使冷凝過程中循環氣體最小化的方法

2023-05-12 05:15:06 6

專利名稱：使冷凝過程中循環氣體最小化的方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫分餾主要包含氫氣和一氧化碳的原料氣的方法，其中a)將所述原料氣冷卻並部分冷凝，b)在部分冷凝中形成的兩相物料混合物被分離成第一富含氫氣餾分和第一富含 一氧化碳、含氫液體餾分，c)使所述第一富含氫氣餾分膨脹，d)以類階梯方式用至少兩步使第一富含一氧化碳、含氫液體餾分膨脹，其中每種 情況下產生一個富含氫氣餾分和一個富含一氧化碳液體餾分，e)使一部分富含一氧化碳液體餾分膨脹，並與在類階梯膨脹中得到的至少一個富 含氫氣餾分混合用於降低分壓，f)將在e)中產生的主要包含氫氣和一氧化碳的物料混合物揮發、加熱並作為循 環氣循環到原料氣中。另外，本發明涉及實施上述方法的設備。
背景技術：
所討論的類型的方法例如在出版物"H2-CO-Anlage BASFLudwigshafen」 [BASF Ludwigshafen H2-CO 工廠](W. Bals, R. Fabian, inLinde Berichte aus Wissenschaft und Technik，No. 47，1980，22-25頁)中是已知的，其中描述了將包含約60mol %氫氣和約 39mol% —氧化碳，並包含甲烷和氬氣的原料氣分餾成一氧化碳產物和氫氣產物、以及富含 甲烷的殘餘氣體。所述原料氣通過要被加熱的工藝用液流冷卻至約-195°C，在此過程中部 分冷凝，並引入到高壓分離器中。在部分冷凝中形成的兩相物料混合物在此被分離成主要 含有一氧化碳，同時含有氫氣和更高沸點物質(甲烷、氬氣)的液體餾分，和主要含有氫氣 的氣體餾分。隨後將氣體餾分從高壓分離器中放出，通過原料氣加熱，在膨脹管中製冷膨脹 至約25巴，進一步加熱至常溫，並送至淨化，在那裡最終製備得到氫氣產品。高壓分離器產生的液體餾分在兩步的每一步中都製冷膨脹，其中溶解在液體餾分 中的氫被放出，產生基本上不含氫的液體一氧化碳。通過蒸發一部分基本上不含氫的一氧 化碳餾分產生該過程需要的最大製冷。為此，將一氧化碳膨脹至約2巴，並與在兩個膨脹步 驟中放出的氫氣混合，此混合物在下文中稱為循環流。降低一氧化碳分壓確保一氧化碳在 低溫下蒸發。隨後將蒸發的循環流加熱、壓縮並再循環至原料氣中。在最後的膨脹步驟之後，大部分富含一氧化碳液體餾分被加熱並且/或者部分蒸 發，並回流到精餾塔的頂端以分離掉較高沸點的物質。通過冷凝的原料氣餾分，在塔底部產 生精餾蒸汽。較高沸點物質在塔底部積累，作為具有高一氧化碳餾分的殘餘氣被排出。然 而，由於殘餘氣體的量小，一氧化碳損失很小。從精餾塔的上部取出具有產品純度的一氧化 碳，用原料氣加熱，並放出，得到工廠產量的產品。由於將循環氣循環至原料氣中，所述方法導致相當部分的操作成本發生在通過現 有技術生產氫氣和一氧化碳中。

發明內容
因此，本發明的一個目的是描述一種方法和一種設備，可以用其生產氫氣和一氧 化碳，其相對於現有技術，使用更少量的循環氣，從而降低了操作成本。依據本發明，通過所述方法能達到所討論的目的，在該方法中，在至少第一膨脹步 驟中，第一富含一氧化碳、含氫液體餾分被膨脹至大於或等於膨脹的第一富含氫氣餾分的 壓力，在其膨脹後，將在該膨脹步驟中產生的富含氫氣餾分添加至第一富含氫氣餾分。
本發明基於下述知識，當一氧化碳分壓降低的程度比現有技術需要的低時，已經 可以產生工藝需要的最大製冷。因此，不需要使用部分冷凝後殘留在液體餾分中的所有氫 氣來蒸發一氧化碳。結果，必須壓縮以能夠再循環至原料氣的循環氣的量減少。因此，與現 有技術相比，壓縮需要的能耗減少。由於還可以任選使用較小的壓縮機，因此可以用較低的 操作和資金成本將循環氣再循環至原料氣。為了分離掉產生最大製冷所需要的氫氣，在部分冷凝後，富含一氧化碳、含氫液體 餾分在一個或多個額外的步驟中製冷膨脹，其中在每步中，膨脹進行到高於膨脹後第一富 含氫氣餾分的壓力，並且其中每個情況下，產生富含氫氣餾分和富含一氧化碳液體餾分。