本發(fā)明屬于合成氣處理領(lǐng)域,具體涉及一種合成氣組分分離與回收的裝置及方法。
背景技術(shù):
在合成氣生產(chǎn)與制備過程中,由于原料來源和加工工藝的不同,反應(yīng)制備得到的合成氣含有除了氫氣外還有大量雜質(zhì)氣體(二氧化碳、硫化氫、氮?dú)獾?。從提純氫氣,控制溫室氣體排放,減少酸性氣體對后續(xù)設(shè)備腐蝕的角度出發(fā),必須將合成氣進(jìn)行分離,以制備所需產(chǎn)品,并保證下游工序和產(chǎn)品的安全。
壓縮冷凝法是一種傳統(tǒng)的氣體分離方法,利用原料氣中各組分露點(diǎn)的不同,通過加壓和冷卻將其部分液化,在低溫下精餾而實(shí)現(xiàn)氣體分離。該方法具有流程簡單、處理量大、回收率高等優(yōu)點(diǎn),在合成氣分離與回收中已得到廣泛的應(yīng)用。但是壓縮冷凝法主要有以下不足之處:啟動時間長、靈活性差、能耗高。此外為避免氣體阻塞管道,還需要預(yù)先脫除原料氣中二氧化碳和水分。
變壓吸附法利用混合氣中不同組分在特定吸附劑上的選擇性不同而實(shí)現(xiàn)分離目的。目前其主要應(yīng)用于分離合成氣,并對氫氣提純。盡管變壓吸附法所得氫氣產(chǎn)品純度高,但其流程復(fù)雜,設(shè)備數(shù)量多,并且大量的吸收塔反復(fù)地升壓和降壓,這需要額外的能耗與公用工程,導(dǎo)致操作費(fèi)用和投資均顯著地增高。
國內(nèi)外合成氣制備裝置已增加了膜分離裝置用于合成氣的分離回收。專利cn101417799a,利用低溫甲醇洗-脫硫脫碳凈化系統(tǒng)對合成氣進(jìn)行預(yù)處理,獲得主要包含co和h2的凈化氣,之后利用換熱器升溫進(jìn)入膜分離器分離得到高純度co和h2。該法存在投資高、設(shè)備復(fù)雜、回收h2純度較低等缺點(diǎn)。
專利cn202156925u中,利用膜分離裝置對合成氣進(jìn)行預(yù)分離,再配合使用變壓吸附裝置獲得高純度氫氣。其缺點(diǎn)在于非滲透氣沒有回收利用,直接降低了氫氣等產(chǎn)品的回收率,同時變壓吸附裝置反復(fù)升壓降壓,能量消耗較高。
專利cn101875484a中,對于含酸性氣體較多的合成氣采用物理吸收溶劑移除合成氣中的h2s并通過化學(xué)吸收溶劑從合成氣中移除co2,得到純度較高的h2,最后通過對吸收劑處理得到高純度co2。其缺點(diǎn)在于需要對吸收劑進(jìn)行再生處理,能源消耗比較大,而且需要對吸收劑進(jìn)行持續(xù)的補(bǔ)充,操作較為復(fù)雜。
上述方法雖然可以實(shí)現(xiàn)合成氣中h2等組分的分離和回收,但是普遍存在操作復(fù)雜、能耗過高、處理不夠靈活等缺點(diǎn)。因此發(fā)明一種高效分離合成氣,尤其能降低合成氣分離回收中能量消耗的裝置及方法具有重大的經(jīng)濟(jì)利益和現(xiàn)實(shí)意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的之一在于提供一種合成氣組分分離與回收的裝置。其包括壓縮機(jī)構(gòu)、深冷機(jī)構(gòu)和膜分離機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的裝置通過壓縮機(jī)構(gòu)、深冷機(jī)構(gòu)和膜分離機(jī)構(gòu)的協(xié)同配合工作,實(shí)現(xiàn)了在低能耗情況下同時獲得高回收率的氫氣和二氧化碳。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用上述合成氣組分分離與回收裝置回分離合成氣的方法,其包括壓縮步驟、深冷分離步驟和膜分離步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,本發(fā)明提供了一種合成氣組分分離與回收的裝置,所述裝置包括:
壓縮機(jī)構(gòu),其用于接收原料氣和膜分離機(jī)構(gòu)輸送的滲透氣,將滲透氣壓力壓縮到與原料氣同一等級,將兩者混合后冷卻并輸送至深冷機(jī)構(gòu);
深冷機(jī)構(gòu),其用于接收來自所述壓縮機(jī)構(gòu)的混合氣,并分離回收其中的二氧化碳?xì)怏w,并排出富氫氣體;
膜分離機(jī)構(gòu),其用于接收來自所述深冷機(jī)構(gòu)的富氫氣體,對氣體中氫氣和二氧化碳做進(jìn)一步分離,可得到滲余氣和滲透氣,其中滲透氣被輸入壓縮機(jī)構(gòu)做循環(huán)處理;
