一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳装置的制造方法
一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种气体分离的装置，尤其涉及一种通过深冷液化作用进行气体 分离的装置，具体地，涉及一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置。
【背景技术】
[0002] 随着我国大型化工领域的发展，以天然气、煤及其它碳氢化合物为原料进行水蒸 气重整催化转化或部分氧化所产生的合成气的总量也在剧增，这些合成气中除了含有未充 分转化的一氧化碳，还常常含有氢气、氮气、甲烧、氧气和二氧化碳等。由于合成气中多种多 样的杂质组分，往往限制了它的进一步使用，大数情况下，每天都有大量的混合气体只能白 白地燃烧放空，造成了资源的浪费和温室效应的加剧。
[0003] 事实上，高纯度的气体已经成为了重要的基础化学原料，尤其是一氧化碳和氢气， 已经被广泛地应用于羰基合成等化工过程，成为一系列基本有机化工产品和中间体的重要 原料。其中，一氧化碳的来源基本是通过对含有一定量〇)2、0)、!12、吧、014、02、!120等的气 体混合物，采用深冷分离方法，从而获得高纯度的C0,这种方法适用于大规模的工业生产， 而且可以更加有效地获得高纯度的C0。
[0004] 目前来看，深冷分离方法一般是通过将一定压力的合成气进行节流、膨胀，以产生 更低温度从而使合成气全部或部分液化，进而将H2、CH4、C0分离。其中，深冷分离法的核心 是利用合成气中各组分之间沸点的差异，通过精馏塔来实现气体混合物的分离。为了防止 混合气中杂质组分在低温下固化从而堵塞换热器和管道，需要原料气在进入冷箱前进行预 处理，脱除重烃、C02、H20和H2S等。
[0005] 中国专利CN104011488 A公开了一种通过低温蒸馏供应气态一氧化碳的方法和设 备，其中包括，首先对原料合成气进行冷却，然后在甲烷洗涤塔中脱除大部分氢气，并进入 汽提塔中进一步脱除氢气后进入脱甲烷塔的中部，然后在塔釜得到富甲烷，富甲烷经液体 泵加压后部分作为甲烷洗涤塔回流液，部分继续复热出装置作为燃料气，在脱甲烷塔顶部 得到富一氧化碳，富一氧化碳经复热出装置进入一氧化碳循环压缩机增压，产品一氧化碳 从循环压缩机中间级抽出。装置的冷量补充为循环压缩机出口的一氧化碳在换热器中冷却 从中部抽出进入膨胀机膨胀至低压返回换热器复热。
[0006] 在上述所述方法中，因低沸点的氮气随着一氧化碳一起富集到脱甲烷塔顶部，因 此该装置生产的一氧化碳中的氮气无法在该流程中解决，需要增加装置进一步脱除，且富 一氧化碳出装置的压力较低需要出冷箱后在循环压缩机中增压从中间级抽出。该发明的甲 烷洗涤塔不含再沸器，因此无法在一个塔中一次脱除，需要增加汽提塔，在汽提塔顶部排放 富氢气体，该气体无法作为产品气使用因此装置氢气提取率较低。
[0007] 另外，CN101568788B公开了一种通过低温蒸馏分离至少包含氢、氮和一氧化碳的 混合物的方法和设备，虽然取得了一定的分离效果，但是采用的设备没有进一步不完善，尤 其在开始用于主要分离氢气得到含有甲烷、一氧化碳和氮气混合物的Cl和C2中，需要设 置C2塔来脱除残余氢气，而一部分原料氢气又进入Cl塔底部，因而C2塔原料中含氢量> I. 5%在C2塔顶脱除，这部分粗氢不能作为氢气产品使用，降低了氢气回收率。 【实用新型内容】
[0008] 为了解决现有技术在分离提纯合成气中提出的方法和装置，在实际应用中的不 足，提供一种高效节能的从合成气中分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，本实用新型提 供了一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，首先是以含有H2、C0、N2、CH4、02等 的气体混合物的合成气为原料，并可以同时生产氢气和一氧化碳，辅助得到氮气和燃料气 的方法，概括来说就是采用脱氢塔Cl、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连续精馏制取氢气及高 纯一氧化碳，同时将氮气和燃料气也从合成气中分离出来，克服了传统方法的缺陷，节省了 设备投资，降低了能耗，提高了产品附加值，从而实现了循环经济效应。
[0009] 本实用新型的目的在于提供一种装置，以实现以下要求：
[0010] 提供一种针对杂质含量高的合成气进行分离的方法；
[0011] 得到一种可以作为原料或者中间体参与合成或研宄的高纯度H2，另一方面，所述 方法对于分离4具有高回收率；
[0012] 得到一种高纯度的CO ;
[0013] 辅助得到可以再次利用的氮气和燃料气；
[0014] 提供一种减少能量消耗并降低投资成本的方法。
[0015] 本实用新型的主题是一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的方法的装置，其 特征在于，所述装置包括：
[0016] 管路和阀门；分别设有塔顶冷凝蒸发器K1、K2、K3及塔釜再沸器B1、B2、B3的脱氢 塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3 ;所述脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3通过管 路串联连接，构成连续精馏设备；
[0017] 氮气循环回路上设置的循环压缩机CPl ;氮气循环回路以及一氧化碳出口管路、 氮气出口管路、燃料气出口管路、原料合成气进口管路、氢气出口管路处共同设置的主换热 器EHl ;通过管路与低压氮气管路和脱氧-甲烷塔C2的冷凝蒸发器K2的顶端相连接的透 平膨胀机TPl ;节流阀V1、V2、V3,其中，Vl设置在塔釜再沸器Bl与脱氢塔Cl的塔体相连接 的管路上，V2设置在塔釜再沸器Bl与脱氧-甲烷塔C2的塔体相连接的管路上，而V3则设 置在冷凝蒸发器K2与脱氮塔C3的塔体相连接的管路上；通过管路与冷凝蒸发器Kl相连接 的回流罐SPl ;以及通过管路与塔釜再沸器B3相连接的一氧化碳屏蔽泵BPl。
[0018] 其中，具体地，低压氮气220经过循环压缩机CPl增压并冷却至常温后，氮气201 进入主换热器EHl中冷却，其中，在主换热器EHl的中部抽出部分氮气202进入脱氧-甲烷 塔C2的塔釜再沸器B2中冷却，以使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精 馏，并使塔釜液体中的甲烷浓度提升、一氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气204再次进入 脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中冷却，以使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3 中精馏，并使塔釜液体中一氧化碳浓度提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产 品；冷却后的中压液氮205与在主换热器EHl中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后， 液氮207进入脱氧-甲烷塔C2的塔顶冷凝蒸发器K2中作为塔顶冷凝蒸发器K2的冷源，富 裕的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压后分别进入脱氢塔Cl的塔顶冷凝 蒸发器Kl和脱氮塔C3的塔顶冷凝蒸发器K3中，作为塔顶冷凝蒸发器Kl和K3的冷源；C2 塔冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208进入主换热器EHl中部分复热后从主换热器EHl的中 部抽出氮气209,进入氮气透平膨胀机TPl中膨胀产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气 210与塔顶冷凝蒸发器Kl及K3中蒸发的低压氮气218及217混合后的219,进入主换热器 EHl的低压氮气通道复热至常温得到氮气220后，进入循环压缩机CPl中循环使用。
