一种提纯CO、CH4的深冷分离系统的制作方法

本实用新型涉及深冷气体分离技术领域，尤其涉及一种提纯CO、CH4的深冷分离系统。

背景技术：

CO是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。目前制取CO的合成气主要来自于煤加压气化或天然气/石脑油蒸汽转化，在煤气化制取的合成气中，除了含CO、氢气和甲烷外，还含有少量的氧气、氮气和氩气，鉴于生产乙二醇、醋酸和二甲基二酰胺等化工产品过程中对原料CO的纯度要求非常高（≥98.5%），因此需要将合成气中的氢气、甲烷、氧气、氮气和氩气等脱除。深冷分离技术工艺成熟，操作稳定、处理量大、产品纯度高、收率高，是目前CO分离的首选技术。

在深冷提纯CO的同时，还可以有效回收并提纯CH4生产LNG（液化天然气）或SNG（合成天然气），减少烃类气体的放空，还可以增加工厂的经济效益。在深冷提纯CO和CH4后得到的合成气主要以H2和CO含量为主，可以作为制氢或合成甲醇的原料气。

美国专利US20160153710“Cryogenic Separation of Synthesis Gas”和中国发明专利CN 104326472 B“一种氮循环工艺制取CO的系统及其方法”中的CO/CH4分离塔和脱氮塔均采用常规的蒸发器和冷凝器，存在能耗高、投资高的缺点，同时CO产品气的压力也偏低。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提出一种提纯CO、CH4的深冷分离系统。

具体的，一种提纯CO、CH4的深冷分离系统，包括换热器、合成气精馏塔、氢汽提塔、CO/CH4分离塔、脱氮塔和冷凝蒸发器，氢汽提塔底部设置有氢汽提塔塔底蒸发器，CO/CH4分离塔底部设置有CO/CH4分离塔塔底蒸发器；换热器内的第一流道I与合成气精馏塔的底部入口连通，合成气精馏塔的液相出口设有第一支路和第二支路，第一个支路经第一阀门V1与氢汽提塔的中部入口端连接，第二个支路与换热器内的第四流道IV入口端相连，第四流道IV的出口端经第二阀门V2与氢汽提塔的顶部入口端连接；氢汽提塔的液相出口设有第一个支路和第二支路，第一支路经第三阀门V3与CO/CH4分离塔的中上部入口端连接，第二个支路经第四阀门V4与换热器内的第五流道V入口端相连，换热器内的第五流道V出口端与CO/CH4分离塔的中下部入口端连接；

所述脱氮塔设置于CO/CH4分离塔的顶部，冷凝蒸发器设置在脱氮塔的底部，CO/CH4分离塔的液相出口与换热器内的第八流道VIII连接；CO/CH4分离塔的气相出口与冷凝蒸发器的入口相连，冷凝蒸发器的出口与CO/CH4分离塔塔顶分离器的入口相连，CO/CH4分离塔塔顶分离器的液相出口与CO/CH4分离塔的顶部入口相连，CO/CH4分离塔塔顶分离器的气相出口与换热器内第六流道VI的入口端连接，第六流道VI的出口端经第五阀门V5与脱氮塔的中部入口端连接；脱氮塔的液相出口经第六阀门V6与CO自增压器入口端连接，CO自增压器的出口端与换热器内的第十流道X连接。

进一步地，所述合成气精馏塔的气相出口与合成气精馏塔塔顶冷凝器的入口端连接，合成气精馏塔塔顶冷凝器的出口端与合成气精馏塔塔顶分离器的入口相连，合成气精馏塔塔顶分离器的液相出口与合成气精馏塔的顶部入口相连，合成气精馏塔塔顶分离器的气相出口与换热器内的第二流道II相连。

进一步地，所述氢汽提塔的气相出口与换热器内的第三流道III连接。

进一步地，所述换热器内的第八流道VIII出口端设有两个支路，第一个支路经第七阀门V7以LNG产品的形式送出，第二个支路经第八阀门V8与换热器内的第九流道IX连接。

进一步地，所述脱氮塔的气相出口与脱氮塔塔顶冷凝器的入口端连接，脱氮塔塔顶冷凝器的出口与脱氮塔塔顶分离器的入口相连，脱氮塔塔顶分离器的液相出口与脱氮塔的顶部入口相连，脱氮塔塔顶分离器的气相出口与换热器内的第七流道VII连接。

进一步地，所述的合成气精馏塔与氢汽提塔为上下布置结构。

进一步地，所述的氢汽提塔塔底蒸发器、冷凝蒸发器、CO/CH4分离塔塔底蒸发器可以是内置式或外置式，也可以是浸浴虹吸型或膜式蒸发型。

本实用新型的有益效果在于：（1）本实用新型通过设置合成气精馏塔提高甲烷回收率；（2）本实用新型采用液态甲烷先过冷后节流工艺，降低制冷压缩机功耗；（3）本实用新型通过设置冷凝蒸发器将CO/CH4分离塔和脱氮塔连成一体，大幅降低精馏功耗；（4）本实用新型通过设置CO自增压器提高CO产品的压力，进一步降低精馏功耗；（5）本实用新型能耗低、操作简单、投资省，符合节能降耗的大趋势，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的结构示意图；