由 於當時的壓力下降，在膨脹後，每個富含氫氣餾分可以與第一富含氫氣餾分混合而無需額 外的能量消耗。由於每個額外的膨脹步驟都增加了對設備的要求(分離器、線路、節流裝置)，依 據本發明的方法的一個優選實施方案是第一富含一氧化碳、含氫液體餾分的膨脹僅在第一 膨脹步驟中進行到高於膨脹後的第一富含氫氣餾分的壓力。在對本發明的方法的開發中，建議將在最後膨脹步驟後產生的、產生最大製冷所 不需要的部分富含一氧化碳液體餾分供至精餾塔，以分離掉較高沸點物質(甲烷、氬氣)並 產生一氧化碳產品。優選的是，完全可用的富含一氧化碳液體餾分在此情況下部分蒸發，並 回流至精餾塔的頂部。為了獲得較高的產品純度，依據本發明的方法的變體是在最後膨脹 步驟後產生的、產生最大製冷所不需要的部分富含一氧化碳液體餾分被分離成第一支流和 第二支流，其中蒸發第一支流並作為中間料送至精餾塔中，而第二支流不經加熱直接回流 至精餾塔的頂部。為了膨脹第一富含氫氣餾分，可以使用任何依據現有技術用於氣體的製冷膨脹的 裝置。然而，優選通過膨脹渦輪製冷膨脹第一富含氫氣餾分。另外，本發明涉及用於分餾主要包含氫氣和一氧化碳的原料氣的設備，所述設備 含有至少一個熱交換器，在所述熱交換器中原料氣可以與要被加熱的工藝流方向相反地被 冷卻和部分冷凝；分離器，其中在原料氣的部分冷凝中形成的兩相物料混合物可以分離為 第一富含氫氣餾分和第一富含一氧化碳、含氫液體餾分；膨脹裝置，通過其第一富含氫氣餾 分可以製冷膨脹；用於第一富含一氧化碳、含氫液體餾分的製冷膨脹的裝置；以及形成循 環氣的裝置，在該裝置中，為了降低分壓，在膨脹中形成的主要含有一氧化碳的部分液體餾 分可以與在膨脹中可以產生的富含氫氣餾分混合併蒸發；以及壓縮機，通過其循環氣可以 循環至原料氣。依據本發明，通過所述設備達到所討論的目的，其中用於製冷膨脹第一富含一氧 化碳、含氫液體餾分的裝置可以膨脹階梯的形式運行，其中階梯的每個階段都具有可調節的節流裝置和用於將在富含一氧化碳、含氫液體餾分的膨脹中形成的兩相物料混合物通過 節流裝置分離的分離器，並且其中至少在第一階段，富含一氧化碳、含氫液體餾分可以膨脹 至大於或等於膨脹裝置下遊當時的壓力。依據本發明的設備的一個優選實施方案是在三個階段實施膨脹階梯，其中在最後 兩個階段，富含一氧化碳、含氫液體餾分可以在每個情況下膨脹至低於膨脹裝置下遊當時 的壓力。依據本發明的設備的一個有利的實施方案是兩個單獨的熱交換器，原料氣可以在 其中冷卻和部分冷凝，並且其優選構造成板式熱交換器。
依據本發明的設備的另一個優選實施方案是，其包含用於從富含一氧化碳液體餾 分中分離一氧化碳產品的精餾塔，所述精餾塔具有用於產生精餾蒸汽的再沸器，所述再沸 器整合到熱交換器中，在所述熱交換器中原料氣可以部分冷凝，並且可以加熱至少另一個 工藝流。依據本發明的設備的另一個優選實施方案是膨脹渦輪，第一富含氫氣餾分可以通 過其製冷膨脹。


圖1顯示了本發明依據冷凝法的原則操作的低溫氣體分餾設備的工藝流程圖。
具體實施例方式在下文中，將參考圖1中圖解顯示的示例性實施方案更詳細地說明本發明。該示例性實施方案顯示的是依據冷凝法的原則操作的低溫氣體分餾設備，在該設 備中，從乾燥和不含二氧化碳的、主要包含一氧化碳和氫氣、並具有少量雜質如甲烷和氬氣 的原料氣，生產氫氣產品和一氧化碳產品。通過線路1，以約38巴的壓力，將原料氣引入構造成板式熱交換器的第一熱交換 器El中，並在那裡與要被加熱的工藝流方向相反地被冷卻至約-160°C，然後通過線路2輸 送到同樣構造成板式熱交換器的熱交換器E2中。在這裡，原料氣被冷卻至約-195°C，並通 過部分冷凝轉化成兩相物料混合物，隨後通過線路3輸送到高壓分離器D1，並在那裡分離 成富含氫氣餾分4和富含一氧化碳、含氫液體餾分5。在熱交換器中，富含氫氣餾分4被加熱至約_170°C，通過線路6送至膨脹渦輪P， 在那裡被製冷膨脹至約27巴的壓力。在熱交換器El中將膨脹的富含氫氣餾分7加熱至常 溫，並通過線路8供到變壓吸附站DWA，在那裡被純化和製備成氫氣產品9。