CN1252517A - 生产一氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

一种低温分离至少含有氢气、一氧化碳和甲烷的混合物的设备,包括两个相分离器(A,H),两个换热器(D,K)和两个汽提塔(B,I)。在第一换热器中冷却的混合物被输送到相分离器中,至少一部分冷凝馏分被输送到第一汽提塔(B)。至少一部分来自汽提塔的馏头气体被输送到第二相分离器(H),所生产的液体被输送到第二汽提塔(I)的塔顶。来自第一汽提塔底部的液体可以输送到纯化塔(C)。

Description

生产一氧化碳的方法
本发明涉及一种分离含有氢气、一氧化碳以及少量杂质(甲烷和惰性气体)的气体混合物，以生产氢气和一氧化碳纯产品的方法和设备。
在被称之为“部分冷凝”的常规方法中，从气体混合物中分离出来的氢气，在冷却到低温后，被膨胀到约5-10巴的压力，提供致冷作用以保持设备处于冷状态，同时使气体混合物冷却到低于-200℃。这种类型的设备描述在UA-A-4,217,759中，使用至少4个塔以生产一氧化碳，其产率为95％，纯度约99％。氢气的产率为约99.9％，纯度约95％。
本发明的目的是通过减少用于分离步骤的塔的数目以简化这一方法和设备，同时保持高纯度和高产率。因此，通常设置在过程最前部的洗涤塔和一氧化碳/甲烷蒸馏塔被省略了。
本发明的另一目的是在氢气纯度和一氧化碳产率相同的条件下保证设备中的最低温度高于常规方法中的最低温度。
DE-A-2,460,515描述了一种含甲烷氢气的分离设备，该设备包括第一分离器，接受来自第一分离器的气体的第一汽提塔，将馏头气体输送到第二分离器的装置，将来自第二分离器的液体输送到其进料为来自第一分离器的液体的第二汽提塔的装置。
EP-A-0,017,174描述了一种分离一氧化碳、氢气和甲烷混合物的设备，其中混合物被部分冷凝，冷凝部分被输送到第一汽提塔的塔顶。来自该汽提塔塔顶的气体被冷却并输送到第二相分离器中。液体部分被输送到第二塔。第二塔的塔底液体被输送到第三塔的塔顶，来自第一相分离器的未冷凝部分被输送到第三塔的底部。
本发明的目的还在于提供一种设备，由于无需任何致冷装置，其投资成本比现有技术低。
在某些情况下，本发明可以实现氢气的完全回收，并在比常规方法更高的压力下获得氢气。
为了这一目的，本发明主题是一种从主要含有一氧化碳、氢气和甲烷的混合气体中分离一氧化碳和氢气的方法，该方法包括以下步骤：
—冷却要处理的气体混合物，使之部分冷凝；
—在第一相分离器中将混合物中的冷凝部分与主要含有氢气的未冷凝部分相分离；
—将冷凝部分中的至少一部分输送到第一汽提塔以便在塔顶生产含有氢气的气相馏分，在塔底生产含有一氧化碳和甲烷的液相馏分；
—将来自第一汽提塔的馏头气体的至少一部分输送到第二换热器以部分冷凝，形成两相流体；
—在第二相分离器中将两相流体分离成冷凝部分和主要含有氢气的未冷凝部分；
—将冷凝部分中的至少一部分输送到第二汽提塔以便在塔顶生产富含氢气的气态馏分，在塔底生产富含一氧化碳的液态馏分，其特征在于未冷凝馏分被升温并循环到要处理的混合物中，或排放。
来自第一汽提塔的液态馏分的至少一部分可以输送到纯化塔，在塔顶生产基本上纯净的一氧化碳，在塔底生产富含甲烷的液体。
视具体情况而定，来自第一汽提塔(B)的馏头气体的一部分和或/来自第一相分离器的富含氢气的气体的至少一部分被输送到渗透单元或吸附单元，富含一氧化碳的气体被从渗透单元或吸附单元输送到要处理的气体混合物中。
另外，来自第一汽提塔的一部分馏头气体被循环到要处理的气体混合物中，而不经过渗透或吸附单元。
