CN204508803U

CN204508803U - 一种高效分离合成气制取氢气及一氧化碳的装置

Info

Publication number: CN204508803U
Application number: CN201520020161.7U
Authority: CN
Inventors: 周大荣
Original assignee: SHANGHAI QIYUAN AIR SEPARATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI QIYUAN AIR SEPARATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2025-01-12

Abstract

本实用新型涉及一种高效分离合成气制取氢气及高纯一氧化碳的装置，本实用新型采用带中间换热器及塔底再沸器的甲烷洗塔(C1塔)、带塔顶冷凝器及塔釜再沸器的脱氧-甲烷塔(C2塔)和带塔顶冷凝器及塔釜再沸器的脱氮塔(C3塔)连续精馏制取氢气及高纯一氧化碳。装置制冷系统采用氮气增压循环、返流压力氮气膨胀制冷系统。本实用新型采用带再沸器的甲烷洗塔及采用中间冷却器，因而采用单塔塔釜就能得到含氢量＜0.5％的合成气，因塔釜含氢量较低，不再需要设置汽提塔，同时可实现低能耗地制取氢气、一氧化碳；可以制取99.9％以及99.999％以上的一氧化碳产品；在制取一氧化碳压力高于0.2MPa时可以不需要设置一氧化碳压缩机从而达到节能和节约投资、增强运行安全性的目的。

Description

一种高效分离合成气制取氢气及一氧化碳的装置

技术领域

本实用新型涉及一种通过深冷液化作用进行气体分离的装置，尤其涉及一种从合成气中分离氢气、甲烷和一氧化碳的装置。

背景技术

一氧化碳通常是以由天然气、煤及其它碳氢化合物为原料进行水蒸气重整催化转化或部分氧化所产生的合成气中分离获得。除了一氧化碳外，气体中常常还有氢气、氮气、甲烷和氧气等。这些杂质组分往往限制了一氧化碳的使用，使许多含有大量的一氧化碳混合气体只能燃烧放空，造成资源的浪费。

一氧化碳和氢气是重要的基础化工原料，广泛用于羰基合成等化工过程，已经成为一系列基本有机化工产品和中间体的重要原料。一氧化碳的来源基本都是含有一定量CO2、CO、H2、N2、CH4、O2、H2O等的气体混合物，为了获得高纯CO，采用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。

一定压力的合成气通过节流、膨胀可产生更低的温度使原料全部或部分液化，可将原料气中的H2、CH4、CO分离。深冷分离法的核心是利用合成气中各组分沸点的差异，在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，需要原料气在进入冷箱前进行预处理，脱除重烃、CO2、H2O和H2S等。

中国专利申请公布号CN 104011488 A“通过低温蒸馏供应气态一氧化碳的方法和设备”，该方法在一种通过低温蒸馏来供应气态一氧化碳的方法中，原料合成气经冷却在甲烷洗涤塔中脱除大部分氢气后在汽提塔在进一步脱除氢气后进入脱甲烷塔中部，在塔釜得到富甲烷，富甲烷经液体泵加压后部分作为甲烷洗涤塔回流液，部分继续复热出装置作为燃料气，在脱甲烷塔顶部得到富一氧化碳，富一氧化碳经复热出装置进入一氧化碳循环压缩机增压，产品一氧化碳从循环压缩机中间级抽出。装置的冷量补充为循环压缩机出口的一氧化碳在换热器中冷却从中部抽出进入膨胀机膨胀至低压返回换热器复热。

因低沸点的氮气随着一氧化碳一起富集到脱甲烷塔顶部，因此该装置生产的一氧化碳中的氮气无法在该流程中解决，需要增加装置进一步脱除，且富一氧化碳出装置的压力较低需要出冷箱后在循环压缩机中增压从中间级抽出。该实用新型的甲烷洗涤塔不含再沸器，因此无法在一个塔中一次脱除，需要增加汽提塔，在汽提塔顶部排放富氢气体，该气体无法作为产品气使用因此装置氢气提取率较低。

