CN109477683A - 用于分离合成气的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于分离含有一氧化碳和氢气的合成气(1)的方法中，将来自合成气源的合成气(1)流在压缩机(3)中压缩并且分离成至少三种气态产物。如果合成气不足，则将至少三种分离产物在该压缩机中再循环以分离所述产物。

Description

用于分离合成气的方法
本发明涉及一种用于分离合成气的方法。具体地，该合成气包含一氧化碳和氢气以及任选地甲烷和/或氮气和/或氩气。
低温蒸馏设备通过重整和/或部分氧化类型的合成气产生单元(SMR、ATR、POX等)供应有合成气。将离开该产生器的合成气冷却(用于产生蒸汽和各个预热步骤以及任选地使用冷却水)，然后送到用于提取CO2的系统(典型地通过用诸如MEA、MDEA、aMDEA等胺类进行洗涤)，并且然后干燥，之后送到低温蒸馏设备进行CO的分离和净化。在某些情况下，值得注意地当合成气由产生乙炔的部分氧化产生单元产生时，称为AOG或“乙炔废气”的残余气体构成合成气。它用在低温蒸馏设备上游的压缩机进行压缩。将这种气体压缩至的压力与所需的富含氢气的产物的压力相容。因此，在将氢气转移到客户之前不必重新压缩氢气。
通常，当消耗CO的单元在减少的负载下运行时，产生合成气的部分仅递送所需的CO分子(以便不增加操作成本并且尽可能避免焚烧剩余的产物CO和/或H2)。低温蒸馏设备将以低水平操作，表示为CO和/或H2流量与标称进料流量的比率。
因此，长期低负荷下的低温蒸馏设备的操作稳定性带来了不满足所需的CO纯度或具有过度波动的生产流速的风险增加的问题。
为了确保低温蒸馏设备的稳定操作，必须以足够的进料速率对其进行操作，这可能在任何给定时间都大于客户的要求。通过必须以超过客户需求的进料水平操作低温蒸馏设备，降低了操作成本。
当合成气产生单元突然停止时，这导致低温蒸馏设备停止，该低温蒸馏设备不再供应有合成气分子。一旦合成气变得再次可用，在能够以所需纯度再次生产CO之前需要一定的时间长度(大约几个小时)以重新启动。
因此，合成气产生单元停止几分钟会导致CO生成停止几个小时。因此，反过来，下游的客户将不得不停止他们的CO消耗装置，而这些装置反过来将必须重新启动。
因此，下面提出的技术解决方案使得可以防止工业装置的长时间停机，从而导致非生产成本增加：在减少的负荷下操作期间或在产生合成气的单元停止期间将由低温蒸馏设备产生的流体再循环到该设备的入口(例如通过用甲烷洗涤和/或部分冷凝和/或用一氧化碳洗涤操作)。
低温蒸馏设备和吸附单元通常用于由通过重整或部分氧化产生的合成气生产一氧化碳和氢气中。低温蒸馏设备确保CO的净化和富含氢气的流的产生，然后通过吸附净化氢气。
所提出的解决方案是在低温蒸馏设备和合成气压缩机的上游再循环由低温蒸馏设备产生的气体，任选地由低温蒸馏设备产生的所有气体。因此，分离单元和压缩机不会停止，并且当合成气产生源恢复运行时，变得再次可以处理合成气并产生所需的产物。
该解决方案还能够确保不停止从源减少进料至0％，而不是典型地40％。
DE-A-102007059543描述了一种方法，其中在合成气进料减少的情况下，将来自气体分离过程的产物再循环到进料中，每种产物通过专用压缩机压缩。
本发明降低了设备的总成本，同时消除了停止合成气压缩机和启动产物压缩机的需要。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于分离含有一氧化碳和氢气的合成气的方法，其中：
i)将来自合成气源的合成气流在压缩机中压缩，
ii)将压缩的合成气在净化单元中净化以将其净化掉水和二氧化碳
iii)将压缩且净化的合成气流冷却
iv)将冷却的合成气流通过在低温温度下洗涤和/或蒸馏并且任选地通过在分离单元中吸附来分离，并且
v)在该分离单元中产生至少以下三种气体：富含一氧化碳的气体，富含氢气的气体，含有一氧化碳和氢气的残余气体，该残余气体比该富含一氧化碳的气体在一氧化碳纯度方面更低并且比该富含氢气的气体在氢气纯度方面更低，以及任选地还有富含甲烷的气体和/或富含氮气的气体，并且
