JP3782128B2 - ガス状混合物の分離方法および装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水素および一酸化炭素を純粋な生成物として生成させるために、水素、一酸化炭素およびメタンを含有するガス状混合物を分離する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる「部分凝縮」と呼ばれる従来の方法において、ガス状混合物から分離された水素は、低温に冷却された後、装置の冷却状態を維持するために冷却し、ガス状混合物を−２００℃未満に冷却するように５ないし１０バールのオーダの圧力に膨張させられる。このタイプの装置は、米国特許第４，２１７，７５９号に記載されており、９５％の回収率および純度約９９％の一酸化炭素を生成させるために、少なくとも４つのカラムを用いる。水素の回収率は、純度約９５％で９９．９％のオーダである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術の一酸化炭素および水素の純度および高い回収率を保ちながら、分離工程で用いられるカラムの数を減少させることにより、この方法および装置を単純化することにある。本発明は、装置の最低温度が従来の方法の最低温度を上回るように保証し、従来技術に比べて、投資コストの少ない装置を提供することも目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、一酸化炭素および水素を、本質的にこれら２成分およびメタンを含有するガス状混合物から生成させる方法を提供する。この方法は、以下の工程、
ｉ）ガス状初期混合物を部分的に凝縮させるために該混合物を冷却する工程、
ii）該混合物の凝縮された部分を、主として水素を含有する不凝縮部分から分離する工程、
iii ）該凝縮された部分をストリッピングカラム内に送り、該カラムの頭部において水素を含有するガス分画、並びに該カラムの底部において一酸化炭素およびメタンを含有する液体分画を生成させる工程、
iv）該液体分画を精製カラム内で蒸留し、該カラムの頭部において実質的に純粋な一酸化炭素を生成させ、および該カラムの底部においてメタンを生成させる工程、並びに
v ）自律冷却流体(autonomous refrigeration fluid)を用いる冷却サイクルにより、分離エネルギーの一部を供給する工程
を含むことを特徴とする。
【０００５】
好ましくは、上記冷却流体は、上記精製カラムの頭部凝縮器を冷却するために供される。
【０００６】
上記冷却流体は、上記ストリッピングカラムの底部、上記精製カラムの底部、またはその両者を加熱することもできる。
【０００７】
上記冷却流体は、好ましくは窒素であるが、空気、酸素、アルゴンおよび二酸化炭素を含む群の中から選択することもできる。
【０００８】
本発明は、一酸化炭素および水素を、本質的にこれら２成分およびメタンを含有するガス状混合物から生成させるための装置を提供することをも目的とする。この本発明の装置は、相分離器、ストリッピングカラム、精製カラム、該ガス状混合物を該相分離器内に導入し、主として水素を含有するガス部分、および液体部分を取り出す手段、該液体部分を該ストリッピングカラムに送り、そこから、主としてメタンおよび一酸化炭素を含有する液体を取り出し、およびこの液体を該精製カラムに送る手段、該精製カラムから、ガス状一酸化炭素を取り出す手段、並びに自律冷却流体を用いる冷却サイクルにより、分離エネルギーの一部を供給する手段を含む。
【０００９】
上記冷却サイクルは、冷却流体サイクルにより構成される上記精製カラムの頭部において、還流を行わさせることができる。
【００１０】
上記冷却流体サイクルは、上記精製カラムの底部において用いられる再沸騰システムに応じて、該冷却流体を１０から３４バールの間の圧力に圧縮するための圧縮器を含む。
【００１１】
上記底部が従来の再沸騰器により加熱されるときは、上記冷却流体の圧力は２５バールを越えて上昇する。
【００１２】
上記サイクルは、特に単純であり、より低コストの、所望に応じて上記システムに冷却を供給するためのタービンを備えた標準タイプの圧縮器を用いることができる。
【００１３】
請求の範囲に記載された本発明の方法は、従来のように、処理されるべきガスを−２００℃にまで冷却する必要がなく、分離プロセスでは−１９４℃の温度で十分である。