图3是为本实用新型实施例三的结构示意图；

图4 为本实用新型实施例四的结构示意图；

图中1-换热器、2-合成气精馏塔、3-合成气精馏塔塔顶冷凝器、4-氢汽提塔、5-氢汽提塔塔底蒸发器、6-CO/CH4分离塔、7-脱氮塔、8-冷凝蒸发器、9-CO/CH4分离塔塔顶分离器、10-脱氮塔塔顶冷凝器、11-脱氮塔塔顶分离器、12-CO/CH4分离塔塔底蒸发器、13-CO自增压器、14-合成气精馏塔塔顶分离器、15-低温分离器、16-低温闪蒸罐、I-第一流道、II-第二流道、III-第三流道、IV-第四流道、V-第五流道、VI-第六流道、VII-第七流道、VIII-第八流道、IX-第九流道、X-第十流道、V1-第一阀门、V2-第二阀门、V3-第三阀门、V4-第四阀门、V5-第五阀门、V6-第六阀门、V7-第七阀门、V8-第八阀门。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

实施例一

如图1所示，一种提纯CO、CH4的深冷分离系统，它包括换热器1、合成气精馏塔2、合成气精馏塔塔顶冷凝器3、氢汽提塔4、氢汽提塔塔底蒸发器5、CO/CH4分离塔6、脱氮塔7、冷凝蒸发器8、CO/CH4分离塔塔顶分离器9、脱氮塔塔顶冷凝器10、脱氮塔塔顶分离器11、CO/CH4分离塔塔底蒸发器12、CO自增压器13和合成气精馏塔塔顶分离器14；所述换热器1内设置有第一流道I、第二流道II、第三流道III、第四流道IV、第五流道V、第六流道VI、第七流道VII、第八流道VIII、第九流道IX和第十流道X；合成气精馏塔塔顶冷凝器3内设置有流道A和流道B，脱氮塔塔顶冷凝器10内设置有流道C和流道D，CO自增压器13内设置有流道E和流道F，氢汽提塔塔底蒸发器5设置于氢汽提塔4内且位于其底部，CO/CH4分离塔塔底蒸发器12设置于CO/CH4分离塔6内且位于其底部。冷凝蒸发器8连接于CO/CH4分离塔6和脱氮塔7之间，具体的，脱氮塔7设置于CO/CH4分离塔6的顶部，冷凝蒸发器8设置在脱氮塔7的底部。换热器1内第一流道I的出口端与合成气精馏塔2的底部入口相连，合成气精馏塔2的气相出口与合成气精馏塔塔顶冷凝器3内流道A的入口端连接，合成气精馏塔塔顶冷凝器3内流道A的出口与合成气精馏塔塔顶分离器14的入口相连，合成气精馏塔塔顶分离器14的液相出口与合成气精馏塔2的顶部入口相连，合成气精馏塔塔顶分离器14的气相出口与换热器1内第二流道II的入口端相连，合成气精馏塔2的液相出口连接有两个支路，第一个支路经第一阀门V1与氢汽提塔4的中部入口端连接，第二个支路与换热器1内第四流道IV的入口端相连，换热器1内第四流道IV的出口端经第二阀门V2与氢汽提塔4的顶部入口端连接；

在本实施例中，所述氢汽提塔4的气相出口与换热器1内第三流道III的入口端连接，氢汽提塔4的液相出口连接有两个支路，第一个支路经第三阀门V3与CO/CH4分离塔6的中上部入口端连接，第二个支路经第四阀门V4与换热器1内第五流道V的入口端相连，换热器1内第五流道V的出口端与CO/CH4分离塔6的中下部入口端连接。

所述CO/CH4分离塔6的液相出口与换热器1内第八流道VIII的入口端连接，换热器1内第八流道VIII的出口端分为两个支路，第一个支路经第七阀门V7以LNG产品的形式送出，第二个支路经第八阀门V8与换热器1内第九流道IX的入口端连接，CO/CH4分离塔6的气相出口与冷凝蒸发器8的入口相连，冷凝蒸发器8的出口与CO/CH4分离塔塔顶分离器9的入口相连，CO/CH4分离塔塔顶分离器9的液相出口与CO/CH4分离塔6的顶部入口相连，CO/CH4分离塔塔顶分离器9的气相出口与换热器1内第六流道VI的入口端连接，换热器1内第六流道VI的出口端经第五阀门V5与脱氮塔7的中部入口端连接。

