CN105723173A - 二氧化碳的纯化 - Google Patents

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Abstract

通过方法从粗二氧化碳除去挥发性低于二氧化碳的杂质，例如硫化氢，所述方法包括在超大气压下运行的蒸馏塔系统中蒸馏所述粗二氧化碳以生产二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述杂质的塔底液体。其中所述方法包括单一热泵循环，当通过至少部分汽化位于或取自塔系统中间位置的液体使蒸馏塔系统再沸时，实现显著的功耗节约。

Description

二氧化碳的纯化
背景技术
本发明涉及用于二氧化碳纯化的方法和设备。特别地，本发明涉及在低于环境的温度和超大气压下通过蒸馏从包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质的粗二氧化碳除去至少一种这样的杂质。本发明对于从二氧化碳除去硫化氢具有特别的应用。
来自天然存在的二氧化碳来源，比如天然二氧化碳田和天然气矿床，的二氧化碳在世界某些区域用于增强的石油采收(EOR)。这些来源中的一些含有硫化氢，它对于管道输送来说是不期望的，因为硫化氢在水的存在下具有毒性和腐蚀性。另外，在通过EOR方法提取的原油中引入硫化氢是不期望的。
从二氧化碳除去硫化氢的方法是已知的。例如，US3417572A(Pryor,1968)公开了处理包含二氧化碳和硫化氢的富氢气体的方法。将硫化氢和二氧化碳冷凝并从富氢气体分离。随后将冷凝的气体进料至蒸馏塔，分离成基本上不含硫化氢的二氧化碳塔顶蒸气和含有至少10vol.%硫化氢的塔底液体。经分离的富氢气体经净化以除去任何残余的二氧化碳和硫化氢，所述残余的二氧化碳和硫化氢随后也进料至蒸馏塔。塔顶蒸气使用丙烷制冷剂的外部封闭循环冷凝，而塔底液体使用过程冷却水再沸。蒸馏塔具有100个塔板并在约590psia(~41bar)运行使得塔顶温度为42℉(~6℃)和塔底温度为约45℉(~7℃)。
US3643451A(Foucar,1972)公开了从酸气体的浓缩低压混合物生产高纯度，高压二氧化碳的方法。将气态混合物压缩，冷却和冷凝并进料至蒸馏塔，其中将它分离成高纯度(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。塔顶蒸气使用氨制冷剂的外部封闭循环来冷凝，用于冷却和冷凝进料的制冷负荷通过汽化塔底液体、二氧化碳塔顶液体和外部制冷剂来提供。蒸馏塔系统在约300-350psia(~21-24bar)运行，使得塔顶温度为-5至-10℉(~-21至-24℃)且塔底温度为40-70℉(~5-21℃)。在实施例中产生97%硫化氢的塔底产物。
WO81/02291A(Schuftan,1981)公开了分离气体混合物的方法，所述气体混合物包含二氧化碳，至少一种沸点低于二氧化碳的气体和至少一种沸点高于二氧化碳的杂质(典型地为硫化氢)。在第一塔中将气体混合物冷却并蒸馏成不含杂质的产物气体和含有杂质的液体馏分。纯二氧化碳在第二蒸馏塔中获得，所述第二蒸馏塔稍高于二氧化碳的三相点压力(~518kPa)运行。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杂质，然后进一步减压和蒸发，然后作为蒸气进料至第二塔。二氧化碳塔顶蒸气事实上不含杂质，而塔底液体馏分富含杂质，典型地含有硫化合物(主要是硫化氢)，纯度最多50vol.%。回流和再沸通过热泵循环实现，所述热泵循环使用纯化的二氧化碳作为工作流体。工作流体通过压缩机，换热器和浸入塔底液体的再沸器，其中将它冷凝然后回料至塔顶作为回流。实质上纯的二氧化碳产物在紧邻压缩机上游从循环中的二氧化碳取出，压力为约5atm且接近环境温度。
发明概述
本发明优选实施方案的目的是减少蒸馏过程能耗，所述蒸馏过程用于从粗二氧化碳除去较低挥发性杂质比如硫化氢，所述蒸馏过程包括热泵循环来提供再沸负荷。
根据本发明第一方面，提供纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；提供二氧化碳富集的液体作为蒸馏塔系统的回流；通过间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以提供蒸气用于蒸馏塔系统；从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；和从蒸馏塔系统除去另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体。蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于来自至少一个热泵循环的再循环流体的间接热交换提供，所述热泵循环使用来自蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体。至少一个再循环流体具有和其它再循环流体不同的压力。
在优选的实施方案中，来自蒸馏塔中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸，优选相对于至少一个所述再循环流体进行间接热交换，以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔。
本发明的第一方面包括一种方法，所述方法包含将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气并通过间接热交换温热至少一部分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；压缩包含温热的二氧化碳富集的气体的第一工作流体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体；通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体；膨胀二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体并将膨胀的二氧化碳富集的流体进料至所述蒸馏塔系统，将其至少一部分用作回流；压缩包含来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体的第二工作流体以产生至少一个第二再循环流体；通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体；按需膨胀后，将至少一部分冷却的富含二氧化碳的流体进料至蒸馏塔系统；通过间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统；和从蒸馏塔系统除去另一部分的塔底液体或衍生自塔底液体的液体。蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于第一和第二再循环流体的间接热交换提供，第一再循环流体具有和第二再循环流体不同的压力。
在一些优选的实施方案中，将压缩的二氧化碳富集的气体分成至少第一部分和第二部分，其中第一部分为第一再循环流体，且其中第二部分为用于压缩以产生第二再循环流体的富含二氧化碳的气体。
在其它优选的实施方案中，从蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的蒸气并通过间接热交换温热以产生富含二氧化碳的气体，其用于压缩以产生第二再循环流体。
优选地，来自所述蒸馏塔系统中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔系统。
本发明的第一方面也包括一种方法，所述方法包含将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；通过间接热交换冷凝一部分二氧化碳富集的塔顶蒸气以提供蒸馏塔系统的回流；从所述蒸馏系统除去另一部分二氧化碳富集的塔顶蒸气；从蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的液体并将液体膨胀以产生膨胀的富含二氧化碳的液体；通过间接热交换温热和蒸发膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体；压缩包含温热的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生至少一种压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体；通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体；将冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统；通过间接热交换冷却和至少部分冷凝第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体；膨胀冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体；将膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合：富含二氧化碳的液体，膨胀的富含二氧化碳的液体和温热的富含二氧化碳的气体；通过间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统；和从蒸馏塔系统除去另一部分的塔底液体或衍生自塔底液体的液体。再沸负荷至少部分通过相对于第一和第二再循环流体的间接热交换提供。另外，在其中将膨胀的富含二氧化碳的流体和温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，膨胀的富含二氧化碳的流体首先通过间接热交换(例如相对于塔顶蒸气)温热和蒸发，以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体，用于和温热的富含二氧化碳的气体组合。
在本发明第一方面的替代装置中，提供纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含：
将粗二氧化碳进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
提供二氧化碳富集的液体作为所述蒸馏塔系统的回流；
通过间接热交换，通过至少部分汽化杂质富集的塔底液体和至少一种位于或取自所述蒸馏塔系统中间位置的中间液体来再沸所述蒸馏塔系统，以提供蒸气用于所述蒸馏塔系统；
从所述蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；和
从所述蒸馏塔系统除去杂质富集的塔底液体或衍生自杂质富集的塔底液体的液体，
其中所述方法包含热泵循环，所述热泵循环使用来自所述蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体；和
其中所述中间液体，或存在多于一种中间液体时的至少一种和典型地所有所述中间液体，通过相对于来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气的所述间接热交换而至少部分汽化，从而至少部分冷凝所述二氧化碳富集的塔顶蒸气。
根据本发明的方法可以和上游分离整合，上游分离中产生含有硫化氢作为杂质的粗二氧化碳流。合适的上游分离公开于US7883569(和相关专利)以及WO81/02291A。
