секция установки и способ для разделения и очистки синтез-газа

Формула изобретения

1. Секция установки для разделения и очистки синтез-газа, отличающаяся тем, что она состоит из устройства для парциальной конденсации синтез-газа, включающего

теплообменник А для охлаждения подаваемого в секцию установки синтез-газа;

соединенный с теплообменником А сепаратор В для разделения синтез-газа 2 на газовую фракцию 4, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода, и жидкую фракцию 5, состоящую в основном из монооксида углерода и метана;

выпарной аппарат С для дальнейшего разделения подаваемой из сепаратора В газовой фракции 4 на газовую фракцию 6, состоящую в основном из водорода, и жидкую фракцию 7, состоящую в основном из монооксида углерода;

выпарной аппарат D, в котором испаряется абсорбированный в жидкости 7 водород, и остающаяся, содержащая в основном монооксид углерода жидкость 8 может быть направлена в дистилляционную колонну F;

еще один выпарной аппарат Е, в котором еще абсорбированный в жидкой фракции 5 сепаратора В водород удаляется испарением и содержащая в основном монооксид углерода и метан жидкость 9 может быть направлена в дистилляционную колонну F;

дистилляционную колонну F для отделения газообразного монооксида углерода и получения метана из отводимой из нижней части этой колонны жидкости;

и устройства для промывки азотом, включающего

промывную колонну G для отделения жидким азотом примесей из содержащей в основном водород газовой фракции 6 выпарного аппарата С и утилизации примесей в качестве горючего газа 12,

причем устройство для азотной промывки примыкает к устройству для парциальной конденсации.

2. Секция установки по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник А может принимать множество направляемых в него газовых и жидкостных потоков и охлаждать или нагревать их до заданных температур.

3. Секция установки по п.1, отличающаяся тем, что выпарные аппараты С, D и Е являются выпарными аппаратами мгновенного испарения, с помощью которых может быть удален растворенный в жидкости газ.

4. Секция установки по п.1, отличающаяся тем, что дистилляционная колонна F имеет теплообменник, через который пропускают синтез-газ любого состава, или выполненный в нижней части этой колонны отвод для скапливающейся там жидкости, которая после пропускания через теплообменник А может быть возвращена в дистилляционную колонну F.

5. Секция установки по п.1, отличающаяся тем, что промывная колонна G имеет подводящие трубопроводы для газообразного и жидкого азота.

6. Способ разделения и очистки синтез-газа в секции установки по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что сначала проводят парциальную конденсацию синтез-газа и затем промывку жидким азотом.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в сепараторе В проводят разделение синтез-газа 2 на газовую фракцию 4, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода, и жидкую фракцию 5, состоящую в основном из монооксида углерода и метана, при давлении приблизительно 78 бар и температуре минус (171±10)°С.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что в выпарном аппарате С проводят разделение газовой фракции 4 на состоящую в основном из водорода газовую фракцию 6 и состоящую в основном из монооксида углерода жидкость 7 при давлении приблизительно 78 бар и температуре минус (195±10)°С.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что в выпарном аппарате D испаряют абсорбированный в жидкости 7 водород при давлении 6 бар и температуре минус (195±10)°С.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что в выпарном аппарате Е испаряют абсорбированный в жидкости 5 водород при давлении 6 бар и температуре минус (171±10)°С.

11. Способ по п.6, отличающийся тем, что в дистилляционной колонне F отделение монооксида углерода проводят при давлении около 5 бар и температуре в верхней части колонны около минус 175°С и температуре в нижней части колонны около минус 155°С.

12. Способ по п.6, отличающийся тем, что в промывной колонне G отделение примесей из состоящей в основном из водорода газовой фракции 6 проводят жидким азотом при давлении около 77 бар и температуре минус (185±10)°С.

