CN104548639A - 二氧化碳的纯化 - Google Patents

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Abstract

在用于从包含显著量的至少一种“轻质”杂质例如非可冷凝的气体的粗品二氧化碳分离至少一种“重质”杂质例如硫化氢的方法中，包括至少一个热泵循环，使用来自所述方法的含有二氧化碳的流体作为工作流体，从粗品二氧化碳除去“轻质”杂质，和随后从除去的“轻质”杂质回收二氧化碳，从而改进总体二氧化碳回收和就能耗而言的效率。

Description

二氧化碳的纯化
背景技术
本发明涉及用于纯化二氧化碳的方法和设备。具体地，本发明涉及用于在低于环境温度和超过大气压下，通过传质分离从粗品二氧化碳去除至少一种“重质”杂质的方法和设备。本发明特别用于纯化包含显著量的至少一种“轻质”杂质的粗品二氧化碳。
“轻质”杂质，本发明人指比二氧化碳更具挥发性的杂质。”轻质”杂质的实例包括氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)、氢(H2)、氦(He)；甲烷(CH4)；一氧化碳(CO)、氖(Ne)、氙(Xe)、氪(Kr)、一氧化一氮(NO)和一氧化二氮(N2O)。
“重质”杂质，本发明人指比二氧化碳挥发更低的杂质。”重质”杂质的实例包括硫化氢(H2S)；甲醇(MeOH)；C3-C8烃例如丙烷；二硫化碳(CS2)；氧硫化碳(COS)；二甲硫醚(Me2S)和其它有机硫化合物；二氧化氮(NO2)；二氧化硫(SO2)；三氧化硫(SO3)和氨(NH3)。
C2烃(例如乙烷、乙烯和乙炔)与二氧化碳形成共沸混合物，因此它们的性能像“轻质”杂质或“重质”杂质，取决于浓度。
在全世界的一些区域中，来自天然存在的二氧化碳来源(例如天然二氧化碳田和天然气沉积物)的二氧化碳用于增强的油回收(EOR)。这些来源中的一些含有硫化氢，这在管道运输中是不期望的，因为硫化氢有毒并且在水存在下具有腐蚀性。此外，不期望向通过EOR方法提取的原油中引入硫化氢。
用于从二氧化碳去除硫化氢的方法为已知的。例如，US3417572A(Pryor，1968)公开了一种处理包含二氧化碳和硫化氢的富含氢的气体的方法。将硫化氢和二氧化碳冷凝，并且与富含氢的气体分离。冷凝的气体随后进料至蒸馏塔，用于分离成为基本上不含硫化氢的二氧化碳塔顶蒸气和含有至少10体积%硫化氢的塔底液体。将已分离的富含氢的气体洗涤，以除去任何残余二氧化碳和硫化氢，随后也进料至蒸馏塔。使用丙烷致冷剂的外部封闭的循环使塔顶蒸气冷凝，并且使用过程冷却水使塔底液体再沸腾。蒸馏塔具有100个塔板，并且在约590 psia(约41巴)下操作，使得塔顶温度为42℉(约6℃)，塔底温度为约45℉(约7℃)。
US3643451A(Foucar，1972)公开了一种由酸气体的浓缩的低压力混合物生产高纯度高压力二氧化碳的方法。将气态混合物压缩，冷却和冷凝，并且进料至蒸馏塔，在这里将其分离成为高纯度(至少99.95%)二氧化碳塔顶蒸气和含有冷凝的含硫气体的塔底液体。使用氨致冷剂的外部封闭的循环冷凝塔顶蒸气，通过气化塔底液体、二氧化碳塔顶液体和外部致冷剂，提供用于冷却和冷凝进料的致冷负荷。蒸馏塔系统在约300-350 psia(约21-24巴)下操作，使得塔顶温度为-5至-10℉(约-21至-24℃)，塔底温度为40-70 ℉(约5至21℃)。在该实例中生产97%硫化氢的塔底产物。
WO81/02291A(Schuftan，1981)公开了一种用于分离气体混合物的方法，所述气体混合物包含二氧化碳、至少一种沸点比二氧化碳低的气体和至少一种沸点比二氧化碳高的杂质(通常为硫化氢)。将气体混合物在第一塔中冷却和蒸馏以产生不含杂质的产物气体和含有杂质的液体馏分。在第二蒸馏塔中得到纯的二氧化碳，第二蒸馏塔稍高于二氧化碳的三相点压力(约518 kPa)操作。来自第一塔的液体产物在中间压力下闪蒸，以除去溶解的轻质杂质，随后进一步降低压力并且蒸发，随后作为蒸气进料至第二塔。二氧化碳塔顶蒸气实际上不含杂质，而塔底液体馏分富含杂质，通常含有纯度最高50体积%的硫化合物(主要为硫化氢)。通过热泵循环实现回流和再沸腾，该热泵循环使用纯化的二氧化碳作为工作流体。工作流体经过浸没在塔底液体中的压缩机、换热器和再沸器，在那里冷凝，然后作为回流进料返回至塔的顶部。在约5大气压压力和接近环境温度下，在压缩机紧接的上游，从循环二氧化碳取出基本上纯的二氧化碳产物。
本发明人也已开发了一种用于从粗品二氧化碳去除“重质”杂质例如硫化氢的方法。该方法描述于2012年4月26日提交的共同待审的美国专利申请号13/456854(APCI卷号07597 USA)，其公开内容通过引用结合到本文。在该方法中，在超过大气压下操作的蒸馏塔系统中，通过低于环境温度蒸馏粗品二氧化碳，从粗品二氧化碳除去“重质”杂质，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集“重质”杂质的塔底液体。本发明人发现，当该方法涉及至少一个使用来自蒸馏系统的含有二氧化碳的流体作为工作流体的热泵循环时，当该方法在热泵循环中使用多于一个再循环压力时，实现显著功耗节约。
除了“重质”杂质以外，粗品二氧化碳还可含有显著量的“轻质”杂质。“轻质”杂质倾向于在二氧化碳产物中浓缩。因此，取决于二氧化碳产物的纯度规格，可能还需要从二氧化碳除去这些“轻质”杂质。大多数常规的方法从二氧化碳产物除去“轻质”杂质。然而，US3417572A和WO81/02291A(以上讨论的)为现有技术参考文献的实例，其公开了在“重质”杂质之前除去“轻质”杂质的方法。
GB971362(Ruhemann，1964)公开了一种用于从二氧化碳的天然来源去除“轻质”和“重质”杂质二者的方法。将粗品二氧化碳原料在30℃和110大气压下冷却，除去冷凝的水分。随后将气体干燥，通过间接热交换冷却，以形成部分冷凝的原料，其膨胀至20大气压，随后进料至双分馏塔的下塔，在这里其分离成为“轻质”杂质-富集的塔顶物和含有“重质”杂质的液体二氧化碳。将塔顶物除去，膨胀，从过程中除去。液体二氧化碳膨胀至8大气压，并且进料至双塔的上塔，在这里将其分离以产生二氧化碳塔顶蒸气和“重质”杂质-富集的塔底液体。将二氧化碳气体冷凝，作为液体产物除去，而含有“重质”杂质的塔底液体膨胀，与“轻质”杂质一起从过程中除去。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于纯化不仅包含一种或多种“重质”杂质而且还包含显著量的一种或多种“轻质”杂质的粗品二氧化碳的方法。
本发明的优选实施方案的一个目的是当与其中在除去“重质”杂质之前或之后从二氧化碳除去“轻质”杂质的常规方法相比，提供一种更有效的去除所述杂质的方法。
本发明的优选实施方案的一个目的还是提供一种用于从粗品二氧化碳去除所述杂质的方法，当与这样的常规方法相比时，消耗更少能量。
本发明的优选实施方案的再一目的是改进二氧化碳的总体回收，理想地同时保持或甚至改进纯度。
此外，本发明的优选实施方案的一个目的是，通过消除对外部致冷剂系统的需求，提供一种简化的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的方法，所述方法包括：
通过间接热交换，在高于二氧化碳的三相点压力下冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
将所述冷却的粗品二氧化碳流体进料至第一塔系统，用于传质分离，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”杂质的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体；
通过间接热交换，通过气化“轻质”杂质-耗尽的塔底液体，使所述第一塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第一塔系统；
将来自所述第一塔系统的“轻质”杂质-耗尽的塔底液体进料至第二塔系统，用于传质分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和“重质”杂质-富集的塔底液体；
提供二氧化碳-富集的液体作为回流用于所述第二塔系统；
通过间接热交换，使所述第二塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第二塔系统；
其中所述第一塔系统和第二塔系统在高于二氧化碳的三相点压力并且低于二氧化碳的临界压力下操作；
其中所述方法包括至少一个热泵循环，使用来自所述第二塔系统的含有二氧化碳的流体作为工作流体；
其中通过与来自所述第二塔系统的含有二氧化碳的蒸气间接热交换，通过至少部分气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的至少一种“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾；和
其中来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气包含二氧化碳，并且从所述塔顶蒸气回收至少一部分所述二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳。
在第二塔系统中的或从第二塔系统取出的合适的“重质”杂质-富集的液体包括“重质”杂质-富集的塔底液体和在第二塔系统中的至少一个中间位置中的或从第二塔系统中的至少一个中间位置取出的“重质”杂质-富集的液体(即，“中间液体”)。
根据本发明的第二方面，提供了用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的设备，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第二换热器，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于通过间接热交换温热来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气，以产生温热的二氧化碳-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述温热的二氧化碳-富集的气体，以产生压缩的二氧化碳-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝所述压缩的二氧化碳-富集的再循环气体，以形成至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
第一减压装置，其与所述第三换热器流体流动连通，用于膨胀所述至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
导管装置，用于向所述第二塔系统提供来自所述第一减压装置的至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体作为回流；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第三换热器设置用于通过与所述冷凝二氧化碳再循环气体的所述间接热交换，通过气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾。
还根据本发明的第二方面，提供了用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的设备，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第一减压装置，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于膨胀来自所述第二塔系统的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的液体；
第二换热器，其与所述第一减压装置流体流动连通，用于通过间接热交换，至少部分气化所述膨胀的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述膨胀的“重质”杂质-富集的气体，以产生压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却所述压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体，以形成冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体；
