深冷分离一氧化碳工艺的优化改进

华森樑 李斌

杭州中泰深冷技术股份有限公司 310000

摘要：一氧化碳是现代化工的重要原料之一；随着醋酸和乙二醇工业合成的快速发展，一氧化碳分离装置正朝着大型化方向发展，对一氧化碳纯度的要求也越来越高，如醋酸、乙酸酐和二甲基甲酰胺（DMF）的生产等高纯度一氧化碳（纯度大于98.5%）。因此，优化深冷分离一氧化碳工艺对节约能源、提高经济效益具有重要作用。阐述了深冷分离技术特点和工艺条件，分析了深冷分离一氧化碳工艺优化改进措施，确定了工艺优化控制的有效措施和适宜的操作条件。

关键词: 深冷分离； 一氧化碳提纯； 精馏塔； 前馈控制； 甲烷泵

一氧化碳（CO）是碳化工领域获得某些有机化学品的重要原料之一。广泛应用于羰基化和羰基化反应。一氧化碳分离工艺主要有低温分离、溶液分离、变压吸附和膜分离等。深冷分离因其技术成熟、处理量大、回收率高而在大型装置中得到广泛应用。纯一氧化碳不能直接从反应器中获得。在化工工程中，CO主要通过深冷分离和变压吸附从CO、CO₂和H₂的混合物中分离出来。

1深冷分离技术特点和工艺条件

1.1技术特点

1. 这个过程很简单。主要设备包括两个变温吸附器、一个分离器、一个塔和两个板翅式换热器。生产过程稳定，加、减负荷操作简单。

2. 有效气体损失较小。一氧化碳深冷分离装置、低温甲醇洗涤装置和甲醇合成装置合二为一。一氧化碳深冷分离装置的5.2mpa粗氢可直接送合成气压缩机回收，一氧化碳深冷分离装置的2.0MPa闪蒸气减压后送低温甲醇洗闪蒸气压缩机回收。

3. 能耗低，约0.13kwh/立方米。从冷箱出来的液态CO以三个压力级闪蒸到一氧化碳压缩机，可有效降低压缩机的轴功率。

4） 一氧化碳冷箱可以平衡自身的冷却能力，而不需要膨胀机和其他外部冷却能力。

1.2深冷分离CO工艺条件

低温分离法是利用液化CO在90K低温下分离氢气。其深冷分离特性对原料气中高沸点组分的含量有严格地要求。要求低温甲醇洗除CO₂指标不高于20×10-6，变温吸附系统除CO2、甲醇指标不高于0.1×10-6。如果在生产中大量二氧化碳超标，板式换热器就会被冻结，关闭再重新开启。其次，原料气必须有足够的压力，至少在3.0MPa以上，否则压缩机需要加压，因为冷箱的冷量平衡取决于高压co液体的节流膨胀制冷，并设置足够的剩余冷量来维持冷量平衡，所以压力原料气压力为5.4mpa时，更有利于冷箱的稳定运行。

1.3生产控制

由于深冷分离过程是在极低的温度下进行的，因此在装置投入正常运行之前必须有一个冷却过程。氮气冷却至co纯度合格的时间一般不少于96h，机组大修前必须加热解冻，一般为24h，因此不适合频繁启停深冷分离co装置，适合长时间连续运行。在控制系统中，采用先进的DCS计算机控制技术，实现集中控制和就地综合控制，能有效地监控整套设备的生产过程。

3 深冷分离一氧化碳工艺优化改进措施

3. 1 对深冷系统冷量平衡的控制优化

粗合成气进入低温系统，经过主换热器和主冷却换热器，从常温10℃降至低温-180℃，然后进入后续塔进行分离提纯。通过主冷换热器工艺气体出口温度TI601对HC653阀的调节和控制，可以自动跟踪和调整低温系统的整体冷、热平衡。

当冷箱前段的TSA工艺使冷箱的进料流量和组成发生较大变化时，会对低温系统的冷热平衡造成很大的扰动，导致系统过热或过冷，严重时会造成冷热不均、系统紊乱和失效不合格品。因此，增加了tc601的温度前馈计算器（如图1所示），通过阀门的串级控制来调节低温系统冷量的增减，以减少系统冷量不平衡的干扰。

