本發(fā)明涉及一種用于分離含有一氧化碳、氫氣、甲烷和少量氮?dú)獾然旌蠚獾纳罾浞蛛x系統(tǒng)，屬于低溫氣體分離領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

合成氣（CO和H₂）是重要的基礎(chǔ)化工原料，可用于合成乙二醇、醋酸、醋酐、光氣、醋酸二甲酯、甲酸、丙酸、草酸和二甲基甲酰胺等。隨著C1化工新技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，合成工藝對(duì)CO和H₂的純度要求逐漸增加，合成氣（CO和H₂）的獲得大多是以煤為原料轉(zhuǎn)化得到的，根據(jù)煤種的差異，通常煤氣化經(jīng)變換后含少量甲烷和氮?dú)猓鴮?duì)于后續(xù)合成裝置對(duì)這兩種氣體的要求也比較高，所以獲得高純度的CO產(chǎn)品（99%以上），需將原料氣中的氫氣、氮?dú)夂图淄槊摮Ｄ壳癈O提純分離方法主要有深冷分離法、物理吸收法、變壓吸附法和膜分離法等，其中深冷分離法是利用氣體沸點(diǎn)組成的差異、通過(guò)低溫精餾的方法實(shí)現(xiàn)氣體的分離，與其它方法相比具有處理量大、分離效率高、運(yùn)行成本低、占地面積小和投資少等優(yōu)勢(shì)，因此受到大量用戶青睞。

目前，CO和H₂深冷分離方法所發(fā)表的專利大多都是CO/H₂兩元組分的單塔流程，其分離獲得的CO純度最大達(dá)到98.5%，純度比較低，無(wú)法滿足高純度CO產(chǎn)品氣（≥99%以上）的要求，而對(duì)于雜質(zhì)N₂、CH₄的進(jìn)一步提純分離在中國(guó)專利（公開(kāi)號(hào)CN201480063530.9）曾提及，但該專利的不足之處在于流程能耗較高，設(shè)備投資大，操作適應(yīng)性不太好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種用于分離含有一氧化碳、氫氣、甲烷和少量氮?dú)獾男滦蜕罾浞蛛x系統(tǒng)，分離獲得的CO純度比較高，達(dá)到99%以上，其中H₂和CH₄含量均小于50ppm，回收率比較高，滿足多種合成裝置對(duì)CO的純度要求；同時(shí)，優(yōu)化冷量補(bǔ)充方案，節(jié)省能耗，降低了設(shè)備運(yùn)行成本；簡(jiǎn)化動(dòng)設(shè)備的配置，節(jié)省成本投資。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案：一種用于分離混合氣的深冷分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括分子篩凈化單元和深冷分離裝置冷箱兩部分，至少含有一氧化碳、氫氣、甲烷和少量氮?dú)獾幕旌蠚怏w與分子篩凈化單元入口管道連通，分子篩凈化單元經(jīng)脫除二氧化碳、甲醇和水在低溫下易凝固的雜質(zhì)后、通過(guò)第一管道與深冷分離裝置冷箱中的第一主換熱器、氣提塔塔底再沸器、脫甲烷塔塔底再沸器、第二主換熱器依次連通，在連接于氫氣分離罐的中部入口，所述氫氣分離罐的頂部接出三路富氫氣管道分別經(jīng)兩個(gè)主換熱器復(fù)熱富氫氣以回收冷量后與外部富氫氣收集系統(tǒng)連通；所述氫氣分離罐的底部接出有兩股液體管道，一股液體管道經(jīng)第一節(jié)流閥、第二主換熱器與氣提塔中部入口管道連通，另一股液體管道經(jīng)第二節(jié)流閥與氣提塔上部入口管道連通；

所述的氣提塔塔頂部接出有第一閃蒸氣管道，并分別通過(guò)兩路管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器與外部第一閃蒸氣收集系統(tǒng)連通；氣提塔塔底接出的液體管道經(jīng)第二主換熱器、節(jié)流閥與脫氮塔中部的入口管道連接；

所述的脫氮塔塔頂接出有第二閃蒸氣管道，并分別通過(guò)三路管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器與外部第二閃蒸氣收集系統(tǒng)連通；脫氮塔底部接出的液體管道經(jīng)節(jié)流閥、脫氮塔塔頂冷凝器與脫甲烷塔中部入口管道連接；