13. Способ по п.6, отличающийся тем, что молярное соотношение водорода к азоту в отводимой из верхней части промывной колонны G газовой смеси устанавливают на значение около 3:1.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к секции установки и способу для разделения и очистки синтез-газа, который позволяет проводить две стадии процесса в одной секции установки. В частности, способ позволяет проводить в одной единственной секции установки парциальную конденсацию синтез-газа и промывку синтез-газа жидким азотом и при этом получать несколько очищенных газов или газовых смесей, непосредственно пригодных для дальнейших химических синтезов.

Известно, что для разделения и очистки синтез-газов применяются производственные установки, в которых, как правило, может быть выделен лишь один компонент синтез-газа, полученного путем парциального окисления природного газа. В этих известных способах монооксид углерода выделятся с применением методов холодильной техники в секции установки, которая известна как устройство для парциальной конденсации газа ("Gas Production", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol. A12, VCH Verlagsgesellschaft mbH (1989)). Методами холодильной техники получают также необходимый для производства аммиака синтез-газ, причем применяется секция установки, которая известна как «устройство для промывки азотом» (см. указанную выше ссылку). Обе секции установки выполнены совершенно различно. Общим для обоих способов, относящихся к области холодильной техники, является лишь применение многоходового пластинчатого теплообменника для охлаждения, а также для повторного нагревания газовых потоков.

Далее известен способ очистки конвертированного газа, в котором промывка производится жидким азотом (SU 179413, 08.04.1966 г.).

Каждый из этих способов требует устройства для охлаждения, что в секции парциальной конденсации в общем может быть достигнуто путем расширения монооксида углерода или водорода, в то время как секция азотной промывки требует жидкого азота.

Задача предложенного изобретения состоит в том, чтобы устранить описанные выше недостатки.

Задача решается предложенной секцией установки для разделения и очистки синтез-газа, отличие которой состоит в том, что она состоит из устройства для парциальной конденсации синтез-газа, включающего:

- теплообменник А для охлаждения подаваемого в секцию установки синтез-газа;

- соединенный с теплообменником А сепаратор В для разделения синтез-газа 2 на газовую фракцию 4, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода, и жидкую фракцию 5, состоящую в основном из монооксида углерода и метана;

- выпарной аппарат С для дальнейшего разделения подаваемой из сепаратора В газовой фракции 4 на газовую фракцию 6, состоящую главным образом из водорода, и жидкую фракцию 7, состоящую главным образом из монооксида углерода;

- выпарной аппарат D, в котором испаряется абсорбированный в жидкости 7 водород и остающаяся содержащая в основном монооксид углерода жидкость 8 может быть направлена в дистилляционную колонну F;

- еще один выпарной аппарат Е, в котором еще абсорбированный в жидкой фракции 5 сепаратора В водород удаляется испарением и содержащая в основном монооксид углерода и метан жидкость 9 может быть направлена в дистилляционную колонну F;

- дистилляционную колонну F для отделения газообразного монооксида углерода и получения метана из отводимой из нижней части этой колонны жидкости;

и устройства для промывки азотом, включающего:

- промывную колонну G для отделения жидким азотом примесей из содержащей в основном водород газовой фракции 6 выпарного аппарата С и утилизации примесей в качестве горючего газа 12,

причем устройство для азотной промывки примыкает к устройству для парциальной конденсации.

Предпочтительным вариантом осуществления является то, что теплообменник А может принимать множество направляемых в него газовых и жидкостных потоков и охлаждать или нагревать их до заданных температур, а выпарными аппаратами С, D и Е являются выпарные аппараты мгновенного испарения, с помощью которых может быть удален растворенный в жидкости газ.

Желательно также, чтобы дистилляционная колонна F имела теплообменник, через который пропускается синтез-газ любого состава, или выполненный в нижней части этой колонны отвод для скапливающейся там жидкости, которая после пропускания через теплообменник А может быть возвращена в дистилляционную колонну F.

Предпочтительно, чтобы промывная колонна G имела подводящие трубопроводы для газообразного или жидкого азота.

