CN117287925A - 液态二氧化碳的制备系统及液态二氧化碳的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液态二氧化碳的制备系统及液态二氧化碳的制备方法。液态二氧化碳的制备系统包括干燥设备、压缩机、换热设备、制冷剂处理设备、冷凝器、精馏塔、分离设备和液碳储罐。换热设备包括相互独立并能够热交换的第一冷量通道、第二冷量通道、第一介质通道、第二介质通道、第三介质通道以及气体通道；制冷剂处理设备设置于压缩机的下游；冷凝器与第一介质通道连通，以接收气体制冷剂并冷凝处理；精馏塔设置于气体通道的下游，以接收粗合成气并进行精馏而分别得到混合气和液态二氧化碳；精馏塔还与第三介质通道的入口连通，以输送液态二氧化碳；液碳储罐设置于第三介质通道的出口，以接收降温后的液态二氧化碳并储存。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳制备技术领域，特别涉及一种液态二氧化碳的制备系统及液态二氧化碳的制备方法。
背景技术
以煤为原料生产甲醇或合成氨这些化学品时，得到的粗合成气中含有大量的CO2，在这些化学品的生产过程中往往需要将粗合成气中的CO2脱除，即脱碳操作。现有甲醇厂采用物理吸收法的低温甲醇洗或者化学吸收法的醇胺法或者变压吸附(PSA)法脱除CO2，采用低温甲醇洗法以冰机制冷系统的液氨提供低温冷量，使甲醇溶液在低温下对合成气中二氧化碳进行溶解吸收，之后再通过高温将CO2从甲醇溶液中解析出来使甲醇溶液热再生，工艺复杂，生产运行成本及能耗较高，不利于节能降耗。如采用溶剂吸收法之一的MDEA法脱除二氧化碳，它是以可逆的化学反应为基础，以碱性溶剂为吸收剂的脱酸气方法，溶剂与原料气中的酸组分(主要是H2S和CO2)反应而生成化合物；吸收了酸气的富液在升高温度、降低压力的条件下又能分解而放出酸气，从而实现溶剂的再生利用，该方法不但消耗大量蒸汽，而且溶剂具有一定的腐蚀性。无论采用哪种方法，都是将合成气中的二氧化碳脱除后成为解析气体，CO2解析出来之后为气体，将合成气中的二氧化碳由高压变为低压，还需继续加压净化、液化才能生产出液态二氧化碳。
但是，上述低温甲醇洗、醇胺法等装置对粗合成气进行脱碳的过程复杂，且CO2并没有作为资源被利用，从而导致成本及能耗较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本较低的液态二氧化碳的制备系统及液态二氧化碳的制备方法，以解决现有技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种液态二氧化碳的制备系统，包括：
干燥设备，其用于接收并干燥粗合成气；
压缩机，其用于压缩混合制冷剂而提供带有压力的混合制冷剂；
换热设备，其包括相互独立并能够热交换的第一冷量通道、第二冷量通道、第一介质通道、第二介质通道、第三介质通道以及气体通道；所述气体通道设置于所述干燥设备的下游，以接收所述粗合成气；所述第二介质通道的出口与所述第一冷量通道连通；
制冷剂处理设备，其设置于所述压缩机的下游，接收所述混合制冷剂并进行冷却以及分离处理，分别得到气体制冷剂和液体制冷剂；所述制冷剂处理设备还与所述第一介质通道连通，以提供所述气体制冷剂，所述制冷剂处理设备还与所述第二介质通道连通，以提供所述液体制冷剂；
冷凝器，其与所述第一介质通道连通，以接收所述气体制冷剂并交换冷量；所述冷凝器还与所述第一冷量通道连通以提供冷凝后的气体制冷剂；
精馏塔，其设置于所述气体通道的下游，以接收所述粗合成气并进行精馏而分别得到混合气和液态二氧化碳；所述精馏塔与所述冷凝器连通而将所述混合气输送至所述冷凝器内冷凝而得到气液混合物；所述精馏塔还与所述第三介质通道的入口连通，以输送所述液态二氧化碳；
分离设备，其设置于所述冷凝器的下游，以接收并分离所述气液混合物而得到分离气和分离液；所述分离设备还与所述第二冷量通道连通，以提供所述分离气而提供冷量；
液碳储罐，其设置于所述第三介质通道的出口，以接收降温后的液态二氧化碳并储存。
在其中一实施方式中，所述分离设备的底部还与所述精馏塔的顶部连通，以将所述分离液输送至所述精馏塔内再次精馏。
在其中一实施方式中，所述换热设备包括热段和冷段；
所述第一冷量通道、所述第二冷量通道、所述第一介质通道和所述气体通道同时设置于所述热段和所述冷段内；