在专利CN101568788B中，原料氢气进入C1塔底部，需要设置C2塔来脱除残余氢气，C2塔中含氢量>1.5％的原料在C2塔顶脱除，这部分粗氢不能作为氢气产品使用，降低了氢气回收率。同时在该专利中，减压后的一氧化碳29进入C4塔冷凝蒸发器中蒸发为气体后进入主换热器复热后进入循环压缩机增压后输出，而该一氧化碳压缩机在运行时存在安全的风险。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术中的上述问题提出的。

本实用新型的一个目的是提供一种在单塔中实现氢气纯度>97％、可直接作为氢气产品使用的制取装置。

本实用新型的另一目的是提供一种在维持装置冷量平衡时避免使用一氧化碳压缩机的制取氢气及高纯一氧化碳的装置。

本实用新型的还一目的是提供一种不使用汽提塔高效分离合成气制取氢气及一氧化碳的装置。

本实用新型提供了一种以含有H2、CO、N2、CH4、O2等的气体混合物的合成气为原料、同时生产氢气和一氧化碳的方法，采用甲烷洗塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连续精馏制取氢气及高纯一氧化碳，同时将氢气和一氧化碳从合成气中分离出来，一氧化碳提取率达到96％以上，一氧化碳纯度达到99.9％以上，氢气产品出装置纯度＞97％、提取率＞98％，克服了传统方法的缺陷，并节省了设备投资、降低了能耗、提高了产品附加值，实现了循环经济效应。

本实用新型提供一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，该装置包括甲烷洗塔C1、脱氧-甲烷塔C2、脱氮塔C3及与它们分别相连的中间换热器K1、冷凝蒸发器K2、K3及塔釜再沸器B1、B2、B3、主换热器EH1、透平膨胀机TP1、一氧化碳液体泵BP1、低温液体甲烷泵BP2及其相连的管路、阀门；所述的原料合成气在主换热器EH1及塔釜再沸器B1冷却后进入甲烷洗塔C1脱除大部分氢气，在脱氧-甲烷塔C2在脱除氧及甲烷后进入脱氮塔C3塔，在塔釜得到高纯度的一氧化碳；该装置还包括一个提供冷量及塔釜液体加热热源的氮气循环压缩机及氮气膨胀系统，所述的氮气膨胀系统的带压氮气为冷凝蒸发器C2蒸发出的压力氮气。

在上述装置中，优选地，脱氮塔C3底部塔釜B3中得到的的一氧化碳液体经过一氧化碳泵加压至高于产品气所需输送压力后进入主换热器EH1中复热至常温作为产品输出。

在上述装置中，优选地，脱氮塔C3底部塔釜B3中得到的的一氧化碳液体全部或部分直接进入主换热器EH1中复热至常温作为产品输出。

本实用新型的装置是通过下述方法从合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的：

1)将纯化、干燥的包含有H₂、CO、N₂、CH₄、O₂的原料合成气冷却后，送入甲烷洗塔再沸器B1中冷却再沸出混合气(103)，经节流阀V1减压后进入甲烷洗塔C1中精馏，在塔中上部抽出部分混合气进入中间换热器K1与液氮换热，将混合气部分冷凝成为液体，然后回流至精馏塔中部，未冷凝的混合气气体继续上升与塔顶进入的富甲烷液接触，混合气中大部分的CH₄、CO、O₂、N₂等高沸点的组份被冷凝成液体；在塔顶得到含氢97％以上的未冷凝的H₂(105)，经主换热器EH1复热至常温作为产品输出；

