CN201735305U - 一种分离羰基合成原料气的集成系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种分离羰基合成原料气的集成系统，包括低温甲醇洗净化单元、预吸附单元、CO分离冷箱、变压吸附制氢单元和原料气冷却器；其中，原料气冷却器、低温甲醇洗净化单元、预吸附单元和CO分离冷箱依次连接，CO分离冷箱的H2原料气出口与变压吸附制氢单元的入口连接；其特征在于：还包括膜分离单元，膜分离单元的入口与变压吸附制氢单元的解吸气出口连接，膜分离单元的CO富集气出口与CO分离冷箱的入口连接，膜分离单元的富H2渗透气出口与变压吸附制氢单元的入口连接。本实用新型兼顾了多种不同分离技术的优点，且能有效克服其各自的缺点，从而更加节能、高效和灵活。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种煤制气、天然气、轻油、裂解气、焦炉气、电石尾气、黄磷尾气，及其它羰基合成气体的净化、处理和回收的系统。
背景技术
羰基合成原料气是指有效成分为CO和H2的混合气，合成气中CO和H2的比值随原料和生产方法的不同而异。羰基合成气的来源是多种多样的，例如：煤制气、重油或渣油制气、天然气、轻油、裂解气、焦炉气、电石尾气、黄磷尾气等资源。利用羰基合成气可以转化成液体和气体燃料、大宗化学品和高附加值的精细有机化工产品。而实现这种转化的重要技术就是碳一化工。
在当前能源紧张、化工原料短缺的情况下，碳一化工就成为了沟通煤化工、天然气和石油化工等的重要桥梁。而高纯度CO和H2是碳一化工的重要原料。目前，分离CO和H2的主要方法有CO冷箱分离法、变压吸附法或膜分离法。
CO冷箱分离法是上世纪60年代开始使用的制备高纯度CO的方法。它是将气体冷冻成液体，利用不同气体沸点不同来进行气体分离的。CO冷箱分离法的特点是：可同时制得二种以上高纯度气体，回收率高，一般可达90％左右；CO纯度高，可保证98％以上的纯度；产品气CO压力损失较少，压缩功耗少；流程简单、装置占地面积少，操作方便简便；与低温甲醇洗相配合，节能，冷耗非常少(特别是与60公斤煤气化相配合时，正常运行的冷耗是零)。
伴随着目前碳一化工规模愈来愈大的发展趋势，CO冷箱分离法的优势将越发凸显，其应用范围也将越发广泛。
变压吸附法是利用吸附剂在不同压力下，对于气体中各组分的吸附能力的变化不同来进行气体分离的。变压吸附法分离高纯度CO和其它方法比较，对原料气要求较高，常规变压吸附，当原料气中CH4+Ar达到1％时，一氧化碳纯度只能达到96％，且原料气中一氧化碳浓度较低时，则CO回收率随之降低很多。目前，国内某些企业自行开发的吸附剂，一定程度上可以克服以上缺点。
就变压吸附法在大规模碳一化工领域的应用而言，其缺点是：吸附剂对CO的吸附效率较低，需装填量大；吸附剂是消耗品，其价格昂贵，将来的一次性更换代价，高达总设备投资的一半左右；气体回收率低，一般经济运行和投资下的回收率指标仅能达到80％左右；正常运行时，吸附塔内合格的CO需通过“抽真空”方式排出，且一部分CO需经“压缩”后进入置换气缓冲罐，用于变压吸附法-CO吸附剂的置换，而“抽真空和压缩”的运行电耗非常高；变压吸附法单套装置的规模也受到一定限制，需要多套并联操作占地面积巨大；变压吸附法装置的阀门要求高，价格昂贵，且切换频繁，故障率高，因而，对阀门的性能、自动控制的水平及可靠性要求极高。
除此之外，变压吸附法最大的缺点是，是其产品气CO是常压，需要被压缩到下游所需要的压力，这不仅要消耗大量的压缩功(增加了运行费用)，而且明显增加了下游的设备投资。
但是，对于以往的规模较小的碳一化工而言，变压吸附法还是具有其小型化、投资小的优势的。
