一种生产高纯度一氧化碳和甲烷的深冷分离装置和方法与流程

本发明涉及低温深冷液化分离，具体涉及一种生产高纯度一氧化碳和甲烷的深冷分离装置和方法。

背景技术：

1、在焦炉煤气制合成氨装置中psa提氢工段会产生psa提氢解析气，其主要成分有氢气、甲烷、co、co2、氮气等，该气体常常被作为燃料气，不仅造成资源的浪费，还会造成环境的污染。利用净化后psa提氢解析气制取合成氨原料气，并联产高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷，不仅变废为宝，也给工厂带来了非常好的经济效益。随着科技进步，电子、光伏等产业发展迅速，高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷在半导体干法蚀刻、等离子蚀刻、化学气相沉积等工艺中应用越来越广泛，可用来制备半导体材料、微电子器件、光电子器件等。

2、目前，高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷已经成为电子产业的重要原材料之一，因此高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷市场空间不断扩大，推动高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷行业技术不断进步，产品纯度不断提高；因此，需要一种生产高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷的装置，提高产品分离纯度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述背景中的技术缺陷，提供了一种生产高纯度一氧化碳和甲烷的深冷分离装置和方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供的该装置包括主换热器、液氮洗涤塔、低温分离器、脱氩塔、脱氩塔再沸器、脱氩塔冷凝器、脱氩塔回流罐、脱氮塔、脱氮塔冷凝器、脱氮塔回流罐、脱甲烷塔、主冷凝蒸发器、脱甲烷塔回流罐、脱甲烷塔再沸器、高纯甲烷塔、高纯甲烷塔再沸器、高纯甲烷塔冷凝器、高纯一氧化碳塔、高纯一氧化碳塔再沸器、高纯一氧化碳塔冷凝器、氮气压缩机系统；所述的主换热器内设置有高压氮气i通道、低压氮气i通道、原料气通道、低低压氮气通道、一氧化碳i通道、富氢气通道、富氮气i通道、高纯电子级co通道、高纯电子级甲烷通道、天然气通道、高压氮气ii通道、高压液氮i通道和贫氢液通道。所述的脱氩塔冷凝器内设置有低压氮气ii通道和贫氩气通道。所述的脱氮塔冷凝器内设置有低压氮气iii通道、一氧化碳ii通道和富氮气ii通道。

4、沿着原料气的进气方向，所述原料气通道入口与外界原料气管道相接，所述的原料气通道出口与液氮洗涤塔底部进料口相接。所述的液氮洗涤塔顶部出口与富氢气通道入口相接，所述的富氢气通道与外界的合成氨原料气管线相接，所述的液氮洗涤塔底部液相出口与低温分离器进料口相接，

5、所述的低温分离器顶部气相出口与富氮气i通道入口管线相接，所述的低温分离器底部液相出口与贫氢液通道入口相接，所述的氢液通道出口与脱甲烷塔中部进料口相接，

6、所述的脱甲烷塔中上部气相出口与高纯甲烷塔进料口相接，所述的高纯甲烷塔底部液相出口与高纯电子级甲烷通道入口相接，所述的高纯电子级甲烷通道出口与外界的高纯电子级甲烷管线相接，

7、所述的高纯甲烷塔顶部气相出口管线与所述的脱甲烷塔底部液相管线汇合后，与天然气通道入口管线相接，天然气通道出口与外界的常温天然气管线相接，

8、所述的脱甲烷塔上部气相出口与主冷凝蒸发器入口相接，所述的主冷凝蒸发器出口与脱甲烷塔回流罐进料口相接，所述的脱甲烷塔回流罐底部液相出口与脱甲烷塔顶部进料口相接，

9、所述的脱甲烷塔回流罐顶部气相出口与脱氩塔中部进料口相接，所述的脱氩塔底部液相出口管线与富氮气i通道入口管线相接，所述的脱氩塔顶部气相出口与贫氩气通道入口相接，所述的贫氩气通道出口与脱氩塔回流罐进料口相接，所述的脱氩塔回流罐底部液相出口与脱氩塔顶部进料口相接，所述的脱氩塔回流罐顶部气相出口与脱氮塔中部进料口相接，

