一种一氧化碳原料气的靶向净化系统的制作方法

1.本技术涉及一氧化碳原料气净化领域，尤其涉及一种一氧化碳原料气的靶向净化系统。


背景技术：

2.同位素碳13即
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c在农业、有机化学、药理学和医学等领域的应用越来越广泛，在这些领域中作为示踪原子使用，尤其随着
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c尿素呼气试验大规模应用于医学临床诊断，
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c的需求越来越大。
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c的生产方法有气体扩散法、热扩散法、化学交换法、激光法和一氧化碳(co)低温精馏法，目前，实现工业应用的只有一氧化碳低温精馏法。一氧化碳低温精馏法是原料一氧化碳气体经过多级精馏获得
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c高丰度的一氧化碳气体。在一氧化碳低温精馏方法中，低温精馏装置是在70k～80k的工作温度进行的，因此对原料一氧化碳气体的纯度要求特别高，否则一氧化碳气体中的杂质在低温精馏装置中会堵塞管道、影响分离效率，严重时会导致低温精馏装置失效。用于一氧化碳(co)低温精馏法的一氧化碳通过一氧化碳原料气净化后得到。
3.一氧化碳原料气的来源比较广泛，一氧化碳原料气中的杂质主要有二氧化碳(co2)、水(h2o)、氧气(o2)、氮气(n2)和氢气(h2)，因为一氧化碳原料气来源广泛，就导致原料气中一氧化碳的纯度有所差别，并且杂质组分及杂质含量差别较大，这对一氧化碳原料气的净化工艺带来了极大的挑战。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术期望提供一种一氧化碳原料气的靶向净化系统，能够适用于杂质组分和/或杂质含量具有差别的一氧化碳原料气。
5.为了达到上述目的，本技术提供一氧化碳原料气的靶向净化系统，所述靶向净化系统包括诊断单元、吸附单元和精馏单元，所述诊断单元包括控制器和检测器，所述检测器用于检测一氧化碳原料气中杂质组分和杂质含量，所述控制器根据所述杂质组分和所述杂质含量启动所述吸附单元和所述精馏单元中的至少一个用于分离所述杂质组分。
6.一些实施例中，所述吸附单元包括多个吸附模块，所述精馏单元包括多个精馏模块，所述控制器根据所述杂质组分和所述杂质含量启动多个所述吸附模块和多个所述精馏模块中的至少一个。
7.一些实施例中，至少两个所述吸附模块的吸附温度不同。
8.一些实施例中，至少一个所述吸附模块采用常温吸附，至少一个所述吸附模块采用低温吸附。
9.一些实施例中，至少两个所述精馏模块的精馏温度不同。
10.一些实施例中，至少两个所述精馏模块的填料不同。
11.一些实施例中，至少两个所述吸附模块的吸附剂不同。
12.一些实施例中，所述诊断单元包括关系模块，所述关系模块包括映射关系表，所述
映射关系表具有吸附剂类型、杂质组分和吸附性能之间的映射关系，所述控制器能够根据杂质组合和杂质含量查询所述映射关系表，以启动多个所述吸附模块中的至少一个。
13.一些实施例中，所述靶向净化系统包括多个撬装集装箱，各个所述吸附模块和各个所述精馏模块分别装配于多个所述撬装集装箱中。
14.一些实施例中，所述一氧化碳原料气从焦炉气、重整气或人工煤气中提取。
15.本技术实施例的靶向净化系统，能够适用于杂质组分和/或杂质含量具有差别的一氧化碳原料气，在生产过程中，一氧化碳原料气的杂质组分的类别和/或杂质含量变化较大，即一氧化碳原料气的纯度发生变化，检测器可以检测杂质组分和/或杂质含量的变化，控制器可以根据杂质组分和杂质含量选择采用单吸附、单精馏或者吸附结合精馏的方式净化一氧化碳原料气，针对一氧化碳原料气的纯度变化靶向性地调节相应的净化方式，具有较强的一氧化碳原料气的纯度自适应性，保证一氧化碳原料气的净化效果，通过控制器实现在线自动切换净化工艺功能和/或无人值守功能，实现一氧化碳原料气的靶向净化。
