CN1940443A - 气体混合物的净化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过在洗涤柱中用液氮进行低温洗涤以在升高的压力下净化气体混合物的方法，其中送入所述洗涤柱中的氮被用作洗涤物和冷却源。送入所述洗涤柱中的所述氮的一部分以液态和低温的形式从低温空气分离器引出。

Description

气体混合物的净化方法
技术领域
本发明涉及一种通过在洗涤柱中用液氮进行低温洗涤以在升高的压力下净化气体混合物的方法，其中，送入洗涤柱的氮气被用作洗涤物和冷却源。
背景技术
在工业规模下，采用液氮的低温气体洗涤方法(氮洗涤)被特别应用于生产用于合成氨的原料气。氮洗涤中处理的气体是原始合成气，这种合成气通常通过汽化、自热转化或部分氧化由带电的碳氢化合物制备，继而进行冷却以通过冷凝去除水分，并在进行氮洗涤前，最后通过洗涤(例如甲醇或胺洗涤)和吸收的方法相结合去除诸如水汽和酸性气体等不需要的物质。在氮洗涤中，合成气特别包含氢气、一氧化碳和甲烷，在适用的情况下，也包含氩气和氮气，它依靠待加热的工业生产液流被进一步冷却，并利用输入的高压氮气在洗涤柱中洗涤。这种高压氮气以气态的形式获得，通常来自空气分离器，也是依靠待加热的工业生产液流被冷却以及液化。从洗涤柱的顶上出来的净化气体主要包括氢气和氮气，并只含有少量对氨合成催化剂有害的CO，以及上述的其它成分气体。在继而依靠待冷却的工业生产液流被加热之前或期间，净化气体中被加入了额外的氮气，目的是为了达到氨合成所需的氢气/氮气3mol/mol的化学计量比。如果需要，氢气/氮气混合物继而被送入合成气压缩机中，再被送到设备边界作为用于合成氨的原料气。洗涤柱的废料即所谓的尾气，如果需要，在进行氢回收的中间膨胀后依靠氮洗涤的原料气进行气化和加热。尾气以及含氢量低的部分尾气通常分别被送到合成气生产部件的底部燃烧。
如果采用甲醇洗涤方法从未处理的合成气中去除酸性气体，那么进入氮洗涤的合成气的温度在-60到-50℃之间。如果未处理的合成气还处于高压(＞约50巴)下，并且如果它只包含少量的氮气(＜约5mol％)，那么根据现有技术，它可以通过将由依靠待加热的工业生产液流被冷却且液化的高压氮气的膨胀到H2/N2混合物中，以及对来自洗涤柱的废料的膨胀来获得氮洗涤所需的冷却，其中H2/N2混合物从洗涤柱的头部引出。然而，如果进入氮洗涤的合成气含有相对大量的氮气，或者如果它处于相对低压，或者如果它在进入氮洗涤时的温度相对较高时，那么上述的方法就不足以满足氮洗涤冷却的需求。
为了可以在上述不利的边界条件下进行氮洗涤，根据现有技术，通过涡轮机的使用(可以与调压器连接)(例如GB2192703A)或者通过引入低温液氮进行所需的额外冷却，引入的低温液氮在氮洗涤的热交换过程中被气化(例如EP0325956B1)。这些方法会导致附加的技术复杂度(涡轮机、调压器以及额外的热交换通路)，同时也伴随着投资成本的增加以及氮气需求的增加且/或由于尾气中氮含量的增加，这会潜在地导致其不再可燃，因而使得尾气不能在底部燃烧。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种通用类型的方法，在该方法中，当在氮洗涤中待净化的气体流具有超高的温度和/或超低的压力和/或超高的氮含量时，可以用减小的技术复杂度(不需提高氮需求，也不会在尾气中提高氮含量)满足低温氮洗涤的冷却需求。
根据本发明，该目的可以通过以下提供的方法达成：在该方法中，送入洗涤柱的一部分氮气是以液态和低温形式取自低温空气分离器的。
在现有技术的低温空气分离器中，空气被冷却、液化并基本上被分离成氮气流和氧气流。如果需要，液态材料流继而被抽到更高的压力下，然后气化，并且依靠待冷却和液化的空气被加热，并且如果需要，在压缩后，转化为气态的形式。这些空气分离器可以在没有显著增加额外成本的情况下下满足它们的冷却需求，即使当以液态和低温形式引出的氮气达到约6％时。如果在空气分离器一侧采用合适的处理手段，可以从空气分离器中以液态的形式引出更大比例的氮气(在极端情况下，甚至是全部的氮气)。
液态和低温氮气从低温空气分离器中被引出用于根据本发明的低温氮清洗，该低温空气分离器优选地为这样一种空气分离器，低温氮洗涤的操作所需的氮气也可以以气态的形式从该空气分离器中被引出。根据本发明，从其中引出的液态低温氮气的流量率按一种方式进行选择，使得在过程的释放能量损耗没有变得非常大时，氮洗涤的操作所需的能量是可用的。氮洗涤所需的氮气占总氮气的比例通常小于10％。
为了克服在洗涤物进入洗涤柱的入口处与在低温空气分离器上液氮的出口处之间的压力差，以及为了提供充足的大量液氮流，本发明采用了适合的泵，该泵优选为位于低温空气分离器中，因为以这种方式可以防止由于空气分离器和氮洗涤间的管道中的压力损失导致在进入泵继而进入气化处的入口产生两相状态的氮气。
根据本发明的该方法的一个变化是从低温空气分离器取得的液氮与至少一个另外的液氮流相结合，并一起作为洗涤物被送入洗涤柱中。
