分离提纯一氧化碳的设备的制作方法

本实用新型涉及气体分离技术领域，尤其涉及一种分离提纯一氧化碳的设备。

背景技术：

作为重要的羰基合成原料气，一氧化碳(co)可以用于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。

合成气是以一氧化碳和氢气为主要组分，用作化工原料的一种原料气。合成气的原料范围很广，可由煤或焦炭等固体燃料气化产生，也可由天然气和石脑油等轻质烃类制取，还可由重油经部分氧化法生产。

工业上都是采用低温分离技术从合成气中获得大处理量、高纯度的一氧化碳。现有的从合成气低温分离提取一氧化碳和氢气产品的技术，多利用合成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。然而，这种方法受原料气组成及压力限制，当自身分离的一氧化碳节流降压提供的冷量不足时，通过加注液氮补充冷量，这种方式很大程度上限制了它的应用范围，在一些没有空分装置、无液氮产品的工厂，此方法就难以实现，也即是说，现有的这种从合成气提纯分离一氧化碳的方法具有对原料气适应范围小、过分依赖液氮、能耗高等缺点。

因而开发一种适用于各种原料气条件、不需要液氮、能耗低、流程简单的一氧化碳低温分离提纯技术十分重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种分离提纯一氧化碳的设备，采用该设备从合成气中提纯制取一氧化碳时，不需要额外从设备外部引入液氮来补充冷量，独立性强，适用范围广。

为实现以上目的，本实用新型提供一种分离提纯一氧化碳的设备，包括通过管路依次连通的换热器、第一气液分离器、分离塔、第二气液分离器以及一氧化碳压缩机；

所述分离塔与所述第二气液分离器之间的管路中设有节流阀，所述节流阀用于对流体进行节流降压降温；

所述换热器中设有第一换热通道与第二换热通道，所述第一换热通道用于使合成气通过并对其进行冷却，所述第二换热通道用于使从所述分离塔流出并进行节流降压降温后的流体通过以释放冷量；

所述一氧化碳压缩机与所述分离塔之间设有回流管路，所述回流管路用于使所述一氧化碳压缩机中一部分压缩一氧化碳作为回流一氧化碳回流至所述分离塔中；所述换热器中设有第三换热通道，所述第三换热通道位于所述回流管路中，用于在回流一氧化碳从中通过时对其进行冷却。

在本实用新型的一些实施例中，所述分离塔的塔底设有再沸器。

在本实用新型的一些实施例中，所述回流管路连通至所述再沸器的入口，所述再沸器的出口通过管路连通至所述分离塔的上部或中部。

在本实用新型的一些实施例中，所述回流管路连通至所述分离塔的上部或中部；

所述第一换热通道包括不连续的第一换热段与第二换热段，所述第一换热段的出口通过管路连通至所述再沸器的入口，所述再沸器的出口通过管路连通至所述第二换热段的入口，所述第二换热段的出口通过管路连通至所述第一气液分离器。

在本实用新型的一些实施例中，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括第一预冷器，所述第一预冷器设于所述换热器的上游并且通过管路与所述换热器连通。

在本实用新型的一些实施例中，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括第二预冷器，所述第二预冷器设于所述回流管路中，并设于所述一氧化碳压缩机与所述换热器的第三换热通道之间。

在本实用新型的一些实施例中，所述分离塔与所述换热器之间设有多个节流降压管路，每个节流降压管路中均设有节流阀。

在本实用新型的一些实施例中，所述换热器中设有多个第二换热通道，所述多个第二换热通道分别对应连通所述多个节流降压管路。

在本实用新型的一些实施例中，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括设于所述换热器上游的净化装置。

