专利名称：由合成气获得气体产物和液体甲烷的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及由主要由氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)组成的进料同时生产 至少气体产物和主要由液体甲烷(CH4)组成的产物(液体甲烷)的方法，其中所述进料在 实施低温气体分馏的单元中被分离成多种馏分。另外，本发明涉及实施本发明的方法的设备。
背景技术：
通过不同的气体生成方法，由含碳原料生成所谓的合成气，所述合成气主要由H2 和CO组成，但也含有甲烷(ch4)、水(h2o)和二氧化碳(co2)。通过提纯和分馏，由所述合成 气主要得到co、H2和h2/CO混合物的产物，这些产物在工业上以各种方式使用。产生的残余 气体馏分通常也含有ch4，通常被用作燃烧气体或循环到进料中。在一些气化方法，例如煤炭的固定床气化中，合成气中有非常高的CH4含量。为了 增加合成气设备总体的经济效率，试图将作为副产物产生的甲烷馏分同样进行经济利用。 如果可得到液体形式的纯甲烷馏分，可以将其装到货车或轮船中，作为甲烷产物运到更远 的消费者那里。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法和实施该方法的设备，其可以由含甲烷 的合成气以便宜的方式除了生产气体产物外，还生产液体甲烷产物。本发明的方法目的通过以下方式实现具有产品纯度的甲烷馏分从低温气体分馏 中以液体形式取出，并优选在过冷后，作为液体甲烷暂时储存在罐中。本发明的方法的其它实施方案有 低温气体分馏包括用液体CO气体洗涤和CO/CH4分离的方法步骤，其中所述CO/ ch4分离是在CO/CH4分离塔中进行的。 具有产品纯度的液体甲烷馏分从⑶/CH4分离塔的底部取出。 低温气体分馏塔的致冷要求通过优选2阶段的膨胀涡轮/压缩机过程(膨胀机 /增压机过程)来达到，其中优选使用的循环介质是氮气和/或CO。 低温气体分馏塔的致冷要求通过混合致冷剂循环来达到，其中传送由至少两种 组分组成的致冷剂，其中所述致冷剂的组分为氮气(n2)和/或甲烷(CH4)和/或乙烯(C2H4) 和/或乙烷(c2H6)和/或丙烯(C3H6)和/或丙烷(C3H8)和/或丁烷(C4H10)和/或戊烷
(c5h12)。
CO/CH4分离塔用再沸器加热，其中加热CO/CH4分离塔的能量来自进料。 低温气体分馏的进料的甲烷含量为至少lOmol %。 甲醇合成气和/或含氧气体和/或一氧化碳作为气体产物产生。本发明还涉及由主要由氢气(H2)、一氧化碳(C0)和甲烷(CH4)组成的进料同时生 产至少气体产物和主要由液体甲烷(CH4)组成的产物(液体甲烷)的设备，其包括低温气体分馏的单元(低温气体分馏塔)，其中所述进料可被分馏。本发明的设备的目的通过以下方式实现具有产品纯度的甲烷馏分可从低温气体 分馏塔中以液体形式取出，并优选在过冷后，可被转移到罐中作为液体甲烷暂时储存。在本发明的设备的开发中，提出如下方案 低温气体分馏塔包括用液体CO进行气体洗涤的洗涤塔和C0/CH4分离塔。 具有产品纯度的液体甲烷馏分可从C0/CH4分离塔的底部取出。 其包括至少一个膨胀涡轮(膨胀机)与压缩机(增压机)相连，来达到低温气 体分馏塔的致冷要求，通过所述膨胀机优选由氮气和/或CO组成的循环流可膨胀制冷，其 中每个增压机压缩至少部分循环流。 其包括用于满足低温气体分馏塔的致冷要求的单元，在该单元中在冷却回路中 传送由至少两种组分组成的致冷剂，其中所述致冷剂的组分为氮气(N2)和/或甲烷(CH4) 和/或乙烯(C2H4)和/或乙烷(C2H6)和/或丙烯(C3H6)和/或丙烷(C3H8)和/或丁烷 (C4H10)和 / 或戊烷(C5H12)。
C0/CH4分离塔包括再沸器，通过该再沸器可加热C0/CH4分离塔，其中加热的能 量可来自进料。下面参照