膜分离法是上世纪90年代开始在工业上采用的气体分离方法，膜分离技术应用于CO分离制取高纯度CO，仅仅是近些年发展的成果。其原理主要是利用各种不同气体分子在特种膜中透过率的不同而将其分离，从而制得工业上所需的特定气体。膜分离法的特点是：流程短、操作维护简单、装置占地较小；工艺技术先进、用于CO分离时CO压降小、设备结构简单、安装方便；投资省、能耗低、经济效益好。
但是，膜分离法也有明显的不足之处：CO纯度比深冷分离法稍低；膜的寿命较低，这是由于气源中，不可避免的会由于各种原因，而夹带有有机物，特别是甲醇(来自于低温甲醇洗)，而有机物在膜中必然会累积起来，并引起膜的溶胀等问题，从而导致膜的出力下降，并最终报废；膜组件为易耗品，其更换成本非常高。特别是，同变压吸附法一样，其最大的缺点是，得到的产品气H2是常压，被压缩到下游所需要的压力，不仅要消耗大量的压缩功，而且也明显增加了下游的设备投资。此外，膜分离法在大规模碳一化工领域的应用时间非常短，还有一些问题还没有暴露出来，仍需工业运行的长期检验。
总之，需要羰基合成气的场合众多，处理的方法和设备也相当多，不同的方法和设备具有不同的优缺点，但各种方法都具有相当的局限性，应用范围也比较狭窄，不具有通用性，并且很多精制设备的机理并不十分清楚。因此，开发高效低阻，兼有多种不同技术优点的多种精制技术的组合应用，对于碳一化工中降低分离羰基合成原料气工艺的能耗，提高经济效益，具有重要的现实意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种新的分离羰基合成原料气的集成系统。
本实用新型所提供的分离羰基合成原料气的集成系统，将低温甲醇洗净化、CO冷箱分离、变压吸附和膜分离等工艺有机地结合在一起，采用了洁净冷甲醇吸收进料混合气中的酸性气CO2和H2S、COS等，以及分别采用深冷(冷箱)法制备高纯度的CO气体和变压吸附制备高纯度的H2气体。本实用新型的集成系统和工艺可以在兼顾上述多种不同工艺的优点的同时，有效地克服其各自的缺点，从而能节能、高效、灵活、安全地处理不同压力、温度、含水量，以及组成浓度不限的羰基气体；可以制得：依净化气的用途而定的纯度大于98％，回收率在98.0～98.5％以上的CO气体；纯度大于99％，回收率在99％以上的H2气体。
本实用新型采用以下技术方案来解决上述技术问题：
一种分离羰基合成原料气的集成系统，包括低温甲醇洗净化单元(1)、预吸附单元(3)、CO分离冷箱(4)、变压吸附制氢单元(6)和原料气冷却器(10)；其中，原料气冷却器(10)、低温甲醇洗净化单元(1)、预吸附单元(3)和CO分离冷箱(4)依次连接，CO分离冷箱(4)的H2原料气出口与变压吸附制氢单元(6)的入口连接；其特征在于：还包括膜分离单元(8)，膜分离单元(8)的入口与变压吸附制氢单元(6)的解吸气出口连接，膜分离单元(8)的CO富集气出口与CO分离冷箱(4)的入口连接，膜分离单元(8)的富H2渗透气出口与变压吸附制氢单元(6)的入口连接。
进一步的，膜分离单元(8)的入口通过解吸气压缩机(7)与变压吸附制氢单元(6)的解吸气出口连接，膜分离单元(8)的富H2渗透气出口通过渗透气压缩机(9)与变压吸附制氢单元(6)的入口连接。
上述集成系统中，变压吸附制氢单元(6)对常压解吸气的处理方式与本领域内的常规作法不同。现有技术中的通常做法是将变压吸附制氢单元(6)中的常压解吸气直接送出界区，作为燃料气被燃烧掉。而本实用新型是将常压解吸气送入到解吸气压缩机(7)，被压缩到2.0～3.0MPa以后，再进入下游的膜分离单元(8)，以回收其中的H2。本实用新型中，H2的最终回收率可以在99％以上，远远高于常规方法的91～93％。
