本發(fā)明涉及氣體提純技術(shù)，具體涉及一種基于膨脹制冷提純一氧化碳的方法及用于該方法的裝置。

背景技術(shù)：

CO是重要的碳一化工原料，可合成甲醇、醋酸、醋酐、異氰酸酯、OXO化學(xué)品、甲酸、甲酸甲酯、DMF、碳酸酯、草酸酯、光氣等等眾多的化工產(chǎn)品及其系列下游產(chǎn)品；低成本大量獲取符合生產(chǎn)要求的CO顯得非常重要。工業(yè)生產(chǎn)，很多情況下對CO純度要求較高，而CO的分離提純是制備高純度CO的關(guān)鍵步驟。現(xiàn)有分離技術(shù)包括深冷分離法、溶液吸收分離法、變壓吸附分離法以及膜分離法等，在選擇性、提純效果、回收率、能耗方面都需要改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種基于膨脹制冷提純一氧化碳的方法及用于該方法的裝置，針對工業(yè)級一氧化碳提純制取高純一氧化碳，使能量能夠得到充分的利用，既節(jié)能又環(huán)保。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于膨脹制冷提純一氧化碳的裝置，包括依次連接的膜壓機(jī)、吸附器、過濾器、膨脹制冷系統(tǒng)、精餾塔；所述吸附器包括吸附柱；所述過濾器包括過濾柱；所述膨脹制冷系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、獨(dú)立換熱設(shè)備、依次連接的第一級換熱設(shè)備、第二級換熱設(shè)備、第三級換熱設(shè)備；所述精餾塔頂端接有冷凝器、下部接有再沸器；所述獨(dú)立換熱設(shè)備由第四換熱器與第四相分離器組成；所述第一級換熱設(shè)備由第一換熱器與第一相分離器組成；所述第二級換熱設(shè)備由第二換熱器與第二相分離器組成；所述第三級換熱設(shè)備由第三換熱器與第三相分離器組成；所述過濾器與第一換熱器連接；所述精餾塔與第三相分離器連接；所述精餾塔上，精餾塔與第三相分離器的連接位距離精餾塔頂?shù)木嚯x為精餾塔高度的10～20%；所述風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)包括中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)以及低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)；所述中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次與第三換熱器、第二換熱器、第一換熱器連接；所述低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次與第四換熱器、冷凝器連接。

上述技術(shù)方案中，依次連接的第一級換熱設(shè)備、第二級換熱設(shè)備、第三級換熱設(shè)備組成多級換熱設(shè)備，級數(shù)越高處理后的一氧化碳純度越高；每級換熱設(shè)備都是由換熱器與相分離器組成，其中第一相分離器為三相分離器，其余相分離器為氣液分離器。

上述技術(shù)方案中，所述膜壓機(jī)為無油隔膜壓縮機(jī)，對原料氣體進(jìn)行壓縮處理，壓力有利于中壓吸附，可有效除去原料氣體中的大部分雜質(zhì)，對后續(xù)中壓膨脹制冷系統(tǒng)起到協(xié)同鏈接作用。

上述技術(shù)方案中，吸附器為現(xiàn)有產(chǎn)品，核心為吸附柱，所述吸附器中，吸附柱優(yōu)選并聯(lián)組成的兩組，一組工作，一組再生，可以保證提純操作不間斷；吸附柱吸附原料一氧化碳中的二氧化碳與水分，吸附深度為二氧化碳至10ppm，水分至1ppm，保證后續(xù)精餾塔產(chǎn)品高純一氧化碳的純度。

上述技術(shù)方案中，過濾器為現(xiàn)有產(chǎn)品，核心為過濾柱，所述過濾器中，過濾柱優(yōu)選兩組，并聯(lián)組成，一組工作，一組再生，可以保證提純操作不間斷，也可以同時(shí)工作，提高過濾效果；過濾柱的精度為1微米，有效去除原料氣體中的顆粒物，保證后續(xù)精餾塔產(chǎn)品高純一氧化碳的純度。

