CN101952011A - 用于回收二氧化碳的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过使用吸附剂比如X或Y型沸石吸附剂的变压吸附从气流中回收二氧化碳的方法和设备。进料气流适宜地具有中等浓度的二氧化碳比如从碳酸饮料装瓶设备的灌装碗中放出的气体,并且在不使用高纯度二氧化碳气流冲洗或吹扫吸附剂的情况下将其回收。因此所述方法提供了从废气中捕获二氧化碳(否则将被排到大气中)的优势,并以操作和资本支出最小化的方式捕获二氧化碳。本发明还涉及用于利用一种来自于气体分离装置(吸附法或膜法)的干流对水(其被用作液环式真空泵中的水)进行蒸发冷却,从而降低真空水平并且提高性能的方法。

Description

用于回收二氧化碳的设备和方法
发明领域
本发明涉及用于从气体比如从饮料装瓶设备的灌装碗(filling bowl)放出的废气中回收二氧化碳的方法和设备。本发明还涉及使用设备中产生的废产物流通过蒸发冷却冷却水,然后使用所述冷却水改善在气体分离设备中用于回收二氧化碳的液环式真空泵的运行。
发明背景
碳酸软饮料消耗大量的二氧化碳,而主要在灌装处理过程中大量的二氧化碳被释放到大气中。广为人知的是,二氧化碳是一种促使全球变暖的主要温室气体。回收从灌装碗放出的二氧化碳即是为了环境效益也是为了经济效益,特别是在许多国家都即将征收碳税的情况下。为了分离二氧化碳,已经在不同的情况和应用中建立了许多方法,所述方法包括深冷分离、化学吸附、膜和变压力/真空吸附。在各种CO2分离技术中,变压力/真空吸附由于它的能量优势已经被应用于很多情形下并且以不同的形式应用。在这些循环吸附技术中,使含有二氧化碳和其它气体的进料气流通过吸附剂填充的固定床/移动床以将CO2吸附到吸附剂上。然后通过经常用真空泵产生的减压来回收CO2。在此过程中,通常在减压前采用吹扫/冲洗步骤将床中的非CO2气体置换,所述这种冲洗可以用CO2产品(“重”吹扫)或贫CO2流(“轻”吹扫)吹扫或使用CO2产品(“重”吹扫)和贫CO2流(“轻”吹扫)吹扫进行。典型地,对于CO2回收,使用重吹扫步骤。
在许多应用中已经描述了利用变压力/真空吸附原理的分离方法。例如,JP 2002079052描述了利用压力/温度变换吸附(PTSA)在高温回收CO2的方法和系统,其中吸附发生的温度范围为400~650℃,而脱附在700~850℃。K.Nakagawa,M.Kato的一篇名称为“使用吸附剂和甲烷蒸汽重整的预燃烧CO2捕获(Pre-combustion CO2 Capture Using Adsorbent andMethane Steam Reforming)”的期刊文章(日本陶瓷协会期刊(Journal of theCeramic Society of Japan),113卷(3)(2005),252-254页)描述了预燃烧高温CO2捕获方法,所述方法使用了用于整体气化煤燃烧(integrated gasificationcoal combustion)(IGCC)的金属氧化物浸渍陶瓷吸附剂。美国专利5,917,136也描述了在100℃至500℃的温度范围内使用改良氧化铝吸附剂的变压吸附法。该美国专利认为水对于这样的材料几乎没有影响。美国专利6,322,612描述了湿高温气体法,该方法在150℃~450℃的温度将CO2从湿进料气流中分离出来。美国专利5,917,136描述的方法中使用包括K2CO3改良的水滑石、Na2O浸渍氧化铝或复盐挤出物的一族吸附剂作为吸附/脱附阶段的吸附剂,并且提供了在潮湿条件下非常可逆的优点。
美国专利5,938,819描述了使用天然斜发沸石从甲烷中移除CO2的方法。进料气的CO2浓度范围为1%至75%,而吸附压力的范围为1至200psig,其中较高的进料压力提高了产品纯度。干燥的气体被用来使吸附剂再生。此方法中还包括吹扫步骤。
JP 2004-202393描述了分离CO2的PTSA法,其中吸附在50℃~100℃的温度范围内进行,而脱附在85℃~335℃的温度进行,并且脱附压力为0.001巴~1巴。M.Ishibashi,H.Ota.等的一篇名称为“通过物理吸附法从发电厂废气中移除二氧化碳的技术”(能源转换与管理(Energy Conversionand Management),37卷,929-933页,1996)的期刊文章也描述了类似的方法。
美国专利4,726,815描述了使用湿气预处理的CO2回收方法。使用分子筛活性碳,并且还包括吹扫的步骤来纯化产品。抽空压力为50托,吸附温度范围为20℃至40℃。除去水分的加热效应是考虑在内的。
JP 2005-262001描述了使用中间进料和必要温度控制的双回流(dual-reflux)变压吸附法。