10、所述的脱氮塔顶部气相出口与富氮气ii通道入口相接，所述的富氮气ii通道出口管线与脱氮塔回流罐进料口相接，所述的脱氮塔回流罐底部液相出口与脱氮塔顶部部进料口相接，所述的脱氮塔回流罐顶部气相出口管线分为两部分，一部分与高纯一氧化碳塔中部进料口相接，另一部分与富氮气i通道入口管线相接，

11、所述的高纯一氧化碳塔底部液相出口与高纯电子级co通道入口相接，所述的高纯电子级co通道出口与外界高纯电子级co管线相接，所述的高纯一氧化碳塔顶部气相出口与富氮气i通道入口管线相接，

12、所述的脱氮塔底部液相出口与一氧化碳ii通道入口相接，所述的一氧化碳ii通道出口与一氧化碳i通道入口相接，所述的一氧化碳i通道出口与外界的一氧化碳气管线相接，

13、所述的一氧化碳i通道入口与低温分离器顶部气相出口、脱氩塔底部液相出口管线、脱氮塔回流罐顶部气相出口和高纯一氧化碳塔顶部气相出口相接，所述的一氧化碳i通道与外界富氮气管线相接。

14、沿着高压氮气的进气方向，所述的氮气压缩机系统出口与高压氮气i通道入口相接，所述的高压氮气i通道出口与脱甲烷塔再沸器和高纯甲烷塔再沸器入口相接，所述的脱甲烷塔再沸器和高纯甲烷塔再沸器出口都与高压氮气ii通道入口相接，所述的高压氮气ii通道出口分别与脱氩塔再沸器和高纯一氧化碳塔再沸器入口相接，所述的脱氩塔再沸器和高纯一氧化碳塔再沸器出口与高压液氮i通道入口相接，所述的压液氮i通道出口分别与液氮洗涤塔顶部进料口、低压氮气ii通道入口、低压氮气iii通道进口、高纯甲烷塔冷凝器液氮进口和高纯一氧化碳塔冷凝器液氮进口相接，所述的低压氮气ii通道出口、低压氮气iii通道出口和高纯甲烷塔冷凝器氮气出口与低压氮气i通道入口相接，所述的低压氮气i通道出口与氮气压缩机系统二级入口相接，所述的高纯一氧化碳塔冷凝器氮气出口与低低压氮气通道入口相接，所述的低低压氮气通道与氮气压缩机系统一级入口相接。

15、优选地，所述的高压氮气ii通道出口与高压液氮i通道入口之间设置调节阀a与控制系统电连接。

16、进一步的，所述的低压氮气i通道入口设有温度监测仪i，所述的高压液氮i通道出口管线与低压氮气i通道入口管线设置有温度调节阀b用于控制低压氮气i通道入口温度；

17、所述的脱氩塔底部设有温度监测仪ii，所述的脱氩塔再沸器氮气管线进口与出口之间设置温度调节阀c用于调节脱氩塔底部温度；

18、所述的贫氩气通道出口设有温度监测仪iii，所述的贫氩气通道出口设置温度调节阀d用于调节贫氩气出贫氩气通道温度；

19、所述的富氮气ii通道出口设有温度监测仪iv，所述的低压氮气iii通道进口设置温度调节阀e用于调节富氮气出富氮气ii通道温度；

20、所述的脱甲烷塔底部设有温度监测仪v，所述的脱甲烷塔再沸器氮气管线进口与出口之间设置温度调节阀f用于调节脱甲烷塔底部温度；

21、所述的高纯甲烷塔顶部设有温度监测仪vi，所述的高纯甲烷塔冷凝器液氮进口设置温度调节阀g用于调节高纯甲烷塔顶部温度；

22、所述的高纯甲烷塔底部设有温度监测仪vii，所述的高纯甲烷塔再沸器氮气管线进口与出口之间设置温度调节阀h用于调节高纯甲烷塔底部温度；

23、所述的高纯一氧化碳塔顶部设有温度监测仪viii，所述的高纯一氧化碳塔冷凝器的液氮进口设置温度调节阀i用于调节高纯一氧化碳塔顶部温度；

24、所述的高纯一氧化碳塔底部设有温度监测仪ⅸ；所述的高纯一氧化碳塔再沸器氮气管线进口与出口之间设置温度调节阀j用于调节高纯一氧化碳塔底部温度；

25、所述的温度监测仪i、温度监测仪ii、温度监测仪iii、温度监测仪iv、温度监测仪v、温度监测仪vi、温度监测仪vii、温度监测仪viii、温度监测仪ⅸ、温度调节阀b、调节阀c、温度调节阀d、温度调节阀e、温度调节阀f、温度调节阀g、温度调节阀h、温度调节阀i、温度调节阀j分别与控制系统电连接。