Поставленная задача также решается предложенным способом разделения и очистки синтез-газа в описанной выше секции установки по изобретению, отличие которого состоит в том, что сначала проводят парциальную конденсацию синтез-газа и затем промывку жидким азотом.

Предпочтительный вариант осуществления способа по изобретению состоит в том, что в сепараторе В проводят разделение синтез-газа 2 на газовую фракцию 4, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода, и жидкую фракцию 5, состоящую в основном из монооксида углерода и метана, при давлении приблизительно 78 бар и температуре минус 171±10°С, а в выпарном аппарате С проводят разделение газовой фракции 4 на состоящую, в основном, из водорода газовую фракцию 6 и состоящую, в основном, из монооксида углерода жидкость 7 при давлении приблизительно 78 бар и температуре минус 195±10°С.

Желательно в выпарном аппарате D испарять абсорбированный в жидкости 7 водород при давлении 6 бар и температуре минус 195±10°С, в выпарном аппарате Е испарять абсорбированный в жидкости 5 водород при давлении 6 бар и температуре минус 171±10°С, а в дистилляционной колонне F отделение монооксида углерода проводить при давлении около 5 бар и температуре в верхней части колонны около минус 175°С и температуре в нижней части колонны около минус 155°С.

В промывной колонне G желательно отделение примесей из состоящей, в основном, из водорода газовой фракции 6 проводить жидким азотом при давлении около 77 бар и температуре минус 185±10°С.

Предпочтительно, чтобы молярное соотношение водорода к азоту в отводимой из верхней части промывной колонны G газовой смеси устанавливать на значение около 3:1.

В настоящем изобретении две стадии очистки скомбинированы друг с другом в одном единственном процессе, причем неочищенный синтез-газ охлаждается до криогенных температур, при которых монооксид углерода может быть выделен из синтез-газа. Остающийся водород очищают промывкой азотом в промывной колонне G и затем, при необходимости смешав с другим потоком азота, применяют для синтеза аммиака.

Предлагаемая секция установки схематически показана на фиг.1.

Перечень позиций

А - теплообменник;

В - сепаратор;

С - выпарной аппарат;

D - выпарной аппарат;

Е - выпарной аппарат;

F - дистилляционная колонна;

G - промывная колонна;

1 - азот под повышенным давлением;

2 - синтез-газ;

3 - жидкий азот;

4 - газовая фракция, состоящая из водорода, монооксида углерода и следов метана;

5 - жидкая фракция, состоящая из монооксида углерода, метана и водорода;

6 - газовая фракция, состоящая из водорода и небольшого количества монооксида углерода;

7 - жидкая фракция, состоящая из монооксида углерода, небольшого количества метана и следов водорода;

8 - жидкая фракция, состоящая из монооксида углерода, небольшого количества метана и следов водорода;

9 - жидкая фракция, состоящая из монооксида углерода и метана;

10 - жидкая фракция, состоящая из метана и небольшого количества монооксида углерода;

11 - жидкий азот;

12 - жидкая фракция, состоящая из монооксида углерода, азота, водорода и небольшого количества следов аргона;

13 - газовая фракция, состоящая из монооксида углерода, небольшого количества водорода и небольшого количества метана;

14 - газовая фракция, состоящая из монооксида углерода;

15 - газовая фракция, состоящая из монооксида углерода, азота, водорода, метана и следов аргона;

16 - газовая фракция, состоящая из водорода и азота.

Состав показанных материальных потоков приводится в таблице 1.

Теплообменник А представляет собой предпочтительно многоходовой пластинчатый теплообменник, в котором теплообменные пластины, как правило, изготовлены из алюминия. Теплообменник А может принимать множество направляемых в него газовых и жидкостных потоков и охлаждать или нагревать их до заданных температур.