JP 2003-1061描述了使用活性碳作为吸附剂进行四步循环而将从烟道气中放出的CO2(5~15%)浓缩至20%~50%的方法。在此方法中,使用逆流空气冲洗来清洁容器,并且吸附压力和脱附压力为大约17.4psia和22.2英寸汞柱真空。所述方法的目的在于增加CO2浓度,以在第二分离过程中使气体进一步浓缩为99%。
JP 10-128059描述了用水分(moisture)、SOx和NOx预处理的两步真空变换吸附法(vacuum swing adsorption process)。热的利用也被最佳化。在吸附压力为790-810托且脱附压力为30托的条件下处理含有8-15%二氧化碳的烟道气。还包括压力平衡和吹扫步骤。实现了高纯度和高回收率。
此外,名称为“用于使用类水滑石吸附剂在高温从烟道气中回收CO2的汽提PSA循环(Stripping PSA Cyles for CO2 Recovery from Flue Gas atHigh Temperature Using a Hydrotalcite-Like Adsorbent)”(作者:S.Reynolds、A.Ebner和J.Ritter,工业&工程与化学研究(Industry & Engineering andChemistry Research),45卷,4278-4294页(2006))的学术论文提供了非常好的用于CO2分离的P/VSA循环的综述。令人感兴趣地也令人惊讶地,在每一个这些用于CO2分离的技术中,通常包括加压、吸附、压力平衡、重吹扫(重回流)、轻回流、抽气/排空,尽管为适应不同目的而将上述各项以不同方式组合。特别地,对于重产品吹扫/加压和轻回流/加压,它们中的至少一项被用在那些分离中以控制气前沿(gas front)。
在上述的CO2回收方法中,因为水通常已在CO2产品流中回收,所以产生的废流经常是非常干燥的。此干燥的废流具有蒸发冷却的能力。蒸发冷却是利用干流的蒸发势能典型地在逆流接触设备比如冷却塔中通过直接接触来冷却液体的方法。普遍利用这个特点来提供冷却的水,其中所述冷却的水继而可以用于冷却处理设备中的工艺流。例如,冷却水可以在气体分离工业中的压缩机后冷却器中用于气体进料的前端净化(FEP)(FrankG.Kerry,2006)。
Air Products Inc的美国专利5,306,331公开了以下方法:所述方法利用干燥薄膜渗透气流的冷却能力进行用于压缩机后冷却器的冷却水的蒸发冷却,所述压缩机后冷却器用于冷却进料气并降低露点以用于随后的气体分离步骤。
美国专利5,345,771公开了用于从惰性气体-可冷凝化合物蒸汽混合物中回收一种以上可冷凝化合物的改良方法,其中使用液环式真空泵冷凝并回收可冷凝化合物(甲醇、苯、甲苯和其它有机化合物)。
然而,回收从装瓶设备的灌装碗放出的二氧化碳气体与上述的已知应用是本质上不同的。在此特定的情况下,二氧化碳浓度高(>50%)并且在低温时是湿气饱和的。为了使气体产品回充到装瓶设备的灌装系统中,气体将需要达到>99%CO2的食品级的纯度。上述的现有技术不适合用于此应用,而提供适合此应用的方法是本发明的一个目的。
发明概述
根据本发明提供有一种用于从进料气流回收二氧化碳的变压吸附法,所述方法包括下列步骤:
a)在特定的压力或已知压力下将CO2从进料气流中吸附到吸附剂上,以此将进料气流转变为贫二氧化碳的废气流;和
b)通过将在步骤a)中负载CO2的吸附剂暴露在低于进料气压力的压力下使CO2从该已负载的吸附剂中脱附,以此制备相对富CO2的流;
其中该方法是在不使用高纯度二氧化碳气流吹扫或冲洗步骤a)的已负载吸附剂作为步骤a)和b)之间的中间步骤的情况下进行的。
贯穿本说明书的术语“高纯度气流”意味着含有至少90重量%CO2、并且适宜地至少98重量%或99重量%CO2的气流。
在一个实施方案中,进料气含有CO2的量等于或大于50重量%。
适宜地,所述进料气流含有50至90重量%的CO2。甚至更适宜地,所述进料气流含有等于或大于70重量%的CO2
所述进料气还可以含有水分(H2O)、N2、O2或任何其它痕量元素中的任何一个或它们的组合。在进料气流含有水分的情况下,适宜地进料气被水蒸气饱和的。
在一个实施方案中,吸附剂被装在吸附容器(adsorber vessel)中,并且在压力范围为大气压到10巴表压的条件下向吸附容器供给进料气。适宜地,在不超过1巴表压的压力下向吸附容器供给进料气。尽管所述容器将具有沿着容器长度方向的压差,但是仍然断定在容器中进行的步骤a)的压力范围基本为大气压到10巴表压。
在一个实施方案中,将进料气暴露于吸附剂的温度为小于或等于100℃,并且适宜地,在10至40℃的范围内。
在一个实施方案中,进料气进入容器的下端而将贫二氧化碳的流从容器的上端排出。
在一个实施方案中,进料气流是从碳酸饮料装瓶设备的灌装碗放出的气体。
吸附剂可以为任何合适的吸附剂,包括沸石、氧化铝、硅胶、活性碳、或任何其它可以有选择地吸附气流中的CO2(相对于非CO2类气体)的固体粒状材料。许多吸附剂比如沸石、氧化铝或硅胶也会从气流中吸附水。
