一种合成气制取一氧化碳和氢气的装置的制作方法

本实用新型涉及合成气分离提纯领域，具体而言，涉及一种合成气制取一氧化碳和氢气的装置。

背景技术：

作为重要的羰基合成原料气，由CO出发可以制取几乎所有的有机化学品，如甲醇、甲酸、甲胺、乙酸、异氰酸酯、乙二酸、乙二醇、碳酸二甲酯、光气和农药除草剂等。

工业上分离精制一氧化碳工艺主要有变压吸附(PSA)分离技术、膜分离技术和深冷分离技术。

PSA工艺优点是可在常温下进行操作，缺点包括：(1)CO产品气压力低，下游无法直接利用；(2)产品收率较低；(3)单系列规模有限，大规模装置需要平行使用多套装置；(4)程控阀需要频繁切换，因此故障率高；(5)需抽真空解吸，产品气易混入空气杂质。

膜分离过程不发生相变，能耗较低，同时膜分离装置的规模可根据处理量的要求而发生改变，具备运行可靠、设备简单、操作简易的优点，缺点包括：(1)产品收率低；(2)产品纯度低；(3)当前分离CO的专用膜性能不完善，离工业化还有一段距离。

深冷分离技术是一种高压低温技术，根据各组分沸点，将混合气深冷液化，在-210～-105℃范围内进行深冷精馏。该技术优点有：(1)工艺成熟，操作稳定；(2)使用范围广、处理量大、占地少；(3)产品纯度高、收率高，运行能耗低。

随着装置规模的日益大型化深冷分离技术成为首选的技术。

现有合成气低温分离提取一氧化碳和氢气产品的技术，多利用原料气自身压力节流降压，为原料气分离、一氧化碳提纯提供冷量，这种方法虽然无需外部冷量提供，但是得到的产品压力低，需要使用价格昂贵的一氧化碳压缩机，才能为产品一氧化碳的继续使用提供足够的压力，同时还有能耗较高、流程复杂、原料气适应范围小、过分依赖液氮等缺点。

基于上述缺点，开发一种流程简单、能耗低、设备投资低、且CO产品可直接根据下游客户需求生产的合成气分离装置显得尤其重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种合成气制取一氧化碳和氢气的装置，其工艺流程简单、能耗低、设备投资低、并且制备的CO和H₂产品可直接根据下游客户需求进行生产。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种合成气制取一氧化碳和氢气的装置，其包括主换热器、第一分离器、低温分离塔以及冷量供应装置，主换热器的冷料出口连接至第一分离器的混合气入口，第一分离器的第一气相出口和第一液相出口分别连接至主换热器的第一复热入口和低温分离塔的混合液入口，低温分离塔的第二气相出口和第二液相出口分别连接至主换热器的第二复热入口和第三复热入口，冷量供应装置与主换热器连接，并且冷量供应装置中冷却介质的流向与主换热器中的合成气的流向相反，上述冷量供应装置包括循环压缩机，循环压缩机的冷剂压缩入口和冷剂压缩出口分别连接至主换热器的低压冷剂出口和高压冷剂入口。

在本实用新型较佳的实施例中，上述冷量供应装置还包括节流阀，节流阀设置在连接主换热器的高压冷剂出口和主换热器的低压冷剂入口的减压管路上。

在本实用新型较佳的实施例中，上述冷量供应装置包括1-10个减压管路。

在本实用新型较佳的实施例中，上述循环压缩机包括多个压缩段，多个压缩段与多个减压管路一一对应，并且每个减压管路的出口端连接至每个压缩段的吸气侧。

在本实用新型较佳的实施例中，上述冷量供应装置包括用于提供冷却介质的供冷管路，供冷管路贯穿主换热器。

在本实用新型较佳的实施例中，上述合成气制取一氧化碳和氢气的装置还包括低温泵，低温泵的入口端和出口端分别连接至低温分离塔的第二液相出口和主换热器的第三复热入口。

在本实用新型较佳的实施例中，上述合成气制取一氧化碳和氢气的装置还包括原料气供应装置，原料气供应装置的出口端连接至主换热器的热料进口。

在本实用新型较佳的实施例中，上述合成气制取一氧化碳和氢气的装置还包括预处理单元，预处理单元的入口端和出口端分别连接至原料气供应装置的出口端和主换热器的热料进口。

本实用新型实施例的有益效果是：

(1)本实用新型的装置结构简单，无需使用价格昂贵的CO压缩机，装置投资更低；

(2)本实用新型的冷量可以是循环压缩机提供的循环冷剂制冷，也可以是直接从外部提供冷却介质如液氮、液氢或液氦等，本实用新型的装置制冷形式灵活，流程简单，并且本实用新型的循环冷剂制冷方式能耗比现有技术低10％。

