СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРИОГЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ЭТАП ОТДЕЛЕНИЯ АЗОТА
METHOD AND DEVICE FOR CRYOGENIC SYNTHESIS GAS SEPARATION INCLUDING SEPARATION STAGE

Настоящее изобретение относится к процессу и к устройству для криогенного разделения синтез-газа, содержащего азот. Этот газ обычно содержит окись углерода, водород, метан и азот. Он предпочтительно содержит менее 50 мол. % метана. Он предпочтительно содержит более 10 мол. % окиси углерода.
Блоки для производства окиси углерода и водорода можно разделить на две части:
2
4
2
2
2
образование синтез-газа (смеси, содержащей главным образом H, CO, CH, CO, Ar и N). Среди различных промышленных способов получения синтез-газа все больше набирает популярность способ, основанный на газификации угля, особенно в странах, богатых углем, таких как Китай. Процесс частичного окисления природного газа также может быть полезным для производства CO, отдельно или с низкими соотношениями производства H/CO. Другим способом является паровой реформинг.
Очистка синтез-газа. Обнаруживается следующее:
блок для промывания жидким растворителем для удаления большей части кислых газов, присутствующих в синтез-газе;
блок для очистки на слое адсорбентов;
блок для криогенного разделения, обозначенный термином «теплоизолированный кожух», для получения CO.
4
В случае, когда синтез-газ получают путем газификации угля с вовлеченным слоем или псевдоожиженным слоем, процесс, проходящий в теплоизолированном кожухе, является частичной конденсацией. В случае, когда синтез-газ загрязнен метаном, для применений, связанных с MEG, TDI/MDI или PC, например, необходимо, чтобы теплоизолированный кожух включал колонну для отделения CH. В случае, когда синтез-газ загрязнен азотом, если азот используют для транспортировки угля, например, необходимо, чтобы теплоизолированный кожух включал колонну для отделения азота.
2
2
В документе DE19541339 описана колонна CO/N, расположенная выше по потоку относительно колонны для разделения метана и окиси углерода. Повторное кипячение в колонне для разделения метана и окиси углерода обеспечивается конденсацией азотом из контура. Конденсация в верхней части колонны CO/N обеспечивается испарением жидкого N2 из контура при низком давлении.
2
Азот, испаренный в конденсаторах колонн CO/N и для разделения метана и окиси углерода, возвращается на вход компрессора азотного контура.
2
Колонна CO/N работает при относительно низком давлении (2,6 бар).
Давление в колонне для разделения метана и окиси углерода является относительно низким.
2
Конденсация в верхней части колонны CO/N обеспечивается испарением кубовых продуктов из колонны для разделения метана и окиси углерода и, кроме этого, повторным нагреванием богатой водородом фракции из емкости для частичной конденсации синтез-газа.
2
Получаемый CO на выходе из колонны CO/N отправляется обратно на вход компрессора CO для сжатия до требуемого давления.
2
2
2
Верхний конденсатор колонны CO/N имеет значительный объем, поскольку этот дополнительный элемент снабжается путем повторного нагревания водорода, и результатом является большой поток газа: поскольку этот теплообменник должен быть расположен на определенной высоте относительно верхней части колонны CO/N, его значительный объем может усложнить транспортировку узла, содержащего колонну CO/N.
Указанная конфигурация приводит к высокому энергопотреблению на уровне компрессора контура CO, поскольку произведенный CO необходимо сжимать.
2
Это приводит к потребности в компрессоре CO, который является более дорогостоящим, чем компрессор N.
2
4
2
Соединение конденсатора CO/N и ребойлера для разделения метана и окиси углерода вызывает трудности в работе узла, когда количества CH и N в поступающем синтез-газе изменяются.
В документе DE2814600 описан процесс разделения, использующий колонну для удаления метана, после которой идет двойная колонна, в которой верхняя часть колонны для разделения CO/аргона нагревает дно колонны деазотирования.
Верхний конденсатор деазотирования испаряет жидкость со дна колонны деазотирования после расширения и испарения жидкости в азотном контуре. Напротив, азотный контур не используется в качестве охлаждающей текучей среды для конденсации верхней части отделения из колонны для отделения CH4, в колонне 26 или в колонне 13. Верхнюю часть колонны 13 для отделения CH4 охлаждают водородом.
