CN204006964U - 深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，该装置合成气经过前端预处理单元（1）脱除杂质后进入到深冷分离提纯单元（2），在深冷分离提纯单元（2）中，合成气先经过第一主换热器（3）冷却，而后进入精馏塔（6）内的蒸发器冷却，再经第二主换热器（4）进一步到设定温度后进入第一气液分离器（5），经第一气液分离器（5）分离后上部为富氢气，富氢气通过管道经换热器复热后进入氢气收集单元（8）；第一气液分离器（5）底部得到富一氧化碳液体，一部分通过管道经节流阀在换热器中复热到一定温度后去精馏塔中部参与精馏，一部分通过管道经节流阀直接进入精馏塔顶部参加精馏；在精馏塔（6）顶部得到闪蒸汽，在第一换热器（3）和第二换热器（4）中复热提供冷量后送出，精馏塔底部得到纯度合格的CO液体。本实用新型公开的深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置换热效果更加理想，并且无需氮气循环制冷及大量液氮补充，减少设备，降低能耗。

Description

深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置
技术领域
本实用新型属于合成气深冷净化分离领域，尤其涉及通过合成气（通过以煤或石油等生物质气化得到）制取以CO和（或）H2为原料的化工产品的工艺，特别涉及一种深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置。
背景技术
CO和H2是重要的基础化工原料，广泛用于羰基合成等化工过程，尤其是C1化学的日益发展，CO已经成为一系列基本有机化工产品和中间体的重要原料，例如甲醇羰基化制醋酸、醋酐、甲酸、草酸和二甲基甲酰胺等，以及光气合成、生产聚碳酸酯、聚氨酯、合成金属羰基化合物等。价格低廉而数量又丰富的CO来源以及先进的CO分离技术，会大大地促进CO化学加工品技术的进一步增长。无论是由煤、石油、天然气制得的CO合成气，还是各种包含CO的工业弛放气，所有的CO来源基本都是含有一定量CO2、H2、N2、CH4、O2等的气体混合物，为了获得高纯CO，应选择低能耗、低成本、高效率的分离方式，而其中的深冷分离方法适用于大规模的工业生产，能够有效的获得高纯度的CO，效果十分理想。
深冷分离提纯CO是一种高压低温的物理分离方法，其基本原理是焦耳-汤姆逊节流制冷效应，一定压力的工艺气通过减压、节流，可产生更低的温度，通过换热回收冷量，可将原料气中的CO冷凝分离，整个系统的冷量则由工艺的压力能转化而来。深冷分离法的核心是利用混合气体中各组分沸点的差异，在气液分离器和精馏塔中来实现气体混合物的分离。为了防止混合气中杂质组分在低温下固化从而堵塞换热器和管道，因此用深冷法分离CO和H2就需要原料气在进入深冷分离提纯单元前进行预处理，脱除组分中含有的在低温下会固化的组分，如CO2、甲醇和H2S等。
中国所公开的CO深冷分离提纯方法中，装置工艺流程相对简单，但是在分离提纯过程中各个时段均需要N2循环制冷，使用机器较多，能耗较高，并且在换热器匹配过程中效果并不是很理想，换热器的制作有较大困难。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的能耗高、机器多及换热器效果不理想的缺点而提供一种通过焦耳-汤姆逊效应为整个装置提供冷量的能耗低、换热效果好、工艺流程简单的深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置。