所述的脫甲烷塔塔頂接出有CO產(chǎn)品氣管道，該CO產(chǎn)品氣管道通過(guò)三路管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器與CO產(chǎn)品氣收集系統(tǒng)連通；脫甲烷塔底部接出有粗甲烷液體管路，該粗甲烷液體管路通過(guò)三路管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器與外部粗甲烷氣收集系統(tǒng)連通。

作為優(yōu)選：所述氣提塔設(shè)置有氣提塔塔底再沸器，為外部熱虹吸再沸器，其熱流流股管道與進(jìn)冷箱的工藝氣管道連通，冷流流股管道與氣提塔底部液體管道連通，由工藝氣為氣提塔再沸器提供熱量；

所述脫氮塔頂部設(shè)置脫氮塔塔頂冷凝器和塔底再沸管道，脫氮塔塔頂冷凝器熱流流股管道與脫氮塔頂部氣相管道和塔頂回流管道連通，冷流管道與脫氮塔塔底液體管道及氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)連通，此塔頂冷凝器采用的是液氮熱虹吸冷凝器；脫氮塔底部再沸進(jìn)出口通過(guò)管道與第二主換熱器連通，由第二主換熱器為脫氮塔提供再沸熱量。

作為優(yōu)選：所述的氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)的氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口氣體通過(guò)管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器分為兩股，其中一股通過(guò)管道與節(jié)流閥連接，另一股通過(guò)管道與節(jié)流閥、脫氮塔塔頂冷凝器冷流管道依次連接，然后兩股低壓氮?dú)饣旌虾笸ㄟ^(guò)管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器后與氮?dú)鈮嚎s機(jī)入口管道連通，從而形成閉式循環(huán)，為系統(tǒng)提供冷量。

作為優(yōu)選：所述的兩個(gè)主換熱器設(shè)置有液氮補(bǔ)充通道，外部液氮補(bǔ)充系統(tǒng)與主換熱器、節(jié)流閥、液氮管道連通，采用液氮的蒸發(fā)為系統(tǒng)提供冷量。

作為優(yōu)選：所述的主換熱器、設(shè)置于氣提塔塔底再沸器，設(shè)置于脫氮塔的塔頂冷凝器，設(shè)置于脫甲烷塔塔底再沸器均為板翅式換熱器；

所述的氣提塔為板式精餾塔、脫氮塔為填料精餾塔、脫甲烷塔為填料精餾塔。

作為優(yōu)選：所述脫甲烷塔型式為洗滌塔，塔底設(shè)置脫甲烷塔塔底再沸器，置于脫甲烷塔內(nèi)部為內(nèi)部熱虹吸再沸器，熱流流股管道與進(jìn)冷箱的工藝氣管道連通，冷流流股與脫甲烷塔底部液體管道連通，由工藝氣為脫甲烷塔再沸器提供熱量，進(jìn)系統(tǒng)的循環(huán)CO氣體通過(guò)管道經(jīng)兩個(gè)主換熱器、節(jié)流閥與脫甲烷塔上部的洗滌液管道連通，經(jīng)冷卻、冷凝節(jié)流后的CO液體作為脫甲烷塔的洗滌液。

本發(fā)明的積極效果是：本發(fā)明設(shè)置有三個(gè)精餾塔，分別為采用板式精餾塔的氣提塔、采用填料塔的脫氮塔、采用填料塔的脫甲烷塔，板式塔操作彈性比較好，填料塔分離效率高，脫甲烷塔采用CO洗滌工藝，分離獲得的CO純度比較高，達(dá)到99%以上，其中H₂和CH₄含量均小于50ppm，回收率比較高，滿足合成裝置對(duì)CO的純度要求。但對(duì)于原料氣中N₂含量比較高的，如達(dá)到3%（mol%）以上時(shí)，采用本發(fā)明的能耗比較高，經(jīng)濟(jì)性比較差。

本發(fā)明進(jìn)一步的積極效果是：本發(fā)明采用原料氣本身節(jié)流制冷、氮?dú)庋h(huán)制冷和液氮冷量配合使用，優(yōu)化了冷量補(bǔ)充方案，總體達(dá)到節(jié)省能耗目的，降低了裝置運(yùn)行成本。