在本实施例中，所述脱氮塔7的液相出口经第六阀门V6与CO自增压器13内流道E的入口端连接，CO自增压器13内流道E的出口端与换热器1内第十流道X的入口端连接，脱氮塔7的气相出口与脱氮塔塔顶冷凝器10内流道C的入口端连接，脱氮塔塔顶冷凝器10内流道C的出口与脱氮塔塔顶分离器11的入口相连，脱氮塔塔顶分离器11的液相出口与脱氮塔7的顶部入口相连，脱氮塔塔顶分离器11的气相出口与换热器1内第七流道VII的入口端连接。

在本实施例中，所述的换热器1是多台同时并联和串联；所述的氢汽提塔塔底蒸发器5、冷凝蒸发器8、CO/CH4分离塔塔底蒸发器12都是内置浸浴虹吸型；所述的合成气精馏塔2与氢汽提塔4为上下同轴布置结构；所述的CO自增压器13的安装位置低于冷凝蒸发器8，安装高度差为H。

一种利用上述系统提纯CO、CH4的深冷分离方法，它包括以下步骤：

S1、含CO、氢气、CH4和少量的氧气、氮气、氩气的净化气经第一流道I进入换热器1内，净化气被换热器1内的冷流体冷却并部分冷凝，随后进入合成气精馏塔2内以进行第一次精馏，分离后的气相为贫甲烷的合成气，合成气进入第二流道II内并经换热器1复热至常温后出界区，在合成气精馏塔2内分离后的工艺液相分成两个支路：第一支路经第一阀门V1减压后直接送入氢汽提塔4的中部参与精馏，第二个支路进入第四流道IV，该液相经换热器1过冷至一定温度后经第二阀门V2减压再送入氢汽提塔4的顶部做回流液；

S2、经过氢汽提塔4的精馏脱氢，在氢汽提塔4顶部得到富含氢气的闪蒸气，闪蒸气进入第三流道III内并经换热器1复热至常温后出界区，在氢汽提塔4底部得到的贫氢液体分成两个支路：第一支路经第三阀门V3减压后直接送入CO/CH4分离塔6的中上部参与精馏，第二个支路经第四阀门V4减压再进入第五流道V，该液相经换热器1复热至一定温度后送入CO/CH4分离塔6的中下部参与精馏，氢汽提塔塔底蒸发器5为氢汽提塔4提供上升的蒸发气，采用制冷剂做热源；

S3、经过CO/CH4分离塔6的精馏提纯，在其底部得到液态甲烷，液态甲烷进入第八流道VIII内并经换热器1过冷至一定温度后分为两个支路：第一支路经第七阀门V7减压后作为LNG产品出界区，第二个支路经第八阀门V8减压再进入第九流道IX内并经换热器1复热至常温后出界区，在CO/CH4分离塔6顶部得到的富CO气依次经冷凝蒸发器8、CO/CH4分离塔塔顶分离器9、换热器1内的通道VI和第五阀门V5减压后送入脱氮塔7继续精馏，冷凝蒸发器8为CO/CH4分离塔6提供回流液，采用脱氮塔7底部的CO液体做冷源；

S4、经过脱氮塔7的精馏脱氮，在其顶部得到的富氮气依次经脱氮塔塔顶冷凝器10、脱氮塔塔顶分离器11、第七流道VII内并经换热器1复热至常温后出界区，在脱氮塔7底部得到的CO液体经第六阀门V6调节流量后送入CO自增压器13中气化增压，随后进入第十流道X内并经换热器1复热至常温后作为CO产品出界区，冷凝蒸发器8为脱氮塔7提供上升的蒸发气，采用CO/CH4分离塔6顶部的富CO气做热源，脱氮塔塔顶冷凝器10为脱氮塔7提供回流液，采用制冷剂做冷源。

在本实施例中，制冷循环可以是氮气压缩制冷循环、氮气压缩膨胀循环、CO压缩制冷循环、CO压缩膨胀循环和混合冷剂压缩制冷循环中的任何一种或多种组合；所述的合成气精馏塔（2）可以是冷凝精馏型、气液分离型、液态CO洗涤型或液态甲烷洗涤型中的任何一种或多种组合；所述的氢汽提塔4、CO/CH4分离塔6和脱氮塔7的操作压力分别为0.5~2.0MPa.G、0.4~1.5MPa.G和0.2~1.5MPa.G。

实施例二：如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于：采用低温分离器15代替合成气精馏塔2，适用于净化气中甲烷含量较低的场合，从而进一步降低能耗和投资。

实施例三：如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于：采用低温闪蒸罐16代替氢汽提塔4，对于有些场合可以降低能耗和投资。

实施例四：如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于：合成气精馏塔2的液相出口连接有两个支路，第一个支路经第二阀门V2与氢汽提塔4的顶部入口端连接，第二个支路与换热器1内第四流道IV的入口端相连，换热器1内第四流道IV的出口端经第一阀门V1与氢汽提塔4的中部入口端连接，用于对CO的回收率要求不高的场合，可以降低装置的能耗和投资。