本發(fā)明涉及利用分離技術(shù)處理主要或者僅含一氧化碳和氫氣的原料混合物的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

通常利用低溫分離方法從合成氣獲得高純度一氧化碳，一般通過碳或焦炭、天然氣和/或含烴原料的催化轉(zhuǎn)化、部分氧化、自熱重整和/或水蒸汽重整來制備所述合成氣。

ep0130284a2描述了從分離出諸如甲烷和氮氣的其他成分之后主要含有氫氣和一氧化碳的原料混合物獲得純凈一氧化碳的方法。將原料混合物壓縮，吸附去除所含的二氧化碳和水，及冷卻直至大部分一氧化碳冷凝。加熱及排出剩余的氣態(tài)餾份，并將冷凝的一氧化碳減壓，以使溶解于其中的氫氣析出。使得剩余的一氧化碳一部分蒸發(fā)，一部分作為產(chǎn)物排出。

所述類型的方法包括具有第一分離步驟和第二分離步驟的低溫分離過程。在第一分離步驟中冷凝出大部分一氧化碳，留下沒有冷凝的殘余物(通常稱作“粗氫氣”，在本申請中也稱作“第一”殘余氣體混合物)。在第二分離步驟中將冷凝的一氧化碳減壓，使得溶解的氫氣析出，從而形成另一種氣體混合物(通常稱作“閃蒸氣”，在本申請中也稱作“第二”殘余氣體混合物)。

在第一分離步驟中形成的第一殘余氣體混合物還含有大量的一氧化碳。在常見的方法中，將該第一殘余氣體混合物從該過程導(dǎo)出。因此損失了在第一殘余氣體混合物中所含的一氧化碳。在第二分離步驟中也有一定量的一氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。因此在第二殘余氣體混合物中也含有不少的量的一氧化碳。在第二殘余氣體混合物中一氧化碳的含量對應(yīng)于在此使用的汽提塔的塔頂處的平衡。在常見的方法中也將此類一氧化碳視作損失。所述一氧化碳損失總體上減少了相應(yīng)方法或相應(yīng)設(shè)備的一氧化碳產(chǎn)率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在此背景下，本發(fā)明的目的在于，給出利用分離技術(shù)處理主要或者僅含一氧化碳和氫氣的原料混合物的方法和設(shè)備，由此可以減少所述一氧化碳損失，從而總體上實現(xiàn)更高的一氧化碳產(chǎn)率。

該目的是通過利用分離技術(shù)處理主要或者僅含一氧化碳和氫氣的原料混合物的方法和設(shè)備實現(xiàn)的。

在解釋本發(fā)明的特征和優(yōu)點之前，解釋其依據(jù)和所用的概念。

關(guān)于制備合成氣的方法和裝置，尤其是關(guān)于部分氧化、自熱重整(atr)和水蒸汽重整(steammethanereforming，smr)，可以參閱有關(guān)的教科書文章，例如烏爾曼工業(yè)化學(xué)百科全書2006年12月15日在線版文章“gasproduction”，doi10.1002/14356007.a12_169.pub2。

本申請使用術(shù)語“壓力水平”和“溫度水平”來表征壓力和溫度，由此表達(dá)在相應(yīng)的設(shè)備中不必以精確的壓力值或溫度值的形式使用相應(yīng)的壓力和溫度，以實現(xiàn)本發(fā)明的方案。但是此類壓力和溫度通常在一定的范圍內(nèi)波動，例如圍繞中值波動±1％、5％、10％、20％或者甚至50％。在此，相應(yīng)的壓力水平和溫度水平可以在不連續(xù)的范圍內(nèi)或者在相互重疊的范圍內(nèi)。例如壓力水平尤其是包括不可避免的或預(yù)期的壓力損失，其例如由于冷卻效應(yīng)引起。相應(yīng)的也適用于溫度水平。在此以巴給出的壓力水平涉及絕對壓力。

在此所用的術(shù)語中，液態(tài)和氣態(tài)混合物可以富含或缺乏一種或多種成分，其中基于摩爾量、重量或體積，“富含”表示至少為50％、75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，“缺乏”表示最多為50％、25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量。術(shù)語“主要/大部分”可以對應(yīng)于“富含”的定義。在此所用的術(shù)語中，液態(tài)和氣態(tài)混合物還可以針對一種或多種成分富集或貧化，其中這些術(shù)語涉及從中獲得液態(tài)或氣態(tài)混合物的原料混合物中的相應(yīng)含量?；谠匣旌衔?，如果液態(tài)或氣態(tài)混合物含有至少為1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1,000倍含量的相應(yīng)成分，則是被“富集”的；如果含有最多為0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍含量的相應(yīng)成分，則是被“貧化”的。