图1-4示意的示例性实施方案对本发明进行更详细的描述。在图3和4中，更详细地描述了前两个示例性实施方案中所提到的低温气体分馏 单元以及供冷的单元。在图1和2中，详细描述了生产甲醇合成气、一氧化碳和液体甲烷的合成气单元。 作为进料，每种情况下都使用粗合成气，其主要由氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)和二 氧化碳(co2)组成，用于固定床煤炭气化。优选通过煤炭气化产生的合成气1送入到使用低温甲醇的物理气体洗涤器(甲醇 洗涤器)R中以除去重烃、C02、含硫化合物和其它微量成分。纯化的合成气2经过吸附器站 A，在那里通过吸附去除剩余的杂质(微量的C02、甲醇和水)。现在经充分纯化不含无用物 质的合成气3从吸附器站A取出，返回到甲醇洗涤器R中用于与待冷却的工艺流相反的方 向加热，并最终作为进料通过管路4送入到低温气体分馏塔C中。与合成气1分离的物质 从甲醇洗涤器R取出，为C02产物41、酸性气体馏分50和残余气体60。在低温气体分馏塔C中，进料4被分馏成由氢气和一氧化碳组成的气体混合物5、 具有产品纯度的液体CH4馏分10、和富含H2的循环流30，所述富含H2的循环流30通过甲 醇洗涤器R内的循环压缩机(未显示)返回到合成气中以增加产率。低温气体分馏塔C与 压缩循环流26的压缩机V相连，该压缩机同时用作CO产物20和富含CO的支流21的产物 压缩机，所述富含C0的支流21被送入到甲醇合成气8中。压缩的循环流25返回到低温气 体分馏塔C中，在那里用于制冷。气体混合物5与C02馏分40和富含C0的流21 —起形成 作为界区的产物传送的甲醇合成气8，所述气体混合物5的一部分6被分支作为吸附器站A 的再生气体。液体CH4馏分10作为产物从低温气体分馏塔C中取出，进入到罐T中暂时储 存。为了达到其致冷要求，低温气体分馏塔C与用于天然气体液化的本领域技术人员 熟知的混合致冷剂循环K相连。通过管道80，从低温气体分馏塔C中取出受热的混合致冷 剂，在混合致冷剂循环K中冷却，并随后返回到低温气体分馏塔C中。
图2所显示的示例性实施方案与图1所示的不同之处在于满足低温气体分馏塔C 致冷要求的制冷类型。具有产品纯度的一氧化碳25’从压缩机VI分支，在增压机V3中进 一步压缩，随后作为气流27通入到低温气体分馏塔C，并通过管道28返回到增压涡轮E中。 在与增压器B直接相连的膨胀涡轮E中，气流28膨胀制冷，并通过管道28返回到低温气体 分馏塔C中，在最终通过管道26’送入到循环压缩机V中之前以与待冷却的工艺流相反的 方向被加热。在图3和4中，更详细描述了图2所示的示例性实施方案中所述的低温气体分馏 塔C，以及供冷用的2阶段膨胀机/增压机原理。在图3中，进料4以与待加热流相反的方向在热交换器W1中冷却，并通过管道101 传送。冷却的合成气101的一部分102用于加热C0/CH4分离塔T2的再沸器W3。从再沸器 W3出来的两相流103在分离器D1中被分离成液相和气相。富含烃的液相104从分离器D1 中取出，通过节流阀元件a膨胀，并通过管道106直接送入到C0/CH4分离塔T2中。从分离 器D1出来的气相105与合成气101的第二部分110混合形成混合流111，在热交换器W2中 通过冷却部分冷凝，并通过管道112送入到CO洗涤塔T1的底部空间。在CO洗涤塔T1中， 上升的富含H2气相用过冷的液体一氧化碳159洗涤以降低塔顶馏分120中的CH4含量。塔 顶馏分120在通过管道121被送入的热交换器W2和随后的热交换器W1中受热，然后通过 管道5流出低温气体分馏塔C并进入到甲醇合成气，形成其主要成分。从CO洗涤塔T1出 来的塔底馏分130通过节流阀元件b膨胀，并通过管道133引入到分离器D2中以除去其中 含有的部分氢气。富含H2的气相131在通过管道132被送入的热交换器W2和随后的热交 换器W1中受热，然后作为循环气体30返回到甲醇洗涤器中，在这里未显示。