可以将贫CO2的流(也称为排出气体或废气)输送到废气罐并排放到大气中,或者输送到进一步的下游加工中。
在一个实施方案中,可以使废气流在合适的气/液接触设备比如填料塔或喷淋塔中与冷却水直接接触,以通过废气的蒸发能力冷却冷却水。所述冷却水可以达到废气流的湿球温度计温度(wet bulb temperature)。
在一个实施方案中,可以使用冷却水(通过上述的蒸发冷却产生的)冷却液环式真空泵,所述液环式真空泵被运行以通过减压进行、至少部分地进行根据所述方法的步骤b)的CO2脱附。降低液环式真空泵中水温的效果是减少真空泵所需的动力和/或允许通过液环式真空泵达到较低的真空水平。越低的真空水平导致越高纯度的CO2产品流。
在一个实施方案中,富产品流含有等于或大于90重量%的CO2,并且适宜地,含有等于或大于95重量%、98重量%或99重量%的CO2
虽然步骤b)可以包括将吸附剂暴露在任何导致CO2的脱附的压力条件下,但是适宜地,步骤b)包括将吸附剂暴露在低于大气压的压力下。还更适宜地,步骤b)包括将吸附剂暴露在2千帕(kPa)绝对压力(absolute)至90千帕绝对压力的压力范围内,并且还更适宜在2-50千帕绝对压力的范围内。
在一个实施方案中,步骤b)包括使用真空泵或鼓风机的任何一个或它们的组合来减小压力。
在一个实施方案中,吸附剂被装在两个或多于两个的塔或容器中,并且步骤a)和b)在每个容器中的吸附剂上以异相循环方式进行,其中步骤a)和b)在一个容器中分别进行一段时间,而步骤b)和a)在另外一个容器中分别进行同样的时间,或进行另外的时间。例如,步骤a)和b)在每个容器中连续地进行以使得步骤a)在第一容器中的吸附剂上进行的同时,步骤b)在第二容器中的吸附剂上进行。在另一个实例中,步骤a)和b)间断进行,例如,步骤a)在一个容器中进行而同时步骤b)尚未开始或已经在另一个容器中结束了。类似地,步骤b)在一个容器中进行而同时步骤a)尚未开始或已经在另一个容器中结束了。这提供的优点之一是,通过连续地交替改变获得富CO2产品流的容器可以获得基本连续的富CO2流。
贯穿本说明书的术语“柱”和“容器”以同义的方式使用并且还包括反应器和室。
在两个以上的容器中装有吸附剂的情况下,适宜地,所述方法还包括:在步骤a)和b)在任意一个相应容器中进行之后或之后立即将容器以流体连通的方式相互连接容器的另外步骤。例如,在将第一容器用于步骤a)而将第二容器用于步骤b)的情况下,使容器以流体连通的方式连接将由于气体从第一容器流向第二容器而导致第一容器中的起始压力减小。类似地,在将第一容器用于步骤b)而将第二容器用于步骤a)的情况下,使容器以流体连通的方式连接将由于气体从第二容器流向第一容器而导致第二容器中的起始压力减小,继而,使CO2从第二容器中的吸附剂上脱附并将CO2吸附到第一容器中的吸附剂上。本发明的这个优选方面的优点之一是以此方式相互连接容器,因为它降低了用于使装有负载吸附剂的容器减压的真空泵或鼓风机上的能量荷载。此外,将容器以此方式相互连接避免了已经吸附在吸附剂上的CO2流失到大气中,并因此使CO2回收率最大化。
在提供两个以上容器的备选实施方案中,所述方法包括使容器以流体连通的方式相互连接,其中步骤a)和b)中的至少一个处于进行的末期(或已经完成),从而当步骤a)在一个容器中已经完成或正在进行时,容器之间的连通促进各个容器从步骤a)的操作压力开始至少部分减压,而当步骤b)在一个容器中已经完成或正在进行时,容器间的连通促进各个容器从步骤b)的操作压力开始至少部分重新减压。
在一个实施方案中,在CO2吸附脱附的每个循环之间将容器以流体连通的方式连接的时间为至少1秒,适宜在1至4秒的范围内,并且还更适宜大约2秒。
在一个实施方案中,步骤a)进行的时间为至少5秒,适宜在5至15秒的范围内,并且还更适宜大约10秒。
在一个实施方案中,步骤b)进行的时间为至少5秒,适宜在5至15秒的范围内,并且还更适宜大约10秒。
在一个实施方案中,步骤a)包括使进料气与填充到一个容器的床中的吸附剂接触。所述方法还可以包括从进行步骤a)的相同容器中排放贫CO2流。
根据本发明,还提供了用于从进料气流中回收二氧化碳的变压吸附法,所述方法包括以下步骤:
a)将CO2从含有等于或大于50重量%CO2的进料气流中吸附到吸附剂上,以此将进料气流转变为贫CO2流;和
b)通过将在步骤a)中负载有CO2的吸附剂暴露在低于进料气体压力的压力下使CO2从该已负载的吸附剂上脱附,以此制备CO2含量等于大于95重量%的富CO2流。
适宜地,该方法是在不使用高纯度二氧化碳气流吹扫或冲洗步骤a)的已负载吸附剂作为步骤a)和b)之间的中间步骤的情况下进行的。
在紧跟着的上述两段中所描述的变压吸附法也可以包括上述方法特征的任意一个或它们的组合。
根据本发明,还提供有一种用于从进料气流中回收CO2的设备,其中所述设备是根据以上段落中的任何一段中所述的方法操作的。该设备包括:
i)两个以上的容器,每个容器都装有CO2吸附剂材料床;
ii)进料装置,所述进料装置可以有选择地打开和关闭,从而以连续方式、依次向容器提供进料气;
iii)抽吸或真空泵,所述抽吸泵或真空泵可以有选择性地依次对装在容器中的床进行抽吸,并与进料装置处于异相操作,使得当所述进料装置向一个容器提供进料气时,所述抽吸或真空泵对另一个容器进行抽吸;
iv)流体连通装置,所述流体连通装置允许容器之间在所需情况下流体连通。
在使用时,可以适宜地操作进料装置以将进料气提供给第一容器,而同时用抽吸泵对第二容器进行抽吸。一段预定时间以后,改变进料装置和抽吸泵的操作以使得进料装置向第二容器供给气体而抽吸泵对第一容器进行抽吸。
在一个实施方案中,贫二氧化碳废流从第一容器排出。
在一个实施方案中,所述进料装置包括罐,所述罐在防止该进料装置进入任何一个容器中的过程中接收进料气。
在一个实施方案中,在气体进料装置(the feed gas means)和抽吸泵的操作从一个容器改变至另一个容器时,流体连通装置允许容器之间的流体连通。
在一个实施方案中,所述设备包括过滤器,所述过滤器从供应给容器的进料气中移除比如芳族物种。
在一个实施方案中,所述设备包括过滤器,所述过滤器从富CO2产品流中移除杂质。
在一个实施方案中,所述设备包括蒸发冷却器,向所述蒸发冷却器提供贫二氧化碳废气流以冷却冷却水。
在一个实施方案中,所述抽吸泵是接收来自于蒸发冷却器的低温冷却水的液环式真空泵。
根据本发明,提供一种气体分离方法,所述气体分离方法通过利用气体分离装置制备干流和湿流,将进料气混合物中的至少一种气体物种与至少种另外的气体物种分离,所述方法包括利用干流通过蒸发冷却使冷却水冷却,并继而使用该该冷却水冷却液环式真空泵和/或随后的液环式压缩机。
在一个实施方案中,冷却水是通过在填料塔或喷淋塔中蒸发而冷却的。
在一个实施方案中,进料气的温度范围为10℃至90℃。
在一个实施方案中,进料气的压力范围为1巴绝对压力至2巴绝对压力。
在一个实施方案中,已冷却的水在蒸发冷却器和液环式泵/压缩机之间再循环。
在一个实施方案中,由直接接触式蒸发冷却器提供已冷却的水,用于冷却液环式泵/压缩机。
在一个实施方案中,气体分离装置是变压力/真空吸附装置或膜装置。
在一个实施方案中,气体分离装置使用可吸附水的吸附剂/膜。
发明详述
第一实施方案中包括多步变真空吸附循环操作。第一步,也称为进料步骤,是在高于环境压力的0-10巴表压、而典型地0-1巴表压的压力范围内,将从工艺中释放出来的含CO2气体(有/无水分)引入吸附塔或容器中。所述吸附容器装有至少一种可以在进料压力和温度优先吸附二氧化碳的吸附剂。这些吸附剂包括沸石、氧化铝、硅胶、活性碳、或任何其它有选择地吸附气流中的CO2(相对于非CO2物种)的固体粒状材料。将来自于吸附步骤的排出气体(这里也称为废气),输送到废气罐中,然后排出或送往下游加工或送往气/液接触设备,以制备低温冷却水。许多吸附剂比如沸石、氧化铝或硅胶还将从气流中吸附水。在这些情况下,所述废气是干燥的并可以用于其它目的比如蒸发冷却。继吸附步骤之后为并流减压步骤,在此通过关闭电磁阀使流到吸附器的流停止,而排出气体流出到第二吸附容器中,该第二吸附容器恰好完成它的减压步骤(抽真空或压力降低)而因此处于低压条件下。此步骤中,所述容器的压力减小并且总气体的纯度提高。下一步是通过减压从吸附剂中移除CO2。这是通过真空鼓风机或真空泵(如果需要低于大气压(sub-ambient)的压力)或压力降低至大气压而相对于进料方向逆流地完成的。富CO2产品气体被贮存在产品气体罐中,并再次循环到下游工序中。下一步是逆流加压(这是相对于并流减压的互补步骤)接收来自于并流减压步骤中的容器的废气,并且此步骤不仅提高了压力还通过低浓度二氧化碳排放清洁了容器的顶部。最后,增加进料加压或废料加压以在重复循环之前将容器压力提高至它的进料值。使用1至6个的多个床以循环的方式交替重复这些步骤。重要地,与所有之前的需要CO2吹扫步骤的CO2捕获循环不同,本文中所描述的方法不使用此步骤。令人惊讶地,在不使用CO2吹扫步骤的情况下,我们能够制备>99%CO2产品流。这节省了CO2循环压缩机,因此而降低了加工资本和操作成本。
在第一实施方案的一个变化中,在大约0巴表压~1巴表压的压力下和10℃至40℃温度时,进料气流含有CO2、空气和水分,其中CO2是可吸附组分。吸附剂选自X或Y型沸石。
在第一实施方案的另一个变化中,吸附步骤的持续时间为大约10秒,并流减压和成对逆流加压的持续时间为大约2秒,抽真空步骤的持续时间为大约10秒,而再次加压步骤的持续时间为大约2秒。
在第一实施方案的另一个变化中,在减压步骤中的流向相对于进料气流方向是并流的,而加压过程中的流向相对于进料气流方向是逆流的。