附图说明
16.图1为本技术一实施例中一氧化碳原料气的靶向净化系统的结构示意图。
17.附图标记说明
18.诊断单元1；控制器11；检测器12；吸附单元2；吸附模块21；精馏单元3；精馏模块31；第一管路4；第二管路5。
具体实施方式
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本技术宗旨的解释说明，不应视为对本技术的不当限制。
20.下面结合附图及具体实施例对本技术再做进一步详细的说明。本技术实施例中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含地包括至少一个特征。在本技术实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
21.请参阅图1，本技术实施例提供一种一氧化碳原料气的靶向净化系统，靶向净化系统包括诊断单元1、吸附单元2和精馏单元3，诊断单元1包括控制器11和检测器12，检测器12用于检测一氧化碳原料气中杂质组分和杂质含量，控制器11根据杂质组分和杂质含量启动吸附单元2和精馏单元3中的至少一个用于分离杂质组分。也就是说，沿一氧化碳原料气的流动方向，诊断单元1位于吸附单元2和精馏单元3的上游。这样，一氧化碳原料气先经过诊断单元1诊断后再进行吸附和/或精馏分离。
22.吸附单元2通过吸附剂的吸附作用将杂质组分吸收至吸附剂的表面。
23.精馏单元3利用杂质组分的沸点和一氧化碳气体的沸点不同将杂质组分和一氧化碳气体分离开来。
24.杂质含量是指杂质组分在一氧化碳原料气中的占比。
25.一实施例中，一氧化碳原料气从焦炉气、重整气或人工煤气中提取。焦炉气是几种烟媒在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的混合气。重整气
是对高热值天然炼油气进行热解和蒸汽分解后产生的混合气。人工煤气由煤、焦炭等固体燃料或重油等液体燃料经干馏、汽化或裂解等过程所制得的混合气。由于一氧化碳原料气从焦炉气、重整气或人工煤气中提取，不同来源的一氧化碳原料气中的杂质组分和/或杂质含量不同。靶向净化系统可以用于不同来源的一氧化碳原料气的靶向净化(modular targeted purification，mtp)。
26.一实施例中，杂质组分包括二氧化碳、水、氧气、氮气、甲烷和氢气中的一种或几种。
27.由于一氧化碳原料气的来源不同，一氧化碳原料气中杂质组分和/或杂质组分对应的杂质含量不同，例如，二氧化碳、水、氧气、氮气和/或氢气的含量不同，这样就会影响一氧化碳原料气的净化工艺。示例性的，在杂质组分的类别较少且杂质含量较低的情况下，可以采用单吸附或者单精馏以分离杂质组分，这样，可以节约净化时长和成本。在杂质组分的类别较多和/或杂质含量较高的情况下，可以采用吸附结合精馏的方式，这样可以更彻底更高效地净化一氧化碳原料气，兼顾成本和效率。
28.本技术实施例的靶向净化系统，能够适用于杂质组分和/或杂质含量具有差别的一氧化碳原料气，在生产过程中，一氧化碳原料气的杂质组分的类别和/或杂质含量变化较大，即一氧化碳原料气的纯度发生变化，检测器12可以检测杂质组分和/或杂质含量的变化，控制器11可以根据杂质组分和杂质含量选择采用单吸附、单精馏或者吸附结合精馏的方式净化一氧化碳原料气，针对一氧化碳原料气的纯度变化靶向性地调节相应的净化方式，具有较强的一氧化碳原料气的纯度自适应性，保证一氧化碳原料气的净化效果，通过控制器11实现在线自动切换净化工艺功能和/或无人值守功能，实现一氧化碳原料气的靶向净化。
