TWI723105B - 用於低溫分離合成氣之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於低溫分離主要由氫氣及一氧化碳組成的含甲烷的原料氣(1)之方法及裝置，該含甲烷的原料氣在此情況下藉由冷卻而部分地冷凝，以獲得主要由一氧化碳及甲烷組成的含氫氣的第一液相(5)，在經由循環加熱器(8)加熱的H2 分離塔(T1)中，藉由分離出氫氣(9)而自該第一液相產生第二液相(11)，在CO/CH4 分離塔(T2)中，自該第二液相獲得富含一氧化碳的氣相(28)，該富含一氧化碳的氣相具有允許其釋放為一氧化碳產物(29)的純度。在此情況下的特徵為低甲烷物質流(26、34)自該H2 分離塔(T1)排出且接著作為回流施加至該CO/CH4 分離塔(T2)。

Description

用於低溫分離合成氣之方法及裝置
多年來，熟習此項技術者將所討論類型之方法稱作冷凝方法。該等方法較佳用以分離藉由部分氧化而獲得且因此具有高一氧化碳含量及低甲烷含量的合成氣。假設原料氣已被充分冷卻，則冷凝方法允許產生產量超過90%的一氧化碳產物，該一氧化碳產物的甲烷含量低於400 vppm且因此可在無另外純化步驟的情況下用於(例如)產生單乙二醇。 詳言之，為提供本方法所需之峰值低溫且為在CO/CH4 塔之頂端處產生回流，在先前技術中，使用冷卻迴路，該冷卻迴路使用外部供應的氮氣或內部產生的一氧化碳中任一者作為致冷劑。兩個變體中之每一者均係複雜的且為對氣體分離之經濟效率具有明顯影響的重要成本因素。 對於一氧化碳迴路，在CO/CH4 分離塔中獲得且相抵於待冷卻之過程流而經溫熱的富含一氧化碳的氣相之部分相抵於待溫熱之過程流經壓縮、液化且以致冷之方式膨脹至CO/CH4 塔之頂端。在此情況下獲得的液相之部分形成塔回流，經由該塔回流達到一氧化碳產物之所需純度，同時剩餘物進一步經膨脹，以傳遞用於過程之峰值低溫。 氮氣迴路亦用於先前技術中，以提供用於過程之峰值低溫且產生用於CO/CH4 分離塔的回流，在此情況下，該CO/CH4 分離塔配備有藉由液態氮氣冷卻的冷凝器，該冷凝器在塔頂端傳遞溫度差以驅動內部一氧化碳回流。 兩個低溫迴路均經由多級壓縮機驅動。儘管在氮氣迴路中，可使用兩級(較佳為便宜的)壓縮機，但對於一氧化碳壓縮機而言，則大大提高了成本。其對應的原因為，第一，一氧化碳壓縮機必須構造具有至少三個壓縮機級，以防止一氧化碳的熱分解及自其產生的煙灰沈積物。第二，一氧化碳壓縮機必須有爆裂保護且在特定的保護區中操作，以防一氧化碳洩漏，從而對人體及裝備造成損害。因此，一氧化碳迴路之壓縮機的成本至多比適合於驅動對應氮氣迴路的壓縮機的成本高50%。 然而，壓縮機產生的氮氣迴路的成本優勢被CO/CH4 分離塔之頂端處所需的冷凝器部分地抵消且與一氧化碳迴路相比，藉此引起的能量需求更高。