[0019] 根据本实用新型的一种优选实施例，其中，所述一氧化碳液体经一氧化碳屏蔽泵 BPl增压是指加压至高于产品气所需输送压力。
[0020] 所述进入脱氧-甲烷塔C2的塔釜再沸器B2中的中压氮气与进入脱氮塔C3的塔 釜再沸器B3中的中压氮气为顺序串联连接，逐步冷却后经过节流减压与液氮203汇合。
[0021] 所述装置还包括脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2、脱氮塔C3，冷凝蒸发器KI、K2、K3，塔 釜再沸器BI、B2、B3,主换热器EHl，透平膨胀机TPl及一氧化碳屏蔽泵BPl之间相连的管路 和阀门。
[0022] 所述进入脱氧-甲烷塔的塔釜再沸器中的压力氮气202在进入脱氮塔的塔釜再沸 器B3前分出一股氮气与脱氮塔的塔釜再沸器B3冷却后的氮气混合，改变分出一股氮气的 流量来改变脱氮塔的塔釜再沸器B3的负荷。
[0023] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的一个 优选实施例，其中，具体地，所述装置的操作包括：
[0024] 步骤1 :将所述合成气冷却，然后送入脱氢塔Cl的塔釜再沸器Bl中再次冷却后， 经节流阀Vl减压进入脱氢塔Cl中精馏，其中，在塔顶得到的粗氢进入塔顶冷凝蒸发器Kl 与液氮换热，使得混于其中的大部分一氧化碳、氮气冷凝成为液体并回流至下塔顶部，而未 冷凝的氢气经主换热器EHl复热至常温作为产品输出；
[0025] 步骤2 :回流至脱氢塔Cl塔釜再沸器Bl 中的含有少量氢气（含氢<5XKT6(V/V)) 的合成气液体经节流阀V2减压后导入脱氧-甲烷塔C2中，其中，在塔顶得到的含微量氧及 基本不含甲烷的一氧化碳、氮气、微量氢的混合物，进入塔顶冷凝蒸发器K2中与液氮换热， 部分混合物冷凝成液体作为C2的回流液，部分气体混合物经节流阀V3导入脱氮塔C3中精 馏；塔釜中抽取部分分离出的富含甲烷（CH4 > 99. 9X 10_2 (V/V))的液体经主换热器Hll 复热后作为燃料气使用；
[0026] 步骤3 :经过V3阀节流后的混合气在脱氮塔C3中精馏，其中，塔釜再沸器B3中的 含有微量氧和氮气的一氧化碳液体经一氧化碳屏蔽泵BPl增压后导入主换热器EHl中复热 作为产品输出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入塔顶冷凝蒸发器K3中与液氮换热， 部分氮气混合物冷凝成液体作为C3的回流液，脱氮塔顶得到含H2< 5X 10 _6(V/V)、含CO < 5X10_6(V/V)的高纯氮气，进入主换热器EHl复热后作为氮气循环系统的氮气补充及系 统仪表气源使用。
[0027] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的另一 个优选实施例，其中：
[0028] 采用带压塔顶冷凝器及塔底再沸器的脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连 续精馏制取氢气及高纯一氧化碳；循环中压氮气来汽化脱氧-甲烷塔C2及脱氮塔C3中的 合成气，而冷却后的氮气被液化后经节流阀节流后进入冷凝蒸发器作为脱氢塔、甲烷塔及 脱氮塔的冷源；高纯度的液体一氧化碳从脱氮塔釜B3中得到，经过一氧化碳屏蔽泵BPl加 压至所需压力后汽化出主换热器EHl作为产品输出；从所述脱氢塔顶部制得的纯度93%以 上的氢气经主换热器EHl复热后出冷箱进入PSA氢气纯化装置净化；进入脱氧-甲烷塔C2 的塔釜再沸器B2中的中压氮气与进入脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中的中压氮气为顺序串 联连接逐步冷却后节流进入Cl，C2, C3塔的冷凝蒸发器Kl，K2, K2作为精馏塔Cl，C2, C3的 回流液的冷源，冷凝蒸发器K2蒸发出的带压氮气复热后进入透平膨胀机膨胀提供装置的 冷量。
[0029] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的另一 个优选实施例，其中：所述合成气为经过预处理后主要含有H2、C0、N2、CH4、O 2及少量其它气 体杂质的混合气；
[0030] 所述装置的原理包括：H2及低沸点杂质通过精馏从塔顶被分离得到，CH4、O 2及高 沸点杂质通过二次精馏从塔釜被分离得到，队及未被除去的高沸点杂质通过三次精馏从塔 顶被分离得到，CO通过三次精馏从塔釜被分离得到；
[0031] 其中，这一过程伴随的能量传递过程通过所述分离得到的队的循环回路的吸、放 热来实现。
[0032] 进一步地，关于所述合成气，所述预处理包括纯化、干燥及本领域技术人员已知 的其他预处理操作，主要用于脱除重烃、C02、H20和H2S等。
[0033] 所述CO被分离得到的纯度为98%以上，最高可达到99. 999%以上。
[0034] 所述H2被分离得到的纯度为93 %以上，并之后经主换热器EHl复热后出冷箱进入 PSA氢气纯化装置净化。
[0035] 本实用新型所述一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，由于采用了上 述技术方案，具有以下优点和有益效果：
[0036] 1、本实用新型采用过热的合成气在进入脱氢塔前在再沸器冷却并维持过热状态 后进入精馏塔中部，使塔釜中低沸点氢大部分被蒸发获得较高的氢气提取率，采用带塔顶 冷凝器及塔釜再沸器的三塔连续化生产能够同时生产氢气和一氧化碳，并得到氮气和燃料 气，生广能力大幅提尚；
[0037] 2、本实用新型采用氮气增压、脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器蒸发的压力氮气膨胀制取 冷量的循环系统；液氮作为精馏塔冷凝器冷源与一氧化碳循环比，可以获得较高的传热温 差，可以提高冷凝器蒸发压力，采用脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器蒸发的压力氮气膨胀制取冷 量维持装置冷量平衡，因此采用本实用新型氮气循环量比其他工艺装置低10-20% ;
[0038] 3、本实用新型中脱氢塔Cl从塔顶分离氢气等低沸点杂质，而脱氧-甲烷塔C2从 塔底分离CH4、O2等高沸点杂质，并通过脱氮塔C3的进一步分离，可以处理含有杂质多的混 合气，对所要处理的混合气的要求相对现有技术来说更低，应用范围广，适于大规模推广和 应用；
