在低于環(huán)境的溫度下分離包含二氧化碳和較輕雜質(zhì)的氣態(tài)混合物的制作方法
【專利說明】在低于環(huán)境的溫度下分離包含二氧化碳和較輕雜質(zhì)的氣態(tài)混合物
[0001]本發(fā)明涉及在低于環(huán)境的溫度下分離包含二氧化碳和較輕氣體的氣體混合物。具體地，包括用于分離包含至少35mol %的二氧化碳和至少一種較輕氣體的氣體混合物的方法和設(shè)備。較輕氣體可以從以下列表中選取:一氧化碳、氫氣、甲燒、氧氣、氮?dú)?、氬氣?br>[0002]氣體混合物可以包括至少45mol %的二氧化碳或至少55mol %的二氧化碳或至少65mol %的二氧化碳或至少75mol %的二氧化碳。
[0003]分離的目的是產(chǎn)生比被分離的混合物更富含二氧化碳的流體。該流體可以是處于環(huán)境壓力下的氣體、處于比環(huán)境壓力更高的壓力下的氣體或加壓液體?？梢酝ㄟ^蒸發(fā)液體來產(chǎn)生氣體。
[0004]可以通過根據(jù)本發(fā)明的方法來分離的混合物的示例有:
[0005]-來自產(chǎn)生富氫流的吸附過程的殘余氣體以及包含至少35mol%的二氧化碳和至少氫氣的殘余氣體；
[0006]-來自氧-燃料燃燒過程的殘余氣體，在該過程中燃料在存在氧的情況下燃燒以產(chǎn)生包含至少55mol%的二氧化碳和至少氧氣和氮?dú)獾臍堄鄽怏w。
[0007]用于在低于環(huán)境的溫度下分離二氧化碳的單元包括在低于環(huán)境的溫度下的步驟(有時(shí)稱為低溫步驟)，其中加壓并干燥的混合物從至少一種其它氣體分離。
[0008]低于環(huán)境的溫度下的步驟基本上至少包括一個(gè)冷卻步驟和一個(gè)部分冷凝步驟。具體地，在低于環(huán)境的溫度下的步驟中處理的氣體必須被冷卻到接近二氧化碳的三相點(diǎn)的溫度，在-56°C附近。在這些溫度下，氣體將部分冷凝，液體特別地富含二氧化碳。然后需要利用分離罐將液體與氣體分離。來自該分離罐的液體通常膨脹，隨后被送到蒸餾塔以在其中被凈化。
[0009]塔的選擇壓力可以遠(yuǎn)低于分離罐的壓力。以示例的方式，在關(guān)于來自SMR(蒸汽甲烷重整器)PSA &的殘余氣體來捕獲二氧化碳的情況下，部分冷凝壓力選為50bara附近，而塔的壓力為Ilbara附近。由罐產(chǎn)生的平衡的液體在閥中的膨脹將產(chǎn)生部分氣化，導(dǎo)致閥出口處溫度大幅下降。如果閥之前液體的溫度接近CO2的三相點(diǎn)，閥的出口處的溫度可能變?yōu)榈陀贑O2的三相點(diǎn)的溫度?？峙麓嬖谝后w中包含并集中的CO 2凍結(jié)的重大風(fēng)險(xiǎn)。
[0010]用于限制該冷卻和相關(guān)的凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)通常選擇的方案在于在來自罐的液體膨脹之前對(duì)其進(jìn)行加熱。但是該方案具有一個(gè)主要缺點(diǎn):由于來自罐的液體處于平衡，對(duì)其進(jìn)行的加熱將產(chǎn)生部分氣化。因此兩相混合物將進(jìn)入膨脹閥。后者將更難以控制:調(diào)節(jié)閥的開度的物理參數(shù)(例如壓力、流量)的測(cè)量將被氣體的出現(xiàn)中斷，氣體的物理特性與液體顯著不同；由該受中斷的測(cè)量導(dǎo)致的閥的打開和關(guān)閉將對(duì)閥出口處流體特性產(chǎn)生不可預(yù)知的作用。由于閥的入口處氣體和液體各自的速度以及特別地由于兩相流模式，閥也可能更迅速地退化。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)主題，提供了一種用于分離氣體混合物的方法，所述氣體混合物包含至少35mol %的二氧化碳或甚至至少45mol %的二氧化碳，并且還包括至少一種比二氧化碳更輕的氣體，其中:
[0012]i)所述混合物被冷卻以形成第一部分地冷凝的流，
[0013]ii)所述第一部分地冷凝的流被送到第一分相器，
[0014]iii)來自所述第一分相器的、比所述氣體混合物包含更少的二氧化碳的氣體在未經(jīng)壓縮的情況下被冷卻，以形成第二部分地冷凝的流，
[0015]iv)所述第二部分地冷凝的流被送到第二分相器，
[0016]V)從所述第一分相器抽出的、比所述氣體混合物包含更多二氧化碳的液體在未經(jīng)加熱的情況下在第一閥中膨脹以將其壓力減小最多300mbar，以形成第一膨脹液體，
[0017]vi)所述第一膨脹液體與來自所述第二分相器的第二液體混合，以形成包含至少99.9%的液體的流體，所述第二液體在與所述第一膨脹液體混合之前沒有膨脹或被加熱，所述第一膨脹液體的溫度大于所述第二液體的溫度，
[0018]vii)第三流體在第二閥中膨脹至一壓力，使得膨脹的第三流體中二氧化碳的分壓大于5.28bar (絕對(duì)壓力)并且膨脹的第三流體的溫度高于_54.5°C，以及
[0019]viii)膨脹的第三流體在未經(jīng)加熱的情況下至少部分地被送到腔室和/或間接熱交換器，來自所述第二分相器的所述第二液體如果在沒有與第一膨脹液體混合的情況下膨脹到所述腔室和/或所述間接熱交換器的壓力，其將達(dá)到低于-54.5°C的溫度。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的其它可選方面:
[0021]-膨脹的第三流體的至少一部分被送到粗/簡(jiǎn)單蒸餾塔的頂部以對(duì)所述塔進(jìn)行供應(yīng)并在所述塔中進(jìn)行分離，從所述塔的頂部抽出氣體，并且從所述塔的底部抽出相對(duì)于所述氣體混合物富含二氧化碳的液體；
[0022]-來自所述塔的富含二氧化碳的液體通過與來自所述第一分相器的所述氣體的熱交換而被加熱，或至少部分蒸發(fā)，所述氣體在步驟iii)中被冷卻，優(yōu)選地在專用的間接熱交換器中被冷卻；
[0023]-富含二氧化碳的液體通過與步驟i)中被冷卻的所述氣體混合物的熱交換而蒸發(fā)；
[0024]-膨脹的第三流體的至少一部分被送到第三分相器，并且通過與步驟i)的所述氣體混合物的熱交換，來自所述第三分相器的氣體被加熱和/或來自所述第三分相器的液體蒸發(fā)；
[0025]-膨脹的第三流體的至少一部分被送到間接熱交換器而被加熱或蒸發(fā)，以形成富含二氧化碳的氣體；
[0026]-第一分相器和第二分相器以及適當(dāng)情況下的第三分相器是執(zhí)行相當(dāng)于單個(gè)理論塔板的分離的分相器。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一主題，提供了一種用于分離氣體混合物的設(shè)備，所述氣體混合物包含至少35mol %的二氧化碳或甚至至少45mol %的二氧化碳，并且還包括至少一種比二氧化碳更輕的氣體，所述設(shè)備包括:交換線路，用于將要被冷卻的混合物送到所述交換線路以形成第一部分地冷凝的流的導(dǎo)管；分相器；用于將所述第一部分地冷凝的流從所述交換線路送到第一分相器的導(dǎo)管；冷卻裝置；用于傳送來自所述第一分相器的、比所述氣體混合物包含更少二氧化碳的氣體以使其在未經(jīng)壓縮的情況下通過所述冷卻裝置被冷卻以便形成第二部分地冷凝的流的導(dǎo)管；第二分相器；用于將所述第二部分地冷凝的流送到所述第二分相器的導(dǎo)管；第一閥；用于傳送從所述第一分相器抽出的、比所述氣體混合物包含更多二氧化碳的液體使其在所述第一閥中膨脹以將該液體的壓力減小最多300mbar并形成第一膨脹液體的導(dǎo)管，其中在所述第一閥的上游和所述第一分相器的下游沒有加熱裝置；用于將所述第一膨脹液體與來自所述第二分相器的第二液體混合以形成包含至少99.9%的液體的流體的混合裝置，其中在所述混合裝置的上游不包括用于膨脹或加熱所述第二液體的裝置，所述設(shè)備配置為使得在使用中所述第一膨脹液體的溫度大于所述第二液體的溫度；第二閥，其用于將第三流體膨脹至一壓力，使得膨脹的第三流體中二氧化碳的分壓大于5.28bar絕對(duì)壓力并且膨脹的第三流體的溫度高于-54.5°C ;用于將膨脹的第三流體從所述第二閥至少部分地送到腔室和/或間接熱交換器的導(dǎo)管，其中在所述第二閥和所述腔室或間接熱交換器之間沒有加熱裝置。