本發(fā)明的裝置通過壓縮機(jī)構(gòu)、深冷機(jī)構(gòu)和膜分離機(jī)構(gòu)三部分的協(xié)同配合工作,高效回收了合成氣中氫氣。而且有效回收合成氣中存在的二氧化碳、硫化氫等酸性氣體,避免了其對后續(xù)設(shè)備腐蝕。其中氫氣的回收率約99%,二氧化碳的回收率大于90%,硫化氫回收率約98%。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,所述壓縮機(jī)構(gòu)包括:至少一個壓縮機(jī),用于接收膜分離機(jī)構(gòu)輸送的滲透氣,將滲透氣壓力壓縮到與原料氣同一等級;至少一個混合器,用于將原料氣和滲透氣混合,得到高壓氣體第一料流;至少一個換熱器,用于冷卻第一料流。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,壓縮機(jī)構(gòu)的入口與混合器第一入口相連,壓縮機(jī)的出口與混合器的第二個入口相連,混合器出口與換熱器的入口相連,換熱器的出口與壓縮機(jī)構(gòu)的出口相連。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,所述深冷機(jī)構(gòu)包括:至少一個換熱器,用于接收并冷卻來自壓縮機(jī)構(gòu)的第一料流,并輸出溫度低于第一料流露點(diǎn)溫度的含有氣液混合物的第二料流;至少一個氣液分離器,其用于接收第二料流以進(jìn)行氣液分離,并在液相出口輸出回收的高純度液體二氧化碳,而在氣相出口輸出第三料流;至少一個膨脹機(jī),用于接收來自膜分離器的滲余氣,利用高壓氣體膨脹制冷并獲得部分電能。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,深冷機(jī)構(gòu)的一個入口與壓縮機(jī)構(gòu)的出口相連,壓縮機(jī)出口與一個換熱器的入口相連,換熱器的一個出口與氣液分離器的入口相連,氣液分離器的氣相出口與深冷機(jī)構(gòu)的一出口相連,氣液分離器的液相出口與深冷機(jī)構(gòu)的一出口相連,膨脹機(jī)入口與膜分離機(jī)構(gòu)的一個出口相連,膨脹機(jī)出口與第一換熱器組的一個入口相連。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,第一換熱器為管式換熱器,其作用是通過采用便宜的冷媒介,例如循環(huán)冷卻水,將壓縮后的第一料流冷卻到盡可能低的溫度,以節(jié)省后續(xù)機(jī)構(gòu)的能耗。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,為提高裝置能量效率,避免低溫氣體對后續(xù)膜組件的損壞,第三料流作為冷物流進(jìn)入第一換熱器組,升溫到25~35℃,同時將所述膨脹后的滲余氣進(jìn)入第一換熱器組進(jìn)行換熱,從而將高壓氣體做功降溫所得的部分/全部冷量作為第一換熱器組的冷源。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,深冷機(jī)構(gòu)將來自壓縮機(jī)構(gòu)的第一料流經(jīng)過換熱器組冷卻至-25~-35℃,從而冷凝回收二氧化碳等酸性氣體。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,所述膜分離機(jī)構(gòu)包括:至少一個膜分離器,其用于接收來自所述深冷機(jī)構(gòu)的第三料流,對氣體中氫氣和二氧化碳做進(jìn)一步分離,可得到滲余氣和滲透氣。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,膜分離機(jī)構(gòu)的入口與深冷機(jī)構(gòu)的第一出口相連,膜分離器入口與膜分離機(jī)構(gòu)入口相連,膜分離機(jī)構(gòu)的第一出口輸出滲余氣并與所述深冷機(jī)構(gòu)中的膨脹機(jī)一入口相連,膜分離機(jī)構(gòu)的第二出口輸出滲透氣。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例,所述的滲透氣進(jìn)入所述壓縮機(jī)構(gòu)做循環(huán)處理,由此顯著提高了氫氣和二氧化碳的回收率。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面,本發(fā)明提供了一種使用合成氣組分分離與回收的裝置來分離回收合成氣的方法,其包括如下步驟:
壓縮步驟,接收滲透氣與原料氣,并將滲透氣壓力壓縮到與原料氣同一等級,將兩者混合后輸出;
深冷分離步驟,接收混合氣,并分離回收其中的二氧化碳?xì)怏w,并排出富氫氣體;