本实用新型的技术方案是这样实现的：一种深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，该装置包括前端预处理单元和深冷分离提纯单元，所述深冷分离提纯单元包括第一主换热器、第二主换热器以及精馏塔，所述精馏塔包括塔体和塔体底部的蒸发器，所述深冷分离提纯单元还包括第一气液分离器、第二气液分离器、第三气液分离器及第四气液分离器；所述前端预处理单元的入口处连接输入原料合成气的第一管道，所述前端预处理单元的气体出口通过第二管道经第一主换热器及第三节流阀与所述精馏塔下部蒸发器入口相连通，所述蒸发器出口通过第三管道经第二主换热器与所述第一气液分离器中部入口相连通，所述第一气液分离器上部气体出口通过第四管道依次经第二主换热器、第一主换热器与氢气收集单元相连通；所述第一气液分离器的下部出口分别连通第五管道和第六管道，所述第五管道经第一节流阀与所述精馏塔上部入口相连通，所述第六管道经第二节流阀、第二主换热器与所述精馏塔中部入口相连通，所述精馏塔底部的一氧化碳液体出口通过第八管道经第四节流阀与所述第二气液分离器中部入口相连通；所述第二气液分离器上部气体出口通过第九管道依次经第二主换热器、第一主换热器与第十九管道相连通，所述第二气液分离器下部液体出口连接两管道：第十管道和第十一管道，所述第十管道经第二主换热器后与第九管道连通，所述第十一管道经第五节流阀与所述第三气液分离器中部入口相连通；所述第三气液分离器上部气体出口通过第十二管道依次经第二主换热器、第一主换热器与一氧化碳压缩机入口相连通，所述一氧化碳压缩机的气体出口连接第十九管道，所述第三气液分离器下部液体出口连接两管道：第十三管道和第十四管道，所述第十三管道经第二主换热器后与第十二管道相连通，所述第十四管道经第六节流阀与所述第四气液分离器中部入口相连通；所述第四气液分离器上部气体出口通过第十五管道依次经第二主换热器、第一主换热器与一氧化碳压缩机相连通；所述第四气液分离器下部液体出口连接第十六管道，所述第十六管道经第二主换热器后与第十五管道相连通，所述第十九管道连接在一氧化碳收集单元的气体入口处。
所述第一主换热器及第二主换热器均为真空钎焊铝质板翅式换热器，所述精馏塔为板式塔或为填料塔，所述蒸发器为真空钎焊式铝制板翅式换热器。
所述一氧化碳压缩机的出口处连接第十七管道，所述第十七管道与第十九管道对接，所述第十九管道连接在所述一氧化碳收集单元入口处，所述第九管道与所述第十九管道对接。
所述一氧化碳压缩机为一台两段式一氧化碳压缩机：一氧化碳压缩机一段和一氧化碳压缩机二段，所述一氧化碳压缩机一段的入口处连接所述第十五管道，所述一氧化碳压缩机二段的入口处连接第十二管道，所述一氧化碳压缩机一段的气体出口连接第十八管道，所述第十八管道与所述第十二管道对接；常压一氧化碳气体经过第十五管道依次进入一氧化碳压缩机一段、一氧化碳压缩机二段进行两次压缩，而低压一氧化碳气体经过第十二管道直接进入一氧化碳压缩机二段进行一段压缩。
所述精馏塔上部设置一闪蒸气出口，所述闪蒸气出口处连接一第七管道，所述第七管道与第二主换热器、第一主换热器相连通，所述第七管道伸出所述深冷分离单元外部与闪蒸气收集单元相连通。
本实用新型的技术方案产生的积极效果如下：富氢气提纯在第一气液分离器5中即可完成，经过一次分离后，第一气液分离器5底部的液体中CO纯度可达到90%以上，在进入所述精馏塔6进行精馏提纯，该精馏塔6包括塔体和设置于塔底的蒸发器，在精馏塔底部得到液体一氧化碳纯度为98.5%以上；液态一氧化碳产品通过三次节流制冷后复热送出，经一氧化碳压缩机一段71或（和）一氧化碳压缩机二段72压缩后，送出做产品；更进一步地，精馏塔6顶部得到的闪蒸气复热回收冷量后送出深冷分离单元2燃烧。
所述三次节流制冷，为主换热，尤其是所述第二换热器4中的热源提供了三种不同压力等级的冷源，更好的为热源进行换热匹配，使热源在换热器的不同位置段都有合适的冷源与其匹配，如附图2所示，更好的发挥换热效果，提高换热器性能。
所述精馏塔6采用板式塔或填料塔，精馏效果好，操作弹性大，适用于变工况操作，并且能适应液气比较大的工况；同时所属装置为单塔工艺，深冷分离提纯单元的设备比较少，冷箱较小，节省设备投资；且该装置还具有一氧化碳提取率高的优点，提取率可达90%以上。