从分离器D2 出来的液相140被分成若干份。一部分141通过节流阀元件c膨胀，并通过管道142直接 送入到C0/CH4分离塔T2的上层部分。第二部分145通过节流阀元件d膨胀、蒸发并在通 过管道143被送入的热交换器W2中受热，通过管道146送入到C0/CH4分离塔T2的下层部 分进行中间加热。在C0/CH4分离塔T2的底部，产生具有产品纯度的液体甲烷，其通过管道 180被传送。特别通过液体CO返回156产生的具有低CH4含量的CO馏分160作为塔顶产 物被取出。液体CH4180在热交换器W2中被过冷，并通过管道10送入到低温气体分馏塔C 外的罐(未显示)中暂时储存。在该示例性实施方案中的压缩机V具有两部分VI和V2，其不仅用作C0产物20和 送入到甲醇合成气的C0进料21的产物压缩机，还用作满足低温气体分馏塔C的致冷要求 的制冷用循环压缩机。循环流25’在第二个压缩机部分V2的压力侧分支，被分成两个支流 175和176，这两个支流随后在与膨胀涡轮(膨胀机)E1和E2相连的两个增压机B1和B2中 同时被进一步压缩。压缩的气流177和178混合形成气流170，在热交换器W4中以与冷却 水相反的方向被冷却，并通过管道171送入热交换器W1中。在热交换器W1内，从C0流171 分离出两个支流172和174，这两个支流通过侧连接作为进料流送入到两个膨胀机E1和E2 中，在那里它们膨胀制冷。剩余的C0流在热交换器W1中进一步冷却，通过管道150送入到 热交换器W2中，在那里进一步冷却，冷凝和过冷，通过管道151传送。一部分152从过冷C0 流151分支，并通过节流阀元件e返回到热交换器W2中，在那里供给最大程度的冷。剩余 的C0流153被分成两个支流157和158，这两个支流在通过节流阀元件f和g膨胀后，分别 用作两个塔T1和T2的回流156和159。
来自C0/CH4分离塔的具有CO产品纯度的塔顶产物160与冷膨胀机E2的出口流 175和液体CO流152混合，在热交换器W2中蒸发，受热并通过管道154传送到热交换器W1 中。在热交换器W1中，通过加入到热膨胀机E1的出口流173并受热，由混合流154产生CO 流26’用于抽吸侧的压缩机V。图4所显示的示例性实施方案与图3所示的不同之处在于为低温气体分馏塔C供 冷的类型，其不是通过CO循环进行，而是通过氮循环进行的。为了防止氮进入具有产品纯 度的CO流中，C0/CH4分离塔T2*配有通过液氮冷却的冷凝器W5。进料4以与待加热流相反的方向在热交换器W1中冷却，并通过管道101传送。冷 却的合成气101的一部分102用于加热C0/CH4分离塔T2的再沸器W3。从再沸器W3出来 的两相流103在分离器D1中被分离成液相和气相。富含烃的液相104从分离器D1中取 出，通过节流阀元件a膨胀，并通过管道106直接送入到C0/CH4分离塔T2*中。从分离器 D1出来的气相105与合成气101的第二部分110混合形成混合流111，在热交换器W2中通 过冷却部分冷凝，并通过管道112送入到C0洗涤塔T1的底部空间。在C0洗涤塔T1中，上 升的富含吐气相用过冷的液体一氧化碳159*洗涤以降低塔顶馏分120中的CH4含量。塔 顶馏分120在通过管道121被送入的热交换器W2和随后的热交换器W1中受热，然后通过 管道5送入到甲醇合成气，形成其主要成分。从C0洗涤塔T1出来的塔底馏分130通过节 流阀元件b膨胀，并通过管道133引入到分离器D2中以除去其中含有的部分氢气。从分离 器D2出来的富含H2气相131与从分离器D3出来的气体馏分134混合形成混合流135，该 混合流在通过管道132被送入的热交换器W2和随后的热交换器W1中受热，然后作为循环 气体30返回到甲醇洗涤器中，在这里未显示。从分离器D2出来的液相140被分成若干份。 一部分141通过节流阀元件c膨胀，并通过管道142直接送入到C0/CH4分离塔T2*的上层 部分。