[0039] 4、本发明公开的设置带塔釜再沸器及塔顶冷凝器的Cl塔，氢气在Cl塔中基本 脱净，脱氢塔底部合成气中含氢< 5X KT6(V/V)，因而本发明氢气在Cl塔中提取率超过 99. 9% ；
[0040] 5、本发明的产品一氧化碳是从C3塔釜通过泵加压后直接在主换热器Hll中蒸发 复热后得到带压产品一氧化碳，采用氮气循环压缩机避免了一氧化碳压缩机运行安全的风 险。
【附图说明】
[0041] 图1为本实用新型实施例1对应的方法及装置示意图。
[0042] 其中：Cl脱氢塔；C2脱氧-甲烷塔；C3脱氮塔；KU K2、K3塔顶冷凝蒸发器；B1、 B2、B3塔釜再沸器；EHl主换热器；TPl透平膨胀机；BPl -氧化碳屏蔽泵；SPl回流罐；CPl 循环压缩机；VI、V2、V3节流阀；101、102、103、104合成气；105、106氢气；107、108脱氢后 的合成气；109、110为N2/C0为主的混合气；111、112富甲烷（燃料气）；113、114、115-氧 化碳；201、202、204 中压氮气、203、205 中压液氮、206、207、211、212、213压力液氮；208、209 压力氮气；214、215低压液氮；216、217、218、210、219、220低压氮气。
[0043] 其中：中压指压力多I. 6MPa，低压指压力低于0· IMPa，压力氮、带压氮气指压力介 于 0· IMPa-L 6MPa 间。
【具体实施方式】
[0044] 本实用新型提供了一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的方法的装置，其特 征在于，所述装置包括设有塔顶冷凝蒸发器KU K2、K3及塔釜再沸器Bl、B2、B3的脱氢塔 C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连续精馏设备；
[0045] 还包括为实现N2的循环回路及能量传递过程而设的循环压缩机CP1，主换热器 EHl，透平膨胀机TPl，节流阀VI、V2、V3,回流罐SPl及一氧化碳屏蔽泵BPl ;
[0046] 其中，具体地，低压氮气220经过循环压缩机CPl增压并冷却至常温后，氮气201 进入主换热器EHl中冷却，其中，在主换热器EHl的中部抽出部分氮气202进入脱氧-甲烷 塔C2的塔釜再沸器B2中冷却，以使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精 馏，并使塔釜液体中的甲烷浓度提升、一氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气204再次进入 脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中冷却，以使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3中 精馏，并使塔釜液体中一氧化碳浓度提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产品； 冷却后的中压液氮205与在主换热器EHl中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后，液 氮207进入脱氧-甲烷塔C2的塔顶冷凝蒸发器K2中作为塔顶冷凝蒸发器K2的冷源，富裕 的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压后分别进入脱氢塔Cl的塔顶冷凝蒸 发器Kl和脱氮塔C3的塔顶冷凝蒸发器K3中，作为塔顶冷凝蒸发器Kl和K3的冷源；C2塔 冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208进入主换热器Hll中部分复热后从主换热器EHl的中 部抽出氮气209,进入氮气透平膨胀机TPl中膨胀产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气 210与塔顶冷凝蒸发器Kl及K3中蒸发的低压氮气218及217混合后的219,进入主换热器 EHl的低压氮气通道复热至常温得到氮气220后，进入循环压缩机CPl中循环使用。
[0047] 所述装置的操作包括：
[0048] 步骤1 :将所述合成气冷却，然后送入脱氢塔Cl的塔釜再沸器Bl中再次冷却后， 经节流阀Vl减压进入脱氢塔Cl中精馏，其中，在塔顶得到的粗氢进入塔顶冷凝蒸发器Kl 与液氮换热，使得混于其中的大部分一氧化碳、氮气冷凝成为液体并回流至下塔顶部，而未 冷凝的氢气经主换热器EHl复热至常温作为产品输出；
[0049] 步骤2 :回流至脱氢塔Cl塔釜再沸器Bl中的含有少量氢气（含氢< 5 XKT6 (V/V) 的合成气液体经节流阀V2减压后导入脱氧-甲烷塔C2中，其中，在塔顶得到的含微量氧及 基本不 含甲烷的一氧化碳、氮气、微量氢的混合物，进入塔顶冷凝蒸发器K2中与液氮换热， 部分混合物冷凝成液体作为C2的回流液，部分气体混合物经节流阀V3导入脱氮塔C3中精 馏；塔釜中抽取部分分离出的富含甲烷（CH4 > 99. 9X 10_2(V/V))的液体经主换热器EHl复 热后作为燃料气使用；
[0050] 步骤3 :经过V3阀节流后的混合气在脱氮塔C3中精馏，其中，塔釜再沸器B3中的 含有微量氧和氮气的一氧化碳液体经一氧化碳屏蔽泵BPl增压后导入主换热器EHl中复热 作为产品输出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入塔顶冷凝蒸发器K3中与液氮换热， 部分氮气混合物冷凝成液体作为C3的回流液，脱氮塔顶得到含H2< 5X 10 _6(V/V)、含CO < 5X10_6(V/V)的高纯氮气，进入主换热器EHl复热后作为氮气循环系统的氮气补充及系 统仪表气源使用。
[0051] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的另一 个优选实施例，其中：
[0052] 采用带压塔顶冷凝器及塔底再沸器的脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连 续精馏制取氢气及高纯一氧化碳；循环中压氮气来汽化脱氧-甲烷塔C2及脱氮塔C3中的 合成气，而冷却后的氮气被液化后经节流阀节流后进入冷凝蒸发器作为脱氢塔、甲烷塔及 脱氮塔的冷源；高纯度的液体一氧化碳从脱氮塔釜B3中得到，经过一氧化碳屏蔽泵BPl加 压至所需压力后汽化出主换热器EHl作为产品输出；从所述脱氢塔顶部制得的纯度93% 以上的氢气经主换热器EHl复热后出冷箱进入PSA氢气纯化装置净化；进入脱氧-甲烷塔 C2的塔釜再沸器B2中的中压氮气与进入脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中的中压氮气为顺序 串联连接逐步冷却后节流进入Cl，C2, C3塔的冷凝蒸发器Kl，K2, K2作为精馏塔Cl，C2, C3 的回流液的冷源，冷凝蒸发器K2蒸发出的带压氮气复热后进入透平膨胀机膨胀提供装置 的冷量。
