一种双塔精馏制取高纯甲烷的装置的制作方法

1.本发明涉及气体提纯技术领域，尤其涉及一种双塔精馏制取高纯甲烷的装置。


背景技术：

2.高纯甲烷是指体积分数大于99.999%的甲烷气体。随着科技的发展，高纯甲烷在化工、冶金、电子、石油和航空等领域广泛应用，主要用于标准气、 校正气、 在线仪表标准气、催化剂的评价气。高纯甲烷气体也被逐步用于非晶硅太阳电池制造，大规模集成电路干法刻蚀和等离子刻蚀气的辅助添加气。
3.目前制取高纯甲烷大部分采用双塔精馏结合额外的制冷循环的方式，但此类方式大都具有能耗高、换热器设计难度大、系统复杂度高以及系统调节灵活性差等缺点。
4.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本公开总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种双塔精馏制取高纯甲烷的装置，具有能耗低、换热器设计难度小、系统简单、易于调节的特点。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种双塔精馏制取高纯甲烷的装置，包括：一级精馏装置、二级精馏装置、预冷器和主换热器；其中，所述一级精馏装置包括一级精馏塔、冷凝器一和回流罐一，所述一级精馏塔具有顶部出气口一、回流入口一、原料进口一和底部出液口一，所述顶部出气口一通过管道连通有冷凝器一，所述冷凝器一的出气口通过管道连通有回流罐一，所述回流罐一的出液口与所述回流入口一之间通过回流管一连通，所述回流罐一还具有轻组分排出管一，所述底部出液口一连通有重组分排放管一；所述二级精馏装置包括二级精馏塔、冷凝器二、回流罐二和再沸器，所述二级精馏塔具有顶部出气口二、回流入口二、原料进口二和底部出液口二，所述顶部出气口二通过管道连通有冷凝器二，所述冷凝器二的出气口通过管道连通有回流罐二，所述回流罐二的出液口与所述回流入口二之间通过回流管二连通，所述回流罐二的顶部连通有轻组分排出管二，所述轻组分排出管二连同所述重组分排放管一采用三通一与废料管连通，所述底部出液口二连通有重组分排放管二，所述再沸器设置于所述二级精馏塔底部，内部具有换热通道；预冷器，内部具有通道四和通道五，所述通道四的进口端与所述废料管连通、出口端与尾气处理装置连通，所述通道五的进口端通过管道连通有三通二、出口端通过管道与所述再沸器内的换热通道进口端连通，所述三通二还分别连通有天然气原料端和三通三，所述再沸器内的换热通道出口端与所述三通三连通，所述三通三还通过管道与所述原料进口一连通；
主换热器，内部至少具有通道一、通道二和通道三，所述通道一的进口端与所述轻组分排出管一连通、出口端通过管道与所述原料进口二连通，所述通道二的进口端与所述重组分排放管二连通、出口端通过管道将产品输送出去；制冷剂通过管道依次进入到所述冷凝器二、所述主换热器和所述冷凝器一中换热后流出。
7.进一步地，所述制冷剂通过制冷循环系统进行循环制冷，所述制冷循环系统包括压缩机、膨胀模块和回热器，所述回热器至少具有通道六和通道七，所述通道六的进口端与所述压缩机出气口连通、出口端与所述膨胀模块的进口端连通，所述通道七的进口端与所述冷凝器一之间采用冷媒通道连通、出口端与所述压缩机进气口连通，所述膨胀模块的出口端与所述冷凝器二之间采用冷媒通道连通。
8.进一步地，所述回热器还具有通道八，所述天然气原料端为液态天然气原料端，所述通道八通过管道连通于所述液态天然气原料端和所述三通二之间。
9.进一步地，所述主换热器还具有通道九，所述天然气原料端为气态天然气原料端，所述通道九进口端通过管道与所述气态天然气原料端连通、出口端通过管道连通有三通四，所述三通四设置于所述三通二和所述通道八之间的管道上。
10.进一步地，所述膨胀模块包括膨胀机和节流阀中的一个或多个。