本發明係關於一種用於低溫分離主要由氫氣及一氧化碳組成的含甲烷的原料氣之方法，該含甲烷的原料氣在此情況下藉由冷卻而部分地冷凝，以獲得主要由一氧化碳及甲烷組成的含氫氣的第一液相，在經由循環加熱器加熱的H2 分離塔中，藉由分離出氫氣而自第一液相產生第二液相，在CO/CH4 分離塔中，自第二液相獲得富含一氧化碳的氣相，該富含一氧化碳的氣相具有允許其釋放為一氧化碳產物的純度。 此外，本發明係關於一種用於實施根據本發明之方法的裝置。 因此，本發明之目標在於限定所討論類型之方法以及執行該方法之裝置，以允許在與先前技術相比降低之成本的情況下獲得一氧化碳產物。 由於低甲烷物質流自H2 分離塔排出且接著作為回流施加至第二分離塔，因此實現此目標。 當氫氣自第一液相分離出時，主要由一氧化碳及甲烷組成的第二液相在H2 分離塔之集液槽中彙集，同時富含氫氣的氣相在塔頂排出。 藉由迴路蒸發器產生的含有氫氣的氣相、一氧化碳及甲烷自集液槽空間朝上上升，且在此方面經由分離級與在逆流中引導的第一液相充分接觸。因為在此情況下甲烷及一氧化碳主要自氣相反萃取且氫氣自液相脫除，所以物質流之組合物在該流動方向上不斷變化。而在氣相中，一氧化碳及(甚至更加集中地)甲烷之餾份降低且氫氣餾份升高，液相中對應的餾份以相反之方式發展。因此，具有不同組合物的物質流可在不同高度處自第一H2 分離塔排出。 本發明利用以下事實：在H2 分離塔內，存在至少一個具有用作CO/CH4 分離塔中回流的合適組合物的物質流。詳言之，此物質流的甲烷含量低且具有低氫氣含量。 較佳地，低甲烷物質流以氣態自H2 分離塔排出且隨後藉由相抵於待溫熱之過程流而冷卻及/或在將該低甲烷物質流作為回流引入至CO/CH4 分離塔之前冷卻且液化致冷劑。 根據經驗，H2 分離塔中第六實際分離級之上游之氣相具有合適的組合物，以使得低甲烷物質流在通過第六分離級之後可以氣態自H2 分離塔排出。在第六實際分離級之下游，氣相的甲烷含量的確進一步降低，但此處供CO/CH4 分離塔中使用的氫氣餾份過高。較佳地，將低甲烷氣相的排出位置定位於H2 分離塔的集液槽空間與第三實際分離級之間。 然而，此外，替代氣態物質流或除氣態物質流之外，亦有可能以液態自H2 分離塔排出低甲烷物質流且使其作為回流饋入至CO/CH4 分離塔。較佳地，在此情況下，省略將低甲烷物質流引入至CO/CH4 分離塔之前對其進行冷卻的步驟。當使用其下部部分構造為間壁塔的H2 分離塔時，可採用具有特定偏好的此方法變體。有可能藉由此方式獲得低氫氣含量物質流，此係因為與具有相同氫氣含量的氣態物質流相比，甲烷含量大大降低，且因此在CO/CH4 分離塔中，可獲得明顯更高純度的富含一氧化碳的氣相。 較佳在一壓力下操作CO/CH4 分離塔，該壓力允許富含一氧化碳的氣相在相抵於待冷卻之過程流而經溫熱之後在一壓力下被釋放至消耗裝置，該壓力等於或大於用於一氧化碳產物之消耗裝置所需的壓力。較佳地，在8巴與10巴之間的壓力下操作CO/CH4 分離塔。 在根據本發明之方法之發展中，提議經由冷卻迴路(其中，氮氣用作致冷劑)提供方法所需的低溫(詳言之，峰值低溫)。氮氣迴路不連接至可燃的及/或有毒的過程氣，且因此方便對其操作，使用既不構造成爆裂保護也不在特別保護區中操作的壓縮機。 本發明進一步涉及用於低溫分離主要由氫氣及一氧化碳組成的含甲烷的原料氣之裝置，該裝置具有：至少一個熱交換器，其用於冷卻及部分冷凝原料氣；分離器，在該分離器中可自部分冷凝的原料氣分離出第一液相；H2 分離塔，其可經由循環加熱器加熱且其中可藉由分離出氫氣而自第一液相產生一第二液相；以及CO/CH4 分離塔，其中可自第二液相分離出富含一氧化碳的氣相，該富含一氧化碳的氣相具有允許其釋放為一氧化碳產物的純度。 