提高二氧化碳回收率的方法和设备技术

一种由二氧化碳进料生产基本上是纯二氧化碳的方法和设备，二氧化碳进料包含约８０％至约９５％（体积）的二氧化碳。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

Method and apparatus for increasing carbon dioxide recovery

A process and equipment for producing essentially pure carbon dioxide from carbon dioxide feed. Carbon dioxide feed contains about 80% to about 95% of carbon dioxide.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及提高常规的液化和蒸馏设备的二氧化碳回收率，更具体而言，涉及在冷凝和残余排气膨胀之前，采用二氧化碳排气压缩机增加排气压力来提高二氧化碳液化装置蒸馏塔的二氧化碳回收率。二氧化碳通常是作为气体副产物从生产氨或氢以及从发酵车间获得的。人们已经知道采用蒸馏方法将气体副产物转化成纯的液态二氧化碳，回收率达94％(重量)以上。生产液态二氧化碳采用的常规蒸馏塔一般在压力约260psia下操作，塔的冷凝器温度为约-25°F。在这些条件下，作为塔顶气流从塔顶排出的废气含约75％(体积)的二氧化碳。因此，作为废气损失的二氧化碳量约为进料中杂质含量的三倍。因此推断，二氧化碳的回收率随进料中二氧化碳浓度的降低而明显地下降。普通的高纯度(例如按干基计算，二氧化碳超过98％)二氧化碳原料有效利用率低，迫使人们致力于技术的开发和设备的改进，以有效地回收和液化包含含量基本上较高的不能冷凝的杂质的气流。在二氧化碳液化设备的进料气流中存在大量的轻污染物时，由于进料/排气气流的露点抑制/降低，能有效地冷凝和纯化的二氧化碳量下降。美国专利4,639,257(′257专利)的附图说明图1和2用图解方式表示出这种露点抑制效应，其中如果气体混合物包含的二氧化碳浓度低于该混合物在冰点温度下的平衡浓度，就不能通过冷却和部分冷凝或冷却和蒸馏方法分离二氧化碳，因为二氧化碳在形成液体之前会结冰。在这种情况下，简单地降低致冷剂(例如氨)的初始冷凝温度来提高二氧化碳的回收率，往往会造成所不希望的设备复杂化和热力学性能不起作用。由于这些困难，改革二氧化碳的致冷装置仍不能触及包含在高压/残余二氧化碳气流中损失的功。为了解决上述的问题进行过许多尝试。为了减少二氧化碳设备塔顶排气流中二氧化碳的损失，最早和最直接的方法是简单地降低排气流的冷凝温度。随着排气温度的降低，增加了冷凝和回收的二氧化碳份额。为了产生较低的排气冷凝温度，必须采用在低于常压下进行低温冷凝作业的致冷剂例如二氧化碳或氨。然而，由于氨饱和温度的热力学限度这一内在原因，提高塔的压力往往是唯一可利用的工艺变量，动力最大可使压力达到最高。但伴随塔压力的提高，工艺排气的压能损失也大幅度增加。尽管这些方案有它们的缺点，然而在工业上却一直采用它们，它们基本上是工业上提高现有设备二氧化碳回收率的标准方法。最近推荐的一些方法，利用膜和/或吸附设备提高了从排气流中回收二氧化碳的回收率。在膜设备中，二氧化碳排气流经过膜优先扩散二氧化碳。然后将透过的气流/富集二氧化碳的气流重新加入进料压缩系统，返回的二氧化碳在该系统中被冷凝和回收。在′257专利以及美国专利4,602,477和4,936,887中公开了这种混合的膜方法。与此相似，有人推荐一些用于同样目的的吸附系统。在这些设备中，二氧化碳优先吸附到吸附剂上。然后使吸附容器减压，和/或抽取富集二氧化碳的脱吸气流，重新加入进料压缩和冷凝系统。在变压吸附设备中处理来自蒸馏塔的废气流，生产高度浓缩的二氧化碳气流，将其返回到二氧化碳进料中。美国专利4,952,223提供一个变压吸附(PSA)排气处理设备的实例，采用该设备由低浓度二氧化碳进料，特别是二氧化碳浓度为约35％至约98％(体积)的进料，生产纯的液态二氧化碳。正如所指出的，有许多种复合方法能够通过扩散(膜)和/或吸附(PSA/VPSA)提高排气的二氧化碳回收率。一般说来，这些方法在操作和所需设备两个方面与本专利技术基本上不同。这些复合方法与本专利技术的性能的比较表明，这些设备具有几个附带的缺点。用于增加排气二氧化碳含量的膜和变压吸附设备的性能比通过在本专利技术中的部分冷凝和/或蒸馏所达到的性能差。更重要的是，膜和变压吸附设备不能减少残余排气流的压能损失。而且，膜和变压吸附设备也都是牺牲排气的压能。实际上，这两种方法基本上降低了富集的循环二氧化碳流(提余气体/脱吸气体)的压力。而且，由于循环气流的压力较低，这二种复合方法都必须另外安装循环压缩机或增加递增进料压缩机的尺寸。为减少排气损失而推荐的另一种方法，并非不将注意力集中在提高二氧化碳的回收上。不同的是，这种方法回收包含在二氧化碳排气流中的压能。大多数二氧化碳液化/蒸馏设备基本上都在超常压(例如超过约20atm)下操作。因此任何不能冷凝和未冷凝的二氧化碳实际上以同样的压力排出蒸馏/冷凝过程。一般不打算或不准备回收包含在排气中的压能。然而，随着污染物含量的增加，排气的流量和损失的压能也增加。回收这部分压能的最直接的方法，是利用辅助的涡轮机膨胀作用。实际上，排气流先被加热，然后膨胀，并同时回收膨胀所作的主轴功。美国专利4,977,745(′745专利)公开了一种这样的设备。概括地说，过去减少二氧化碳排气损失的尝试主要集中在(i)提高二氧化碳的回收率或(ii)提高排气压能的回收率。本专利技术用于同时提高二氧化碳的回收率和排气压力的回收率。对此，本专利技术特别关注残余排气流在不同情况下的最大压能损失。本专利技术对处理包含5％以上的轻污染物(例如N2、O2、Ar、CH4、H2和CO)的二氧化碳排气流的液化和蒸馏设备特别有效。对于采用二氧化碳减压或真空氨的常规强化低温冷凝方法，本专利技术提供另一个提高二氧化碳回收率的方案。这些以前的方法使排气流在排出塔之后(或在排气预冷凝之后)直接进行冷凝。实际上保持排气的压力为塔的压力。不同的是，本专利技术将排气流压缩到超过塔内的压力。排气压力的这一增加使排气流的露点升高。对于任何给定的温度，这都使包含在排气中的二氧化碳有更大一部分被冷凝。因此，本专利技术的产品回收率自然高于这些过去的方法。所强调的排气后膨胀方法能有效地回收排气流的压能。然而，膨胀气流不作为低压废气排放，其中所含的二氧化碳量往往足以保证二氧化碳的回收率。此外，本专利技术优选的实施方案，在残余排气后膨胀之前，通过排气压缩，从而再次进行二氧化碳的冷凝/回收，提高二氧化碳的回收率。本专利技术与′745专利中的设备之间的主要不同在于，在本专利技术中，在膨胀和冷凝之前先压缩排气，而不是从前面所公开的分离过程直接膨胀。一般说来，在本专利技术中首先压缩在液化过程中从二氧化碳蒸馏塔排出的排气流来提高压力。然后使被压缩的排气流与沸腾的制冷剂液体逆流进行热交换，发生部分冷凝。使部分液化的排气流进行相分离，液体部分返回到蒸馏塔中进行回收，残余的排气流经过至少一级涡轮机膨胀，产生有用的轴功。本专利技术还提供一种由二氧化碳进料生产基本上是纯的二氧化碳的方法和设备，当气体加入设备时，二氧化碳进料包含约80％至约98％(体积)的二氧化碳，当气体送入排气时，其中包含约80％至约50％(体积)的二氧化碳。在蒸馏塔中蒸馏二氧化碳进料，从而制成包含基本上是纯二氧化碳的液态产物，和一个包含二氧化碳的塔顶蒸气流，在压缩装置压缩塔顶蒸气流，形成一个压缩气流，塔顶蒸气流被压缩到足以使包含在其中的大部分二氧化碳被冷凝的压力。在热交换器中将压缩气流冷却成冷却的气流，以冷却和部分冷凝压缩气流。冷却的气流在相分离器中进行相分离，分离成冷凝液和残余蒸气。冷凝液返回到蒸馏塔中进一步蒸馏。在优选的实施方案中，热交换步骤包括至少一级冷凝和相分离。分离出来的液体返回到蒸馏塔进一步纯化和回收，排气流中残余的气体部分随后被加热并进行涡轮机膨胀。采用另一种方案，在直接进行涡轮机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由二氧化碳进料生产基本上是纯二氧化碳的方法，二氧化碳进料包含约８０％至约９８％（体积）的二氧化碳，所述的方法包括：ａ）在蒸馏塔中蒸馏二氧化碳进料，从而制成一种包含基本上是纯二氧化碳的液态产品，和一个包含二氧化碳的塔顶蒸气流；ｂ） 在压缩装置中压缩塔顶蒸气流，制成压缩气流，塔顶蒸气流被压缩到足以使包含在其中的大部分二氧化碳能被冷凝的压力；ｃ）将压缩气流在热交换器中冷却成冷却的气流，以冷却和部分冷凝压缩气流；ｄ）使冷却的气流在相分离器中进行相分离，分离成冷凝液和 残余蒸气；和ｅ）将冷凝液返回到蒸馏塔中，在所述的蒸馏步骤中进一步蒸馏。