导管装置，用于将来自所述第三换热器的所述冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体进料至所述第二塔系统；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第二换热器设置用于通过与所述气化膨胀的“重质”杂质-富集的液体的所述间接热交换至少部分冷凝来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气。
第一塔系统用于从粗品二氧化碳去除(或“排出”)“轻质”杂质，因此可称为“轻质物质”去除(或排出)塔系统。第一塔系统通常包含一个或多个蒸馏塔系统，用于除去(或排出)一种或多种“轻质”杂质。当粗品二氧化碳包含两种或更多种相对于彼此具有不同挥发性的“轻质”杂质时，第一塔系统可包含用于除去(或排出)至少第一“轻质”杂质(例如，氦)的第一蒸馏塔系统和用于除去(或排出)至少第二“轻质”杂质(例如，氮)的第二蒸馏塔系统。
第二塔系统用于从在第一塔系统中生产的“轻质”杂质耗尽的二氧化碳去除“重质”杂质，因此可称为“重质物质”去除塔系统。
本发明的优选实施方案的一个优点在于，显著降低总体能耗。因为在热泵循环中工作流体的纯度提高，从而能够使再循环流在更窄的温度范围内冷凝，这在使第二塔系统再沸腾时允许更接近的平均温度途径，因此实现该降低。可降低再循环压力，这能够降低在热泵循环中所需的压缩功率。
优选实施方案的另一优点在于，显著改进二氧化碳的总体回收。由于不再必需从热泵循环吹扫工作流体以防止“轻质”杂质累积，实现该改进。此外，从来自第一塔系统的塔顶物回收二氧化碳。
此外，由于不需要外部致冷，优选的实施方案更简单和更有效。
附图说明
图1A为描述用于纯化粗品二氧化碳的对比方法的流程图，其中在单一压力下的包括热泵的单一塔中，通过传质分离，除去“重质”杂质；
图1B为描述用于从在图1A中描述的方法的二氧化碳产物除去“轻质”杂质的一种常规方法的流程图。
图2为描述本发明的第一实施方案的流程图，其中修改图1的方法，使得通过部分冷凝和相分离，从进料除去“轻质”杂质，并且从“轻质”杂质-富集的蒸气回收二氧化碳；
图3为描述在图2中描述的实施方案的改进装置的流程图，其中用于除去“重质”杂质的方法涉及在两种不同压力下的热泵，并且其中来自第二塔系统的一部分二氧化碳产物作为液体取出、泵送和气化，以形成一部分二氧化碳产物；
图4为描述在图2中描述的实施方案的另一个改进装置的流程图，其中用于除去“重质”杂质的方法涉及分裂塔，其中将回收的二氧化碳液体加热，随后膨胀、气化和进料至第二塔系统，并且其中来自第二塔系统的二氧化碳液体在两种不同的压力下气化；
图5为描述在图4中描述的实施方案的改进装置的流程图，其中使用洗涤塔，从“轻质”杂质-富集的蒸气回收二氧化碳；
图6为描述在图5中描述的实施方案的改进装置的流程图，包括不同的单一压力热泵循环；
图7为描述在图5中描述的实施方案的改进装置的流程图，其中第一塔系统包含用于除去更具挥发性的“轻质”杂质(例如，氦)的第一蒸馏塔系统和用于除去挥发更低的“轻质”杂质”(例如，氮、氩、甲烷和/或乙烷)的第二蒸馏塔系统。
图8为描述在图7中描述的实施方案的改进装置的流程图，其中第一蒸馏塔系统具有纯的二氧化碳的另外的回流，并且在去除“重质”杂质之前，使回收的二氧化碳塔底液体膨胀，气化，温热，压缩和冷却；
图9为描述在图8中描述的实施方案的改进装置的流程图，其中回收的二氧化碳塔底液体膨胀和相分离，以除去其它“轻质”杂质，因此提高二氧化碳纯度；
图10为描述在图2中描述的实施方案的改进装置的流程图，其中在热泵循环中的工作流体为来自第二塔系统的中间液体，其膨胀并且用于通过间接热交换在第二塔系统中冷凝塔顶蒸气和
图11为描述在图2中描述的实施方案的改进装置的流程图，包括使用膜分离系统“温热”二氧化碳的回收。
具体实施方式
除非另外明确说明，否则本文对压力的所有提及指的是绝对压力而不是表压。此外，提及“轻质杂质”和“重质杂质”应解释为适当根据存在于粗品二氧化碳流体中的这些杂质数量的“轻质杂质”和“重质杂质”。此外，除非另外明确说明，否则，基于“干”基础，即，从计算中排除任何水含量，以摩尔%计算流体组成。实际上，为了避免操作问题，水含量必须足够低，以避免冻析和/或水合物形成，即，粗品二氧化碳的水含量应不大于10 ppm。
方法综述
本发明涉及一种用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的方法。
所述方法包括通过间接热交换，在高于二氧化碳的三相点压力下冷却粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体。将冷却的粗品二氧化碳流体进料至第一塔系统，用于传质分离，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含“重质”杂质的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体。通过间接热交换，使第一塔系统再沸腾，以提供蒸气用于第一塔系统。将塔底液体从第一塔系统进料至第二塔系统，用于传质分离，以产生二氧化碳塔顶蒸气和富集“重质”杂质的塔底液体。使用二氧化碳-富集的液体提供回流用于第二塔系统，并且通过间接热交换，使第二塔系统再沸腾，以提供蒸气用于第二塔系统。
第一塔系统和第二塔系统在高于二氧化碳的三相点压力(即，高于约5.2巴)，并且低于二氧化碳的临界压力(即，低于约73.9巴)下操作。
所述方法包括至少一个热泵循环，该热泵循环使用来自第二塔系统的含有二氧化碳的流体作为工作流体。通过与来自第二塔系统的含有二氧化碳的蒸气间接热交换，通过至少部分气化在第二塔系统中的或从第二塔系统取出的至少一种“重质”杂质-富集的液体，使第二塔系统再沸腾。“重质”杂质-富集的液体可为“重质”杂质-富集的塔底液体、至少一种在第二塔系统的中间位置中的或从第二塔系统的中间位置取出的“重质”杂质-富集的液体、或这样的液体的组合。在优选的实施方案中，通过与含有二氧化碳的蒸气间接热交换，通过气化“重质”杂质-富集的中间液体，使第二塔系统部分再沸腾。通过可能与另一个“温热”过程流间接热交换，“重质”杂质-富集的塔底液体也气化，以提供其它蒸气用于第二塔系统。
来自第一塔系统的塔顶蒸气包含二氧化碳，其中至少一部分从塔顶蒸气回收，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳。取决于回收方法以及因此回收的二氧化碳的温度和压力条件，回收的二氧化碳可再循环至方法中的适当的点，或进料至第二塔系统用于传质分离。
“传质分离”，本发明人指包括蒸馏(或精馏或分馏)、洗涤、汽提或洗涤的过程。该表述旨在包括其中也传热的过程。通常，在第一塔系统和第二塔系统中的传质分离通过蒸馏。
技术人员将理解，在正常操作条件下，过程平衡，并且从实现分离的塔系统除去本发明涉及的传质分离产物，以防止不希望的累积。技术人员将理解，在这样的条件下，塔系统通常含有液体库存。
“再沸腾”，本发明人指通常通过与更温热的过程流的间接热交换使存在于塔系统中的液体气化，以产生蒸气用于塔系统和促进传质分离。塔底液体和/或来自塔系统的中间点的液体可再沸腾。使用原位再沸器，液体可在塔内再沸腾，或者，例如使用副再沸器，可在塔外再沸腾，副再沸器可为离散的单元，或者可为在较大热交换单元中的区域。
粗品二氧化碳流体
粗品二氧化碳流体可从任何合适的来源取出。在一些实施方案中，粗品二氧化碳流体衍生自二氧化碳的天然来源。在其它实施方案中，粗品二氧化碳流体可源于增强的油回收(EOR)方法。
总的来说，通常将来自田(field)的粗品二氧化碳降低压力或温度以“排出”水、溶解的硫化合物和较重的烃。例如，特别在EOR应用中，通常将粗品二氧化碳降低至低压力，例如，低于5巴。在这样的情况下，在使用本发明处理之前，将粗品二氧化碳再压缩。
此外，在粗品二氧化碳中水的浓度可进一步降低，以降低在本发明内冷凝或水合物形成的可能性。可使用吸附系统或基于溶剂的系统(例如使用二醇混合物作为溶剂)实施脱水步骤。
粗品二氧化碳流体的压力通常高于二氧化碳的三相点压力(即，约5.2巴)并且通常不大于200巴。由于二氧化碳的临界压力为约73.9巴，粗品二氧化碳流体可低于、处于或高于二氧化碳的临界压力。在一些实施方案中，粗品二氧化碳流体的压力为约100巴-约200巴。在其它实施方案中，粗品二氧化碳流体的压力为约20巴-约100巴，例如，约30巴-约80巴。
粗品二氧化碳流体的温度通常不低于-20℃，通常不低于-10℃，优选不低于0℃。温度可高于二氧化碳的临界温度，即，约31.1℃。然而，粗品二氧化碳流体的温度通常不大于100℃，通常不大于50℃，优选不大于30℃。在一些实施方案中，温度不大于20℃，或甚至不大于15℃。温度可为大约二氧化碳的“泡点”，即，在给定的压力下二氧化碳开始沸腾的温度。在其它实施方案中，温度处于或高于二氧化碳的露点。
本发明旨在以通常为约50-约100,000 kmol/h(或1-2000百万标准立方英尺/天或MMSCFD)，例如，约500-约50,000 kmol/h(或10-1000 MMSCFD)的流速处理粗品二氧化碳流体。单个设备将处理通常约2,500-约10,000 kmol/h(或50-200 MMSCFD)，但是多个设备可并行使用。
粗品二氧化碳流体通常包含至少50摩尔%，例如，至少65摩尔%，优选至少80摩尔%二氧化碳。粗品二氧化碳流体通常包含不大于97摩尔%，例如，不大于95摩尔%二氧化碳。在优选的实施方案中，粗品二氧化碳包含约85摩尔%-约95摩尔%二氧化碳。
典型的“重质”杂质包括硫化氢；甲醇；C3-C8烃，例如丙烷；二硫化碳；氧硫化碳；二甲硫醚和其它有机硫化合物；二氧化氮；二氧化硫；三氧化硫和氨，并且本发明可适用于去除这些杂质或其它“重质”杂质的任一种或任何混合物。在粗品二氧化碳流体中“重质”杂质的总浓度通常不大于50摩尔%，例如不大于25摩尔%，例如，不大于10摩尔%。在粗品二氧化碳流体中“重质”杂质的总浓度通常为至少0.1摩尔%，例如至少0.2摩尔%，例如，至少0.5摩尔%或1摩尔%。
本发明特别可用于去除硫化氢作为“重质”杂质。硫化氢的浓度可为约0.1摩尔%-约25摩尔%，例如，约0.2摩尔%-约10摩尔%。
典型的“轻质”杂质包括氮；氧；氖；氪；氩；氙；氢；氦；甲烷；C2烃例如乙烷；一氧化碳；一氧化一氮和一氧化二氮，并且本发明可适用于去除这些杂质或其它“轻质”杂质的任一种或任何混合物。在粗品二氧化碳流体中“轻质”杂质的总浓度通常不大于50摩尔%，例如不大于25摩尔%，例如，不大于10摩尔%。在粗品二氧化碳流体中“轻质”杂质的总浓度通常为至少0.1摩尔%，例如至少0.2摩尔%，例如，至少0.5摩尔%或1摩尔%。
如上所述，本发明特别可用于去除硫化氢作为“重质”杂质。在这样的情况下，“轻质”杂质通常为氮、氩、氦、甲烷和乙烷中的一种或多种。在这样的情况下，“轻质”杂质的总浓度可为约0.5摩尔%-约50摩尔%，例如，约1摩尔%-约25摩尔%。
在其中粗品二氧化碳流体为气态并且在低于临界压力的实施方案中，当冷却时流体通常冷凝。在其中粗品二氧化碳流体为超临界的实施方案中，当冷却时流体“准冷凝”。通常，将粗品二氧化碳流体冷却至在约0℃-约-55℃范围的温度。
在进料至第一塔系统之前，通常使冷却的粗品二氧化碳流体膨胀。在膨胀前，冷却的粗品二氧化碳流体可低于、处于或高于二氧化碳的临界压力。然而，在膨胀后，流体的压力低于临界。
在冷却和任选的减压后，向第一塔系统的进料通常为两相，具有主要含有二氧化碳和重质杂质的液相和主要含有“轻质”杂质的蒸气相。在粗品二氧化碳流体中仅存在少量“轻质”杂质的实施方案中，则进料主要为液体。
去除“轻质”杂质
在第一塔系统中，通过传质分离，从粗品二氧化碳流体除去“轻质”杂质。第一塔系统的操作压力通常为约10巴-约60巴，例如，约30巴-约60巴，并且操作温度通常为约-55℃至约25℃。
所述或每一种“轻质”杂质可在单一步骤中除去。在这样的情况下，第一塔系统通常包含单一蒸馏塔系统，向其中进料冷却的粗品二氧化碳流体，用于传质分离，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体。
在其中存在多于一种“轻质”杂质的一些情况下，一种轻质杂质可比其它的更有价值。在这种情况下，可期望单独于其它“轻质”杂质，回收更有价值的“轻质”杂质。这种情况的实例包括其中“轻质”杂质包括氢或氦的情况，氢或氦比其它“轻质”杂质(例如氮、氧、氩和甲烷)更具挥发性(潜在地更有价值)。