上述集成系统中的膜分离单元(8)：来源于解吸气压缩机(7)的加压解吸气，经膜分离单元(8)分离后得到富H2的渗透气(22)和CO富集气(21)；富H2渗透气经渗透气压缩机(9)增压后，汇入到变压吸附制氢单元(6)的原料气(16)中，以增加H2的回收率；同时，回收的CO富集气(21)，进入下游的CO分离冷箱(4)，以提高CO的回收率。
进一步的，本实用新型的分离羰基合成原料气的集成系统中，在低温甲醇洗净化单元(1)和预吸附单元(3)之间设有精密过滤器(2)。可以有效地降低低温甲醇洗净化单元(1)的产品气(40)中来源于洗涤冷甲醇溶液的夹带甲醇的含量，从而达到降低预吸附单元(3)的工作负荷的目的，使得预吸附单元(3)的分子筛的再生周期变长、公用工程消耗降低、效率提高、结垢减少、使用寿命延长。即，最终达到预吸附单元(3)的设备投资和运行成本都明显降低的目的。
进一步的，上述集成系统中，CO分离冷箱(4)的闪蒸汽出口与低温甲醇洗净化单元(1)的入口连接。本实用新型中，CO分离冷箱(4)中分离出的闪蒸汽没有采用通常的做法(即作为燃料气而被燃烧掉)，而是汇入到低温甲醇洗净化单元(1)的中压闪蒸汽中，以便进一步回收其中的H2和CO，以提高系统中H2和CO产品的收率。
上述集成系统中，羰基合成原料气先经原料气冷却器(10)冷却后再进入低温甲醇洗净化单元(1)，低温甲醇洗净化单元(1)采用洁净冷甲醇吸收进料混合气中的CO2和H2S、COS等酸性气体，被吸收的酸性气体H2S和COS直接排放，被吸收的CO2气体经原料气冷却器(10)回收冷量后作为尾气排放。
进一步的，上述集成系统中，低温甲醇洗净化单元(1)的尾气排出口通过原料气冷却器(10)与外界相通；CO分离冷箱(4)的H2原料气出口通过原料气冷却器(10)与变压吸附制氢单元(6)的入口连接；CO分离冷箱(4)的CO产品气出口通过原料气冷却器(10)与外界相通；CO分离冷箱(4)的闪蒸汽出口通过原料气冷却器(10)与低温甲醇洗净化单元(1)的入口连接。
本实用新型采用上述方式，使得原料气在原料气冷却器(10)中被来自下游的低温甲醇洗净化单元(1)的尾气以及CO分离冷箱(4)中的H2原料气、CO产品气和闪蒸汽冷却。而不是采用常规的方式，即：在原料气冷却器(10)中，用低温甲醇洗净化单元(1)的产品气为其原料气的冷源。从而真正实现了低温甲醇洗净化单元(1)与CO分离冷箱(4)的冷量耦合，进而有效地降低了CO分离冷箱(4)的投资。
进一步的，上述集成系统中，CO分离冷箱(4)包括板式换热器(50)、低温洗涤塔(51)、再沸器(52)和低温提馏塔(53)；其中，再沸器(52)的入口经板式换热器(50)与预吸附单元(3)的出口连接，再沸器(52)的出口与低温洗涤塔(51)的下部入口连接；低温洗涤塔(51)的底部出口与低温提馏塔(53)的上部入口连接，低温洗涤塔(51)的顶部设H2原料气出口；低温提馏塔(53)的上部液体物料出口与低温洗涤塔(51)的上部入口连接，低温提馏塔(53)上部的另一入口经板式换热器(50)与膜分离单元(8)的CO富集气出口连接，低温提馏塔(53)的底部设CO产品气出口，低温提馏塔(53)的顶部设闪蒸汽出口。
本实用新型采用上述结构的CO分离冷箱(4)，来源于膜分离单元(8)的CO富集气体(21)进CO冷箱(4)中，经换热器(50)与下游气体换热后，进入到低温提馏塔(53)的中部以上的位置，进一步回收其中的CO，以提高CO产品的收率；同时，从相同的位置，采出一股低温液体，送入到低温洗涤塔(51)的顶部，洗涤H2原料气中的CO，以进一步提高对CO的收率；此外，低温提馏塔(53)塔顶闪蒸汽(27)没有采用通常的做法(即作为燃料气而被燃烧掉)，而是汇入到低温甲醇洗净化单元(1)的中压闪蒸汽中，以便进一步回收其中的H2和CO，以提高系统中H2和CO产品的收率，其中CO的回收率可以在98.0～98.5％以上。