所述第一主换热器3、第二主换热器4的冷量由液体一氧化碳产品三次节流、富氢气和闪蒸气复热提供，无需氮气循环制冷，减少设备，降低能耗，第二换热器4换热性能更佳。
附图说明
图1为本实用新型深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置的流程示意图。
图2为本实用新型深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置中第二换热器4的换热性能曲线图。
具体实施方式
实施例一
一种深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，如图1所示，该装置包括包括前端预处理单元1和深冷分离提纯单元2，所述深冷分离提纯单元2包括第一主换热器3、第二主换热器4、第一气液分离器5、第二气液分离器11、第三气液分离器12、第四气液分离器13以及精馏塔6，所述精馏塔6包括塔体本身和塔体底部的蒸发器61。分离提纯的原料气为含N2、Ar、CH4及微量H2S、CO2的CO和H2混合气，所述前端预处理单元1上连接一输入原料气的第一管道101，所述前端预处理单元1的气体出口处连接第二管道102，所述第二管道102经过所述第一主换热器3及第三节流阀16与所述精馏塔6的下部蒸发器入口相连通，所述精馏塔6下部蒸发器出口通过第三管道103经第二主换热器4与所述第一气液分离器5的中部入口相连通，所述第一气液分离器5上部气体出口通过第四管道104经第二主换热器4、第一主换热器3与氢气收集单元8相连通，所述第一气液分离器5下部液体出口连接两管道：第五管道105和第六管道106，所述第五管道105经第一节流阀14与所述精馏塔6上部液体入口相连通，所述第六管道106经第二节流阀15经第二主换热器4复热后与所述精馏塔6中部气体入口相连通；所述精馏塔6底部的一氧化碳液体出口通过第八管道108经第四节流阀17与所述第二气液分离器11相连通；所述第二气液分离器11上部气体出口通过第九管道109依次经第二主换热器4、第一主换热器3换热后与第十九管道119对接，所述第二气液分离器11下部液体出口连接两管道：第十管道110和第十一管道111，所述第十管道110经第二主换热器4复热后汇入第九管道109，所述第十一管道111经第五节流阀18与所述第三气液分离器12相连通；所述第三气液分离器12上部气体出口通过第十二管道112依次经第二主换热器4、第一主换热器3与一氧化碳压缩机7入口相连通，所述一氧化碳压缩机7的气体出口连接第十九管道119，所述第三气液分离器12下部液体出口连接两管道：第十三管道113和第十四管道114，所述第十三管道113经第二主换热器4复热后汇入第十二管道112，所述第十四管道114经第六节流阀19与所述第四气液分离器13相连通；所述第四气液分离器13上部气体出口通过第十五管道115依次经第二主换热器4、第一主换热器3与一氧化碳压缩机7入口相连通；所述第十六管道116与第二主换热器4相连通，复热后汇入第十五管道115。所述第十九管道119与一氧化碳收集单元9相连接。
所述一氧化碳压缩机7的出口处连接第十七管道117，所述第十七管道117与第十九管道119对接，所述第十九管道119连接在所述一氧化碳收集单元9入口处，所述第九管道109与所述第十九管道119对接。
所述一氧化碳压缩机为一台两段式一氧化碳压缩机：一氧化碳压缩机一段71和一氧化碳压缩机二段72，所述一氧化碳压缩机一段71的入口处连接所述第十五管道115，所述一氧化碳压缩机二段72的入口处连接第十二管道112，所述一氧化碳压缩机一段71的气体出口连接第十八管道118，所述第十八管道与所述第十二管道112对接；常压一氧化碳气体经过第十五管道115依次进入一氧化碳压缩机一段71、一氧化碳压缩机二段72进行两次压缩，而低压一氧化碳气体经过第十二管道112直接进入一氧化碳压缩机二段72进行一次压缩。