vi)只有当从该源接收并送到该压缩机的合成气流低于阈值或零时，将以下三种气体中的每一种的至少一部分：该富含一氧化碳的气体，该富含氢气的气体和该含有一氧化碳和氢气的残余气体，送到该源下游，以在该净化单元中净化并在该分离单元中分离，其特征在于，将该三种气体中的至少一部分送到该压缩机上游以在净化上游在该压缩机中被压缩。
根据本发明的另一方面，在该方法中：
a)在从该源接收的合成气流高于该阈值时，储存压缩的合成气，并且
b)将预先储存的压缩的合成气的至少一部分以及步骤v)中的前三种气体中的至少每一种的至少一部分送至该源下游以及任选地该压缩机上游，送到在该净化单元中净化并在该分离单元中分离。
根据本发明的其他任选的方面：
-只有当从该源接收的合成气流低于该阈值时，或甚至当没有流来自该源时，将步骤v)中的前三种气体中的至少每一种的至少一部分送至该源下游和任选地该压缩机上游。
-当从该源接收的合成气流低于阈值时，将仅x％的该富含一氧化碳的气体，y％的该富含氢气的气体和z％的该残余气体送到该分离单元，x、y和z相差至多5％。
-如果从该源接收的合成气流量高于该阈值，则将该富含一氧化碳的气体的一部分储存在储存设施中，
并且如果从该源接收的合成气流高于该阈值，将其余的该富含一氧化碳的气体送到客户，并且如果从该源接收的合成气流低于该阈值，则将从该储存设施接收的该富含一氧化碳的气体送到客户。
-如果从该源接收的合成气流低于该阈值，则送到客户的所有富含一氧化碳的气体来自该储存设施，并且任选地将直接从该分离单元接收而不传递通过该储存设施的所有富含一氧化碳的气体送到该压缩机上游和该源下游。
-从该源接收的合成气是来自乙炔生产单元的残余气体。
-如果从该源接收的合成气流高于该阈值，则将该合成气的一部分储存在储存设施中，并且如该果合成气流低于该阈值，则将该合成气从该储存设施送到该压缩机。
-如果从该源接收的合成气流为零，则该分离单元仅供应有由该分离单元产生的气体。
-将该富含一氧化碳的气体在产物压缩机中压缩并送到客户，并且如果从该源接收的合成气流低于该阈值并且待压缩的富含一氧化碳的气体的流低于另一个阈值，则将气态氮气送到该产物压缩机以与该富含一氧化碳的气体一起压缩。
-如果从该源接收的合成气流低于阈值，则将富含从另一个不是该分离单元的源接收的合成气的组分的气体送到该分离设备。
-将该富含一氧化碳的气体在压缩机中压缩，并且然后分成两部分，即一个用作产物的压缩部分和一个在该源下游再循环的压缩部分，和/或将该富含氢气的气体在压缩机中压缩，并且然后分成两部分，即一个用作产物的压缩部分和一个在该源下游再循环的压缩部分。
-只有当从该源接收并送到该压缩机的合成气流低于阈值或零时，才将所有富含一氧化碳的气体送到该源下游和该压缩机上游。
-只有当从该源接收并送到该压缩机的合成气流低于阈值或零时，才将所有富含氢气的气体送到该源下游和该压缩机上游。
-只有当从该源接收并送到该压缩机的合成气流低于阈值或零时，才将所有含有一氧化碳和氢气的残余气体送到该源下游和该压缩机上游。
-残余气体含有甲烷和任选地氮气和/或氩气。
-残余气体中氢气和一氧化碳的总百分比低于98mol％
-以下三种气体中的每一种的至少一部分：该富含一氧化碳的气体，该富含氢气的气体和该含有一氧化碳和氢气的残余气体，仅在该压缩机中压缩。
特别地，在当通过压缩机在低温蒸馏设备的上游压缩合成气的情况下(例如，如当合成气由来自产生乙炔的单元的残余气体(称为“乙炔废气”)流组成时)，合成气压缩机用于再循环由低温蒸馏设备产生的流体，以便：
1)保持足够的流到低温蒸馏设备以补充由上游单元产生的合成气流并且能够产生小于低温蒸馏设备的技术最小值的CO流。
2)保持低温蒸馏设备在运行中，包括在停止生产合成气的单元期间，在这种情况下，低温蒸馏设备将仅供应有再循环的气体，直到由上游单元产生的合成气再次可用。
-为确保在合成气不可用的时间期间为客户供应CO，将CO分子的液体储存设施增加到低温蒸馏设备中。在整个来自低温蒸馏设备的供应中断期间，将该CO蒸发。
-为了补偿蒸发的开始时间，可以添加用于气态CO的缓冲罐。实际上，将由低温蒸馏设备产生的气体然后再循环，并且客户所需的气体将然后来自安装在CO生产线上的控制阀上游的该缓冲罐，并将在高于消耗CO的单元所需的压力的压力下运行。