进一步的，上述CO分离冷箱(4)中，低温洗涤塔(51)的顶部H2原料气出口依次通过板式换热器(50)和原料气冷却器(10)与变压吸附制氢单元(6)的入口连接；低温提馏塔(53)的底部CO产品气出口依次通过板式换热器(50)和原料气冷却器(10)与外界相通；低温提馏塔(53)的顶部闪蒸汽出口依次通过板式换热器(50)和原料气冷却器(10)与低温甲醇洗净化单元(1)的入口连接。
在CO分离冷箱(4)中，本实用新型采用将三股采出物料均送入板式换热器(50)中回收冷量的方式，优化了CO分离冷箱(4)的原料气(13)与下游的H2原料气(24)、塔顶闪蒸汽(27)和CO产品气(14)的换热，使原料气(13)经由管道进入下游的低温洗涤塔(51)时的终了温度，要比常规的方法低5～12℃，即-165～-192℃。在该温度下，H2原料气(24)中的CO含量可以降低35～45％，这对于下游的变压吸附制氢(6)具有重要的意义。因为，CO含量的降低，意味着变压吸附制氢(6)的工作负荷会相应降低35～45％。进而，也会使得其分子筛的再生周期变长、公用工程消耗降低、效率提高、使用寿命延长，最终达到其设备投资和运行成本都明显降低的目的，从而变压吸附制氢(6)的设备投资将会降低25～30％，运行费用降低32～43％。
本实用新型采用上述结构，通过低温甲醇洗净化、精密过滤、预吸附、CO冷箱分离、CO压缩、变压吸附制氢、解吸气压缩、膜分离、渗透气压缩、原料气冷却器等手段的同时使用，兼顾了多种不同分离技术的优点，且能有效克服其各自的缺点，从而更加节能、高效和灵活，使得集成工艺在不增加固定设备投资和运行费用的前提下，对羰基合成原料气中的有效气H2和CO的浓缩能力和回收率都有了显著的提高。本实用新型的压缩机功耗只是完全采用变压吸附的35％；占地面积不到完全采用变压吸附的15％；总投资不到完全采用变压吸附的70％。本实用新型适用于煤制气、天然气、轻油、裂解气、焦炉气、电石尾气、黄磷尾气以及其它羰基合成原料气体中CO和H2的分离。本实用新型的推广和应用，必将会获得极大的社会和经济效益。
附图说明
图1为本实用新型的集成工艺的流程示意图
图2为本实用新型的CO分离冷箱流程示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，一种分离羰基合成原料气的集成系统，包括低温甲醇洗净化单元1、预吸附单元3、CO分离冷箱4、变压吸附制氢单元6和原料气冷却器10；其中，原料气冷却器10、低温甲醇洗净化单元1、预吸附单元3和CO分离冷箱4依次连接，CO分离冷箱4的H2原料气出口与变压吸附制氢单元6的入口连接；其特征在于：还包括膜分离单元8，膜分离单元8的入口与变压吸附制氢单元6的解吸气出口连接，膜分离单元8的CO富集气出口与CO分离冷箱4的入口连接，膜分离单元8的富H2渗透气出口与变压吸附制氢单元6的入口连接。
进一步的，膜分离单元8的入口通过解吸气压缩机7与变压吸附制氢单元6的解吸气出口连接，膜分离单元8的富H2渗透气出口通过渗透气压缩机9与变压吸附制氢单元6的入口连接。
进一步的，上述集成系统中，在低温甲醇洗净化单元1和预吸附单元3之间设有精密过滤器2。
进一步的，上述集成系统中，CO分离冷箱4的闪蒸汽出口与低温甲醇洗净化单元1的入口连接。
进一步的，上述集成系统中，低温甲醇洗净化单元1的尾气排出口通过原料气冷却器10与外界相通；CO分离冷箱4的H2原料气出口通过原料气冷却器10与变压吸附制氢单元6的入口连接；CO分离冷箱4的CO产品气出口通过原料气冷却器10与外界相通；CO分离冷箱4的闪蒸汽出口通过原料气冷却器10与低温甲醇洗净化单元1的入口连接。