所述精馏塔6上部设置一闪蒸气出口，所述闪蒸气出口处连接一第七管道107，所述第七管道107与第二主换热器4、第一主换热器3相连通，所述第七管道107伸出所述深冷分离提纯单元2外部。
所述第一主换热器3及第二主换热器4均为真空钎焊铝质板翅式换热器，所述精馏塔6为板式塔或为填料塔，所述蒸发器为真空钎焊铝质板翅式换热器。
输入所述的第一管道101中的原料合成气压力为2.0MPa～8.0MPa，所述一氧化碳压缩机二段72出口处的一氧化碳气体压力为0.5MPa～1.0MPa。
从所述精馏塔6顶部出来的闪蒸气经换热器复热回收冷量后出所述深冷分离提纯单元2，如果原料气的压力不高，整个系统除J-T效应（J-T效应：焦耳-汤姆逊（Joule-Thomson）效应，即为绝热节流效应）制冷外，需要补充液氮提供冷量的量很少，即使在换热器中预留有液氮通道，结构工艺仍然很简单顺畅，在开车运行时，为了要把整个深冷分离提纯单元2快速冷却下来，可补充少量液氮。
实施例二
一种利用实施例一种的装置进行深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的方法，该装置在此不再一一赘述，该方法包括：
1）原料合成气（CO+H2含量≥90%（mol%））经第一管道101进入前端预处理单元1，通过前端预处理单元1内的分子筛吸附将原料合成气中含有的微量甲醇和二氧化碳脱除，脱除杂质后的净化合成气通过第二管道102进入第一主换热器3内冷却到一定温度（140K左右，根据工况不同设定不同），再经第二管道102进入所述精馏塔6内的蒸发器61作为热源被冷却（气体饱和点），被冷却后的净化合成气通过第三管道103进入第二主换热器4内继续冷却到设定温度（85K～100K，根据工况不同设定不同），冷却到设定温度的净化合成气通过第三管道103经第一气液分离器5的中部入口进入第一气液分离器5内；
2）第一气液分离器5对冷却后的净化合成气进行初步分离，分离后产生的气体为富氢气，富氢气从气液分离器5上部的气体出口通过第四管道104依次进入第二主换热器4、第一主换热器3复热并回收冷量，复热后的富氢气通过第四管道104被送入深冷分离提纯单元2外部的氢气收集单元8；由第一气液分离器5分离出的液体一部分由气液分离器底部液体出口通过第五管道105经第一节流阀14节流后直接从精馏塔6上部液体入口进入精馏塔6中，作为回流液参与精馏；由气液分离器5分离出的另一部分液体由第六管道106经第二节流阀15节流后先进入第二换热器复热全蒸发，而后经精馏塔6下部的气体入口进入所述精馏塔6中下部作为上升气参与精馏；
3）精馏塔6精馏后，精馏塔6底部分离出液体一氧化碳，精馏塔6底部的液体一氧化碳由其底部的液体出口通过第八管道108送出，经过三次节流后送入第一主换热器3和第二主换热器4复热回收冷量，后送出深冷分离提纯单元2。所述三次节流方法具体如下：
经第八管道108送出的液体一氧化碳经第四节流阀17节流为系统提供冷量，节流后进入第二气液分离器11，此为第一次节流，节流阀后压力为所需产品气压力。第二气液分离器11顶部气体通过第九管道109依次进入第二主换热器4、第一主换热器3复热并回收冷量，复热后的一氧化碳气体通过第十九管道119被送入深冷分离提纯单元2外部的一氧化碳气收集单元9；由第二气液分离器11分离出的液体一部分由气液分离器底部液体出口通过第十管道110进入第二主换热器4，复热后汇入第九管道109进入第一换热器3；