就裝置而言，根據本發明實現所討論目標，此係因為H2 分離塔以一種方式連接至CO/CH4 分離塔，該方式使低甲烷物質流可經由排出位置自H2 分離塔排出且可作為回流施加至CO/CH4 分離塔。 為了能夠在將以氣態自H2 分離塔排出的物質流引入至CO/CH4 分離塔之前對其進行液化，本發明提供冷卻器具，該冷卻器具配置於兩個分離塔之間。冷卻器具較佳為熱交換器，該熱交換器亦用以冷卻及/或部分冷凝原料氣。然而，並不排除將冷卻器具構造為獨立的熱交換器。 H2 分離塔具有以一個在另一個之上方的方式垂直配置的複數個物質傳送器具，該等物質傳送器具表示實際分離級，且較佳構造為篩盤及/或槽形泡罩盤及/或規整填料及/或堆積床填料。在實際分離級之下，定位有塔的集液槽空間，熱可經由循環加熱器饋入至該集液槽空間。 若低甲烷物質流將以氣態自H2 分離塔排出，則排出位置較佳位於第一分離塔的第六實際分離級之下方。該排出位置尤其較佳為配置於集液槽空間與第三實際分離級之間。 在本發明之有利實施例中，H2 分離塔之下部部分中具有垂直豎立的間壁，該間壁將塔橫截面分隔成兩個區段。在間壁的上部末端處，定位有引入位置，經由該引入位置第一液相之部分可引入至區段中之一者中，以及用於冷凝在另一區段上方自集液槽空間朝上上升之氣體的冷卻器具。被稱為間壁塔的此器具允許產生低甲烷液相，此係由於該低甲烷液相之組合物在CO/CH4 分離塔中可用作回流。用於此目的的間壁塔經構造具有排出位置，該排出位置較佳為緊靠著冷卻器具之下方而配置，低甲烷物質流可經由該排出位置以液態排出且可經由液體管線饋入至CO/CH4 分離塔。在最簡單的情況下，液體管線經構造為管道且有益的是並不包含用於冷卻低甲烷液相的器具。 根據本發明之裝置的尤其較佳變體提供冷卻迴路，該冷卻迴路可藉由使用氮氣作為致冷劑流動穿過用於冷卻及部分冷凝原料氣的熱交換器或多個熱交換器而操作，詳言之，可經由該冷卻迴路提供用於氣體分離的分離器處所需的峰值低溫。為驅動可循環作為致冷劑的氮氣，冷卻迴路適當地包含具有少於三個壓縮機級的非防爆壓縮機。此外，冷卻迴路可具有配置於壓縮機之吸入側，用於將氣態引入至迴路的饋入器具，以及定位於壓縮機之壓力側上，用於自迴路排出過量氮氣的排出器具。冷卻迴路較佳包含用於冷凝氣態氮氣的另一熱交換器，將CO/CH4 分離塔之循環加熱器整合入該熱交換器中。 在下文中，將參照圖 1 及圖 2 中經示意性說明的兩個例示性實施例對本發明進行更加詳細的描述。 圖1展示根據本發明之方法的實施例，其中經提供作為CO/CH4 分離塔之回流的物質流以氣態自H2 分離塔排出。 圖2展示根據本發明之方法的不同實施例，其中經提供作為第二CO/CH4 分離塔之回流的物質流以液態自H2 分離塔排出。 在兩個圖式中，相同設備組件及過程流標記有相同的參考符號。 在圖1中，待分離且主要由氫氣及一氧化碳組成，在30巴與60巴之間的壓力下呈現的含甲烷的原料氣1在第一熱交換器E1及第二熱交換器E2中相抵於待溫熱之過程流而經冷卻，其中藉由組分之冷凝而形成物質之二相混合物2，該物質之混合物在分離器D1中經分離為實質上由一氧化碳及甲烷組成的含氫氣的液相及富含氫氣的氣相。