[发明专利]双制冷循环甲烷洗合成气深冷分离装置及分离方法

说明书

本发明提供了一种双制冷循环甲烷洗合成气深冷分离装置及分离方法。该分离装置包括：甲烷洗涤塔、闪蒸塔、第一分离塔、第二分离塔、第一循环制冷系统和第二循环制冷系统；其中，所述甲烷洗涤塔、闪蒸塔、第一分离塔和第二分离塔依次连通，所述第一循环制冷系统包括甲烷循环制冷系统，所述第二循环制冷系统包括氮气循环制冷系统或一氧化碳循环制冷系统。本发明还提供了一种分离方法，其是在上述分离装置中进行的。该方法能够对甲烷含量和氮气含量高的合成气进行高效分离，同时制取富氢产品、纯甲烷产品和纯一氧化碳产品，在大幅度减低能耗的同时保证较高的一氧化碳回收率。

技术领域

本发明涉及气体深冷分离技术领域，尤其涉及一种双制冷循环甲烷洗合成气深冷分离装置及分离方法。

背景技术

目前，广泛应用于合成气(含有H₂、CO、CH₄、C2H6、N₂、AR等组分)深冷分离的是液氮洗、部分冷凝工艺、甲烷洗工艺以及由甲烷洗衍生出来的一氧化碳洗等工艺，其中液氮洗主要用于合成氨工艺，在其它化工产品合成路线中往往采用部分冷凝工艺、甲烷洗工艺或者一氧化碳洗工艺。

当化工合成装置需要大量高纯度的一氧化碳产品，而此时原料合成气中又含有较高的甲烷/氮气组分时(如CH₄7v％，N₂4v％)，不论变压吸附还是膜分离均不宜采用，变压吸附制取一氧化碳规模过大时投资十分巨大，而膜分离又无法将一氧化碳组分与氮、氩和甲烷组分有效分离，此时只能采用深冷分离工艺。

针对上述原料合成气制取一氧化碳产品，采用常规的部分冷凝工艺或常规甲烷洗流程，如单一氮制冷循环或者单一氧化碳制冷循环工艺，往往需要将大量的循环制冷介质氮气或一氧化碳压缩至较高的压力，因此能耗相对均较高。

不论常规的部分冷凝工艺还是常规甲烷洗工艺，其所副产富氢气可送至富氢气用户或者送至配套建设的变压吸附制氢单元，进行氢气的提纯，后续不再叙述氢气产品部分，仅就一氧化碳产品的提取进行叙述。

现有的处理高甲烷、氮含量的合成气的常规部分冷凝或甲烷洗方法主要有以下几种：

例1：采用常规一氧化碳制冷循环的部分冷凝或甲烷洗工艺。

例2：采用常规氮制冷循环或者采用液氮制冷的部分冷凝或甲烷洗工艺。

例3：采用混合冷剂制冷循环的部分冷凝或甲烷洗工艺。

上述几种工艺均可实现高甲烷、氮含量的合成气的分离，制取合格的一氧化碳产品，但往往容易受杂质组分影响，要么就是能耗高，针对上述三个例子：

例1：单一一氧化碳制冷循环往往需要较大的一氧化碳流量，需要将大量的一氧化碳增压到中高压再进行液化节流制冷，循环量过大，往往能耗较高，此外还需要在一氧化碳与氮分离塔抽取复热后的一氧化碳产品；虽然该工艺产品CO容易受到氮组分含量的影响，尤其是开停车阶段需要引入氮气进行循环，需要一定的置换时间才能满足下游装置所需一氧化碳产品纯度，但该工艺的优点是可以将循环制冷压缩机组和产品CO压缩机组合二为一，大大降低动设备投资。

例2：单一氮制冷循环与单一一氧化碳循环类似，往往也需要较大的氮气流量，需要将大量的氮气增压到中高压再进行液化节流制冷，能耗也较高；还需要配置氮气压缩机以及产品CO压缩机，动设备占地面积较大且投资较高。

例3：混合冷剂制冷循环虽然效率较高，但所需要配置的循环压缩机十分复杂，且需要大量的冷剂存储，需要配置相应的冷剂存储或者回收罐区，现阶段往往冷剂的回收并不容易，当装置开停车较为频繁时(全厂开车)，这种工艺会成为整个工艺的瓶颈，会造成冷剂的大量排放，运行费用高昂。

液氮制冷虽然工艺简单，但在液氮生产过程中也需消耗大量的功耗，制取一氧化碳装置规模大时，液氮制冷仅作为开停车辅助手段，而不能作为连续制冷手段。

以兰炭和电石尾气为例，合成气中各主要组分的含量如下：