26、进一步地，所述的液氮洗涤塔底部设有液位监测仪i，所述的液氮洗涤塔底部出口管道设置液位调节阀k，用于调节液氮洗涤塔底部液位；

27、所述的低温分离器底部设有液位监测仪ii，所述的低温分离器底部出口管道设置液位调节阀l，用于调节低温分离器底部液位；

28、所述的脱氩塔底部设有液位监测仪iii，所述的脱氩塔底部出口管道设置液位调节阀m，用于调节脱氩塔底部液位；

29、所述的脱甲烷塔底部设有液位监测仪iv，所述的脱甲烷塔底部出口管道设置液位调节阀n，用于调节脱甲烷塔底部液位；

30、所述的主冷凝蒸发器底部设有液位监测仪v，所述的主冷凝蒸发器底部出口管道设置液位调节阀o，用于调节主冷凝蒸发器底部液位；

31、所述的高纯甲烷塔底部设有液位监测仪vi，所述的高纯甲烷塔底部出口管道设置液位调节阀p，用于调节高纯甲烷塔底部液位；

32、所述的高纯一氧化碳塔底部设有液位监测仪vii，所述的高纯一氧化碳塔底部出口管道设置液位调节阀q，用于调节高纯一氧化碳塔底部液位；

33、所述的液位监测仪i、液位监测仪ii、液位监测仪iii、液位监测仪iv、监测仪v、液位监测仪vi、液位监测仪vii、液位调节阀k、液位调节阀l、液位调节阀m、液位调节阀n、液位调节阀o、液位调节阀p、液位调节阀q分别与控制系统电连接。

34、优选地，根据权利要求1所述的一种生产高纯度一氧化碳和甲烷的深冷分离装置，其特征在于：所述的液氮洗涤塔顶部设有压力监测仪i，所述的液氮洗涤塔顶部出口管道设置压力调节阀r，用于调节液氮洗涤塔顶部压力；

35、所述的低温分离器顶部设有压力监测仪ii，所述的低温分离器顶部出口管道设置压力调节阀s，用于调节低温分离器顶部压力；

36、所述的脱甲烷塔顶部设有压力监测仪iii，所述的脱甲烷塔回流罐顶部出口管道设置压力调节阀t，用于调节脱甲烷塔顶部压力；

37、所述的脱氮塔顶部设有压力监测仪iv，所述的脱氮塔回流罐顶部出口管线与富氮气i通道入口管线之间设置压力调节阀u，用于调节脱氮塔顶部压力；

38、所述的高纯甲烷塔顶部设有压力监测仪v，所述的高纯甲烷塔顶部出口管道设置压力调节阀v，用于调节高纯甲烷塔顶部压力；

39、所述的高纯一氧化碳塔顶部设有压力监测仪vi，所述的高纯一氧化碳塔顶部出口管道设置压力调节阀w，用于调节高纯一氧化碳塔顶部压力；

40、所述的氮气压缩机系统二级入口设有压力监测仪vii，所述的外界低压氮气补充管线设置压力调节阀x，用于调节氮气压缩机系统二级入口压力；

41、所述的压力监测仪i、压力监测仪ii、压力监测仪iii、压力监测仪iv、压力监测仪v、压力监测仪vi、压力监测仪vii、压力调节阀r、压力调节阀s、压力调节阀t、压力调节阀u、压力调节阀v、压力调节阀w、压力调节阀x分别与控制系统电连接。