在本实用新型的一些实施例中，所述换热器中设有第四换热通道与第五换热通道，所述第四换热通道与所述第一气液分离器的顶部通过管路连通，所述第五换热通道与所述分离塔的顶部通过管路连通。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的分离提纯一氧化碳的设备通过在一氧化碳压缩机与分离塔之间设置回流管路，使一部分压缩一氧化碳作为回流一氧化碳回流至所述分离塔中，这部分回流一氧化碳在进行节流降压后能够释放冷量，为合成气降温提供所需冷量，不需要额外从设备外部引入液氮来补充冷量，本实用新型的设备不仅适用于合成气中一氧化碳含量高及压力高的工况，而且适用于合成气中一氧化碳含量低及压力低的工况，适用范围广。

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为本实用新型的分离提纯一氧化碳的设备的第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的分离提纯一氧化碳的设备的第二实施例的结构示意图。

主要元件符号说明：

10、净化装置；21、第一预冷器；30、换热器；31、第一换热通道；311、第一换热段；312、第二换热段；32、第二换热通道；33、第三换热通道；34、第四换热通道；35、第五换热通道；41、第一气液分离器；50、分离塔；51、再沸器；42、第二气液分离器；60、节流阀；70、一氧化碳压缩机；72、中间冷却器；22、第二预冷器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1与图2，本实用新型首先提供一种分离提纯一氧化碳的设备，包括通过管路依次连通的换热器30、第一气液分离器41、分离塔50、第二气液分离器42以及一氧化碳压缩机70；

所述分离塔50与所述第二气液分离器42之间的管路中设有节流阀60，所述节流阀60用于对流体进行节流降压降温；

所述换热器30中设有第一换热通道31与第二换热通道32，所述第一换热通道31用于使合成气通过并对其进行冷却，所述第二换热通道32用于使从所述分离塔50流出并进行节流降压降温后的流体通过以释放冷量；

所述一氧化碳压缩机70与所述分离塔50之间设有回流管路，所述回流管路用于使所述一氧化碳压缩机70中一部分压缩一氧化碳作为回流一氧化碳回流至所述分离塔50中；所述换热器30中设有第三换热通道33，所述第三换热通道33位于所述回流管路中，用于在回流一氧化碳从中通过时对其进行冷却。

本实用新型的分离提纯一氧化碳的设备的工作过程大致为：

a.合成气进入所述换热器30的第一换热通道31进行冷却后，温度降低导致部分气体冷凝，形成第一气液混合物，所述合成气进入所述换热器30冷却的目的为尽可能使合成气中的所有一氧化碳冷凝为液体，为后续分离提供基础。

具体的，合成气经过所述第一换热通道31冷却后形成的第一气液混合物的温度为-170℃～-190℃。

b.所述第一气液混合物进入所述第一气液分离器41中进行气液分离，形成与位于所述第一气液分离器41底部的第一液相以及位于所述第一液相上方的第一气相，所述第一气相从所述第一气液分离器41的顶部逸出，具体的，所述第一气相主要为氢气，同时夹杂少量一氧化碳。

c.使所述第一液相进入所述分离塔50内，在塔底被加热后，所述第一液相中的氢气从液态转为气态，形成第二气相，所述第二气相从所述分离塔50的塔顶逸出，液态一氧化碳保留于所述分离塔50的塔底，形成第二液相，所述第二气相主要为氢气，同时夹杂少量一氧化碳。

d.所述第二液相从所述分离塔50的塔底流出后，经所述节流阀60进行节流降压降温，形成低温低压的第二气液混合物，第二气液混合物的温度为-140℃～-180℃，当第二气液混合物直接进入换热器30的第三换热通道33进行降温时，由于第二气液混合物中的气体容易汇聚至液体上方导致气液混合不均匀，并且由于气体与液体携带的冷量不同，因此直接将第二气液混合物通入换热器30换热会出现换热不均匀的问题，为避免出现该问题，本实用新型设置了第二气液分离器42，将第二气液混合物中的气体和液体分开后再分别按照恒定的速率通入所述换热器30的第三换热通道33中，保证气体和液体混合均匀，实现均匀的换热效果。

e.所述第二气液混合物通过所述第三换热通道33释放冷量时自身被复热，此时所述第二气液混合物全部转为一氧化碳气体，之后一氧化碳气体进入一氧化碳压缩机70被压缩成为一氧化碳产品。

f.为了使本实用新型的分离提纯一氧化碳的设备能够实现冷量自给，避免步骤d的节流降压降温环节产生的冷量不能满足步骤a中合成气降温的需求，本实用新型还设置了使回流一氧化碳返回至所述分离塔50中的回流管路，设置该回流管路的目的在于：能够增加用于节流降压的一氧化碳流体的量，增加节流降压环节释放的冷量，为换热器30中合成气降温(冷凝)提供足够的冷量。