氣相經由管線3自分離器D1排出，且在熱交換器E2及E1中溫熱之後在設備極限下釋放為粗製氫氣4。相比之下，液相5經饋入至H2 分離塔T1。為此目的，將該液相分為兩個子流，該兩個子流之第一子流6作為回流膨脹至H2 分離塔T1之頂端，同時第二子流7在熱交換器E2中膨脹及部分氣化之後，施加至H2 分離塔T1之中間部分，用作級間加熱。 H2 分離塔T1在一壓力(該壓力在原料氣1之壓力的三分之一與二分之一之間)下進行操作，且用於脫除溶解於液相5中的氫氣。該H2 分離塔由整合於熱交換器E2中的循環加熱器8進行加熱。 來自H2 分離塔T1的富含氫氣的塔頂餾份9在熱交換器E2及E1中經溫熱之後，在設備極限下釋放為閃蒸氣10，而由一氧化碳及甲烷組成的實質上無氫氣的集液槽餾份11經膨脹至在8.5巴與9巴之間的壓力下操作的CO/CH4 分離塔T2中。為此目的，集液槽餾份11被分為兩個子流，該兩個子流中的一個子流12用作中間回流，且第二子流13在熱交換器E2中氣化之後用作級間加熱。CO/CH4 分離塔T2經由整合於熱交換器E3中的循環加熱器14加熱。 方法所需峰值低溫經由藉由兩級迴路壓縮機V驅動之氮氣迴路獲得。氮氣15使第二壓縮機層C2處於一壓力(通常在16巴與21巴之間)下，氮氣隨後相抵於待溫熱之CO/CH4 分離塔T2之集液槽產物14在熱交換器E1中冷卻且在熱交換器E3中冷凝。經冷凝之氮氣16膨脹為7巴與9巴之間的中間壓力，其中形成物質之二相混合物17，在分離器D2中將該物質之二相混合物分離成氣相18及液相19。自氣相18及液相19之部分20形成之物質流21在中間壓力位準下於熱交換器E2中經完全氣化且在將該物質流於吸入側上饋入至第二壓縮機層C2之前在熱交換器E1中對其進行進一步溫熱。剩餘的液相22進一步經膨脹為在3巴與5巴之間的低壓位準，該液相在熱交換器E2中經氣化且在熱交換器E1中經溫熱之後經由第一壓縮機層C1之吸入側經再循環至迴路壓縮機V中。液相19以一種方式分成兩個子流20及22，該方式使得達到分離器D1處所需的溫度。 需要時，可經由低壓通道22將外部氮氣饋入至封閉式氮氣迴路，其中氣態氮氣23在熱交換器E1之溫熱側上引入且液態氮氣24在熱交換器E2之低溫側上引入。過剩的氮氣25在迴路壓縮機V之壓力側上脫除。 為產生用於CO/CH4 分離塔T2的回流，低甲烷氣相26在第六實際分離級之下方自H2 分離塔T1排出，在熱交換器E2中冷卻及冷凝，且接著經由管線27引導至CO/CH4 分離塔T2之頂端。CO/CH4 分離塔T2之塔頂產物28具有一氧化碳產物所需之純度，且由於一氧化碳產物29不進一步壓縮，因此塔頂產物在熱交換器E2及E1中進行溫熱之後，在足夠高以能夠釋放該塔頂產物的壓力下可用。在CO/CH4 分離塔T2之集液槽中，富含甲烷、含一氧化碳的液相30彙集，該液相在熱交換器E2及E1中氣化及溫熱之後釋放為燃料氣31。 圖2中所展示之例示性實施例允許產生具有較藉由圖1中所展示之組態可能產生之更高純度的一氧化碳產物29。為此目的，塔T3用以自液相5脫除氫氣，該塔T3之下部區由間壁再分為兩個區段S1及S2。在區段S1之頂端處，定位有用作級間加熱的液相5之子流7的饋入位置，而在區段S2之頂端處，冷凝器E4配置於該頂端，由一氧化碳及甲烷組成的集液槽餾份11之部分32用作致冷劑。接著將經溫熱及氣化的致冷劑33連同子流13一起饋入至CO/CH4 分離塔T2，用作級間加熱。為避免區段S2中之液相的甲烷污染，流動離開塔T3之上部區的液相單獨饋入至區段S1。 因此，在冷凝器E4之下方，低甲烷一氧化碳餾份34可以液態自區段S2排出，該低甲烷一氧化碳餾份在CO/CH4 分離塔T2之頂端處用作回流。