如果要处理的混合物的压力高，分离所需要的能量完全由起始混合物的焦耳-汤姆逊(Joule-Thomsom)膨胀提供。因此，设备不包括膨胀透平，甚至不包括膨胀循环气体的透平。
如果情况不是这样，分离所需的一部分能量由要处理的气体混合物与致冷液体之间的换热提供，或者通过向一个塔中注入致冷液体，或利用使用自主(autonomous)致冷剂的致冷循环提供。
否则，来自第二相分离器的未冷凝部分可以在透平中膨胀。
要处理混合物中的最多15％，优选最多10％被输送到第二相分离器。
优选地，要处理的混合物含有少于1％的甲烷。
第一汽提塔的馏头气体可以含有60-80％的氢气，优选71-74％的氢气。
第一汽提塔的底部液体可以含有95-99.9％的一氧化碳，优选含有98.8-99.1％的一氧化碳。
本发明的主题还是一种从主要含有一氧化碳、氢气以及少量甲烷和杂质的气体混合物中生产一氧化碳和氢气的设备，该设备包括：
·第一换热器，第一相分离器，第一汽提塔，在第一换热器中冷却要处理气体混合物的装置，向第一相分离器引入至少一部分冷却的气体混合物并从其中排出主要包括氢气的气相部分和液相部分的装置，将液相部分中的至少一部分输送到汽提塔并从其中排出主要包括一氧化碳和甲烷的液体的装置；
·第二换热器，第二相分离器，第二汽提塔，将至少一部分来自第一汽提塔的馏头气体输送到第二换热器再输送到第二相分离器的装置，将至少一部分来自第二相分离器的冷凝部分输送到第二汽提塔的装置，和从第二汽提塔排出富含氢气的气体和富含一氧化碳的液体的装置，其特征在于：包括加热来自第一相分离器的气态部分的装置。该设备可以包括纯化塔和将至少一部分来自第一汽提塔底部的液体输送到纯化塔顶部的装置和排出富含一氧化碳的馏头气体和富含甲烷的塔底液体的装置。
优选地，来自第二相分离器的液体被输送到第二汽提塔的顶部。
该设备可以包括通过渗透或吸附分离气体的装置，将一部分来自第一汽提塔的馏头气体和/或至少一部分来自第一相分离器的未冷凝部分输送到渗透或吸附分离装置的装置—这一气体被混合以生产富含一氧化碳的气体馏分，将这一馏分返回到要处理的混合物中的装置。
该设备可以包括使用自主致冷剂的致冷循环和/或透平，和向透平中输送来自第二相分离器的未冷凝部分的装置。
在某些情况下，第一汽提塔没有塔顶冷凝器，第二汽提塔没有塔底再沸器。
来自第一汽提塔的馏头气体也可以与来自第一相分离器的富含氢气的气体在渗透或吸附单元上游混合。仅有富含一氧化碳的气体部分被循环回进料气体中。
视具体情况而定，来自第一汽提塔的馏头气体可以循环到起始气体中，而不通过渗透单元或吸附单元。
如果起始混合物的压力足够高，分离所需的能量完全通过起始混合物的焦耳-汤姆逊膨胀提供。
如果情况不是这样，分离所需的一部分能量由起始混合物与致冷液体之间的换热提供和/或利用使用自主致冷剂的致冷循环提供。
该装置可以包括将至少一部分来自第一汽提塔的馏头气体输送到渗透或吸附分离装置的装置—这一气体与富含一氧化碳的气体部分混合，和/或将至少一部分来自第一汽提塔的馏头气体循环回要处理的气体混合物的装置。
它可以包括使用自主致冷剂的致冷循环。
在这种情况下，致冷的使用被限制在过程的最冷部分，它仅处理一部分原始气体混合物(约10％)。
在本发明方法的某些过程中，不再需要如上所述将要处理的气体冷却到-200℃-对本发明分离方法而言冷却到-175℃就足够了。
总之，与这一分离过程的已知方法相比，本发明设备的投资要低约12％。
通过结合附图进行描述，本发明的其它特征和优点将更清楚，其中
—图1是说明分离操作原理的流程图，和