Это приводит к большему размеру теплообменника в верхней части колонны 13, который занимает больше пространства в узле теплоизолированного кожуха и, таким образом, его сложнее транспортировать. Более того, подача охлаждения является недостаточной и CH4 остается в текучей среде, отправляемой во вторую колонну, в то время как согласно настоящему изобретению одна колонна удаляет весь CH4.
В документе DE2814660 описан контур N2, ведущий в ребойлер нижней части колонны аргон/CO, давление в котором также больше давления в настоящем изобретении, где повторное кипячение в колонне для разделения метана и окиси углерода осуществляется посредством синтез-газа.
2
Согласно этому известному уровню техники повторное кипячение при разделении CO/N2 обеспечивается контуром N2 посредством нижнего ребойлера колонны аргон/CO, таким образом требуя более высокого давления, чем давление согласно настоящему изобретению, где существует потребность в повторном кипячении азота исключительно при давлении колонны CO/N.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предоставлен процесс разделения газовой смеси, содержащей окись углерода, азот, водород и необязательно метан, где:
i) смесь охлаждают в теплообменнике,
ii) смесь, охлажденную в теплообменнике, разделяют посредством по меньшей мере одного этапа очистки и/или дистилляции, и/или частичной конденсации с образованием обедненной по водороду текучей среды, содержащей окись углерода и азот,
iii) обедненную по водороду текучую среду подают в колонну деазотирования, имеющую верхний конденсатор и нижний ребойлер, для получения газа, обогащенного азотом, в верхней части колонны и обедненной по азоту жидкости на дне колонны,
iv) конденсатор колонны деазотирования охлаждают посредством азотного контура, использующего азотный компрессор, имеющий по меньшей мере первую ступень и вторую ступень, причем входное давление первой ступени ниже, чем входное давление второй ступени,
v) жидкость со дна колонны деазотирования расширяют и отправляют в верхний конденсатор колонны деазотирования для по меньшей мере частичного испарения посредством теплообмена в теплообменнике конденсатора с газом, обогащенным азотом, который таким образом конденсируют,
vi) жидкий азот из азотного контура также испаряют в теплообменнике конденсатора и испаренный азот возвращают в теплообменник на входе второй ступени азотного компрессора, и
a) жидкость со дна колонны деазотирования отправляют в колонну для разделения метана и окиси углерода, содержащую верхний конденсатор, который представляет собой испаритель для ванны, расположенный в ванне жидкости, или
b) разделение на этапе ii) включает этап дистилляции в колонне для разделения метана и окиси углерода с целью отделения потока, обедненного по метану, от потока, обогащенного метаном, и при этом по меньшей мере часть потока, обедненного по метану, составляет текучую среду, обедненную по водороду, поступающую в колонну деазотирования, причем колонна для разделения метана и окиси углерода содержит верхний конденсатор, который представляет собой испаритель для ванны, расположенный в ванне жидкости,
причем в ванну жидкости из a) или b) подают жидкий азот из азотного контура.
Согласно другим, необязательным аспектам настоящего изобретения:
- Смесь содержит метан.
- Разделение на этапе ii) включает этап дистилляции в колонне для разделения метана и окиси углерода с целью отделения потока, обедненного по метану, от потока, обогащенного метаном, и по меньшей мере часть потока, обедненного по метану, составляет текучую среду, обедненную по водороду, поступающую в колонну деазотирования.
- Жидкость со дна колонны деазотирования отправляют в колонну для разделения метана и окиси углерода.
- Колонна для разделения метана и окиси углерода содержит верхний конденсатор, который представляет собой испаритель для ванны, расположенный в ванне жидкости.
- В верхний конденсатор колонны для разделения метана и окиси углерода подают жидкий азот из азотного контура.
- Жидкий азот из верхнего конденсатора колонны для разделения метана и окиси углерода отправляют для испарения в верхнем конденсаторе колонны деазотирования.
- Смесь, охлажденную в теплообменнике, разделяют посредством по меньшей мере одного этапа частичной конденсации с целью образования газа, обедненного по водороду, этот газ, обедненный по водороду, отправляют в промежуточный уровень отпарной колонны, содержащей нижний ребойлер, и жидкость со дна отпарной колонны отправляют в колонну деазотирования в случае a) или в колонну для разделения метана и окиси углерода в случае b).
