CN103917284A - 用于通过蒸馏分离富二氧化碳气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过蒸馏分离富二氧化碳气体的方法，所述富二氧化碳气体在热交换器(3)中被冷却并且被送至蒸馏塔(5)，从塔顶提取贫二氧化碳气体(6)并且从塔底提取富二氧化碳液体(7)，在压缩机(17)中将富二氧化碳气体压缩至第一压力并且源自所述压缩机的所述富二氧化碳气体的至少一部分从第一压力膨胀至比所述第一压力低的第二压力、例如塔中的压力，并且膨胀的气体用于加热塔底。

Description

用于通过蒸馏分离富二氧化碳气体的方法和设备
本发明涉及一种用于通过蒸馏分离富二氧化碳气体的方法和设备。
已知可通过蒸馏分离包含有二氧化碳作为其主要成分中的一种的混合物。富二氧化碳气体可包含至少50％的二氧化碳、或甚至至少70％的二氧化碳、并且有时为至少90％的二氧化碳。本文中涉及纯度的所有百分比均为干基的体积百分比。气体的其余物可包括氮气、氧气、氩气、氢气、一氧化碳和甲烷中的至少一种气体。所述混合物可源自富氧燃烧过程，在该过程中，氧气和燃料的混合物在炉中燃烧以产生残余气体，该残余气体至少部分地包括在净化后产生的待根据本发明被分离的气体。
如果需要高纯度CO2(>90％v、优选地>95％v、并且更特别地>99％v)的生产，则CO2蒸馏塔是必须的。通过干燥和部分冷凝被部分净化的液态(或两相)CO2与纯气态的CO2相互作用被蒸馏。被引入塔釜(贮槽，cuve)以净化所述液体的该纯CO2可源自单元的被净化CO2压缩机。在此情况下，CO2必须处于比塔更高的压力或与塔相同的压力(塔压力在6bars和70bars之间、更特别地在10bars和16bars之间)。本文中给出的所有压力均为绝对压力。
基于蒸馏来净化混合物的此类方法中的大多数方法采用蒸馏塔，该蒸馏塔的塔釜由待被蒸馏的混合物加热。
EP-A-2381198描述了根据权利要求1的前序部分所述的方法。
在US-A-3498067、DE-A-3639779和JP-A-56077673的情况下，混合物被送至所述塔，根据文献FR-A-2934170、EP-A-1953486、US20020059807、US-A-3130026、WO-A-2006054008、WO-A-2007126972、EP-A-0965564、EP-A-0994318，塔釜中的液体在专用交换器中与所述混合物相互作用而蒸发，从另一更大的、冷却所述混合物的交换器被分离。
EP1953486和EP2002190公开了使用由原料气引入的一部分热来使蒸馏塔再沸的概念。
FR-A-2934170公开了使用所生产的富二氧化碳气体使塔再沸。
本发明包括从冷箱的下游侧上的CO2生产提取使塔再沸所必需的CO2。然后将从最终的压缩或CO2循环或任何其他被净化CO2压缩机获得被直接注入蒸馏塔塔釜中的蒸气。于是可设想不同的方法。可在CO2气体达到其最终压力之前、换言之在压缩级之间(例如在多级压缩机的情况下)提取CO2气体。该CO2可被直接送至所述塔。
CO2被压缩至越高的压力，膨胀对可用于使塔再沸的气体的冷却就越多。因此，压缩机的出口处的CO2压力可选择成使得可获得处于最高压力下的CO2，从而可获得较大的压力降。CO2压力降可提高(特别是在涡轮中的)冷冻能力(千卡)。
本发明的一个目的为，通过蒸馏分离包含至少50％的二氧化碳的原料气的方法，其中：
i)富(二氧化碳)原料气在热交换器中被冷却并被输送至蒸馏塔中，
ii)从塔的顶部提取贫二氧化碳气体并且从塔釜提取富二氧化碳液体，
iii)在压缩机中将比原料气更富含二氧化碳的气体压缩至第一压力，其特征在于：
iv)将来自压缩机的一部分富二氧化碳气体的压力从第一压力降至低于所述第一压力的第二压力，例如塔中的压力，并且膨胀的气体用于加热塔釜。
根据其他的可选方面：
-通过蒸发从塔提取的富二氧化碳液体的至少一部分来生产至少一部分富二氧化碳气体。
-所述富二氧化碳气体至少部分地源自外部源。
-将膨胀的气体的至少一部分输送至塔。