上述技術(shù)方案中，風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)為無油潤滑風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)，包括中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)以及低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)，為換熱器提供冷源，其中中壓膨脹機(jī)出口溫度控制為-190~-195℃，低壓膨脹機(jī)出口溫度控制為-196~-252℃。

優(yōu)選的，所述中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次與第三換熱器、第二換熱器、第一換熱器形成循環(huán)連接，能量耗盡的冷源可以返回作為風(fēng)機(jī)的推動氣體；第三相分離器、第二換熱器、中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次連接，第三氣液分離器剩余輕組分返回第二換熱器復(fù)熱后進(jìn)中壓膨脹機(jī)組，膨脹后的低溫氣體依次逐級反流回?fù)Q熱器作冷源，未膨脹氣體可以作為膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣體；第三相分離器、第二換熱器、低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次連接，第三氣液分離器剩余輕組分返回第二換熱器復(fù)熱后進(jìn)低壓膨脹機(jī)組，膨脹后的低溫氣體作為第四換熱器、冷凝器冷源；中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、第四換熱器、第四相分離器依次連接，膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣體可以互通，出低壓膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣經(jīng)第四換熱器換熱，氣態(tài)氫氣排空，液化后液氮則與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用或選擇統(tǒng)一排放，同時(shí)反流的冷源氣體可以分兩路，一路進(jìn)中壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)作為推動氣，另一路進(jìn)低壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)作推動氣；冷凝器出口與第一換熱器入氣口連接；可以最大程度利用冷源能量，節(jié)能減排，減少能耗。

本發(fā)明中，連接是指氣管連接，用于各部件之間的氣體傳輸；各部件設(shè)有氣體出入口，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)場地要求自行連接。

上述技術(shù)方案中，每組換熱器冷源來自風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)，氣體經(jīng)過換熱器后部分被冷卻成液或者固體，再經(jīng)過相分離器從而可以得到需要的組分，比如第一換熱器中，固體組分為二氧化碳、甲醇、硫化氫等；第二換熱器中液體組分為甲烷、氧氣等；第三換熱器中，液體組分為一氧化碳，雜質(zhì)以氣體組分去除。

上述技術(shù)方案中，所述精餾塔為低溫精餾作業(yè)，限定精餾塔上，精餾塔與第三相分離器的連接位距離精餾塔頂?shù)木嚯x為精餾塔高度的10～20%，第三相分離器分離出的液體一氧化碳從精餾塔上部進(jìn)入精餾塔；采用上塔進(jìn)料，中塔出料，塔頂冷凝器閃蒸汽放空，塔底液態(tài)一氧化碳作為工業(yè)級回收使用；。

本發(fā)明的基于膨脹制冷提純一氧化碳的裝置針對工業(yè)級一氧化碳提純制取高純一氧化碳，因此，本發(fā)明還公開了上述基于膨脹制冷提純一氧化碳的裝置在提純工業(yè)級一氧化碳中的應(yīng)用。

本發(fā)明進(jìn)一步公開利于上述基于膨脹制冷提純一氧化碳的裝置提純一氧化碳的方法，包括如下步驟：

（1）原料氣體經(jīng)膜壓機(jī)壓縮處理后進(jìn)入吸附器進(jìn)行吸附處理；

（2）吸附處理后的氣體進(jìn)入過濾器進(jìn)行過濾處理；

（3）過濾后的氣體進(jìn)入第一換熱器后再進(jìn)入第一相分離器；第一相分離器輸出的氣體進(jìn)入第二換熱器后再進(jìn)入第二相分離器；第二相分離器輸出的氣體進(jìn)入第三換熱器后再進(jìn)入第三相分離器；

（4）第三相分離器輸出的液體從精餾塔上部進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精餾處理；最后從精餾塔中部輸出提純后的一氧化碳。

優(yōu)選的，所述原料氣體體積組分為：CO≥99.5%、H₂≤2300ppm、O₂/Ar≤100ppm、N₂≤2200ppm、CO₂≤200ppm、CH₄≤20ppm、H₂O≤30ppm。