图 1工艺气温度 TC601 深冷进料负荷前馈控制

3.2对精馏塔进料、回流及再沸的控制优化

Da603是低温系统中用于一氧化碳和甲烷最终分离的精馏塔，是整个低温过程中最关键的设备。根据一氧化碳和甲烷在不同压力下的沸点（见表1），只有将精馏塔精确控制在0.15-0.18MPa，塔顶温度为-182.4～-181.4℃，塔底温度为-149.0～-147.6℃，才能有效地将两种物料分离。

同时，由于本装置精馏塔采用与再沸器相同的高压一氧化碳作为热源，塔顶冷凝回流的冷却能力（如图2所示），因此再沸器和回流的控制和调节更为复杂。

表1 一氧化碳与甲烷在不同压力下沸点 ℃

介质	压力
	0. 15 MPa	0. 18 MPa
一氧化碳	－182. 4	－181. 4
甲烷	－149. 0	－147. 6

通过几年的探索和探讨，对精馏塔各控制阀的控制参数进行了多次优化和改进，使精馏塔能有效地自调节日常生产中的扰动。

（1）针对精馏塔中两股进料流量变化引起的温度梯度失调，在进料阀LV628和FV640之间增加了比例控制器，比例设定为1.000。

（2） 针对粗合成气进料中甲烷组分变化引起进料温度t677波动的问题，在精馏塔回流调节阀FV642上增加了温度前馈控制器和一氧化碳组分前馈控制器，通过选择两个控制器之间地输出值，计算并调整回流阀FV642的开度。

（3） 针对原设计的精馏塔灵敏板温控器直接控制精馏塔重沸器阀门不能稳定精馏塔正常生产的问题，结合精馏塔回流阀的调节方式，增加了精馏塔进料温度前馈控制器和甲烷组分前馈控制器。通过选择二者之间地输出值，计算再沸器阀FV633并调整其开度。

3.3甲烷泵回流工艺优化

如图2所示，原设计的甲烷泵回流进入再沸器fa604后，高压液态甲烷快速闪蒸，部分甲烷发生气化，很容易造成甲烷泵气蚀，不上量，造成甲烷泵多次跳闸。针对这一现象，对甲烷泵回流管线进行了重新设计，增加了甲烷泵出口至精馏塔下部的流量。高压液态甲烷直接送至DA603中下部，避免对FA604罐内甲烷的冲击，防止甲烷泵气蚀跳闸。

3.4冷箱启动操作技术改进

在机组启动阶段，冷箱需要经过干燥、预冷、升压、进料液积累、建立甲烷循环等多个步骤。原料溢流步骤需要28小时，将粗合成气直接送入火炬系统燃烧，造成大量资源浪费。通过对冷箱系统的制冷原理和换热方式的研究和探讨，探索出一套冷箱储液操作技术，将原来的冷箱储液时间从28h缩短到16h，提高了冷箱启动的稳定性；避免了前一次启动阶段冷箱各塔顶阀门高压跳脱造成的冷箱损失；避免了冷箱积液时换热器冻结、堵塞的现象；减少了启动过程中的液氮用量节省了工作台，大大缩短了液体积聚时间。

3.5产品纯度及配比参数优化

由于现有原料气含氮量高于原设计，经深冷分离提纯后的产品一氧化碳含氮量较高。为解决这一问题，通过合理降DA604脱硝器的压力，调整脱硝器再沸器热源流量控制阀FV623，可进一步去除氮组分，而不使一氧化碳损失过大。

由于外部需求的影响，长期以来氧气产品在低负荷下送出，氧气中氢组分含量高，不能有效保证氧气中氢和一氧化碳的比例为1:1。为了解决这个问题，从一氧化碳压缩机中分离出来的高压一氧化碳被引入氧气中，以满足一氧化碳含量的要求。

4结论

一氧化碳深冷分离是我国技术先进、工艺条件复杂的一套低温净化分离工艺。由于实际生产操作得不可预测性，工艺的优化和改进以及操作人员的熟悉带来了一些不便。通过 深冷一氧化碳分离系统近年来运行中存在的问题及改进措施进行总结分析，可以有效提高装置运行的稳定性和效益潜力，为我国同类机组的生产运行提供了借鉴。

参考文献

［1］孙彦泽，谷志杰.浅谈合成气深冷分离技术［J］.石化技术，2017.

［2］潘奇峰．浅谈甲烷深冷分离装置的调试运行［J］．小氮肥，2017.