本發(fā)明進(jìn)一步的積極效果是：本發(fā)明采用氮?dú)庋h(huán)制冷系統(tǒng)，單獨(dú)設(shè)置氮?dú)鈮嚎s機(jī)閉式循環(huán)制冷流程，無(wú)需技術(shù)要求比較高的CO產(chǎn)品氣壓縮機(jī)用于制冷循環(huán)，降低CO壓縮機(jī)的規(guī)模和投資，總體上降低了動(dòng)設(shè)備的投資，同時(shí)獨(dú)立的氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)又增加了設(shè)備的可操作性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的連接結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的介紹： 圖1所示，本發(fā)明所述的一種用于分離混合氣的深冷分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括分子篩凈化單元Ⅰ和深冷分離裝置冷箱Ⅱ兩部分，至少含有一氧化碳、氫氣、甲烷和少量氮?dú)獾幕旌蠚怏w與分子篩凈化單元Ⅰ入口管道101連通，分子篩凈化單元Ⅰ經(jīng)脫除二氧化碳、甲醇和水在低溫下易凝固的雜質(zhì)后、通過(guò)第一管道102與深冷分離裝置冷箱Ⅱ中的第一主換熱器1、氣提塔塔底再沸器3、脫甲烷塔塔底再沸器4、第二主換熱器2依次連通，在連接于氫氣分離罐5的中部入口，所述氫氣分離罐5的頂部接出三路富氫氣管道108、109、110分別經(jīng)兩個(gè)主換熱器2、1復(fù)熱富氫氣以回收冷量后與外部富氫氣收集系統(tǒng)Ⅳ連通；所述氫氣分離罐5的底部接出有兩股液體管道，一股液體管道111經(jīng)第一節(jié)流閥6、第二主換熱器2與氣提塔8中部入口管道112連通，另一股液體管道111經(jīng)第二節(jié)流閥7與氣提塔8上部入口管道113連通；

所述的氣提塔8塔頂部接出有第一閃蒸氣管道114，并分別通過(guò)兩路管道115、116經(jīng)兩個(gè)主換熱器2、1與外部第一閃蒸氣收集系統(tǒng)Ⅲ連通；氣提塔8塔底接出的液體管道117經(jīng)第二主換熱器2、節(jié)流閥9與脫氮塔10中部的入口管道118連接；

所述的脫氮塔10塔頂接出有第二閃蒸氣管道，并分別通過(guò)三路管道121、122、123經(jīng)兩個(gè)主換熱器2、1與外部第二閃蒸氣收集系統(tǒng)Ⅴ連通；脫氮塔10底部接出的液體管道126經(jīng)節(jié)流閥11、脫氮塔塔頂冷凝器12與脫甲烷塔13中部入口管道127連接；

所述的脫甲烷塔13塔頂接出有CO產(chǎn)品氣管道，該CO產(chǎn)品氣管道通過(guò)三路管道128、129、130經(jīng)兩個(gè)主換熱器2、1與CO產(chǎn)品氣收集系統(tǒng)Ⅵ連通；脫甲烷塔13底部接出有粗甲烷液體管路，該粗甲烷液體管路通過(guò)三路管道135、136、137經(jīng)兩個(gè)主換熱器2、1與外部粗甲烷氣收集系統(tǒng)Ⅶ連通。

圖中所示，所述氣提塔8設(shè)置有氣提塔塔底再沸器3，為外部熱虹吸再沸器，其熱流流股管道與進(jìn)冷箱的工藝氣管道104、105連通，冷流流股管道與氣提塔底部液體管道147、148連通，由工藝氣為氣提塔再沸器3提供熱量；

所述脫氮塔10頂部設(shè)置脫氮塔塔頂冷凝器12和塔底再沸管道124、125，脫氮塔塔頂冷凝器12熱流流股管道與脫氮塔10頂部氣相管道119和塔頂回流管道120連通，冷流管道與脫氮塔10塔底液體管道126及氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)17、141～146連通，此塔頂冷凝器12采用的是液氮熱虹吸冷凝器，其特征進(jìn)一步包括脫氮塔10底部再沸進(jìn)出口通過(guò)管道124、125與第二主換熱器2連通，由第二主換熱器2為脫氮塔10提供再沸熱量。