在其中粗品二氧化碳流体包含第一“轻质”杂质和第二“轻质”杂质的情况下，第一“轻质”杂质比所述第二“轻质”杂质更具挥发性，则所述方法可包括用于除去“轻质”杂质的不同的步骤。因此，第一塔系统可包含多个蒸馏塔系统，例如第一蒸馏塔系统和第二蒸馏塔系统。在这样的情况下，所述方法可包括将冷却的粗品二氧化碳流体进料至第一蒸馏塔系统，以产生富集第一“轻质”杂质的塔顶蒸气，和耗尽第一“轻质”杂质的塔底液体；通过间接热交换，使第一蒸馏塔系统再沸腾，以提供蒸气用于第一蒸馏塔系统；将来自第一蒸馏塔系统的塔底液体进料至第二蒸馏塔系统，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体；和将来自第二蒸馏塔系统的塔底液体进料至第一蒸馏塔系统，优选作为回流。
在进料至第二蒸馏塔系统之前，通常使来自第一蒸馏塔系统的塔底液体膨胀。
在进料至第一蒸馏塔系统之前，优选泵送来自第二蒸馏塔系统的塔底液体。
另外或或者，可使用来自第二塔系统的二氧化碳-富集的液体，提供用于第一蒸馏塔系统的回流。在这些实施方案中，可将来自第二蒸馏塔系统的塔底液体进料至在第一蒸馏塔系统中的中间位置。在作为回流进料至第一蒸馏塔系统之前，优选泵送来自第二塔系统的二氧化碳-富集的液体。
第一和第二蒸馏塔系统均在如上指定的宽泛的压力和温度范围内操作。然而，在优选的实施方案中，第一蒸馏塔系统在约40巴-约60巴的压力和约-55℃至约10℃的进料温度下操作，而第二蒸馏塔系统在约30巴-约50巴压力和约-30℃至约10℃进料温度下操作。
在其中粗品二氧化碳流体包含甲烷作为“轻质”杂质的其它实施方案中，第一塔系统在甲烷-富集的塔顶蒸气中回收甲烷。如果也存在着氮作为“轻质”杂质，则甲烷-富集的塔顶蒸气还含有氮，并且塔顶蒸气可随后经历氮排出方法，以回收甲烷。
在其中“轻质”杂质为甲烷、氮和氦的其它实施方案中，可排出轻质杂质的混合物，随后施用常规的方法用于排出氮和回收氦。
粗品二氧化碳流体通常为在初始冷却步骤期间至少部分冷凝的蒸气，以产生冷却的粗品二氧化碳流体，在进料至第一塔系统之前，它优选膨胀。在这样的实施方案中，第一塔系统的再沸腾负荷通常通过与冷凝粗品二氧化碳流体间接热交换而至少部分提供。然而，通过与热泵循环中的冷凝再循环流体间接热交换，可至少部分提供再沸腾负荷。
回收二氧化碳
来自第一塔系统的塔顶蒸气含有二氧化碳。本发明人提出从该蒸气回收二氧化碳，以改进总体二氧化碳回收。
当进料至二氧化碳回收步骤时，来自第一塔系统的塔顶蒸气的温度取决于回收方法的性质。在从第一塔系统除去塔顶蒸气之后，塔顶蒸气的温度可降低或提高或甚至保持不变。在优选的实施方案中，将塔顶蒸气冷却，以冷凝二氧化碳，以促进与保持未冷凝的“轻质”杂质分离。这在本文中称为“冷”回收二氧化碳。
通过与任何合适的过程流间接热交换，例如在膨胀后蒸发回收的二氧化碳，可提供冷却和部分冷凝来自第一塔系统的塔顶蒸气所需的致冷负荷。或者，通过与过程流间接热交换和在洗涤塔中与较冷的洗液直接热交换的组合，可提供致冷负荷。
在一些实施方案中，通过部分冷凝和相分离，从塔顶蒸气回收二氧化碳。在这样的实施方案中，通过间接热交换，将来自第一塔系统的塔顶蒸气冷却，以冷凝蒸气中的二氧化碳，随后通过相分离回收。
在其它实施方案中，通过间接热交换，将来自第一塔系统的塔顶蒸气冷却，以冷凝二氧化碳，并且将部分冷凝的流体进料至洗涤塔，其中从未冷凝的蒸气洗涤出“重质”杂质。来自第二塔系统的二氧化碳-富集的液体用于在洗涤塔中洗涤未冷凝的蒸气。通过在洗涤塔中与洗液直接热交换，可进一步冷却来自第一塔系统的塔顶蒸气。
在洗涤塔中，液体/蒸气(“L/V”)比率通常低，以从“轻质”杂质-富集的蒸气洗涤出少量的“重质”杂质。L/V比率通常低于1，例如，低于0.5或甚至低于0.2。
在例如这些包括“冷”回收二氧化碳的实施方案中，通常在该过程内尽可能高的压力下和在该过程内尽可能低的温度下发生回收，使得二氧化碳的回收最大化。例如，压力通常与取出塔顶蒸气的第一塔系统的部分的操作压力相同(通常允许固有的压降)。该温度通常刚好高于将二氧化碳从蒸气中“冻析”的温度，例如，高几摄氏度，或1-3℃。
在其它实施方案中，使用选自吸附；吸收；膜分离和在低于二氧化碳的三相点温度的温度下固化和分离的方法，可从来自第一塔系统的塔顶蒸气回收二氧化碳。
合适的吸附方法包括温度摇摆吸附(TSA)、真空摇摆吸附(VSA)和压力摇摆吸附(PSA)。合适的吸收方法包括基于胺的系统或其它化学或物理溶剂系统。合适的吸收方法的实例包括Selexol®和Rectisol®。在这些实施方案中，回收的二氧化碳可足够纯，以与产物直接组合而不是进料至第一塔系统。
在膜分离方法中，二氧化碳透过膜，并且可再压缩并进料至第二塔系统或在“轻质”杂质去除步骤的上游再循环。合适的膜系统包括聚合膜，例如PRISM®膜(Air Products and Chemicals，Inc.)。
当通过固化回收二氧化碳时，在低于二氧化碳的三相点温度的温度下，通过任何合适的方式将固体二氧化碳与残余气体分离。在此情境下，本发明涵盖使用由Twister BV供应的超声波分离器和水合物分离器。
在一些实施方案中，通过间接热交换，将富含“轻质”杂质的残余气体温热，并且从方法吹扫(purge from)。或者，如果二氧化碳产物的纯度规格允许，可通过间接热交换将至少一部分“轻质”杂质-富集的气体温热，并且加入到作为产物从第二塔系统除去的二氧化碳气体。采用这种方式，可提高在热泵循环中二氧化碳再循环流的纯度，使得流在较窄的温度范围冷凝，从而能够更好地匹配第二塔系统的再沸器的沸腾温度分布。
在其中“轻质”杂质可燃(例如，选自氢；甲烷；C2烃；一氧化碳和它们的混合物)的实施方案中，富含“轻质”杂质的残余气体可用作燃料用于燃烧，以产生燃烧产物气体。在这样的实施方案中，优选通过间接热交换，从燃烧产物气体回收热量。
在包括“冷”回收二氧化碳的一些实施方案中，回收的二氧化碳通常作为补充进料进料至第二塔系统，用于传质分离。在进料至第二塔系统之前，回收的液体任选通过间接热交换加热(以避免在膨胀时形成固体二氧化碳)、膨胀和通过间接热交换气化。在一些实施方案中，在(任选加热和)膨胀之前，回收的二氧化碳在分离器容器中闪蒸，通常通过间接热交换将蒸气相温热并从方法吹扫，且液相膨胀，气化并且进料至第二塔系统。
或者，至少一部分回收的二氧化碳可再循环至方法中。例如，如果需要非常纯的二氧化碳，回收的二氧化碳可在“轻质”杂质分离步骤的上游再循环，或者作为回流进料至第一塔系统，否则在该流中的“轻质”杂质污染纯的二氧化碳产物。
在其它实施方案中，可存在二氧化碳的“温热”回收。例如，通过间接热交换，可将来自第一塔系统的塔顶蒸气温热，并且使用膜分离系统，可从温热的流回收二氧化碳并且再循环。
去除“重质”杂质
来自第一塔系统的二氧化碳塔底液体仍包含所述或每一种“重质”杂质，但是通常至少基本上不含“轻质”杂质，例如，含有低于5摩尔%，并且通常低于1摩尔% “轻质”杂质，取决于最终的二氧化碳纯度要求。将液体进料至第二塔系统，用于传质分离，以产生二氧化碳塔顶蒸气和富集“重质”杂质的塔底液体。
在一些优选的实施方案中，在进料至第二塔系统之前，将来自第一塔系统的塔底液体过冷。
在其它优选的实施方案中，在进料至第二塔系统之前，使来自第一塔系统的塔底液体膨胀。在这些实施方案中，在膨胀之前，通过间接热交换，可将来自第一塔系统的塔底液体过冷。
在其它优选的实施方案中，在进料至第二塔系统之前，将来自第一塔系统的塔底液体至少部分气化。在这些实施方案中，在至少部分气化之前，通过间接热交换和任选的膨胀，可将来自第一塔系统的塔底液体过冷。或者，在至少部分气化之前，可使来自第一塔系统的塔底液体膨胀(而没有过冷)。
第二塔系统的操作压力通常为至少10巴。这样避免必须在过度冷的温度下操作塔系统，并且意味着热泵压缩机的体积抽吸流量不过度。
第二塔系统的操作压力通常不大于约40巴，例如，不大于约30巴。在优选的实施方案中，操作压力不大于约25巴。在该压力下，第二塔系统足够远离临界压力操作，以便塔内水力参数舒适。
向第二塔系统的主要进料的温度通常在约-40℃至约5℃范围。
第二塔系统可包含单一蒸馏塔、其中塔的两个部分在相同的压力下操作的分开蒸馏塔(split distillation column)或其中塔在不同的压力下操作的多个蒸馏塔。在后一种情况下，所有的操作压力落入以上给出的优选的范围内。
在其中第二塔系统包含两个在不同的压力下操作的蒸馏塔的实施方案中，较高压力塔的操作压力通常为约15巴-约40巴，而较低压力塔的操作压力通常为约10巴-约30巴。
来自第一塔系统的塔底液体优选进料至第二塔系统的中间位置。第二塔系统通常连同液体再分布器等含有蒸馏塔板和/或填充物(无规和/或结构化的)以提高蒸气/液体，从而改进传质分离。在这样的实施方案中，第二塔系统通常包含至少两个蒸馏部分，其中在相邻蒸馏部分之间具有中间区域。该中间区域通常为来自第一塔系统的塔底液体向第二塔系统的进料位置。
“相邻蒸馏部分”，本发明人指在它们之间不存在其它蒸馏部分。“相邻”蒸馏部分可在相同的蒸馏塔系统内，例如，在单一蒸馏塔系统中，或者可在不同的蒸馏塔系统中，例如，在分开蒸馏塔或多个蒸馏塔系统中。相邻蒸馏部分可为垂直和/或横向间隔关系。当相邻蒸馏部分为横向间隔关系时，可需要将液体从一个蒸馏部分泵送至另一个蒸馏部分，取决于蒸馏部分相对于彼此的位置。
通常通过至少部分气化在第二塔系统中间位置中的或从第二塔系统中间位置取出的液体，使第二塔系统再沸腾。中间液体可在与进料位置相同的中间区域中或从中取出，或者可在低于所述进料位置的第二塔系统中的不同中间区域(即，在它们之间具有至少一个蒸馏部分)中或从中取出。
此外，通常通过至少部分气化在第二塔系统中生产的塔底液体，使第二塔系统再沸腾。再沸器可在塔系统的贮槽(sump)中，或者可位于塔的外部。
第二塔系统还可包含至少一个蒸气/液体分离器；一个分离器用于从塔系统的回流液体分离蒸气组分；和/或一个不同的分离器用于从取自塔系统的部分再沸腾的液体产生的用于塔系统的蒸气分离液体组分。
二氧化碳-富集的塔顶蒸气具有比粗品二氧化碳流体更大浓度的二氧化碳。在塔顶蒸气中二氧化碳的浓度通常为至少90摩尔%，例如，至少95摩尔%，优选至少98摩尔%。塔顶蒸气优选为含有不大于200 ppm，优选不大于100 ppm的“重质”杂质的基本上纯的二氧化碳。
在第二塔系统中生产的塔底液体包含至少基本上所有的，并优选基本上所有的存在于粗品二氧化碳流体中的任何“重质”杂质。在优选的实施方案中，蒸馏塔系统的塔底部分中的蒸气流降低，导致塔系统的塔底部分的直径降低。当存在较高浓度的挥发性杂质时，塔底液体的总库存从而显著降低。降低液体库存的量意味着在设备灾难性失效的情况下，存在较少的液体库存逃逸。当“重质”杂质有毒，或者当存在多于一种“重质”杂质时至少一种“重质”杂质有毒，例如，在杂质为硫化氢的情况下，该优点特别重要。
所述方法还提供二氧化碳-富集的液体，用作用于第二塔系统的回流，并且通过间接热交换，使一部分塔底液体至少部分再沸腾，以提供用于塔系统的蒸气。从塔系统除去二氧化碳-富集的塔顶蒸气，就像塔底液体的一部分一样，或衍生自塔底液体的液体。
热泵循环
通过与来自至少一个热泵循环(使用源自第二塔系统的含有二氧化碳的蒸气作为工作流体)的再循环流体间接热交换，至少部分提供用于至少第二塔系统的再沸腾负荷。当存在多于一种再循环流体时，至少一种再循环流体可具有与其它再循环流体不同的压力。
“热泵循环”，本发明人指将热能从处于较低温度的热源转移至处于较高温度的热沉(heat sink)的循环。热泵循环使用工作流体，在该情况下，工作流体为来自第二塔系统的二氧化碳蒸气。
通常，将工作流体从第二塔系统除去；至少部分气化(任选的)；温热；压缩；和在合适的冷却(和任选至少部分冷凝)和减压之后，再循环至塔系统。通过与在第二塔系统中的或从第二塔系统取出的“重质”杂质-富集的液体(通常为“重质”杂质-富集的中间液体)间接热交换，压缩的流体或“再循环流体”用于提供再沸腾负荷。由于提供再沸腾负荷的结果，将再循环流体冷却至某一程度，但是在返回至第二塔系统之前通常需要进一步冷却。
在优选的实施方案中，热源为比起再沸器(热沉)通常在更低温度下冷凝的塔顶蒸气。然而，本发明人已发现，通过在热泵循环中压缩塔顶蒸气，蒸气将热量转移至再沸器，并且在比再沸器更高的温度下冷凝。
在一些实施方案中，工作流体为耗尽“重质”杂质的二氧化碳，并且通常选自二氧化碳-富集的塔顶蒸气或从在第二塔系统的中间位置取出的二氧化碳-富集的蒸气(“中间蒸气”)。在优选的实施方案中，塔顶蒸气用作工作流体。
本发明可涉及在不同的压力下的至少两种再循环流体。在这样的情况下，压差显著，通常约为至少10%，例如，至少25%或甚至至少50%，但是压差通常不大于200%，例如，不大于100%。在绝对术语中，压差可为至少2巴，例如，至少5巴，优选至少10巴。压差通常不大于50巴，优选不大于30巴。
在一些优选的实施方案中，所述方法包括具有一种或多种再循环流体的单一热泵循环。当存在一种再循环流体时，流体的压力通常为约15巴-约60巴。