现有技术中，在原料气co含量较低或者原料气压力较低的情况下，co液体节流降压后产生的冷量不能够满足合成气冷却(冷凝)的需要，本实用新型通过抽取压缩后的部分co回流，采用压缩制冷的原理，为合成气冷却(冷凝)补充不足的冷量。

本实用新型采用循环co提供差缺冷量，在原料气co含量低、压力低的工况下也能够使设备正常运行适用，不需要额外补充液氮，工艺独立性强，适用范围广。

在本实用新型的一些实施例中，所述换热器30为板翅式换热器30。

具体的，所述回流一氧化碳可以为一氧化碳产品，也可以为压缩过程中提前抽出的比一氧化碳产品压力低的一氧化碳，或者，为了满足补充冷量及低能耗的需要，所述回流一氧化碳也可以为压力大于一氧化碳产品的一氧化碳，这就需要在达到一氧化碳产品压力后再增加压缩级数，将需要被回流的一氧化碳压缩至更高的压力。所述回流一氧化碳的温度为30℃～40℃。

本实用新型中，一氧化碳产品的压力可以根据下游用户需要进行调整，回流一氧化碳的压力可根据需要补充的冷量的多少及能耗最小原则进行调整，操作灵活方便。

具体的，如图1与图2所示，所述分离塔50的塔底设有再沸器51，所述再沸器51用于对塔釜液(即第二液相)进行加热，使塔釜液中残留的氢气从液态转为气态，继而从所述分离塔50的塔顶逸出。

在本实用新型的一些实施例中，所述再沸器51浸泡于塔底的液体(即第二液相)中，热介质(合成气或者回流一氧化碳)流动于所述再沸器51内部用以对塔底的液体进行加热。

如图1所示，在本实用新型的第一实施例中，所述回流管路连通至所述再沸器51的入口，所述再沸器51的出口通过管路连通至所述分离塔50的上部或中部。在该第一实施例中，回流一氧化碳首先通过所述再沸器51以供给塔底加热所需热量，之后再从塔顶进入所述分离塔50，最后从塔底流出进行节流降压降温。

如图2所示，在本实用新型的第二实施例中，所述回流管路连通至所述分离塔50的上部或中部，该第二实施例中，为所述分离塔50塔底提供热量的流体为合成气。

在该第二实施例中，所述第一换热通道31包括不连续的第一换热段311与第二换热段312，所述第一换热段311的出口通过管路连通至所述再沸器51的入口，所述再沸器51的出口通过管路连通至所述第二换热段312的入口，所述第二换热段312的出口通过管路连通至所述第一气液分离器41。

该第二实施例中，回流一氧化碳进入所述分离塔50后直接从塔底流出进行节流降压降温。合成气首先进入所述第一换热段311进行第一次降温，之后经由管路进入所述再沸器51中对塔釜液进行加热，从所述再沸器51流出后经由管路进入所述第二换热段312进行第二次降温。具体的，所述合成气进行第二次降温后的温度为-170℃～-190℃。

具体的，所述分离塔50的塔底的温度为-160℃～-180℃，塔顶的温度为-170℃～-200℃。

优选的，如图1所示，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括第一预冷器21，所述第一预冷器21设于所述换热器30的上游并且通过管路与所述换热器30连通。所述第一预冷器21用于在合成气进入换热器30降温前对其进行预冷，所述合成气预冷后的温度为0℃～-30℃，例如0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃。