(3)本实用新型的产品：一氧化碳和氢气的压力可根据下游用户需要进行调整，操作更加灵活方便。

(4)本发明冷量来自于循环冷剂制冷的冷量，对原料气适应范围广，当原料气压力、组分等变化时，可完全不依赖外部冷量如液氮等就实现冷量平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型的合成气制取一氧化碳和氢气的装置的实施1的结构示意图；

图2为本实用新型的合成气制取一氧化碳和氢气的装置的实施2的结构示意图。

图中：

合成气制取一氧化碳和氢气的装置100、200；主换热器110；热料进口111；冷料出口112；第一复热入口113；第二复热入口114；第三复热入口115；第一产物出口116；第二产物出口117；第三产物出口118；高压冷剂入口119；高压冷剂出口120；低压冷剂入口121；低压冷剂出口122；第一分离器130；混合气入口131；第一气相出口132；第一液相出口133；低温分离塔140；混合液入口141；第二气相出口142；第二液相出口143；循环压缩机151；节流阀152；减压管路153；第二分离器154；压缩段155；冷剂压缩入口156；冷剂压缩出口157；供冷管路158；低温泵160；原料气供应装置170；预处理单元180；

冷却前合成气原料M1；冷却后合成气原料M2；复热前氢气M3；一氧化碳混合液体M4；第一一氧化碳混合液体M5；第二一氧化碳混合液体M6；复热后第一一氧化碳混合液体M7；一氧化碳液体M8；复热前闪蒸尾气M9；氢气M10；闪蒸尾气M11；一氧化碳气体M12；换热前高压冷剂M13；换热后高压冷剂M14；减压前第一高压冷剂M15；减压前第二高压冷剂M16；减压前第三高压冷剂M17；减压后第一低压冷剂M18；减压后第二低压冷剂M19；减压后第三低压冷剂M20；换热后第一低压冷剂M21；换热后第二低压冷剂M22；换热后第三低压冷剂M23；低温介质S1；高温介质S2。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种合成气制取一氧化碳和氢气的装置100，其包括主换热器110、第一分离器130、低温分离塔140、冷量供应装置、低温泵160、原料气供应装置170和预处理单元180。

主换热器110用于与合成气原料进行热交换，将合成气原料冷却至一定温度范围，例如将温度为12℃至15℃的合成气原料冷却至-180℃至-210℃。主换热器110内设有多个换热管道，图1中主换热器110内的虚线即表示换热通道，用于冷、热介质的流通。主换热器110包括热料进口111、冷料出口112、第一复热入口113、第二复热入口114、第三复热入口115、第一产物出口116、第二产物出口117、第三产物出口118、高压冷剂入口119、高压冷剂出口120、低压冷剂入口121和低压冷剂出口122。

热料进口111用于合成气原料的输入，其连接至原料气供应装置170的出口端，或者连接至预处理单元的出口端。在本实施例中，主换热器110的热料进口111连接至预处理单元的出口端，以将经预处理后的合成气引入至主换热器110内。冷料出口112用于输出经冷却后的合成气，其连接至第一分离器130的混合气入口131。

第一复热入口113、第二复热入口114以及第三复热入口115设置在主换热器110的同侧，其均用于输入经第一分离器130和低温分离塔140分离后的产物，即液态一氧化碳和氢气以及闪蒸尾气(富含氢气)，使这些产物再次返回至主换热器110中，经主换热器110复热并提供冷量。经主换热器110复热后的一氧化碳气体M12和氢气便是所需产物。第一复热入口113连接至第一分离器130的第一气相出口132。从第一气相出口132输出的氢气通过第一复热入口113进入至主换热器110中。第二复热入口114连接至低温分离塔140的第二气相出口142。从第二气相出口142输出的闪蒸尾气通过第二复热入口114进入至主换热器110中。第三复热入口115连接至低温分离塔140的第二液相出口143。从第二液相出口143输出的液态一氧化碳通过第三复热入口115进入至主换热器110中。

第一产物出口116、第二产物出口117、第三产物出口118设置在主换热器110的同侧并且分别与第一复热入口113、第二复热入口114以及第三复热入口115对应，并且设置在主换热器110的相对于第一复热入口113、第二复热入口114以及第三复热入口115的另一侧，其分别用于输出产物氢气、闪蒸尾气以及产物一氧化碳气体。

在本实施例中，主换热器110作为循环冷剂制冷系统的一部分，其高压冷剂入口119和低压冷剂出口122设置在主换热器110的同侧，并且分别连接至循环压缩机151的冷剂压缩出口157和冷剂压缩入口156。主换热器110的高压冷剂出口120和低压冷剂入口121设置在主换热器110的相对于高压冷剂入口119和低压冷剂出口122的另一侧，高压冷剂出口120和低压冷剂入口121设置在主换热器110的同侧。高压冷剂出口120和低压冷剂入口121通过减压管路153连接。