在第一实施方案的另一个变化中,在抽真空步骤中的流向相对于进料气流向是逆流的。所述抽真空的压力范围是2-50千帕。
实施方案不包括任何回流(无论是重产品回流(也称为吹扫)或是轻回流(也称为废料冲洗)),并且此方法可以成功地用于分离和回收从碳酸饮料装瓶设备中的灌装碗中放出的二氧化碳。所处理的进料气流含有一定量的水分,所述水分在灌装碗过程中处于饱和的水平。此外,此发明也可以容易地应用于其它具有类似进料气条件的CO2回收/移除应用中,特别在食品和饮料工业中。
在第一实施方案的另一个变化中,将来自于工艺中的干燥废气输送到气/液接触设备中并用于冷却冷却水。将低温的冷却水输送到液环式真空泵以促进获得特别在2-10千帕范围内的低真空压力。
根据本发明的备选实施方案,还有用于回收目的的设备。所述设备包括:
(A)入口合并预过滤器,所述入口合并预过滤器用于吸收来自于灌装碗的排放气体中的芳族化合物和其它杂质,并且这样的过滤器还提高了进入吸附剂的进料气温度,
(B)固定吸附容器,所述固定吸附容器填充有至少一种吸附剂,所述吸附剂优先吸附来自于气体混合物的二氧化碳,并且所述吸附器容器具有一个入口和一个出口,
(C)用于使吸附容器减压的装置,以用于降低吸附容器的压力并进一步浓缩二氧化碳,
(D)用于将吸附容器加压的装置,该装置使用减压的排出气体来清洁吸附容器的顶部并增加该容器压力,
(E)用于将吸附容器抽真空的装置,该装置用于将CO2逆流地从容器中取出并输送到产品罐中,
(F)真空泵出口热交换器,用于冷却产品气体,
(G)产品过滤器,用于将二氧化碳气体送回灌装碗之前移除杂质。
附图简述
本发明的优选实施方案将通过参考附图进行描述,其中:
图1是变真空吸附法和包括两个吸附容器的设备的流程图;
图2是举例说明图1中所示的容器的操作顺序的示意图;和
图3是蒸发冷却方法和设备的流程图,其中使用图1中流程图的贫二氧化碳的干废气流冷却冷却水,继而使用该冷却水冷却图1的液环式泵。
优选实施方案的描述
图1举例说明了变压吸附设备和适合于回收来自于装瓶设备的灌装碗放出的废气中的二氧化碳的方法。所述的放出的气体典型地含有大约70重量%~80重量%CO2,并且优先被吸附到沸石吸附剂上。所述吸附剂(优选为NaX、LiX或NaY的形式)被填充到两个吸附容器11和12中。将废进料气经由缓冲进料罐13和包括控制阀15和16的管线14进料到容器11和12中。从容器11和12中将贫CO2的气流经由包括控制阀18和19的管线17排出。一旦吸附剂负载有二氧化碳,即利用真空泵26在容器11和12中产生降低的压力,所述真空泵26通过包括控制阀24和25的管线23与容器相连。包括阀21和22的管线20允许容器11和12之间有选择地连通。
如将在以下更详细地说明,异相地操作容器11和12使得当一个容器11或12中的吸附剂负载CO2时,CO2在另一个容器11或12中脱附。此外,容器11和12的并流减压和逆流加压被用于降低功率消耗和提高产品纯度和回收率。
变压吸附的第一步在10℃至40℃的温度范围内和1巴绝对压力~2巴绝对压力的压力下,将含有70%~80%二氧化碳的进料气混合物经由管线14和阀15引入容器11中。二氧化碳优先被吸附到吸附剂上而CO2减少的流(废气流)通过容器11的顶部经由管线17和阀18被排出。预期第一步将进行大约10秒。然而,应理解的是取决于流速和所用容器的尺寸,可以采用用于吸附CO2的其它的时间周期。
变压吸附法的第二步包括借助容器12中的低压将容器11减压。在所述方法的连续操作的情况下,容器12将通过泵26抽真空至降低的压力,并且通过将容器11与容器12经由管线20的连接和阀21和22的操作而达到容器11的减压。预期容器11中的压力可以被降低至60至80千帕,并且较少量的CO2流将被转移到容器12中。还预期第二步将进行大约2秒。
变压吸附方法的第三步包括通过操作真空泵26和阀24将容器11抽真空。在阀18和21关闭时,所述泵26可以将容器11中的压力降低至2至50千帕的压力范围。从容器11中回收富二氧化碳流,并且可以随后将其输送到用于灌装碗用途的产品管线。
此外在第三步中,以与上述第一步类似的方式将进料气混合物经由管线14和控制阀16进料到容器12中。
变压吸附法的第四步包括通过将容器11和容器12经由管线20相连而将容器11减压,以使得气流在从容器12到容器11的方向上流动。预期第四步将使容器11中的压力增加至大约60至80千帕,并且进行的时间将为大约2秒。
最后一步包括对容器11进料加压或废料加压以提高容器11中的压力。一旦容器11中的压力基本上等于进料气的压力时,所述方法可以通过根据需要重复上述步骤的顺序而连续地操作。
正如附图2中所示,涉及在容器11和12中用CO2负载吸附剂的步骤用字母“A”、“PR”和“RP”表示,而涉及将容器11和12脱附或抽真空的步骤用字母“EV”和“D”表示。这些步骤以异相顺序进行。特别地,在一个容器11或12中的吸附剂正在负载二氧化碳的同时,二氧化碳从另一个容器11或12中的吸附剂上脱附。类似地,根据步骤2的容器11的减压(用字母“D”表示在附图2中)也与容器12的加压(用字母“PR”、“RP”和“A”表示在附图2中)相一致。