上述技術(shù)方案中，進(jìn)入吸附器的氣體壓力為10bar；該壓力有利于中壓吸附，可有效除去原料氣體中的大部分雜質(zhì)，對后續(xù)中壓膨脹制冷系統(tǒng)起到協(xié)同鏈接作用。

上述技術(shù)方案中，第一換熱器的溫度為-78~-161℃；第二換熱器的溫度為-161~-190℃；第三換熱器的溫度為-190~-195.6℃；第四換熱器的溫度為-195.6~-252.7℃。

本發(fā)明中，吸附器對原料氣體進(jìn)行吸附處理，吸附原料氣體中二氧化碳至10ppm，水分至1ppm；過濾器過濾掉經(jīng)吸附器中的固體顆粒物至1微米；過濾后氣體進(jìn)入膨脹制冷系統(tǒng)，由第一換熱器進(jìn)入第一三相分離器，輕組分進(jìn)入第二換熱器，固化物如二氧化碳、甲醇、硫化氫等由固化排放口排除系統(tǒng)，液化物與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用或選擇統(tǒng)一排放；從第一三相分離器出來的氣態(tài)組分進(jìn)第二換熱后進(jìn)入第二氣液分離器，其中輕組分進(jìn)第三換熱器，液化下來的液態(tài)甲烷、氧氣與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用或選擇統(tǒng)一排放；從第二氣液分離器出來的氣態(tài)組分進(jìn)第三換熱后進(jìn)入第三氣液分離器，一氧化碳經(jīng)過氣液分離器液化為液態(tài)出系統(tǒng)進(jìn)入精餾塔，剩余輕組分則分為兩路，一路返回第二換熱器復(fù)熱后進(jìn)中壓膨脹機(jī)組，膨脹后的低溫氣體依次逐級反流回?fù)Q熱器作冷源，然后返回作為風(fēng)機(jī)的推動氣體，另一路作為膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣體；反流的冷源氣體分兩路，一路進(jìn)中壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)作為推動氣，另一路進(jìn)低壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)作推動氣；出低壓膨脹機(jī)組的冷源氣體依次進(jìn)第四換熱器與塔頂冷凝器后作為冷源使用或選擇統(tǒng)一排放，出低壓膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣經(jīng)第四換熱器換熱，氣態(tài)氫氣排空，液化后液氮則與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用或選擇統(tǒng)一排放；精餾塔為低溫中壓精餾過程，上部液態(tài)進(jìn)料，中部氣態(tài)出料，塔頂冷凝器冷源由低壓膨脹機(jī)組經(jīng)第四換熱器換熱后氣體提供，塔頂閃蒸汽放空，塔底液態(tài)一氧化碳回收再利用。流程中的原料組分包括輕組分與重組分，其中輕組分為氧氣、氬氣、氮?dú)?、氫氣、甲烷等；重組分為水、二氧化碳等。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1. 本發(fā)明首次公開了一種用于膨脹制冷法提純一氧化碳的裝置，原料氣體壓縮后經(jīng)過吸附過濾進(jìn)入膨脹制冷處理，經(jīng)過多級換熱相分離后進(jìn)入精餾塔，最后得到高純度一氧化碳，可用于多種物質(zhì)制備；同時(shí)本發(fā)明的裝置可以利用分離廢棄物進(jìn)行冷源循環(huán)，使能量能夠得到充分的利用，既節(jié)能又環(huán)保；

2. 本發(fā)明公開的用于膨脹制冷法提純一氧化碳的裝置中，精餾塔為低溫精餾作業(yè)，采用上塔進(jìn)料，中塔出料，塔頂冷凝器閃蒸汽放空，對精餾塔塔底的工業(yè)一氧化碳可以進(jìn)行有效的回收，對生產(chǎn)成本有效的控制；

3. 本發(fā)明公開的用于膨脹制冷法提純一氧化碳的裝置中，吸附器、過濾器可以并聯(lián)設(shè)計(jì)，保證提純工藝的連續(xù)性，同時(shí)作為冷源使用的氣體逐及反流，最大程度得到利用，冷量耗盡后可以作為風(fēng)機(jī)推動氣，避免浪費(fèi)；

