深冷分离法与变压吸附法分离一氧化碳的技术经济比较

深冷分离法与变压吸附法分离一氧化碳的技术经济比较

陈博,斯炳忠

杭氧集团股份有限公司

摘要：深冷分离法就是通过深冷处理，将液氮作为制冷剂，将工件放置在低于-130℃的环境中进行处理，能够有效提高工件的韧性。一般来说该方法分为液体法和气体法，液体法就是将工件放入到低于-150℃的环境中，气体法是通过液氮的气化潜热和低温氮气吸热制冷，环境需达-196℃。变压吸附法是通过压力升降控制吸附能力，由于不同气体吸附、解吸特性不一样，所以在压力变化中可以实现分离。以上两种方法都可以对一氧化碳进行分离，本文将通过对比两种分离一氧化碳的方法，为新建一氧化碳装置的工艺路线选择提供参考。

关键词：深冷分离法 变压吸附法 一氧化碳 技术经济

深冷分离法和变压吸附法都可以用于一氧化碳的分离，但是它们的原理有所不同，深冷分离法则是将液氮作为制冷剂，将工件放入到低于130℃温度中，同时拥有液体法和气体法两种方法。变压吸附法则是通过压力的升降来对于气体进行吸附、解吸，从而分离气体。方法的不同，使得它们对于一氧化碳这种气体分离使用中也存在着不同，接下来本文将对两种方法在分离一氧化碳的技术经济进行对比分析，从而找到能够分离一氧化碳最佳方法。

一、深冷分离法

1.1深冷分离法的流程

深冷分离法包括液体法和气体法两种方法，液体法是以液氮作为制冷剂，在该环境中，工件增加了韧性。气体法通过液氮的气化潜热和低温氮气吸热制冷，处理温度达-196℃，从而进行处理。深冷分离法对于一氧化碳的运用首先是将混有一氧化碳的混合气体进行洗涤，将一氧化碳以外的气体排出，然后在借助变温吸附彻底清除多余气体，在经过冷却使得该混合气体中其余部分进行液化。一般来说，最后存在的是一氧化碳和氢气，需要将这两个气体的混杂气体进行质热交换，根据这两种气体不同的沸点进行分离，因为一氧化碳的沸点高，所以它在分离中会转化为液体，而氢气沸点低就会成为气体，通过这种气液分离方法，可以提取出纯度大的一氧化碳气体。

1.2工艺流程

将混有一氧化碳、氢气、二氧化碳等的混合气体先进行变温吸附，也就是将多余气体排出。工艺气经冷箱板式换热器冷却后, 进行气液分离处理，得到了富氢气，也就是含有氢气的气体。同时对于变温吸附程序之后预处理气，将其放置一氧化碳冷箱中对富氢气进行加热，然后再进行变温吸附。最后经由一氧化碳冷箱中的分离出闪蒸气和一氧化碳。

1.3技术特点

深冷分离法有几个明显的技术特点，分别是工艺流程简单、有效气体损失少、能量消耗低以及一氧化碳冷箱可实现自身的冷量平衡。这几点也是深冷分离法较为明显的优势。首先，工艺流程简单是指流程简单易操作，所需要的工具较少，环境要求也不高，生产过程较为平稳，易于提取。其次，有效气体损失少是指在流程进行过程中气体不会过多流失，减少损失和浪费。一氧化碳深冷分离装置、低温甲醇洗装置等都可以循环气体，回收利用。其次，能量消耗低，分离一氧化碳所需要的能力低，大约是0.13 kWh/m³，压力不需要太大，可以有效降低压缩机的轴功率。最好是一氧化碳冷箱可实现自身的冷量平衡，这就说明它不需要借助外界力量便可以将一氧化碳冷量平衡，方便快捷。

