本發(fā)明涉及深冷分離工藝中稀有氣體回收，具體涉及一種從甲醇合成與精制尾氣中提取氪氙氣體的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、氪氙氣體是工業(yè)應(yīng)用廣泛且價(jià)格昂貴的稀有氣體，空氣中氪氣的含量

2、1.14ppm、氙氣含量87ppb。傳統(tǒng)提取氪氙氣體的方法是利用空分的產(chǎn)物液氧進(jìn)一步精餾提取，存在原料含量少、提取率低、能耗高、門檻高、需要改變空分冷箱結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)。

3、目前也有從工業(yè)尾氣提取氪氙氣體的先例，但僅限于合成氨尾氣和核反應(yīng)的廢氣中，其中，利用核反應(yīng)廢氣含有的氪氙氣體含量較高，但是由于廢氣中具有放射性物質(zhì)較多，存在多種放射性的物質(zhì)和不同的同位素，所以不能直接提取利用，具有很大的局限性。

4、由于氪氙氣體含量較少在空分中被富集在液氧中，常規(guī)空分中不會(huì)對(duì)氪氙氣體進(jìn)行提取，液氧會(huì)以氧氣的形式排出空分系統(tǒng)，而氧氣會(huì)作為原料用于下一階段，空分生產(chǎn)的氧氣常被用作工業(yè)裝置消耗。大型煤化工裝置最關(guān)鍵的部分為煤氣化裝置，煤氣化裝置的主要原料為煤和氧氣。煤化工是我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，其中煤制甲醇是典型的煤化工流程之一，包括了空分、煤氣化、水煤氣變換、酸性氣體脫除、甲醇合成與精制等單元，空氣中的氪氙氣體經(jīng)過這些單元，最終會(huì)在尾氣中富集。

5、目前，國(guó)內(nèi)煤制甲醇的產(chǎn)能大于其他煤化工產(chǎn)品的產(chǎn)能。煤制甲醇首先要經(jīng)歷煤氣化過程，該過程基本將所有輸入的氧氣轉(zhuǎn)化為了合成氣，而氪氙氣體性質(zhì)穩(wěn)定不會(huì)在煤制甲醇過程中發(fā)生反應(yīng)，會(huì)隨后續(xù)生產(chǎn)過程中的尾氣排出系統(tǒng)，從尾氣中提取氪氙氣體相比于空分過程中從液氧提取更容易，所以考慮將煤制甲醇與氪氙氣體提取相結(jié)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的提取氪氙氣體的方法能耗過高，原料中氪氙氣體含量少且應(yīng)用條件苛刻的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種從甲醇合成與精制尾氣中提取氪氙氣體的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明是基于深冷分離工藝設(shè)計(jì)了一種從甲醇合成馳放氣和甲醇精制尾氣組成的混合尾氣(后續(xù)稱為甲醇合成與精制尾氣)中提取氪氙氣體的系統(tǒng)和方法，本系統(tǒng)和方法可以實(shí)現(xiàn)能耗低、不影響原有空分生產(chǎn)、尾氣的綜合運(yùn)用。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種從甲醇合成與精制尾氣中提取氪氙氣體的系統(tǒng)，包括第一預(yù)冷換熱器1，第一預(yù)冷換熱器1的熱側(cè)入口通入甲醇合成與精制尾氣，第一預(yù)冷換熱器1的熱側(cè)出口與第二預(yù)冷換熱器2的熱側(cè)入口相連，第二預(yù)冷換熱器2的熱側(cè)出口與預(yù)精餾塔3入口相連，預(yù)精餾塔3塔底與第一預(yù)冷換熱器1的冷側(cè)入口相連，第一預(yù)冷換熱器1的冷側(cè)出口與重組分脫除精餾塔7入口相連；預(yù)精餾塔3塔頂與輕組分分離精餾塔4入口相連；重組分脫除精餾塔7塔頂與壓縮機(jī)換熱器組8入口相連，重組分脫除精餾塔7塔底排出為重組分污水；輕組分分離精餾塔4塔頂與冷量回收換熱器9入口相連，冷量回收換熱器9出口與第二預(yù)冷換熱器2的冷側(cè)入口相連，第二預(yù)冷換熱器2的冷側(cè)出口為燃料氣；輕組分分離精餾塔4塔底與co2脫除精餾塔5入口相連，co2脫除精餾塔5塔頂與氪氙氣體分離精餾塔6入口相連；co2脫除精餾塔5塔底與重組分脫除精餾塔7塔頂物流匯合后通入壓縮機(jī)換熱器組8進(jìn)行co2的壓縮液化，壓縮機(jī)換熱器組8出口為液態(tài)co2；氪氙氣體分離精餾塔6塔頂為氪氣出口，氪氙氣體分離塔6塔底為氙氣出口。