当存在多于一种再循环流体时，所述方法可包括第一再循环流体和第二再循环流体，第二再循环流体的压力大于第一再循环流体的压力。第一再循环流体的压力通常为约15巴-约30巴。第二再循环流体的压力通常为约20巴-约70巴。
在一些实施方案中，热泵循环的工作流体包含通过间接热交换温热二氧化碳-富集的塔顶蒸气所产生的二氧化碳-富集的气体。通过与任何合适的“温热”过程流间接热交换，可提供温热二氧化碳-富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷，但是优选通过与至少一种再循环流体间接热交换来提供。压缩机进料可依靠压缩机产物温热，使得在换热器两侧上的流量相同。在这些实施方案中，第一和第二再循环流体二者均用于温热塔顶蒸气。
在合适的减压后，再循环流体通常再循环至第二塔系统中的适当的位置。在第二塔系统中的适当的位置通常为塔的组成匹配再循环流体的组成的地方。当工作流体为二氧化碳塔顶蒸气时，冷凝的再循环流体通常作为回流再循环至第二塔系统。
第一再循环流体与第二再循环流体的摩尔流量的比率由流体所需的负荷确定。通常，摩尔流量比为约0.1(即，1:10)-约15(即，15:1)。在一些优选的实施方案中，该比率为约3(即，3:1)-约12(即，12:1)。在其它优选的实施方案中，该比率为约0.2(即，1:5)-约1(即，1:1)。
在其它实施方案中，热泵循环的工作流体包含在合适的减压后，通过间接热交换，通过气化从所述第二塔系统取出的液体产生的“重质”杂质-富集的气体。该液体为从第二塔系统的中间位置或所述塔系统的塔底取出的“重质”杂质-富集的液体。在优选的实施方案中，从与第二塔系统的主要进料的位置至少基本上水平(或更低)的位置除去中间液体。在这样的实施方案中，中间液体的组成通常至少基本上等同于通向第二塔系统的二氧化碳进料的组成。在这些实施方案中，工作流体还可包含通过间接热交换温热二氧化碳塔顶蒸气所产生的二氧化碳气体。
蒸发所述“中间”液体所需的至少一部分负荷还可通过任何合适的“温热”过程流提供。优选，通过与冷凝来自第二塔系统的塔顶蒸气间接热交换，使中间液体蒸发。
在这些其它实施方案中，第一再循环流体优选作为进料的一部分再循环至第二塔系统，另外或或者，在合适的减压后，第二再循环流体优选作为用于热泵循环的工作流体的一部分再循环。
所述方法可包括至少第一热泵循环和第二热泵循环，每一个热泵循环包含至少一种再循环流体。在这些实施方案中，第一热泵循环的再循环流体(或者当第一热泵循环具有多于一种再循环流体时，至少一种再循环流体)的压力大于第二热泵循环的再循环流体的压力。
第一热泵循环的工作流体优选包含通过间接热交换温热二氧化碳-富集的塔顶蒸气所产生的二氧化碳-富集的气体。通过与任何合适的“温热”过程流间接热交换，可提供温热二氧化碳-富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种再循环流体间接热交换来提供。第一热泵循环的再循环流体的压力通常为约15巴-约60巴。
第二热泵循环的工作流体可包含通过间接热交换温热从蒸馏塔系统的中间位置取出的“中间”蒸气所产生的二氧化碳-富集的气体。“中间”蒸气为二氧化碳-富集的流体。在优选的实施方案中，从与塔系统的主要进料的位置至少基本上水平的位置除去中间蒸气。在这样的实施方案中，中间蒸气的组成通常至少基本上等同于二氧化碳进料的组成。
通过与任何合适的“温热”过程流间接热交换，可提供温热“中间”蒸气所需的至少一部分负荷，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种再循环流体间接热交换来提供。
如在其它实施方案中一样，在合适的减压(如果需要)后，通常将再循环流再循环至在第二塔系统中适当的位置。关于这一点，在减压后，优选将第一再循环流体冷凝并且再循环至第二塔系统的顶部，以提供回流。在合适的减压(如果需要)后，通常将第二再循环流体再循环至在第二塔系统中的中间位置，该位置与塔系统的主要进料的位置至少基本上水平。在其中塔系统包含双塔装置的优选的实施方案中，用于第二热泵循环的工作流体为来自较低压力塔的中间蒸气，并且无需减压再循环至较高压力塔的底部。
第二热泵循环的再循环流体的压力优选为约10巴-约25巴，例如，将再循环流体再循环至其中的第二塔系统的部分的操作压力。
用于第二塔系统的再沸腾负荷
通过间接热交换，优选使单独的塔底液体，或者塔底液体和来自第二塔系统的中间位置的至少一种液体(或“中间液体”)二者，至少部分再沸腾，以提供蒸气用于第二塔系统。通过与任何合适的“温热”过程流间接热交换，可提供至少一部分再沸腾负荷(特别是用于中间液体)，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种再循环流体(例如，因此至少部分冷凝的第一再循环流体)间接热交换来提供。
在其中热泵具有单一再循环流的实施方案中，使用中间再沸器的一个优点在于，降低必须将工作流体压缩至的压力，从而节约动力。在其中热泵具有多于一种再循环流的实施方案中，或者当存在多于一个热泵循环时，使用中间再沸器的一个优点在于，通过仅需要压缩一小部分(通常<10%)塔顶蒸气至加热塔底再沸器所需的较高压力，而其余的仅需要压缩至较低压力，显著降低功耗。
对于所有实施方案，中间再沸器的另一优点在于，可显著降低低于再沸器的塔直径(硫化氢浓度在那里快速提高)，使得高度毒性的硫化氢的库存可降低。
在一些优选的实施方案中，在合适的减压后，优选通过至少一种再循环流体冷凝物(通常为冷凝的塔顶蒸气)提供回流用于第二塔系统。在其它实施方案中，通过塔顶冷凝器装置提供回流用于塔，在该装置中通过与至少一种“冷”过程流(例如，再沸腾中间液体或塔底液体)间接热交换，使塔顶蒸气至少部分冷凝，并且返回至塔系统。
致冷负荷
通过与任何合适的“冷”过程流间接热交换，可提供冷却和至少部分冷凝至少一种再循环流体所需的致冷负荷。
“致冷负荷”，本发明人指冷却负荷，且如果适用，指过程所需的冷凝负荷。
“冷过程流”，本发明人指在过程内的任何流体流，其温度低于待冷却(适当时，待冷凝)的流体的温度，并且其压力适合提供所需的间接热交换。合适的“冷”过程流包括在冷端进入主要热交换的流。在优选的实施方案中，通过与至少一种选自二氧化碳-富集的液体；中间液体；塔底液体；衍生自塔底液体的液体和膨胀的粗品二氧化碳流体的流体间接热交换来提供负荷。
在分离前，通过间接热交换，冷却粗品二氧化碳流体。通过与任何合适的致冷剂流间接热交换，可提供冷却和任选冷凝粗品二氧化碳流体所需的至少一部分致冷负荷，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种选自二氧化碳-富集的液体；中间液体；来自任何塔系统的塔底液体；衍生自塔底液体的液体和膨胀的粗品二氧化碳流体的“冷”过程流间接热交换来提供。
来自第一塔系统的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体优选用作“冷”过程流，以提供用于过程的致冷负荷。或者，液体还可用作“温热”过程流，因为其通常通过间接热交换而过冷。当通过间接热交换气化时，过冷的流通常膨胀，并且随后可用作“冷”流。液体也可直接进料至蒸馏塔流，而无需通过间接热交换提供致冷负荷。
进料可衍生自超临界粗品二氧化碳流体，并且产生二氧化碳液体作为产物。在这些实施方案中，二氧化碳液体通常从第二塔系统除去，泵送，并且通过间接热交换温热，以产生温热的二氧化碳液体作为产物。通过与任何合适的“温热”过程流间接热交换，可提供温热泵送的二氧化碳液体所需的至少一部分负荷，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种再循环流体间接热交换来提供。
泵送的二氧化碳液体优选用作“冷”过程流，以提供用于过程的致冷负荷。
进料可衍生自粗品二氧化碳蒸气，并且产生二氧化碳气体作为产物。在这些实施方案中，通过间接热交换，通常将来自第二塔系统的一部分二氧化碳塔顶蒸气温热，以产生二氧化碳气体。通过与任何合适的“温热”过程流间接热交换，可提供温热所述二氧化碳塔顶蒸气所需的至少一部分负荷，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种再循环流体间接热交换来提供。
二氧化碳塔顶蒸气优选用作“冷”过程流，以提供用于过程的致冷负荷。
通常泵送来自第二塔系统的一部分塔底液体或者衍生自所述塔底液体的液体，以提供富含“重质”杂质的废液。由于泵送的液体通常为接近环境温度的小的流，在作为废液处置之前，不必或没有优势来通过间接热交换将它温热。然而，在其中液体显著低于环境温度的实施方案中，液体可用作“冷”流，以提供致冷负荷。通过与任何“温热”过程流间接热交换，可提供温热泵送的塔底液体所需的至少一部分负荷，但是在优选的实施方案中，通过与至少一种再循环流体间接热交换来提供。
塔底液体或衍生自塔底液体的液体的其它部分通常用作“冷”过程流，以提供用于过程的致冷负荷。
外部致冷循环可用于提供过程所需的至少一部分致冷负荷，例如，用于冷却通向过程的进料，从而生产冷却的二氧化碳流体。然而，在优选的实施方案中，整个过程自动冷冻，即，无一致冷负荷通过外部致冷循环提供。
设备
在一种装置中，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第二换热器，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于通过间接热交换温热来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气，以产生温热的二氧化碳-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述温热的二氧化碳-富集的气体，以产生压缩的二氧化碳-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝所述压缩的二氧化碳-富集的再循环气体，以形成至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
第一减压装置，其与所述第三换热器流体流动连通，用于膨胀所述至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
导管装置，用于向所述第二塔系统提供来自所述第一减压装置的至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体作为回流；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第三换热器设置用于通过与所述冷凝二氧化碳再循环气体的所述间接热交换，通过气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾。
在另一个装置中，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第一减压装置，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于膨胀来自所述第二塔系统的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的液体；
第二换热器，其与所述第一减压装置流体流动连通，用于通过间接热交换，至少部分气化所述膨胀的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述膨胀的“重质”杂质-富集的气体，以产生压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却所述压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体，以形成冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体；
导管装置，用于将来自所述第三换热器的所述冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体进料至所述第二塔系统；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第二换热器设置用于通过与所述气化膨胀的“重质”杂质-富集的液体的所述间接热交换至少部分冷凝来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气。
“流体流动连通”，本发明人指设备的相关零件可操作地设置和/或互连，使得流体可如指示地在零件之间流动。流体流动连通可采用任何合适的方式提供，但是优选使用导管装置，例如管道。按照需要，流体流动连通还可包括，例如，减压装置如膨胀阀；在换热器中的通道和/或相分离容器。