进一步的，上述集成系统中，CO分离冷箱4包括板式换热器50、低温洗涤塔51、再沸器52和低温提馏塔53；其中，再沸器52的入口经板式换热器50与预吸附单元3的出口连接，再沸器52的出口与低温洗涤塔51的下部入口连接；低温洗涤塔51的底部出口与低温提馏塔53的上部入口连接，低温洗涤塔51的顶部设H2原料气出口；低温提馏塔53的上部液体物料出口与低温洗涤塔51的上部入口连接，低温提馏塔53上部的另一入口经板式换热器50与膜分离单元8的CO富集气出口连接，低温提馏塔53的底部设CO产品气出口，低温提馏塔53的顶部设闪蒸汽出口。
进一步的，上述CO分离冷箱4中，低温洗涤塔51的顶部H2原料气出口依次通过板式换热器50和原料气冷却器10与变压吸附制氢单元6的入口连接；低温提馏塔53的底部CO产品气出口依次通过板式换热器50和原料气冷却器10与外界相通；低温提馏塔53的顶部闪蒸汽出口依次通过板式换热器50和原料气冷却器10与低温甲醇洗净化单元1的入口连接。
本实用新型系统采用如下步骤进行羰基合成原料气的分离：
原料气25的温度为40℃，压力为5.3MPa，流量为101594.5Nm3/hr，与来自下游的尾气31、H2料气24、塔顶闪蒸汽27和CO产品气14在原料冷却气10中换热后，被冷却到-14～-28℃，再进入低温甲醇洗单元1，脱除进料混合气中的酸性气CO2(尾气，32)和H2S、COS(酸性气，30)等，进而得到主要成分为CO和H2的混合气40。混合气进入精密过滤器2，过滤其中夹带的甲醇液滴等，以降低预吸附单元3的工作负荷。过滤后的混合气12进入预吸附单元3，将其中的微量甲醇和二氧化碳脱除，以免它们在冷箱4内冻结并引起低温设备和管道的堵塞。之后，低温混合气13进入CO分离冷箱4，利用CO与其它气体组分冷凝点的差别，使混合气在低温下，某一组份或几个组份冷凝液化，而其它组份仍保持气态，从而将CO分离出来。经过CO冷箱4后，混合气被分成H2原料气24、塔顶闪蒸汽27和CO产品气14。在原料冷却器中回收冷量后：塔顶闪蒸汽28汇入到低温甲醇洗1的中压闪蒸汽中，一道被压入到原料气26中，进一步回收其有效成分；CO产品气29经CO压缩机5增压后，由管道15送出界区；H2原料气16进入变压吸附制氢单元6，与CO等分离后，经由管道18送出界区。同时，来源于变压吸附制氢单元6的常压解吸气19，被送入到解吸气压缩机7增压，并经由管道20进入到下游的膜分离单元8。在膜分离单元8中，解吸气20中的CO被初步富集到67～88％，经由管道21送入到下游的CO分离冷箱单元4，以回收其中的CO；同时，富H2的渗透气22，经渗透气压缩机9增压后，汇入到变压吸附制氢单元6的原料气中，以回收其中的H2。
本实用新型通过对低温甲醇洗净化、精密过滤、预吸附，CO冷箱，CO压缩、变压吸附制氢、解吸气压缩、膜分离、渗透气压缩、原料气冷却器单元的有机的整合，整个系统只有低温甲醇洗单元1的尾气32和酸性气30两个排放点，从而使得本实用新型在不增加设备投资和运行费用降低的前提下，装置对H2和CO的浓缩能力和回收率都有了显著的提高。
上述实施例仅用于阐述本发明的原理，并不用于限制本发明的保护范围。应该理解，本发明的保护范围不限于上述描述的结构，本领域的技术人员根据本发明所公开的原理及内容，还可以产生各种改动或修改，这些等价形式同样具有超越现有技术的优势效果，且均被本发明的保护范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种分离羰基合成原料气的集成系统，包括低温甲醇洗净化单元(1)、预吸附单元(3)、CO分离冷箱(4)、变压吸附制氢单元(6)和原料气冷却器(10)；其中，原料气冷却器(10)、低温甲醇洗净化单元(1)、预吸附单元(3)和CO分离冷箱(4)依次连接，CO分离冷箱(4)的H2原料气出口与变压吸附制氢单元(6)的入口连接；其特征在于：还包括膜分离单元(8)，膜分离单元(8)的入口与变压吸附制氢单元(6)的解吸气出口连接，膜分离单元(8)的CO富集气出口与CO分离冷箱(4)的入口连接，膜分离单元(8)的富H2渗透气出口与变压吸附制氢单元(6)的入口连接。