根据本发明的第二方面，提供了用于进行第一方面的方法的设备。所述设备包含在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；第一换热器装置，用于通过间接热交换温热至少一部分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；导管装置，用于从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气和将所述蒸气进料至第一换热器装置；第一压缩机系统，用于压缩温热的二氧化碳富集的气体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体；第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体；第一膨胀装置，用于膨胀二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体用于进料至蒸馏塔系统作为回流；第二压缩机系统，用于压缩来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体以产生至少一个第二再循环流体；第三换热器装置，用于通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体用于进料至蒸馏塔系统；任选的膨胀装置，用于膨胀冷却的富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体，然后进料至蒸馏塔系统；第四换热器装置，用于通过相对于至少一个再循环流的间接热交换至少部分再沸塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统；和导管装置，用于从蒸馏塔系统除去另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体。第一和第二压缩机系统能够分别压缩温热的二氧化碳富集的气体和富含二氧化碳的气体至不同压力。
在一些优选的实施方案中，设备包含导管装置，其用于将压缩的二氧化碳富集的气体作为进料从第一压缩机系统进料至第二压缩机系统。
在其它优选的实施方案中，设备包含第五换热器装置，用于通过间接热交换温热富含二氧化碳的蒸气以产生温热的富含二氧化碳的气体；导管装置，其用于将富含二氧化碳的蒸气从所述蒸馏塔系统的中间位置进料至第五换热器装置；和导管装置，其用于将温热的富含二氧化碳的气体从第五换热器装置进料至第二压缩机系统。
优选地，设备包含第六换热器装置，用于至少部分再沸来自蒸馏塔系统中间位置的液体以提供另外的蒸气用于蒸馏塔系统。
根据本发明的第二方面，也提供设备，所述设备包含在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；第一换热器装置，用于通过间接热交换冷却和部分冷凝二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生至少部分冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气作为回流用于所述蒸馏塔系统；导管装置，用于从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；第一膨胀装置，用于膨胀富含二氧化碳的液体以产生膨胀的富含二氧化碳的液体；导管装置，用于将富含二氧化碳的液体从所述蒸馏塔系统的中间位置进料至第一膨胀装置；第二换热装置，用于通过间接热交换温热和蒸发膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体；压缩机系统，用于压缩包含温热的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体；第三换热系统，用于通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体；导管装置，用于将冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统；第四换热装置，用于通过间接热交换冷却第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体；第二膨胀装置，用于膨胀冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体；导管装置，用于将膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合：富含二氧化碳的液体，膨胀的富含二氧化碳的液体和温热的富含二氧化碳的气体；第五换热器装置，用于通过相对于至少一个再循环流的间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统；和导管装置，用于从蒸馏塔系统除去另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体。在其中将膨胀的富含二氧化碳的流体和温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，所述设备包含第六换热器装置，用于通过间接热交换温热膨胀的富含二氧化碳的流体以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体用于和温热的富含二氧化碳的气体组合。
在优选的实施方案中，所述设备包含第七换热器装置，用于至少部分再沸来自蒸馏塔系统中间位置的液体以提供另外的蒸气用于蒸馏塔系统。
在第二方面的第一替代装置中，提供设备，所述设备包含：
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
和所述蒸馏塔系统流体流动连通的第一换热器装置，用于通过间接热交换温热至少一部分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；
和所述第一换热器装置流体流动连通的压缩机系统，用于压缩所述温热的二氧化碳富集的气体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的再循环气体；
和所述压缩机系统流体流动连通的第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝至少一部分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和蒸气用于蒸馏塔系统；
和所述第二换热器装置流体流动连通的第一膨胀装置，用于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；
导管装置，用于将膨胀的二氧化碳富集的液体作为回流进料至所述蒸馏塔系统；和
第三换热器装置，用于通过间接热交换再沸所述杂质富集的塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统。
在本发明第二方面的第二替代装置中，提供设备，所述设备包含：
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
和所述蒸馏塔系统流体流动连通的第一膨胀装置，用于膨胀来自所述蒸馏塔系统的中间液体以产生膨胀的中间液体；
和所述第一膨胀装置流体流动连通的第一换热器装置，用于通过相对于二氧化碳富集的塔顶蒸气的间接热交换来汽化至少一部分所述膨胀的中间液体，所述二氧化碳富集的塔顶蒸气位于或取自所述蒸馏塔系统，以产生膨胀的中间气体和冷凝的二氧化碳富集的液体；
和所述第一蒸馏塔系统流体流动连通的压缩机系统，用于压缩所述膨胀的中间气体以产生压缩的中间再循环气体；
和所述压缩机系统流体流动连通的第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却所述压缩的中间再循环气体以产生冷却的中间再循环气体；和
导管装置，用于将所述冷却的中间再循环气体进料至所述蒸馏塔系统作为补充进料。
在第二替代装置中，第一换热器装置优选位于所述蒸馏塔系统之外且所述设备包含：
导管装置，用于将来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气进料至所述第一换热器装置；和
导管系统，用于将来自所述第一换热器装置的冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气作为回流进料至所述蒸馏塔系统。
另外或或者，第二替代装置的设备包含和所述第一换热器装置流体流动连通的另一个换热器装置，用于在所述压缩之前通过间接热交换温热所述膨胀的中间气体。
换热器装置优选为单一主换热器内部的通道，不过设想其它装置，包括串联或并联的换热器的网络，以实现等价的整体效果。
本发明优选实施方案的一个优势是以显著的程度降低整体功耗，这导致资金和运行成本的相关降低。
另外，使用中间再沸器具有减小再沸器下提供的蒸馏塔系统直径的效果，原因在于杂质浓度显著增大和因此相关的塔内塔底液体存量显著减小。塔直径减小提供资金成本的进一步节省并能使用具有更小足迹的设备，这在空间珍贵的情形下可能至关重要。
附图简述
图1是描绘用于纯化粗二氧化碳的方法的流程图，所述方法包含单一热泵循环，所述单一热泵循环包括二氧化碳富集的塔顶蒸气作为工作流体并在单一再循环压力下运行；
图2是描绘包含单一热泵循环的本发明第一实施方案的流程图，所述单一热泵循环使用二氧化碳富集的塔顶蒸气作为工作流体并在两个不同的再循环压力下运行；
图3是描绘图2描绘的实施方案的修改装置的流程图，其中蒸馏塔系统包含中间再沸器；
图4是描绘图3描绘的实施方案的修改装置的流程图，其中蒸馏塔系统的分离器S1和S2已经除去；
图5是描绘图3描绘的实施方案的修改装置的流程图，其包括分离塔；
图6是描绘图5描绘的实施方案的修改装置的流程图，其包括不同的再沸器系统；
图7是描绘图3描绘的实施方案的修改装置的流程图，其中吹扫已经消除；
图8是描绘图7描绘的实施方案的修改装置的流程图，其中方法的进料是饱和蒸气而不是液体；
图9是描绘图8描绘的实施方案的不同修改装置的流程图，其中方法的进料是蒸气；
图10是描绘图8描绘的实施方案的进一步修改装置的流程图，其中方法的进料是蒸气；
图11是描绘图3描绘的实施方案的修改装置的流程图，其中蒸馏塔系统包含双塔；
图12是描绘本发明第二实施方案的流程图，其包含使用二氧化碳富集的塔顶蒸气作为工作流体的第一热泵循环和使用粗二氧化碳工作流体的第二热泵循环；
图13是描绘包含单一热泵循环的本发明第三实施方案的流程图，所述单一热泵循环使用粗二氧化碳工作流体，在两个不同的再循环压力下运行；
图14是描绘本发明第一方面的替代装置的实施方案的流程图，其包含使用二氧化碳富集的塔顶蒸气作为工作流体的单一热泵循环和用于蒸馏塔系统的中间再沸器；和
图15是描绘第一方面的替代装置的另一实施方案的流程图，其包含使用来自蒸馏塔系统的中间液体作为工作流体的单一热泵循环并冷凝来自塔系统的塔顶蒸气以提供回流。
图16显示根据比较实施例1的流的热量和质量平衡数据。
图17显示根据实施例1的流的热量和质量平衡数据。
图18显示根据实施例2的流的热量和质量平衡数据。
图19显示根据实施例3的流的热量和质量平衡数据。
图20显示根据比较实施例2的流的热量和质量平衡数据。
图21显示根据实施例4的流的热量和质量平衡数据。
图22显示根据实施例5的流的热量和质量平衡数据。
优选实施方案详述
本发明包括用于纯化包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质的粗二氧化碳的方法。
粗二氧化碳典型地包含至少50mol.%，例如至少65mol.%，优选至少80mol.%二氧化碳。粗二氧化碳典型地包含不大于99mol.%，例如不大于95mol.%，二氧化碳。在优选的实施方案中，粗二氧化碳包含约85mol.%至约95mol.%二氧化碳。
典型的挥发性低于二氧化碳的杂质包括硫化氢、丙烷和甲醇。然而，本发明在从粗二氧化碳除去硫化氢上具有特别的应用。粗二氧化碳中较低挥发性杂质的总浓度典型地显著小于50mol.%，例如小于20mol%，通常小于10mol.%。
粗二氧化碳进料可含有挥发性高于二氧化碳的杂质。这些杂质可包括甲烷和不可冷凝气体比如氮气。这些杂质趋向于在本方法的二氧化碳产物中浓缩，所述产物可经进一步处理以除去这些杂质。
在其最宽方面，本方法包含将在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体。
通过“低于环境的温度”，发明人指的是温度低于正常环境温度，正常环境温度典型地为约-10℃至约40℃，取决于一年中的时间和设备的地理位置。进料的温度典型地低于0℃，例如不大于-10℃，优选低于-20℃。进料的温度典型地不低于-55℃，例如不低于-40℃。
通过“超大气压”，发明人指的是压力高于大气压，大气压典型地为约1bar。典型地，蒸馏塔系统的运行压力高于二氧化碳的三相点压力，其为约5.2bar，优选地，蒸馏塔系统的运行压力为至少10bar。典型地，运行压力必须低于二氧化碳的临界压力(73.9bar)，且优选不大于40bar，例如不大于30bar。在优选的实施方案中，运行压力为约10bar至约25bar。
运行压力的10bar的优选下限保证蒸馏塔系统不需要在过冷的温度运行且轻杂质比如甲烷趋向于更多溶于塔顶液体。25bar的优选上限意味着蒸馏塔系统充分远离临界压力运行，使得塔内水力参数适宜。
本文对于压力的所有引用均引用绝对压力而非表压，除非另外清楚指明。