通常，设备包含导管装置，用于将来自二氧化碳回收系统的回收的二氧化碳进料至第二塔系统，用于传质分离。
设备优选包含第二减压装置，例如膨胀阀，其在第一换热器和第一塔系统之间的流体流动连通中提供，用于膨胀冷却的粗品二氧化碳流体。
设备优选包含第四换热器，其在第一塔系统和二氧化碳回收系统之间的流体流动连通中提供，用于通过间接热交换冷却来自第一塔系统的塔顶蒸气。
在一些实施方案中，二氧化碳回收系统包含：
第五换热器，其与第一塔系统流体流动连通，用于通过间接热交换部分冷凝来自第一塔系统的塔顶蒸气；和
相分离器，其与第五换热器流体流动连通，用于以冷凝物形式将富含“轻质”杂质的残余气体与回收的二氧化碳分离。
在其它实施方案中，二氧化碳回收系统包含：
洗涤塔，其与第一塔系统流体流动连通，用于从来自第一塔系统的塔顶蒸气洗涤二氧化碳和“重质”杂质，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳；和
导管装置，用于将来自第二塔系统的二氧化碳-富集的液体进料至洗涤塔。
第二塔系统通常包含：
至少两个蒸馏部分；
在相邻蒸馏部分之间的中间区域；和
入口，用于在中间区域将来自第一塔系统的塔底液体进料至第二塔系统。
在这样的实施方案中，第三换热器通常设置用于使在第二塔系统的中间区域(来自第一塔系统的塔底液体进料至其中)或另一个中间区域中的或从中取出的液体再沸腾。
优选，设备包含第三减压装置，例如膨胀阀，其在第一换热器和第一塔系统之间的流体流动连通中，用于膨胀粗品二氧化碳流体。
第一再沸器优选为第一换热器的至少一部分，第一换热器设置用于通过与冷凝粗品二氧化碳流体间接热交换，使通过第一塔系统产生的塔底液体再沸腾。
另外或或者，第一再沸器可为第三换热器的至少一部分，第三换热器也设置用于通过与冷凝二氧化碳流体间接热交换，使通过第一塔系统产生的塔底液体再沸腾。
第一或第二塔系统可包含蒸馏(或精馏或分馏)塔系统、洗涤塔系统、汽提塔系统或洗涤塔系统。在优选的实施方案中，第一或第二塔系统包含蒸馏塔系统。
第一塔系统通常包含至少一种蒸馏塔系统。在这样的实施方案中，第一塔系统可包含：
第一蒸馏塔系统，用于将粗品二氧化碳流体分离成为富集第一“轻质”杂质的塔顶蒸气，和耗尽所述第一“轻质”杂质的塔底液体；
第二再沸器，用于通过间接热交换使通过第一蒸馏塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二蒸馏塔系统，其与第一蒸馏塔系统流体流动连通，用于将来自第一蒸馏塔系统的塔底液体分离成为“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体；和
导管装置，用于向第一蒸馏塔系统提供来自第二蒸馏塔系统的塔底液体，优选作为回流，
其中所述第一再沸器设置用于使第二蒸馏塔系统再沸腾。在这样的实施方案中，用于向第一蒸馏塔系统提供来自第二蒸馏塔系统的塔底液体的导管装置优选包含第一泵，用于向第一蒸馏塔系统泵送来自第二蒸馏塔系统的塔底液体。
所述设备还可包含导管装置，用于向第一蒸馏塔系统提供来自第二塔系统的二氧化碳-富集的液体作为回流。在这样的实施方案中，用于向第一蒸馏塔系统提供来自第二塔系统的二氧化碳-富集的液体作为回流的导管装置可包含第二泵，用于向第一蒸馏塔系统泵送来自第二塔系统的二氧化碳液体。
所述设备优选包含第四减压装置，例如膨胀阀，其在第一和第二蒸馏塔系统之间的流体流动连通中，用于在进料至所述第二蒸馏塔系统之前，膨胀来自所述第一蒸馏塔系统的所述塔底液体。
所述设备优选包含第六换热器，其在第一塔系统和第二塔系统之间的流体流动连通中，用于在进料至第二塔系统之前，通过间接换热器，过冷来自第一塔系统的塔底液体。
所述设备优选包含第五减压装置，例如膨胀阀，其在第一塔系统和第二塔系统之间的流体流动连通中，用于在进料至第二塔系统之前，膨胀来自第一塔系统的塔底液体。
所述设备优选包含第七换热器，其在第一塔系统和第二塔系统之间的流体流动连通中，用于在进料至第二塔系统之前，至少部分气化来自第一塔系统的塔底液体。
在优选的实施方案中，第二换热器与第二塔系统的顶部部分流体流动连通，从而能够使用二氧化碳塔顶蒸气作为热泵循环的工作流体。
换热器可为个体换热器。然而，在优选的实施方案中，换热器为在至少一个较大热交换单元内的区域。优选，换热器为在单一主要热交换单元内的区域，所述单元通常为由铜焊的铝制成的板翅式换热器。
压缩机可为个体压缩机。然而，在一些实施方案中，压缩机可为在一个或多个多阶段中间冷却压缩机内的阶段。
蒸馏塔系统还可包含至少一个蒸气/液体分离器，用于从塔系统的回流液体分离蒸气组分，和/或用于从取自塔系统的部分再沸腾的液体产生的用于塔系统的蒸气分离液体组分。
现在参考在图1A和1B中描述的对比方法和在图2-11中描述的本发明的优选实施方案来进一步描述本发明。
在图1A中描述的方法中，通过间接热交换，在主换热器HE1中通过间接热交换，冷却和冷凝粗品二氧化碳蒸气的流100，以产生粗品二氧化碳冷凝物的流102。流102跨过膨胀阀V2膨胀，以产生膨胀的粗品二氧化碳冷凝物的流104，随后在主换热器HE1中通过间接热交换而气化，以形成粗品二氧化碳蒸气的流106，并且进料至蒸馏塔系统C1，用于去除“重质”杂质。
粗品二氧化碳在蒸馏塔C1中分离成为“重质”杂质-耗尽的二氧化碳塔顶蒸气和“重质”杂质-富集的塔底液体。通过在使用塔顶蒸气作为工作流体的热泵循环中的再循环流体，至少部分提供用于蒸馏塔的再沸腾负荷。关于这一点，除去塔顶蒸气，并且作为流110进料至主换热器HE1，在这里其通过间接热交换而温热，以产生流112，它在压缩机CP1中压缩，以产生压缩的二氧化碳气体。将压缩的气体分成两部分。第一部分在压缩机CP3中进一步压缩，随后进料至下游过程，例如，图1B，用于去除“轻质”杂质。第二部分作为再循环流12进料至主换热器HE1，在这里其冷却和部分冷凝，以形成部分冷凝的二氧化碳气体的流122。流122跨过阀V4膨胀，以产生流124，它在相分离器容器S3中相分离。已分离的蒸气与来自塔C1的塔顶蒸气合并，以形成流110，而已分离的液体返回至蒸馏塔C1的顶部作为回流。
从蒸馏塔C1除去“重质”杂质-富集的塔底液体的流180，通过在主换热器HE1中与冷凝进料间接热交换而部分气化。将部分气化的塔底液体的流182进料至相分离器S4，将蒸气相进料返回至塔C1。将液相从分离器S4作为流186除去，在泵P3中泵送，在HE1中通过间接热交换而温热，以形成温热的塔底液体的流190，并且在泵P4中进一步泵送，以产生废液的流192。
将从蒸馏塔C1的中间位置取出的液体的流170进料至HE1，在这里通过与来自热泵循环的冷凝再循环流体间接热交换而至少部分气化，以产生至少部分气化的中间液体的流172，将其进料返回至蒸馏塔C1。
在图1B中描述的方法中，将含有“轻质”杂质的二氧化碳的流(例如在图1A中的流160)进料至换热器HE10，在这里其冷却和部分冷凝。将两相流在相分离器S10中相分离成为含有大多数“轻质”杂质和一些二氧化碳的蒸气相以及含有大多数二氧化碳的液相。液相920跨过阀V20膨胀，在HE10中通过间接热交换而气化，并且在CP20中压缩，以形成二氧化碳产物气体930。
通过在HE1中通过间接热交换来冷却和部分冷凝蒸气相，和随后在相分离器S20中相分离，从来自S10的蒸气相940回收二氧化碳。其它蒸气相908在HE10中通过间接热交换而温热，并且从方法吹扫。其它液相912在HE10中通过间接热交换而温热，跨过阀V30膨胀，在HE10中通过间接热交换而气化，在压缩机CP10中压缩并与来自S10的气化的液相合并，随后在CP20中进一步压缩，以产生产物气体930。
在图2中描述的方法为图1A和1B的方法的修改，其中从方法的进料除去“轻质”杂质而不是从二氧化碳产物除去。与图1A和1B共同的图2的特征已用相同的附图标记给出。以下为区别于在图1A和1B中描述的方法的图2的特征的讨论。
通过在换热器HE1中间接热交换，冷却和冷凝粗品二氧化碳蒸气的流100，以形成冷凝的进料的流200，其跨过阀V1膨胀，并且进料至第一塔系统的蒸馏塔C3，在这里将其分离成为“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气156和包含重质杂质的“轻质”杂质-耗尽的粗品二氧化碳液体204。
通过在换热器HE1中间接热交换，冷却塔顶蒸气156，以形成部分冷凝的“轻质”杂质-富集的流体210，将其在分离器S2中相分离。富含轻质杂质的残余蒸气140通过在换热器HE1中间接热交换而温热，并且从方法吹扫。含有回收的二氧化碳的液相212跨过阀V3膨胀，通过在换热器HE1中间接热交换而气化，随后进料至第二塔系统的蒸馏塔C1，用于传质分离(流214)。
在HE1中通过与冷凝进料间接热交换，使第一塔系统的塔C3再沸腾。关于这一点，将塔底液体203从塔C3除去，在HE1中通过与冷凝进料间接热交换而部分气化，并且进料至分离器S1，在这里分离蒸气和液相。将蒸气相205返回至塔C3，在HE1中通过间接热交换使液相204过冷，跨过阀V2膨胀，在HE1中通过间接热交换而气化，随后进料至第二塔系统的蒸馏塔C1，用于传质分离(流106)。
在图3中描述的方法为图2的方法的修改，其中热泵循环具有两个再循环压力。与前面的附图共同的图3的特征已用相同的附图标记给出。以下为图3的有区别的特征的讨论。
不同于在压缩机CP3中压缩和作为产物取出，未再循环的来自压缩机CP1的一部分排气在压缩机CP2中压缩至中间压力，并且分成两部分。将第一部分进料至压缩机CP3用于压缩，如在前面的图中一样。然而，第二部分130在HE1中通过间接热交换而冷却，以形成处于第二再循环压力下的冷凝的二氧化碳流体132，第二再循环压力大于第一再循环压力。流体随后跨过阀V5膨胀，随后在S3中相分离之前，与第一再循环流体合并。
此外，来自分离器S3的一部分液体二氧化碳154在泵P1中加压，并且在HE1中通过间接热交换而气化，以形成流158，它随后与来自压缩机CP3的排气合并，以形成二氧化碳产物160。
在图4中描述的方法为图2的方法的修改，其中第二塔系统的单一蒸馏塔C1用分开蒸馏塔C1/C2代替，其中一部分二氧化碳-富集的流体作为液体取出，并且在两种不同压力下气化，且其中在膨胀和气化前，回收的二氧化碳通过间接热交换而温热。与前面的附图共同的图4的特征已用相同的附图标记给出。以下为图4的有区别的特征的讨论。
将来自分离器S4的蒸气相184进料至第二塔系统的蒸馏塔C2的基底。将来自蒸馏塔C2的塔顶蒸气与通向第二塔系统的蒸馏塔C1的主要进料合并。通过在HE1中与冷凝进料间接热交换，使蒸馏塔C2再沸腾。
将来自蒸馏塔C1的塔底液体分成两部分。第一部分用于提供在蒸馏塔C2中的回流。通过在HE1中与冷凝再循环流体间接热交换，使第二部分170气化并且作为流172返回至蒸馏塔C1。
在跨过阀V3膨胀之前，在HE1中通过间接热交换，将来自S2的回收的二氧化碳212温热。这样的温热是为了确保在膨胀时不形成固体二氧化碳，并且能够使“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气进一步冷却，从而改进在S2中二氧化碳冷凝物的回收。
不同于将来自S3的所有的二氧化碳-富集的液体进料至第二塔系统作为回流，将液体分成两部分。将第一部分进料至第二塔系统作为回流，第二部分154在P1中泵送，随后分成两部分。第一部分162跨过阀V5膨胀，在HE1中通过间接热交换而气化，与来自CP2的压缩的二氧化碳气体合并，随后在CP3中压缩。第二部分156在HE1中通过间接热交换而气化，与来自CP3的压缩的二氧化碳气体合并，合并的气体160作为二氧化碳产物取出。
在图5中描述的方法为图4的方法的修改，其中在HE1中通过间接热交换冷却和部分冷凝后，从蒸气相中洗涤出来自第一塔系统的“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气的蒸气相中的残余“重质”杂质和二氧化碳，并且回收。在图5中，在膨胀和气化前，不加热回收的二氧化碳212。与前面的附图共同的图5的特征已用相同的附图标记给出。以下为图5的有区别的特征的讨论。
在HE1中通过间接热交换，冷却和部分冷凝来自第一塔系统的蒸馏塔C3的塔顶蒸气156，并且作为流210进料至洗涤塔C4，在这里使用来自第二塔系统的液体二氧化碳232洗涤蒸气相。采用这种方式洗涤蒸气相使得能够回收蒸气相中的残余“重质”杂质和一些二氧化碳。来自洗涤塔C4的塔顶蒸气140在HE1中温热，并且从方法吹扫。塔底液体212在阀V3中膨胀，在HE1中气化，并且形成通向第二塔系统的蒸馏塔C1的补充进料214。