29.可以理解的是，靶向净化系统产出的目标气体可以为高纯一氧化碳，高纯一氧化碳中一氧化碳的含量高于一氧化碳原料气中一氧化碳的含量。示例性的，高纯一氧化碳中一氧化碳的含量可以大于或等于99.999％。高纯一氧化碳中二氧化碳、水、氧气、氮气和氢气的含量均低于1ppm(part per million，百万分比)。
30.需要说明的是，单吸附是指只有吸附而没有精馏，即mtp-a模式(a:adsorption，吸附分离模式)。单精馏是指只有精馏而没有吸附，即mtp-d模式(d:distillation，精馏分离模式)。吸附结合精馏是指既有吸附又有精馏，即mtp-ad模式(ad：adsorption&distillation，吸附和精馏组合模式)。
31.吸附是流体例如一氧化碳原料气与吸附剂接触时，流体中的一种或多种组分富集至吸附剂上。精馏是利用混合物例如一氧化碳原料气中各组分沸点不同而将各个组分分离。
32.一实施例中，请参阅图1，吸附单元2包括多个吸附模块21，精馏单元3包括多个精馏模块31，控制器11根据杂质组分和杂质含量启动多个吸附模块21和多个精馏模块31中的至少一个。例如，控制器11可以启动一个或多个吸附模块21用于分离杂质组分，这样，通过一级或多级单吸附净化一氧化碳原料气。又例如，控制器11可以启动一个或多个精馏模块31用于分离杂质组分，这样，通过一级或多级单精馏净化一氧化碳原料气。再例如，控制器11可以启动一个或多个吸附模块21，并且启动一个或多个精馏模块31。这样，通过一级或多级吸附结合精馏净化一氧化碳原料气。如此设计，控制器11能够实现更多净化组合，提供更
多净化方案，增多靶向净化的选择性，以适应来源更加复杂的一氧化碳原料气。针对特定的杂质组分，可以针对性地选择特定的多级吸附和/或多级精馏，实现特定的杂质组分的高效净化，具有更高的分离净化效果，可以有效提升一氧化碳原料气净化技术的工程经济性。
33.一些实施例中，一氧化碳原料气的流动可以通过压差和/或重力等不依靠外部驱动源的方式实现非能动输运。当然，一氧化碳原料气的流动也可以通过驱动源驱动实现能动输运。
34.示例性的，一实施例中，请参阅图1，靶向净化系统包括第一管路4和第一开关阀，每个第一管路4均设置有第一开关阀。第一开关阀能够打开或关闭其所在的第一管路4。多个吸附模块21中的任意两个通过第一管路4连通，多个精馏模块31中的任意两个通过第一管路4连通。这样，多个吸附模块21中的任意两个通过第一管路4实现串联，也就是说，只要打开相应的第一开关阀，气体能够在多个吸附模块21中的任意两个之间流动。多个精馏模块31中的任意两个通过第一管路4实现串联，也就是说，只要打开相应的第一开关阀，气体能够在多个精馏模块31中的任意两个之间流动。这样，一氧化碳原料气能够经历一级、两级或更多级的吸附，或者，一氧化碳原料气能够经历一级、两级或更多级的精馏。
35.第一开关阀包括但不限于电磁阀或气动阀门等等。以电磁阀为例，第一开关阀可以与控制器11电连接，控制器11控制第一开关阀导通或截止第一管路4。以气动阀门为例，第一开关阀可以与空气压缩机连接，空气压缩机与控制器11电连接。控制器11控制空气压缩机，通过空气压缩机压缩空气以驱动第一开关阀导通或截止第一管路4。
36.一实施例中，请参阅图1，靶向净化系统包括第二管路5和第二开关阀，每个第二管路5均设置有第二开关阀。第二开关阀能够打开或关闭其所在的第二管路5。每个吸附模块21与至少一个精馏模块31通过第二管路5连通。这样，每个吸附模块21与至少一个精馏模块31通过第二管路5实现串联，也就是说，只要打开相应的第二开关阀，气体能够从一个吸附模块21流向至少一个精馏模块31。这样，一氧化碳原料气能够经历至少一级的吸附并且经历至少一级精馏。
37.第二开关阀包括但不限于电磁阀或气动阀门等等。以电磁阀为例，第二开关阀可以与控制器11电连接，控制器11控制第二开关阀导通或截止第二管路5。以气动阀门为例，第二开关阀可以与空气压缩机连接，空气压缩机与控制器11电连接。控制器11控制空气压缩机，通过空气压缩机压缩空气以驱动第二开关阀导通或截止第二管路5。