所述第二介质通道和所述第三介质通道设置于所述热段内。
在其中一实施方式中，所述热段内还设有第四介质通道，所述第四介质通道的入口与所述压缩机连通，所述第一介质通道的出口与所述制冷剂处理设备连通。
在其中一实施方式中，所述制冷剂处理设备包括再沸器和分离器；
所述再沸器设置于所述精馏塔内的底部，所述再沸器的入口与所述第四介质通道的出口连通；
所述分离器与所述再沸器的出口连接，所述分离器分离出所述气体制冷剂和所述液体制冷剂。
在其中一实施方式中，所述第一介质通道的出口与所述冷凝器之间还设有第一减压阀；
所述第二介质通道的出口与所述第一冷量通道之间还设有第二减压阀；
所述第三介质通道的出口与所述液碳储罐之间还设有第三减压阀。
在其中一实施方式中，所述混合制冷剂包括异戊烷、丙烯、乙烯、甲烷和异丁烷中的至少两种；
所述压缩机采用离心式、螺杆式或往复式。
在其中一实施方式中，所述换热设备采用铝制板翅式；
所述精馏塔采用归整填料塔、筛板塔或浮阀塔。
在其中一实施方式中，所述粗合成气经所述干燥设备干燥后，其中的水分小于等于1ppm；
所述气体通道与所述精馏塔的中部连接。
本发明还提供一种液态二氧化碳的制备方法，包括以下步骤：
压缩混合制冷剂得到带有压力的混合制冷剂，并对所述混合制冷剂进行冷却以及气液分离处理，而分别得到气体制冷剂和液体制冷剂气体；
对所述气体制冷剂进行冷却处理，并将冷却处理后的气体制冷剂输送至换热设备的冷量通道；对所述液体制冷剂进行冷却处理后输送至上述冷量通道；
干燥粗合成气，并将干燥后的粗合成气输送至换热设备的气体通道内，与所述冷量通道内的气体制冷剂进行热交换；
将吸收冷量后的粗合成气进行精馏处理而分别得到混合气和液态二氧化碳；
所述混合气经冷凝分离后进入所述换热设备回收冷量，所述液态二氧化碳进入所述换热设备吸收冷量降低温度并经减压后输送至液碳储罐进行储存。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
本发明摈弃了传统的先以物理吸收或化学吸收法脱除合成气中二氧化碳再将脱除的二氧化碳加压液化提纯的方法，改为通过混合制冷剂进入换热设备提供冷量，粗合成气吸收换热设备中混合制冷剂提供的冷量并通过精馏而分离得到液态二氧化碳，即以一部法在深冷状态下分离并液化生产二氧化碳，设备投资小、能耗低。
附图说明
图1是本发明中液态二氧化碳的制备系统的示意图。
附图标记说明如下：
1、干燥设备；2、压缩机；3、换热设备；4、热段；5、冷段；6、再沸器；7、分离器；8、冷凝器；9、精馏塔；10、分离设备；11、液碳储罐；12、第一减压阀；13、第二减压阀；14、第三减压阀。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
本发明提供一种液态二氧化碳的制备系统，其以一步法在深冷状态下分离并液化得到液态二氧化碳，成本较低，且能耗低。
参阅图1，该液态二氧化碳的制备系统包括干燥设备1、压缩机2、换热设备3、制冷剂处理设备、冷凝器8、精馏塔9、分离设备10和液碳储罐11。
具体地，干燥设备1用于接收并干燥粗合成气。其中，粗合成气主要包括氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。粗合成气可以为生物质气化后的产物，也可以是煤或焦炭等固体燃料气化产生的产物。具体可以依据实际需要而选择。
经干燥设备1干燥后的粗合成气中，水分的含量小于等于1ppm。
压缩机2用于压缩混合制冷剂而提供带有压力的混合制冷剂。本实施例中，压缩机2采用离心式、螺杆式或往复式。
混合制冷剂包括异戊烷、丙烯、乙烯、甲烷和异丁烷中的至少两种。示例性的，混合制冷剂包括异戊烷、丙烯、乙烯和甲烷，或者，混合制冷剂包括异丁烷、乙烯和甲烷。本实施例中，以容积百分比计，混合制冷剂包括13％的甲烷、37％的乙烯、38％的丙烯和12％的异戊烷。混合制冷剂的具体组成依据粗合成气中的成分而选择。
本申请中采用混合制冷剂，能够满足较大温度的降温需求，且只用一台压缩机2即可，使得整个系统的流程简单，能耗低。本实施例中，温度需从室温降低至-90℃～-110℃。
换热设备3包括相互独立并能够热交换的第一冷量通道、第二冷量通道、第一介质通道、第二介质通道、第三介质通道以及气体通道。
第一冷量通道的出口与压缩机2连通，即提供冷量后升温的物质重新进入压缩机2进行压缩并冷却。
具体地，换热设备3采用铝制板翅式。