优选的，如图1所示，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括第二预冷器22，所述第二预冷器22设于所述回流管路中，并设于所述一氧化碳压缩机70与所述换热器30的第三换热通道33之间。所述第一预冷器21用于在回流一氧化碳进入换热器30降温前对其进行预冷，所述一氧化碳预冷后的温度为0℃～-30℃，例如0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃。

本实用新型设置第一预冷器21与第二预冷器22的目的在于减少回流一氧化碳的量，降低一氧化碳的压缩能耗(约20～30％)，节约生产成本。

具体的，所述节流降压可以分多级进行，也即是说，所述分离塔50与所述换热器30之间设有多个节流降压管路，每个节流降压管路中均设有节流阀60，从所述分离塔50塔底流出的第二液相(即液态一氧化碳)通过多分支管路进入所述换热器30中，从而能够在多个节流降压管路中对液态一氧化碳进行节流降压，使降至不同压力的一氧化碳能够在不同的温区释放冷量。

在本实用新型的一些实施例中，所述换热器30中设有多个第二换热通道32，所述多个第二换热通道32分别对应连通所述多个节流降压管路。

另外，通过对多个节流降压管路中的节流阀60分别进行控制，能够在多个节流降压管路中实现不同的降压降温效果，从而满足不同温度级的第二换热通道32的冷量需求。

如图1与图2所示，在本实用新型的一些实施例中，所述一氧化碳压缩机70具有多个压缩级数，所述多个压缩级的吸入口分别连通所述多个第二换热通道32，分别用于对从所述多个第二换热通道32流出的一氧化碳气体进行压缩。在本实用新型的一些实施例中，所述一氧化碳压缩机70的多个压缩级之间设有多个中间冷却器72。

如图1与图2所示，在本实用新型的一实施例中，所述节流降压分2级进行，从所述分离塔50塔底流出的液态一氧化碳通过2个节流降压管路进入所述换热器30中，所述换热器30中设有2个第二换热通道32，所述2个第二换热通道32分别连通所述2个节流降压管路。所述一氧化碳压缩机70具有2级吸气口，所述2个吸气口分别用于对从所述2个第二换热通道32流出的一氧化碳气体进行吸入并压缩。

优选的，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括设于所述换热器30上游的净化装置10，所述净化装置10用于在合成气进入换热器30前对合成气进行净化处理，除去所述合成气中容易腐蚀设备或低温下容易对设备造成冻堵的有害杂质，例如二氧化碳、甲醇、水、硫化物和汞等。

在本实用新型的一些实施例中，所述换热器30中设有第四换热通道34与第五换热通道35，所述第四换热通道34与所述第一气液分离器41的顶部通过管路连通，所述第五换热通道35与所述分离塔50的顶部通过管路连通。从所述第一气液分离器41顶部逸出的第一气相进入所述第四换热通道34后释放自身冷量，为第一换热通道31中需要被冷却的合成气提供冷量，自身复热后排出；从所述分离塔50顶部逸出的第二气相进入所述第五换热通道35后释放自身冷量，为第一换热通道31中需要被冷却的合成气提供冷量，自身复热后排出。

在本实用新型的一些实施例中，所述分离提纯一氧化碳的设备还包括与所述换热器30通过管路连通的变压吸附(psa)装置，所述变压吸附装置与所述第四换热通道34连通，用于对第一气相进行分离提纯，去除第一气相中少量的一氧化碳气体，以获得高纯度的氢气。

本实用新型的分离提纯一氧化碳的设备通过在一氧化碳压缩机70与分离塔50之间设置回流管路，使一部分压缩一氧化碳作为回流一氧化碳回流至所述分离塔50中，这部分回流一氧化碳在进行节流降压后能够释放冷量，为合成气降温提供所需冷量，不需要额外从设备外部引入液氮来补充冷量，本实用新型的设备不仅适用于合成气中一氧化碳含量高及压力高的工况，而且适用于合成气中一氧化碳含量低及压力低的工况，适用范围广。