Синтез-газ 2, подаваемый через теплообменник А в секцию установки по изобретению, разделяется в сепараторе В на газовую фракцию 4, богатую водородом и содержащую монооксид углерода, и жидкую фракцию 5, богатую монооксидом углерода и метаном. Это разделение проводится при давлении около 78 бар и температуре минус 171±10°С. Газовая фракция 4 дальше охлаждается в теплообменнике А и затем направляется в выпарной аппарат С. Жидкость 5 декомпримируют до давления около 6 бар и направляют в выпарной аппарат Е.

Выпарной аппарат С представляет собой устройство, в котором происходит дальнейшее разделение богатого водородом газа 4, подаваемого из сепаратора В, а именно на газ 6, который состоит главным образом из водорода, и на жидкость 7, которая состоит главным образом из монооксида углерода. Это разделение проводится при давлении около 78 бар и температуре минус 195±10°С. Газ 6, еще загрязненный монооксидом углерода, вводится в нижнюю часть промывной колонны G. Жидкость 7 разделяется на два потока, один для дальнейшей очистки, и другой с избыточным монооксидом углерода, содержащий еще немного водорода. Он может быть использован в качестве синтез-газа для образования продуктов, таких как метанол, которые получаются из монооксида углерода и водорода.

Монооксид углерода 7, предусмотренный для дальнейшей очистки, декомпримируют до давления около 6 бар и вводят в выпарной аппарат D.

В выпарном аппарате D в процессе мгновенного испарения происходит испарение водорода, абсорбированного в монооксиде углерода. Монооксид углерода может затем после пропускания через теплообменник А быть использован в качестве горючего газа 15. Процесс мгновенного испарения проводится при давлении около 6 бар и температуре минус 195±10°С. Полученную при этом жидкость 8 направляют в дистилляционную колонну F.

Полученную в сепараторе В жидкость 5 направляют в выпарной аппарат Е, а водород, абсорбированный в жидком монооксиде углерода, испаряют, и затем он может быть отведен через теплообменник А и использован в качестве горючего газа. Это мгновенное испарение проводится при давлении около 6 бар и температуре минус 171±10°С. Полученную в выпарном аппарате Е жидкость 9 направляют в дистилляционную колонну F.

Дистилляционная колонна F служит для получения высокочистого монооксида углерода с чистотой выше 98% (об.). Дистилляционная колонна F находится под давлением около 5 бар и имеет в верхней части температуру около минус 175°С и в нижней части около минус 155°С. В дистилляционную колонну F подают смесь монооксида углерода и метана из выпарного аппарата Е (9) и состоящую в основном из монооксида углерода жидкость из выпарного аппарата D. Дистилляция в дистилляционной колонне F проводится путем нагревания посредством теплообменника, через который пропускают синтез-газ любого состава, или путем отведения жидкости через имеющийся в нижней части дистилляционной колонны F отвод для скапливающейся там жидкости, которая после пропускания через теплообменник А может быть возвращена в дистилляционную колонную F (на фиг.1 не показана). Отбираемый сверху дистилляционной колонны F газ представляет собой почти совершенно чистый монооксид углерода и направляется обратно в теплообменник А. После этого он может быть использован для синтезов, в которых требуется высокочистый монооксид углерода.

Выходящая снизу дистилляционной колонны F жидкость представляет собой почти чистый жидкий метан, который декомпримируют до давления около 1,3 бар и который после пропускания через теплообменник А может быть использован в качестве горючего газа.

Промывная колонна G служит для очистки водорода жидким азотом и для одновременного получения водородно-азотной смеси. Промывная колонна G находится под давлением около 77 бар и имеет температуру около минус 185±10°С. В нижнюю часть промывной колонны G по трубопроводу из выпарного аппарата С вводится почти чистый газообразный водород 6. В промывную колонну G подают жидкий азот, благодаря чему в промывной колонне G образуется смесь водорода и азота, которая имеет остаточную концентрацию монооксида углерода и аргона менее 5 частей на млн, соответственно менее 150 частей на млн. Отобранный сверху из промывной колонны G продукт затем можно смешать с другими потоками газообразного азота, установить молярное соотношение водорода к азоту около 3:1, в общем случае, молярное отношение 2,995, и после пропускания через теплообменник А использовать в качестве синтез-газа для синтеза аммиака. В нижней части промывной колонны G образуется смесь из жидкого монооксида углерода, аргона и азота, давление которой сбрасывают до значения 1,3 бар и которую после пропускания через теплообменник А используют в качестве горючего газа.