膜分離步驟,接收富氫氣體,對氣體中氫氣和二氧化碳做進(jìn)一步分離,排出滲余氣和滲透氣,并將滲透氣作循環(huán)處理。
壓縮深冷、膜分離都是常見的分離手段,本發(fā)明通過對不同分離模塊的合理優(yōu)化與組合,提供了一種合成氣組分分離與回收的裝置及方法,充分使用高壓原料氣,避免反復(fù)升壓降壓造成的能源浪費(fèi)。而針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,其具有以下突出優(yōu)點(diǎn):1、對氣液分離器所得氣相料流進(jìn)行冷量回收,并利用高壓滲余氣膨脹制冷,減少了昂貴低溫制冷劑的消耗2、將膜分離機(jī)構(gòu)所得滲透氣循環(huán)處理提高了氫氣、二氧化碳等氣體的回收率3、使用透平膨脹機(jī)生產(chǎn)電力,減少整體能耗4、裝置投資少,經(jīng)濟(jì)效益高,環(huán)保無污染。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖做簡單地介紹,顯而易見,下面簡述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1表示本發(fā)明的一種合成氣組分分離與回收的裝置示意圖。
圖2表示本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例的裝置示意圖。
在圖中,相同的構(gòu)件由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。附圖并未按照實(shí)際的比例繪制。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合本發(fā)明的附圖,對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚\完整地描述。顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不全是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
如附圖1所示,本發(fā)明提供了一種合成氣組分分離與回收的裝置包括:
壓縮機(jī)構(gòu)x,其用于接收原料氣feed和膜分離機(jī)構(gòu)z輸送的滲透氣fp,將滲透氣fp壓力壓縮到與原料氣同一等級,將兩者混合后冷卻并輸送至深冷機(jī)構(gòu);
深冷機(jī)構(gòu)y,其用于接收來自所述壓縮機(jī)構(gòu)的混合氣f1,并分離回收其中的二氧化碳?xì)怏wfl,并排出富氫氣體fg;
膜分離機(jī)構(gòu)z,其用于接收來自所述深冷機(jī)構(gòu)的富氫氣體fg,對氣體中氫氣和二氧化碳做進(jìn)一步分離,可得到滲余氣fr和滲透氣fp,其中滲透氣fp被輸入壓縮機(jī)構(gòu)x做循環(huán)處理;
在本實(shí)施例中,原料氣的摩爾流率為30000kmol/h,壓力為5mpa,溫度為20℃,其中各組分摩爾分?jǐn)?shù)如下:氫氣56.4%、二氧化碳41.3%、一氧化碳1.1%、氮?dú)?.7%、硫化氫0.5%。
在本實(shí)施例中,壓縮機(jī)構(gòu)x包括一個壓縮機(jī)com,用于接收膜分離機(jī)構(gòu)z輸送的滲透氣fp,并將其壓力由0.61mpa提升至5mpa;一個混合器mix,用于將原料氣feed和滲透氣fp混合,得到第一料流f1,壓力為5mpa;一個換熱器heat1,用于將第一料流f1由133.5℃冷卻至35℃,并輸出流股f2。
在本實(shí)施例中,壓縮機(jī)構(gòu)x的入口t1與混合器mix第一入口t2相連,壓縮機(jī)com的出口t7與混合器mix的第二個入口t4相連,混合器出口t3與換熱器heat1的入口t8相連,換熱器heat1的出口t9與壓縮機(jī)構(gòu)x的一個出口t10相連。
在本實(shí)施例中,所述換熱器heat1為管式換熱器,其作用是通過采用便宜的冷媒介,例如循環(huán)冷卻水,將壓縮后的第一料流f1冷卻到盡可能低的溫度,以節(jié)省后續(xù)機(jī)構(gòu)的能耗。
在本實(shí)施例中,所述深冷機(jī)構(gòu)包括y:一個多流股換熱器mhex,用流股間匹配換熱回收冷量,并將流股f2冷卻至-15℃;一個換熱器heat2,將流股f3冷卻到-30℃;一個氣液分離器sepa,其用于接收第二料流f4以進(jìn)行氣液分離,并在液相出口t17輸出的純度達(dá)96%的液體二氧化碳,其最終回收率為90.0%,同時排出的還有硫化氫,其回收率為98.3%,而在氣相出口輸出第三料流t15;一個透平膨脹機(jī)turb,用于接收來自膜分離機(jī)構(gòu)z的滲余氣fr,并將其壓力由5mpa降至3.1mpa,溫度由30℃降低至2.3℃,同時產(chǎn)生4.1mw的電力,冷卻后的滲余氣被送入多流股換熱器mhex回收冷量。
