CN111306892A - 用于纯化富含氢的气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在用于分离富含氢，还包含氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃的混合物(1)的方法中，该混合物在相分离器(9)中分离，以形成富含氢但减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃的气体流(11)，并且至少将气体流的第一部分(2)在热交换器中再加热，以作为富含氢的第一产物，将该流的第二部分(13)送至洗涤塔(17)，其顶部气体构成第二产物(3、8)。

Description

用于纯化富含氢的气体的方法和设备
本发明涉及一种用于纯化富含氢的气体的方法和设备，所述富含氢的气体例如包含至少60摩尔％的氢，优选至少80摩尔％的氢，实际上甚至至少90摩尔％的氢。
富含氢的气体可以包含各种化合物如CO、甲烷、氩和任选的至少一种比甲烷重的烃；可以在冷箱中使用氮洗涤方法将其纯化。处理后，氢包含少量的CO、甲烷、氩等；另一方面，其富集了氮。
氮洗涤方法通常只产生一种氢。
当有可能向处理过的氢中添加氮时，氮洗涤方法是相关的。例如，用于合成氨的工厂就是这种情况。对于此类工厂，合成气为H2和N2的混合物。因此，氮洗涤方法使得可以同时纯化氢和贡献氮以得到合适的N2/H2混合物(H2/N2比为3/1)。
如果纯净气体中必须不含氮，则不宜使用氮洗涤方法。
如果希望产生两种类型的氢，含氮的氢和不含氮的氢，则将氢在冷箱的上游分离。未送入冷箱的氢不在氮洗涤方法中富集氮；另一方面，它不通过除去CO、甲烷或氩而纯化。
本发明使得可以生产两种类型的氢：含氮的纯化氢(例如用于合成氨的工厂)和不含(或不含很多)氮的纯化氢(例如用于合成甲醇的工厂)。
作为相对于现有技术的改进，本发明有助于减少没有富集氮的H2中的杂质。该H2可以例如用于合成甲醇。杂质(特别是惰性化合物中的杂质)的减少，使得可以提高合成氨的效率。
自二十世纪六十年代以来就开始使用氮洗涤方法，例如US3312075或US4765814中的方法。如上所述，它可以用于处理基于H2的气体，所述基于H2的气体随后会向用于合成氨的工厂供料。
本发明提供了一种氮洗涤方法，其使得可以产生两种类型的氢：
·通过氮洗涤方法“常规地”产生的氢，也就是说，氢中的典型杂质(例如一氧化碳和/或甲烷和/或氩)减少，但另一方面富集了氮。通过遵循上述“现有技术”部分中所述的不同阶段来生产该氢。
·减少了包括氮在内的杂质的氢。通过将气体冷却至低温来产生该氢。气体的一部分被冷凝，杂质在液相中浓缩，并且气相富集了H2。
所提供的方法包括通过低温热交换器将进料流冷却至约-182℃的温度。气体的一部分被冷凝。随后在相分离器中将冷凝物与气相分离。从相分离器离开的气相富含氢，并且减少了杂质(例如一氧化碳和/或甲烷和/或氩等)。随后将该气相分离成两部分：氢的一部分被送至氮洗涤塔，另一部分在低温热交换器中再加热。该第二部分构成“没有富集氮”的氢。
送入氮洗涤塔的氢以纯化形式从塔顶回收。在这一基础情况下，氢在贡献液体氮之前在交换器中再加热。
气体在氮和氢混合时被冷却。混合物因此在换热器的较冷的点重新引入。
应当注意，如情况可能的，在贡献氮之前，可以将H2再加热至中间温度(在-182至30℃之间)。
在洗涤塔底部回收的液体(富含氮的液体)的压力降低。
单元的制冷平衡由液体氮的贡献提供。降低LN2的压力，然后使其与在洗涤塔底部回收的液体混合。随后将混合物在低温交换器中再加热。
也降低进料流冷却后回收的冷凝物(富含甲烷的冷凝物)的压力，并将其送入低温交换器。
根据本发明的主题，提供一种用于分离富含氢并且包含氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃和任选的氮的混合物的方法，其中：
a.使混合物在热交换器中冷却，
b.使混合物的至少一部分冷凝以形成两相流，在相分离器中分离气体以形成富含氢但减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃的气体流，并且将该气体流的第一部分在热交换器中再加热，以作为富含氢的第一产物，
c.将该气体流的第二部分，实际上甚至是其余部分，或混合物的其余部分，送至洗涤塔，
d.将液体氮流送到洗涤塔的顶部，
e.从洗涤塔顶部排出富含氢、减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃并且包含氮的气体，该气体在热交换器中再加热以用作第二产物，任选地在将其与液体氮和/或气态氮混合后；和
f.液体流从洗涤塔的底部离开。
根据其他任选方面：
·第一产物包含少于5摩尔％的氮，实际上甚至少于1摩尔％的氮。
·第二产物比第一产物包含更少的甲烷和/或氩和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃。
·第一产物比第二产物包含更少的氮。
·从洗涤塔的顶部排出的富含氢的气体包含超过1摩尔％的氮，优选超过5摩尔％的氮。