第二部分145通过节流阀元件d膨胀、蒸发并在通过管道143被送入的热交换器W2 中受热，通过管道146送入到C0/CH4分离塔T2*的下层部分进行中间加热。在C0/CH4分离 塔T2*的底部，产生具有产品纯度的液体甲烷，其通过管道180取出，并在热交换器W2中被 过冷后，通过管道10送入到低温气体分馏塔C外的罐(未显示)中暂时储存。具有低CH4含量的富含C0馏分161从C0/CH4分离塔T2*中取出作为塔顶产物。在 冷凝器W5中通过与冷氮155相反的方向冷却，由富含C0气体馏分161产生两相组成的物 质162，其在分离器D3中被分离成富含氢的气相134以及具有C0产品纯度的液相156*和 190。液相156*回流循环到C0/CH4分离塔T2*的顶部，同时液相190用于泵P。液相191以 足够高的压力从泵P离开，为了首先分支出一部分157*通过节流阀元件fM专送作为回流 159*用于C0洗涤塔T1。不过其次，液相191的压力也足以蒸发通过管道130被送入热交 换器W2以及热交换器W1中的支流192并加热，以通过管道194流出低温气体分馏塔C，并 作为C0产物20以及送入甲醇合成气的进料21来进一步传送。压缩机V*用作制冷系统的循环压缩机以满足低温气体分馏塔C的致冷要求。通 过压缩氮26*在压缩机V*中产生的循环流25*被分成两个支流175*和176*，这两个支流随 后在与膨胀机E1*和E2*相连的两个增压机B1*和B2*中同时被进一步压缩。压缩的气流 177*和178*混合形成气流170*，在热交换器W4*中以与冷却水相反的方向被冷却，并通过管 道171*送入热交换器W1中。在热交换器W1内，从氮流171*分离出两个支流172*和174*， 这两个支流通过侧连接作为进料流送入到两个膨胀机E1*和E2*中，在那里它们膨胀制冷。
7剩余的氮流在热交换器W1中进一步冷却，通过管道150*送入到热交换器W2中，在那里进 一步冷却，冷凝和过冷，通过管道151M专送。一部分152*从过冷氮流151*分支，并通过节 流阀元件e*循环到热交换器W2中，在那里供给最大程度的冷。剩余的氮流153*通过节流 阀元件g*膨胀，并通过管道155送到冷凝器W5中，在那里以与C0/CH4分离塔T2*的塔顶馏 分161相反的方向受热。 从冷凝器W5取出的受热的氮流160*与冷膨胀机E2*的出口流175*和液氮流152* 混合，在热交换器W2中蒸发，受热并通过管道154M专送到热交换器W1中。在热交换器W1 中，通过加入到热膨胀机E1*的出口流173*并受热，由混合流154*产生总流26*用于抽吸侧 的压缩机圹。
权利要求
一种方法，其用于由主要由氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)组成的进料(4)同时生产至少气体产物(8，20)和主要由液体甲烷(CH4)组成的产物(液体甲烷)(10)，其中所述进料在实施低温气体分馏的单元(C)中被分离成多种馏分，其特征在于，具有产品纯度的甲烷馏分(10)从低温气体分馏中以液体形式取出，并优选在过冷后，暂时作为液体甲烷储存在罐(T)中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述低温气体分馏包括用液体CO(T1)进行气 体洗涤和C0/CH4分离的方法步骤，其中所述C0/CH4分离是在C0/CH4分离塔(T2，T2*)中进 行的。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，具有产品纯度的液体甲烷馏分(180)从C0/CH4 分离塔(T2，T2)的底部取出。
4.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，低温气体分馏塔(C)的致冷要求通过优 选2阶段的膨胀涡轮/压缩机过程(膨胀机/增压机过程)(El，Bl，E2，B2，El*，Bl*，E2*， B2*)来达到，其中优选使用的循环介质(25’，25*)是氮气和/或CO。