42、进一步地，所述的液氮洗涤塔顶部进料口管线设有流量监测仪i，所述的液氮洗涤塔顶部进料口管线设有流量调节阀y，用于调节液氮进入液氮洗涤塔的流量；

43、所述的高纯甲烷塔中部进料管线设有流量监测仪ii，所述的高纯甲烷塔中部进料管线设有流量调节阀z，用于调节富甲烷气进入高纯甲烷塔的流量；

44、所述的高纯一氧化碳塔中部进料管线设有流量监测仪iii，所述的高纯一氧化碳塔中部进料管线设有流量调节阀a1，用于调节富co气进入高纯一氧化碳塔的流量；

45、所述的流量监测仪i、流量监测仪ii、流量监测仪iii、流量调节阀y、流量调节阀z、流量调节阀a1分别与控制系统电连接。

46、进一步地，所述的液氮洗涤塔、脱氩塔、脱氮塔、脱氮塔冷凝器、脱氮塔回流罐、脱甲烷塔、高纯甲烷塔、高纯一氧化碳塔为填料塔或板式塔。

47、一种生产高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷的深冷分离的方法，它包括以下步骤：

48、s1、经净化后的净化原料气(含有氢气、氮气、一氧化碳、甲烷、少量乙烷、少量丙烷以及微量的氩气)经外界原料气管道进入主换热器的原料气通道，被返流的低温气冷却、部分冷凝至～-180℃后,进入液氮洗涤塔的底部。在液氮洗涤塔中，原料气被从上往下流动的液氮冷凝、洗涤，在液氮洗涤塔的顶部得到co含量＜10ppm的富氢气，富氢气返回主换热器的被正流的热流股(主要是高压氮气和原料气)复热至常温后送出经界区；在液氮洗涤塔的底部得到贫氢液体。

49、s2、贫氢液体经液位调节阀k流至～0.55mpa后进入低温分离器，闪蒸出一部分溶解的氢气，经压力调节阀s节流后并入富氮气i通道入口管线；低温分离器底部的液体，经液位调节阀l后，返回主换热器的贫氢液通道复热至～-152℃左右，再送入脱甲烷塔的中部，进行第二次精馏。

50、s3、经过脱甲烷塔的进一步精馏脱甲烷，脱甲烷塔底部设有脱甲烷塔再沸器，为脱甲烷塔提供上升的蒸发气，将其底部液体中的co、n2和ar进行精馏，得到甲烷液体(还有少量乙烷和丙烷，简称lng)，经液位调节阀n节流至～0.2mpa后，被送入主换热器的天然气通道被热流股复热至常温，作为外输天然气；在脱甲烷塔顶部得到的富co气进入主冷凝蒸发器，冷凝后进入脱甲烷塔回流罐，液体回流至脱甲烷塔顶部，气体送到脱氩塔的中部，进行第三次精馏。

51、s4、经过脱氩塔进一步精馏脱氩气和氧气，在其底部得到的富氩液体经液位调节阀m节流后并入富氮气i通道入口管线；在其顶部得到的贫氩气进入贫氩气通道被冷却并部分冷凝，进入脱氩塔回流罐进行气液分离，分离的液相全部回流至脱氩塔，分离的气相(其ar含量≤50ppm)送到脱氮塔的中部，进行第四次精馏。脱氩塔的底部设有脱氩塔再沸器，为脱氩塔提供上升的蒸发气，脱氩塔顶部设置脱氩塔冷凝器和脱氩塔回流罐，为脱氩塔提供塔顶回流液。

52、s5、来自脱氩塔回流罐分离的气相经过脱氮塔的进一步精馏脱氮气，在脱氮塔顶部得到的富氮气(组分为co、n2和少量h2)返回主换热器的富氮气i通道被热流股复热至常温后以0.2mpa、31℃的条件出冷箱作为外输富氮气；在脱氮塔底部得到的co液体为脱甲烷塔顶部气体冷却提供冷源，co液体被加热后为脱氮塔提供上升的蒸发气，co液体经液位调节阀o节流至0.12mpa进入脱氮塔冷凝器的一氧化碳ii通道提供冷源，然后返回主换热器的一氧化碳i通道中被热流股(主要是高压氮气和净化的原料气)复热至常温后出冷箱。脱氮塔顶部设有脱氮塔冷凝器和脱氮塔回流罐，为脱氮塔提供塔顶回流液。