2)回流至甲烷洗塔C1底部塔釜B1中的含有少量H₂的合成气液体(107)(主要成分为CO、CH₄、N₂、O₂)经节流阀V2减压后导入脱氧-甲烷塔C2；在塔顶得到含微量氧及基本不含CH₄、O₂的混合物进入冷凝蒸发器K2中与液氮换热，部分混合物冷凝成液体作为C2的回流液，部分气体混合物(109)经节流阀V3导入脱氮塔C3中精馏；从C2塔釜抽取富甲烷液经低温液体泵BP2加压至高于C1塔的压力后进入C1塔顶部，作为C1塔的回流液；C2塔釜中富余的富甲烷液经主换热器复热后作为燃料气使用；

3)气体混合物(109)经过V3阀节流后的混合气(110)在脱氮塔C3中精馏，底部塔釜B3中的高纯度CO液体(113)经一氧化碳屏蔽泵BP1增压后导入主换热器EH1中复热作为产品输出；在塔顶得到含微量CO的N₂进入冷凝蒸发器K3中与液氮换热，部分N₂混合物冷凝成液体作为C3的回流液，其余N₂(116)进入主换热器EH1复热后作为合成气净化装置的再生气源使用；

4)低压N₂(220)经过循环氮气压缩机CP1增压并冷却至常温后中压N₂(201)进入主换热器EH1中冷却在主换热器EH1中部抽出部分中压氮气(202)进入脱氧-甲烷塔再沸器B2中冷却，使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精馏，使塔釜液体中CH₄浓度提升、CO含量减少；冷却后的N₂(或液化成液氮)(204)再次进入脱氮塔再沸器B3中冷却或过冷，使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3中精馏，使塔釜液体中CO浓度提升、N₂含量减少来获得合格的CO液体产品(113)；冷却后的中压N₂或液氮(205)与在主换热器EH1中冷端出来被液化并过冷的N₂(203)汇合后(207)进入脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器K2中作为C2塔冷凝蒸发器的冷源，富余的液氮(211)分成二股(212)及(213)经节流阀节流至常压后分别倒入C1塔中间换热器K1和C3塔冷凝蒸发器K3，作为C1及C3塔的冷源；

5)C2塔冷凝蒸发器中蒸发的压力N₂(208)进入主换热器EH1中部分复热后从换热器中部抽出(209)，进入氮气透平膨胀机TP1中膨胀产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的N₂(210)与中间换热器K1及冷凝蒸发器K3中蒸发的低压N₂(216)、(217)混合，混合后的N₂(219)再进入主换热器EH1低压氮气通道复热至常温(220)后进入循环氮气压缩机CP1中循环使用。

在上述方法中，优选地，进入甲烷洗塔C1由塔釜再沸器B1、中间冷却器K1和精馏塔塔体组成，进入精馏塔的原料合成气先进入塔釜B1冷却后再经过节流阀V1减压后进入精馏塔C1中部。

在上述方法中，优选地，进入脱氧-甲烷塔再沸器B2中的压力N₂(202)与进入脱氮塔再沸器B3中的N₂(204)为顺序串联连接逐步冷却后节流进入冷凝蒸发器K2、K3，K2作为精馏塔C1、C2、C3的回流液的冷源，冷凝蒸发器K2蒸发出的带压氮气复热后进入氮气透平膨胀机TP1膨胀提供装置的冷量；进入脱氧-甲烷塔再沸器B2中的压力N₂(202)在进入脱氮塔再沸器B3前分出一股N₂与脱氮塔再沸器B3冷却后的N₂混合，改变分出一股N₂的流量来减轻脱氮塔再沸器B3的负荷。

在上述方法中，优选地，出脱氧-甲烷塔再沸器B2、脱氮塔再沸器B3的N₂或液氮(205)与出主换热器的低温N₂(203)的仅一股(207)进入冷凝蒸发器K2蒸发，另一股进入冷凝蒸发器K2、K3。

在上述方法中，优选地，出脱氧-甲烷塔再沸器B2、脱氮塔再沸器B3的N₂或液氮(205)先减压至稍高于冷凝蒸发器K2的压力后进入气液分离器中，从气液分离器分别抽取液体进入冷凝蒸发器K2、K3及中间换热器K1中蒸发。