将来自泵P1的泵送的二氧化碳液体分成三部分。第一和第二部分在不同的压力下气化并且压缩，以形成二氧化碳产物，如在图4中一样。然而，第三部分230跨过阀V6膨胀，并且在洗涤塔C4中用作洗液232。
在图6中描述的方法为图5的方法的修改，其中修改了热泵循环。与前面的附图共同的图6的特征已用相同的附图标记给出。以下为图6的有区别的特征的讨论。
不同于将来自压缩机CP1的排气分成两部分，而是在HE1中通过间接热交换，冷却和冷凝整个流120，跨过阀V4膨胀，并且经由第二塔系统的分离器S3，作为回流进料至蒸馏塔C1。此外，通向压缩机CP2的整个进料242通过来自分离器S3的二氧化碳蒸气240提供，该二氧化碳蒸气240在HE1中通过间接热交换温热。
在图7中描述的方法为图5的方法的修改，具有初始氦回收。与前面的附图共同的图7的特征已用相同的附图标记给出。以下为图7的有区别的特征的讨论。
冷凝的进料250跨过阀V8膨胀，并且进料至第一塔系统的蒸馏塔C5中的中间位置，在这里通过传质而分离成为氦-富集的塔顶蒸气254和氦-耗尽的粗品二氧化碳塔底液体260。在HE1中通过间接热交换，将塔顶蒸气温热，以形成含有氦的气态产物256。
在HE1中通过与冷凝进料间接热交换，使蒸馏塔C5再沸腾，其中将蒸气相264送至塔C5，将塔底液体200进料至第一塔系统的蒸馏塔C3，用于在跨过阀V1膨胀后传质分离。
通过在泵P2中泵送的来自蒸馏塔C3的塔底液体的一部分270，提供用于蒸馏塔C5的回流274。阀V7通常仅为控制阀而不是膨胀阀。
在图8中描述的方法为图7的方法的修改，其中氦回收塔提供有使用来自第二塔系统的纯二氧化碳液体的另外的回流。与前面的附图共同的图8的特征已用相同的附图标记给出。以下为图8的有区别的特征的讨论。
在泵P2中泵送后，将来自第一塔系统的蒸馏塔C3的一部分塔底液体(流274)进料至蒸馏塔C5中的中间位置。
此外，在泵P1中泵送来自第二塔系统的分离器S3的液体二氧化碳，并且分成四部分。第一和第二部分用于形成一部分气态二氧化碳产物，第三部分在洗涤塔C4中用作洗涤液体，如在图7中一样。然而，第四部分280跨过阀V9膨胀，并且进料至第一塔系统的蒸馏塔C5的顶部，以向塔提供另外的回流282。第四部分膨胀至显著的程度，因为通过泵P1产生的压力高于该小的流所需，但是，在这种情况下，不值得安装另一个泵来精确提供所需的压力。
此外，来自洗涤塔C4的塔底液体212跨过阀V3膨胀，在HE1中通过间接热交换而气化，在压缩机CP4中压缩并冷却，随后进料至第二塔系统的蒸馏塔C1作为补充进料214。
在图9中描述的方法为图8的方法的修改，包含中间压力闪蒸，以从来自洗涤塔C4的塔底液体(因此从通向第二塔系统的进料)除去其它“轻质”杂质，并且允许更高纯度二氧化碳。与前面的附图共同的图9的特征已用相同的附图标记给出。以下为图9的有区别的特征的讨论。
来自洗涤塔C4的塔底液体212跨过阀V10膨胀和部分气化。流体300随后在分离器S6中相分离。在HE1中通过间接热交换，将蒸气相146温热，并且与吹扫流合并。液相302进一步跨过V3膨胀，气化，在HE1中通过间接热交换而温热，在压缩机CP4中压缩，在HE1中通过间接热交换而冷却，并且作为补充进料214进料至第二塔系统的蒸馏塔C1。
在图10中描述的方法为图2的方法的修改，其使用备选的热泵循环，其工作流体为来自塔系统C1的中间流。与前面的附图共同的图10的特征已用相同的附图标记给出。以下为图10的有区别的特征的讨论。
不同于在HE1中温热和在CP1中压缩，来自第二塔系统(C1和S3)的塔顶蒸气110在HE1中冷凝，并且作为流124返回至第二塔系统的分离器S3，以提供通向塔C1的回流。通过气化已从塔C1取出并且在阀V11中膨胀的中间液体流174，提供所需的冷凝负荷。气化的中间液体在HE1中进一步温热，以形成流176，将其在CP1中压缩，在HE1中再次冷却，并且作为流172进料至C1，以提供中间蒸气。采用这种方式，热泵向第二塔系统提供沸腾(boilup)和回流。
在图11中描述的方法为图2的方法的修改，其中借助温热过程M1，从第一塔系统C3的塔顶蒸气回收二氧化碳。与前面的附图共同的图11的特征已用相同的附图标记给出。以下为图11的有区别的特征的讨论。
不同于在HE1中冷却，来自第一塔系统C3的塔顶蒸气156在HE1中温热，并且作为流310进料至温热的分离装置M1，其可为膜或其它单元。回收的二氧化碳富集的气体314在压缩机CP5中再压缩，以形成流316，并且与进料100混合。或者，该流316可单独冷却，并且进料至第一或第二塔系统。取决于所选的温热分离方法和再循环的流的目的地，可能不需要在CP5中再压缩。将来自M1的二氧化碳-耗尽的气体142从方法吹扫，或送去进一步处理，这取决于其组成。
本发明的各方面包括：
#1. 一种用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的方法，所述方法包括：
通过间接热交换，在高于二氧化碳的三相点压力下冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
将所述冷却的粗品二氧化碳流体进料至第一塔系统，用于传质分离，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”杂质的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体；
通过间接热交换，通过气化“轻质”杂质-耗尽的塔底液体，使所述第一塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第一塔系统；
将来自所述第一塔系统的“轻质”杂质-耗尽的塔底液体进料至第二塔系统，用于传质分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和“重质”杂质-富集的塔底液体；
提供二氧化碳-富集的液体作为回流用于所述第二塔系统；
通过间接热交换，使所述第二塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第二塔系统；
其中所述第一塔系统和第二塔系统在高于二氧化碳的三相点压力并且低于二氧化碳的临界压力下操作；
其中所述方法包括至少一个热泵循环，使用来自所述第二塔系统的含有二氧化碳的流体作为工作流体；
其中通过与来自所述第二塔系统的含有二氧化碳的蒸气间接热交换，通过至少部分气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的至少一种“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾；和
其中来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气包含二氧化碳，并且从所述塔顶蒸气回收至少一部分所述二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳。
#2. 根据#1的方法，其中将所述回收的二氧化碳进料至所述第二塔系统，用于传质分离。
#3. 根据#1或#2的方法，其中在进料至所述第一塔系统之前，使所述冷却的粗品二氧化碳流体膨胀。
#4. 根据#3的方法，其中在膨胀前，所述冷却的粗品二氧化碳流体低于二氧化碳的临界压力。
#5. 根据#3的方法，其中在膨胀前，所述冷却的粗品二氧化碳流体高于二氧化碳的临界压力。
#6. 根据#1至#5中任一项的方法，其中在二氧化碳回收之前，将来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气冷却。
#7. 根据#1至#6中任一项的方法，其中通过间接热交换将所述塔顶蒸气冷却，以冷凝通过相分离回收的蒸气中的二氧化碳。
#8. 根据#1至#6中任一项的方法，其中使用来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的液体作为洗液，在洗涤塔中，从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气洗涤出二氧化碳和所述至少一种“重质”杂质。
#9. 根据#8的方法，其中在作为冷却的蒸气进料至所述洗涤塔之前，将来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气冷却但不冷凝。
#10. 根据#8或#9的方法，其中通过在所述洗涤塔中与所述洗液直接热交换，将来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气冷却。
#11. 根据#8至#10中任一项的方法，其中通过间接热交换，将来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气冷却。
#12. 根据#1至#5中任一项的方法，其中在二氧化碳回收之前，通过间接热交换，将来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气温热。
#13. 根据#1至#12中任一项的方法，其中使用选自吸附；吸收；膜分离和固化的方法，从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳。
#14. 根据#1至#13中任一项的方法，其中所述第二塔系统包含至少两个蒸馏部分，并且在相邻蒸馏部分之间的中间区域处，将来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体进料至所述第二塔系统。
#15. 根据#14的方法，其中通过气化在所述或另一个中间区域中的或从所述或另一个中间区域取出的液体，使所述第二塔系统再沸腾。
#16. 根据#1至#15中任一项的方法，其中所述粗品二氧化碳流体为在所述冷却期间至少部分冷凝的蒸气，或在所述冷却期间“准冷凝的”超临界流体，以产生所述冷却的粗品二氧化碳流体。
#17. 根据#16的方法，其中在进料至所述第一塔系统之前，使所述冷却的粗品二氧化碳流体膨胀。
#18. 根据#16或#17的方法，其中通过与冷凝或准冷凝粗品二氧化碳流体间接热交换，来至少部分提供用于所述第一塔系统的再沸腾负荷。
#19. 根据#16至#18中任一项的方法，其中通过与所述热泵循环中的冷凝再循环流体间接热交换，至少部分提供用于所述第一塔系统的再沸腾负荷。
#20. 根据#1至#19中任一项的方法，其中所述第一塔系统包含蒸馏塔系统，将所述冷却的粗品二氧化碳流体进料至所述蒸馏塔系统用于蒸馏，以产生所述“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和所述“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体。
#21. 根据#1至#20中任一项的方法，其中所述粗品二氧化碳流体包含至少一种第一“轻质”杂质和至少一种第二“轻质”杂质，所述第一“轻质”杂质比所述第二“轻质”杂质更具挥发性。
#22. 根据#21的方法，其中所述第一塔系统包含第一蒸馏塔系统和第二蒸馏塔系统，所述方法包括：
将所述冷却的粗品二氧化碳流体进料至所述第一蒸馏塔系统，以产生富集所述第一“轻质”杂质的塔顶蒸气，和耗尽所述第一“轻质”杂质的塔底液体；
通过间接热交换，使所述第一蒸馏塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第一蒸馏塔系统；
将来自所述第一蒸馏塔系统的塔底液体进料至所述第二蒸馏塔系统，以产生所述“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体；和
将来自所述第二蒸馏塔系统的塔底液体进料至所述第一蒸馏塔系统，优选作为回流。
#23. 根据#22的方法，其中在进料至所述第一蒸馏塔系统之前，泵送来自所述第二蒸馏塔系统的所述塔底液体。
#24. 根据的方法#22或#23，其中使用来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的液体，提供用于所述第一蒸馏塔系统的回流。
#25. 根据#24的方法，其中在作为回流进料至所述第一蒸馏塔系统之前，泵送来自所述第二塔系统的所述二氧化碳-富集的液体。
#26. 根据#22至#25中任一项的方法，其中在进料至所述第二蒸馏塔系统之前，使来自所述第一蒸馏塔系统的所述塔底液体膨胀。
#27. 根据#22至#26中任一项的方法，其中氦为第一“轻质”杂质，并且其中甲烷、乙烷和氮为第二“轻质”杂质。
#28. 根据#1至#27中任一项的方法，其中在进料至所述第二塔系统之前，使来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体过冷。