-为了补偿再循环管道的阀门的断开时间，可以增加高压缓冲罐，其将由AOG压缩机的出口进料并且将连接到压缩机的入口。因此，该缓冲罐将能够补偿阀门关闭的瞬时情况的第一秒以及压缩机和/或CO2提取系统水平处的非常轻微的泄漏。
-氮气可任选地在CO压缩机的入口处注入以平衡压缩机水平处的泄漏。然而，将优选通过补充来自液体CO罐的气态CO缓冲罐的外部分子来补偿CO压缩机的损失。
实际上，添加氮气会降低所产生的CO的品质。
这些想法结合在一起意味着始终可以保持向客户的CO生产流，包括在合成气产生单元的短暂停止期间，并且因此通过减轻用于产生合成气的装置的供应的中断来保护用于最终客户的装置。
本发明将参考图1至3更详细地描述，这些图示出了根据本发明的方法。
在图1中，合成气1接收自合成气产生单元，例如重整单元(例如SMR或ATR)或部分氧化单元，该单元例如产生乙炔。合成气1含有一氧化碳、二氧化碳、氢气以及任选地甲烷和氮气。
将气体1通过压缩机3压缩以形成压缩气体5。将压缩气体5送到氢化处理单元7用于除去氧气和不饱和烃，产生流9。将流9送到CO2净化单元13，例如通过用胺洗涤，产生富含CO2的吹扫流11和贫CO2的合成气流15。将流15送到用于通过吸附进行CO2净化的单元17用于除去剩余的CO2。将净化掉CO2的合成气19送到低温蒸馏单元21，在该低温蒸馏单元中将合成气冷却并且然后在至少一个蒸馏柱中分离，包括例如用甲烷洗涤和/或部分冷凝和/或用一氧化碳洗涤的步骤。
低温蒸馏单元21产生富含一氧化碳的气体流26，富含氢气的气体27和含有一氧化碳和氢气的残余气体23，该残余气体比气体26在一氧化碳纯度方面更低并且比气体27在氢气纯度方面更低。残余气体23优选地含有甲烷和任选地氮气和/或氩气。优选地，残余气体中氢气和一氧化碳的总百分比低于98mol％。
将富含一氧化碳的气体流26在压缩机33中压缩。将从压缩机33的出口接收的气体流31返回低温蒸馏单元21。流37表示富含一氧化碳的气体从压缩机33的损失。来自压缩机33的中间阶段的气体在部分39中形成产物。
如果从合成气源接收的合成气流为零，则将这三种产物23、27、39全部返回净化。氢气和残余气体必须在压缩机3中压缩，但是将一氧化碳可以在压缩机33中压缩到所需的压力并且再循环到压缩机3的下游。因此，将气体23和27必须送到压缩机3的上游，而气体26可以在压缩机3的上游或下游再循环。
如果从源接收的合成气流不为零但低于阈值，则富含一氧化碳的气体的x％、富含氢气的气体的y％和残余气体的z％的百分比可以返回到净化单元并且然后低温分离。百分比x、y和z优选是相同的，但可以相差小于5％。
当将至少一部分来自压缩机33的一氧化碳再循环时，气态氮气35可以在压缩机33的中间水平或在入口处注入以补偿从压缩机的泄漏。
图2与图1的不同之处在于，将富含氢气的流30从吸附单元17(除去水和CO2)送到通过吸附净化的设备41。此设备41产生富含氢气的气体43。
将从设备41接收的贫氢气的气体47与来自设备21的残余产物49混合，并在压缩机53中压缩以在压力下供应残余气体。
因此，如果来自源的合成气1不再产生或以减少的量产生，则至少一些来自低温蒸馏设备21的产物再循环到压缩机3的上游，任选地在另外的处理步骤之后。除了来自压缩机33的中间阶段的气体的剩余部分51或代替气体51，富含氢气的产物43的至少一部分45和/或从压缩机53接收的残余气体的至少一部分55可以再循环到压缩机3的上游。残余气体55优选地含有甲烷和任选地氮气和/或氩气。优选地，残余气体中氢气和一氧化碳的总百分比低于98mol％。
图3与图1的不同之处在于，合成气的一部分4是对于部分4在压缩机3的中间压力下和对于部分4在后者的最终压力下获得的，并且不在单元7、13、17、21中进行处理。将部分4在压缩机3的最终压力下送至被称为PSA的吸附分离单元16，在该单元中将其净化以形成富含氢气的流52。将来自吸附分离单元16的贫氢气的残余产物18与来自低温设备21的残余气体49混合，并且将该混合物在压缩机22中压缩以形成气体燃料20。合成气的部分12可以与气体燃料20混合。