4. 本發(fā)明公開的用于膨脹制冷法提純一氧化碳的方法效率高，并且不涉及化學(xué)試劑，尤其是分離的物質(zhì)可以得到妥善處理，比如循環(huán)利用或收集作為其他操作的冷源；而且易于操作、成本較低，適于推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于膨脹制冷提純一氧化碳的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、膜壓機(jī)，2、吸附器，3、過濾器，4、膨脹制冷系統(tǒng)，5、精餾塔，6、吸附柱，7、過濾柱，8、獨(dú)立換熱設(shè)備，81、第四換熱器，82、第四相分離器，9、第一級換熱設(shè)備，91、第一換熱器，92、第一相分離器，10、第二級換熱設(shè)備，101、第二換熱器，102、第二相分離器，11、第三級換熱設(shè)備，111、第三換熱器，112、第三相分離器，12、中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)，13、低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)，14、冷凝器，15、再沸器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例一

參見圖1所示，一種基于膨脹制冷提純一氧化碳的裝置，包括氣管依次連接的膜壓機(jī)1、吸附器2、過濾器3、膨脹制冷系統(tǒng)4、精餾塔5；膜壓機(jī)為無油隔膜壓縮機(jī)，接有原料氣進(jìn)氣口；吸附器包括并聯(lián)組成的兩組吸附柱6，每組兩根，每根吸附柱的吸附深度為按體積計(jì)，二氧化碳小于10ppm，水分小于1ppm；過濾器包括并聯(lián)組成的兩組過濾柱7，每組兩根，每根過濾柱的精度為1微米；膨脹制冷系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、獨(dú)立換熱設(shè)備8、依次連接的第一級換熱設(shè)備9、第二級換熱設(shè)備10、第三級換熱設(shè)備11；風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)為無油潤滑風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)，包括中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)12以及低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)13；第一級換熱設(shè)備由第一換熱器91與第一相分離器92組成；第二級換熱設(shè)備由第二換熱器101與第二相分離器102組成；第三級換熱設(shè)備由第三換熱器111與第三相分離器112組成；獨(dú)立換熱設(shè)備由第四換熱器81與第四相分離器82組成；中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次與第三換熱器、第二換熱器、第一換熱器形成循環(huán)連接；低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次與第四換熱器、冷凝器連接；中壓膨脹機(jī)出口溫度控制為-190~-195℃，低壓膨脹機(jī)出口溫度控制為-196~-252℃；第一相分離器為三相分離器，其余相分離器為氣液分離器；第三相分離器、第二換熱器、中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次連接；第三相分離器、第二換熱器、低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次連接；中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、低壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、第四換熱器、第四相分離器依次連接；精餾塔頂端接有冷凝器14、下部接有再沸器15，成品高純一氧化碳出口位于精餾塔中部，工業(yè)級一氧化碳排放口位于精餾塔底部；冷凝器出口與第一換熱器入氣口連接，用于能量氣體的循環(huán)；精餾塔與第三相分離器連接；過濾器與第一換熱器連接；附圖中相同部件只標(biāo)注一處，一些常規(guī)連接件，比如閥門不做標(biāo)注，其中單箭頭表示提純氣體運(yùn)行方向，廢料排出沒有箭頭表示。

上述提純裝置的工作流程包括如下步驟：

(1) 原料工業(yè)一氧化碳經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)膜壓機(jī)進(jìn)行壓縮處理，壓縮至10bar；

(2) 吸附器對原料一氧化碳進(jìn)行吸附處理，吸附原料氣體中二氧化碳至10ppm，水分至1ppm；

(3)經(jīng)過精密過濾器過濾掉吸附后氣體中的固體顆粒物至1微米；

(4)過濾后氣體進(jìn)入膨脹制冷系統(tǒng)，由第一換熱器進(jìn)入第一三相分離器，輕組分（氣體）進(jìn)入第二換熱器，固化物如二氧化碳、甲醇、硫化氫等由固化排放口排除系統(tǒng)，液化物與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用（或選擇統(tǒng)一排放）；