- Ребойлер отпарной колонны и/или ребойлер колонны для разделения метана и окиси углерода повторно нагревают с помощью по меньшей мере части газовой смеси.
- Рабочее давление колонны деазотирования составляет по меньшей мере 7 бар абс. или даже 8 бар абс.
- Рабочее давление колонны для разделения метана и окиси углерода составляет по меньшей мере 5 бар абс. или даже 6 бар абс.
- Верхний конденсатор колонны для разделения метана и окиси углерода охлаждают только азотом из контура.
- Ребойлер колонны деазотирования повторно нагревают посредством азота из контура.
- Азот, используемый для повторного нагревания ребойлера колонны деазотирования, находится под максимальным давлением азотного контура.
- Азот, отправленный в ванну конденсатора колонны для разделения метана и окиси углерода, конденсируется под максимальным давлением азотного контура.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставлено устройство для разделения газовой смеси, содержащей окись углерода, азот, водород и необязательно метан, содержащее теплообменник для охлаждения смеси; средство для разделения смеси, охлажденной в теплообменнике, посредством по меньшей мере одного этапа очистки и/или дистилляции, и/или частичной конденсации с образованием обедненной по водороду текучей среды, содержащей окись углерода и азот; колонну деазотирования, содержащую верхний конденсатор и необязательно нижний ребойлер; трубу для отправки обедненной по водороду текучей среды в колонну деазотирования с целью получения газа, обогащенного азотом, в верхней части колонны и жидкости, обедненной по азоту, на дне колонны; азотный контур, использующий азотный компрессор, имеющий по меньшей мере первую ступень и вторую ступень, причем входное давление первой ступени ниже, чем входное давление второй ступени; средство для отправки жидкости азотного контура в конденсатор колонны деазотирования; средство для расширения жидкости со дна колонны деазотирования; средство для отправки расширенной жидкости в верхний конденсатор колонны деазотирования для по меньшей мере частичного испарения посредством теплообмена в теплообменнике конденсатора с газом, обогащенным азотом, который тем самым конденсируется; средство для отправки азота, испаренного в теплообменнике конденсатора, на вход второй ступени азотного компрессора; колонну для разделения метана и окиси углерода, содержащую верхний конденсатор, который представляет собой испаритель для ванны, расположенный в ванне жидкости,
a) средство для отправки жидкости со дна колонны деазотирования в колонну для разделения метана и окиси углерода или
b) средство для колонны для разделения метана и окиси углерода, образующее часть средства для разделения смеси, охлажденной в теплообменнике, посредством по меньшей мере одного этапа дистилляции,
причем устройство дополнительно содержит средство для отправки жидкого азота из азотного контура в верхний конденсатор колонны для разделения метана и окиси углерода.
Устройство может содержать средство для отправки жидкого азота из верхнего конденсатора колонны для разделения метана и окиси углерода в верхний конденсатор колонны деазотирования.
Устройство может содержать по меньшей мере один фазовый разделитель для разделения смеси, охлажденной в теплообменнике, посредством этапа частичной конденсации с образованием газа, обедненного по водороду, отпарную колонну и средство для отправки газа, обедненного по водороду, в промежуточный уровень отпарной колонны.
2
Согласно настоящему изобретению повторное кипячение в колонне для разделения метана и окиси углерода осуществляют путем охлаждения синтез-газа, в то время как в DEXX его осуществляют путем конденсации контура: в схеме настоящего изобретения преимущество заключается в том, что имеется возможность повышать давление в колонне для разделения метана и окиси углерода, не повышая выходное давление компрессора N.
2
2
2
2
2
2
2
Конденсатор в верхней части колонны CO/N охлаждают посредством испарения по меньшей мере части жидкости со дна колонны CO/N после расширения, а также путем испарения жидкого N при среднем давлении. В известном уровне техники охлаждение осуществляют путем испарения жидкого N из контура под низким давлением. Испарение жидкости со дна после расширения позволяет значительно уменьшить поток в контуре N, предназначенный для испарения в конденсаторе, тем самым уменьшая поток в контуре N, а значит и мощность компрессора в контуре N. В известном уровне техники, поток азота является относительно интенсивным по сравнению с потоком получаемого CO.