蒸馏塔系统可包含单塔，分离塔(其中塔的两部分在相同压力下运行)或多个塔(其中塔在不同压力下运行)。在后者情况下，所有运行压力落入上面给出的优选范围内。
蒸馏塔系统还可包含至少一个蒸气/液体分离器以从塔系统的回流液分离蒸气组分，和/或从塔系统的蒸气(由取自塔系统的部分再沸液体产生)分离液体组分。
二氧化碳富集的塔顶蒸气和粗二氧化碳进料相比具有更大的二氧化碳浓度。塔顶蒸气中二氧化碳的浓度典型地为至少90mol.%，例如至少95mol.%，优选至少98mol.%。塔顶蒸气优选为实质上纯的二氧化碳，含有零或基本上零，即不大于200ppm，优选不大于100ppm，的任何较低挥发性杂质。
塔底液体包含至少实质上所有，优选所有，存在于粗二氧化碳进料中的任何较低挥发性杂质。在优选的实施方案中，蒸馏塔系统底部的蒸气流量减小，导致塔系统底部直径减小。塔底液体的总存量因而显著减小，塔底液体中存在较高浓度的挥发性杂质。液体存量减小意味着设备灾难性故障的情况下更少液体存量需要逃逸。当较低挥发性杂质或存在多于一种时至少一种较低挥发性杂质有毒，例如杂质为硫化氢时，这个优势特别重要。
所述方法也提供二氧化碳富集的液体用作蒸馏塔系统的回流，且一部分塔底液体通过间接热交换至少部分再沸以提供蒸气用于蒸馏塔系统。二氧化碳富集的塔顶蒸气从蒸馏塔系统除去，就像另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体一样。
蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于来自至少一个热泵循环的所述或至少一个再循环流体的间接热交换提供，所述热泵循环使用来自蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体。存在两个或更多个再循环流体时，至少一个再循环流体具有和其它再循环流体不同的压力。
通过“热泵循环”，发明人指的是借此将热能由热源(处于较低温度)转移至热沉(heatsink)(处于较高温度)的循环。热泵循环使用工作流体，在此情况下工作流体是来自蒸馏塔系统的含二氧化碳流体。典型地，将工作流体从蒸馏塔系统除去，温热，压缩并在合适的冷却和减压后再循环至蒸馏塔系统。经压缩的流体，或再循环流体，用于通过和取自蒸馏塔系统的液体间接热交换而提供再沸负荷。作为提供再沸负荷的结果，再循环流体冷却至特定程度，但典型地需要进一步冷却，然后返回至蒸馏塔系统。
在优选的实施方案中，热源是塔顶蒸气，它会在相比于再沸器(热沉)更低的温度冷凝。然而，发明人注意到，通过压缩热泵循环中的塔顶蒸气，蒸气将热量转移至再沸器且在相比于再沸器更高的温度下冷凝。
工作流体典型地选自：二氧化碳富集的塔顶流体或取自蒸馏塔系统中间位置的粗二氧化碳流体。
本发明的第一方面包括不同压力下的至少两个再循环流体。压差是显著的，典型地约为至少10%，例如至少25%或甚至至少50%，不过压差通常不大于200%，例如不大于100%。就绝对值而言，压差可以是至少2bar，例如至少5bar，优选至少10bar。压差通常不大于50bar，优选不大于30bar。
在一些优选的实施方案中，所述方法包含单一热泵循环，其包含至少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典型地为约15bar至约30bar。
第二再循环流体的压力典型地为约20bar至约70bar。
在一些实施方案中，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。温热二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷可通过相对于任何合适的“温热”过程流的间接热交换提供，但优选通过相对于所述或至少一个再循环流体的间接热交换提供。在优选的实施方案中，压缩机进料相对于压缩机产物温热，使得换热器两侧的流量相同。在这些实施方案中，第一和第二再循环流体均用于温热塔顶蒸气。
再循环流体典型地在合适的减压后再循环至蒸馏塔系统的合适位置。蒸馏塔系统的合适位置典型地为塔中的组成匹配再循环流体的组成的位置。其中工作流体是二氧化碳富集的流体，冷凝的再循环流体典型地作为回流再循环至蒸馏塔系统。
第一再循环流体和第二再循环流体的摩尔流量比取决于流体所需的负荷。典型地，摩尔流量比为约0.1(即1:10)至约15(即15:1)。在一些优选的实施方案中，这一比率为约3(即3:1)至约12(即12:1)。在其它优选的实施方案中，这一比率为约0.2(即1:5)至约1(即1:1)。
在其它实施方案中，工作流体包含在合适的减压后通过间接热交换蒸发“中间”液体产生的粗二氧化碳气体，所述“中间”液体位于或取自所述蒸馏塔系统的中间位置。“中间”液体是粗二氧化碳流。在优选的实施方案中，中间液体从至少实质上和塔系统主进料的位置相齐的位置除去。在这些实施方案中，中间液体的组成通常至少实质上等同于粗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富集的塔顶蒸气所产生的二氧化碳富集的气体。
蒸发所述“中间”液体所需的至少一部分负荷也可通过任何合适的“温热”过程流提供。优选地，通过相对于冷凝来自蒸馏塔系统的塔顶蒸气的间接热交换来蒸发中间液体。
在这些其它实施方案中，第一再循环流体优选作为蒸馏塔系统的一部分进料而再循环，另外或或者，第二再循环流体优选在合适的减压后作为热泵循环的一部分工作流体而再循环。
所述方法可包含至少第一热泵循环和第二热泵循环，每个热泵循环包含至少一个再循环流体。在这些实施方案中，第一热泵循环的再循环流体或第一热泵循环具有大于一个再循环流体时的至少一个再循环流体具有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。温热二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷可通过相对于任何合适的“温热”过程流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于至少一个再循环流体的间接热交换提供。第一热泵循环的再循环流体的压力典型地为约15bar至约60bar。
第二热泵循环的工作流体优选包含通过间接热交换温热取自蒸馏塔系统中间位置的“中间”蒸气所产生的粗二氧化碳气体。“中间”蒸气是粗二氧化碳流体。在优选的实施方案中，中间蒸气从至少实质上和塔系统主进料的位置相齐的位置除去。在这些实施方案中，中间蒸气的组成通常至少实质上等同于粗二氧化碳进料的组成。
温热所述“中间”蒸气所需的至少一部分负荷可通过相对于任何合适的“温热”过程流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于至少一个再循环流体的间接热交换提供。
像在其它实施方案中一样，再循环流通常在合适的减压后(如果需要的话)再循环至蒸馏塔系统中的合适位置。就此而论，第一再循环流体优选在减压后冷凝并再循环至蒸馏塔系统顶部以提供回流。第二再循环流体通常在合适的减压后(如果需要的话)再循环至塔系统的中间位置，该中间位置至少实质上和塔系统主进料的位置相齐。在优选的实施方案中，其中蒸馏塔系统包含双塔装置，第二热泵循环的工作流体是来自较低压塔的中间塔顶蒸气，并不经减压再循环至较高压塔底部。
第二热泵循环的再循环流体的压力优选为约10bar至约25bar，例如将再循环流体再循环至其中的蒸馏塔系统部分的运行压力。
位于或取自蒸馏塔系统中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸以提供另外的蒸气用于蒸馏塔系统。至少一部分再沸负荷可通过相对于任何合适的“温热”过程流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于所述或至少一个再循环流体(例如第一再循环流体，它因此至少部分冷凝)的间接热交换提供。
中间再沸器的优势是，通过只须将塔顶蒸气的馏分(典型地<10%)压缩至加热塔底再沸器所需的较高压力，同时其余部分只需压缩至较低压力，功耗显著减小。中间再沸器的另一优势是低于它的塔直径(其中硫化氢浓度快速增大)可以显著减小，使得高毒性硫化氢的存量可以减少。
一部分工作流体可从方法吹扫以防止较高挥发性杂质(例如甲烷)和不可冷凝气体(比如氮气)的积累。
在一些优选的实施方案中，蒸馏塔系统的回流优选通过至少一个再循环流体冷凝物(典型地为冷凝的塔顶蒸气)在合适的减压后提供。在其它实施方案中，塔的回流通过塔顶冷凝器装置提供，其中，塔顶蒸气通过相对于至少一个“冷”过程流(例如再沸塔底液体)的间接热交换至少部分冷凝，并返回至塔系统。冷却和至少部分冷凝至少一个再循环流体所需的制冷负荷可通过相对于任何合适的“冷”过程流的间接热交换提供。
通过“制冷负荷”，发明人指的是方法所需的冷却负荷和(如果适用的话)冷凝负荷。
通过“冷过程流”，发明人指的是方法内的任何流体流，其温度低于待冷却和(适当时)待冷凝的流体的温度，且其压力适合于提供必需的间接热交换。合适的“冷”过程流包括在冷端进入主换热的流。在优选的实施方案中，通过相对于选自以下的至少一个流体的间接热交换提供负荷：二氧化碳富集的液体；塔底液体；衍生自塔底液体的液体；和膨胀的粗二氧化碳流体。
粗二氧化碳进料优选为衍生自二氧化碳天然来源的粗二氧化碳流体，并在进料至蒸馏塔系统之前膨胀。在膨胀之前，粗二氧化碳流体通常处于超临界压力和亚临界温度。
通过“超临界压力”，发明人指的是大于二氧化碳临界压力(即73.9bar)的压力。粗二氧化碳流体的压力可以是约100bar至约200bar。
通过“亚临界温度”，发明人指的是低于二氧化碳临界温度(即31.1℃)的温度。粗二氧化碳流体的温度典型地不大于30℃，例如不大于20℃，优选不大于15℃。所述温度通常不小于-20℃，例如不小于-10℃，优选不小于0℃。在一些实施方案中，所述温度为约二氧化碳的“泡点”，即二氧化碳在给定压力下开始沸腾的温度。在其它实施方案中，所述温度处于或高于二氧化碳的露点。
在膨胀之前，粗二氧化碳流体可通过间接热交换冷却。冷却粗二氧化碳流体所需的至少一部分制冷负荷可通过和任何合适的制冷剂流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供，所述“冷”过程流选自二氧化碳富集的液体；塔底液体；衍生自塔底液体的液体；和膨胀的粗二氧化碳流体。
膨胀的粗二氧化碳优选用作“冷”过程流以提供方法的制冷负荷。或者，膨胀的粗二氧化碳流体可直接进料至蒸馏塔流而不通过间接热交换提供制冷负荷。
进料典型地衍生自超临界粗二氧化碳液体，二氧化碳富集的液体作为产物产生。在这些实施方案中，将二氧化碳富集的液体典型地从蒸馏塔系统除去，泵送并通过间接热交换温热以产生温热的二氧化碳富集的液体作为产物。温热泵送的二氧化碳富集的液体所需的至少一部分负荷可通过相对于任何合适的“温热”过程流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于至少一个再循环流体的间接热交换提供。
泵送的二氧化碳富集的液体优选用作“冷”过程流以提供方法的制冷负荷。
进料可衍生自粗二氧化碳蒸气，二氧化碳富集的气体作为产物产生。在这些实施方案中，一部分二氧化碳富集的蒸气典型地通过间接热交换温热以产生二氧化碳富集的气体。温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷可通过和任何合适的“温热”过程流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于至少一个再循环流体的间接热交换提供。
二氧化碳富集的塔顶蒸气优选用作“冷”过程流以提供方法的制冷负荷。
塔底液体的另外部分，或衍生自塔底液体的液体，通常经泵送并通过间接热交换温热以提供富含杂质的废液。温热泵送的塔底液体所需的至少一部分负荷可通过相对于任何“温热”过程流的间接热交换提供，不过，在优选的实施方案中，通过相对于至少一个再循环流体的间接热交换提供。
塔底液体的另外部分，或衍生自塔底液体的液体，典型地用作“冷”过程流以提供方法的制冷负荷。
外部制冷循环可用来提供方法所需的至少一部分制冷负荷。然而，在优选的实施方案中，方法是自制冷的，即没有制冷负荷通过外部制冷循环提供。
方法的特别优选的实施方案包含：
将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
从所述蒸馏塔系统除去所述二氧化碳富集的塔顶蒸气并通过间接热交换温热至少一部分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；