[0053] 根据图1本实用新型实施例1对应的方法及装置示意图所示，对本实用新型所述 合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的方法和装置作进一步解释和说明。
[0054] 实施例1
[0055] 中压（一般压力在2. 5-5MPa间）含比、〇)為、〇14、02及少量其它气体杂质的原料 合成气101在主换热器EHl中冷却至-100至-140°C，然后送入脱氢塔Cl的塔釜再沸器Bl 中冷却至稍高于再沸器釜液饱和温度后的气体103经节流阀Vl减压后进入脱氢塔Cl中精 馏，在塔顶得到（（~92% H2))的粗氢进入塔顶冷凝蒸发器Kl与液氮214换热，然后将大 部分的一氧化碳、氮气经塔顶冷凝蒸发器Kl冷凝成为液体，然后回流至下塔顶部，塔顶冷 凝蒸发器Kl中未冷凝的氢气105 (~93% H2)经主换热器EHl复热至常温作为产品106输 出；
[0056] 回流至脱氢塔Cl底部塔釜Bl中的含有少量氢气（< 0. 5 % H2)的合成气液体 107 (主要成分为一氧化碳、甲烷、氮）经节流阀V2减压至0. 15-0. 5MPa后得到气液状态流 体108导入脱氧-甲烷塔C2中精馏；在塔顶得到含微量氧及基本不含甲烷的一氧化碳、氮 气、微量氢的混合物进入塔顶冷凝蒸发器K2中与液氮换热，部分混合物冷凝成液体作为C2 的回流液，部分气体混合物109经节流阀V3导入脱氮塔C3中精馏；C2塔釜中抽取部分分 离出的富含甲烷的液体111经主换热器EHl复热后作为燃料气112使用；
[0057] 经过V3阀节流后的混合气110在脱氮塔C3 (压力在0· 06-0. 3MPa间）中精馏，底 部塔釜B3中的含有一氧化碳液体113 (纯度~98 % C0,最高可达99. 999 % CO以上）经一 氧化碳屏蔽泵BPl增压至0. 2-5MPa后液体114导入主换热器Hll中复热作为产品115输 出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入冷凝蒸发器Κ3中与液氮换热，部分氮气混合物 冷凝成液体作为C3的回流液，其余氮气116 (纯度~96 % Ν2)进入主换热器EHl复热后117 作为合成气净化装置的再生气源使用；
[0058] 低压氮气220 (压力~0· OlMPa)经过循环氮气压缩机CPl增压至2. 5_5MPa并冷 却至常温后（201)进入主换热器Hll中冷却在主换热器中部抽出部分中压氮气202(温 度~-KKTC至_130°C )进入脱氧-甲烷塔再沸器B2中冷却至稍高于C2塔釜液的温度后， 使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精馏，使塔釜液体中甲烷浓度提升、一 氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气（或液体）204再次进入脱氮塔再沸器B3中进一步冷 却，使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3中精馏，使塔釜液体中一氧化碳浓度 提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产品113 ;冷却后的中压液氮205与在主换 热器EHl中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后207进入脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器K2 中作为C2塔冷凝蒸发器的冷源，富裕的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压 后分别倒入Cl塔冷凝蒸发器Kl和C2塔冷凝蒸发器K3,作为Cl及C3塔冷凝蒸发器的冷 源；
[0059] C2塔冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208 (压力0· 08MPa_0. 5MPa)进入主换热器中 部分复热至-140°C至_165°C从换热器中部抽出209,进入氮气透平膨胀机TPl中膨胀至 0. 015MPa至0. 05MPa产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气210与冷凝蒸发器Kl及K3 中蒸发的低压氮气218, 217混合后219再进入主换热器低压氮气通道复热至常温220后进 入循环氮气压缩机CPl中循环使用。
[0060] 下表为实施例1的具体数据：
[0061]
[0063]
[0065] 本实用新型可实现低能耗地制取氢气、一氧化碳；可以制取98%以及99. 999%以 上的一氧化碳产品；在制取一氧化碳压力高于〇. 2MPa时能不需要设置一氧化碳压缩机从 而达到节能和节约投资、增强运行安全性的目的。
[0066] 以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新 型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行 的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范 围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。
【主权项】
1. 一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，其特征在于，所述装置包括：管 路和阀门；分别设有塔顶冷凝蒸发器KU K2、K3及塔釜再沸器Bl、B2、B3的脱氢塔C1、脱 氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3 ;所述脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3通过管路串联连 接，构成连续精馏设备； 氮气循环回路上设置的循环压缩机CPl ;氮气循环回路以及一氧化碳出口管路、氮气 出口管路、燃料气出口管路、原料合成气进口管路、氢气出口管路处共同设置的主换热器 EHl ;通过管路与低压氮气管路和脱氧-甲烷塔C2的冷凝蒸发器K2的顶端相连接的透平膨 胀机TPl ;节流阀V1、V2、V3,其中，Vl设置在塔釜再沸器Bl与脱氢塔Cl的塔体相连接的管 路上，V2设置在塔釜再沸器Bl与脱氧-甲烷塔C2的塔体相连接的管路上，而V3则设置在 冷凝蒸发器K2与脱氮塔C3的塔体相连接的管路上；通过管路与冷凝蒸发器Kl相连接的回 流罐SPl ;以及通过管路与塔釜再沸器B3相连接的一氧化碳屏蔽泵BPl。
【专利摘要】本实用新型提供了一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，其特征在于，所述装置包括：管路和阀门；分别设有塔顶冷凝蒸发器K1、K2、K3及塔釜再沸器B1、B2、B3的脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3；C1、C2、C3串联连接，构成连续精馏设备；还包括为实现N2的循环回路及能量传递过程而在氮气循环回路上设置的设的循环压缩机CP1，以及主换热器EH1，透平膨胀机TP1，节流阀V1、V2、V3，回流罐SP1及一氧化碳屏蔽泵BP1。本实用新型所述装置克服了传统方法的缺陷，节省了设备投资，降低了能耗，提高了产品附加值，实现了循环经济效应。