2
2
2
2
2
2
2
Согласно настоящему изобретению азот, испаренный в конденсаторах колонн CO/N и для разделения метана и окиси углерода, возвращается в промежуточную ступень компрессора N, в то время как в известном уровне техники он возвращается на вход компрессора. Следовательно известный уровень техники приводит к увеличению энергии сжатия в контуре. В известном уровне техники поток 54 возвращается при таком же давлении (2,4 бар), что и поток N, требуемый для охлаждения синтез-газа в E2, в то время как в схеме настоящего изобретения поток N, испаренный в конденсаторах, возвращается в компрессор N при более высоком давлении, чем поток N, необходимый для охлаждения синтез-газа. В этом случае это возможно благодаря тому, что колонна CO/N работает под более высоким давлением (по меньшей мере 7 бар, например 8,5 бар) по сравнению с известным уровнем техники (2,6 бар).
2
- На фиг. 3 в документе DE102012020469 показан насос для повышения давления в колонне для разделения метана и окиси углерода, но это давление остается низким (3,6 бар) по сравнению со схемами согласно настоящему изобретению (по меньшей мере 5 бар или даже по меньшей мере 6 бар), и, как изображено на фиг. 3, жидкий N2 из конденсатора колонны для разделения метана и окиси углерода находится под низким давлением и возвращается на вход компрессора, в то время как в схеме настоящего изобретения азот из верхнего конденсатора колонны для разделения метана и окиси углерода возвращается в промежуточную ступень компрессора N (под более высоким давлением, чем азот, используемый для охлаждения синтез-газа в основном теплообменнике).
2
Так как согласно настоящему изобретению колонна CO/N находится под более высоким давлением, возможно непосредственно получать CO без повторного сжатия.
2
2
2
Энергию для конденсации в верхней части колонны CO/N обеспечивают посредством испарения жидкости со дна, после расширения, и дополнительно посредством испарения азота под низким давлением из контура N. Это уменьшает размер верхнего конденсатора и позволяет транспортировать узел, содержащий колонну CO/N и ее верхний конденсатор.
Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на две фигуры, каждая из которых представляет процесс разделения согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 газовая смесь 1, полученная, например, посредством газификации угля, содержит окись углерода, водород, метан, воду и азот. Газ 1 очищают в слоях 3A, 3B адсорбента и охлаждают в холодильном устройстве 4. Затем его отправляют для охлаждения в первый теплообменник E1. Частичные потоки синтез-газа используют для повторного нагревания нагревателей R1, R2, которые изображены два раза в разных местах на графическом материале для ясности. После расширения в клапане разделение происходит в фазовом разделителе S1, в результате чего образуются газ 5 и жидкость 7. Газ 5 охлаждают в теплообменнике E2, расширяют и отправляют в фазовый разделитель S4. Газ 9 из этого фазового разделителя S4, богатый водородом, повторно нагревают в теплообменниках E2, E1, и часть газа используют для регенерации слоев 3A, 3B адсорбента. Часть 11 жидкости из фазового разделителя S4 расширяют и отправляют в верхнюю часть отпарной колонны K1, работающей под давлением 17,6 бар. Колонна K1 не содержит верхнего конденсатора, но имеет нижний ребойлер R1. Остальную часть 13 жидкости из фазового разделителя S4 расширяют и отправляют в фазовый разделитель S3. Газ 17 из верхней части колонны K1 повторно нагревают в теплообменниках E1, E2.
Жидкость 7 из фазового разделителя S1 смешивают с другими текучими средами (газом из верхней части из разделителя S3, полученным из жидкости 13 из разделителя S4) с образованием потока 8, который отправляют в фазовый разделитель S2 и затем в промежуточный уровень отпарной колонны K1.
Газ из фазового разделителя S3 и жидкость из фазового разделителя S3 после испарения в теплообменнике E2 смешивают с текучей средой 7 для подачи в колонну K1.