压缩包含所述温热的二氧化碳富集的气体的第一工作流体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体；
通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分所述压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体；
膨胀所述二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体并将所述膨胀的二氧化碳富集的流体进料至所述蒸馏塔系统，将其至少一部分用作回流；
压缩包含来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体的第二工作流体以产生至少一种第二再循环流体；
通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分所述第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体；
按需膨胀后，将至少一部分所述冷却的富含二氧化碳的流体进料至所述蒸馏塔系统；
通过间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统；和
从所述蒸馏塔系统除去另一部分所述塔底液体或衍生自塔底液体的液体，
其中所述蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于所述第一和第二再循环流体的间接热交换提供，所述第一再循环流体具有和所述第二再循环流体不同的压力。
在这些实施方案中，可将压缩的二氧化碳富集的气体分成至少第一部分和第二部分，其中第一部分为第一再循环流体，且其中第二部分为用于压缩以产生第二再循环流体的富含二氧化碳的气体。
或者，可从蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的蒸气并通过间接热交换温热以产生富含二氧化碳的气体，其用于压缩以产生第二再循环流体。
优选地，来自蒸馏塔系统中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸以提供另外的蒸气用于蒸馏塔系统。
在其它特别优选的实施方案中，方法包含：
将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
通过间接热交换冷凝一部分所述二氧化碳富集的塔顶蒸气以提供所述蒸馏塔系统的回流；
从所述蒸馏系统除去另一部分所述二氧化碳富集的塔顶蒸气；
从所述蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的液体并将所述液体膨胀以产生膨胀的富含二氧化碳的液体；
通过间接热交换温热和蒸发所述膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体；
压缩包含所述温热的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生至少一种压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体；
通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝所述第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体；
将所述冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生所述粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统；
通过间接热交换冷却和至少部分冷凝所述第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体；
膨胀所述冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体；
将所述膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合：所述富含二氧化碳的液体，所述膨胀的富含二氧化碳的液体和所述温热的富含二氧化碳的气体；
通过相对于至少一个“温热”过程流的间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统；和
从所述蒸馏塔系统除去另一部分所述塔底液体或衍生自塔底液体的液体，
其中所述再沸负荷至少部分通过相对于所述第一和第二再循环流体的间接热交换提供，且其中，在其中将所述膨胀的富含二氧化碳的流体和所述温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，所述膨胀的富含二氧化碳的流体首先通过间接热交换温热和蒸发，以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体，用于和所述温热的富含二氧化碳的气体的所述组合。
在本发明第一方面的替代装置中，提供纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含：
将粗二氧化碳进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
提供二氧化碳富集的液体作为所述蒸馏塔系统的回流；
通过间接热交换，通过至少部分汽化杂质富集的塔底液体和至少一种位于或取自所述蒸馏塔系统中间位置的中间液体来再沸所述蒸馏塔系统，以提供蒸气用于所述蒸馏塔系统；
从所述蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；和
从所述蒸馏塔系统除去杂质富集的塔底液体或衍生自杂质富集的塔底液体的液体，
其中所述方法包含热泵循环，所述热泵循环使用来自所述蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体；和
其中所述中间液体或至少一种所述中间液体通过相对于来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气的所述间接热交换而至少部分汽化，从而至少部分冷凝所述二氧化碳富集的塔顶蒸气。
中间液体可具有至少实质上等同于所述粗二氧化碳的组成。然而，在优选的实施方案中，所述或至少一种中间液体位于或取自蒸馏塔系统中低于粗二氧化碳进料位置的位置，因此所述或每种中间液体富集所述或每种较低挥发性杂质。
在第一方面的替代装置的优选实施方案中，热泵循环具有单一再循环压力。在这些实施方案中，热泵循环可仍然具有两个或更多个再循环流，不过每个再循环流的压力将相同。然而，特别优选的实施方案中，存在单一热泵循环，其具有处于特定再循环压力下的单一再循环流。在这些实施方案中，当通过至少部分汽化位于或取自塔系统中间位置的液体而使蒸馏塔系统再沸时，可以实现显著的功耗节约。
热泵循环典型地包含：
通过间接热交换任选至少部分汽化来自所述蒸馏塔系统的所述含二氧化碳工作流体后，通过间接热交换温热所述含二氧化碳工作流体以产生温热的含二氧化碳气体；
压缩所述温热的含二氧化碳气体以形成压缩的含二氧化碳再循环气体；
通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝所述压缩的含二氧化碳再循环气体以产生冷却的含二氧化碳再循环流体；和
再循环至少一部分所述冷却的含二氧化碳再循环流体至所述蒸馏塔系统，
其中，或者在所述任选汽化和温热以产生所述温热的含二氧化碳气体之前，或者在所述冷却和任选至少部分冷凝以产生所述冷却的含二氧化碳再循环流体之后，在再循环所述冷却的含二氧化碳再循环流体至所述蒸馏塔系统之前，所述工作流体按需膨胀。
压缩的含二氧化碳气体典型的压力为约15bar至约60bar。
冷却和任选至少部分冷凝所述压缩的含二氧化碳再循环气体所需的至少一部分负荷通常通过至少一个“冷”过程流提供。在这些实施方案中，“冷”过程流优选为来自所述蒸馏塔系统的中间液体。
含二氧化碳工作流体可以是来自所述蒸馏塔系统的所述二氧化碳富集的塔顶蒸气。在这些实施方案中，在所述压缩后，当通过所述间接热交换冷却时，所述工作流体典型地至少部分冷凝，以产生至少部分冷凝的二氧化碳富集的再循环流体，用于在膨胀后作为所述回流再循环至所述蒸馏塔系统。
在其中工作流体是二氧化碳富集的塔顶蒸气的实施方案中，所述热泵循环典型地包含：
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来提供汽化所述中间液体所需的至少一部分再沸负荷，从而冷却和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蒸馏塔系统提供所述回流。
在其它实施方案中，含二氧化碳工作流体是来自所述蒸馏塔系统的所述中间液体。在这些实施方案中，冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气典型地是向所述蒸馏塔系统提供所述回流的所述二氧化碳富集的液体。
在这些实施方案中，在所述汽化和温热之前，工作流体可膨胀以产生用于所述压缩的中间气体。汽化所述中间液体所需的至少一部分负荷典型地通过所述二氧化碳富集的塔顶蒸气提供。
在其中工作流体是来自所述蒸馏塔系统的中间液体的实施方案中，所述热泵循环典型地包含：
膨胀所述中间液体以产生膨胀的中间液体；
通过相对于所述二氧化碳富集的塔顶蒸气的间接热交换来汽化所述膨胀的中间液体以产生中间气体和冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气；
压缩所述中间气体以产生压缩的中间再循环气体；
通过间接热交换冷却所述压缩的中间再循环气体以产生冷却的中间再循环气体；和
将所述冷却的中间再循环气体进料至所述蒸馏塔系统，
其中所述冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气至少部分用作向所述蒸馏塔系统提供所述回流的所述二氧化碳富集的液体。
在这些实施方案中，中间气体优选在压缩之前通过间接热交换温热以产生温热的中间气体。
就本发明任何方面描述的所有特征可以和本发明任何其它方面共同使用。
现在将参考图1描绘的比较方法和图2-13描绘的本发明优选实施方案进一步描述本发明。
图1描绘比较方法，其包括具有单一再循环流体的热泵循环。方法的进料是含有约91mol.%二氧化碳和约7mol.%硫化氢的液体，剩余部分由甲烷、丙烷和甲醇组成。所述液体具有约45bar的压力和约其泡点(9℃)的温度。这样的进料流可在从天然气除去酸气体(例如二氧化碳和硫化氢)的方法中产生。
必要时，在进入冷过程之前，进料可经干燥(例如在含有硅胶或氧化铝的床中)。液体进料流100在换热器HE1中过冷(以使方法更有效)以产生冷却的进料液体流102，其在致密流体膨胀器E1中膨胀以回收能量并产生膨胀的流体流104。膨胀器E1可替换为节流阀，或可具有与之串联或并联的阀。
膨胀的流体用于提供换热器HE1中的制冷负荷从而产生粗二氧化碳气体流106，将其进料至蒸馏塔系统的塔C1，其中将它分离成含有约99mol.%二氧化碳的二氧化碳富集的塔顶蒸气和含有约72mol.%硫化氢的塔底液体。来自进料的任何轻杂质，比如甲烷，将在塔顶蒸气中浓缩。在此方法中，塔运行在约13bar的压力。
一部分塔底液体180通过在换热器HE1中间接热交换而部分再沸，以产生两相流182。在所描绘的装置中，再沸器是外部的单程再沸器。然而，可以使用其他种类的再沸器比如热虹吸或下降流再沸器，且可位于塔C1中。
所述两相流可直接回料至塔C1以提供上升蒸气用于蒸馏过程。然而，在图中描绘的实施方案中，蒸馏塔系统包含蒸气/液体分离器S2并将所述两相流182进料至该分离器中，其中将蒸气和液体组分分离。蒸气组分作为流184进料至塔C1，而衍生自塔底液体的液体组分作为流186进料至泵P3，其中将它泵送至约48bar的压力。泵送的液体流188随后通过在换热器HE1中间接热交换而温热以产生温热的液体流190。该液体不在换热器HE1中蒸发，因为它已经经过泵送。温热的液体进一步在泵P4中泵送以提供压力为约208bar的泵送的废液流192。废液的组成为约94mol.%硫化氢和约6mol.%二氧化碳，连同痕量的丙烷和甲醇。