【IPC分类】C01B31/18, C01B3/50
【公开号】CN204702504
【申请号】CN201520019504
【发明人】周大荣
【申请人】上海启元空分技术发展股份有限公司
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年1月12日
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种气体分离的装置，尤其涉及一种通过深冷液化作用进行气体 分离的装置，具体地，涉及一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置。
【背景技术】
[0002] 随着我国大型化工领域的发展，以天然气、煤及其它碳氢化合物为原料进行水蒸 气重整催化转化或部分氧化所产生的合成气的总量也在剧增，这些合成气中除了含有未充 分转化的一氧化碳，还常常含有氢气、氮气、甲烧、氧气和二氧化碳等。由于合成气中多种多 样的杂质组分，往往限制了它的进一步使用，大数情况下，每天都有大量的混合气体只能白 白地燃烧放空，造成了资源的浪费和温室效应的加剧。
[0003] 事实上，高纯度的气体已经成为了重要的基础化学原料，尤其是一氧化碳和氢气， 已经被广泛地应用于羰基合成等化工过程，成为一系列基本有机化工产品和中间体的重要 原料。其中，一氧化碳的来源基本是通过对含有一定量〇)2、0)、!12、吧、014、02、!120等的气 体混合物，采用深冷分离方法，从而获得高纯度的C0,这种方法适用于大规模的工业生产， 而且可以更加有效地获得高纯度的C0。
[0004] 目前来看，深冷分离方法一般是通过将一定压力的合成气进行节流、膨胀，以产生 更低温度从而使合成气全部或部分液化，进而将H2、CH4、C0分离。其中，深冷分离法的核心 是利用合成气中各组分之间沸点的差异，通过精馏塔来实现气体混合物的分离。为了防止 混合气中杂质组分在低温下固化从而堵塞换热器和管道，需要原料气在进入冷箱前进行预 处理，脱除重烃、C02、H20和H2S等。
[0005] 中国专利CN104011488 A公开了一种通过低温蒸馏供应气态一氧化碳的方法和设 备，其中包括，首先对原料合成气进行冷却，然后在甲烷洗涤塔中脱除大部分氢气，并进入 汽提塔中进一步脱除氢气后进入脱甲烷塔的中部，然后在塔釜得到富甲烷，富甲烷经液体 泵加压后部分作为甲烷洗涤塔回流液，部分继续复热出装置作为燃料气，在脱甲烷塔顶部 得到富一氧化碳，富一氧化碳经复热出装置进入一氧化碳循环压缩机增压，产品一氧化碳 从循环压缩机中间级抽出。装置的冷量补充为循环压缩机出口的一氧化碳在换热器中冷却 从中部抽出进入膨胀机膨胀至低压返回换热器复热。
[0006] 在上述所述方法中，因低沸点的氮气随着一氧化碳一起富集到脱甲烷塔顶部，因 此该装置生产的一氧化碳中的氮气无法在该流程中解决，需要增加装置进一步脱除，且富 一氧化碳出装置的压力较低需要出冷箱后在循环压缩机中增压从中间级抽出。该发明的甲 烷洗涤塔不含再沸器，因此无法在一个塔中一次脱除，需要增加汽提塔，在汽提塔顶部排放 富氢气体，该气体无法作为产品气使用因此装置氢气提取率较低。
[0007] 另外，CN101568788B公开了一种通过低温蒸馏分离至少包含氢、氮和一氧化碳的 混合物的方法和设备，虽然取得了一定的分离效果，但是采用的设备没有进一步不完善，尤 其在开始用于主要分离氢气得到含有甲烷、一氧化碳和氮气混合物的Cl和C2中，需要设 置C2塔来脱除残余氢气，而一部分原料氢气又进入Cl塔底部，因而C2塔原料中含氢量> I. 5%在C2塔顶脱除，这部分粗氢不能作为氢气产品使用，降低了氢气回收率。 【实用新型内容】
[0008] 为了解决现有技术在分离提纯合成气中提出的方法和装置，在实际应用中的不 足，提供一种高效节能的从合成气中分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，本实用新型提 供了一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，首先是以含有H2、C0、N2、CH4、02等 的气体混合物的合成气为原料，并可以同时生产氢气和一氧化碳，辅助得到氮气和燃料气 的方法，概括来说就是采用脱氢塔Cl、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连续精馏制取氢气及高 纯一氧化碳，同时将氮气和燃料气也从合成气中分离出来，克服了传统方法的缺陷，节省了 设备投资，降低了能耗，提高了产品附加值，从而实现了循环经济效应。
[0009] 本实用新型的目的在于提供一种装置，以实现以下要求：
[0010] 提供一种针对杂质含量高的合成气进行分离的方法；
[0011] 得到一种可以作为原料或者中间体参与合成或研宄的高纯度H2，另一方面，所述 方法对于分离4具有高回收率；
[0012] 得到一种高纯度的CO ;
[0013] 辅助得到可以再次利用的氮气和燃料气；
[0014] 提供一种减少能量消耗并降低投资成本的方法。
[0015] 本实用新型的主题是一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的方法的装置，其 特征在于，所述装置包括：
[0016] 管路和阀门；分别设有塔顶冷凝蒸发器K1、K2、K3及塔釜再沸器B1、B2、B3的脱氢 塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3 ;所述脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3通过管 路串联连接，构成连续精馏设备；
[0017] 氮气循环回路上设置的循环压缩机CPl ;氮气循环回路以及一氧化碳出口管路、 氮气出口管路、燃料气出口管路、原料合成气进口管路、氢气出口管路处共同设置的主换热 器EHl ;通过管路与低压氮气管路和脱氧-甲烷塔C2的冷凝蒸发器K2的顶端相连接的透 平膨胀机TPl ;节流阀V1、V2、V3,其中，Vl设置在塔釜再沸器Bl与脱氢塔Cl的塔体相连接 的管路上，V2设置在塔釜再沸器Bl与脱氧-甲烷塔C2的塔体相连接的管路上，而V3则设 置在冷凝蒸发器K2与脱氮塔C3的塔体相连接的管路上；通过管路与冷凝蒸发器Kl相连接 的回流罐SPl ;以及通过管路与塔釜再沸器B3相连接的一氧化碳屏蔽泵BPl。