53、s6、该工艺还设置了高纯甲烷塔和高纯一氧化碳塔，用于生产纯度≥99.999％的高纯甲烷和高纯co。来自脱甲烷塔中部的富甲烷气(其组分是ch4、n2、co和ar的氩气)通过流量调节阀z调节后进入高纯甲烷塔中部，高纯甲烷塔底部设有高纯甲烷塔再沸器，为高纯甲烷塔提供上升的蒸发气，将其底部液体lng中的co、n2和ar进行精馏，得到纯度≥99.999％的高纯甲烷液体，经液位调节阀p节调节后，被送入主换热器的高纯电子级甲烷通道被热流股(主要是高压氮气和原料气)复热至常温，作为外输高纯电子级5n甲烷；在高纯甲烷塔顶部设有高纯甲烷塔冷凝器，液氮作为高纯甲烷塔冷凝器冷源，为高纯甲烷塔提供冷凝回流液，通过以上精馏，在高纯甲烷塔顶部得到含有n2、co和ar的富甲烷气，再通过压力调节阀v调节后，也被送入主换热器的天然气通道被热流股(主要是高压氮气和净化的原料气)复热至常温，作为外输天然气。来自脱氮塔顶部得到的富氮气(组分为co、n2和少量h2)通过流量调节阀a1取一部分进入高纯一氧化碳塔中部进一步进行精馏，高纯一氧化碳塔底部设有高纯一氧化碳塔再沸器，为高纯一氧化碳塔提供上升的蒸发气，将其底部液体co中的n2和h2进行精馏，得到纯度≥99.999％的高纯co液体，经液位调节阀q调节后，被送入主换热器的高纯电子级co通道被热流股(主要是高压氮气和原料气)复热至常温，作为外输高纯电子级5n的co。在高纯一氧化碳塔顶部设有高纯一氧化碳塔冷凝器，液氮作为高纯一氧化碳塔冷凝器冷源，为高纯一氧化碳塔提供冷凝回流液，通过以上精馏，在高纯一氧化碳塔顶部得到含有h2和co的富氮气，再通过压力调节阀w调节后，也被送入主换热器的富氮气i通道被热流股(主要是高压氮气和净化的原料气)复热至常温，作为富氮气。

54、s7、原料气的深冷分离是由氮气压缩机提供洗涤液和冷量。氮气经由氮气压缩机系统被压缩至2.8mpa并冷却到约40℃后进入主换热器的高压氮气通道，被返流的低温气冷却、冷凝并过冷至-180℃后分为四路：第一路经流量调节阀y节流后送入液氮洗涤塔的顶部，洗涤并冷凝富氢气中的co组分；第二路经温度调节阀d、温度调节阀e和温度调节阀g节流后分别进入脱氩塔冷凝器、脱氮塔冷凝器和高纯甲烷塔冷凝器提供冷量后被汽化，低压氮气出各塔顶冷凝器；第三路液氮经温度调节阀b节流后与各塔顶冷凝器出来的低压氮气汇合，低压氮气返回主换热器的低压氮气i通道被热流股(主要是高压氮气和原料气)复热至常温后出冷箱，返回到氮气压缩机系统的二级入口；第四路液氮经温度调节阀j节流后进高纯一氧化碳塔冷凝器提供冷量后被汽化成低低压氮气，低低氮气返回主换热器的低低压氮气通道被热流股复热至常温后出冷箱，返回到氮气压缩机系统的一级入口，再次压缩而循环制冷。

55、基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

56、(1)本发明提供了一种同时制备高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷的装置,克服了电子级一氧化碳和甲烷制备难，能耗高等缺点；采用液氮洗涤塔洗涤脱除原料气中的甲烷、乙烷、丙烷和一氧化碳等杂质制取合成氨原料气，并通过脱甲烷塔、脱氩塔、高纯一氧化碳塔和高纯甲烷塔精馏生产高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷，为工厂增加效益，减少了尾气的排放。

57、(2)本发明提供的采用氮气循环为原料气深冷分离冷量，流程简单、适应性强、操作运行比较容易，且功耗相对较低等优点。工艺流程短、原料气利用率高，能适应不同的负荷工况，设备投资较低，本工艺一个冷箱包括了低温液氮洗设备和深冷液化分离设备，可以在生产高纯度电子级5n一氧化碳和甲烷的同时，也采用液氮洗为合成氨提供原料气。此外，该装置还具有维护方便、工作可靠、安全可靠、实用性广等优点。