1‧‧‧含甲烷的原料氣2‧‧‧部分冷凝的原料氣/物質之二相混合物3‧‧‧管線4‧‧‧粗製氫氣5‧‧‧含氫氣的第一液相6‧‧‧第一子流7‧‧‧第二子流8‧‧‧循環加熱器9‧‧‧氫氣/塔頂餾份10‧‧‧閃蒸氣11‧‧‧第二液相/集液槽餾份12‧‧‧子流13‧‧‧第二子流14‧‧‧循環加熱器/集液槽產物15‧‧‧氮氣16‧‧‧經冷凝之氮氣17‧‧‧物質之二相混合物18‧‧‧氣相19‧‧‧液相20‧‧‧液相之部分/子流21‧‧‧物質流22‧‧‧剩餘的液相/子流/低壓通道23‧‧‧氣態氮氣24‧‧‧液態氮氣25‧‧‧過剩的氮氣26‧‧‧低含量甲烷物質流/低甲烷氣相27‧‧‧管線28‧‧‧富含一氧化碳的氣相/塔頂產物29‧‧‧一氧化碳產物30‧‧‧富含甲烷、含一氧化碳的液相31‧‧‧燃料氣32‧‧‧集液槽餾份之部分33‧‧‧經溫熱及氣化的致冷劑34‧‧‧低甲烷物質流/低甲烷一氧化碳餾份C1‧‧‧第一壓縮機層C2‧‧‧第二壓縮機層D1‧‧‧分離器D2‧‧‧分離器E1‧‧‧第一熱交換器E2‧‧‧第二熱交換器/冷卻器具E3‧‧‧熱交換器E4‧‧‧冷凝器S1‧‧‧區段S2‧‧‧區段T1‧‧‧H2‧‧‧ 分離塔T2‧‧‧CO/CH4 分離塔T3‧‧‧塔V‧‧‧迴路壓縮機
圖1展示根據本發明之方法的實施例，其中經提供作為CO/CH4 分離塔之回流的物質流以氣態自H2 分離塔排出。 圖2展示根據本發明之方法的不同實施例，其中經提供作為第二CO/CH4 分離塔之回流的物質流以液態自H2 分離塔排出。
1‧‧‧含甲烷的原料氣
2‧‧‧部分冷凝的原料氣/物質之二相混合物
3‧‧‧管線
4‧‧‧粗製氫氣
5‧‧‧含氫氣的第一液相
6‧‧‧第一子流
7‧‧‧第二子流
8‧‧‧循環加熱器
9‧‧‧氫氣/塔頂餾份
10‧‧‧閃蒸氣
11‧‧‧第二液相/集液槽餾份
12‧‧‧子流
13‧‧‧第二子流
14‧‧‧循環加熱器/集液槽產物
15‧‧‧氮氣
16‧‧‧經冷凝之氮氣
17‧‧‧物質之二相混合物
18‧‧‧氣相
19‧‧‧液相
20‧‧‧液相之部分/子流
21‧‧‧物質流
22‧‧‧剩餘的液相/子流/低壓通道
23‧‧‧氣態氮氣
24‧‧‧液態氮氣
25‧‧‧過剩的氮氣
26‧‧‧低甲烷物質流/低甲烷氣相
27‧‧‧管線
28‧‧‧富含一氧化碳的氣相/塔頂產物
29‧‧‧一氧化碳產物
30‧‧‧富含甲烷、含一氧化碳的液相
31‧‧‧燃料氣
C1‧‧‧第一壓縮機層
C2‧‧‧第二壓縮機層
D1‧‧‧分離器
D2‧‧‧分離器
E1‧‧‧第一熱交換器
E2‧‧‧第二熱交換器/冷卻器具
E3‧‧‧熱交換器
S1‧‧‧區段
T1‧‧‧H2分離塔
T2‧‧‧CO/CH4分離塔

Claims (14)