在其中所述方法处于启动模式的情况下,可以省略根据第二步的容器11的减压,而所述方法可以从第一步进行到第三步。
在抽真空步骤中,可以通过液环式真空泵回收富二氧化碳的产品气体,所述液环式真空泵利用了通过在气体分离过程中产生的干气流38在填料塔33中逆流接触而制备的低温液体水流35。图3中的干气流38是图1中的废产品流17。通过蒸发冷却将液体水流37的温度降低并通过水增压泵34使其返回到液环式泵26中。所述干气流在通过填料塔33以后可以随后被排出。使产品气流39中存在的水蒸气在液环式泵26中冷凝,从而在气/液分离器28中回收。
与现有的处理稀CO2气流的CO2捕获方法不同,上述优选实施方案不包括任何回流或冲洗(无论是重回流或轻回流),同时仍然产生高浓度的CO2产品。
可以利用常规的变压吸附设备进行变压吸附法。然而,由于产品气体必须满足食品级标准而且CO2和水湿气的混合物具有腐蚀作用,因此所有的金属装置都必须是由不锈钢制造的或使用不锈钢衬里,所述金属装置包括真空泵。
所述优选实施方案的一个益处是:由于其不需要吹扫压缩机因而消耗功率低,并且它可以从释放的灌装碗气体中回收显著量的通常被废弃的二氧化碳。
优选实施方案的另一个益处是:它不需要在泵26之前安装水冷凝设备,并且不需要冷却设备来冷却液环式泵中的水。因为工作液体的温度是通过蒸发冷却降低的,所以可以达到更好的真空水平和更好的性能。同时,液环式泵还从产品气流中回收显著量的水。
实施例
本发明将通过参考非限制性实施例进行描述。
实施例1
建立具有图1中所示结构的实验设备。每个容器的直径为5.0cm、工作长度100cm,并且填充有1.35kg的填充沸石NaX吸附剂(packed zeoliteNaX adsorbent)。获得实验数据后,将该工艺按比例放大并根据下列参数设定估算成本:
进料气:        75%CO2,其余为空气和饱和的水
进料压力:      1.21巴绝对压力
真空压力:      0.3巴绝对压力
产品纯度:      >96%
CO2回收率:     55%
功率消耗:      1.56千瓦/TPD
CO2生产率:     3.688吨/天
吸附器数量:    2
吸附剂总计,kg:148.62
真空泵数量:    1
实施例2
使用已验证的PSA法的数学模型进行变压法的模拟。每个容器的直径为12.0cm、工作长度为100cm,并且填充有7.63kg的填充NaX吸附剂。模拟后,将方法按比例放大并根据下列参数设定估算成本:
进料气:    50%CO2,其余为空气
进料压力:  1.21巴绝对压力
真空压力:  0.13巴绝对压力
产品纯度:  95%CO2
CO2回收率: 92%
功率消耗:  1.68千瓦/TPD
CO2生产率: 0.8吨/天
吸附器数量:3
真空泵数量:1
实施例3
使用已验证的PSA法的数学模型进行压力变换法的模拟。每个容器的直径为7.7cm、工作长度为100cm,并且填充有3.14kg的填充NaX吸附剂。模拟后,将方法按比例放大并根据下列参数设定估算成本:
进料气:    78.49%CO2,1.88%N2,19.63%CH4
进料压力:  3.0巴绝对压力
真空压力:  0.10巴绝对压力
产品纯度:  95.65%CO2
CO2回收率: 96.93%
功率消耗:  2.92千瓦/TPD
CO2生产率: 0.221吨/天
吸附器数量:3
真空泵数量:1
实施例4
建立具有图3中所示结构的实验设备。将贫二氧化碳的干燥废气流38输送通过填料塔33,从而进行蒸发冷却以冷却液环式泵26中使用的冷却水37。结果,冷却水温度下降。
入口水:        20℃
入口干气流:    30℃,露点<-50℃
出口水:        气/液比
11.01℃         1639
15.00℃         835
20.13℃         415
相应地,对于给定温度,真空泵中的最终压力如下:
表1
  13℃=>38毫巴
  15℃=>40毫巴
  17℃=>43毫巴
  20℃=>46毫巴
  25℃=>55毫巴
  30℃=>62毫巴
  35℃=>75毫巴
基于普通变真空吸附循环的性能数据分别为:
表2
  压力   纯度,%   回收率,%   功率,千瓦/TPDc
  3.8千帕   99   98.21   2.292
  4.6千帕   99   97.70   2.186
  4.6千帕   99   97.70   2.186
  5.5千帕   99   97.17   2.089
  6.2千帕   99   96.83   2.031
  7.5千帕   99   96.29   1.971