在此方法中热泵循环的工作流体作为二氧化碳富集的塔顶蒸气取自塔C1。就此而论，将塔顶蒸气从塔C1除去并在换热器HE1中温热以产生温热的二氧化碳富集的塔顶气体流114。在此方法中，将塔顶蒸气的第一流110从塔C1顶部除去并通过在换热器HE1中间接热交换而温热以产生温热的塔顶气体的第一流112。将塔顶蒸气的第二流140从另一个蒸气/液体分离器S1除去并通过在换热器HE1中间接热交换而温热以产生温热的塔顶气体的第二流142。温热的塔顶气体的第二流142的至少一部分144和塔顶气体的第一流112组合以形成温热的二氧化碳富集的塔顶气体流114。然而，本领域技术人员容易想到(i)来自分离器S1的蒸气组分和来自塔C1的塔顶蒸气的组合可在换热器HE1的冷端发生，和(ii)分离器S1可以容易地消除且所有塔顶蒸气可从塔C1顶部除去(例如参见图4)。温热的塔顶气体的第二流142的一部分146可从方法吹扫以防止不期望的较高挥发性杂质比如甲烷的积累。
温热的塔顶气体在压缩机系统中压缩以产生压缩的二氧化碳富集的气体的再循环流130。
应当注明，尽管图1的压缩机系统描绘成具有两个阶段，CP1和CP2，但可以使用具有单一阶段或多个阶段的其它压缩机系统。重点是，不管流如何压缩，这一比较方法的热泵循环仅具有单一再循环流体，因此仅具有单一再循环压力，在此情况下为约33bar。
还应注明，不仅描绘于图1，而且描绘于图2-14的压缩机系统可包括中间冷却器和/或后冷却器，即便这些特征没有明确显示在图中。
再循环流体130用于通过在换热器HE1中间接热交换而提供再沸负荷，从而至少部分再沸塔底液体流180。再循环流体通过在换热器HE1中间接热交换而进一步冷却和冷凝以产生冷凝的再循环流体流132，其随后跨过膨胀阀V2膨胀以产生膨胀的二氧化碳富集的流体流134，它具有蒸气组分和液体组分。如上所述，该流可以直接进料至塔C1，以提供回流(例如参见图4)。然而，图1描绘的蒸馏塔系统包含所述另一分离器S1，其用于分离蒸气和液体组分。蒸气组分140用于提供一部分工作流体用于热泵循环(参见上面)，液体组分的一部分152用于提供塔C1的回流。
使用具有吹扫的回流分离器允许通过增大所需的冷凝器温度和减小驱动中间再沸器所需的压力而减小功耗。任何经吹扫的蒸气可再压缩成二氧化碳产物流并回收，这取决于回收的二氧化碳的价值和用于再压缩的功率成本之比。
将二氧化碳富集的液体的另一部分154从蒸馏塔系统除去并在泵P1中泵送以产生压力为约80bar的泵送的二氧化碳富集的液体流156。泵送的液体156随后通过在换热器HE1中间接热交换而温热以产生温热的二氧化碳富集的液体流158，它在泵P2中进一步泵送以产生压力为约153bar的液体二氧化碳产物流160。液体二氧化碳产物是实质上纯的二氧化碳(约99mol.%)，代表约99.5%的二氧化碳回收率。二氧化碳产物160处于适合通过管道输送或用于EOR的形式。
冷却和(适当时)冷凝再循环流体130和液体进料100所需的制冷负荷通过相对于以下的间接热交换提供：二氧化碳富集的塔顶蒸气(流110和140)、泵送的二氧化碳富集的液体(流156)、泵送的衍生自塔底液体的液体(流188)、膨胀的流体进料(流104)和塔底液体(流180)。该方法中不使用外部制冷，因此该方法可描述为“自制冷”。
尽管流体之间的所有间接热交换表示为在单一换热器HE1(例如铝板翅式换热器)中发生，但本领域技术人员理解可将多于一个换热器用于实现特定过程流之间的必要传热。
本发明的优选实施方案描绘于图2-14。这些实施方案可视为图1描绘的比较方法的修改。举例说明的实施方案和图1描绘的比较方法以及图2-14描绘的其它实施方案具有许多共同特征。方法之间的共同特征已指定相同的附图标记。为了方便起见，不提供共同特征的进一步讨论。下面是区别特征的讨论。
在图2中，温热的二氧化碳富集的气体流114在第一压缩机系统CP1中压缩以产生处于约16bar的压缩的二氧化碳富集的气体流116。流116分成支流118和120。支流120用作第一再循环流体。支流118在第二压缩机系统CP2中进一步压缩以提供压力为约28bar的第二再循环流体流130。流120和130的摩尔流量比为约2:5(即约0.4)。
再循环流体的流120和130均用于通过在换热器HE1中间接热交换而提供再沸负荷，且均经冷却和冷凝以分别形成冷凝的二氧化碳富集的流体流122和132。所述流体分别跨过膨胀阀V1和V2膨胀至相同压力，即塔C1的运行压力，以分别产生膨胀的流体124和134。如前所述，膨胀的流体可以直接进料至塔C1以提供回流。然而，在此实施方案中，膨胀的流体组合形成流126，随后进料至分离器S1以分离蒸气和液体组分。
在这个实施方案中，再循环流体120通过主要相对于膨胀的进料液体104间接热交换而冷却和冷凝，而再循环流体130通过主要相对于再沸塔底液体180间接热交换而冷却和冷凝。
在图3中，将取自塔C1中间位置的液体流170从塔C1除去并在换热器HE1中至少部分再沸。再沸器描绘成外部的单程再沸器。然而，再沸器可处于塔内部和/或可以使用其他种类的再沸器比如热虹吸或下降流再沸器。
再沸中间液体的负荷再次通过再循环流体122和132提供。流122和132的摩尔流量比为约10:1(即约10)。塔C1的大部分沸腾负荷由这个中间再沸器提供。
在图3的流程图中产生的产物泵送至足够高的压力，使得它们不蒸发。它们在主换热器中温热，但不处于使得换热器成本受负面影响的高压下。在替代构造中，进料可以是蒸气，在此情况下，可将其一部分膨胀至塔，将其一部分冷凝和膨胀成为液体。在此情况下，泵送的来自塔的产物可在适当的压力和温度下在换热器中蒸发以冷凝进料。
尽管进料显示为在主换热器HE1中蒸发，然后进料至塔C1，但这不是必要的，可将它仅仅部分汽化或作为液体进料。在此情况下，中间再沸器负荷会增大以提供塔内等价的沸腾。
图4描绘的流程图是图3描绘内容的修改版本，其中从蒸馏塔系统省略了分离器S1和S2。因此，再沸的塔底液体182和膨胀的二氧化碳富集的流体126直接进料至塔C1。
图5描绘的流程图是图3描绘内容的修改版本，其中蒸馏塔系统包括分离塔C1，所述塔的两部分具有相同的运行压力。蒸气进料106进料至塔C1上部。来自塔C1上部的塔底液体不仅用作“中间”液体170(它在换热器HE1中再沸)而且用于提供塔C1下部的回流。来自塔C1下部的塔顶蒸气连同进料蒸气106进料至塔C1上部。
图6描绘的流程图是图5描绘内容的修改版本，其中中间再沸器的装置不同。就此而论，来自塔C1上部的塔底液体通过在换热器HE1中间接热交换而部分再沸。因此流172具有液体组分和蒸气组分，所述组分在第三蒸气/液体分离器S3中分离。液体组分进料至塔C1下部作为回流，而蒸气组分进料至塔C1上部。来自塔C1下部的塔顶蒸气进料至塔C1上部。
图7描绘的流程图是图3描绘内容的修改版本，其中省略了吹扫流146。来自分离器S1的塔顶蒸气和来自塔C1的塔顶蒸气组合形成二氧化碳富集的塔顶蒸气流140。
图8描绘的流程图是图3描绘内容的修改版本，其中方法的进料100为饱和蒸气形式。进料100在膨胀器E1中膨胀而不首先通过在换热器HE1中间接热交换而冷却进料。塔C1的膨胀的进料106为约13%冷凝物。来自塔C1的塔顶蒸气用作热泵循环的工作流体，像在图3中一样。然而，所有再循环的二氧化碳富集的液体作为回流进料至塔C1，且无一从蒸馏塔系统除去以形成液体二氧化碳产物。相比之下，来自塔C1的塔顶蒸气的一部分111和在分离器S1中分离得到的蒸气组分组合以形成二氧化碳富集的蒸气流156，它通过在换热器HE1中间接热交换而温热以产生温热的二氧化碳富集的气体流158。该气体在压缩机系统CP3中压缩并在泵P2中泵送以形成压力为约110bar的气态二氧化碳产物流160。
图9描绘的流程图是图8描绘内容的修改版本，其中方法的蒸气进料100通过在换热器HE1中间接热交换而冷却，然后膨胀，膨胀的流104随后通过在换热器HE1中间接热交换而温热，然后进料至塔C1。
图10描绘的流程图是图9描绘内容的修改版本，其中膨胀的流104直接进料至塔C1而不首先在换热器HE1中温热。
图11描绘的流程图是图3描绘内容的修改版本，其中蒸馏塔系统包含双塔装置，第一塔C1在比第二塔C2更高的压力下运行。进料106处于第一塔C1的运行压力下。将进料分离，第一部分直接进料至第一塔C1，而第二部分跨过膨胀阀V6减压然后进料至第二塔C2。
第一塔C1的进料分离成中间塔顶蒸气和塔底液体。中间塔顶蒸气用于再沸第二塔C2中的塔底液体，结果自身冷凝。冷凝的流跨过膨胀阀V3减压，随后用于提供第二塔C2的回流。
第二塔C2的进料分离成二氧化碳富集的塔顶蒸气和中间塔底液体，后者进料至第一塔C1。第二塔C2相对于第一塔C1升高。因此，中间塔底液体的压力通过静压头提高。然而，可用泵(未显示)提高中间塔底液体的压力。
图12描绘的流程图类似于图6描绘的内容，不过，不同于图6的分离塔C1，图12的流程图包括双塔，第一塔C1在比第二塔C2更高的压力下运行。另外，不同于像图6那样产生两个再循环流体的单一热泵循环，图12的流程图包括两个单独的热泵循环，各自产生单一再循环流体。
第一热泵循环的工作流体是来自第一塔C1的二氧化碳富集的塔顶蒸气，它通过在换热器HE1中间接热交换而温热，然后在第一压缩机系统CP1中压缩以产生第一再循环流体120。
来自第二塔C2的中间塔顶蒸气不像图6那样进料至第一塔C1。相比之下，第二热泵循环的工作流体是取自第二塔C2的中间塔顶蒸气200，它通过在换热器HE1中间接热交换而温热，然后在第二压缩机系统CP4中压缩以产生处于第一塔C1的运行压力下的第二再循环流体。
再沸负荷通过来自蒸馏塔系统两个塔的再循环流体和塔底液体之间在换热器HE1中的间接热交换提供。
再循环流体通过在换热器HE1中间接热交换而进一步冷却。来自第一再循环流的二氧化碳富集的液体122跨过膨胀阀V1膨胀，在蒸气/液体分离后，液体组分156进料至第一塔C1作为回流。第二再循环流体的粗二氧化碳流体206在冷却后进料至第一塔。
来自分离器S3的液体组分176的压力跨过膨胀阀V7下降，然后将液体作为回流进料至第二塔C2。
图13描绘的流程图是图3描绘内容的修改版本。在图3中，热泵循环的工作流体是二氧化碳富集的塔顶蒸气。在图13中，使用粗二氧化碳流体。就此而论，将粗二氧化碳液体流210从塔C1的中间位置除去并和再循环流236(见下文)组合以形成组合流212，它跨过膨胀阀V4减压以产生膨胀的流214。膨胀的流214通过在换热器HE1中间接热交换而温热和蒸发以产生粗二氧化碳气体流216，它和温热的二氧化碳富集的塔顶蒸气144(见下文)组合以产生富含二氧化碳的气体流218。
富含二氧化碳的气体218在第一压缩机系统CP4中压缩以产生压缩气体220，它分成第一再循环流222和第二部分230。第二部分在第二压缩机系统CP5中进一步压缩以产生第二再循环流232。
塔C1的再沸负荷通过在换热器HE1中相对于这两个再循环流间接热交换而提供，这两个再循环流随后通过间接热交换进一步冷却。进一步冷却的第一再循环流224和粗二氧化碳进料106组合以提供塔C1的组合进料226。进一步冷却的第二再循环流234跨过膨胀阀V5膨胀，且膨胀的液体236和取自塔C1的粗二氧化碳液体210组合。
蒸馏塔系统包含塔顶冷凝器装置，其中将塔顶蒸气110除去并通过在换热器HE1中间接热交换而部分冷凝。部分冷凝的流111进料至蒸气/液体分离器S1，其中将蒸气和液体组分分离。液体组分用于提供塔C1的回流(流152)并提供液体二氧化碳产物(流154-160)。蒸气组分140通过在换热器HE1中间接热交换而温热以产生通向塔顶气体的流142。塔顶气体的一部分144和温热的粗二氧化碳气体216组合。另一部分146可从方法吹扫。
图14描绘的流程图是图1描绘内容的修改版本。所述流程图之间仅有的差异是，在图14中，蒸馏塔系统C1具有中间再沸器。在这点上，将取自塔C1中间位置的液体流170从塔C1除去并在换热器HE1中至少部分再沸。两相再沸流172返回至塔C1。再沸器描绘成外部的单程再沸器。然而，再沸器可处于塔内部和/或可以使用其他种类的再沸器比如热虹吸或下降流再沸器。
图15的流程图是图13描绘内容的修改版本。所述流程图之间仅有的差异是，在图15中，热泵循环中不存在第二再循环流体。因此，压缩的中间再循环气体的整个流220作为流222在HE1中通过间接热交换冷却并和蒸馏塔系统C1的主进料106组合。
本发明的方面包括：
#1.纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含
将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
提供二氧化碳富集的液体作为所述蒸馏塔系统的回流；
通过间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以提供蒸气用于所述蒸馏塔系统；
通过间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以提供蒸气用于所述蒸馏塔系统；