4、所述除重組分分離精餾塔7和壓縮機(jī)換熱器組8外的所有設(shè)備均在深冷條件下工作，預(yù)精餾塔3、輕組分分離精餾塔4、co2脫除精餾塔5、氪氙氣體分離精餾塔6和重組分脫除精餾塔7的再沸器均能夠回收部分冷量，僅預(yù)精餾塔3和輕組分分離塔4的冷凝器需要冷量輸入?？梢宰龅皆撓到y(tǒng)內(nèi)部的能量利用，較少外部輸入，做到能量多級(jí)化利用。

5、所述第一預(yù)冷換熱器1和第二預(yù)冷換熱器2均為管殼式換熱器，冷量回收換熱器9為co2脫除精餾塔5、氪氙氣體分離精餾塔6和重組分脫除精餾塔7塔頂泠凝器提供冷量，目的是進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)冷量利用。

6、整個(gè)系統(tǒng)需要冷箱進(jìn)行操作，需要用空分生產(chǎn)液氮的冷量，可以在空分附近外接冷箱，無需改變冷箱結(jié)構(gòu)。

7、甲醇合成與精制尾氣是甲醇合成單元產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品ch4和部分未發(fā)生反應(yīng)的h2和co。尾氣的物料環(huán)境下為無氧環(huán)境。甲醇合成尾氣的壓力和溫度相對(duì)較高，而提取氪氙氣體需要在深冷環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)于部分雜質(zhì)在高壓環(huán)境下易于分離的性質(zhì)，故在高壓環(huán)境下進(jìn)行預(yù)處理，先去除部分易分離的重組分雜質(zhì)，然后進(jìn)行減壓后去除輕組分雜質(zhì)，再去除殘余的部分co2，最后通過精餾的方式將氪氙氣體分離。

8、所述的從甲醇合成與精制尾氣中提取氪氙氣體的系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟：

9、步驟1：預(yù)冷及預(yù)分離：

10、甲醇合成與精制尾氣原料的溫度壓力高，需要對(duì)尾氣原料進(jìn)行預(yù)冷降溫，同時(shí)去除易去除的重組分雜質(zhì)甲醇；甲醇合成與精制尾氣先與預(yù)精餾塔3塔釜液體和輕組分分離精餾塔4塔頂氣體分別換熱，使得尾氣原料得到預(yù)冷后送入預(yù)精餾塔3中進(jìn)行精餾預(yù)處理，預(yù)精餾塔3塔頂?shù)臍怏w通過閥門節(jié)流膨脹降溫后通入輕組分分離精餾塔4，預(yù)精餾塔3塔釜采出的液體部分通過閥門節(jié)流膨脹后溫度降低通過第一預(yù)冷換熱器1與尾氣原料進(jìn)行換熱后通入重組分脫除塔7脫除重組分甲醇；重組分脫除精餾塔7塔頂采出為高純的co2送入壓縮機(jī)換熱器組8進(jìn)行加壓液化，重組分脫除精餾塔7塔釜為粗甲醇；

11、步驟2：產(chǎn)生副產(chǎn)燃料氣：

12、去除全部的甲醇、水和部分co2雜質(zhì)后，剩余的雜質(zhì)多為輕組分雜質(zhì)，而輕組分雜質(zhì)需要在相對(duì)較低的壓力和溫度下進(jìn)行分離，所以通過節(jié)流膨脹操作降低物料溫度，一方面為尾氣處理提供冷量，另一方面到達(dá)后續(xù)提取分離的壓力；輕組分分離精餾塔4塔頂排出的氣體通過冷量回收換熱器9換熱后進(jìn)入第二預(yù)冷換熱器2與尾氣原料換熱后排出系統(tǒng)，燃料氣流股主要成分為h2、ch4、co、n2高熱值的可燃?xì)怏w，能夠作為燃料氣生產(chǎn)蒸氣；輕組分分離精餾塔4塔釜的液體通入co2脫除精餾塔5中；

13、步驟3：co2補(bǔ)集與氪氙精餾分離：

14、當(dāng)大部分輕組分雜質(zhì)被處理后，剩余主要成分為co2和氪氙氣體；通過co2脫除精餾塔5精餾將co2從塔釜餾出，預(yù)精餾塔3塔頂和塔釜采出的物料再通過精餾的方式分離后得到kr和xe；co2脫除精餾塔5塔頂采出為kr和xe混合物進(jìn)入氪氙氣體分離精餾塔6，co2脫除精餾塔5塔釜采出為高純co2通入壓縮機(jī)換熱器組8進(jìn)行co2的加壓冷卻液化。