—图2是说明本发明一种实施方案分离操作原理的流程图。
在图1所述系统中，除氢气和一氧化碳外，合成气体混合物1还含有残余的甲烷。这一混合物的特征是含有50-70摩尔％的氢气，15-45摩尔％的一氧化碳，0.2-0.6摩尔％的甲烷，以及少量的杂质。
要处理的气体混合物的压力为60巴，沿管线2达到换热器D，并在其中冷却至约-175℃的温度，离开时已部分冷凝。从第一相分离器A排出液相馏分和气相馏分。气相馏分含有几乎全部氢气，在输送到渗透单元F之前，在第一换热器D中升温，渗透单元F生产富含一氧化碳的残余物4和压力为20巴的纯氢气渗透物3。
主要含有氢气和一氧化碳的所有液体馏分在阀中膨胀，以降低压力，全部引入压力为20巴的第一汽提塔B的塔顶。
来自塔B的闪蒸气体含有氢气，在换热器D中升温。
来自塔B的所有液体，为-151.7℃，主要由一氧化碳组成，在-177.7℃下膨胀，在4巴的压力下，作为唯一的进料输送到纯化塔C的塔顶以便生产作为塔顶气体的纯一氧化碳并且在塔底生产富含甲烷的液体。一氧化碳和含有甲烷以及重质杂质的塔底液体分别经管线5和7排放。并在换热器D中升温。
如果要处理的气体混合物可以在足够高的压力下获得，则可以省略任何致冷装置，因为热损失可以由对要处理气体产生的焦耳-汤姆逊效应补偿。
如果情况不是这样，可以在系统中附加致冷装置(如在换热器的冷端注入液氮，或设置如EP-A-677483中的独立致冷循环)。
汽提塔B和纯化塔C的底部通过在换热器D中并部分蒸发来自从底部数起第一块塔板的液体而被升温。
来自渗透单元F的富含一氧化碳的残余气体4，和来自汽提塔的闪蒸气体6分别由压缩机G、E再压缩，再注入进料气流中。
作为一种变型，闪蒸气体6可以在压缩后循环到渗透单元F的上游(物流8’，而不是物流8)。
该方法可以实现氢的完全回收，获得比常规技术中压力更高的氢气。
在图2中，设备与图1的相同，区别在于：
来自第一汽提塔B的馏头气体(约占要处理气体混合物的10％)不输送到换热器D，而是输送到第二换热器K，气体在其中冷却到-200℃的温度，离开时，已部分冷凝。在相分离器H中分离后，气相部分含有几乎所有的氢气，在换热器K中升温，在透平J(或两个串联的透平)中膨胀，然后，在换热器K和D中升温，从管线6排放。来自相分离器H的液相部分主要含有氢气和一氧化碳，在阀中膨胀以降低其压力，并作为第二汽提塔I的唯一进料在4巴下引入该塔的塔顶。来自汽提塔I的液体是纯一氧化碳，在第二换热器K中蒸发，与来自纯化塔C塔顶的纯一氧化碳混合，在换热器D中升温，并从管线5排出。
另外，来自塔C和I的两股一氧化碳物流可以在不同压力下回收。例如，来自塔I的液态一氧化碳可以在高压下在K中泵压和蒸发。
主要含有氢气的馏头气体在换热器K中升温，与来自塔C的含有甲烷和重质杂质的底部液体混合，并在第一换热器D中升温，从管线7排出。
很明显，在这种情况下，部分来自第一汽提塔的馏头气体可以在压缩和可能在分离步骤后循环到要处理的混合物中。
在这两种条件下，渗透分离单元F都可以用吸附分离单元来代替。

Claims (17)

1.一种由主要含有一氧化碳、氢气和甲烷的要处理气体混合物生产一氧化碳和氢气的方法，该方法包括：
—冷却要处理的气体(2)，使之部分冷凝；
—在第一相分离器(A)中将混合物中的冷凝部分和主要含有氢气的未冷凝部分分离；
—将冷凝部分中的至少一部分输送到第一汽提塔(B)，以便在塔顶生产含有氢气的气相馏分，在塔底生产含有一氧化碳和甲烷的液相馏分；
—将来自第一汽提塔(B)的馏头气体的至少一部分输送到第二换热器(K)以部分冷凝，形成两相流体；