(5)從第一三相分離器出來的氣態(tài)組分進(jìn)第二換熱后進(jìn)入第二氣液分離器，其中輕組分進(jìn)第三換熱器，液化下來的液態(tài)甲烷與氧氣與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用（或選擇統(tǒng)一排放）；

(6)從第二氣液分離器出來的氣態(tài)組分進(jìn)第三換熱后進(jìn)入第三氣液分離器，一氧化碳經(jīng)過氣液分離器液化為液態(tài)從上部進(jìn)入精餾塔；剩余輕組分則分為兩路，一路返回第二換熱器復(fù)熱后進(jìn)中壓膨脹機(jī)組、低壓膨脹機(jī)組，膨脹后的低溫氣體依次逐級反流回?fù)Q熱器作冷源，然后返回作為風(fēng)機(jī)的推動氣體，另一路作為膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣體；反流的冷源氣體分兩路，一路進(jìn)中壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)作為推動氣，另一路進(jìn)低壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)作推動氣；出低壓膨脹機(jī)組的冷源氣體依次進(jìn)第四換熱器與塔頂冷凝器作為冷源使用，進(jìn)塔頂冷凝器冷源溫度控制在-190℃，出塔頂冷凝器經(jīng)減壓閥與反流經(jīng)過的第二換熱器出口的氣體匯合反流回第一換熱器；出低壓膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣經(jīng)第四換熱器換熱，氣態(tài)氫氣排空，液化后液氮則與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用（或選擇統(tǒng)一排放）；

(7)精餾塔為低溫中壓精餾過程，上部液態(tài)進(jìn)料，中部氣態(tài)出料為提純后的一氧化碳；塔底再沸器熱源由熱水提供，塔頂冷凝器冷源由低壓膨脹機(jī)組經(jīng)第四換熱器換熱后氣體提供，塔頂閃蒸汽放空，塔底液態(tài)一氧化碳回收再利用。

上述原料氣體體積組分為：CO≥99.5%、H₂≤2300ppm、O₂/Ar≤100ppm、N₂≤2200ppm、CO₂≤200ppm、CH₄≤20ppm、H₂O≤30ppm。第一換熱器的溫度為-78~-161℃；第二換熱器的溫度為-161~-190℃；第三換熱器的溫度為-190~-195.6℃；第四換熱器的溫度為-195.6~-252.7℃。經(jīng)過本發(fā)明方法處理后，制備的高純一氧化碳中，按體積組分，CO達(dá)到99.995%以上，其他雜質(zhì)小于50ppm，其中H₂為1ppm、O₂為6ppm、N₂為10ppm、CO₂為15ppm、CH₄為3ppm、H₂O為1ppm、Fe(CO)₅為0.5ppm，金屬雜質(zhì)小于22ppb。

附圖中，單箭頭表示提純氣體運(yùn)行方向，即由原料氣體提純成高純一氧化碳的方向；雙箭頭表示中壓風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)依次與第三換熱器、第二換熱器、第一換熱器形成循環(huán)連接的氣體運(yùn)行方向；三箭頭表示第三分離器輕組分一路返回第二換熱器復(fù)熱后進(jìn)中壓膨脹機(jī)組，膨脹后的低溫氣體依次逐級反流回?fù)Q熱器作冷源，進(jìn)入雙箭頭循環(huán)，返回作為風(fēng)機(jī)的推動氣體，一路進(jìn)入低壓膨脹機(jī)組；四箭頭表示逐級反流回?fù)Q熱器的冷源作為膨脹機(jī)組的軸間保護(hù)氣體，并經(jīng)第四換熱器換熱，氣態(tài)氫氣排空，液化后液氮則與其他氣液分離器液化物匯合可作為冷源回收使用；五箭頭表示逐級反流回?fù)Q熱器的冷源返回作為低壓膨脹機(jī)組風(fēng)機(jī)的推動氣體，并依次進(jìn)第四換熱器與塔頂冷凝器作為冷源使用；六箭頭表示出塔頂冷凝器的氣體經(jīng)減壓閥與反流經(jīng)過的第二換熱器出口的氣體匯合反流回第一換熱器，進(jìn)入雙箭頭循環(huán)。