-将膨胀的气体的至少一部分输送至塔以被分离。
-将膨胀的气体的至少一部分输送至塔釜中的蒸发器，以加热塔釜中的一部分液体。
-在压缩机中将富二氧化碳气体的第二部分压缩至高于所述第一压力的第三压力。
-处在所述第三压力的气体的至少一部分形成方法的最终产品。
-来自压缩机的气体的至少一部分形成用于方法的制冷循环气体，并且然后被冷凝、冷却、膨胀、加热和返回至压缩机。
-所述第二压力比塔中的压力高至少1bar，或者低于塔中的压力。
-所述第三压力在50bars和200bars之间。
本发明的另一目的涉及用于通过蒸馏分离包含至少50％的二氧化碳的原料气的设备，所述设备包括热交换器、蒸馏塔、将原料气输送至热交换器以使该原料气被至少部分地液化的装置、将被至少部分地液化的流体从热交换器输送至塔的装置、从塔顶提取贫二氧化碳气体的装置、从塔釜提取富二氧化碳液体的装置、压缩机、将比原料气更富含二氧化碳的气体输送至压缩机的装置以及降压装置，其特征在于，所述设备包括将处于第一压力的富二氧化碳气体从压缩机输送至降压装置以将其压力降低至第二压力的装置以及将送至降压装置的富二氧化碳气体输送至蒸馏塔或蒸发器以蒸发塔釜中的液体的装置。
所述降压装置可为阀或涡轮。
也可以使用能用作再沸器的专用交换器。源自塔釜的CO2与源自最终压缩或源自CO2循环或任何其他CO2压缩机的CO2相互作用而被蒸发。该CO2然后被冷却并且根据其压力和其温度甚至被冷凝。具有专用交换器的优点为：例如在液化器的情况下，来自所述方法的CO2不与来自冷却器的CO2混合。
由此冷却的CO2可被用作冷气体，或者可在再沸器中被直接液化，以供在同一方法或在其他方法中后续使用。
将参照附图更详细地描述本发明，所述附图示出了根据本发明的设备。
图1示出富氧燃烧设备1(或其他源)，该设备生产烟气，该烟气被净化以生产包含至少50％、或甚至至少70％的二氧化碳的富二氧化碳气体。气体2包含至少一种其他杂质，例如氮气、氧气、氩气、氢气、一氧化碳或甲烷。使气体2在热交换器3中至少部分地液化，以生产流体4，该流体4被输送至蒸馏塔5的顶部。流体4在那里被分离以形成顶部气体6，该顶部气体6富含氮气、氧气、氩气、氢气、一氧化碳和甲烷中的至少一种组分。气体6在二氧化碳方面是贫化的。塔釜液体7在氮气、氧气、氩气、氢气、一氧化碳和甲烷中的至少一种组分方面是贫化的。富二氧化碳液体7包含至少60％的二氧化碳、优选至少70％的二氧化碳，并且被送至储器9。从储器提取的液体11可为最终产品。
根据本发明的一个变型，如虚线所示，将液体7经管道13输送至蒸发器15以形成气体。所述气体在压缩机17中被压缩，该压缩机17由一个或可能地四个或甚至六至八个级17A、17B、17C、17D、17E、17F组成。在所有级中压缩的气体为取决于应用处于50bars和200bars之间的第三压力的气体产品。
在首先的三个级17A、17B、17C中压缩的气体21的压力从第一压力降低至阀23中的第二压力，气体21然后在交换器3中被冷却并被直接注入塔5的塔釜中。阀23也可位于交换器3的下游。
替代地，气体21可在不同于交换器3的交换器中被冷却。
该气体甚至可以以压缩机级的出口温度被输送至塔。
塔5在6bars和70bars之间运行，更特别地在10bars和16bars之间运行。
图2示出了气体21可以是从级17A的下游转向的气体21A、从级17B的下游转向的气体21B、从级17C的下游转向的气体21C、从级17D的下游转向的气体、从级17E的下游转向的气体21E或者从级17F的下游转向的气体。类似地，阀23可由位于进入塔之前的冷却的上游或下游的涡轮25代替。这使得可以从由冷却带来的压力差获益。
图3与图2的不同之处在于，阀23之后第二塔之前的处于降低的压力的气体未被输送至所述塔，而是被输送至塔外的蒸发器31。蒸发器31还由来自塔5的塔釜液体26供应。蒸发的液体返回至所述塔。输送至蒸发器的气体21被液化，以形成供本方法或其他方法后续使用的液体29。
压缩机17或压缩机中的一些级可形成单元中的循环压缩机。