在此所用的術(shù)語中，“低溫分離過程”是在-100℃以下、尤其是在-150至-200℃、例如大約-185℃的溫度水平分離流體的單級或多級熱過程。低溫分離過程可以包括使用布置在冷箱或冷腔中的熱交換器、冷凝容器、汽提塔和/或閥。

在此所用的術(shù)語中，“汽提塔”是一種分離塔，其用于從含有較難揮發(fā)的成分(在此是一氧化碳)的液態(tài)混合物除去較易揮發(fā)的成分(在此是氫氣)。為此通常使該混合物減壓進(jìn)入汽提塔中。關(guān)于汽提塔(stripper)和其他用于熱分離方法的裝置的設(shè)計，可以參閱有關(guān)的教科書(例如參見sattler，k.：thermischetrennverfahren：grundlagen，auslegung，apparate，3.auflage2001，weinheim，wiley-vch)。

如果在此提到一種混合物“由”或“使用”另一種混合物形成，那么可以理解為，為了形成該混合物使用全部的另一種混合物，也可以理解為僅僅使用一部分的另一種混合物，例如在分離出其他成分例如冷凝液之后，和/或除該另一種混合物以外還使用額外的流體。

在此所用的術(shù)語中，利用單級或多級壓縮機實施“壓縮過程”，所述壓縮機用于將至少一種氣態(tài)流從將該流送入壓縮機的至少一個輸入壓力壓縮到從壓縮機排出該流的至少一個最終壓力。壓縮機構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)單元，然而該結(jié)構(gòu)單元可以具有活塞、螺桿和/或葉輪或渦輪組件形式的多個“壓縮級”(軸向或徑向壓縮級)。尤其是利用共同的驅(qū)動裝置，例如通過共同的軸，驅(qū)動相應(yīng)的壓縮級。

本發(fā)明的優(yōu)點

為了解決前述問題，本發(fā)明建議利用分離技術(shù)處理主要或者僅含一氧化碳和氫氣的原料混合物的方法，其中對原料混合物實施低溫分離過程，在該過程中形成富含一氧化碳的液體和至少一種相對于原料混合物使一氧化碳貧化并且使氫氣富集的殘余氣體混合物。本發(fā)明作為出發(fā)點的該方法基本上對應(yīng)于前述的現(xiàn)有技術(shù)方法，例如由ep0130284a2所公開的出現(xiàn)前述問題的方法。在本發(fā)明方法的范疇內(nèi)，尤其是也可以首先從原料混合物冷凝出大部分一氧化碳，留下第一殘余氣體混合物(“粗氫氣”)?？梢詫⑺纬傻睦淠?在此稱作“中間餾份”，下面還詳細(xì)闡述)減壓以析出所溶解的氫氣并且送入汽提塔中。如所述，在此形成該方法的仍含有一氧化碳的富含氫的第二殘余氣體餾份(“閃蒸氣”)和真正的富含一氧化碳的液態(tài)產(chǎn)物，在此也將其稱作“富含一氧化碳的液體”。

根據(jù)本發(fā)明，對至少一種殘余氣體混合物實施膜分離過程，在該過程中形成至少一種富含氫的滲透物和至少一種富含一氧化碳的滲余物。在本發(fā)明的范疇內(nèi)，將該富含一氧化碳的滲余物或至少一種富含一氧化碳的滲余物送回低溫分離過程中。以此方式可以回收在至少一種殘余氣體餾份(例如第一殘余氣體餾份即粗氫氣以及第二殘余氣體餾份即閃蒸氣)中所含的一氧化碳并且送回分離過程中。在相應(yīng)的方法中以此方式減小了損失，并且以此方式相應(yīng)地提高了一氧化碳產(chǎn)率。

在本發(fā)明的范疇內(nèi)，可以使用的膜分離過程尤其是包括多個膜分離級，如下所述。使用聚合物膜的壓力驅(qū)動型膜過程尤其是適合于實現(xiàn)膜分離級。