在上述方法中，优选地，提供装置冷量的透平膨胀机TP1入口压力氮气来源于冷凝蒸发器C2蒸发出的压力氮气，膨胀后的氮气与低压氮气复热至常温后返回循环氮气压缩机入口。

在上述方法中，优选地，脱氮塔C3底部塔釜B3中得到的的一氧化碳液体全部或部分直接进入主换热器EH1中复热至常温作为产品输出。

采用上述技术方案，本实用新型和传统技术相比具有以下优点：

本实用新型采用过热的合成气在进入甲烷洗塔前在再沸器冷却并维持过热状态后进入精馏塔中部，使塔釜中低沸点氢大部分被蒸发获得较高的氢气提取率，采用带塔顶冷凝器及塔釜再沸器的三塔连续化生产能够同时生产氢气和一氧化碳，生产能力大幅提高。

本实用新型采用带再沸器的甲烷洗塔及采用中间冷却器，因而采用单塔塔釜就能得到含氢量＜0.5％的合成气，因塔釜含氢量较低，不再需要设置汽提塔，因此氢气的提取比采用不带再沸器的甲烷洗塔而采用增加汽提塔的提取氢气及一氧化碳的工艺流程要高～1％且简化了工艺流程。

本实用新型采用氮气增压循环、脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器蒸发的压力氮气膨胀制取冷量的循环系统；液氮作为精馏塔冷凝器冷源与一氧化碳循环比，可以获得较高的传热温差，可以提高冷凝器蒸发压力，采用脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器蒸发的压力氮气膨胀制取冷量维持装置冷量平衡，因此采用本实用新型氮气循环量比其他工艺装置低10-20％。

附图说明

图1为本实用新型所述合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳装置的结构示意图；

图中：

C1甲烷洗塔；C2脱氧-甲烷塔；C3脱氮塔；K1中间换热器、K2、K3冷凝蒸发器；B1、B2、B3塔釜再沸器；EH1主换热器；TP1透平膨胀机；BP1一氧化碳液体泵；BP2低温液体甲烷泵；CP1循环压缩机；V1、V2、V3节流阀；101、102、103、104合成气；105、106氢气；107、108脱氢后的合成气；109、110为N2/CO为主的混合气；111、112富甲烷(燃料气)；113、114、115一氧化碳；201、202、204中压氮气、203、205中压液氮、206、207、211、212、213压力液氮；208、209压力氮气；214、215低压液氮；216、217、218、210、219、220低压氮气。

中压指压力≥1.6MPa，低压指压力低于0.1MPa，压力氮、带压氮气指压力介于0.1MPa-1.6MPa间。

具体实施方式

参照图例，本实用新型生产氢气和一氧化碳的方法如下：

中压含CO、H2、CH4、N2等组份的原料合成气101在主换热器EH1中冷却至-70至-130℃，然后送入甲烷洗塔再沸器B1中冷却至稍高于再沸器釜液饱和温度后的气体103经节流阀V1减压后进入甲烷洗塔C1中精馏，从C1塔中部抽出部分合成气进入中间换热器K1与液氮214换热，然后将大部分的一氧化碳、氮气经冷凝蒸发器冷凝K1成为液体，后回流至C1塔中部，未冷凝的混合气气体继续上升与塔顶进入的富甲烷液接触，混合气中大部分的甲烷、一氧化碳、氧、氮等高沸点的组份被冷凝成液体；在塔顶得到(＞97％H2)的粗氢经主换热器EH1复热至常温作为产品106输出。