·使来自相分离器的液体减压，在另外的相分离器中分离，来自该另外的相分离器的气体和液体在热交换器中再加热。
·冷冻至少主要(优选完全)通过将来自外部来源的液体氮输送至该方法的相分离器中提供。
·使来自洗涤塔底部的液体流在阀中减压，并与来自储存罐的液体氮流混合，将混合物送入相分离器，使来自分离器的气体和液体在热交换器中再加热。
·改变待与来自洗涤塔底部的液体流混合的液体氮流，以调节输送给系统的冷量。
根据本发明的另一主题，提供了一种工业方法，其包括如上所述的方法，并且还提供了用于由上述方法的第一产物提供进料的合成甲醇的方法以及用于由上述方法的第二产物提供进料的合成氨的方法。
根据本发明的另一主题，提供一种用于分离富含氢并且包含氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃和任选的氮的混合物的设备，其包括热交换器，相分离器，洗涤塔，用于将待冷却和待部分冷凝的混合物送入热交换器的装置，用于将部分冷凝的混合物的至少一部分送至相分离器的装置，用于输送来自相分离器的待作为第一产物在交换器中再加热的气体的一部分的装置，用于输送来自相分离器的气体的第二部分、实际上甚至其余部分、或混合物的一部分至洗涤塔的装置，用于将液体氮流送至洗涤塔顶部的装置，用于将富含氢、减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃并且包含氮的气体从洗涤塔顶部排出的装置，用于输送富含氢的待在热交换器中再加热以用作第二产物(任选地将其与液体氮混合后用作第二产物)的气体的装置，以及用于将液体流从洗涤塔底部排出的装置。
根据本发明的另一形式，提供一种单元，该单元包括如上所述的设备，用于合成甲醇的单元，用于合成氨的单元，用于将第一产物输送至用于合成甲醇的单元的装置，和用于将第二产物送至用于合成氨的单元的装置。
以下将参照表示根据本发明的方法的[图1]、[图2]、[图3]和[图4]更详细地描述本发明。
[图1]显示了用于生产两种产物2、3的方法。富含氢的气体流1，其包含至少60摩尔％的氢，优选至少80摩尔％的氢，实际上甚至至少90摩尔％的氢，还包含氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃和任选的氮。在下面的物料平衡中给出了一个组成实例。
将流1在热交换器23中从40℃冷却至-70℃，然后在热交换器25中从-70℃冷却至-182℃。将其在52巴的压力下输送并部分冷凝至相分离器9。来自该分离器9的气体11被分成两部分。第一部分2用作相对于流1富集了氢并且减少了氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃并且任选地减少了氮的第一产物。
将第二部分13，即流11的其余部分，输送至洗涤塔17的底部，在这里用注入塔顶的液体氮流21洗涤。通过在交换器23、25中冷凝来自外部来源的气态氮4来产生该氮21。
其结果是，相对于流1，气体流8的氢略减少，但氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃也减少。另一方面，由于该洗涤，其富集了氮，例如，其含量实际上为10摩尔％。
该富含氢的第二产物8可以与气态或液体氮19混合，例如以便形成适于转化成氨的氮和氢的混合物3。
使来自塔17的底部液体10在阀V1中减压，并与源自储存罐并由阀V2调节的液体氮流7混合。混合物被送至相分离器27。将来自分离器27的液体31和气体29混合并在交换器23、25中再加热。形成的混合物5富含氮(实际上约50摩尔％)，并且可以用作燃料。
由此，通过将液体氮21送至洗涤塔17并将液体氮7送至来自洗涤塔的塔底液体来向系统中添加液体氮。由此，可以通过改变流7来调节输送至系统的冷量，而不会干扰洗涤塔17的操作。
使来自分离器9的底部液体15在阀V3中减压并输送至相分离器33。使来自分离器33的液体35在交换器25中蒸发并与来自分离器33的再加热气体37混合，以形成作为燃料的富含甲烷的流6。
将液体氮19在交换器23中冷却并在交换器25中稍微冷却之后添加到流8中。液体氮和气体的混合物在比混合前的液体或气体的温度低的温度下返回交换器25。
优选地，第二产物8比第一产物2包含更少的甲烷和/或氩和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃。
优选地，第一产物2比第二产物8包含更少的氮。
由此，该方法使得可以生产包含非常少的氮(在实例中，小于1摩尔％)但富含氢的第一产物2，以及富含氢但也包含氮的第二产物8。
通过从外部来源输送液体氮7来提供该方法的冷行为。在涡轮中没有流的压力降低。
可以将根据该方法操作的设备结合进包括用于合成甲醇的单元和用于合成氨的单元、连接以将第一产物输送至用于合成甲醇的单元的装置和连接以将第二产物送到用于合成氨的单元的装置的单元中。
以下表1显示了图1的实施方案中的物料平衡。
物料平衡
[表1]
Figure BDA0002312473720000061