第一分离器130用于分离经主换热器110冷却后的合成气原料。在本实施例中，第一分离器130是气液分离器，其包括混合气入口131、第一气相出口132和第一液相出口133。混合气入口131连接至主换热器110的冷料出口112，合成气原料从混合气入口131进入第一分离器130进行气液分离。第一气相出口132用于输出经分离后的氢气，其连接至主换热器110的第一复热入口113。第一液相出口133用于输出经分离后的液态一氧化碳，其连接至低温分离塔140的混合液入口141，以进行下一步一氧化碳的分离。第一气相出口132设置在第一分离器130的顶部，第一液相出口133设置在第一分离器130的底部。通过第一液相出口133输出的液态一氧化碳中包含有少量的液态氢气。根据本实施例的一个优选实施方式，在第一液相出口133处设置一个或两个管路。当设置有两个管路时，将来自第一分离器130的一氧化碳混合液体M4分流成两个支流：第一一氧化碳混合液体M5和第二一氧化碳混合液体M6，然后将其分别输送至低温分离塔140中，使得在低温分离塔140中一氧化碳的提纯分离进行得更加充分，以获得更高纯的一氧化碳气体。

低温分离塔140用于对液态一氧化碳进行分离，其包括混合液入口141、第二气相出口142和第二液相出口143。混合液入口141连接至第一分离器130的第一液相出口133，液态一氧化碳从混合液入口141进入低温分离塔140中进行一氧化碳的提纯分离。第二气相出口142设置在低温分离塔140的顶部，其连接至主换热器110的第二复热入口114。第二液相出口143设置在低温分离塔140的底部，其连接至主换热器110的第三复热入口115。

冷量供应装置用于为主换热器110提供用于进行热交换的冷量。在本实施例中，冷量供应装置采用的是循环冷剂制冷系统的方式提供冷量的。在本实施例中，冷量供应装置包括循环压缩机151、节流阀152、减压管路153以及第二分离器154，前述这些装置与主换热器110一起构成整个循环冷剂制冷系统。

循环压缩机151包括冷剂压缩入口156和冷剂压缩出口157。冷剂压缩入口156和冷剂压缩出口157分别连接至主换热器110的低压冷剂出口122和高压冷剂入口119，将经过主换热器110热交换后的低压冷剂经循环压缩机151增压后获得的高压冷剂再次返回至主换热器110中。根据本实施例的一个优选实施方式，循环压缩机151包括多个压缩段155，通过对低压冷剂进行分段压缩来获得所需压力的高压冷剂的同时，降低对循环压缩机151的要求，减少设备的投入成本。

节流阀152设置在连接主换热器110的高压冷剂出口120和主换热器110的低压冷剂入口121的减压管路153上。根据本实施例的一个优选实施方式，冷量供应装置包括多个减压管路153。优选地，冷量供应装置包括1-10个减压管路153。通过多个减压管路153将出主换热器110的高压冷剂分成多个支流，并通过设置在每个减压管路153上的节流阀152将高压冷剂减压为低压冷剂。根据本实施例的另一个优选实施方式，每个减压管路153内具有不同的压力。将减压后的低压冷剂通过主换热器110的低压冷剂入口121进入主换热器110，经过热交换后，低压冷剂从主换热器110的低压冷剂出口122流出，再次进入循环压缩机151进行增压。本实用新型的循环压缩机151的压缩段155数量与减压管路153的数量相同。如图1所示，多个压缩段155与多个减压管路153一一对应，并且每个减压管路153的出口端连接至每个压缩段155的吸气侧。

第二分离器154设置在节流阀152和主换热器110之间并分别与节流阀152和主换热器110连接。如图1所示，当冷量供应装置包括多个减压管路153时，第二分离器154设置在减压后压力最低的减压管路上。

在本实施例中，循环冷剂制冷系统中采用的冷剂为低压常温的循环冷剂。根据本实施例的一个优选实施方式，冷剂为氮气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷中的一种或多种

低温泵160用于加压来自低温分离塔140的液态一氧化碳，低温泵160的入口端和出口端分别连接至低温分离塔140的第二液相出口143和主换热器110的第三复热入口115。低温泵160使来自低温分离塔140的液态一氧化碳经主换热器110复热后变成气态的一氧化碳能够具有一定压力，以满足下游产品的制备要求，从而弥补产物一氧化碳气体压力不足的缺陷，并且省去后期对一氧化碳压缩机的投入，降低生产成本。本实用新型的低温泵160可以根据下游产品所需一氧化碳气体的压力来对一氧化碳液体M8相应增压，操作更加灵活方便。