回流至甲烷洗塔C1底部塔釜B1中的含有少量氢气(＜0.5％H2)的合成气液体107(主要成分为一氧化碳、甲烷、氮)经节流阀V2减压至0.15-0.5MPa后得到气液状态流体108导入脱氧-甲烷塔C2中精馏；在塔顶得到含微量氧及基本不含甲烷的一氧化碳、氮气、微量氢的混合物进入冷凝蒸发器K2中与液氮换热，部分混合物冷凝成液体作为C2的回流液，部分气体混合物109经节流阀V3导入脱氮塔C3中精馏；从C2塔釜抽取富含甲烷的液体(富甲烷液)经低温液体泵BP2加压至高于C1塔的压力后进入C1塔顶部，作为C1塔的回流液；C2塔釜中富余的富甲烷液经主换热器复热后作为燃料气使用。

经过V3阀节流后的混合气110在脱氮塔C3(压力在0.06-0.3MPa间)中精馏，底部塔釜B3中的含有一氧化碳液体113(纯度～99.9％CO，最高可达99.999％CO以上)经一氧化碳屏蔽泵BP1增压至0.2-5MPa后液体114导入主换热器EH1中复热作为产品115输出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入冷凝蒸发器K3中与液氮换热，部分氮气混合物冷凝成液体作为C3的回流液，其余氮气116(纯度～95％N2)进入主换热器EH1复热后117作为合成气净化装置的再生气源使用。

低压氮气220(压力～0.01MPa)经过循环氮气压缩机CP1增压至2.5-5MPa并冷却至常温后中压氮气201进入主换热器EH1中冷却在主换热器EH1中部抽出部分中压氮气202(温度～-100℃至-150℃)进入脱氧-甲烷塔再沸器B2中冷却至稍高于C2塔釜液的温度后，使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精馏，使塔釜液体中甲烷浓度提升、一氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气(或液体)204再次进入脱氮塔再沸器B3中进一步冷却，使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3中精馏，使塔釜液体中一氧化碳浓度提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产品113；冷却后的中压液氮205与在主换热器EH1中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后207进入脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器K2中作为C2塔冷凝蒸发器的冷源，富余的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压后分别倒入C1塔冷凝蒸发器K1和C2塔冷凝蒸发器K3，作为C1及C3塔冷凝蒸发器的冷源。

C2塔冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208(压力0.08MPa-0.5MPa)进入主换热器EH1中部分复热至-140℃至-165℃从换热器中部抽出209，进入氮气透平膨胀机TP1中膨胀至0.015MPa至0.05MPa产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气210与冷凝蒸发器K1及K3中蒸发的低压氮气218、217混合，混合后的氮气219再进入主换热器低压氮气通道复热至常温220后进入循环氮气压缩机CP1中循环使用。

以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。

Claims

1.一种高效分离合成气制取氢气及高纯一氧化碳的装置，其特征在于，该装置包括甲烷洗塔C1、脱氧-甲烷塔C2、脱氮塔C3及与它们分别相连的中间换热器K1、冷凝蒸发器K2、K3及塔釜再沸器B1、B2、B3、主换热器EH1、透平膨胀机TP1、一氧化碳液体泵BP1、低温液体甲烷泵BP2及其相连的管路、阀门；所述的原料合成气在主换热器EH1及塔釜再沸器B1冷却后进入甲烷洗塔C1脱除大部分氢气，在脱氧-甲烷塔C2在脱除氧及甲烷后进入脱氮塔C3塔，在塔釜得到高纯度的一氧化碳；该装置还包括一个提供冷量及塔釜液体加热热源的氮气循环压缩机及氮气膨胀系统，所述的氮气膨胀系统的带压氮气为冷凝蒸发器C2蒸发出的压力氮气。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，脱氮塔C3底部塔釜B3中得到的的一氧化碳液体经过一氧化碳泵加压至高于产品气所需输送压力后进入主换热器EH1中复热至常温作为产品输出。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，脱氮塔C3底部塔釜B3中得到的的一氧化碳液体全部或部分直接进入主换热器EH1中复热至常温作为产品输出。