在本實(shí)施例中,深冷機(jī)構(gòu)的入口t11與壓縮機(jī)構(gòu)的出口t10相連,換熱器heat1出口t9與多流股換熱器的一個入口a1相連,多流股換熱器的一個出口a2與第二換熱器的入口t12相連,第二換熱器出口t13與氣液分離器入口t14相連,氣液分離器的液相出口t17與深冷機(jī)構(gòu)的一個出口t18相連,氣相出口t15與多流股換熱器一個入口b1相連,多流股換熱器的一個出口b2與深冷機(jī)構(gòu)的一個出口t16相連,透平膨脹機(jī)turb的一個入口t24與深冷機(jī)構(gòu)的一個入口t23,透平膨脹機(jī)的一個出口t25與多流股換熱器mhex的一個入口c1相連,多流股換熱器mhex的一個出口c2與深冷機(jī)構(gòu)的一個出口t26相連。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)例中,如附圖2所示,第一料流f1經(jīng)過多流股換熱器mhex將流股冷卻到-30℃。換熱器heat1的出口t5與多流股換熱器mhex的一個入口a1相連,多流股換熱器mhex一個出口a2與氣液分離器sepa的一個入口t14相連。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)例中,所述多流股換熱器mhex引入低溫流股c-1,其成分為液態(tài)丙烷,作用是為其他換熱流股提供足夠的冷量。低溫流股c1的溫度為-35℃,經(jīng)多流股換熱器mhex的一個入口f1進(jìn)入,換熱后由mhex的一個出口f2流出。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)例中,來自膜分離器memb的滲余氣fr,先進(jìn)入多流股換熱器mhex降溫至-20℃,再通過透平膨脹機(jī)turb膨脹制冷,使其溫度變?yōu)?56.2℃,低于第二料流f3的露點(diǎn)溫度,隨后進(jìn)入多流股換熱器mhex回收冷量,最終輸出混合氣溫度為30℃,壓力為3.1mpa,其中氫氣含量達(dá)90.1%,可直接進(jìn)入變壓吸附裝置做進(jìn)一步提純處理。膜分離器memb的滲余氣出口t21與深冷機(jī)構(gòu)y中多流股換熱器mhex的一個入口c1相連,多流股換熱器mhex的一個出口c2與透平膨脹機(jī)turb的入口t24相連,透平膨脹機(jī)turb的出口t25與多流股換熱器mhex的一個入口d1相連,多流股換熱器mhex的一個出口d2與深冷機(jī)構(gòu)y的一個出口t26相連。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中,為充分回收冷量,來自氣液分離器sepa的冷凝液fl,進(jìn)入多流股換熱器mhex中升溫至30℃,并由液體變?yōu)闅怏w,壓力為4.9mpa,回收后的二氧化碳可注入地下,減少溫室氣體排放。氣液分離器sepa一個出口t15與多流股換熱器mhex的一個入口e1相連,多流股換熱器mhex的一個出口e2與深冷機(jī)構(gòu)的出口t18相連。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)例中,對滲余氣fr采用先降溫再膨脹制冷的方法,使其溫度可以滿足與第二料流f3換熱的需求,減少了昂貴低溫冷劑的使用,有效降低了流程操作費(fèi)用和設(shè)備要求。
在本實(shí)施例中,所述膜分離機(jī)構(gòu)z包括:一個膜分離器memb,其用于接收來自所述深冷機(jī)構(gòu)y的第三料流fg,對氣體中氫氣和二氧化碳做進(jìn)一步分離,可得到滲余氣fr和滲透氣fp。
在本實(shí)施例中,膜分離機(jī)構(gòu)z的入口t19與深冷機(jī)構(gòu)的出口t16相連,膜分離器memb的入口t20與膜分離機(jī)構(gòu)z的入口t19相連,膜分離器memb滲余氣出口t21與膨脹機(jī)turb的入口t24相連,膜分離器memb滲透氣出口t27與膜分離結(jié)構(gòu)z的一出口t28相連,膜分離結(jié)構(gòu)z的出口t28與壓縮機(jī)構(gòu)x的一入口t5相連。
在本實(shí)施例中,膜分離器memb所使用膜類型為中空纖維膜,co2/h2的選擇性為10,膜面積為1620m2。