[0018] 其中，具体地，低压氮气220经过循环压缩机CPl增压并冷却至常温后，氮气201 进入主换热器EHl中冷却，其中，在主换热器EHl的中部抽出部分氮气202进入脱氧-甲烷 塔C2的塔釜再沸器B2中冷却，以使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精 馏，并使塔釜液体中的甲烷浓度提升、一氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气204再次进入 脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中冷却，以使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3 中精馏，并使塔釜液体中一氧化碳浓度提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产 品；冷却后的中压液氮205与在主换热器EHl中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后， 液氮207进入脱氧-甲烷塔C2的塔顶冷凝蒸发器K2中作为塔顶冷凝蒸发器K2的冷源，富 裕的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压后分别进入脱氢塔Cl的塔顶冷凝 蒸发器Kl和脱氮塔C3的塔顶冷凝蒸发器K3中，作为塔顶冷凝蒸发器Kl和K3的冷源；C2 塔冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208进入主换热器EHl中部分复热后从主换热器EHl的中 部抽出氮气209,进入氮气透平膨胀机TPl中膨胀产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气 210与塔顶冷凝蒸发器Kl及K3中蒸发的低压氮气218及217混合后的219,进入主换热器 EHl的低压氮气通道复热至常温得到氮气220后，进入循环压缩机CPl中循环使用。
[0019] 根据本实用新型的一种优选实施例，其中，所述一氧化碳液体经一氧化碳屏蔽泵 BPl增压是指加压至高于产品气所需输送压力。
[0020] 所述进入脱氧-甲烷塔C2的塔釜再沸器B2中的中压氮气与进入脱氮塔C3的塔 釜再沸器B3中的中压氮气为顺序串联连接，逐步冷却后经过节流减压与液氮203汇合。
[0021] 所述装置还包括脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2、脱氮塔C3，冷凝蒸发器KI、K2、K3，塔 釜再沸器BI、B2、B3,主换热器EHl，透平膨胀机TPl及一氧化碳屏蔽泵BPl之间相连的管路 和阀门。
[0022] 所述进入脱氧-甲烷塔的塔釜再沸器中的压力氮气202在进入脱氮塔的塔釜再沸 器B3前分出一股氮气与脱氮塔的塔釜再沸器B3冷却后的氮气混合，改变分出一股氮气的 流量来改变脱氮塔的塔釜再沸器B3的负荷。
[0023] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的一个 优选实施例，其中，具体地，所述装置的操作包括：
[0024] 步骤1 :将所述合成气冷却，然后送入脱氢塔Cl的塔釜再沸器Bl中再次冷却后， 经节流阀Vl减压进入脱氢塔Cl中精馏，其中，在塔顶得到的粗氢进入塔顶冷凝蒸发器Kl 与液氮换热，使得混于其中的大部分一氧化碳、氮气冷凝成为液体并回流至下塔顶部，而未 冷凝的氢气经主换热器EHl复热至常温作为产品输出；
[0025] 步骤2 :回流至脱氢塔Cl塔釜再沸器Bl 中的含有少量氢气（含氢<5XKT6(V/V)) 的合成气液体经节流阀V2减压后导入脱氧-甲烷塔C2中，其中，在塔顶得到的含微量氧及 基本不含甲烷的一氧化碳、氮气、微量氢的混合物，进入塔顶冷凝蒸发器K2中与液氮换热， 部分混合物冷凝成液体作为C2的回流液，部分气体混合物经节流阀V3导入脱氮塔C3中精 馏；塔釜中抽取部分分离出的富含甲烷（CH4 > 99. 9X 10_2 (V/V))的液体经主换热器Hll 复热后作为燃料气使用；
[0026] 步骤3 :经过V3阀节流后的混合气在脱氮塔C3中精馏，其中，塔釜再沸器B3中的 含有微量氧和氮气的一氧化碳液体经一氧化碳屏蔽泵BPl增压后导入主换热器EHl中复热 作为产品输出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入塔顶冷凝蒸发器K3中与液氮换热， 部分氮气混合物冷凝成液体作为C3的回流液，脱氮塔顶得到含H2< 5X 10 _6(V/V)、含CO < 5X10_6(V/V)的高纯氮气，进入主换热器EHl复热后作为氮气循环系统的氮气补充及系 统仪表气源使用。
[0027] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的另一 个优选实施例，其中：
[0028] 采用带压塔顶冷凝器及塔底再沸器的脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连 续精馏制取氢气及高纯一氧化碳；循环中压氮气来汽化脱氧-甲烷塔C2及脱氮塔C3中的 合成气，而冷却后的氮气被液化后经节流阀节流后进入冷凝蒸发器作为脱氢塔、甲烷塔及 脱氮塔的冷源；高纯度的液体一氧化碳从脱氮塔釜B3中得到，经过一氧化碳屏蔽泵BPl加 压至所需压力后汽化出主换热器EHl作为产品输出；从所述脱氢塔顶部制得的纯度93%以 上的氢气经主换热器EHl复热后出冷箱进入PSA氢气纯化装置净化；进入脱氧-甲烷塔C2 的塔釜再沸器B2中的中压氮气与进入脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中的中压氮气为顺序串 联连接逐步冷却后节流进入Cl，C2, C3塔的冷凝蒸发器Kl，K2, K2作为精馏塔Cl，C2, C3的 回流液的冷源，冷凝蒸发器K2蒸发出的带压氮气复热后进入透平膨胀机膨胀提供装置的 冷量。
[0029] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的另一 个优选实施例，其中：所述合成气为经过预处理后主要含有H2、C0、N2、CH4、O 2及少量其它气 体杂质的混合气；
[0030] 所述装置的原理包括：H2及低沸点杂质通过精馏从塔顶被分离得到，CH4、O 2及高 沸点杂质通过二次精馏从塔釜被分离得到，队及未被除去的高沸点杂质通过三次精馏从塔 顶被分离得到，CO通过三次精馏从塔釜被分离得到；
[0031] 其中，这一过程伴随的能量传递过程通过所述分离得到的队的循环回路的吸、放 热来实现。
[0032] 进一步地，关于所述合成气，所述预处理包括纯化、干燥及本领域技术人员已知 的其他预处理操作，主要用于脱除重烃、C02、H20和H2S等。
[0033] 所述CO被分离得到的纯度为98%以上，最高可达到99. 999%以上。
[0034] 所述H2被分离得到的纯度为93 %以上，并之后经主换热器EHl复热后出冷箱进入 PSA氢气纯化装置净化。
[0035] 本实用新型所述一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，由于采用了上 述技术方案，具有以下优点和有益效果：
[0036] 1、本实用新型采用过热的合成气在进入脱氢塔前在再沸器冷却并维持过热状态 后进入精馏塔中部，使塔釜中低沸点氢大部分被蒸发获得较高的氢气提取率，采用带塔顶 冷凝器及塔釜再沸器的三塔连续化生产能够同时生产氢气和一氧化碳，并得到氮气和燃料 气，生广能力大幅提尚；
[0037] 2、本实用新型采用氮气增压、脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器蒸发的压力氮气膨胀制取 冷量的循环系统；液氮作为精馏塔冷凝器冷源与一氧化碳循环比，可以获得较高的传热温 差，可以提高冷凝器蒸发压力，采用脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器蒸发的压力氮气膨胀制取冷 量维持装置冷量平衡，因此采用本实用新型氮气循环量比其他工艺装置低10-20% ;