原料气供应装置170用于提供合成气原料，其出口端连接至主换热器110的热料进口111。在原料气供应装置170和主换热器110之间还设置有预处理单元。预处理单元用于除去合成气原料中的二氧化碳、甲醇和水等杂质成分，以避免堵塞。预处理单元的入口端和出口端分别连接至原料气供应装置170的出口端和主换热器110的热料进口111。

下面结合图1对本实施例的工作原理进行说明。

冷却前合成气原料M1经预处理后进入主换热器110，冷却至-180～-210度出主换热器110，获得冷却后合成气原料M2。冷却后合成气原料M2进入第一分离器130，经第一分离器130分离出的气体，即复热前氢气M3，其主要含氢气，也有少量一氧化碳，从第一气相出口132输出。经主换热器110复热并提供冷量后出主换热器110，即获得氢气M10。第一分离器130分离出的液体：一氧化碳混合液体M4，主要含一氧化碳，也有少量氢气。一氧化碳混合液体M4被分成两个支流即第一一氧化碳混合液体M5和第二一氧化碳混合液体M6，进入低温分离塔140进一步分离。其中，第一一氧化碳混合液体M5可进入主换热器110中进行复热，复热后第一一氧化碳混合液体M7再进入至低温分离塔140中进行分离。塔顶为富含氢气的少量尾气，即，复热前闪蒸尾气M9。复热前闪蒸尾气M9再次回到主换热器110中复热后，即获得最终的产物之一：闪蒸尾气M11。塔底为纯度较高的一氧化碳产品(95～99.5％)，即一氧化碳液体M8。塔底产品约-140～-170℃，一氧化碳液体M8通过低温泵160加压后(产品压力一般为3MPa)进入主换热器110蒸发复热至气态后作为产品一氧化碳气体M12收集。低温分离塔140底部再沸器热源来自于主换热器110。

换热后第一低压冷剂M21、换热后第二低压冷剂M22和换热后第三低压冷剂M23经循环压缩机151多段加压后，获得换热前高压冷剂M13。换热前高压冷剂M13进入主换热器110被冷却至液态，即，换热后高压冷剂M14。换热后高压冷剂M14通过多个减压管路153分成多个支流，即减压前第一高压冷剂M15、减压前第二高压冷剂M16和减压前第三高压冷剂M17，将其节流降压至不同的压力级后，获得减压后第一低压冷剂M18、减压后第二低压冷剂M19和减压后第三低压冷剂M20。减压后第一低压冷剂M18、减压后第二低压冷剂M19和减压后第三低压冷剂M20进入主换热器110蒸发、加热至气态，又获得换热后第一低压冷剂M21、换热后第二低压冷剂M22和换热后第三低压冷剂M23按不同压力返回循环压缩机151的各个压缩段155入口。由此形成一个循环。

实施例2

请参照图2，本实施例提供一种合成气制取一氧化碳和氢气的装置200，其包括主换热器110、第一分离器130、低温分离塔140、冷量供应装置、低温泵160、原料气供应装置170和预处理单元180。本实施例与实施例1的结构大致相同，其区别在于，本实施例的冷量供应装置与实施例的冷量供应装置不同。下面将只对本实施例与实施例1的区别部分进行描述，其他相同部分便不再赘述，但也应当理解未在本实施例中明确说明的上述相同技术特征也包含在本实施例内。

本实施例的冷量供应装置采用的外部冷却方式，通过使用外部冷剂为主换热器110提供冷量。具体地，冷量供应装置包括供冷管路158，用于提供冷却介质，供冷却介质流通。在本实施例中，供冷管路158可以简单看作是由壳体形成的一个或多个流体通道。毫无疑问地，本实施例的供冷管路158可以变形成其他供冷装置，凡是能够从外部为主换热器110提供冷量的装置都可以称之为供冷管路158。冷却介质通过供冷管路158从主换热器110的低温段向高温段流动。也即是，冷却介质的流向与合成气原料在主换热器110中的流向相反。冷却介质可以是液氮、液氢或液氦。

本实施例的工作原理与实施例1大致相同，区别在于，本实施例将低温介质S1通入供冷管路158，低温介质S1在主换热器110内换热完成后形成高温介质S2，在换热过程中低温介质S1为主换热器110提供冷量。

值得说明的是，当采用实施例1的循环冷剂制冷方式为主换热器110提供冷量时，仍可以在主换热器110内设置本实用新型的供冷管路158，此时，供冷管路158所起到的作用仍是提供冷却介质，但是目的有所不同。本实施例是用于在分离提纯过程中为主换热器110提供冷量，实施例1的供冷管路是用于满足合成气原料能够在主换热器110中冷却时进一步部分冷凝的要求或主换热器低温段的冷量需要或开车需要。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。