本發(fā)明所述的氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)的氮?dú)鈮嚎s機(jī)17出口氣體通過(guò)管道141經(jīng)兩個(gè)主換熱器1、2分為兩股，其中一股通過(guò)管道143與節(jié)流閥19連接，另一股通過(guò)管道143與節(jié)流閥18、脫氮塔塔頂冷凝器12冷流管道依次連接，然后兩股低壓氮?dú)饣旌虾笸ㄟ^(guò)管道144經(jīng)兩個(gè)主換熱器2、1后與氮?dú)鈮嚎s機(jī)17入口管道146連通，從而形成閉式循環(huán)，為系統(tǒng)提供冷量。

本發(fā)明所述的兩個(gè)主換熱器1、2設(shè)置有液氮補(bǔ)充通道，外部液氮補(bǔ)充系統(tǒng)Ⅷ與主換熱器1、2、節(jié)流閥15、液氮管道138、139、140連通，采用液氮的蒸發(fā)為系統(tǒng)提供冷量。

本發(fā)明所述的主換熱器1、2、設(shè)置于氣提塔塔底再沸器3，設(shè)置于脫氮塔的塔頂冷凝器12，設(shè)置于脫甲烷塔塔底再沸器4均為板翅式換熱器；

所述的氣提塔8為板式精餾塔、脫氮塔10為填料精餾塔、脫甲烷塔13為填料精餾塔。

本發(fā)明所述脫甲烷塔13型式為洗滌塔，塔底設(shè)置脫甲烷塔塔底再沸器4，置于脫甲烷塔13內(nèi)部為內(nèi)部熱虹吸再沸器，熱流流股管道與進(jìn)冷箱的工藝氣管道105、106連通，冷流流股與脫甲烷塔底部液體管道149、150連通，由工藝氣為脫甲烷塔再沸器4提供熱量，進(jìn)系統(tǒng)的循環(huán)CO氣體通過(guò)管道131、133經(jīng)兩個(gè)主換熱器1、2、節(jié)流閥14與脫甲烷塔上部的洗滌液管道134連通，經(jīng)冷卻、冷凝節(jié)流后的CO液體作為脫甲烷塔的洗滌液。

實(shí)施例：圖1所示，本發(fā)明用于分離含有一氧化碳、氫氣、甲烷和少量氮?dú)饣旌蠚獾纳罾浞蛛x裝置及方法，包括用于脫除雜質(zhì)氣體的分子篩凈化單元Ⅰ和深冷分離冷箱Ⅱ，所述深冷分離冷箱Ⅱ包括第一主換熱器1、第二主換熱器2、氫氣分離罐5、氣提塔8及所設(shè)置再沸器3、脫氮塔10及所設(shè)置冷凝器12、脫甲烷塔13及所設(shè)置再沸器4、氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)17、141～146和液氮通道138、139、140。含有一氧化碳（30%~90%）、氫氣（70%~10%）、甲烷、少量氮?dú)猓ā?%）及微量CO₂和甲醇混合氣（壓力：2.0MPaG~8.0MPaG）通過(guò)管道101進(jìn)入分子篩凈化單元Ⅰ，脫除微量的二氧化碳、甲醇或水等低溫下易凝固的雜質(zhì)，后通過(guò)管道102送至深冷分離裝置冷箱Ⅱ。

經(jīng)分子篩凈化單元Ⅰ脫除雜質(zhì)的滿足深冷分離要求的混合氣體通過(guò)管道102經(jīng)第一主換熱器1、氣提塔塔底再沸器3、脫甲烷塔塔底再沸器4和第二主換熱器2冷卻、冷凝至-170℃~-188℃（此溫度越低富氫氣中氫氣純度越高，CO回收率越高，可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整），通過(guò)管道107送入氫氣分離罐5的中部入口，在氫氣分離罐5內(nèi)進(jìn)行氣液分離，罐頂富氫氣通過(guò)管道108、109、110經(jīng)第二主換熱器2和第一主換熱器1回收冷量后出深冷分離冷箱Ⅱ與富氫氣收集系統(tǒng)Ⅳ連接，可經(jīng)變壓吸附PSA進(jìn)一步提純得到高純度氫氣，PSA的解析氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后與原料氣混合后送至冷箱，這樣可提高CO的回收率，氫氣分離罐底部液體經(jīng)管道111分為兩股，一股經(jīng)節(jié)流閥6節(jié)流至一定壓力（1.0MPaG~2.0MPaG）后送至第二主換熱器2部分蒸發(fā)，然后送至氣提塔8中部入口，另一股經(jīng)節(jié)流閥7節(jié)流制一定壓力（1.0MPaG~2.0MPaG）后直接送至氣提塔8上部入口，兩股流體的比例可根據(jù)氣提塔8的氣液比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