5.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，低温气体分馏塔(C)的致冷要求通过混 合致冷剂循环(K)来达到，其中传送由至少两种组分组成的致冷剂(80，81)，其中所述致冷 剂(80，81)的组分为氮气(N2)和/或甲烷(CH4)和/或乙烯(C2H4)和/或乙烷(C2H6)和/ 或丙烯(C3H6)和/或丙烷(C3H8)和/或丁烷(C4H10)和/或戊烷(C5H12)。
6.根据权利要求2-5之一的方法，其特征在于，所述C0/CH4分离塔(T2，T2*)用再沸器 (W3)加热，其中加热C0/CH4分离塔(T2，T2*)的能量来自进料(4，102)。
7.根据权利要求1-6之一的方法，其特征在于，低温气体分馏⑷的进料的甲烷含量为 至少 10mol%o
8.根据权利要求1-7之一的方法，其特征在于，甲醇合成气和/或含氧气体和/或一氧 化碳作为气体产物产生。
9.一种设备，其用于由主要由氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)组成的进料⑷ 同时生产至少气体产物(8，20)和主要由液体甲烷(CH4)组成的产物(液体甲烷)(10)，其 包括用于低温气体分馏的单元(低温气体分馏塔)(C)，在该单元中所述进料(4)被分馏，其 特征在于，具有产品纯度的甲烷馏分从低温气体分馏塔(C)中以液体形式取出，并优选在 过冷后，作为液体甲烷(10)转移到罐(T)中暂时储存。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于，所述低温气体分馏塔(C)包括用液体CO进行 气体洗涤的洗涤塔(T1)和C0/CH4分离塔(T2，T2*)。
11.根据权利要求10的设备，其特征在于，具有产品纯度的液体甲烷馏分(180)可从所 述C0/CH4分离塔(T2，T2*)的底部取出。
12.根据权利要求9-11之一的设备，其特征在于，所述设备包括至少一个膨胀涡轮(膨 胀机)(El，El*，E2，E2*)，所述膨胀涡轮与压缩机(增压机)(Bl, B2, Bl*，B2*)相连，来达到 低温气体分馏塔(C)的致冷要求，通过所述膨胀机优选由氮气和/或C0组成的循环流可膨 胀制冷，其中每个增压机(B1，B2，B1*，B2)压缩至少部分循环流。
13.根据权利要求9-11之一的设备，其特征在于，所述设备包括用于满足低温气体分 馏塔(C)的致冷要求的单元，在该单元中在冷却回路(K)中传送由至少两种组分组成的致 冷剂(80，81)，其中所述致冷剂的组分为氮气(N2)和/或甲烷(CH4)和/或乙烯(C2H4)和/ 或乙烷(C2H6)和/或丙烯(C3H6)和/或丙烷(C3H8)和/或丁烷(C4H10)和/或戊烷(C5H12)。
14.根据权利要求10-13之一的设备，其特征在于，所述⑶/CH4分离塔(T2，T2*)包括 再沸器(W3)，通过该再沸器可加热C0/CH4分离塔(T2，T2*)，其中加热的能量可来自进料(4， 102)。
全文摘要
本发明涉及一种方法和一种设备，其用于由主要由氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)组成的进料(4)同时生产至少气体产物(8，20)和主要由液体甲烷(CH4)组成的产物(液体甲烷)(10)，其中所述进料在实施低温气体分馏的单元中被分离成多种馏分。具有产品纯度的甲烷馏分(10)从低温气体分馏中以液体形式取出，并优选在过冷后，作为液体甲烷暂时储存在罐(T)中。
文档编号F25J3/02GK101874186SQ200880008907
公开日2010年10月27日 申请日期2008年3月11日 优先权日2007年3月20日
发明者M·朗 申请人:林德股份公司