#29. 根据#1至#28中任一项的方法，其中在进料至所述第二塔系统之前，使来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体膨胀。
#30. 根据#29的方法，其中在膨胀之前，通过间接热交换，使来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体过冷。
#31. 根据#1至#30中任一项的方法，其中在进料至所述第二塔系统之前，将来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体至少部分气化。
#32. 根据31的方法，其中在至少部分气化之前，通过间接热交换和任选膨胀，使来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体过冷。
#33. 根据#31或#32的方法，其中在至少部分气化之前，使来自所述第一塔系统的所述“轻质”杂质耗尽的二氧化碳塔底液体膨胀。
#34. 根据#1至#33中任一项的方法，其中所述热泵循环包括：
在通过间接热交换任选至少部分气化来自所述第二塔系统的所述含有二氧化碳的工作流体之后，温热所述任选至少部分气化的含有二氧化碳的工作流体，以产生温热的含有二氧化碳的气体；
压缩所述温热的含有二氧化碳的气体，以形成压缩的含有二氧化碳的再循环气体；
通过间接热交换，冷却和任选至少部分冷凝所述压缩的含有二氧化碳的再循环气体，以产生冷却的含有二氧化碳的再循环流体；和
将至少一部分所述冷却的含有二氧化碳的再循环流体再循环至所述第二塔系统，
其中在所述任选的气化和温热以产生所述温热的含有二氧化碳的气体之前，或者在所述冷却和任选的冷凝以产生所述冷却的含有二氧化碳的再循环流体之后并在将所述再循环流体再循环至所述第二塔系统之前，按需使所述工作流体膨胀。
#35. 根据#1至#34中任一项的方法，其中所述工作流体为二氧化碳-富集的塔顶蒸气，所述热泵循环包括：
通过间接热交换，温热所述二氧化碳-富集的塔顶蒸气，以产生温热的二氧化碳-富集的气体；
压缩所述二氧化碳-富集的气体，以产生压缩的二氧化碳-富集的再循环气体；
使用所述压缩的二氧化碳-富集的再循环气体，以提供至少一部分气化所述“重质”杂质-富集的液体所需的再沸腾负荷，从而冷却和至少部分冷凝所述压缩的二氧化碳-富集的再循环气体，以产生二氧化碳-富集的液体；
膨胀所述二氧化碳-富集的液体，以产生膨胀的二氧化碳-富集的液体；和
使用至少一部分所述膨胀的二氧化碳-富集的液体，以向所述第二塔系统提供所述回流。
#36. 根据#1至#34中任一项的方法，其中所述工作流体为来自所述第二塔系统的中间液体，所述热泵循环包括：
膨胀所述“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的液体；
通过与所述二氧化碳-富集的塔顶蒸气间接热交换，至少部分气化所述膨胀的“重质”杂质-富集的液体，以产生“重质”杂质-富集的蒸气和至少部分冷凝的二氧化碳-富集的塔顶蒸气；
压缩所述“重质”杂质-富集的蒸气，以产生压缩的“重质”杂质-富集的再循环蒸气；
通过间接热交换，冷却所述压缩的“重质”杂质-富集的再循环蒸气，以产生冷却的“重质”杂质-富集的再循环蒸气；和
将所述冷却的“重质”杂质-富集的再循环蒸气进料至所述第二塔系统，
其中所述至少部分冷凝的二氧化碳-富集的塔顶蒸气至少部分用作所述二氧化碳-富集的液体，向所述第二塔系统提供所述回流。
#36’. 根据#1至#34中任一项的方法，其中所述工作流体为来自所述第二塔系统的“重质”杂质-富集的液体，所述热泵循环包括：
膨胀所述“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的液体；
通过与所述二氧化碳-富集的塔顶蒸气间接热交换，至少部分气化所述膨胀的“重质”杂质-富集的液体，以产生“重质”杂质-富集的蒸气和至少部分冷凝的二氧化碳-富集的塔顶蒸气；
压缩所述“重质”杂质-富集的蒸气，以产生压缩的“重质”杂质-富集的再循环蒸气；
通过间接热交换，冷却所述压缩的“重质”杂质-富集的再循环蒸气，以产生冷却的“重质”杂质-富集的再循环蒸气；和
将所述冷却的“重质”杂质-富集的再循环蒸气进料至所述第二塔系统，
其中所述至少部分冷凝的二氧化碳-富集的塔顶蒸气至少部分用作所述二氧化碳-富集的液体，向所述第二塔系统提供所述回流。
#37. 根据#36的方法，其中在压缩前，通过间接热交换，将所述“重质”杂质-富集的蒸气温热，以产生温热的“重质”杂质-富集的蒸气。
#38. 根据#1至#38中任一项的方法，其中通过间接热交换，将所述富含“轻质”杂质的残余气体温热，并且从所述方法吹扫。
#39. 根据#1至#38中任一项的方法，其中通过间接热交换，将所述富含“轻质”杂质的残余气体温热，并且加入到作为产物从所述第二塔系统除去的二氧化碳气体。
#40. 根据#1至#39中任一项的方法，其中至少一种“轻质”杂质选自氢；甲烷；C2烃和它们的混合物，所述富含“轻质”杂质的残余蒸气用作燃料用于燃烧，以产生燃烧产物气体。
#41. 根据#41的方法，其中通过间接热交换，从所述燃烧产物气体回收热量。
#42. 根据#1至#41中任一项的方法，其中所述粗品二氧化碳流体包含至少约50摩尔%量的二氧化碳。
#43. 根据#1至#42中任一项的方法，其中所述粗品二氧化碳流体包含总量不大于约50摩尔%的所述至少一种“轻质”杂质。
#44. 根据#1至#43中任一项的方法，其中所述粗品二氧化碳流体包含总量不大于约50摩尔%的所述至少一种“重质”杂质。
#45. 根据#1至#44中任一项的方法，其中至少一种“轻质”杂质选自氮；氧；氩；氖；氙；氪；一氧化碳；一氧化一氮；一氧化二氮；氢；氦；甲烷和C2烃。
#46. 根据#1至#45中任一项的方法，其中至少一种“重质”杂质选自硫化氢；甲醇；C3-C8烃；二硫化碳；氧硫化碳；二甲硫醚和其它有机硫化合物；二氧化氮，二氧化硫；三氧化硫和氨。
#47. 根据#1至#46中任一项的方法，其中至少一种“重质”杂质为硫化氢。
#48. 根据#47的方法，其中至少一种“轻质”杂质选自氮；氩；氦；甲烷和乙烷。
#49. 根据#1至#48中任一项的方法，其中所述富含“轻质”杂质的残余气体包含甲烷、氮和氦，所述方法包括从甲烷排出氮和氦，和从排出过程回收氦。
#50. 根据#1至#49中任一项的方法，其中所述第一塔系统的操作压力为约10巴-约60巴，优选约30巴-约50巴。
#51. 根据#1至#50中任一项的方法，其中所述第二塔系统的操作压力为约5.2巴-约40巴，优选15巴-约25巴。
#52. 根据#1至#51中任一项的方法，其中所述方法为自动冷冻的。
#53. 用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的设备，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第二换热器，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于通过间接热交换温热来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气，以产生温热的二氧化碳-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述温热的二氧化碳-富集的气体，以产生压缩的二氧化碳-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝所述压缩的二氧化碳-富集的再循环气体，以形成至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
第一减压装置，其与所述第三换热器流体流动连通，用于膨胀所述至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
导管装置，用于向所述第二塔系统提供来自所述第一减压装置的至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体作为回流；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第三换热器设置用于通过与所述冷凝二氧化碳再循环气体的所述间接热交换，通过气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾。
#54. 用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的设备，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第一减压装置，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于膨胀来自所述第二塔系统的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的液体；
第二换热器，其与所述第一减压装置流体流动连通，用于通过间接热交换，至少部分气化所述膨胀的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述膨胀的“重质”杂质-富集的气体，以产生压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却所述压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体，以形成冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体；
导管装置，用于将来自所述第三换热器的所述冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体进料至所述第二塔系统；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第二换热器设置用于通过与所述气化膨胀的“重质”杂质-富集的液体的所述间接热交换，至少部分冷凝来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气。
#55. 根据#53或#54的设备，其中所述设备还包含导管装置，用于将来自所述二氧化碳回收系统的回收的二氧化碳进料至所述第二塔系统，用于传质分离。
#56. 根据#53至#55中任一项的设备，其中所述设备包含第二减压装置，其在所述第一换热器和所述第一塔系统之间的所述流体流动连通中提供，用于膨胀所述冷却的粗品二氧化碳流体。
#57. 根据#53至#56中任一项的设备，其中所述设备包含第四换热器，其在所述第一塔系统和所述二氧化碳回收系统之间的所述流体流动连通中提供，用于通过间接热交换冷却来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气。
#58. 根据#53至#56中任一项的设备，其中所述二氧化碳回收系统包含：
第五换热器，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过间接热交换部分冷凝来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气；和
相分离器，其与所述第五换热器流体流动连通，用于以冷凝物形式将所述富含“轻质”杂质的残余气体与所述回收的二氧化碳分离。
#59. 根据#53至#56中任一项的设备，其中所述二氧化碳回收系统包含：
洗涤塔，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气洗涤二氧化碳和所述“重质”杂质，以产生所述富含“轻质”杂质的残余气体和所述回收的二氧化碳；和
导管装置，用于将来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的液体进料至所述洗涤塔。
#60. 根据#53至#59中任一项的设备，其中所述第二塔系统包含：
至少两个蒸馏部分；
在相邻蒸馏部分之间的中间区域；和
入口，用于在所述中间区域将来自所述第一塔系统的塔底液体进料至所述第二塔系统。
#61. 根据#60的设备，其中所述第三换热器设置用于使在所述第二塔系统的所述或另一个中间区域中的或从所述第二塔系统的所述或另一个中间区域取出的液体再沸腾。
#62. 根据#53至#61中任一项的设备，其中所述设备包含第三减压装置，其在所述第一换热器和所述第一塔系统之间的所述流体流动连通中，用于膨胀所述粗品二氧化碳流体。