2.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于：膜分离单元(8)的入口通过解吸气压缩机(7)与变压吸附制氢单元(6)的解吸气出口连接，膜分离单元(8)的富H2渗透气出口通过渗透气压缩机(9)与变压吸附制氢单元(6)的入口连接
3.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于：低温甲醇洗净化单元(1)和预吸附单元(3)之间设有精密过滤器(2)。
4.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于：CO分离冷箱(4)的闪蒸汽出口与低温甲醇洗净化单元(1)的入口连接。
5.如权利要求4所述的集成系统，其特征在于：CO分离冷箱(4)的闪蒸汽出口通过原料气冷却器(10)与低温甲醇洗净化单元(1)的入口连接。
6.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于：低温甲醇洗净化单元(1)的尾气排出口通过原料气冷却器(10)与外界相通。
7.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于：CO分离冷箱(4)的H2原料气出口通过原料气冷却器(10)与变压吸附制氢单元(6)的入口连接。
8.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于：CO分离冷箱(4)的CO产品气出口通过原料气冷却器(10)与外界相通。
9.如权利要求1-8中任一所述的集成系统，其特征在于：CO分离冷箱(4)包括板式换热器(50)、低温洗涤塔(51)、再沸器(52)和低温提馏塔(53)；其中，再沸器(52)的入口经板式换热器(50)与预吸附单元(3)的出口连接，再沸器(52)的出口与低温洗涤塔(51)的下部入口连接；低温洗涤塔(51)的底部出口与低温提馏塔(53)的上部入口连接，低温洗涤塔(51)的顶部设H2原料气出口；低温提馏塔(53)的上部液体物料出口与低温洗涤塔(51)的上部入口连接，低温提馏塔(53)上部的另一入口经板式换热器(50)与膜分离单元(8)的CO富集气出口连接，低温提馏塔(53)的底部设CO产品气出口，低温提馏塔(53)的顶部设闪蒸汽出口。
10.如权利要求9所述的集成系统，其特征在于：低温洗涤塔(51)的顶部H2原料气出口依次通过板式换热器(50)和原料气冷却器(10)与变压吸附制氢单元(6)的入口连接；低温提馏塔(53)的底部CO产品气出口依次通过板式换热器(50)和原料气冷却器(10)与外界相通；低温提馏塔(53)的顶部闪蒸汽出口依次通过板式换热器(50)和原料气冷却器(10)与低温甲醇洗净化单元(1)的入口连接。
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| CN101874962A (zh) * | 2010-04-28 | 2010-11-03 | 上海戊正工程技术有限公司 | 一种分离羰基合成原料气的工艺及配套系统 |
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2010
- 2010-06-03 CN CN2010202218925U patent/CN201735305U/zh not_active Expired - Lifetime
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