由第二气液分离器11分离出的另一部分液体由第十一管道111经第五节流阀18节流为系统提供冷量，节流后进入第三气液分离器12，此为第二次节流，节流阀后压力为一氧化碳压缩机二段72入口压力。第三气液分离器12顶部气体通过第十二管道112依次进入第二主换热器4、第一主换热器3复热并回收冷量，复热后的一氧化碳气体进入一氧化碳压缩机二段72入口进行压缩，通过第十七管道117汇入第十九管道119，送入深冷分离提纯单元2外部的一氧化碳气收集单元9；由第三气液分离器12分离出的液体一部分由气液分离器12底部液体出口通过第十三管道113进入第二主换热器4，复热后汇入第十二管道112进入第一换热器3；
由第三气液分离器12分离出的另一部分液体由第十四管道114经第六节流阀19节流为系统提供冷量，节流后进入第四气液分离器13，此为第三次节流，节流阀后压力为常压。第四气液分离器13顶部气体通过第十五管道115依次进入第二主换热器4、第一主换热器3复热并回收冷量，复热后的一氧化碳气体进入一氧化碳压缩机一段71入口进行两次压缩，一氧化碳压缩机一段71出口通过第十八管道118与一氧化碳压缩机二段72的入口相连通，而后通过第十七管道117汇入第十九管道119，送入深冷分离提纯单元2外部的一氧化碳气收集单元9；由第四气液分离器分离13出的液体由气液分离器13底部液体出口通过第十六管道116进入第二主换热器4，复热后汇入第十五管道115进入第一换热器3；
所述一氧化碳压缩机7出口压力为0.5MPa～2.0MPa，可根据不同工况，调整压缩次数。
所述精馏塔6精馏后精馏塔6上部产生闪蒸气，闪蒸气由精馏塔6上部的气体出口通过第七管道107依次进入所述第二主换热器4、第一主换热器3进行复热回收冷量，冷量回收后经过第七管道107送出所述深冷分离提纯单元2的闪蒸气收集单元10，闪蒸气收集后可供燃烧提供热量。
经所述第四节流阀17第一次节流后压力与产品气压力相同为0.6MPa（G）；经所述第五节流阀18第二次节流后压力与一氧化碳压缩机二段入口处压力相同为0.2MPa(G)，经所述第六节流阀19第三次节流后压力为常压。
所述液体一氧化碳经第四节流阀17、第五节流阀18及第六节流阀19被三次节流制冷，不仅为工艺过程提供大部分冷量，而且在换热器中更好的与热源进行匹配，换热效果更加理想；所述蒸发器的热源由经过第一换热器3初步冷却的净化合成气体所提供。
所述所述第一主换热器3、第二主换热器4的冷量由液体一氧化碳产品三次节流、富氢气和闪蒸气复热提供，无需氮气循环制冷，减少设备，降低能耗。并且三次节流制冷，为第一换热器3及第二换热器4尤其是所述第二换热器4中的热源提供了三种不同压力等级的冷源，更好的为热源进行换热匹配，使热源在第二换热器4的不同位置段都有合适的冷源与其匹配，更好的发挥换热效果，提高换热器性能。
如图2中看到，采用三次节流技术，在冷端换热温差会降低，而且热端温差也会有相应降低，该换热器的平均对数温差可以做到6左右，最大温差仅有14k；尽管在换热器中有温差较大部分出现，但换热效果已得到更高的体现，达到了节能的目的。

Claims (5)

1.一种深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，该装置包括前端预处理单元（1）和深冷分离提纯单元（2），所述深冷分离提纯单元（2）包括第一主换热器（3）、第二主换热器（4）以及精馏塔（6），所述精馏塔（6）包括塔体和塔体底部的蒸发器（61），其特征在于：所述深冷分离提纯单元（2）还包括第一气液分离器（5）、第二气液分离器（11）、第三气液分离器（12）及第四气液分离器（13）；所述前端预处理单元（1）的入口处连接输入原料合成气的第一管道（101），所述前端预处理单元（1）的气体出口通过第二管道（102）经第一主换热器（3）及第三节流阀（16）与所述精馏塔（6）下部蒸发器（61）入口相连通，所述蒸发器（61）出口通过第三管道（103）经第二主换热器（4）与所述第一气液分离器（5）中部入口相连通，所述第一气液分离器（5）上部气体出口通过第四管道（104）依次经第二主换热器（4）、第一主换热器（3）与氢气收集单元（8）相连通；所述第一气液分离器（5）的下部出口分别