【技术特征摘要】
US 1998-10-13 09/1700121.一种由二氧化碳进料生产基本上是纯二氧化碳的方法，二氧化碳进料包含约80％至约98％(体积)的二氧化碳，所述的方法包括a)在蒸馏塔中蒸馏二氧化碳进料，从而制成一种包含基本上是纯二氧化碳的液态产品，和一个包含二氧化碳的塔顶蒸气流；b)在压缩装置中压缩塔顶蒸气流，制成压缩气流，塔顶蒸气流被压缩到足以使包含在其中的大部分二氧化碳能被冷凝的压力；c)将压缩气流在热交换器中冷却成冷却的气流，以冷却和部分冷凝压缩气流；d)使冷却的气流在相分离器中进行相分离，分离成冷凝液和残余蒸气；和e)将冷凝液返回到蒸馏塔中，在所述的蒸馏步骤中进一步蒸馏。2.权利要求1的方法，还包括在至少一个热交换器中加热从相分离器中排出的残余蒸气。3.权利要求2的方法，还包括将在所述的加热步骤中加热的残余蒸气加入涡轮膨胀机，并在涡轮膨胀机中膨胀被加热的残余蒸气，以产生轴功。4.权利要求3的方法，还包括将涡轮膨胀机所产生的轴功输入压缩装置，以供在所述的压缩步骤中压缩塔顶蒸气流。5.权利要求1的方法，其中所述的冷却步骤包括利用由一个单独的致冷系统提...

【专利技术属性】
技术研发人员：HE霍瓦德，CB卡普洛，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]