压缩机17中的压缩气体可为全部地或部分地被蒸发的液体11。另外，所述气体中的一些或全部可源自外部源，例如管或其他设备。
对于所有示例，塔5中的压力可在6bars和70bars之间变化并且塔5可包含结构化的衬套或盘。如图1和2中所示的直接注入的情况下，用于再沸的气体21可处于塔中的压力。另外，被送至外部再沸器31的气体可处于与塔中的压力相比较高的压力(外部再沸和冷凝)或较低的压力(仅关于显热的外部再沸)。因此，第二压力可低于或高于塔中的压力，或与塔中的压力相等。如果第二压力高于塔中的压力，则其至少比塔中的压力高1bar。所述塔中的压力按照惯例为在塔的中部处测得的压力。

Claims (12)

1.通过蒸馏分离包含至少50％的二氧化碳的原料气的方法，其中：
i)原料气在热交换器(3)中被冷却并被输送至蒸馏塔(5)中，
ii)从塔的顶部提取贫二氧化碳气体(6)以及从塔釜提取相对于富二氧化碳气体的富二氧化碳液体(7)，
iii)在压缩机(17)中将比所述原料气更富含二氧化碳的气体压缩至第一压力，其特征在于，将来自所述压缩机的富二氧化碳气体的至少一部分(21)的压力从第一压力降至低于所述第一压力的第二压力、例如塔中的压力，并且膨胀的气体用于加热塔釜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过蒸发从塔提取的富二氧化碳液体(7)的至少一部分来生产所述富二氧化碳气体的至少一部分(21)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述富二氧化碳气体至少部分地源自外部源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述膨胀的气体的至少一部分输送至塔(5)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述膨胀的气体的至少一部分(21)输送至塔釜(31)中的蒸发器中，以加热塔釜中的液体的一部分(25)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述压缩机(17)中将所述富二氧化碳气体的第二部分压缩至高于所述第一压力的第三压力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，处于所述第三压力的所述气体(19)的至少一部分形成所述方法的最终产品。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自所述压缩机的所述气体的至少一部分形成用于所述方法的制冷循环气体并且然后被冷凝、冷却、膨胀、加热和返回至所述压缩机。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二压力比塔(5)中的压力高至少1bar或低于塔中的压力。
10.用于通过蒸馏分离包含至少50％的二氧化碳的原料气的设备，所述设备包括热交换器(3)、蒸馏塔(5)、将原料气输送至所述热交换器以使该原料气被至少部分地液化的装置、将被至少部分地液化的流体从所述热交换器输送至塔的装置、从塔顶提取贫二氧化碳气体(6)的装置、从塔釜提取富二氧化碳液体(7)的装置、压缩机(17)、将比所述原料气更富含二氧化碳的气体输送至所述压缩机的装置以及降压装置(23，25)，其特征在于，所述设备包括将处于第一压力的所述富二氧化碳气体从所述压缩机输送至所述降压装置以将其压力降低至第二压力的装置以及将所述富二氧化碳气体从所述降压装置(23，25)输送至所述塔或蒸发器(31)以蒸发塔釜中的液体的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述降压装置(25)为涡轮。
12.根据权利要求10或11所述的设备，包括将所述富二氧化碳气体从所述降压装置(23，25)送至塔的装置。
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