11.进一步地，所述液态天然气原料端采用原料供应系统一进行供应，所述原料供应系统一包括若干个储罐一、供应管一和尾气排出管，每个所述储罐一液相出口端均通过汇流排管一与所述供应管一连通、气相出口端均通过汇流排管二与所述尾气排出管连通。
12.进一步地，所述气态天然气原料端采用原料供应系统二进行供应，所述原料供应系统二包括若干个天然气瓶、汇流排管三和气体压缩机，所有所述天然气瓶均通过所述汇流排管三与所述气体压缩机连通，所述气体压缩机的出气口连通有供应管二。
13.进一步地，还包括产品储存充装系统，所述产品储存充装系统包括储罐二、缓冲罐、加压汽化模块和充装排架，所述储罐二和所述缓冲罐并联设置，所述加压汽化模块的两端分别与所述缓冲罐和所述充装排架相连，所述充装排架连通有若干个产品气瓶。
14.进一步地，所述加压汽化模块包括汽化器和充瓶压缩机。
15.进一步地，所述加压汽化模块包括液体加压泵和汽化器。
16.本发明的有益效果为：（1）、本发明中采用的各种换热器，包括预冷器、主换热器和回热器等，均可设置成二通道数或三通道数的换热器，实现温度相匹配的流体之间的换热，各换热器的能量利用率高，同时设计制造难度低；（2）、整套装置操作灵活、易于调节，本发明中的一级精馏塔和二级精馏塔各自独立运行，操作压力可以根据实际的分离要求确定，不会相互制约，有利于优化实际系统的各个参数；（3）、采用外部节流制冷循环为精馏过程提供冷量，可根据具体的流程需求选用合适的制冷剂、制冷剂流量和膨胀模块，提高了系统操作的灵活性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。
18.图1为本发明实施例中双塔精馏制取高纯甲烷的装置的结构示意图；图2为图1中a框的放大图；图3为图1中b框的放大图；图4为图1中c框的放大图；图5a为本发明实施例中膨胀模块第一种结构的示意图；图5b为本发明实施例中膨胀模块第二种结构的示意图；图5c为本发明实施例中膨胀模块第三中结构的示意图；图6为本发明实施例中原料供应系统一的结构示意图；图7为本发明实施例中原料供应系统二的结构示意图；图8为本发明实施例中产品储存充装系统的结构示意图；图9为本发明实施例中加压汽化模块的结构示意图。
19.附图标记：1、一级精馏塔；2、冷凝器一；3、回流罐一、4、回流管一；5、轻组分排出管一；6、重组分排放管一；7、二级精馏塔；8、冷凝器二；9、回流罐二；10、再沸器；11、回流管二；12、轻组分排出管二；13、三通一；14、废料管；15、重组分排放管二；16、预冷器；17、尾气处理装置；18、三通二；19、三通三；20、主换热器；21、制冷循环系统；22、压缩机；23、膨胀模块；24、回热器；25、液态天然气原料端；26、气态天然气原料端；27、三通四；28、膨胀机；29、节流阀；30、储罐一；31、供应管一；32、尾气排出管；33、汇流排管一；34、汇流排管二；35、天然气瓶；36、汇流排管三；37、气体压缩机；38、供应管二；39、储罐二；40、缓冲罐；41、加压汽化模块；42、充装排架；43、产品气瓶；44、汽化器；45、充瓶压缩机；46、液体加压泵。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.如图1至图9所示的双塔精馏制取高纯甲烷的装置，包括：一级精馏装置、二级精馏装置、预冷器16和主换热器20；其中，一级精馏装置包括一级精馏塔1、冷凝器一2和回流罐一3，一级精馏塔1具有顶部出气口一、回流入口一、原料进口一和底部出液口一，顶部出气口一通过管道连通有冷凝器一2，冷凝器一2的出气口通过管道连通有回流罐一3，回流罐一3的出液口与回流入口一之