  1. 一種用於低溫分離主要由氫氣及一氧化碳組成的含甲烷的原料氣(1)之方法，該含甲烷的原料氣在此情況下藉由冷卻而部分地冷凝，以獲得主要由一氧化碳及甲烷組成的含氫氣的第一液相(5)，在經由循環加熱器(8)加熱的H2分離塔(T1)中，藉由分離出氫氣(9)而自該第一液相產生第二液相(11)，在CO/CH4分離塔(T2)中，自該第二液相獲得富含一氧化碳的氣相(28)，該富含一氧化碳的氣相具有允許其釋放為一氧化碳產物(29)的純度，其特徵在於低甲烷物質流(26、34)自該H2分離塔(T1)排出且接著作為回流施加至該CO/CH4分離塔(T2)。
  2. 如請求項1之方法，其中該低甲烷物質流(26)以氣態自該H2分離塔(T1)中排出且在將其引入至CO/CH4分離塔(T2)之前藉由冷卻而液化。
  3. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該低甲烷物質流(26)在第六實際分離級之下方自該H2分離塔(T1)排出。
  4. 如請求項3之方法，其中該低甲烷物質流(26)自集液槽空間及/或在第一實際分離級與第三實際分離級之間排出。
  5. 如請求項1之方法，其中該低甲烷物質流(34)以液態自該H2分離塔排出。
  6. 如請求項5之方法，其中在無壓力升高的情況下使在該CO/CH4分離塔中獲得之該富含一氧化碳的氣相(28)溫熱且釋放為一氧化碳產物(29)。
  7. 如請求項6之方法，其中經由氮氣迴路提供峰值低溫。
  8. 一種用於低溫分離主要由氫氣及一氧化碳組成的含甲烷的原料氣(1)之裝置，該裝置具有：至少一個熱交換器(E1、E2)，其用於冷卻及部分冷凝該原料氣(1)；分離器(D1)，在該分離器中可自該部分冷凝的原料氣(2)分離出第一液相(5)；H2分離塔(T1)，其可經由循環加熱器(8)加熱且其中可藉由分離出氫氣(9)而自該第一液相(5)產生第二液相(11)；以及CO/CH4分離塔(T2)，其中可自該第二液相(11)分離出富含一氧化碳的氣相(28)，該富含一氧化碳的氣相具有允許其釋放為一氧化碳產物(29)的純度，其特徵在於該H2分離塔(T1)以一種方式連接至該CO/CH4分離塔(T2)，該方式使得低甲烷物質流(26、34)可經由排出位置自該H2分離塔(T1)排出且可作為回流施加至該CO/CH4分離塔(T2)。
  9. 如請求項8之裝置，其中在該H2分離塔(T1)與該CO/CH4分離塔(T2)之間配置冷卻器具(E2)，該冷卻器具用於液化自該H2分離塔排出的氣態低甲烷物質流(26)。
  10. 如請求項8或9中任一項之裝置，其中該低甲烷物質流(26)的該排出位置配置於該H2分離塔之第六實際分離級之下。
  11. 如請求項10之裝置，其中該低甲烷物質流(26)之該排出位置配置於集液槽空間與該H2分離塔(T1)之第三實際分離級之間。
  12. 如請求項8之裝置，其中將該H2分離塔(T1)之下部部分構造為間壁塔，該低甲烷物質流(34)可以液態自該間壁塔排出。
  13. 如請求項12之裝置，其中該裝置包含冷卻迴路，該冷卻迴路可藉由將氮氣作為致冷劑而操作。
  14. 如請求項13之裝置，其中該H2分離塔(T1)具有篩盤及/或槽形泡罩盤及/或規整填料及/或堆積床填料作為實際分離級。
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