[0038] 3、本实用新型中脱氢塔Cl从塔顶分离氢气等低沸点杂质，而脱氧-甲烷塔C2从 塔底分离CH4、O2等高沸点杂质，并通过脱氮塔C3的进一步分离，可以处理含有杂质多的混 合气，对所要处理的混合气的要求相对现有技术来说更低，应用范围广，适于大规模推广和 应用；
[0039] 4、本发明公开的设置带塔釜再沸器及塔顶冷凝器的Cl塔，氢气在Cl塔中基本 脱净，脱氢塔底部合成气中含氢< 5X KT6(V/V)，因而本发明氢气在Cl塔中提取率超过 99. 9% ；
[0040] 5、本发明的产品一氧化碳是从C3塔釜通过泵加压后直接在主换热器Hll中蒸发 复热后得到带压产品一氧化碳，采用氮气循环压缩机避免了一氧化碳压缩机运行安全的风 险。
【附图说明】
[0041] 图1为本实用新型实施例1对应的方法及装置示意图。
[0042] 其中：Cl脱氢塔；C2脱氧-甲烷塔；C3脱氮塔；KU K2、K3塔顶冷凝蒸发器；B1、 B2、B3塔釜再沸器；EHl主换热器；TPl透平膨胀机；BPl -氧化碳屏蔽泵；SPl回流罐；CPl 循环压缩机；VI、V2、V3节流阀；101、102、103、104合成气；105、106氢气；107、108脱氢后 的合成气；109、110为N2/C0为主的混合气；111、112富甲烷（燃料气）；113、114、115-氧 化碳；201、202、204 中压氮气、203、205 中压液氮、206、207、211、212、213压力液氮；208、209 压力氮气；214、215低压液氮；216、217、218、210、219、220低压氮气。
[0043] 其中：中压指压力多I. 6MPa，低压指压力低于0· IMPa，压力氮、带压氮气指压力介 于 0· IMPa-L 6MPa 间。
【具体实施方式】
[0044] 本实用新型提供了一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的方法的装置，其特 征在于，所述装置包括设有塔顶冷凝蒸发器KU K2、K3及塔釜再沸器Bl、B2、B3的脱氢塔 C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连续精馏设备；
[0045] 还包括为实现N2的循环回路及能量传递过程而设的循环压缩机CP1，主换热器 EHl，透平膨胀机TPl，节流阀VI、V2、V3,回流罐SPl及一氧化碳屏蔽泵BPl ;
[0046] 其中，具体地，低压氮气220经过循环压缩机CPl增压并冷却至常温后，氮气201 进入主换热器EHl中冷却，其中，在主换热器EHl的中部抽出部分氮气202进入脱氧-甲烷 塔C2的塔釜再沸器B2中冷却，以使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精 馏，并使塔釜液体中的甲烷浓度提升、一氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气204再次进入 脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中冷却，以使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3中 精馏，并使塔釜液体中一氧化碳浓度提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产品； 冷却后的中压液氮205与在主换热器EHl中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后，液 氮207进入脱氧-甲烷塔C2的塔顶冷凝蒸发器K2中作为塔顶冷凝蒸发器K2的冷源，富裕 的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压后分别进入脱氢塔Cl的塔顶冷凝蒸 发器Kl和脱氮塔C3的塔顶冷凝蒸发器K3中，作为塔顶冷凝蒸发器Kl和K3的冷源；C2塔 冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208进入主换热器Hll中部分复热后从主换热器EHl的中 部抽出氮气209,进入氮气透平膨胀机TPl中膨胀产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气 210与塔顶冷凝蒸发器Kl及K3中蒸发的低压氮气218及217混合后的219,进入主换热器 EHl的低压氮气通道复热至常温得到氮气220后，进入循环压缩机CPl中循环使用。
[0047] 所述装置的操作包括：
[0048] 步骤1 :将所述合成气冷却，然后送入脱氢塔Cl的塔釜再沸器Bl中再次冷却后， 经节流阀Vl减压进入脱氢塔Cl中精馏，其中，在塔顶得到的粗氢进入塔顶冷凝蒸发器Kl 与液氮换热，使得混于其中的大部分一氧化碳、氮气冷凝成为液体并回流至下塔顶部，而未 冷凝的氢气经主换热器EHl复热至常温作为产品输出；
[0049] 步骤2 :回流至脱氢塔Cl塔釜再沸器Bl中的含有少量氢气（含氢< 5 XKT6 (V/V) 的合成气液体经节流阀V2减压后导入脱氧-甲烷塔C2中，其中，在塔顶得到的含微量氧及 基本不 含甲烷的一氧化碳、氮气、微量氢的混合物，进入塔顶冷凝蒸发器K2中与液氮换热， 部分混合物冷凝成液体作为C2的回流液，部分气体混合物经节流阀V3导入脱氮塔C3中精 馏；塔釜中抽取部分分离出的富含甲烷（CH4 > 99. 9X 10_2(V/V))的液体经主换热器EHl复 热后作为燃料气使用；
[0050] 步骤3 :经过V3阀节流后的混合气在脱氮塔C3中精馏，其中，塔釜再沸器B3中的 含有微量氧和氮气的一氧化碳液体经一氧化碳屏蔽泵BPl增压后导入主换热器EHl中复热 作为产品输出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入塔顶冷凝蒸发器K3中与液氮换热， 部分氮气混合物冷凝成液体作为C3的回流液，脱氮塔顶得到含H2< 5X 10 _6(V/V)、含CO < 5X10_6(V/V)的高纯氮气，进入主换热器EHl复热后作为氮气循环系统的氮气补充及系 统仪表气源使用。
[0051] 根据本实用新型所述的一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置的另一 个优选实施例，其中：
[0052] 采用带压塔顶冷凝器及塔底再沸器的脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3连 续精馏制取氢气及高纯一氧化碳；循环中压氮气来汽化脱氧-甲烷塔C2及脱氮塔C3中的 合成气，而冷却后的氮气被液化后经节流阀节流后进入冷凝蒸发器作为脱氢塔、甲烷塔及 脱氮塔的冷源；高纯度的液体一氧化碳从脱氮塔釜B3中得到，经过一氧化碳屏蔽泵BPl加 压至所需压力后汽化出主换热器EHl作为产品输出；从所述脱氢塔顶部制得的纯度93% 以上的氢气经主换热器EHl复热后出冷箱进入PSA氢气纯化装置净化；进入脱氧-甲烷塔 C2的塔釜再沸器B2中的中压氮气与进入脱氮塔C3的塔釜再沸器B3中的中压氮气为顺序 串联连接逐步冷却后节流进入Cl，C2, C3塔的冷凝蒸发器Kl，K2, K2作为精馏塔Cl，C2, C3 的回流液的冷源，冷凝蒸发器K2蒸发出的带压氮气复热后进入透平膨胀机膨胀提供装置 的冷量。