间通过回流管一4连通，回流罐一3还具有轻组分排出管一5，底部出液口一连通有重组分排放管一6；二级精馏装置包括二级精馏塔7、冷凝器二8、回流罐二9和再沸器10，二级精馏塔7具有顶部出气口二、回流入口二、原料进口二和底部出液口二，顶部出气口二通过管道连通有冷凝器二8，冷凝器二8的出气口通过管道连通有回流罐二9，回流罐二9的出液口与回流入口二之间通过回流管二11连通，回流罐二9的顶部连通有轻组分排出管二12，轻组分排出管二12连同重组分排放管一6采用三通一13与废料管14连通，底部出液口二连通有重组分排放管二15，再沸器10设置于二级精馏塔7底部，内部具有换热通道；预冷器16，内部具有通道四和通道五，通道四的进口端与废料管14连通、出口端与尾气处理装置17连通，通道五的进口端通过管道连通有三通二18、出口端通过管道与再沸器10内的换热通道进口端连通，三通二18还分别连通有天然气原料端和三通三19，再沸器10内的换热通道出口端与三通三19连通，三通三19还通过管道与原料进口一连通；主换热器20，内部至少具有通道一、通道二和通道三，通道一的进口端与轻组分排出管一5连通、出口端通过管道与原料进口二连通，通道二的进口端与重组分排放管二15连通、出口端通过管道将产品输送出去；制冷剂通过管道依次进入到冷凝器二8、主换热器20和冷凝器一2中换热后流出。
24.为了方便本领域的技术人员掌握上述制取高纯甲烷的装置的使用，现将其具体使用方法做以下介绍。
25.具体的，天然气原料端将未经提纯处理的天然气通过管道输送到三通二18处，通过三通二18后的天然气分成两股，其中一股流入到预冷器16的通道五内，另一股流入到三通三19处，预冷器16内还具有通道四，通道四是与废料管14进行连通，预冷器16实际是一种换热器，温度较低的废气通入到通道四内，温度较高的天然气通入到通道五内，天然气进行温度交换，实现预冷目的，预冷处理后的天然气通过管道进入到二级精馏塔7的再沸器10中为其提供热源，从再沸器10内流出的天然气与未经预冷处理天然气在三通三19处汇合，之后流入到一级精馏塔1底部，在一级精馏塔1中进行精馏，使烷烃等重组分和轻组分分离，分离出的烷烃等重组分聚集在一级精馏塔底部，通过一级精馏塔底部的重组分排放管一6排出，一级精馏塔1的轻组分（包含甲烷的气体）从塔顶进入到冷凝器一2，部分冷凝后进入到回流罐一3进行汽液分离，液相部分作为回流液通过回流管一4回到一级精馏塔1内继续参与精馏，气相部分从回流罐一3顶部离开，通过主换热器20液化后进入到二级精馏塔7内进行二级精馏，在二级精馏塔7内通过精馏脱除氮氧等轻组分，分离出的轻组分气体进入到二级精馏塔7顶部的冷凝器二8内，经过冷凝器二8冷却后进入到二级精馏塔7顶部的回流罐二9内，回流罐二9内的液体通过回流管二11回到二级精馏塔7内参与精馏，气相部分通过回流罐二9顶部的轻组分排出管二12排出，高纯甲烷液体在二级精馏塔7的塔底集聚，通过塔底的重组分排放管二15排出，经主换热器20过冷后进入到产品端进行存储，在重组分排放管一6流出的co2、h2s、c2及以上的烷烃重组分和轻组分排出管二12中脱出的氮气和氧气等轻组分在三通一13处汇合，之后进入到预冷器16内对天然气进行过冷处理，从预冷器16内流出的废气最终进入到尾气处理装置17内进行处理，处理达标后可进行排放。
26.本发明中，制冷剂可以直接采用液氮，主换热器20、冷凝器一2和冷凝器二8需要的冷量由液氮提供，液氮依次进入到冷凝器二8、主换热器20和冷凝器一2中并为其提供冷源，
消耗后以氮气排出，由于冷凝器二8、主换热器20和冷凝器一2冷却的天然气组分不同，需要的冷却温度依次升高，而本发明中正好采用液氮即可实现上述三个换热器的冷源提供，降低了使用成本，实现了资源充分利用，本发明还通过预冷器16的设置，对未经提纯处理的天然气进行预冷，以及对尾气进行加热，减少尾气热处理的功耗。