38.一实施例中，至少两个吸附模块21的吸附温度不同。这样，可以实现不同温度下的吸附，以适应不同的杂质组分，实现多样化深度吸附。
39.一实施例中，至少一个吸附模块21采用常温吸附，至少一个吸附模块21采用低温吸附。可以理解的是，常温吸附的温度高于低温吸附的温度。常温吸附是指吸附过程中的温度可以在0℃-50℃之间。低温吸附是指吸附过程中温度可以低于0℃。常温吸附能够脱除一氧化碳原料气中大量的二氧化碳和水，低温吸附不仅能够深度脱除一氧化碳原料气中的二氧化碳和水，还能够脱除一氧化碳原料气中的氩气和有机气体例如甲烷等微量杂质。这样，在不同温度下对一氧化碳原料气进行吸附，使得二氧化碳的含量和水的含量均低于0.1ppm。
40.一实施例中，至少两个精馏模块31的精馏温度不同。不同的精馏温度以分离不同的杂质组分。这样，可以实现不同杂质组分的精准分离。
41.示例性的，一实施例中，多个精馏模块31中的至少一个用于重组分精馏。多个精馏模块31中的至少一个用于轻组分精馏。重组分的沸点高于轻组分的沸点。例如，氧气的沸点高于氮气的沸点和氢气的沸点，可以利用用于重组分精馏的精馏模块31分离氧气，利用轻组分精馏的精馏模块31分离氮气和氢气。利用各种组分的沸点不同，将氧气、氮气和氢气从一氧化碳原料气中分离出来。
42.示例性的，一些实施例中，可以先启动用于常温吸附的吸附模块21，再启动用于低温吸附的吸附模块21，接着启动用于重组分精馏的精馏模块31，最后启动用于轻组分精馏的精馏模块31，精馏模块31排出高纯一氧化碳。也就是说，一氧化碳原料气可以先经过常温吸附，再经过低温吸附，通过吸附脱除二氧化碳和水。接着经过重组分精馏脱除氧气，通过轻组分精馏脱除氮气和氢气。由于低温吸附的温度低于常温吸附的温度，低温吸附过程中，二氧化碳、水和其他微量杂质气体等沸点相对较低的物质容易液化，将低温吸附设置于常温吸附的下游，不仅能够避免液化的各种组分影响下游管道和/或设备，便于深度净化一氧化碳原料气，而且经过低温吸附的吸附后气体的温度较低，更接近精馏的工作温度，有利于吸附后的气体进入精馏模块31中，适应精馏模块31的工作温度。
43.一实施例中，至少两个精馏模块31的填料不同。不同的填料具有不同的特性，以便适用不同的杂质组分和杂质含量。例如，可以通过不同填料深度脱除难脱除的杂质组分，实现一氧化碳原料气的深度净化。
44.填料的类型不限，示例性的，填料包括但不限于规整填料或散堆填料。散堆填料包括但不限于狄克松填料、三角螺旋填料或压延环填料等。
45.填料的尺寸可以依据一氧化碳原料气的净化规模确定。
46.填料的材质包括但不限于不锈钢材质。
47.一些实施例中，填料可以进行表面处理。表面处理能够提高填料的分离效果。
48.一实施例中，至少两个吸附模块21的吸附剂不同。不同的吸附剂具有不同的特性，通过不同的吸附剂以便适用不同的杂质组分和杂质含量等等，实现深度净化。
49.一些实施例中，吸附可以为物理吸附，即流体中的一种或多种组分通过弱范德华力吸附至吸附剂的表面。
50.吸附剂可以为多孔材料，多孔材料具有较大的表面积，吸附效果更好。示例性的，吸附剂包括但不限于活性炭或分子筛等等。
51.示例性的，活性炭包括但不限于椰壳活性炭。
52.示例性的，分子筛包括但不限于4a分子筛或5a分子筛等等。
53.吸附剂可以通过解吸附实现吸附剂的再生。也就是说，吸附剂通过吸附和解吸附两者的可逆作用来实现循环使用。吸附剂再生的方式不限，示例性的，吸附剂可以通过升温、抽真空和冲入再生气体中的一种或几种方式实现吸附剂的再生功能。再生气体包括但不限于高纯一氧化碳、氮气或者惰性气体等。惰性气体可以为氦气等。
54.一些实施例中，靶向净化系统包括温度调节装置，每个吸附模块21和每个精馏模块31均设置有温度调节装置。可以通过温度调节装置调节吸附模块21吸附时的温度和/或吸附剂的再生。也可以通过温度调节装置调节精馏模块31精馏时的工作温度。