氣提塔8塔頂氣相為第一閃蒸氣，經(jīng)第二主換熱器2和第一主換熱器1回收冷量后出冷箱與外部第一閃蒸氣收集系統(tǒng)Ⅲ連通，氣提塔8底部液體經(jīng)第二主換熱器2冷卻后，再經(jīng)節(jié)流閥9節(jié)流至一定壓力（0.4MPaG~0.8MPaG）送至脫氮塔10中部入口，氣提塔設(shè)置塔底再沸器3，其熱量由原料氣提供，型式為熱虹吸再沸器。

脫氮塔10塔頂氣相為閃蒸氣2，經(jīng)第二主換熱器2和第一主換熱器1回收冷量后出冷箱與外部第二閃蒸氣收集系統(tǒng)連通，脫氮塔10底部液體經(jīng)節(jié)流閥11節(jié)流至一定壓力（0.1MPaG~0.4MPaG）后送至脫氮塔塔頂冷凝器12全部蒸發(fā)，然后送至脫甲烷塔13中部入口，脫氮塔設(shè)置塔頂冷凝器12，其冷量由脫氮塔塔底液體蒸發(fā)和氮?dú)庵评溲h(huán)系統(tǒng)17、141～146提供，型式為熱虹吸換熱器。

脫甲烷塔13頂氣相得到高純度CO產(chǎn)品氣（≥99%），經(jīng)第二主換熱器2和第一主換熱器1回收冷量后出冷箱送至CO壓縮機(jī)16壓縮至所需壓力（0.5MPaG~4.0MPaG），脫甲烷塔底部液體經(jīng)第二主換熱器2和第一主換熱器1回收冷量后出冷箱為粗甲烷氣，與外部粗甲烷氣收集系統(tǒng)Ⅶ連通。脫甲烷塔13采用的是CO洗滌工藝，經(jīng)CO壓縮機(jī)壓縮后的CO產(chǎn)品氣，部分抽出經(jīng)第一主換熱器1和第二主換熱器2冷卻冷凝后，經(jīng)節(jié)流閥14節(jié)流至一定壓力送至脫甲烷塔上部入口作為洗滌液，將工藝氣中的甲烷脫除。脫甲烷塔設(shè)置塔底再沸器4，其熱量由原料氣提供，型式為熱虹吸再沸器。

同時(shí)，裝置配備了氮?dú)庋h(huán)制冷系統(tǒng)，將經(jīng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)17壓縮至一定壓力（1.0MPaG~3.5MPaG）的出口氣體經(jīng)第一主換熱器1、第二主換熱器2冷卻冷凝后分為兩股，其中一股經(jīng)節(jié)流閥19節(jié)流至一定壓力（0.2MPaG~0.5MPaG）后產(chǎn)生冷量，另一股經(jīng)節(jié)流閥18節(jié)流至一定壓力（0.2MPaG~0.5MPaG）后為脫氮塔塔頂冷凝器12提供冷量，然后節(jié)流后的兩股混合氣經(jīng)第二主換熱器2和第一主換熱器1回收冷量后出冷箱送至氮?dú)鈮嚎s機(jī)17入口，重新進(jìn)行壓縮，構(gòu)成氮?dú)庵评溟]式循環(huán)。

另外，為優(yōu)化裝置的冷量補(bǔ)充方案，主換熱器設(shè)置了液氮通道15、138、139、140，需采用少量液氮為裝置提供冷量。

上述實(shí)施例是本發(fā)明的具體實(shí)施方式。對(duì)于分離含有一氧化碳、氫氣、甲烷和少量氮?dú)饣旌蠚獾纳罾浞蛛x裝置及方法可以做出多種等同的組合或變化，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。