[图2]显示出了[图1]的另一形式，其中部分冷凝的混合物的一部分28在中间高度处从交换器25离开并且被输送到相分离器9’。将来自分离器9’的液体15在阀V3中减压后输送至分离器33。将来自分离器9’的气体分成两部分，将一部分30在交换器25的中间高度处返回混合物1，并将其余部分2在交换器25、23中再加热以作为第一产物2。
将冷却到交换器25的冷端的混合物作为流11进料至塔8。
[图3]显示出了[图1]的另一形式，其中将冷凝的混合物的一部分28在中间高度处从交换器25离开并且输送至相分离器9’。将来自分离器9’的液体15’在阀中减压后送至分离器33。来自分离器9’的气体30在交换器25的中间高度处返回混合物1。
将冷却到交换器25的冷端的混合物部分冷凝并输送至相分离器，来自相分离器的气体11部分作为产物2，并且部分作为流13进料至塔8。
[图4]显示出了[图1]的另一形式，其中将液体氮19在两个交换器23、25中冷却至冷端后添加到流8中。

Claims (11)

1.一种用于分离富含氢且包含氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃和任选的氮的混合物(1)的方法，其中：
·使混合物在热交换器(23、25)中冷却，
·使混合物的至少一部分冷凝以形成两相流，气体在相分离器(9、9’)中分离，以形成富含氢但减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃的气体流(11)，并且至少气体流的第一部分(2)在热交换器中再加热，以作为富含氢的第一产物，
·将气体流的第二部分(13)、实际上甚至是其余部分，或混合物(11)的其余部分送至洗涤塔(17)，
·将液体氮流(21)输送至洗涤塔的顶部，
·使富含氢、减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃并且包含氮的气体从洗涤塔的顶部排出，将该气体在热交换器中再加热以作为第二产物(8)、任选在将其与液体氮(19)和/或气态氮混合后作为第二产物(8)，以及
·使液体流(10)从洗涤塔底部排出。
2.根据权利要求1的方法，其中第一产物(2)包含少于5摩尔％的氮，实际上甚至少于1摩尔％的氮。
3.根据权利要求1或2的方法，其中与第一产物(2)相比，第二产物(8)包含更少的甲烷和/或氩和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一产物(2)比第二产物(8)包含更少的氮。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中从所述洗涤塔的顶部排出的富含氢的气体(8)包含大于1摩尔％的氮，优选大于5摩尔％的氮。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，将来自所述相分离器(9、9’)的液体(15、15’)减压，将其在另外的相分离器(33)中分离，并且来自该另外的相分离器的气体(37)和液体(35)在热交换器(23、25)中再加热。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，通过将液体氮(7)从外部来源输送至所述方法的相分离器(27)中来提供制冷、优选主要通过将液体氮(7)从外部来源输送至所述方法的相分离器(27)中来提供制冷。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中使来自所述洗涤塔(17)的底部的所述液体流(10)在阀(V1)中减压，并且与源自储存罐的液体氮流(7)混合，将混合物送入相分离器(27)，并且将来自分离器(27)的气体(29)和液体(31)在热交换器(23、25)中再加热。
9.一种工业方法，其包括根据前述权利要求中任一项的方法，以及由根据前述权利要求中任一项的方法的第一产物(2)进料的用于合成甲醇的方法，以及由根据同一权利要求的方法的第二产物(3、8)进料的用于合成氨的方法。
10.一种用于分离富含氢并且包含氩和/或一氧化碳和/或甲烷和/或至少一种比甲烷重的烃和任选的氮的混合物的设备，包括热交换器(23、25)，相分离器(9、9’)，洗涤塔(17)，用于将待冷却并部分冷凝的混合物输送至热交换器的装置，用于将部分冷凝的混合物的至少一部分(28)输送至相分离器的装置，用于输送来自相分离器的气体的至少第一部分以作为第一产物(2)在交换器中再加热的装置，用于将来自相分离器的气体的第二部分(13)、实际上甚至其余部分或混合物(11)的一部分输送至洗涤塔的装置，用于将液体氮流输送至洗涤塔的顶部的装置，用于使富含氢、减少了氩和/或甲烷和/或一氧化碳和/或至少一种比甲烷重的烃并且包含氮的气体(8)从洗涤塔的顶部离开的装置，用于将富含氢的气体送入热交换器中再加热以用作第二产物(3)、任选在将其与液体氮(19)混合后用作第二产物(3)的装置，以及用于使液体流从洗涤塔底部排出的装置。
11.一种单元，其包括根据权利要求10的设备，用于合成甲醇的单元，用于合成氨的单元，用于将所述第一产物输送至所述用于合成甲醇的单元的装置，以及用于将所述第二产物输送至所述用于合成氨的单元的装置。
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