[0053] 根据图1本实用新型实施例1对应的方法及装置示意图所示，对本实用新型所述 合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的方法和装置作进一步解释和说明。
[0054] 实施例1
[0055] 中压（一般压力在2. 5-5MPa间）含比、〇)為、〇14、02及少量其它气体杂质的原料 合成气101在主换热器EHl中冷却至-100至-140°C，然后送入脱氢塔Cl的塔釜再沸器Bl 中冷却至稍高于再沸器釜液饱和温度后的气体103经节流阀Vl减压后进入脱氢塔Cl中精 馏，在塔顶得到（（~92% H2))的粗氢进入塔顶冷凝蒸发器Kl与液氮214换热，然后将大 部分的一氧化碳、氮气经塔顶冷凝蒸发器Kl冷凝成为液体，然后回流至下塔顶部，塔顶冷 凝蒸发器Kl中未冷凝的氢气105 (~93% H2)经主换热器EHl复热至常温作为产品106输 出；
[0056] 回流至脱氢塔Cl底部塔釜Bl中的含有少量氢气（< 0. 5 % H2)的合成气液体 107 (主要成分为一氧化碳、甲烷、氮）经节流阀V2减压至0. 15-0. 5MPa后得到气液状态流 体108导入脱氧-甲烷塔C2中精馏；在塔顶得到含微量氧及基本不含甲烷的一氧化碳、氮 气、微量氢的混合物进入塔顶冷凝蒸发器K2中与液氮换热，部分混合物冷凝成液体作为C2 的回流液，部分气体混合物109经节流阀V3导入脱氮塔C3中精馏；C2塔釜中抽取部分分 离出的富含甲烷的液体111经主换热器EHl复热后作为燃料气112使用；
[0057] 经过V3阀节流后的混合气110在脱氮塔C3 (压力在0· 06-0. 3MPa间）中精馏，底 部塔釜B3中的含有一氧化碳液体113 (纯度~98 % C0,最高可达99. 999 % CO以上）经一 氧化碳屏蔽泵BPl增压至0. 2-5MPa后液体114导入主换热器Hll中复热作为产品115输 出；在塔顶得到含微量一氧化碳的氮气进入冷凝蒸发器Κ3中与液氮换热，部分氮气混合物 冷凝成液体作为C3的回流液，其余氮气116 (纯度~96 % Ν2)进入主换热器EHl复热后117 作为合成气净化装置的再生气源使用；
[0058] 低压氮气220 (压力~0· OlMPa)经过循环氮气压缩机CPl增压至2. 5_5MPa并冷 却至常温后（201)进入主换热器Hll中冷却在主换热器中部抽出部分中压氮气202(温 度~-KKTC至_130°C )进入脱氧-甲烷塔再沸器B2中冷却至稍高于C2塔釜液的温度后， 使脱氧-甲烷塔C2的塔釜中的液体部分蒸发在C2中精馏，使塔釜液体中甲烷浓度提升、一 氧化碳含量减少；冷却后的中压氮气（或液体）204再次进入脱氮塔再沸器B3中进一步冷 却，使脱氧-甲烷塔C3的塔釜中的液体部分蒸发在C3中精馏，使塔釜液体中一氧化碳浓度 提升、氮气含量减少来获得合格的一氧化碳液体产品113 ;冷却后的中压液氮205与在主换 热器EHl中冷端出来被液化并过冷的液氮203汇合后207进入脱氧-甲烷塔冷凝蒸发器K2 中作为C2塔冷凝蒸发器的冷源，富裕的液氮211分成二股212及213经节流阀节流至常压 后分别倒入Cl塔冷凝蒸发器Kl和C2塔冷凝蒸发器K3,作为Cl及C3塔冷凝蒸发器的冷 源；
[0059] C2塔冷凝蒸发器中蒸发的压力氮气208 (压力0· 08MPa_0. 5MPa)进入主换热器中 部分复热至-140°C至_165°C从换热器中部抽出209,进入氮气透平膨胀机TPl中膨胀至 0. 015MPa至0. 05MPa产生冷量补充装置的冷损，膨胀后的氮气210与冷凝蒸发器Kl及K3 中蒸发的低压氮气218, 217混合后219再进入主换热器低压氮气通道复热至常温220后进 入循环氮气压缩机CPl中循环使用。
[0060] 下表为实施例1的具体数据：
[0061]
[0063]
[0065] 本实用新型可实现低能耗地制取氢气、一氧化碳；可以制取98%以及99. 999%以 上的一氧化碳产品；在制取一氧化碳压力高于〇. 2MPa时能不需要设置一氧化碳压缩机从 而达到节能和节约投资、增强运行安全性的目的。
[0066] 以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新 型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行 的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范 围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。
【主权项】
1. 一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，其特征在于，所述装置包括：管 路和阀门；分别设有塔顶冷凝蒸发器KU K2、K3及塔釜再沸器Bl、B2、B3的脱氢塔C1、脱 氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3 ;所述脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3通过管路串联连 接，构成连续精馏设备； 氮气循环回路上设置的循环压缩机CPl ;氮气循环回路以及一氧化碳出口管路、氮气 出口管路、燃料气出口管路、原料合成气进口管路、氢气出口管路处共同设置的主换热器 EHl ;通过管路与低压氮气管路和脱氧-甲烷塔C2的冷凝蒸发器K2的顶端相连接的透平膨 胀机TPl ;节流阀V1、V2、V3,其中，Vl设置在塔釜再沸器Bl与脱氢塔Cl的塔体相连接的管 路上，V2设置在塔釜再沸器Bl与脱氧-甲烷塔C2的塔体相连接的管路上，而V3则设置在 冷凝蒸发器K2与脱氮塔C3的塔体相连接的管路上；通过管路与冷凝蒸发器Kl相连接的回 流罐SPl ;以及通过管路与塔釜再沸器B3相连接的一氧化碳屏蔽泵BPl。
【专利摘要】本实用新型提供了一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳的装置，其特征在于，所述装置包括：管路和阀门；分别设有塔顶冷凝蒸发器K1、K2、K3及塔釜再沸器B1、B2、B3的脱氢塔C1、脱氧-甲烷塔C2和脱氮塔C3；C1、C2、C3串联连接，构成连续精馏设备；还包括为实现N2的循环回路及能量传递过程而在氮气循环回路上设置的设的循环压缩机CP1，以及主换热器EH1，透平膨胀机TP1，节流阀V1、V2、V3，回流罐SP1及一氧化碳屏蔽泵BP1。本实用新型所述装置克服了传统方法的缺陷，节省了设备投资，降低了能耗，提高了产品附加值，实现了循环经济效应。
【IPC分类】C01B31/18, C01B3/50
【公开号】CN204702504
【申请号】CN201520019504
【发明人】周大荣
【申请人】上海启元空分技术发展股份有限公司
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年1月12日
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