Применяемый в промывной колонне G жидкий азот с чистотой 99,995% сжижается в теплообменнике А и подается в виде находящегося под высоким давлением газообразного азота в промывную колонну G. Этот поток азота также может состоять из нескольких азотных потоков, вводимых в промывную колонну G при различных давлениях. Затем давление смеси разных азотных потоков может быть установлено на необходимое для процесса значение.

Применение жидкого азота имеет цель охлаждать находящиеся под низким давлением жидкостные потоки в нижней части промывной колонны G.

Предлагаемая в изобретении секция установки является центральным компонентом установки для разложения синтез-газа, описанной в одновременно поданной заявке на немецкий патент DE 10226209 А1. В ней описан весь способ разделения синтез-газа. При этом сначала выделяют содержащийся в синтез-газе монооксид углерода. Остающаяся газовая смесь, состоящая в основном из монооксида углерода и водорода, образует поток синтез-газа 2, при этом в упомянутой заявке описывается разделение именно синтез-газа 2 с помощью предлагаемой в настоящем изобретении секции установки.

Преимущества предлагаемой в изобретении секции установки и способа разделения и очистки синтез-газа перед предшествующим уровнем техники заключаются прежде всего в том, что:

a) обеспечивается гораздо более эффективный теплообмен в пластинчатых теплообменниках;

b) не требуется особой системы охлаждения в виде расширителя для очистки монооксида углерода, благодаря чему безопасность работы всей системы улучшается;

c) улучшается надежность газоснабжения благодаря тому, что в случае снижения потребности либо в монооксиде углерода, либо в аммиачном синтез-газе секцию установки по изобретению можно поддерживать в холодном состоянии, продолжая очистку другого синтез-газа, и очень быстро снова вернуть на полную производительность в отношении обоих синтез-газов;

d) предлагаемая в изобретении секция установки может быть сооружена более экономично в сравнении с двумя отдельными криогенными системами.

Таблица 1
Газовый поток	1	2	3	4	5	6	7	8
Состав, % (об.)
Метан		2,59		1,00	23,04	0,03	6,34	7,22
Монооксид углерода		19,94		16,46	64,16	4,81	82,04	91,43
Аргон		0,10		0,07	0,42	0,01	0,40	0,45
Водород		77,38		82,49	12,39	95,15	11,22	0,90
Азот	99,99		99,99
Темп. (°С)	40	36	-195	-171	-171	-195	-195	-193
Давление(бар абс.)	80	77	2	77	77	77	77	5,8
Паровая доля	1	1	0	1	0	1	0	0
Расход (т/ч)	142	149	6	118	32	51	67	41

Таблица 1 (продолжение)
Газовый поток	9	10	11	12	13	14	15	16
Состав, % (об.)
Метан	29,80	91,69		0,41	6,34	0,70	16,97
Монооксид углерода	69,23	7,66		69,00	82,04	98,14	46,89	2,57 ч/млн
Аргон	0,48	0,65		0,19	0,40	0,41	0,25
Водород	0,48			13,31	11,22	0,75	16,69	74,97
Азот			99,99	17,08			19,20	25,03
Темп. (°С)	-178	-143	-185	-196	31	31	31	31
Давление (бар абс.)	5,8	5,8	77	76	76	50	1,2	75
Паровая доля	0	0	0	0	1	1	1	1
Расход (т/ч)	27	6,2	39	26	63	25	43	166