55.温度调节装置可以通过冷媒热交换的方式调节温度。冷媒的类型包括但不限于液氮或乙烯。可以通过不同类型的冷媒提供不同的温度。
56.一实施例中，请参阅图1，诊断单元1包括关系模块13，关系模块13包括映射关系表，映射关系表具有吸附剂类型、杂质组分和吸附性能之间的映射关系，控制器11能够根据杂质组合和杂质含量查询映射关系表，以启动多个吸附模块21中的至少一个。吸附性能可以由吸附剂对杂质组分的吸附量进行表征。也就是说，控制器11可以根据杂质组分和杂质含量从映射关系表中查询到适用的吸附剂类型，从而选择适配的吸附模块21。
57.吸附模块21的具体结构不限，吸附模块21可以是吸附器。精馏模块31的具体结构不限，吸附模块21可以为精馏塔。可以理解的是，本技术中未载明吸附器和精馏塔的具体结构可以以现有技术中的结构予以理解。
58.一实施例中，靶向净化系统包括多个撬装集装箱，各个吸附模块21和各个精馏模块31分别装配于多个撬装集装箱中。如此，便于根据一氧化碳原料气中杂质组分和杂质含量的具体情况，进行吸附模块21和精馏模块31之间的组合。
59.为便于更清楚地展示本技术实施例提供的靶向净化系统，以下示例性的展示本技术的几个具体实施例：
60.示例一
61.一氧化碳原料气的纯度约为99.9％，经检测器12检测得到杂质组分和杂质含量包括二氧化碳：12ppm、水：1.5ppm、氮气：15ppm、氢气:0.8ppm。一氧化碳原料气的流量为2.0m3/h(立方米每小时)，目标气体即超纯一氧化碳的目标值为：氮气小于1ppm，二氧化碳、水和氢气均小于0.1ppm。控制器11根据检测器12的检测结果即杂质组分和杂质含量首先确定采用活性炭常温吸附+分子筛低温吸附+低温精馏除氧气+低温精馏除氢气的模块化靶向净化方案(即mtp-ad模式)：活性炭选择椰壳活性炭，分子筛选择4a分子筛，低温精馏填装4.0mm狄克松网环散堆填料，冷媒介质选择液氮。依据给定的净化方案，控制器11实现相应的吸附模块21和精馏模块31进行运行前准备，主要包括活性炭和分子筛活化、吹扫、真空检查、温度调节装置的启动等准备程序。控制器11依次启动采用活性炭常温吸附的吸附模块21、采用分子筛低温吸附的吸附模块21、采用低温精馏除氧气的精馏模块31和采用低温精馏除氢气的精馏模块31，上述各分离模块顺序启动，净化后获得超纯一氧化碳气体的纯度为99.999％，满足后续
13
c同位素低温精馏工艺的供料要求。
62.示例二
63.一氧化碳原料气的纯度约为98％，经检测器12检测得到杂质组分和杂质含量包括二氧化碳：100ppm、水100ppm、甲烷(ch4)：300ppm、氧气：30ppm、氢气:800ppm。一氧化碳原料气的流量为40.0m3/h(立方米每小时)，目标气体即超纯一氧化碳的目标值为：氧气小于1ppm，二氧化碳、水、甲烷和氢气均小于0.1ppm。控制器11根据检测器12的检测结果即杂质组分和杂质含量首先确定采用活性炭常温吸附+低温精馏除氢气+低温精馏除甲烷和氧气的模块化靶向净化方案(即mtp-ad模式)：活性炭选择椰壳活性炭，由于一氧化碳原料气的气体流量较大，低温精馏填装规整填料，冷媒介质选择液氮。依据给定的净化方案，控制器11实现相应的吸附模块21和精馏模块31进行运行前准备，主要包括活性炭活化、吹扫、真空检查、温度调节装置的启动等准备程序。控制器11依次启动采用活性炭常温吸附的吸附模块21、采用低温精馏除氢气的精馏模块31和采用低温精馏除甲烷和氧气的精馏模块31，上述各分离模块顺序启动，净化后获得超纯一氧化碳气体的纯度为99.999％，满足后续
13
c同位素低温精馏工艺的供料要求。
64.以上所述，仅为本技术的较佳实施例而已，并非用于限定本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本技术的保护范围之内。