二、变压吸附法

2.1变压吸附法的工艺流程

变压吸附法是通过氢气分子的选择性吸附使得一氧化碳在其中分离出，当吸附塔进行吸附时，一氧化碳分子会首先被吸附，而氢气分子则还在其中，成为了粗氢气。当吸附平衡时，利用降压使得一氧化碳分子解吸。当然为了使得吸附和解吸过程的顺利，可以在装置中加入多个吸附塔，使得效率增加。变压吸附法的工艺流程首先是将混有一氧化碳的混合气体进行洗涤，经过变温吸附彻底清除多余气体，比如甲醇等对于变压吸附不利的气体。将甲醇等对于变压吸附不利的气体脱除之后，便将其余气体放入由吸附塔组成的变压吸附系统，经过一系列升压降压操作，分离出粗氢气，然后逆向冲洗由真空泵出口的少量一氧化碳气体，从而驱除其中的氢气, 并降压, 使用真空泵抽负压, 一氧化碳气体在负压下从吸附剂上解吸出来,将其送至一氧化碳压缩机。工艺程序就是将原料气进行变温吸附，经过冷却成为解压气，或者对于预处理气变压吸附、加热，以此循环。经过变压吸附的气体不断地抽空、置换增压，产出了一氧化碳。

2.2 技术特点

变压吸附法有几个明显的技术特点，分别是原料气适用性好、操作弹性大、产品纯度高以及生产控制简单。这几点也是变压吸附法较为明显的优势。首先，原料气适用性好，表示该方法可以对于很多种不同的混合气体进行处理，分离出一氧化碳气体。其次，操作弹性大，这使得在操作过程中能够调节的地方很多，不会仅仅局限于一定范围内的负荷，使得操作困难。然后是产品纯度高并可灵活调节。最后是生产控制简单，也就是指流程简单易操作，所需要的工具较少，环境要求也不高，生产过程较为平稳，易于提取。

三、深冷分离法与变压吸附法分离一氧化碳的技术经济比较

3.1 深冷分离法与变压吸附法的流程

深冷分离法与变压吸附法的流程的预处理部分都使用了变温吸附系统，这也就表明其中一部分的处理过程和原理是类似的，设备也是通用的。主流程上，深冷分离法所涉及的设备较变压吸附法少一些，变压吸附法光是吸附器就需要18台，设备多达30台，并且程控阀需要300多台。由此可见，对于设备安排和运用，深冷分离法较少。

3.2 原料气工艺条件

深冷分离法是需要在低温环境中液化一氧化碳，将氢气分离出来，这对达到沸点的要求很高，对于脱除二氧化碳、甲醇等的指标要求也很高，生产中二氧化碳含量太多，超出指标，对于生产影响较大。使用深冷分离法，就表示原料气必须有足够的压力，达不到要求，就需要借助压缩机增压，以保持冷箱的冷量平衡。

变压吸附法更加注重压力条件，对于一氧化碳的吸附需要不同压力。变压吸附法只需要在常温中进行, 但是它对于水、甲醇的含量有要求,这对于吸附剂使用年限有很大的影响。因此，在使用变压吸附法时需要先去除原料气中的水与甲醇。

3.3 产品纯度

深冷分离法分离一氧化碳, 其纯度一般在98.0%到99.0%之间, 纯度较高，但是很难去除沸点与一氧化碳相差较小的气体。变压吸附法利用吸附剂可以将一些与一氧化碳沸点差不多的气体也排除出去，其使得一氧化碳气体的纯度不低于99.0%。

3.4 生产控制

深冷分离法需要低温环境，在装置使用之前现需要对其进行降温，装置如果需要维修则需要对其进行加温解冻。所以在此基础之上，深冷分离法所使用的装置不宜经常开、关，适合长时间连续运行。控制系统需要采用先进的一体化控制系统，以便于实时监测整套设备的生产过程。

变压吸附法与深冷分离法相比没有事前需要准备的内容，在进行时只需要按一下开关，获得合格的一氧化碳气体的过程十分短，效率高。所以说变压吸附法可以开关，进行中断操作，同时也无需人员和设备系统监管。

参考文献：

[1]姬存鹏,马云. 深冷分离法与变压吸附法分离一氧化碳的技术经济比较[J]. 大氮肥,2019,42(01):50-53.

[2]苏珊珊. 深冷分离一氧化碳工艺模拟分析与改造研究[D].大连理工大学,2012.