[0028]根據(jù)其它可選的特征，該設(shè)備包括:
[0029]-粗蒸餾塔，所述第二閥連接到所述塔的頂部，以對(duì)所述塔供應(yīng)膨脹的第三流體的至少一部分并使其在所述塔中進(jìn)行分離；用于從所述塔的頂部抽出氣體的導(dǎo)管；以及用于從所述塔的底部抽出相對(duì)于所述氣體混合物富含二氧化碳的液體的導(dǎo)管；
[0030]-用于傳送來自所述塔的富含二氧化碳的液體以使其在所述冷卻裝置中通過與來自所述第一分相器的氣體的熱交換而被加熱，或至少部分蒸發(fā)的裝置；
[0031]-作為腔室的第三分相器、用于將膨脹的第三流體的一部分送到所述第三分相器的導(dǎo)管、以及用于傳送膨脹流的一部分使其通過與來自所述第一分相器的氣體混合物的熱交換而被加熱的導(dǎo)管；
[0032]-第三分相器、用于將膨脹的第三流體的至少一部分送到所述第三分相器的導(dǎo)管、以及用于傳送來自所述第三分相器的液體以使其通過與步驟i)的所述氣體混合物的熱交換而被加熱的裝置；
[0033]-第三分相器、用于將膨脹的第三流體的至少一部分送到所述第三分相器的導(dǎo)管、以及用于傳送來自所述第三分相器的氣體使其通過與步驟i)的所述氣體混合物的熱交換而被加熱的裝置；
[0034]-間接熱交換器和用于將膨脹的第三流體的至少一部分傳送到所述間接熱交換器以在其中被加熱的導(dǎo)管。
[0035]本發(fā)明可以獲得在閥入口處充分熱的液體以避免膨脹閥出口處過低的溫度。問題是以第一溫度Tl執(zhí)行第一部分冷凝，隨后以接近CO2的三相點(diǎn)的第二溫度T2執(zhí)行第二部分冷凝(TDT2)。來自第一罐的液體和來自第二罐的液體的混合物將處于介于Tl和T2之間的中間溫度，并且不產(chǎn)生蒸氣，因?yàn)閬碜曰旌衔锏囊后w將也處于平衡。實(shí)際上，混合物的組分將處于來自第一罐的液體的組分和來自第二罐的液體的組分之間。本發(fā)明中也將有更少的能量損失，因?yàn)橛糜诩訜衢y入口處液體的熱交換借助直接接觸發(fā)生。
[0036]兩個(gè)部分冷凝步驟可以在兩個(gè)獨(dú)立的交換器中執(zhí)行，或在技術(shù)允許的情況下在相同的交換器中執(zhí)行(例如釬焊式鋁交換器)。
[0037]將參照附圖更詳細(xì)描述本發(fā)明，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的用于分離氣體混合物的方法。
[0038]在圖1中，氣體混合物I在壓縮機(jī)3中被壓縮到23bar的壓力。在冷卻器5中冷卻后，冷卻流7在提純單元9中去除水以產(chǎn)生干燥的氣體混合物11。應(yīng)理解，如果混合物I是干燥的并且加壓的，這些步驟則是可選的。對(duì)于該示例，流11包含87%的C02、4%的氧氣、5%的氮?dú)狻?.9%的氬氣和0.1 %的一氧化碳。處于環(huán)境溫度的氣體流11被送到釬焊式鋁板熱交換器13，在此被冷卻到_36°C并部分冷凝。部分冷凝的流被送到第一分相器15，產(chǎn)生頂部氣體19和底部液體17。底部液體包含98%的二氧化碳、0.6%的氧、0.7%的氮、
0.8%的氬和少量一氧化碳。氣體19富含輕質(zhì)污染物/雜質(zhì)并僅包含64%的二氧化碳。氣體19在交換器23中被冷卻到-52.50C的溫度，接近二氧化碳的三相點(diǎn)的溫度。因此，氣體部分冷凝。部分冷凝的流25被送到第二分相器27。形成的氣體29在交換器13和加熱