其中所述蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于来自至少一个热泵循环的再循环流体的间接热交换提供，所述热泵循环使用来自所述蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体，至少一个所述再循环流体具有和其它再循环流体不同的压力。
#2.根据#1的方法，所述方法包含单一热泵循环，其包含至少第一再循环流体和第二再循环流体，所述第二再循环流体的压力大于所述第一再循环流体的压力。
#3.根据#2的方法，其中所述第二再循环流体的压力比所述第一再循环流体的压力大至少10%。
#4.根据#2或#3的方法，其中所述第一再循环流体的压力为约15bar至约30bar。
#5.根据#2-#4任意一项的方法，其中所述第二再循环流体的压力为约20bar至约70bar。
#6.根据#2-#5任意一项的方法，其中所述工作流体包含通过间接热交换温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气而产生的二氧化碳富集的气体。
#7.根据#6的方法，其中温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#8.根据#2-#7任意一项的方法，其中在合适的减压后将所述再循环流体再循环至所述蒸馏塔系统的合适位置。
#9.根据#2-#8任意一项的方法，其中所述第一再循环流体和所述第二再循环流体的摩尔流量比为约0.1(即1:10)至约10(即10:1)。
#10.根据#9的方法，其中所述比率为约3(即3:1)至约10(即10:1)。
#11.根据#2的方法，其中所述工作流体包含在合适的减压后通过间接热交换蒸发“中间”液体产生的粗二氧化碳气体，所述“中间”液体取自所述蒸馏塔系统的中间位置。
#12.根据#11的方法，所述方法包含通过间接热交换至少部分冷凝二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生至少部分冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气作为所述蒸馏塔系统的所述回流。
#13.根据#12的方法，其中冷却和至少部分冷凝所述二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供。
#14.根据#11-#13任意一项的方法，其中蒸发所述“中间”液体所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#15.根据#11-#14任意一项的方法，其中所述“中间”液体具有至少实质上等同于所述粗二氧化碳进料的组成。
#16.根据#11-#15任意一项的方法，其中所述第一再循环流体作为所述进料的一部分再循环至所述蒸馏塔系统。
#17.根据#11-#16任意一项的方法，其中所述第二再循环流体在合适的减压后作为所述热泵循环的所述工作流体的一部分而再循环。
#18.根据#1的方法，所述方法包含至少第一热泵循环和第二热泵循环，每个热泵循环包含至少一个再循环流体，所述第一热泵循环的所述再循环流体或其中第一热泵循环具有大于一个再循环流体时的至少一个所述再循环流体具有的压力大于所述第二热泵循环的再循环流体的压力。
#19.根据#18的方法，其中所述第一热泵循环的所述再循环流体的压力比所述第二热泵循环的所述再循环流体的压力大至少10%。
#20.根据#18或#19的方法，其中所述第一热泵循环的所述再循环流体的压力为约15bar至约60bar。
#21.根据#18-#20任意一项的方法，其中所述第一热泵循环的所述工作流体包含通过间接热交换温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气而产生的二氧化碳富集的气体。
#22.根据#21的方法，其中温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流的间接热交换提供。
#23.根据#18或#22任意一项的方法，其中所述第二热泵循环的所述再循环流体的压力为约10bar至约25bar。
#24.根据#18-#23任意一项的方法，其中所述第二热泵循环的所述工作流体包含通过间接热交换温热“中间”蒸气产生的粗二氧化碳气体，所述“中间”蒸气取自所述蒸馏塔系统的中间位置。
#25.根据#24的方法，其中温热所述“中间”蒸气所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#26.根据#24或#25的方法，其中所述粗二氧化碳气体具有至少实质上等同于所述粗二氧化碳进料的组成。
#27.根据#18-#26的方法，其中在合适的减压后(如果需要的话)将所述再循环流再循环至所述蒸馏塔系统的合适位置。
#28.根据#1-#27任意一项的方法，来自所述蒸馏塔系统中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔系统。
#29.根据#28的方法，其中至少一部分再沸负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#30.根据#1-#29任意一项的方法，其中将一部分所述工作流体从所述方法吹扫。
#31.根据#1-#30任意一项的方法，其中所述蒸馏塔系统的所述回流通过至少一个再循环流体冷凝物在合适的减压后提供。
#32.根据#31的方法，其中冷却和至少部分冷凝至少一个再循环流体所需的制冷负荷通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供。
#33.根据#1-#32任意一项的方法，其中所述蒸馏塔系统的所述回流通过冷凝的塔顶蒸气提供。
#34.根据#33的方法，其中冷却和至少部分冷凝塔顶蒸气所需的制冷负荷通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供。
#35.根据#1-#34任意一项的方法，其中所述粗二氧化碳进料是衍生自二氧化碳的天然来源的粗二氧化碳流体且在进料至所述蒸馏塔系统之前膨胀。
#36.根据#35的方法，其中，在所述膨胀之前，所述粗二氧化碳流体处于超临界压力和亚临界温度。
#37.根据#35或#36的方法，其中所述粗二氧化碳流体在膨胀之前通过间接热交换冷却。
#38.根据#37的方法，其中冷却所述粗二氧化碳流体所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供。
#39.根据#35-#38任意一项的方法，其中所述膨胀的粗二氧化碳用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
#40.根据#35-#38任意一项的方法，其中所述膨胀的粗二氧化碳流体直接进料至所述蒸馏塔系统。
#41.根据#1-#40任意一项的方法，其中所述进料衍生自超临界粗二氧化碳液体且二氧化碳富集的液体作为产物产生。
#42.根据#41的方法，其中从所述蒸馏塔系统除去所述二氧化碳富集的液体，经泵送并通过间接热交换温热以产生温热的二氧化碳富集的液体作为所述产物。
#43.根据#42的方法，其中温热所述泵送的二氧化碳富集的液体所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#44.根据#42或#43的方法，其中所述泵送的二氧化碳富集的液体用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
#45.根据#1-#40任意一项的方法，其中所述进料衍生自粗二氧化碳蒸气且二氧化碳富集的气体作为产物产生。
#46.根据#45的方法，其中通过间接热交换温热一部分所述二氧化碳富集的蒸气以产生所述二氧化碳富集的气体。
#47.根据#46的方法，其中温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#48.根据#46或#47的方法，其中所述二氧化碳富集的塔顶蒸气用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
#49.根据#1-#48的方法，其中所述另一部分塔底液体或所述衍生自塔底液体的液体经泵送并通过间接热交换温热以提供富含杂质的废液。
#50.根据#49的方法，其中温热所述泵送的塔底液体所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个所述再循环流体的间接热交换提供。
#51.根据#49或#50的方法，其中所述另一部分所述塔底液体或所述衍生自塔底液体的液体用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
#52.根据#1-#51任意一项的方法，其中所述蒸馏塔系统的运行压力为约10bar至约25bar。
#53.根据#1-#52任意一项的方法，其中所述至少一种杂质是硫化氢(H2S)。
#54.根据#1-#53任意一项的方法，其中所述方法是自制冷的。
#55.纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含：
将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
从所述蒸馏塔系统除去所述二氧化碳富集的塔顶蒸气并通过间接热交换温热至少一部分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；
压缩包含所述温热的二氧化碳富集的气体的第一工作流体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体；
通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分所述压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体；
膨胀所述二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体并将所述膨胀的二氧化碳富集的流体进料至所述蒸馏塔系统，将其至少一部分用作回流；
压缩包含来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体的第二工作流体以产生至少一种第二再循环流体；
通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分所述第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体；
按需膨胀后，将至少一部分所述冷却的富含二氧化碳的流体进料至所述蒸馏塔系统；
通过间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统；和
从所述蒸馏塔系统除去另一部分所述塔底液体或衍生自塔底液体的液体，
其中所述蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于所述第一和第二再循环流体的间接热交换提供，所述第一再循环流体具有和所述第二再循环流体不同的压力。
#56.根据#55的方法，其中将所述压缩的二氧化碳富集的气体分成至少第一部分和第二部分，其中所述第一部分为所述第一再循环流体，且其中所述第二部分为用于压缩以产生所述第二再循环流体的所述富含二氧化碳的气体。
#57.根据#55或#56的方法，其中从蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的蒸气并通过间接热交换温热以产生所述富含二氧化碳的气体，其用于压缩以产生所述第二再循环流体。
#58.根据#55-#57任意一项的方法，其中来自所述蒸馏塔系统中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔系统。
#59.纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含：
将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
通过间接热交换冷凝一部分所述二氧化碳富集的塔顶蒸气以提供所述蒸馏塔系统的回流；
从所述蒸馏系统除去另一部分所述二氧化碳富集的塔顶蒸气；
从所述蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的液体并将所述液体膨胀以产生膨胀的富含二氧化碳的液体；