如果从源接收的合成气1不再产生或以减少的量产生(低于阈值)，则将至少以下三种气体再循环，在合成气源的下游以及任选地在压缩机3的上游：
i)从低温蒸馏设备21接收的富含一氧化碳的气体39的至少一部分51。
ii)从吸附分离单元16接收的富含氢气的气体的至少一部分45。
iii)从低温蒸馏设备和/或吸附分离单元16接收的含有氢气和/或一氧化碳的残余气体的至少一部分14，比气体51在一氧化碳纯度方面更低并且比气体45在氢气纯度方面更低，以及任选地还有
iv)从压缩机3下游获得的压缩合成气的一部分6，其当合成气流高于阈值时储存在储存设施8中并通过管10和阀返回。
残余气体14优选地含有甲烷和任选地氮气和/或氩气。优选地，残余气体中氢气和一氧化碳的总百分比低于98mol％。
优选地，再循环气体的百分比差别很小，用于通过混合不同的产物45、51、14来重构合成气。
为了确保为客户提供足够的一氧化碳，可以在蒸馏设备21内使用液态一氧化碳罐24和/或通过管36从压缩机33进料的气态一氧化碳罐38用于供应缺乏的一氧化碳。来自储存设施24的液体在汽化器25中汽化。
特别地，如果实时产生的大部分或全部一氧化碳用于再循环，则储存在罐24或38中的一氧化碳可以使得供应给客户成为可能。因此，例如，如果合成气1短缺，阀40将打开以从储存设施38向客户供应一氧化碳。
在优选的变型中，其可以使用存在的管道或通过增加必要的储存设施用于图1至3中的所有方法，再循环如下进行。
首先，合成气流下降到低于阈值或停止。首先，我们开始为至少两种通过处理合成气产生的流体打开再循环阀。
将合成气从储存设施8(或如果其体积和其压力允许的话，从压缩机3下游的管)再循环到压缩机3的上游。
一旦再循环阀打开，至少将以下三种气体再循环，在合成气源的下游以及任选地在压缩机3的上游：
i)从低温蒸馏设备21接收的富含一氧化碳的气体39的至少一部分51。
ii)从吸附分离单元16接收的富含氢气的气体的至少一部分45。
iii)从低温蒸馏设备和/或吸附分离单元16接收的含有氢气和/或一氧化碳的残余气体的至少一部分14，比气体51在一氧化碳纯度方面更低并且比气体45在氢气纯度方面更低，以及任选地还有
iv)从压缩机3下游获得的压缩合成气的一部分6，其当合成气流高于阈值时储存在储存设施8中并通过管10和阀返回。
在某些情况下，由通过洗涤和/或蒸馏以及任选地通过吸附单元的分离设备组成的分离设备的整个生产在合成气压缩机的上游再循环。
对于所有附图，还可以在合成气压缩机3的下游再循环富含一氧化碳的气体51。在这种情况下，气体51可以在压缩机3的出口压力下获得。
还可能的是再循环至少两种产物，并且还将从除分离设备外的外部源获得的富含合成气组分的气体2送到合成气压缩机的上游或下游。该气体2可以是从管道获得的天然气或来自另一个源的合成气。

Claims (15)

1.一种用于分离含有一氧化碳和氢气的合成气的方法，其中：
i)将从合成气源接收的合成气(1)流在压缩机(3)中压缩，
ii)将该压缩的合成气(15)在净化单元(17)中净化以将其净化掉水和/或二氧化碳，
iii)将该压缩且净化的合成气流冷却，
iv)将该冷却的合成气流通过在低温温度下洗涤和/或蒸馏并且任选地通过在分离单元(16，21，41)中吸附来分离，并且
v)在该分离单元中产生至少以下三种气体：富含一氧化碳的气体(26)，富含氢气的气体(43)，含有一氧化碳和氢气的残余气体(32，47)，该残余气体比该富含一氧化碳的气体在一氧化碳纯度方面更低并且比该富含氢气的气体在氢气纯度方面更低，以及任选地还有富含甲烷的气体和/或富含氮气的气体，并且
vi)只有当从该源接收并送到该压缩机的合成气流低于阈值或零时，将以下三种气体中的每一种的至少一部分：该富含一氧化碳的气体(26)、该富含氢气的气体(43)和该含有一氧化碳和氢气的残余气体(32，47)，送到该源下游，以在该净化单元中净化并在该分离单元中分离，其特征在于，将该三种气体中的至少一部分送到该压缩机上游以在净化上游在该压缩机中压缩。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