【００１４】
【実施例】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の態様に従う分離装置の概略図である添付の図面を参照し、以下の記載から明らかになるであろう。
【００１５】
図１に示されたシステムにおいて、合成ガス混合物は、水素および一酸化炭素だけでなく残留メタンも含有する。この混合物は、通常、５０から７０モル％の水素、１５から４５モル％の一酸化炭素、および２から６モル％のメタン、さらには少量の不純物を含有する。
【００１６】
処理されるべきガス状混合物は、４５バールに圧縮され、管１を通り、交換器３内において約−１９４℃の温度までの冷却に供され、部分的に凝縮さて離れる。液体分画およびガス分画は、相分離器５から取り出される。ガス分画は、主として水素を含有し、次いで、交換器３内で再加熱され、高められた圧力の水素生成物４の大部分を構成する。
【００１７】
主として水素および一酸化炭素を含有する液体分画は、バルブ内で膨張させられ、ストリッピングカラム７内での圧力は１２．５バールに下がる。
【００１８】
このカラム７からの、水素を含有するフラッシュガスは、取り出される水素の品質を最大限に上げるために、主たる水素流４と混合され得る。もし混合されなければ、フラッシュガスは、中程度の圧力の水素生成物を構成することができる。このカラム７からの液体は、−１６０．３℃であり、主として一酸化炭素を含有し、この液体は、次いで、−１７７．５℃に膨張され、４バールの精製カラム９内で蒸留により精製され、頭部ガスとして純粋な一酸化炭素が生成し、底部液体としてメタンが生成する。一酸化炭素および重質不純物を含有するメタンは、それぞれ管１１および１３を通して取り出され、交換器３において再加熱される。
【００１９】
精製カラム９の頭部凝縮器１５は、その循環流体が窒素であるところの自律冷却流体循環（サイクル）により冷却される。このサイクルは、他の言及された流体の回路から完全に分離されている。
【００２０】
コンプレッサ１７内で１０バールに圧縮された、外部の源からの循環窒素は、高圧管１９を通り、交換器３内で冷却され、液化された後に、膨張させられ２つの流れに分離される。第１の流れは、頭部凝縮器１５内に導入され、そこで４．５バールにおいて蒸発させられる。１０バールの第２の窒素の流れは、バルブ２０内でジュール−トムソン膨張（Joule-Thomson expansion)に供され、１．２バールになり、次いで、交換器３に送られ、その中で再加熱された後に、コンプレッサ１７により圧縮される。
【００２１】
この凝縮器内で蒸発した窒素は、部分的にのみ交換器３内で再加熱された後、タービン２３内で４．５から１．２バールに膨張させられ、バルブ２０を通り膨張した窒素と再混合され、次いで、再加熱され、コンプレッサ１７に送られる。
【００２２】
タービン２３は、交換器３の上流の管２１内への液体窒素の注入のような、他の冷却発生手段により置き換えられる得る。交換器内で蒸発させられた後、過剰のガス状窒素は、コンプレッサ１７の上流または下流でパージされる。
【００２３】
装置の冷却部が十分に良く絶縁されている場合は、熱損失が、処理されるべきガスおよび循環流体のジュール−トムソン効果により補われるため、すべての冷却発生手段を省くことができる。
【００２４】
精製カラム９の底部は、ほとんど純粋な液体一酸化炭素をこのカラムの底から第１番目のプレートから取り出し、この液体が、交換器３内で部分的に蒸発させられた後、その取り出された位置より下のカラムの底部に戻され、上記第一番目のプレートと精製カラム９の底部との間の温度勾配が特に大きいことにより、加熱される。
【００２５】
ストリッピングカラム７の底部は、交換器３内で、第１番目のプレートからの液体を部分的に蒸発させることにより、同様にして加熱される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の分離装置の概略図。
【符号の説明】
３…交換器、５…相分離器、７…ストリッピングカラム、９…精製カラム、
１５…頭部凝縮器、１７…コンプレッサ、２３…タービン

Claims (17)

  1. 一酸化炭素および水素を、これら２成分およびメタンを含有するガス状混合物から生成させる方法において、以下の工程
    ｉ）ガス状初期混合物を部分的に凝縮させるために該混合物を冷却する工程、