#63. 根据#53至#62中任一项的设备，其中所述第一再沸器为所述第一换热器的至少一部分，所述第一换热器设置用于通过与所述冷凝粗品二氧化碳流体的所述间接热交换，使通过所述第一塔系统生产的所述塔底液体再沸腾。
#64. 根据#53至#62中任一项的设备，其中所述第一再沸器为所述第三换热器的至少一部分，所述第三换热器设置用于通过与所述冷凝二氧化碳流体的所述间接热交换，使通过所述第一塔系统生产的所述塔底液体再沸腾。
#65. 根据#53至#64中任一项的设备，其中所述第一塔系统包含蒸馏塔系统。
#66. 根据#53至#65中任一项的设备，其中所述第一塔系统包含：
第一蒸馏塔系统，用于将粗品二氧化碳流体分离成为富集第一“轻质”杂质的塔顶蒸气，和耗尽所述第一“轻质”杂质的塔底液体，其中所述第一蒸馏塔系统包含第二再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一蒸馏塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二蒸馏塔系统，其与所述第一蒸馏塔系统流体流动连通，用于将来自所述第一蒸馏塔系统的塔底液体分离成为所述“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和所述“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体；和
导管装置，用于向所述第一蒸馏塔系统提供来自所述第二蒸馏塔系统的塔底液体，优选作为回流，
其中所述第一再沸器设置用于使所述第二蒸馏塔系统再沸腾。
#67. 根据#66的设备，其中用于向所述第一蒸馏塔系统提供来自所述第二蒸馏塔系统的塔底液体的所述导管装置包含第一泵，用于向所述第一蒸馏塔系统泵送来自所述第二蒸馏塔系统的塔底液体。
#68. 根据#66的设备，其中所述设备包含导管装置，用于向所述第一蒸馏塔系统提供来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的液体作为回流。
#69. 根据#68的设备，其中用于向所述第一蒸馏塔系统提供来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的液体的所述导管装置包含第二泵，用于向所述第一蒸馏塔系统泵送来自所述第二塔系统的二氧化碳液体。
#70. 根据#66至#69中任一项的设备，其中所述设备包含第四减压装置，其在所述第一和第二蒸馏塔系统之间的所述流体流动连通中，用于在进料至所述第二蒸馏塔系统之前，膨胀来自所述第一蒸馏塔系统的所述塔底液体。
#71. 根据#53至#70中任一项的设备，其中所述设备包含第六换热器，其在所述第一塔系统和所述第二塔系统之间的所述流体流动连通中，用于在进料至所述第二塔系统之前，通过间接换热器过冷来自所述第一塔系统的塔底液体。
#72. 根据#53至#71中任一项的设备，其中所述设备包含第五减压装置，其在所述第一塔系统和所述第二塔系统之间的所述流体流动连通中，用于在进料至所述第二塔系统之前，膨胀来自所述第一塔系统的塔底液体。
#73. 根据#53至#72中任一项的设备，其中所述设备包含第七换热器，其在所述第一塔系统和所述第二塔系统之间的所述流体流动连通中，用于在进料至所述第二塔系统之前，气化来自所述第一塔系统的塔底液体。
#74. 根据#53至#73中任一项的设备，所述设备包含第八换热器，其在所述第二换热器和所述第一压缩机之间的所述流体流动连通中，用于温热所述膨胀的“重质”杂质-富集的气体，以产生温热的膨胀的“重质”杂质-富集的气体，用于压缩。
对比实施例
使用ASPEN™ Plus软件(版本7.2；© Aspen Technology，Inc.)，通过计算机，将图1A中描述的方法模型化，在表1中提供关键流的热量和质量平衡数据。
根据该模型化，对比实施例的方法以91.1摩尔%的纯度回收进料中的99.3%的二氧化碳，并且共消耗约23,775 kW的功率。该数字代表压缩机CP1和CP3(23,682 kW)和泵P3和P4(92 kW)所需的功率的总和。
实施例
使用关注的组合物和压力/温度范围内测量的蒸气-液体平衡数据，使用ASPEN™ Plus软件(版本7.2；© Aspen Technology，Inc.)，通过计算机，将图2中描述的方法模型化。在表2中提供关键流的热量和质量平衡数据。
根据该模型化，举例说明的方法以99摩尔%的纯度回收进料中的95%的二氧化碳，并且共消耗约17,074 kW的功率。该数字代表压缩机CP1和CP3(16,981 kW)和泵P3和P4(93 kW)所需的功率的总和。因此，该举例说明的方法节约对比实施例的28.2%的功率(或18.4%，基于比功率)，并且还产生更高纯度产物。
应注意到，这些数字不考虑在图1B中描述的常规的“轻质”杂质去除方法消耗的功率。因此，若考虑图1B，图2的总功率节约和比功率节约实际上显著多于上面所指出的。
虽然已参考在附图中描述的优选实施方案描述了本发明，但应认识到，在本发明的精神或范围内，各种修改是可能的。
在本说明书中，除非另外明确指示，词语‘或’在满足任一或两个所述条件时返回真值的运算符号的意义上使用，有别于仅需满足条件之一的运算符号‘排他性的或’。词语‘包含’在‘包括’的意义上使用而不是指‘由…组成’。以上所有现有技术教导通过引用结合到本文中。在本文中，承认任何先前出版的文件均不认为是承认或陈述在澳大利亚或其它地方在其日期时其教导属于公知常识。

Claims (10)

1. 一种用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的方法，所述方法包括：
通过间接热交换，在高于二氧化碳的三相点压力下冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
将所述冷却的粗品二氧化碳流体进料至第一塔系统，用于传质分离，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”杂质的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体；
通过间接热交换，通过气化“轻质”杂质-耗尽的塔底液体，使所述第一塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第一塔系统；
将来自所述第一塔系统的“轻质”杂质-耗尽的塔底液体进料至第二塔系统，用于传质分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和“重质”杂质-富集的塔底液体；
提供二氧化碳-富集的液体作为回流用于所述第二塔系统；
通过间接热交换，使所述第二塔系统再沸腾，以提供蒸气用于所述第二塔系统；
其中所述第一塔系统和第二塔系统在高于二氧化碳的三相点压力并且低于二氧化碳的临界压力下操作；
其中所述方法包括至少一个热泵循环，使用来自所述第二塔系统的含有二氧化碳的流体作为工作流体；
其中通过与来自所述第二塔系统的含有二氧化碳的蒸气间接热交换，通过至少部分气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的至少一种“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾；和
其中来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气包含二氧化碳，并且从所述塔顶蒸气回收至少一部分所述二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳。
2. 权利要求1的方法，其中将所述回收的二氧化碳进料至所述第二塔系统，用于传质分离。
3. 权利要求1的方法，其中在进料至所述第一塔系统之前，使所述冷却的粗品二氧化碳流体膨胀。
4. 权利要求3的方法，其中在膨胀前，所述冷却的粗品二氧化碳流体低于二氧化碳的临界压力。
5. 权利要求3的方法，其中在膨胀前，所述冷却的粗品二氧化碳流体高于二氧化碳的临界压力。
6. 权利要求1的方法，其中在二氧化碳回收之前，将来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气冷却。
7. 权利要求6的方法，其中通过间接热交换将所述塔顶蒸气冷却，以冷凝通过相分离回收的蒸气中的二氧化碳。
8. 权利要求1的方法，其中使用来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的液体作为洗液，在洗涤塔中，从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气洗涤出二氧化碳和所述至少一种“重质”杂质。
9. 用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的设备，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第二换热器，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于通过间接热交换温热来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气，以产生温热的二氧化碳-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述温热的二氧化碳-富集的气体，以产生压缩的二氧化碳-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝所述压缩的二氧化碳-富集的再循环气体，以形成至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
第一减压装置，其与所述第三换热器流体流动连通，用于膨胀所述至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体；
导管装置，用于向所述第二塔系统提供来自所述第一减压装置的至少部分冷凝的二氧化碳-富集的液体作为回流；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第三换热器设置用于通过与所述冷凝二氧化碳再循环气体的所述间接热交换，通过气化在所述第二塔系统中的或从所述第二塔系统取出的“重质”杂质-富集的液体，使所述第二塔系统再沸腾。
10. 用于纯化包含至少一种“轻质”杂质和至少一种“重质”杂质的粗品二氧化碳流体的设备，所述设备包含：
第一换热器，用于通过间接热交换冷却所述粗品二氧化碳流体，以产生冷却的粗品二氧化碳流体；
第一塔系统，其与所述第一换热器流体流动连通，用于通过传质分离来分离所述冷却的粗品二氧化碳流体，以产生“轻质”杂质-富集的塔顶蒸气和包含所述“重质”组分的“轻质”杂质-耗尽的二氧化碳塔底液体，所述第一塔系统包含第一再沸器，用于通过间接热交换使通过所述第一塔系统生产的塔底液体再沸腾；
第二塔系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于通过传质分离将来自所述第一塔系统的所述塔底液体分离，以产生二氧化碳-富集的塔顶蒸气和富集所述重质杂质的塔底液体；
第一减压装置，其与所述第二塔系统流体流动连通，用于膨胀来自所述第二塔系统的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的液体；
第二换热器，其与所述第一减压装置流体流动连通，用于通过间接热交换，至少部分气化所述膨胀的“重质”杂质-富集的液体，以产生膨胀的“重质”杂质-富集的气体；
第一压缩机，其与所述第二换热器流体流动连通，用于压缩所述膨胀的“重质”杂质-富集的气体，以产生压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体；
第三换热器，其与所述第一压缩机流体流动连通，用于通过间接热交换冷却所述压缩的“重质”杂质-富集的再循环气体，以形成冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体；
导管装置，用于将来自所述第三换热器的所述冷却的“重质”杂质-富集的再循环气体进料至所述第二塔系统；和
二氧化碳回收系统，其与所述第一塔系统流体流动连通，用于从来自所述第一塔系统的所述塔顶蒸气回收二氧化碳，以产生富含“轻质”杂质的残余气体和回收的二氧化碳，
其中所述第二换热器设置用于通过与所述气化膨胀的“重质”杂质-富集的液体的所述间接热交换，至少部分冷凝来自所述第二塔系统的二氧化碳-富集的塔顶蒸气。
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