在變壓吸附站 DffA中產生的包含大量的一氧化碳的殘留氣10在壓縮機中V被壓縮，並再循環至原料氣1。通過節流裝置a，富含一氧化碳、含氫液體餾分5製冷膨脹至大於或等於膨脹的富 含氫氣餾分7的壓力，並在分離器D2中分離成第二富含氫氣餾分11和第二富含一氧化碳、 含氫液體餾分12。而後在熱交換器E2中將第二富含氫氣餾分11加熱至約_170°C，並通過 線路13與膨脹的富含氫氣餾分7合併。或者，富含氫氣餾分13也可以獨立於富含氫氣餾 分7在熱交換器El中加熱，隨後——例如在變壓吸附站DWA中——與富含氫氣餾分8合併。 通過節流裝置b，第二富含一氧化碳、含氫液體餾分12製冷膨脹至低於膨脹的富含氫氣餾 分7的壓力，並引入到分離器D3中。在分離器D3中分離出的第三富含一氧化碳、含氫液體餾分14通過節流裝置c膨脹至約2巴的壓力，並進入分離器D4，在那裡被分離成第四富含 氫氣餾分15和足夠無氫、富含一氧化碳液體餾分16。富含一氧化碳液體餾分16的一部分17通過節流裝置d被分出、膨脹並與由在分 離器D3中得到的第三富含氫氣餾分19以及第四富含氫氣餾分15形成的富含氫氣流18合 並。兩個富含氫氣餾分15和19的總量足以降低物料混合物20中的一氧化碳分壓至一定 程度使其在熱交換器E2中在低溫下蒸發，並產生工藝需要的最大製冷，以達到分離器Dl中 期望的溫度，這對H2餾分的純度是至關重要的。蒸發物料混合物20，並在兩個熱交換器El 和E2中加熱，並同樣作為循環氣29通過線路10以及壓縮機V再循環進原料氣1中。主要包含一氧化碳、同時還含有甲烷和氬氣雜質的液體餾分16的殘餘物21被進 一步加工成一氧化碳產品，為此，其首先分成第一支流22和第二支流23。第一支流22直接 回流至精餾塔R的頂部，而第二支流23首先在熱交換器E2中 蒸發，而後作為中間料送至精 餾塔R中。產生需要的精餾蒸汽的能量是從通過整合在熱交換器E2中的再沸器24冷凝原 料氣得到的。由精餾塔R的頂部，取出具有產品純度的一氧化碳流25，在熱交換器El中加 熱，並作為一氧化碳產品26送至工廠範圍。在精餾塔R的底部收集的較高沸點雜質與物流 27—起排出。物流27在熱交換器El中蒸發和加熱後，被用作燃料氣28。
權利要求
低溫分餾主要包含氫氣和一氧化碳的原料氣(1)的方法，其中a)將原料氣(1)冷卻並部分冷凝，b)在部分冷凝中形成的兩相物料混合物(3)被分離成第一富含氫氣餾分(4)和第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)，c)使第一富含氫氣餾分(6)膨脹，d)以類階梯方式用至少兩步使第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)膨脹(a、b、c)，其中每種情況下產生一個富含氫氣餾分(11、15、19)和一個富含一氧化碳液體餾分(12、14、16)，e)使富含一氧化碳液體餾分(16)的一部分(17)膨脹(b)，並與在類階梯膨脹中得到的至少一個富含氫氣餾分(18)混合用於降低分壓，f)將在e)中產生的主要包含氫氣和一氧化碳的物料混合物(20)揮發、加熱並將作為循環氣(29)再循環至原料氣(1)，其特徵在於，在至少一個第一膨脹步驟(a)中，所述第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)被膨脹至大於或等於膨脹的第一富含氫氣餾分(7)的壓力，在其膨脹後，將在該膨脹步驟中產生的富含氫氣餾分(11)添加至第一富含氫氣餾分(6)。
2.依據權利要求1的方法，其特徵在於，所述第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)在 三步(a、b、c)中膨脹，其中在最後兩個膨脹步驟(b、c)中，膨脹進行至低於膨脹的第一富 含氫氣餾分(7)的壓力。
