与多流股换热器入口e1相连，多流股换热器出口e2与膜分离器MEMB入口T22相连，膜分离器的渗透气出口T23b与综合分离机构一出口相连，膜分离器的渗余气出口T23a与分流器FS2入口T24相连，分流器FS2第二出口T25b与综合分离机构一出口相连，分流器FS2第一出口与混合器MIX3的入口T26a相连，混合器MIX出口与压缩机构X中压缩机COM1入口T28相连。
在本实施例中，分离器MEMB所使用膜组件类型为中空纤维膜，CO2/H2的选择性为10，膜面积为1000m2，渗透侧压力为0.61MPa。
在本实施例中，所述循环气FB-3输送至所述压缩机构X做循环处理，由此显著提高了氢气和二氧化碳的回收率。
从本发明的上述实施例可见，本发明装置通过深冷分离和分离器配合，分离提纯合成气中氢气并回收二氧化碳气体，通过设定循环装置提高气体回收率，合理使用膨胀机制冷，降低对昂贵的制冷剂的消耗。在该实施例中，压缩机和深冷分离所需总功耗为41.2MW，而在在相同处理量的情况下，以Selexol为代表的物理吸收法能耗为50.0MW，相较而言，本发明装置可节能17.6％，具有极大的经济优势和推广潜力。
本发明还提供了一种利用合成气分离净化的装置来分离回收合成气的方法，其包括如下步骤：
压缩步骤，接收循环气与原料气，并将循环气压力压缩到与原料气同一等级，将两者混合后输出，具体操作步骤为：(1)压缩机COM1将来自综合分离机构Z的混合气FB-3，从0.5MPa加压至5MPa，温度由29.7℃升为308.7℃，得到混合气FB-4；(2)混合器MIX1将压缩后的混合气FB-4与压力同为5MPa原料气Feed混合输出第一料流FM-1，压力为5MPa，温度85.7℃；(3)换热器HEAT1将第一料流FM-1冷却至35℃，输出料流FM-2。
深冷分离步骤，接收混合气，并分离回收其中的二氧化碳气体，并排出富氢气体，具体操作步骤为：(1)利用换热器HEAT2、HEAT3及多流股换热器MHEX所构成的换热网络，将料流FM-2的温度逐级降低，最终冷却至-30℃，输出第二料流FM-7进入气液分离器SPEA；(2)第二料流FM-7在气液分离器SEPA中进行气液分离，气相出口输出第三料流FG-1，液相出口输出液体FL-1等；(3)为回收冷量，第三料流FG-1进入多流股换热器MHEX进行换热，温度由-30℃升至-16.7℃；(4)流股FG-2经过膨胀机TURB膨胀制冷后降温至-41℃，同时产生3.7MW的电力，再次将其输送至多流股换热器MHEX进行换热，最终在出口处温度升高至30℃
综合分离步骤，接收富氢气体，对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，产出高纯度氢气并排出富二氧化碳气体及混合循环气；具体操作步骤为：(1)流股FG-4输入变压吸附装置PSA，排出0.5MPa的第四料流解吸气FB-1和4.99MPa的产品气FH(氢气纯度为99.9％)；(2)第四料流解吸气FB-1经分流后输出第五料流FBF-1和第六料流FB-2，其中第五料流FBF-1占原第四料流FB-1的50％；(3)第五料流FBF-1经压缩机COM2压缩，压力由0.5MPa提升至1.5MPa，温度升高为150.3℃，随后被输送入多流股换热器MHEX，使其温度降低至30℃，得到流股FBF-3；(4)降温后的流股FBF-3经过膜分离器MEMB(膜面积1000m2，渗透侧压力0.61MPa)分离，输出第七料流渗余气FR-1和渗透气FP-1(二氧化碳纯度为89％)；(5)第七料流FR-1经过分流器FS3，输出流股FR-2和驰放气FPG，其中驰放气占第七料流FR-1总量的63％；(6)第七料流FR-2和第六料流FB-2，经混合器MIX3混合后输出循环气FB-3至压缩机构X，压力为0.5MPa温度为29.7℃。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.一种合成气分离净化的装置，其特征在于，包括：
压缩机构，其用于接收综合分离机构输送的循环气，并将循环气压力压缩到与原料气同一等级，将两者混合并冷却，之后输送至深冷机构；
深冷机构，其用于接收来自所述压缩机构的混合气，冷凝分离其中的二氧化碳气体，并排出富氢气体；
综合分离机构，其用于接收来自所述深冷机构的富氢气体，对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，可得到高纯度氢气、富含二氧化碳的渗透气及混合循环气；。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压缩机构包括：至少一个压缩机，用于接收综合分离机构输送的循环气，将循环气压力压缩到与原料气同一等级；至少一个混合器，用于将原料气和循环气混合，得到第一料流；至少一个换热器，用于冷却第一料流。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述深冷机构包括：至少一个换热器，其用于接收来自压缩机构的第一料流，并输出温度低于其露点温度的含有气液混合物的第二料流；至少一个气液分离器，其用于接收第二料流，同时进行气液分离，并在液相出口输出回收的高纯度液体二氧化碳，而在气相出口输出第三料流；至少一个膨胀机，用于接收来自气液分离器的第三料流。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，深冷机构将来自压缩机构的第一料流经换热器冷却至-25～-35℃，从而冷凝分离并回收以二氧化碳为主的酸性气体；膨胀机的出口压力为2.5～3.0MPa，通过高压气体膨胀制冷并回收部分能量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述换热器为管式换热器或板式换热器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述综合分离机构包括：至少一套变压吸附装置，其用于接收来自所述深冷机构的第三料流，分离并提纯氢气，并排出第四料流解吸气；至少一个分流器，用于对第四料流解吸气分流，并输出第五料流和第六料流；至少一个压缩机，用于对第五料流加压并输出至膜分离器；至少一个膜分离器，分离第五料流中氢气和二氧化碳，得到第七料流渗余气，并排出富二氧化碳的渗透气；至少一个混合器，用于将第七料流和第六料流进行混合得到循环气并输送至压缩机构。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分流器的分流后的第五料流占第四料流的分率为0.3～0.7；所述压缩机出口压力为1.0～1.5MPa；所述膜分离器使用的膜类型为中空纤维膜，CO2/H2的选择性为10，膜面积为900～1200m2。
8.一种利用权利要求1～7中任意一项所述装置的合成气分离净化的方法，其包括如下步骤：
压缩步骤，接收循环气与原料气，将循环气压力压缩到与原料气同一等级，之后将两者混合、冷却并输出；
深冷分离步骤，接收混合气，并分离回收其中的二氧化碳气体，并排出富氢气体；
综合分离步骤，接收富氢气体，对气体中氢气和二氧化碳做进一步分离，产出高纯度氢气并排出富二氧化碳气体及混合循环气。
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