a)在从该源接收的合成气流高于该阈值时，储存压缩的合成气(6)，并且
b)将预先储存的该压缩的合成气的至少一部分以及步骤v)中的前三种气体中的至少每一种的至少一部分送到该源下游以及任选地该压缩机上游，以在该净化单元中净化并在该分离单元中分离。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，只有当从该源接收的合成气(1)流低于该阈值时，或甚至当没有流来自该源时，将步骤v)中的三种气体(26，32，43，47)中的至少每一种的至少一部分送至该源下游和该压缩机(3)上游。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其中，当从该源接收的合成气(1)流低于阈值时，将仅x％的该富含一氧化碳的气体、y％的该富含氢气的气体和z％的该残余气体送到该分离单元(16，21，41)，x、y和z相差至多5％。
5.如前述权利要求之一所述的方法，其中，如果从该源接收的合成气(1)流高于该阈值，则将该富含一氧化碳的气体的一部分(36)储存在储存设施(38)中并且将其余的该富含一氧化碳的气体送到客户，并且如果该合成气流低于该阈值，则将从该储存设施接收的该富含一氧化碳的气体送到客户。
6.如权利要求5所述的方法，其中，如果从该源接收的合成气(1)流低于该阈值，则送到客户的所有富含一氧化碳的气体来自该储存设施(38)，并且任选地将直接从该分离单元(16，21，41)接收而不传递通过该储存设施(38)的所有富含一氧化碳的气体送到该压缩机(3)上游和该源下游。
7.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该合成气(1)是来自乙炔生产单元的残余气体。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其中，如果从该源接收的合成气(1)流高于该阈值，则将该合成气的一部分储存在储存设施(8)中，并且如果从该源接收的合成气(1)流低于该阈值，则将该合成气从该储存设施送到该压缩机(3)。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其中，如果从该源接收的合成气(1)流为零，则该分离单元(16，21，41)仅供应有由该分离单元产生的气体。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其中，将该富含一氧化碳的气体在产物压缩机(33)中压缩并送到客户，并且如果从该源接收的合成气(1)流低于该阈值并且待压缩的富含一氧化碳的气体流低于另一个阈值，则将气态氮气(35)送到该产物压缩机以与该富含一氧化碳的气体一起压缩。
11.如前述权利要求1至8或10之一所述的方法，其中，如果从该源接收的合成气(1)流低于阈值，则将富含从另一个不是该分离单元的源接收的合成气(2)的组分的气体送到该分离单元(16，21，41)。
12.如前述权利要求之一所述的方法，其中，将该富含一氧化碳的气体(26)在产物压缩机(33)中压缩，然后分成两部分，即一个用作产物的压缩部分(39)和一个在该源下游再循环的压缩部分(51)，和/或将该富含氢气的气体在产物压缩机(22)中压缩，然后分成两部分，即一个用作产物的压缩部分(20)和一个在该源(43)下游再循环的压缩部分(14)。
13.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该残余气体(32，47)含有甲烷和任选地氮气和/或氩气。
14.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该残余气体(32，47)中的氢气和一氧化碳的总百分比低于98mol％。
15.如前述权利要求之一所述的方法，其中，将以下三种气体中的每一种的至少一部分：该富含一氧化碳的气体(26)、该富含氢气的气体(43)和该含有一氧化碳和氢气的残余气体(32，47)，仅在该压缩机(33)中压缩。
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