基于上述分离提纯一氧化碳的设备，本实用新型还提供一种分离提纯一氧化碳的方法，采用上述分离提纯一氧化碳的设备实现，所述方法包括：

使合成气进入所述换热器30的第一换热通道31进行降温，所述合成气部分冷凝成为第一气液混合物；

所述第一气液混合物进入所述第一气液分离器41中进行气液分离，形成与位于所述第一气液分离器41底部的第一液相以及位于所述第一液相上方的第一气相，所述第一气相从所述第一气液分离器41的顶部逸出；

使所述第一液相进入所述分离塔50内，所述第一液相与所述分离塔50塔底的上升的气相逆流接触，最终得到位于塔底的第二液相以及位于塔顶的第二气相，所述第二气相从塔顶逸出；

所述第二液相从所述分离塔50的塔底流出后，经所述节流阀60进行节流降压降温，形成第二气液混合物；

使所述第二气液混合物进入所述换热器30的第三换热通道33释放冷量，所述第二气液混合物全部蒸发为一氧化碳气体，使一氧化碳气体进入一氧化碳压缩机70内被压缩；

从所述一氧化碳压缩机70中抽取一部分压缩一氧化碳作为回流一氧化碳进入回流管路，所述回流一氧化碳经所述换热器30的第三换热通道33降温后进入所述分离塔50中。

具体的，当所述第一液相的压力较大时，可以在所述第一气液分离器41与所述分离塔50之间的管路上设置节流阀60对所述第一液相进行降压，使所述第一液相的压力降低，以满足所述分离塔50内部的操作压力要求。

在图1所示的实施例中，所述回流管路连通至所述再沸器51的入口，所述再沸器51的出口通过管路连通至所述分离塔50的上部或中部，所述回流管路中回流一氧化碳首先进入所述再沸器51对塔釜液进行加热，从所述再沸器51流出后经由管路进入所述分离塔50内。

在图2所示的实施例中，所述回流管路连通至所述分离塔50的上部或中部，回流一氧化碳从所述回流管路流出后直接进入所述分离塔50内。

所述第一换热通道31包括不连续的第一换热段311与第二换热段312，所述第一换热段311的出口通过管路连通至所述再沸器51的入口，所述再沸器51的出口通过管路连通至所述第二换热段312的入口，所述第二换热段312的出口通过管路连通至所述第一气液分离器41；合成气首先进入所述第一换热段311进行第一次降温，之后经由管路进入所述再沸器51中对塔釜液进行加热，从所述再沸器51流出后经由管路进入所述第二换热段312进行第二次降温。经第二次降温后，冷却至一定温度(-140℃～-160℃)的合成气进入再沸器51中为塔底加热提供所需热量。

可以看出，图1与图2的实施例中，回流一氧化碳均从所述分离塔50的上部或中部进入所述分离塔50内，在回流一氧化碳从所述分离塔50的上部或中部流至塔底的过程中，这部分回流一氧化碳能够增加分离塔50内的液相流量，加强气液两相的传质过程，使第二气相中的一氧化碳能够更好回收至第二液相中，增强精馏效果。

本实用新型的分离提纯一氧化碳的方法通过抽取一部分压缩一氧化碳作为回流一氧化碳回流到分离塔50内，这部分回流一氧化碳进行节流降压降温后能够为合成气降温提供冷量，不需要额外从设备外部引入液氮来补充冷量，该方法不仅适用于合成气中一氧化碳含量高及压力高的工况，而且适用于合成气中一氧化碳含量低及压力低的工况，与传统的一氧化碳低温分离工艺相比，该方法的独立性强，适用范围广，流程简单。另外，本实用新型中回流一氧化碳进入分离塔50后，能够增加分离塔50内的液相流量，提升洗涤效果，进而提高一氧化碳的回收率。

本文中，“上游”、“下游”指的是合成气的流通路径，在本实用新型的分离提纯一氧化碳的方法中，合成气从上游至下游流动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。