27.如图1和3所示，作为上述实施例的具体公开，为了对制冷剂循环利用，制冷剂采用制冷循环系统21进行循环制冷，制冷循环系统21包括压缩机22、膨胀模块23和回热器24，回热器24至少具有通道六和通道七，通道六的进口端与压缩机22出气口连通、出口端与膨胀模块23的进口端连通，通道七的进口端与冷凝器一2之间采用冷媒通道连通、出口端与压缩机22进气口连通，膨胀模块23的出口端与冷凝器二8之间采用冷媒通道连通，制冷剂依次进入到冷凝器二8、主换热器20和冷凝器一2中并为其提供冷源后回到制冷剂循环系统21中进行再次降温处理，从而形成制冷循环。
28.如图3所示，为了实现资源的充分利用，回热器24还具有通道八，天然气原料端为液态天然气原料端25，通道八通过管道连通于液态天然气原料端25和三通二18之间，液态天然气原料端25通过自增压装置将液态天然气增压后输送到回热器24内，由于液态的天然气温度极低，基本在零下160℃左右，通过回热器24的加热，自身部分汽化后流入到三通三19处，接着，再进行后续处理。
29.作为上述实施例的优选，主换热器20还具有通道九，天然气原料端为气态天然气原料端26，通道九进口端通过管道与气态天然气原料端26连通、出口端通过管道连通有三通四27，三通四27设置于三通二18和通道八之间的管道上，天然气除了被压缩成液态外，有很多场景也是直接利用气态的天然气，气态的天然气属于常温气体，所以，无需进入到回热器24内进行加热，可以直接进行后续处理。
30.如图5a～5c所示，更具体的，膨胀模块23包括膨胀机28和节流阀29中的一个或多个，膨胀模块23具体可以分为仅采用膨胀机28、或仅采用节流阀29，也可以采用膨胀机28加节流阀29的方式，采用膨胀机28加节流阀29的方式可以参照图5c，本发明中优先采用仅设置节流阀29，通过节流阀29来控制冷却剂的流量，实现后续温度的控制。
31.如图6所示，作为上述实施例的具体公开，液态天然气原料端25采用原料供应系统一进行供应，原料供应系统一包括若干个储罐一30、供应管一31和尾气排出管32，每个储罐一30液相出口端均通过汇流排管一33与供应管一31连通、气相出口端均通过汇流排管二34与尾气排出管32连通，本实施例中储罐一30带有自增压装置，可以维持供料压力，当一个储罐一30内的用料即将用完时，对两个储罐一30进行倒换。
32.如图7所示，作为上述实施例的具体公开，气态天然气原料端26采用原料供应系统二进行供应，原料供应系统二包括若干个天然气瓶35、汇流排管三36和气体压缩机37，所有天然气瓶35均通过汇流排管三36与气体压缩机37连通，气体压缩机37的出气口连通有供应管二38。
33.如图8所示，为了便于对高纯甲烷产品进行储存，还包括产品储存充装系统，产品储存充装系统包括储罐二39、缓冲罐40、加压汽化模块41和充装排架42，储罐二39和缓冲罐40并联设置，加压汽化模块41的两端分别与缓冲罐40和充装排架42相连，充装排架42连通有若干个产品气瓶43。
34.需要说明的是，储罐二39和缓冲罐40均用于储存合格高纯甲烷液体，储罐二39用
于储存高纯甲烷液体，其带有自增压装置，可以将液态高纯甲烷加压至用户需要的0.6mpa压力，另一部分产品进入到缓冲罐40内，缓冲罐40中的液态高纯甲烷通过加压汽化模块41汽化后，充入到产品气瓶43内，充装排架42的设置，是为了能够满足多个产品气瓶43的同步充装，等待一组冲满后，可以更换下一组，提高充装效率。
35.如图9所示，作为一种加压汽化模块41的实现方式，加压汽化模块41包括汽化器44和充瓶压缩机45。
36.如图9所示，作为另一种加压汽化模块41的实现方式，加压汽化模块41包括液体加压泵46和汽化器44。
37.本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。