  10.0千帕   99   94.22   1.839
  20.0千帕   99   83.56   1.796
  30.0千帕   99   61.88   2.519
因此,在未使用额外的冷却功率的情况下,通过冷却液环式泵中使用的水,获得了更好的真空水平以及更好的性能。
本发明领域的技术人员应理解的是,在不偏离本发明的精神和范围的条件下,可以对具体的实施方案和实施例进行多种变化和改良。
应理解的是,如果本文中提及任何现有技术出版物,这样的提及并非等同于承认所述出版物构成在澳大利亚或其他任何国家中本领域中普通常识的一部分。

Claims (42)

1.一种用于从进料气流中回收二氧化碳的变压吸附法,所述方法包括下列步骤:
a)在特定或已知的压力下将CO2从进料气流中吸附到吸附剂上,使得进料气流被转变为贫二氧化碳的废气流;和
b)通过将步骤a)中负载CO2的吸附剂暴露在低于进料气压力的压力下使CO2从该已负载的吸附剂中脱附,以制备相对富CO2的流;
其中所述方法是在不使用高纯度二氧化碳气流吹扫或冲洗步骤a)的已负载的吸附剂作为步骤a)和b)之间的中间步骤的情况下进行的。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述进料气含有CO2的量为等于或大于50重量%。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述进料气流含有等于或大于70重量%的CO2
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法,其中在从大气压至10巴表压的范围内的压力下,将所述进料气进料至所述吸附剂。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法,其中在低于或等于100℃,并且适宜地,在10至40℃的范围内的温度,使所述进料气暴露于所述吸附剂。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法,其中进行步骤a)的时间为至少5秒,并且适宜地在5至15秒的范围内,并且还更适宜地为大约10秒。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法,其中所述进料气流为从碳酸饮料装瓶设备的灌装碗放出的气体。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法,其中富产品流含有等于或大于90重量%的CO2,并且适宜地含有等于或大于95重量%、98重量%或99重量%的CO2
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法,其中步骤b)涉及使所述吸附剂暴露于低于大气压的压力下,并且适宜地,使所述吸附剂暴露于在2千帕绝对压力至90千帕绝对压力的范围内的压力,并且还更适宜使所述吸附剂暴露于在2-50千帕绝对压力的范围内的压力。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的方法,其中步骤b)进行的时间为至少5秒,并且适宜在5至15秒的范围内,并且还更适宜为大约10秒。
11.根据权利要求1至10中任何一项所述的方法,其中所述吸附剂被装在两个或多于两个的容器中,并且根据一个循环在一个容器中进行步骤a)和b),而根据同一循环在另外的容器中异相地进行步骤a)和b)。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述方法包括:在所述步骤a)和b)在任意一个相应容器中进行之后或之后立即将容器以流体连通的方式相互连接的另外步骤。
13.根据权利要求11所述的方法,其中所述方法包括:使所述容器以其中步骤a)和b)中的至少一个处于正在进行的末期(或已经完成)的流体连通的方式相互连接,从而当步骤a)在一个容器中已经完成或正在进行时,容器之间的连通促进相应容器从步骤a)的操作压力开始至少部分减压,而当步骤b)在一个容器中已经完成或正在进行时,容器间的连通促进相应容器从步骤b)的操作压力开始至少部分再加压。
14.根据权利要求12或13所述的方法,其中在CO2吸附和脱附的每个循环之间将所述容器以流体连通的方式连接的时间为至少1秒,并且适宜在1至4秒的范围内,并且还更适宜地为大约2秒。
15.根据权利要求1至14中任何一项所述的方法,其中使所述废气流与冷却水在气/液接触设备中直接接触,以通过所述废气流的蒸发能力冷却所述冷却水。
16.根据权利要求15所述的方法,其中使用所述冷却水冷却液冷式真空泵比如液环式真空泵,所述真空泵进行工作以通过减压而至少部分地进行根据步骤b)的CO2的脱附。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述的冷却水在所述气/液接触设备和所述液冷式真空泵之间再循环。