3.依據權利要求1或2的方法，其特徵在於，為了分出一氧化碳產品(26)，在最後膨 脹步驟中產生的富含一氧化碳液體餾分(16)的產生最大製冷所不需要的部分(21)被分離 成第一支流(23)和第二支流(22)，其中蒸發所述第一支流(23)並作為中間料送至精餾塔 (R)，而第二支流(22)不經加熱直接回流至精餾塔(R)的頂部。
4.依據權利要求1-3之一的方法，其特徵在於，通過膨脹渦輪將第一富含氫氣餾分(6) 製冷膨脹。
5.用於分餾主要包含氫氣和一氧化碳的原料氣(1)的設備，所述設備具有至少一個熱 交換器(E1、E2)，其中原料氣(1)可以與要被加熱的工藝流方向相反地被冷卻和部分冷凝； 分離器(D1)，其中在原料氣(1)的部分冷凝中形成的兩相物料混合物(3)可以分離為第一 富含氫氣餾分(4)和第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)；膨脹裝置(P)，通過該膨脹裝 置第一富含氫氣餾分(6)可以製冷膨脹；用於製冷膨脹第一富含一氧化碳、含氫液體餾分 (5)的裝置；以及形成循環氣(29)的裝置，在該裝置中，為了降低分壓，在膨脹中形成的主 要含有一氧化碳的液體餾分(16)的一部分(17)可以與在膨脹中可以產生的富含氫氣餾分 (18)混合併蒸發；以及壓縮機(V)，通過該壓縮機循環氣(29)可以循環至原料氣(1)，其特 徵在於，所述用於製冷膨脹第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)的裝置可以膨脹階梯的 形式運行，其中階梯的每個階段都具有可調節的節流裝置(a、b、c)和用於分離通過節流裝 置(a、b、c)在富含一氧化碳、含氫液體餾分的膨脹中形成的兩相物料混合物(5、12、14)的 分離器(D2、D3、D4)，以及其中至少在階梯的第一階段，富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)可 以膨脹至大於或等於膨脹裝置(P)下遊當時的壓力。
6.依據權利要求5的設備，其特徵在於，所述膨脹階梯在三個階段中進行，其中在最後 兩個階段中，富含一氧化碳、含氫液體餾分(12、14)均可以膨脹至低於膨脹裝置(P)下遊當時的壓力。
7.依據權利要求5或6的設備，其特徵在於，用於原料氣(1)的冷卻和/或部分冷凝的 一個或多個熱交換器(E1、E2)構造成板式熱交換器。
8.依據權利要求5-7之一的設備，其特徵在於，其包含用於從富含一氧化碳液體餾分 (16)中分出一氧化碳產品(26)的精餾塔(R)，所述精餾塔具有用於產生精餾蒸汽的再沸器 (24)，所述再沸器整合在熱交換器(E2)中，在所述熱交換器中原料氣(2)可以部分冷凝，並 且可以加熱至少另一個工藝流。
9.依據權利要求5-8之一的設備，其特徵在於，其具有一個膨脹渦輪(P)，通過該膨脹 渦輪第一富含氫氣餾分(6)可以製冷膨脹。
全文摘要
本發明涉及使冷凝過程中循環氣體最小化的方法，具體而言涉及用於低溫分餾主要包含氫氣和一氧化碳的原料氣(1)的方法和設備，其中a)將原料氣(1)冷卻並部分冷凝，b)在部分冷凝中形成的兩相物料混合物(3)被分離成第一富含氫氣餾分(4)和第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)，c)使第一富含氫氣餾分(6)膨脹，d)以類階梯方式用至少兩步使第一富含一氧化碳、含氫液體餾分(5)膨脹(a、b、c)，其中每種情況下產生一個富含氫氣餾分(11、15、19)和一個富含一氧化碳液體餾分(12、14、16)，e)使富含一氧化碳液體餾分(16)的一部分(17)膨脹(b)，並與在類階梯膨脹中得到的至少一個富含氫氣餾分(18)混合用於降低分壓，f)將在e)中產生的主要包含氫氣和一氧化碳的物料混合物(20)揮發、加熱並將作為循環氣(29)再循環至原料氣(1)。
文檔編號F25J3/06GK101832697SQ20091022493
公開日2010年9月15日 申請日期2009年11月26日 優先權日2008年11月29日
發明者B·克萊因, M·朗 申請人:林德股份公司