根据本发明的该方法的另一个变化是从低温空气分离器取得的液氮作为洗涤物通过它自己的管道被送入洗涤柱中。
根据本发明的方法尤其适合于在低温氮洗涤中应用，在低温氮洗涤中，主要包括氢气的气体混合物被加工成用于氨合成的原料气。
在用于以下的示例实施例中时，本发明具有特别的优点。在低温氮洗涤中(SW)引入的氮气总量(高压氮气(6)和液氮(18)流量率的总和)可以相对现有技术得以减小，因为所得的液氮同时用作洗涤物。然而，如果在泵的作用下，在将其气化以前，从空气分离器中作为气态高压氮气输出的氮气已经被给予所需的压力，那么以液态形式引出的低温氮气可以在泵后被引出，这样使得以这种方式不需要附加的机器。根据本发明，由于采用了液氮，因而不需要象现有技术中一样在氮洗涤一侧安装涡轮机或调压器和涡轮机的组合，也不需要附加的用于热交换(E1，E2)的通道，同时也不会由于向尾气中引入液氮而导致尾气中氮含量的增加，而在现有技术中这些用于满足低温氮洗涤(SW)的冷却需求。
附图说明
以下将参考附图中概略示出的示例性实施例对本发明进行详细描述。
具体实施方式
该示例实施例涉及一种用于生产用于合成氨的原料气的方法，其中，合成气主要包括氢气、一氧化碳和甲烷，同时适用的情况下也包含氩气和氮气，它被低温氮洗涤净化用以去除不需要的物质(特别是对合成氨催化剂有害的一氧化碳，同时也包括甲烷和氩气)。
合成气可以大限度自由地以水和二氧化碳为原料在PO-反应器、蒸汽转化炉或自热转化炉进行制备，并在压力约30巴、温度约20℃下通过管路1被引入到位于低温氮洗涤(SW)中的热交换器E1中，在那里，与合成气通过管路2而近入的热交换器E2中一样，其依靠待加热的工业生产液流被冷却。然后，冷却的合成气通过管路3被引入到洗涤柱W中。
空气通过管路4被送到低温空气分离器L中，在低温空气分离器L中，空气被液化并分离成液氧流和液氮流。通过待冷却和液化的空气，绝大部分的液氮被气化和加热，通过管路5被输送到压缩机5中，并在其中被压缩具有高于位于氮洗涤SW入口处合成气的压力约2巴的压力。压缩的气态氮气在约为20℃的温度下通过管路6到达低温氮洗涤SW中，在氮洗涤SW中，它首先在热交换器E1中被冷却，继而通过管路7送入热交换器E2，在热交换器E2中，它被进一步冷却、液化以及被轻微地低温冷却。来自空气分离器L的液态低温氮气现在通过管道18被加入(见以下)来自热交换器E2的液氮中。液态和低温氮气通过管道8被送到洗涤柱W的头部，在洗涤柱W的头部它通过节流阀d1膨胀进入柱中，并因而被进一步冷却(焦耳-汤姆孙效应)。
来自洗涤柱W的废料主要包括氮气和一氧化碳，在将它引入到热交换器E2前，废料通过管路9被引出并通过提供制冷作用的节流阀d2膨胀。在热交换器E2中，废料被气化，并依靠待冷却的工业生产液流被加热，接着它被通过管路10引入热交换器E1中，在热交换器E1中，依靠冷却工业生产液流被加热到大约17℃。废料最后被作为尾气从低温氮洗涤SW中引出。
最大限度净化去除一氧化碳的气体流主要包括氢气和氮气，该气体流从洗涤柱W的头部被引出并通过管路12被送到热交换器E2中，在热交换器E2中，先被第一步加热。在被引入到热交换器E1中前，为了增加氮气含量，通过管路14和节流阀d3在通过管路13离开热交换器E2的气体流中加入冷却的气态氮气。气体流在热交换器E1中被加热到大约17℃，并通过管路15离开氮洗涤SW，接着气体流通过管路16和节流阀d4被混合如此大量的氮气，使得氢气/氮气比达到合成氨所需的3mol/mol的值。
从低温空气分离器L内部生产的氮气的一部分(约2.5％)被以液态和低温的形式引出，根据现有技术，该低温空气分离器是一种用于气态氧气和氮气流生产的无需改进的系统。通过管道17送入泵P的大量液氮使得在释放能量损耗没有变得非常大时，氮洗涤的冷却需求得以满足。通过泵P提高液氮的压力，使得液氮可以通过管路18被引入到管路8中，并与来自热交换器E2中的被去除电荷的更大量的液氮流混合，用以将其作为洗涤物送入洗涤柱W的头部。

Claims (4)

1、通过在洗涤柱中用液氮进行低温洗涤以在升高的压力下净化气体混合物的方法，其中送入所述洗涤柱中的氮被用作洗涤物和冷却源，其特征在于，送入所述洗涤柱中的所述氮的一部分是被以液态和低温的形式从低温空气分离器引出。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取自低温空气分离器的所述液氮与至少一个另一液氮流相结合，并共同作为洗涤物被送入所述洗涤柱中。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取自低温空气分离器的所述液氮作为洗涤物通过它自己的管道被送入所述洗涤柱中。
4、根据权利要求1到3中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述待净化的气体混合物是主要包括氢气的气体混合物，所述气体混合物将被加工成用于合成氨的原料气。
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