通过间接热交换温热和蒸发所述膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体；
压缩包含所述温热的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生至少一种压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体；
通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝所述第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体；
将所述冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生所述粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统；
通过间接热交换冷却和至少部分冷凝所述第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体；
膨胀所述冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体；
将所述膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合：所述富含二氧化碳的液体，所述膨胀的富含二氧化碳的液体和所述温热的富含二氧化碳的气体；
通过相对于至少一个“温热”过程流的间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统；和
从所述蒸馏塔系统除去另一部分所述塔底液体或衍生自塔底液体的液体，
其中所述再沸负荷至少部分通过相对于所述第一和第二再循环流体的间接热交换提供，且其中，在其中将所述膨胀的富含二氧化碳的流体和所述温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，所述膨胀的富含二氧化碳的流体首先通过间接热交换温热和蒸发，以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体，用于和所述温热的富含二氧化碳的气体的所述组合。
#60.进行根据#55的方法的设备，所述设备包含：
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
第一换热器装置，用于通过间接热交换温热至少一部分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；
导管装置，用于将来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气除去并将所述蒸气进料至所述第一换热器装置；
第一压缩机系统，用于压缩所述温热的二氧化碳富集的气体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体；
第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分所述压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体；
第一膨胀装置，用于膨胀所述二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体用于进料至所述蒸馏塔系统作为回流；
第二压缩机系统，用于压缩来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体以产生至少一种第二再循环流体；
第三换热器装置，用于通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分所述第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体用于进料至所述蒸馏塔系统；
任选的膨胀装置，用于膨胀所述冷却的富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体，然后进料至所述蒸馏塔系统；
第四换热器装置，用于通过相对于至少一个所述再循环流的间接热交换至少部分再沸所述塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统；和
导管装置，用于从所述蒸馏塔系统除去另一部分所述塔底液体或衍生自塔底液体的液体，
其中所述第一和第二压缩系统能够分别压缩所述温热的二氧化碳富集的气体和所述富含二氧化碳的气体至不同压力。
#61.根据#60的设备，所述设备包含导管装置，其用于将压缩的二氧化碳富集的气体作为进料从所述第一压缩机系统进料至所述第二压缩机系统。
#62.根据#60的设备，所述设备包含：
第五换热器装置，用于通过间接热交换温热富含二氧化碳的蒸气以产生温热的富含二氧化碳的气体；
导管装置，用于将富含二氧化碳的蒸气从所述蒸馏塔系统的中间位置进料至所述第五换热器装置；和
导管装置，用于将来自所述第五换热器装置的温热的富含二氧化碳的气体进料至所述第二压缩机系统。
#63.根据#60-#62任意一项的设备，所述设备包含第六换热器装置，用于至少部分再沸来自所述蒸馏塔系统中间位置的液体以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔系统。
#64.进行根据#59的方法的设备，所述设备包含：
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
第一换热器装置，用于通过间接热交换冷却和部分冷凝所述二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生至少部分冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气作为回流用于所述蒸馏塔系统；
导管装置，用于从所述蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；
第一膨胀装置，用于膨胀富含二氧化碳的液体以产生膨胀的富含二氧化碳的液体；
导管装置，用于将富含二氧化碳的液体从所述蒸馏塔系统的中间位置进料至所述第一膨胀装置；
第二换热装置，用于通过间接热交换温热和蒸发所述膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体；
压缩机系统，用于压缩包含所述组合的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体；
第三换热系统，用于通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝所述第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体；
导管装置，用于将所述冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生所述粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统；
第四换热装置，用于通过间接热交换冷却所述第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体；
第二膨胀装置，用于膨胀所述冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体；
导管装置，用于将所述膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合：所述富含二氧化碳的液体，所述膨胀的富含二氧化碳的液体和所述温热的富含二氧化碳的气体；
第五换热器装置，用于通过相对于至少一个所述再循环流的间接热交换至少部分再沸一部分所述塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统；和
导管装置，用于从所述蒸馏塔系统除去另一部分所述塔底液体或衍生自塔底液体的液体，
其中，在其中将所述膨胀的富含二氧化碳的流体和所述温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，所述设备包含第六换热器装置，用于通过间接热交换温热膨胀的富含二氧化碳的流体以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体用于和所述温热的富含二氧化碳的气体的所述组合。
#65.根据#60-#64任意一项的设备，其中所述换热器装置为单一主换热器内部的通道。
比较实施例1
通过计算机使用AspenPlus(版本7.2)软件对图1描绘的流程图建模，对于关键流的热量和质量平衡数据提供于图16。在该模拟中使用的热力学数据为机密因此不在此处论述。然而，该数据包括基于公开信息的蒸气-液体平衡数据的估算，外推至关注的组成和温度/压力范围。在模型中，吹扫流146具有零流量，且尽管图16指出二氧化碳产物不存在H2S，但事实上存在约5ppmH2S。
根据建模，比较实施例的方法总计消耗17,054kW能量。这一数字是压缩机CP1和CP2(15,278kW)和泵P1-P4(1935kW)所需功率之和减去进料膨胀器E1回收的功率(160kW)。
实施例1
也通过计算机使用AspenPlus(版本7.2)对图2描绘的流程图建模，对于关键流的热量和质量平衡数据提供于图17。所使用的热力学数据和比较实施例1相同。在模型中，吹扫流具有零流量。
根据建模，本发明的这一实施方案消耗总计15,671kW，表明和比较实施例相比整体节能1,383kW或约8.1%。这一节约大部分通过减小压缩二氧化碳气体(作为热泵循环的工作流体)所需的功率实现，这是由于减小通过第二压缩机系统CP2的气体的流量。
实施例2
也通过计算机使用AspenPlus(版本7.2)对图3描绘的流程图建模，对于关键流的热量和质量平衡数据提供于图18。所使用的热力学数据和比较实施例1相同。在模型中，吹扫流具有零流量。
根据建模，本发明的这一实施方案消耗总计9,933kW，表明和比较实施例相比整体节能7,121kW或约41.8%。这一节约大部分通过减小压缩二氧化碳气体(作为热泵循环的工作流体)所需的功率实现，这是由于引入了中间再沸器，它显著减小需要在第二压缩机系统CP2中进一步压缩的塔顶蒸气的量。
实施例3
也通过计算机使用AspenPlus(版本7.2)对图8描绘的流程图建模，对于关键流的热量和质量平衡数据提供于图19。所使用的热力学数据和比较实施例1相同。在模型中，吹扫流具有零流量。
根据建模，本发明的这一实施方案消耗总计14,334kW，表明和比较实施例相比整体节能2,720kW或约15.9%。对于二氧化碳产物压缩机的额外功率要求大于由修改的热泵循环产生的功率减小的偏移(off-set)。
比较实施例2
在比较实施例2中，通过计算机使用AspenPlus(版本7.2)软件对图1描绘的流程图重新建模，使用基于关注的组成和压力/温度范围内通过实验测量的蒸气-液体平衡数据的热力学数据，对于关键流的修正的热量和质量平衡数据提供于图20。在模型中，吹扫流146具有零流量。
蒸气-液体平衡数据为机密因此不在此处论述。然而，数据表明所述分离比原来估计的更困难，因为二氧化碳和硫化氢的相对挥发度比预期更接近于1。
根据建模，比较实施例2的方法总计消耗24,835kW能量。这一数字是压缩机CP1和CP2(23,085kW)和泵P1-P4(1880kW)所需功率之和减去进料膨胀器E1回收的功率(130kW)。
实施例4
通过计算机使用AspenPlus(版本7.2)对图14描绘的流程图建模。该模型使用和比较实施例2相同的蒸气-液体平衡数据。对于关键流的热量和质量平衡数据提供于图21。
根据建模，本发明第二方面的这一实施方案消耗总计18,111kW，表明和比较实施例2相比整体节能6,724kW或约27.1%。这一节约大部分通过减小压缩二氧化碳气体(作为热泵循环的工作流体)所需的功率实现，这是由于减小第二压缩机系统CP2的出口压力。
实施例5
也通过计算机(AspenPlus；版本7.2)对图3描绘的流程图重新建模，使用和比较实施例2相同的蒸气-液体平衡数据。在模型中，吹扫流具有零流量。对于关键流的热量和质量平衡数据提供于图22。
根据建模，本发明的这一实施方案消耗总计15,950kW，表明和比较实施例2相比整体节能8885kW或约35.8%。这一节约大部分通过减小压缩二氧化碳气体(作为热泵循环的工作流体)所需的功率实现，这是由于减小通过压缩机系统的气体流量和减小更低压力(和比较实施例2的单一再循环压力流130相比)再循环流120的压力。