18.一种用于从进料气流中回收二氧化碳的变压吸附法,所述方法包括以下步骤:
a)将CO2从含有等于或大于50重量%CO2的进料气流中吸附到吸附剂上,使得所述进料气流被转变为贫CO2的废气流;和
b)通过将步骤a)中负载有CO2的吸附剂暴露在低于进料气压力的压力下使CO2从已负载的吸附剂上脱附,以制备具有CO2含量等于或大于95重量%的富流。
19.根据权利要求18所述的方法,其中所述方法是在不使用含有至少90重量%CO2的高纯度二氧化碳气流吹扫或冲洗步骤a)的已负载的吸附剂作为步骤a)和b)之间的中间步骤的情况下进行的。
20.根据权利要求18或19所述的方法,其中所述进料气流含有等于或大于70重量%的CO2
21.根据权利要求18至20中任何一项所述的方法,其中在基本上处于在大气压至10巴表压的压力范围内的压力下,将所述进料气进料到所所述吸附剂。
22.根据权利要求18至21中任何一项所述的压力,其中在小于或等于100℃,并且适宜地在10至40℃的范围内的温度,将所进料气暴露于所述吸附剂。
23.根据权利要求18至22中任何一项所述的方法,其中步骤a)进行的时间为至少5秒,并且适宜地在5至15秒的范围内,并且还更适宜为大约10秒。
24.根据权利要求18至23中任何一项所述的方法,其中所述富产品流含有等于或大于90重量%的CO2,并且适宜地含有等于或大于95重量%、98重量%或99重量%的CO2
25.根据权利要求18至24中任何一项所述的方法,其中步骤b)涉及将所述吸附剂暴露在低于大气压的压力下,并且适宜地将所述吸附剂暴露于在2千帕绝对压力至90千帕绝对压力的范围内的压力,并且还更适宜将所述吸附剂暴露于在2-50千帕绝对压力的范围内的压力。
26.根据权利要求18至25中任何一项所述的方法,其中步骤b)进行的时间为至少5秒,并且适宜在5至15秒的范围内,并且还更适宜为大约10秒。
27.根据权利要求18至26中任何一项所述的方法,其中所述吸附剂被装在两个或多于两个的容器中,并且根据一个循环在一个容器中进行步骤a)和b),而根据同一循环在另外的容器中异相地进行步骤a)和b)。
28.根据权利要求27所述的方法,其中所述方法还包括:在步骤a)和b)在任意一个相应容器中进行之后或之后立即将所述容器以流体连通的方式相互连接的步骤。
29.根据权利要求27所述的方法,其中所述方法包括:使所述容器以其中步骤a)和b)中的至少一个处于正在进行的末期(或已经完成)的流体连通的方式相互连接,从而当步骤a)在一个容器中已经完成或正在进行时,所述容器之间的连通促进相应容器从步骤a)的操作压力开始至少部分减压,而当步骤b)在一个容器中已经完成或正在进行时,所述容器间的连通促进相应容器从步骤b)的操作压力开始至少部分再加压。
30.根据权利要求28或29所述的方法,其中在CO2在所述吸附剂上进行吸附和脱附的每个循环之间将所述容器以流体连通的方式连接的时间为至少1秒,并且适宜在1至4秒的范围内,并且还更适宜为大约2秒。
31.根据权利要求18至30中任何一项所述的方法,其中使所述废气流与冷却水在气/液接触设备中直接接触,以通过所述废气流的蒸发能力冷却所述冷却水。
32.根据权利要求31所述的方法,其中使用所述冷却水冷却液冷式真空泵比如液环式真空泵,所述液冷式真空泵进行工作以通过减压至少部分地进行根据步骤b)的CO2的脱附。
33.根据权利要求32所述的方法,其中所述的冷却水在所述气/液接触设备和所述液冷式真空泵之间再循环。
34.一种气体分离方法,所述气体分离方法通过利用气体分离装置制备干流和湿流而将进料气混合物中的至少一种气体物种与该进料气混合物中的至少一种其它气体物种分离,所述方法包括:利用所述干流,以通过蒸发冷却使冷却水冷却,并继而使用所述冷却水冷却液环式真空泵和/或随后的液环式压缩机。
35.根据权利要求34所述的方法,其中所述水是通过在填料塔中蒸发而冷却的。
36.根据权利要求34所述的方法,其中所述水是在喷淋塔中被冷却的。
37.根据权利要求34所述的方法,其中所述进料气温度范围为10℃至90℃。
38.根据权利要求34所述的方法,其中所述进料气的压力范围为1巴绝对压力至2巴绝对压力。
39.根据权利要求34所述的方法,其中所述已冷却的水在蒸发冷却器和所述液环式泵/压缩机之间再循环。
40.根据权利要求34所述的方法,其中所述已冷却的水由直接接触式蒸发冷却器提供,用于冷却所述液环式泵/压缩机。
41.根据权利要求34所述的方法,其中所述气体分离装置为变压力/真空吸附装置或膜装置。
42.根据权利要求34所述的方法,其中所述气体分离装置使用可吸附水的吸附剂/膜。
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