—在第二相分离器(H)中将两相流体分离成冷凝部分和主要含有氢气的未冷凝部分；
—将冷凝部分中的至少一部分输送到第二汽提塔(I)，在塔顶生产富含氢气的气态馏分，在塔底生产富含一氧化碳的液态馏分，其特征在于未冷凝馏分被升温并循环到要处理的混合物中，或排放。
2.权利要求1所述的方法，其中至少一部分来自第一汽提塔(B)的的液体馏分被输送到纯化塔(C)，以在塔顶生产基本上纯净的一氧化碳，在塔底生产富含甲烷的液体。
3.权利要求1或2所述的方法，其中一部分来自第一汽提塔(B)的馏头气体和/或至少一部分来自第一相分离器的富含氢气的气体被输送到渗透单元或吸附单元，富含一氧化碳的气体被从渗透单元或吸附单元输送到要处理的气体混合物中。
4.权利要求1所述的方法，其中一部分来自第一汽提塔(B)的馏头气体未通过渗透单元或吸附单元即被循环到要处理的气体混合物中。
5.前述权利要求之一所述的方法，其中分离所需的能量完全由起始混合物的焦耳-汤姆逊膨胀提供。
6.权利要求1-4中任一项的方法，其中分离所需能量的一部分由要处理的气体混合物与致冷液体之间的换热提供，或通过向一个塔中注入致冷液体来提供。
7.权利要求1-4或6中任一项的方法，其中分离所需通量的一部分通过利用使用自主致冷剂的致冷循环提供。
8.前述权利要求中任一项的方法，其中包括在透平(J)中膨胀来自第二相分离器(H)的未冷凝部分的步骤。
9.前述权利要求中任一项的方法，其中要处理混合物中的最多15％被输送到第二相分离器(H)中。
10.一种由主要含有一氧化碳、氢气和少量甲烷和杂质的气体混合物生产一氧化碳和氢气的设备，该设备包括：
·第一换热器(D)，第一相分离器(A)，第一汽提塔(B)，在第一换热器中冷却要处理气体混合物的装置，向第一相分离器引入至少一部分冷却的气体混合物并从其中排出主要包括氢气的气相部分和液相部分的装置(1，2)，将液相部分中的至少一部分输送到第一汽提塔的装置和用于从其中排出主要包括一氧化碳和甲烷的液体的装置；
·第二换热器(K)，第二相分离器(H)，第二汽提塔(I)，将至少一部分来自第一汽提塔的馏头气体输送到第二换热器再输送到第二相分离器的装置，将至少一部分来自第二相分离器的冷凝部分输送到第二汽提塔的装置，和从第二汽提塔排出富含氢气的气体和富含一氧化碳的液体的装置，其特征在于：包括加热来自第一相分离器的气态部分的装置。
11.权利要求10所述的设备，其中包括纯化塔(C)和将至少一部分来自第一汽提塔底部的液体输送到纯化塔顶部的装置和排出富含一氧化碳的馏头气体和富含甲烷的塔底液体的装置。
12.权利要求10所述的设备，其中来自第二相分离器(H)的液体被输送到第二汽提塔(I)的顶部。
13.权利要求10或11所述的设备，其中包括通过渗透或吸附分离气体的装置(F)，将一部分来自第一汽提塔(B)的馏头气体和/或至少一部分来自第一相分离器(A)的未冷凝部分输送到渗透或吸附分离装置的装置(8’)—这一气体经过混合以生产富含一氧化碳的气体馏分，和将这一馏分输送回要处理的混合物的装置。
14.权利要求10、11或12所述的设备，其中包括使用自主致冷剂的致冷循环。
15.权利要求10、11、12或13所述的设备，其中包括透平(J)和将来自第二相分离器(H)的未冷凝部分输送到透平(J)的装置。
16.权利要求10-15之一所述的设备，其中第一汽提塔没有塔顶冷凝器。
17.权利要求10-16之一所述的设备，其中第二汽提塔没有塔底再沸器。
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