在本發(fā)明的范疇內(nèi)使用的膜分離過程有利地包括第一膜分離步驟和第二膜分離步驟，如已述。在第一膜分離步驟中，在此形成第一富含氫的滲透物和第一富含一氧化碳的滲余物。在第二膜分離步驟中形成第二富含氫的滲透物和第二富含一氧化碳的滲余物。在本申請的范疇內(nèi)，術(shù)語“滲透物”是指優(yōu)先透過在相應(yīng)的膜分離過程中或在該膜分離過程的膜分離步驟中使用的膜的成分?！皾B余物”則被相應(yīng)的膜留下。在此情況下，氫氣由于其分子尺寸較小，優(yōu)先透過所用的膜，一氧化碳則大部分被留下。

如同任何分離方法，也不能以任意的分離精度實施相應(yīng)的膜分離過程或其膜分離步驟，因此主要被轉(zhuǎn)移到滲透物中的成分(在此是氫氣)始終有一部分也被轉(zhuǎn)移到滲余物中。相應(yīng)的也適用于主要被轉(zhuǎn)移到滲余物中的成分，其也有特定的部分被留在滲透物中。因此，證明使用兩個膜分離步驟是特別有利的，它們以下述方式相互串聯(lián)連接。

特別有利的是，將來自第一膜分離步驟的第一富含氫的滲透物從第一膜分離步驟轉(zhuǎn)移到第二膜分離步驟中。在此有利的是，在不同的壓力水平實施這兩個膜分離步驟，尤其是在第一壓力水平，優(yōu)選在原料混合物的壓力水平實施第一膜分離步驟，并且在低于第一壓力水平的第二壓力水平實施第二膜分離步驟。如果如下所述在低溫分離過程中使用汽提塔，則第二壓力水平可以處于汽提塔的壓力水平或更低。在每個膜分離步驟中均產(chǎn)生一定的壓降，然而由于第一膜分離步驟和第二膜分離步驟之間的壓力差，可以保證將滲透物從第一膜分離步驟轉(zhuǎn)移到第二膜分離步驟中，不需要繼續(xù)壓縮及額外的在裝置或能量上的花費。

如前所述，在低溫分離過程中可以有利地形成第一殘余氣體混合物和第二殘余氣體混合物，其中將第一殘余氣體混合物送入第一膜分離步驟，并將第二殘余氣體混合物送入第二膜分離步驟。以此方式可以向這些膜分離步驟供應(yīng)具有不同的一氧化碳濃度或氫氣濃度的殘余氣體混合物。因此第一殘余氣體混合物的一氧化碳含量尤其是可以高于第二殘余氣體混合物，并且第一富含氫的滲透物的一氧化碳含量可以高于第二富含氫的滲透物?？梢詫ｉT針對所用的殘余氣體混合物的一氧化碳含量，例如在所用的膜和其他工藝參數(shù)方面調(diào)整膜分離步驟。第一膜分離步驟以此方式進(jìn)行初步分離，第二膜分離步驟進(jìn)行精細(xì)分離。

特別有利的是，也如同已知方法，在低溫分離過程中首先通過在第一壓力水平，即在也實施第一膜分離步驟的壓力水平，部分冷凝原料混合物，從而在分離容器中形成液態(tài)中間餾份，留下第一殘余氣體混合物。因此如同多次所述的，第一殘余氣體混合物對應(yīng)于前述已知方法的所謂的粗氫氣。

接著有利地在低溫分離過程中將液態(tài)中間餾份減壓至中間壓力水平，并送入汽提塔中，由此排出第二殘余氣體混合物即通常稱作閃蒸氣的氣體混合物和富含一氧化碳的液體即該方法的真正產(chǎn)物。有利地根據(jù)工藝條件選擇中間壓力水平及由此選擇汽提塔的壓力。在有利的標(biāo)準(zhǔn)過程中，例如可以調(diào)整第二壓力水平適應(yīng)于原料氣的冷凝過程，這是因為通常與冷凝的原料混合物方向相反地加熱所用的汽提塔的再沸器。中間壓力水平可以高于第二壓力水平或與其相當(dāng)。

接著可以任意方式繼續(xù)處理富含一氧化碳的液體。

以此方式，即通過首先部分冷凝原料混合物，留下第一殘余氣體混合物，接著減壓進(jìn)入汽提塔中，形成第二殘余氣體混合物，能夠以所述不同的一氧化碳含量并且在不同的壓力水平制備第一和第二殘余氣體混合物，從而隨后可以將其直接或任選在減壓之后送入第一和第二膜分離步驟。