实施例4消耗的总功率(18,111kW)大于实施例5消耗的总功率(15,950kW)。然而，发明人意识到，在一些情况下，单一压缩机系统减小的资金的价值大于随着设备寿命消耗的额外功率的成本。基于此，在一些情况下，相对于包括具有处于不同压力的两个或更多个再循环流的热泵循环的装置，包括单一热泵循环的装置仍存在优势。
尽管已参考附图描绘的优选实施方案描述了本发明，可以理解，在本发明的精神或范围内各种修改是可能的。
在此说明书中，除非清楚地另外指出，否则词语“或”在以下算符的意义上使用：该算符在所述条件任一或两者满足时返回真值，和算符“异或”相对照，后者仅要求条件之一满足。词语“包含”在“包括”的意义上使用，而不是指“由...组成”。上文所有现有教导在此以引用的方式结合到本文。认可任何在先公开的文件在此不视为承认或陈述其教导在其日期之时在澳大利亚或别处属于公知常识。

Claims (44)

1.纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含：
将粗二氧化碳进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
提供二氧化碳富集的液体作为所述蒸馏塔系统的回流；
通过间接热交换，通过至少部分汽化杂质富集的塔底液体和位于或取自所述蒸馏塔系统中间位置的至少一种中间液体使所述蒸馏塔系统再沸，以提供蒸气用于所述蒸馏塔系统；
从所述蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；和
从所述蒸馏塔系统除去杂质富集的塔底液体或衍生自杂质富集的塔底液体的液体，
其中所述方法包含热泵循环，所述热泵循环使用来自所述蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体；和
其中所述中间液体或至少一种所述中间液体通过相对于来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气的所述间接热交换而至少部分汽化，从而至少部分冷凝所述二氧化碳富集的塔顶蒸气。
2.根据权利要求1的方法，其中所述中间液体或至少一种中间液体富集所述挥发性低的杂质或每种挥发性低的杂质。
3.根据权利要求1的方法，其中所述热泵循环包含：
通过间接热交换任选至少部分汽化来自所述蒸馏塔系统的所述含二氧化碳工作流体后，通过间接热交换温热所述含二氧化碳工作流体以产生温热的含二氧化碳气体；
压缩所述温热的含二氧化碳气体以形成压缩的含二氧化碳再循环气体；
通过间接热交换冷却并任选至少部分冷凝所述压缩的含二氧化碳再循环气体以产生冷却的含二氧化碳再循环流体；和
再循环至少一部分所述冷却的含二氧化碳再循环流体至所述蒸馏塔系统，
其中，或者在所述任选的汽化和温热以产生所述温热的含二氧化碳气体之前，或者在所述冷却和任选至少部分冷凝以产生所述冷却的含二氧化碳再循环流体之后，在再循环所述冷却的含二氧化碳再循环流体至所述蒸馏塔系统之前，所述工作流体按需膨胀。
4.根据权利要求3的方法，其中所述压缩的含二氧化碳气体的压力为约15bar至约60bar。
5.根据权利要求3的方法，其中冷却和任选至少部分冷凝所述压缩的含二氧化碳再循环气体所需的至少一部分负荷由至少一个“冷”过程流提供。
6.根据权利要求5的方法，其中所述“冷”过程流是来自所述蒸馏塔系统的中间液体。
7.根据权利要求3的方法，其中所述含二氧化碳工作流体是来自所述蒸馏塔系统的所述二氧化碳富集的塔顶蒸气。
8.根据权利要求7的方法，其中在所述压缩后，当通过所述间接热交换冷却时，所述工作流体至少部分冷凝，以产生至少部分冷凝的二氧化碳富集的再循环流体，用于在膨胀后作为所述回流再循环至所述蒸馏塔系统。
9.根据权利要求1的方法，其中所述工作流体是二氧化碳富集的塔顶蒸气，所述热泵循环包含：
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来提供汽化所述中间液体所需的至少一部分再沸负荷，从而冷却和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蒸馏塔系统提供所述回流。
10.根据权利要求3的方法，其中所述含二氧化碳工作流体是来自所述蒸馏塔系统的所述中间液体。
11.根据权利要求10的方法，其中所述冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气是向所述蒸馏塔系统提供所述回流的所述二氧化碳富集的液体。
12.根据权利要求10的方法，其中在所述汽化和温热以产生中间气体用于所述压缩之前，所述工作流体膨胀。
13.根据权利要求10的方法，其中汽化所述中间液体所需的至少一部分负荷由所述二氧化碳富集的塔顶蒸气提供。
14.根据权利要求1的方法，其中所述工作流体是来自所述蒸馏塔系统的中间液体，所述热泵循环包含：
膨胀所述中间液体以产生膨胀的中间液体；
通过相对于所述二氧化碳富集的塔顶蒸气的间接热交换来汽化所述膨胀的中间液体以产生中间气体和冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气；
压缩所述中间气体以产生压缩的中间再循环气体；
通过间接热交换冷却所述压缩的中间再循环气体以产生冷却的中间再循环气体；和
将所述冷却的中间再循环气体进料至所述蒸馏塔系统，其中所述冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气至少部分用作向所述蒸馏塔系统提供所述回流的所述二氧化碳富集的液体。
15.根据权利要求14的方法，其中通过间接热交换温热所述中间气体以产生温热的中间气体，然后压缩。
16.根据权利要求1的方法，其中将一部分所述工作流体从所述方法吹扫。
17.根据权利要求1的方法，其中所述蒸馏塔系统的所述回流通过来自所述热泵循环的至少一个冷凝的再循环流体在合适的减压后提供。
18.根据权利要求1的方法，其中冷却和至少部分冷凝来自所述热泵循环的至少一个再循环流体所需的制冷负荷通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供。
19.根据权利要求1的方法，其中所述粗二氧化碳是衍生自二氧化碳的天然来源的粗二氧化碳流体且在进料至所述蒸馏塔系统之前膨胀。
20.根据权利要求19的方法，其中，在所述膨胀之前，所述粗二氧化碳流体处于超临界压力和亚临界温度。
21.根据权利要求19的方法，其中所述粗二氧化碳流体在膨胀之前通过间接热交换冷却。
22.根据权利要求21的方法，其中冷却所述粗二氧化碳流体所需的至少一部分负荷通过相对于至少一个“冷”过程流的间接热交换提供。
23.根据权利要求19的方法，其中所述膨胀的粗二氧化碳用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
24.根据权利要求19的方法，其中将所述膨胀的粗二氧化碳流体直接进料至所述蒸馏塔系统。
25.根据权利要求1的方法，其中所述粗二氧化碳衍生自超临界粗二氧化碳流体且二氧化碳富集的液体作为产物产生。
26.根据权利要求25的方法，其中从所述蒸馏塔系统除去所述二氧化碳富集的液体，经泵送并通过间接热交换温热以产生温热的二氧化碳富集的液体作为所述产物。
27.根据权利要求26的方法，其中温热所述泵送的二氧化碳富集的液体所需的至少一部分负荷通过相对于来自所述热泵循环的再循环流体的间接热交换提供。
28.根据权利要求26的方法，其中所述泵送的二氧化碳富集的液体用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
29.根据权利要求1的方法，其中所述粗二氧化碳衍生自粗二氧化碳蒸气且二氧化碳富集的气体作为产物产生。
30.根据权利要求29的方法，其中通过间接热交换温热一部分所述二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生所述二氧化碳富集的气体。
31.根据权利要求30的方法，其中温热所述二氧化碳富集的塔顶蒸气所需的至少一部分负荷通过相对于来自所述热泵循环的所述再循环流体的间接热交换提供。
32.根据权利要求30的方法，其中所述二氧化碳富集的塔顶蒸气用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
33.根据权利要求1的方法，其中所述杂质富集的塔底液体或所述衍生自杂质富集的塔底液体的液体经泵送并通过间接热交换温热以提供富含杂质的废液。
34.根据权利要求33的方法，其中温热所述泵送的杂质富集的塔底液体所需的至少一部分负荷通过相对于来自所述热泵循环的所述再循环流体的间接热交换提供。
35.根据权利要求33的方法，其中所述杂质富集的塔底液体或所述衍生自杂质富集的塔底液体的液体用作“冷”过程流以提供所述方法的制冷负荷。
36.根据权利要求1的方法，其中所述蒸馏塔系统的运行压力为约10bar至约25bar。
37.根据权利要求1的方法，其中所述至少一种杂质为硫化氢(H2S)。
38.根据权利要求1的方法，其中所述方法是自制冷的。
39.根据权利要求1的方法，其中所述热泵循环具有单一再循环压力。
40.进行权利要求9的方法的设备，所述设备包含：
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
和所述蒸馏塔系统流体流动连通的第一换热器装置，用于通过间接热交换温热至少一部分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；
和所述第一换热器装置流体流动连通的压缩机系统，用于压缩所述温热的二氧化碳富集的气体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的再循环气体；
和所述压缩机系统流体流动连通的第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝至少一部分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和蒸气用于蒸馏塔系统；
和所述第二换热器装置流体流动连通的第一膨胀装置，用于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；
导管装置，用于将膨胀的二氧化碳富集的液体作为回流进料至所述蒸馏塔系统；和
第三换热器装置，用于通过间接热交换再沸所述杂质富集的塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统。
41.进行权利要求14的方法的设备，所述设备包含：
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
和所述蒸馏塔系统流体流动连通的第一膨胀装置，用于膨胀来自所述蒸馏塔系统的中间液体以产生膨胀的中间液体；
和所述第一膨胀装置流体流动连通的第一换热器装置，用于通过相对于二氧化碳富集的塔顶蒸气的间接热交换来汽化至少一部分所述膨胀的中间液体，所述二氧化碳富集的塔顶蒸气位于或取自所述蒸馏塔系统，以产生膨胀的中间气体和冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气；
和所述第一蒸馏塔系统流体流动连通的压缩机系统，用于压缩所述膨胀的中间气体以产生压缩的中间再循环气体；
和所述压缩机系统流体流动连通的第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却所述压缩的中间再循环气体以产生冷却的中间再循环气体；和
导管装置，用于将所述冷却的中间再循环气体进料至所述蒸馏塔系统作为补充进料。
42.根据权利要求41的设备，其中所述第一换热器装置位于所述蒸馏塔系统之外，所述设备包含：
导管装置，用于将来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气进料至所述第一换热器装置；和
导管系统，用于将来自所述第一换热器装置的冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气作为回流进料至所述蒸馏塔系统。
43.根据权利要求42的设备，所述设备包含和所述第一换热器装置流体流动连通的另一个换热器装置，用于在所述压缩之前通过间接热交换温热所述膨胀的中间气体。
44.根据权利要求40-43任意一项的设备，其中所述换热器装置为单一主换热器内部的通道。
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