连通第五管道（105）和第六管道（106），所述第五管道（105）经第一节流阀（14）与所述精馏塔（6）上部入口相连通，所述第六管道（106）经第二节流阀（14）、第二主换热器（4）与所述精馏塔（6）中部入口相连通，所述精馏塔（6）底部的一氧化碳液体出口通过第八管道（108）经第四节流阀（17）与所述第二气液分离器（11）中部入口相连通；所述第二气液分离器（11）上部气体出口通过第九管道（109）依次经第二主换热器（4）、第一主换热器（3）与第十九管道（119）相连通，所述第二气液分离器（11）下部液体出口连接两管道：第十管道（110）和第十一管道（111），所述第十管道（110）经第二主换热器（4）后与第九管道（109）连通，所述第十一管道（111）经第五节流阀（18）与所述第三气液分离器（12）中部入口相连通；所述第三气液分离器（12）上部气体出口通过第十二管道（112）依次经第二主换热器（4）、第一主换热器（3）与一氧化碳压缩机（7）入口相连通，所述一氧化碳压缩机（7）的气体出口连接第十九管道（119），所述第三气液分离器（12）下部液体出口连接两管道：第十三管道（113）和第十四管道（114），所述第十三管道（113）经第二主换热器（4）后与第十二管道（112）相连通，所述第十四管道（114）经第六节流阀（19）与所述第四气液分离器（13）中部入口相连通；所述第四气液分离器（13）上部气体出口通过第十五管道（115）依次经第二主换热器（4）、第一主换热器（3）与一氧化碳压缩机（7）相连通；所述第四气液分离器（13）下部液体出口连接第十六管道（116），所述第十六管道（116）经第二主换热器（4）后与第十五管道（115）相连通，所述第十九管道（119）连接在一氧化碳收集单元（9）的气体入口处。
2.根据权利要求1所述的深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，其特征在于：所述第一主换热器（3）及第二主换热器（4）均为真空钎焊铝质板翅式换热器，所述精馏塔（6）为板式塔或为填料塔，所述蒸发器为真空钎焊式铝制板翅式换热器。
3.根据权利要求1所述的深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，其特征在于：所述一氧化碳压缩机（7）的出口处连接第十七管道（117），所述第十七管道（117）与第十九管道（119）对接，所述第十九管道（119）连接在所述一氧化碳收集单元（9）入口处，所述第九管道（109）与所述第十九管道（119）对接。
4.根据权利要求1所述的深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，其特征在于：所述一氧化碳压缩机为一台两段式一氧化碳压缩机：一氧化碳压缩机一段（71）和一氧化碳压缩机二段（72），所述一氧化碳压缩机一段（71）的入口处连接所述第十五管道（115），所述一氧化碳压缩机二段（72）的入口处连接第十二管道（112），所述一氧化碳压缩机一段（71）的气体出口连接第十八管道（118），所述第十八管道与所述第十二管道（112）对接；常压一氧化碳气体经过第十五管道（115）依次进入一氧化碳压缩机一段（71）、一氧化碳压缩机二段（72）进行两次压缩，而低压一氧化碳气体经过第十二管道（112）直接进入一氧化碳压缩机二段（72）进行一段压缩。
5.根据权利要求1所述的深冷法制取纯一氧化碳和富氢气的装置，其特征在于：所述精馏塔（6）上部设置一闪蒸气出口，所述闪蒸气出口处连接一第七管道（107），所述第七管道（107）与第二主换热器（4）、第一主换热器（3）相连通，所述第七管道（107）伸出所述深冷分离单元（2）外部与闪蒸气收集单元（10）相连通。
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