因為在汽提塔中在中間壓力水平產(chǎn)生第二殘余氣體混合物，所以有利地在送入第二膜分離步驟之前減壓至第二壓力水平，在該壓力水平實施該膜分離步驟，條件是該壓力水平更低。

為了回收熱量，在相對于原料混合物的逆流中加熱第一殘余氣體混合物和第二殘余氣體混合物已被證明是特別有利的。然而在相應(yīng)的低溫分離過程中仍然可以使用其他制冷劑或冷流。尤其是可以使用板式熱交換器以進(jìn)行熱交換，其例如可以連同分離容器和汽提塔一起布置在冷箱中。

在本發(fā)明的范疇內(nèi)提供下述的多種不同的針對性地用于處理滲余物的可能方案。

尤其是可以使得第一和第二富含一氧化碳的滲余物達(dá)到中間壓力水平，合并及送入汽提塔中。這已被證明是特別有利的，因為在此情況下僅需將第二富含一氧化碳的滲余物略微從第二壓力水平壓縮到中間壓力水平。第一富含一氧化碳的滲余物則可以減壓至中間壓力水平和/或待混入的第二殘余氣體混合物的壓力水平。

另一種有利的可能方案是，將第一富含一氧化碳的滲余物減壓至中間壓力水平，并送入汽提塔中，而使得第二富含一氧化碳的滲余物達(dá)到第一壓力水平，并與原料混合物合并。這允許針對性地考慮當(dāng)前的工藝參數(shù)。取決于原料混合物的一氧化碳含量，例如通過將第二富含一氧化碳的滲余物送回原料氣中而提高其一氧化碳含量這可以是有利的，因為由此可以產(chǎn)生更有利的冷凝行為。若汽提塔的回流量是有限的并且因此無法將這兩種滲余物都送入汽提塔中，則送回原料氣中也可以是有利的。

最后也可以使得第一和第二富含一氧化碳的滲余物達(dá)到第一壓力水平，隨后將兩者與原料混合物合并。關(guān)于僅送回第二滲余物已經(jīng)闡述了相應(yīng)的優(yōu)點。此外這是最小的調(diào)節(jié)工作額外所需的最簡單的連接方式。

在所述情況下，其中將第一和第二富含一氧化碳的滲余物提高壓力至第一壓力水平并與原料混合物合并，可以特別有利地使用共同的壓縮過程，向該過程送入在不同的壓力水平的第一和第二富含一氧化碳的滲余物。在此尤其是可以使用多級壓縮機，將第一富含一氧化碳的滲余物于中間級送入該壓縮機，及將第二富含一氧化碳的滲余物在第一壓縮級上游送入該壓縮機。

本發(fā)明還涉及利用分離技術(shù)處理含有一氧化碳和氫氣的原料混合物的設(shè)備，其具有用于對原料混合物實施低溫分離過程的裝置，于其中形成富含一氧化碳的液體和至少一種相對于原料混合物使一氧化碳貧化并且使氫氣富集的殘余氣體混合物。

根據(jù)本發(fā)明，相應(yīng)的設(shè)備的特征在于用于對至少一種殘余氣體混合物實施膜分離過程的裝置，于其中形成至少一種富含氫的滲透物和至少一種富含一氧化碳的滲余物。在此設(shè)置有用于將該富含一氧化碳的滲余物或至少一種富含一氧化碳的滲余物送回低溫分離過程中的裝置。

相應(yīng)的設(shè)備有利地包括所有用于實施上述方法的裝置，并且可用于實施相應(yīng)的方法。因此明確地參考上面已經(jīng)闡述的相應(yīng)的特征和優(yōu)點。

下面依照顯示本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案的附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。

附圖說明

圖1以簡化的示意性流程圖的形式顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的方法。

圖2以簡化的示意性流程圖的形式顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的方法。

具體實施方式

在圖中以相同的附圖標(biāo)記表示具有相同功能的彼此對應(yīng)的元件，為了簡明起見不重復(fù)說明。圖中顯示了方法的步驟或元件。然而這些解釋以相同方式涉及相應(yīng)的設(shè)備，從而在下面述及方法步驟時，相應(yīng)的解釋也適用于設(shè)備組件，反之亦然。

圖1以示意性流程圖的形式顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的方法，總體上用100表示。方法100包括總體上用10表示的低溫分離過程、總體上用20表示的膜分離過程和總體上用30表示的壓縮過程。