2
Жидкость 19 со дна колонны K1 забирают при температуре -154°C, расширяют при давлении 8,3 бар и отправляют в фазовый разделитель S5, и газ и жидкость из фазового разделителя отправляют в промежуточный уровень колонны K2 CO/N, работающей под давлением 8,3 бар. Колонна K2 содержит верхний конденсатор C1, состоящий из пластинчатого теплообменника, и нижний ребойлер R2.
Газ 27 из верхней части колонны K2 частично конденсируется в конденсаторе C1, и полученную в результате жидкость L, 29, возвращают в верхнюю часть колонны K2 и отчасти, а остальной газ V, обогащенный азотом, повторно нагревают в теплообменниках E2, E1 как газ 31.
Жидкость 53 из верхнего конденсатора C2 колонны K3 испаряют посредством теплообмена с газом 27 в конденсаторе C1, образуя 55, который отправляют на вход компрессора V3.
2
2
Жидкость 33 со дна, обогащенную окисью углерода и обедненную по азоту, разделяют на две части 21, 35 и расширяют. Расширенную часть 21 под давлением 6,5 бар отправляют в фазовый разделитель, жидкость из которого частично используют для охлаждения конденсатора C1. Соответственно, верхний конденсатор C1 колонны K2 CO/N охлаждают посредством испарения по меньшей мере части жидкости 33 со дна колонны K2 CO/N после расширения и испарения жидкого азота 53 при среднем давлении. Испарение жидкости 33 со дна после расширения позволяет значительно уменьшить поток в азотном контуре для испарения в конденсаторе C1, тем самым уменьшая поток в азотном контуре, а значит и мощность компрессора V1, V2, V3 в азотном контуре.
Остальную часть жидкости из разделителя S8 и часть 35 подают в колонну K3 для разделения метана и окиси углерода после прохождения через фазовый разделитель S6, из которого газ и жидкость отправляют в разные промежуточные уровни колонны K3.
Колонна K3 содержит верхний конденсатор C2, состоящий из пластинчатого теплообменника, расположенного в ванне с жидкостью для испарения, и нижний ребойлер R3. Газ из верхней части, обогащенный окисью углерода, конденсируется в конденсаторе C2, и жидкость 39 со дна, богатую метаном, расширяют и повторно нагревают в теплообменнике E1. Колонна K3 функционирует под давлением 6,6 бар.
Пластинчатый теплообменник окружен кольцевым барьером, образующим переливную стенку P. Соответственно, жидкость, окружающая теплообменник, может проходить через барьер P для удаления в виде жидкостей 43, 53.
Верхний конденсатор C2 колонны K3 охлаждают сжатым и расширенным азотом 59 из компрессора V1, V2, V3 азотного контура после охлаждения в теплообменниках E1, E2. Испаренный азот возвращают выше по потоку относительно последней ступени V3 компрессора азотного контура. Азот под давлением на выходе из ступени V3 также используют для повторного нагревания ребойлера R2 колонны K2.
Ребойлеры R1 и R3 колонн K1 и K3 повторно нагревают частичными потоками подачи 1 ниже по потоку относительно теплообменника E1 и выше по потоку относительно фазового разделителя S1. Это повторное кипячение колонны K3 для разделения метана и окиси углерода путем охлаждения синтез-газа обладает преимуществом, которое заключается в обеспечении возможности увеличения давления колонны для разделения метана и окиси углерода без увеличения давления на выходе из компрессора азотного контура. Частичные потоки, отправленные в ребойлеры R1, R3, имеют одинаковую температуру и одинаковое давление.
2
2
2
2
Жидкий азот 53 со дна конденсатора C2 колонны K3 отправляют для испарения в конденсатор C1 колонны K3 и впоследствии возвращают ниже по потоку относительно ступени V2 и выше по потоку относительно ступени V3. Соответственно, азот, испаренный в конденсаторах C1, C3 колонны K2 CO/N и колонны K3 для разделения метана и окиси углерода, возвращают в промежуточную ступень азотного компрессора V1, V2; поток 57 N2, испаренного в конденсаторах C1, C2, возвращают в компрессор N при более высоком давлении, чем поток N, необходимый для охлаждения синтез-газа. В этом случае это становится возможным благодаря работе колонны K2 CO/N при более высоком давлении (8,5 бар) по сравнению с известным уровнем техники (2,6 бар).