    ii）該混合物の凝縮された部分を、水素を含有する不凝縮部分から分離する工程、
    iii）該凝縮された部分をストリッピングカラム内に送り、該カラムの頭部において水素を含有するガス分画、並びに該カラムの底部において一酸化炭素およびメタンを含有する液体分画を生成させる工程、
    iv）該液体分画を精製カラム内で蒸留し、該カラムの頭部において純粋な一酸化炭素を生成させ、および該カラムの底部においてメタンを生成させる工程、並びに
    v）自律冷却流体を用いる冷却循環サイクルにより、分離エネルギーの一部を供給する工程
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 該精製カラムの頭部が、該冷却流体を蒸発させることにより冷却される請求項１記載の方法。
  3. 該精製カラムの底部および／または該ストリッピングカラムの底部が、該冷却流体により加熱される請求項１または２記載の方法。
  4. 該冷却流体が、窒素、空気、酸素、アルゴンおよび二酸化炭素を含む群の中から選ばれる請求項１ないし３のいずれか１項記載の方法。
  5. 該冷却流体が、該精製カラムの頭部凝縮器内で蒸発させられる前に、液化されおよび１０ないし３４バールの圧力に圧縮される請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
  6. 該凝縮器を冷却するために用いられた該冷却流体が、該装置を冷却するのに必要な冷却を供給するために、タービンの中で膨張させられ、再加熱され、そしてコンプレッサの取り入れ口に戻される請求項５記載の方法。
  7. 液相の該冷却流体の一部がジュール−トンプソン膨張に供され、再加熱された後に該コンプレッサの取り入れ口に戻される請求項５または６記載の方法。
  8. 液相の冷却液の流れを該サイクルに戻し、次いで、交換器内で蒸発させることにより、冷状態を発生させる請求項１ないし７のいずれか一項記載の方法。
  9. 該精製カラムの底部が、該精製カラムの第１番目のプレートの下から取り出され、該交換器内で少なくとも部分的に蒸発させられ、そして該取り出し位置より下の位置において該精製カラム内に再導入される液体により加熱される請求項１ないし８のいずれか一項記載の方法。
  10. 該ストリッピングカラムの底部が、該ストリッピングカラムの第１番目のプレートの下から取り出され、該交換器内で少なくとも部分的に蒸発させられ、該取り出し位置より下の位置で該ストリッピングカラム内に再導入される液体により加熱される請求項１ないし９のいずれか一項記載の方法。
  11. 一酸化炭素および水素を、これら２成分およびメタンを含有するガス状混合物から生成させる装置であって、相分離器、ストリッピングカラム、精製カラム、該ガス状混合物を該相分離器内に導入し、水素を含有するガス部分、および液体部分を取り出す手段、該液体部分を該ストリッピングカラムに送り、そこから、主としてメタンおよび一酸化炭素を含有する液体を取り出し、およびこの液体を該精製カラムに送る手段、該精製カラムから、ガス状一酸化炭素を取り出す手段、並びに自律冷却流体を用いる冷却サイクルにより、分離エネルギーの一部を供給する手段を含むことを特徴とする装置。
  12. 該冷却流体サイクルが、該精製カラムの頭部を冷却する請求項１１記載の装置。
  13. 該精製カラムの底部および該ストリッピングカラムの底部を加熱するための、該冷却流体サイクルにより構成される手段を含む請求項１１または１２記載の方法。
  14. 該冷却流体が、窒素、空気、酸素、アルゴンおよび二酸化炭素を含む群の中から選ばれる請求項１１ないし１３のいずれか一項記載の装置。
  15. 該冷却流体サイクルが、該冷却流体を１０ないし３４バールの圧力に圧縮するように適合したコンプレッサを含む請求項１２ないし１４のいずれか一項記載の装置。
  16. 該システムを冷却状態に保つために、該精製カラムの頭部を冷却するために用いられた該冷却流体が、タービン内で膨張させられ、再加熱され、そしてコンプレッサに再送される請求項１５記載の装置。
  17. 該圧縮された流体が該コンプレッサに戻る前に、該圧縮された流体の部分をジュール−トムソン効果により膨張させる手段を含む請求項１５または１６記載の装置。
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