15、步驟1中的預(yù)冷需要在二氧化碳的最小液化壓力5.17bar以上，同時(shí)小于該壓力下的液化溫度-56.6℃。該處的溫度低于液化溫度過度會(huì)導(dǎo)致能量消耗過大，不經(jīng)濟(jì)，但操作彈性較大；相反越接近液化溫度，消耗能量越少，越經(jīng)濟(jì)，操作彈性越小。同樣壓力高于最小液化壓力過度多時(shí)候需要額外進(jìn)行做功，需要更多能量，直接利用尾氣原有壓力時(shí)，當(dāng)壓力高于液化壓力時(shí)，可以將部分壓力節(jié)流膨脹轉(zhuǎn)化為冷量，相反壓力低于液化壓力時(shí)也需要輸入部分能量。

16、氪氙分離精餾塔6塔釜采出純度為99.9％xe；塔頂采出純度為99.9％kr。

17、步驟1中，預(yù)精餾塔3的入口溫度根據(jù)甲醇合成壓力不同會(huì)有所變動(dòng)，范圍-60～-80℃。經(jīng)過模擬計(jì)算該溫度范圍經(jīng)濟(jì)性較好，且能滿足co2的完全液化。

18、步驟1中，輕組分雜質(zhì)采用6-10bar的壓力進(jìn)行分離。經(jīng)過模擬計(jì)算該壓力范圍經(jīng)濟(jì)性較好，且能滿足co2的完全液化。

19、步驟1中，根據(jù)不同的合成壓力，馳放氣的壓力會(huì)有所不同，但一般會(huì)大于20bar，在高壓下進(jìn)行重組分分離具有較好的分離效果。預(yù)精餾塔的入口溫度根據(jù)壓力不同會(huì)有所變動(dòng)大約為-70℃，需要對(duì)尾氣進(jìn)行預(yù)冷，故采用排出系統(tǒng)的物料和系統(tǒng)內(nèi)冷量進(jìn)行預(yù)冷，若物料的壓力過高可以對(duì)物料進(jìn)行節(jié)流膨脹降溫。

20、步驟2中，輕組分物質(zhì)相對(duì)于重組分物質(zhì)在低壓條件下易于分離，但需要綜合可考慮后續(xù)co2的分離過程，故采用6-10bar的壓力進(jìn)行分離，該部分塔頂再沸器的溫度相對(duì)較低，可以進(jìn)行冷量回收并進(jìn)行應(yīng)用。

21、步驟3中，對(duì)co2進(jìn)行分離時(shí)，co2的最小液化壓力為5.17bar，該壓力下的液化溫度為-56.6℃；整個(gè)流程對(duì)于含有co2的物料的壓力不能過低，否則會(huì)導(dǎo)致co2成為固態(tài)導(dǎo)致堵塞管路，導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)。精餾回收二氧化碳可以最大程度濃縮稀有氣體的同時(shí)，回收重新利用二氧化碳。

22、與現(xiàn)有發(fā)明相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

23、1)本發(fā)明的系統(tǒng)及方法是以煤制甲醇的甲醇合成與甲醇精制工段排出的尾氣為原料進(jìn)一步提取氪氙氣體，該尾氣的主要成分為氫氣、二氧化碳、氮?dú)?、甲烷、一氧化碳等，相比于空氣中的液氧，與氪氙的沸點(diǎn)差相對(duì)較大，更易于分離。

24、2)本發(fā)明采用的尾氣中氪氣是空氣中氪氣的20倍以上，尾氣中氙氣是空氣中氙氣的5倍以上；在提取率方面本發(fā)明方法氪氣的提取率高達(dá)90％，氙氣的提取率在70％以上。

25、3)本發(fā)明用于分離雜質(zhì)氣的設(shè)備均可以利用小型設(shè)備，可以使提取氪氙氣體的設(shè)備投資和管理成本均可大幅度降低，節(jié)約投資和降低能耗。本發(fā)明不需要改變空分中的冷箱結(jié)構(gòu)，需要的冷量可以通過將空分冷箱的液氮出口直接接入本發(fā)明系統(tǒng)冷箱入口。

26、4)本發(fā)明可以做到對(duì)甲醇合成與精制尾氣的綜合利用，不僅將燃料氣分離下來，而且將co2進(jìn)行了捕集，減少了co2的排放，并通過深冷分離提取了氪氙氣體。