Газ 41, богатый окисью углерода, выводят из колонны K3 под давлением 6,6 бар и с температурой -170,4°C и повторно нагревают в теплообменниках E1, E2. Предпочтительно компрессор для окиси углерода не используется. Он является продуктом процесса и его не сжимают.
Подача жидкого азота 69 позволяет компенсировать утечки из азотного контура. Отправляемая в фазовый разделитель S7, эта образованная жидкость испаряется в теплообменнике E2, смешивается с газом из разделителя S7 и отправляется на вход компрессора V1.
Часть 47 жидкого азота в конденсаторе C2 расширяют и отправляют в разделитель S7, и образованный газ 49 поступает на вход компрессора V1.
Другую часть 45 той же жидкости расширяют при более низком давлении и отправляют на выход компрессора V1 и вход компрессора V2.
Рабочее давление колонны деазотирования K2 составляет по меньшей мере 7 бар абс. или даже 8 бар абс.; рабочее давление колонны K3 для разделения метана и окиси углерода составляет по меньшей мере 5 бар абс. или даже 6 бар абс.
На фиг. 2 нитрификационная колонна и колонна для разделения метана и окиси углерода расположены в обратном порядке.
Соответственно, жидкость 19 со дна отпарной колонны отправляют не в колонну деазотирования, а место этого отправляют в промежуточную точку колонны K3 для разделения для разделения метана и окиси углерода, после разделения фазовым разделителем S5.
Колонна K3 для разделения метана и окиси углерода содержит нижний ребойлер R3, который нагревают подачей, и верхний конденсатор C2, который используют для конденсации газа 51 из верхней части, который возвращают в колонну K3 в конденсированной форме. Конденсатор охлаждают конденсированным азотом 61, 63, полученным путем конденсации азота 59 из контура из компрессора V3 в теплообменниках E1, E2 и в ребойлере R2. Жидкость частично испаряется, образуя газ 55, который возвращают на вход компрессора V3, и жидкость, которая проходит через барьер P. Часть 31 жидкости испаряется в теплообменнике E2 и возвращается на вход компрессора V3. Другую часть 53 используют для охлаждения верхнего конденсатора C1 колонны K2, как было описано ранее.
Метан 39 со дна колонны K3 повторно нагревают в теплообменнике E1, чтобы выпускать из устройства в качестве продукта. Газ 26 из верхней части, обогащенный окисью углерода и содержащий азот, выходит к средней части колонны деазотирования K2.
Колонна K2 содержит верхний конденсатор C1, состоящий из пластинчатого теплообменника, и нижний ребойлер R2, который нагревают азотом из контура. Газ 27 из верхней части колонны K2 частично конденсируют в конденсаторе C1 и образованную жидкость L, 29, возвращают в верхнюю часть колонны K2 и отчасти, а остальной газ V, обогащенный азотом, повторно нагревают в теплообменниках E2, E1 как газ 31.
Жидкость 53 из верхнего конденсатора C2 колонны K3 испаряют посредством теплообмена с газом 27 в конденсаторе C1 с образованием газа 55, который отправляют на вход компрессора V3.
2
2
Жидкость 21 со дна, обогащенную окисью углерода и обедненную по азоту, расширяют. Эту жидкость под давлением 6,5 бар отправляют в фазовый разделитель, из которого жидкость частично используют для охлаждения конденсатора C1. Соответственно, верхний конденсатор C1 колонны K2 CO/N охлаждают посредством испарения по меньшей мере части жидкости 33 со дна колонны K2 CO/N, после расширения и испарения жидкого азота 53 при среднем давлении. Испарение жидкости 33 со дна после расширения позволяет значительно уменьшить поток в азотном контуре, предназначенный для испарения в конденсаторе C1, тем самым уменьшая поток в азотном контуре, а значит и мощность компрессора V1, V2, V3 в азотном контуре.
Газ 31 является богатым окисью углерода продуктом процесса.
Рабочее давление колонны деазотирования K2 составляет по меньшей мере 7 бар абс. или даже 8 бар абс.; рабочее давление колонны K3 для разделения метана и окиси углерода составляет по меньшей мере 5 бар абс. или даже 6 бар абс.