將流a形式的原料混合物送入低溫分離過程10，任選與另一股流合并，如下所述。在低溫分離過程10中，引導(dǎo)流a通過一個或多個熱交換器11，從而冷卻到對應(yīng)于其他工藝參數(shù)的溫度水平，并且在對應(yīng)于原料混合物a的壓力的壓力下(在此稱作“第一壓力水平”)送入分離容器12中。在分離容器12中在所用的壓力下分離出使一氧化碳富集的液態(tài)餾份，在此稱作“中間餾份”。

可以從分離容器12以流b的形式排出該中間餾份，經(jīng)由未標(biāo)記的閥減壓，送入汽提塔13中。此外從分離容器12以流c的形式排出殘余氣體，在此稱作“第一”殘余氣體，通常稱作粗氫氣。

在汽提塔13中從以流b的形式送入汽提塔13中的液態(tài)中間餾份獲得富含一氧化碳的液體和殘余氣體餾份。來自汽提塔13的殘余氣體餾份在此稱作“第二”殘余氣體餾份，通常也稱作閃蒸氣。以流d的形式從汽提塔排出富含一氧化碳的液體，例如進(jìn)行減壓，送入其他凈化步驟?？梢粤鱡的形式從汽提塔排出第二殘余氣體餾份，并同樣進(jìn)行減壓。

在一個或多個熱交換器11中加熱流c形式的第一殘余氣體餾份和流e形式的第二殘余氣體餾份，此外還引導(dǎo)如在此用流f表示的任選存在的其他冷流通過其中。將流c形式的第一殘余氣體餾份和流e形式的第二殘余氣體餾份送入膜分離過程20或膜分離過程20中的第一膜分離步驟21和第二膜分離步驟22。在此將第一殘余氣體餾份c送入第一膜分離步驟21，將第二殘余氣體餾份e送入第二膜分離步驟22。

在第一膜分離步驟21中形成滲余物，將其以流g的形式從第一膜分離步驟21排出。此外在第一膜分離步驟21中還形成滲透物，將其以流h的形式從第一膜分離步驟21排出，經(jīng)由沒有單獨標(biāo)識的閥減壓，送入第二膜分離步驟22，還將流e形式的第二殘余氣體餾份送入其中。

在第二膜分離步驟22中也形成滲余物和滲透物，其中可以將流i形式的滲余物和流k形式的滲透物從第二膜分離步驟排出。第二膜分離步驟2的流k形式的滲透物基本上是氫。

在圖1所示的方法100中，在低溫分離過程10的熱交換器11中冷卻第一膜分離步驟21的流g形式的第一滲余物，并將其送入汽提塔13中。為了進(jìn)一步使用第二低溫分離步驟22的流i形式的第二滲余物，存在兩種不同的可能方案。在這兩種情況下將流i及由此將第二滲余物送入壓縮過程30，在此在壓縮機31中進(jìn)行壓縮，其可以構(gòu)造成單級或多級。經(jīng)由熱交換器32排出壓縮熱。取決于在壓縮過程30中完成的壓縮，接著可以將流i與流a合并，或者與流g及由此與第一滲余物合并。

在圖1所示的方法100中，也在圖2所示的方法200中，分離容器12于在此稱作“第一”壓力水平的壓力水平工作，汽提塔13于在此稱作“中間壓力水平”的壓力水平工作，第一膜分離步驟21在第一壓力水平工作，第二膜分離步驟22于在此稱作“第二”壓力水平的壓力水平工作。在此第一壓力水平高于第二壓力水平，中間壓力水平介于第一和第二壓力水平之間。替代性地，中間壓力水平也可以相當(dāng)于第二壓力水平，在此情況下不需要使第二殘余氣體混合物減壓。

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的方法，總體上用200表示。圖2中所示方法200與圖1中所示方法100的區(qū)別主要在于流g或i及由此第一和第二滲余物的不同處理方式。在圖2所示的方法200中將流g形式的第一滲余物和流i形式的第二滲余物合并。在此在壓縮過程30中進(jìn)行合并，其中在此兩個壓縮級31和33配備有各自設(shè)置在下游的后冷卻器32和34。將流g送入壓縮過程30中的中間級。總體上將流i和g壓縮到第一壓力水平，即分離容器12工作的壓力水平，并且在該壓力水平與原料流a合并。

若之前述及第一膜分離步驟21在第一壓力水平工作，則本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在相應(yīng)的膜分離步驟中出現(xiàn)不可避免的壓力損失，因此流g不再處于第一壓力水平，因此必須再次壓縮。