在本實(shí)施例中,所述的滲透氣fp進(jìn)入所述壓縮機(jī)構(gòu)x做循環(huán)處理,由此顯著提高了氫氣和二氧化碳的回收率。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)例中,所述的滲透氣fp先進(jìn)入所述深冷機(jī)構(gòu)y中由透平膨脹機(jī)帶動的同軸壓縮機(jī)turb-com中,壓力由0.61mpa升高到1.03mpa。之后進(jìn)入所述壓縮結(jié)構(gòu)x的壓縮機(jī)com中壓力升高到5mpa。膜分離器memb的滲透氣出口t27與透平膨脹機(jī)的同軸壓縮機(jī)turb-com的入口t30相連,同軸壓縮機(jī)turb-com的出口t31與壓縮機(jī)構(gòu)x中壓縮機(jī)入口t7相連。
從本發(fā)明的上述實(shí)施例可見,本發(fā)明裝置通過深冷分離和膜分離器配合,分離合成氣中氫氣和其他氣體,通過設(shè)定循環(huán)裝置提高氣體回收率,合理使用膨脹機(jī)制冷,降低對昂貴的制冷劑的依賴,具有能耗低,投資少,經(jīng)濟(jì)效益高環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明還提供了一種利用合成氣組分分離與回收的裝置來分離回收合成氣的方法,其包括如下步驟:
壓縮步驟,接收滲透氣與原料氣,并將滲透氣壓力壓縮到與原料氣同一等級,將兩者混合后輸出,具體操作步驟為:(1)壓縮機(jī)com將來自膜分離機(jī)構(gòu)z的滲透氣fp,加壓至5mpa;(2)混合器將壓縮后的滲透氣fp與壓力同為5mpa原料氣feed混合輸出第一料流f1,壓力為5mpa,溫度133.5℃;(3)換熱器heat1將第一料流f1冷卻至35℃。
深冷分離步驟,接收混合氣,并分離回收其中的二氧化碳?xì)怏w,并排出富氫氣體,具體操作步驟為:(1)利用多流股換熱器mhex,將流股f2溫度降低到-30℃,輸出第二料流f3進(jìn)入氣液分離器spea;(2)第二料流f3在氣液分離器sepa中進(jìn)行氣液分離,氣相出口輸出第三料流fg,液相出口輸出液體二氧化碳等;(3)為回收冷量同時,避免低溫氣體對膜單元損害,第三料流fg進(jìn)入多流股換熱器mhex進(jìn)行復(fù)熱,溫度由-30℃升至30℃,最后從深冷機(jī)構(gòu)y中輸出進(jìn)入膜分離機(jī)構(gòu)z;(4)使用多流股換熱器mhex接收并冷卻來自膜分離器memb的滲余氣fr,使其溫度由30℃降低至-20℃,將其輸送至透平膨脹機(jī)turb;(5)滲余氣fr在透平膨脹機(jī)turb中降壓升溫,壓力由5mpa變?yōu)?.1mpa,溫度由-20℃降低至-56.2℃;(6)降低溫度后的滲余氣fr被輸送至多流股換熱器mhex中進(jìn)行冷量回收,最終在多流股換熱器mhex出口處其溫度為28.1℃,氫氣含量達(dá)90.1%,回收率為99.6%,可用于后續(xù)工藝處理;(7)為充分回收冷量,來自氣液分離器sepa的冷凝液fl,進(jìn)入多流股換熱器mhex中溫度由-30℃至30℃,并由液體變?yōu)闅怏w,壓力為4.9mpa,回收后的二氧化碳可注入地下,減少溫室氣體排放。
膜分離步驟,接收富氫氣體,對氣體中氫氣和二氧化碳做進(jìn)一步分離,排出滲余氣和滲透氣,并將滲透氣作循環(huán)處理;具體操作步驟為:(1)第三料流fg輸入膜分離器memb(膜面積1620m2,滲透側(cè)壓力0.61mpa)中,膜組件將截流大部分氫氣,輸出滲透氣fp,滲余氣fr則輸送至深冷機(jī)構(gòu)y中的多流股換熱器mhex;(2)輸出的滲透氣fp先經(jīng)透平膨脹機(jī)的同軸壓縮機(jī)turb-com壓縮,壓力由0.61mpa升至1.02mpa,之后被輸送至壓縮機(jī)構(gòu)x。
應(yīng)當(dāng)注意的是,以上所述的實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。通過參照典型實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述,但應(yīng)當(dāng)理解為其中所用的詞語為描述性和解釋性詞匯,而不是限定性詞匯??梢园匆?guī)定在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)對本發(fā)明作出修改,以及在不背離本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行修訂。盡管其中描述的本發(fā)明涉及特定的方法、材料和實(shí)施例,但是并不意味著本發(fā)明限于其中公開的特定例,相反,本發(fā)明可擴(kuò)展至其他所有具有相同功能的方法和應(yīng)用。