换热设备3包括热段4和冷段5。第一冷量通道、第二冷量通道、第一介质通道和气体通道同时设置于热段4和冷段5内。第二介质通道和第三介质通道设置于热段4内。
其中，第一冷量通道以及第二冷量通道内的物质提供冷量，第一介质通道、第二介质通道、第三介质通道以及气体通道内的物质吸收冷量。
第一冷量通道和第二冷量通道内的物质均由冷段5向热段4方向流动，即第一冷量通道和第二冷量通道的入口位于冷段5处，出口位于热段4处。
第一介质通道、第二介质通道、第三介质通道和气体通道中的物质均由热段4向冷段5方向流动。
气体通道设置于干燥设备1的下游，以接收粗合成气。即，粗合成气经干燥后进入换热设备3的气体通道内，并进行热交换吸收冷量。
较佳地，换热设备3的热段4内还设有第四介质通道。第四介质通道的入口与压缩机2连通，第四介质通道的出口与制冷剂处理设备连通。即经压缩机2压缩后带有压力的混合制冷剂进入换热设备3内进行吸收冷量，以降低温度。
制冷剂处理设备设置于压缩机2的下游，接收混合制冷剂并进行冷却以及分离处理，分别得到气体制冷剂和液体制冷剂。
具体地，制冷剂处理设备包括再沸器6和分离器7。其中，再沸器6设置于精馏塔9内的底部，再沸器6的入口与压缩机2连通接收混合制冷剂，并冷却混合制冷剂。具体地，再沸器6的入口与第四介质通道的出口连通，即再沸器6通过第四介质通道实现与压缩机2之间的连通。
分离器7与再沸器6的出口连接，且分离器7位于精馏塔9外。分离器7用于分离气体和液体而分别得到气体制冷剂和液体制冷剂。具体地，气体制冷剂由分离器7的顶部输出，液体制冷剂由分离器7的底部输出。
分离器7的顶部与第一介质通道连通，即制冷剂处理设备还与第一介质通道连通，以提供气体制冷剂。分离器7的底部与第二介质通道连通，即制冷剂处理设备还与第二介质通道连通，以提供液体制冷剂。
冷凝器8与第一介质通道连通，以接收气体制冷剂并交换冷量；冷凝器8还与第一冷量通道连通以提供冷凝后的气体制冷剂。
具体地，冷凝器8包括相互独立的第一通道和第二通道。第一通道和第二通道能够进行热交换。
第一通道的入口与第一介质通道连通，第一通道的出口与第一冷量通道连通。即气体制冷剂进入冷凝器8中经交换冷量后进入换热设备3的第一冷量通道内，以提供冷量。
进一步地，冷凝器8与第一介质通道之间设有第一减压阀12，以减压降温。
即由分离器7分离出的气体制冷剂先进入第一介质通道吸收冷量，再经第一减压阀12减压降温，然后进入第一通道内提供冷量。
第二介质通道的出口与第一冷量通道连通。且第二介质通道出口与第一冷量通道之间设有第二减压阀13。即，液体制冷剂由第二介质通道出口经减压降温后汇入第一冷量通道内并提供冷量。
第一冷量通道的出口与压缩机2连通，而使吸热后的混合制冷剂重新进入压缩机2内。
精馏塔9设置于气体通道的下游，以接收粗合成气并进行精馏，分别得到混合气和液态二氧化碳。
具体地，气体通道与精馏塔9的中部连接。此处所指的中部是指精馏塔9高度方向的中部，并不特指精馏塔9高度方向上的正中心位置，而是指在包括精馏塔9高度方向正中心位置在内的一定范围的区域，不包括精馏塔9的顶部和底部。
在换热设备3内吸收冷量后的粗合成气进入精馏塔9中，并进行精馏而分别得到混合气和液态二氧化碳。精馏塔9用于从粗合成气中分离出液态二氧化碳。其中，分离后得到的混合气位于上部，液态二氧化碳位于下部。具体地，混合气包括氢气、一氧化碳和少量二氧化碳。
位于下部的液态二氧化碳为位于精馏塔9底部的再沸器6提供冷量。
本实施例中，精馏塔9采用归整填料塔、筛板塔或浮阀塔。
精馏塔9与冷凝器8连通而将混合气输送至冷凝器8内冷凝而得到气液混合物。具体地，精馏塔9顶部与冷凝器8的第二通道相通，即混合气进入冷凝器8的第二通道并吸收第一通道内的物质的冷量。
精馏塔9还与第三介质通道的入口连通，以输送液态二氧化碳。具体地，精馏塔9的底部与第三介质通道的入口连通。即液态二氧化碳进入第三介质通道内，吸收冷量，使其温度下降。
液碳储罐11与第三介质通道的出口连通，以接收降温后的液态二氧化碳。本实施例中，液态二氧化碳的温度降低至-18℃～-20℃，该温度范围为液态二氧化碳的储存温度。
进一步地，第三介质通道的出口与液碳储罐11之间还设有第三减压阀14，即经第三减压阀14减压后输送至液碳储罐11内进行储存。
分离设备10设置于冷凝器8的下游，以接收并分离气液混合物而得到分离气和分离液。
分离设备10还与第二冷量通道连通，以提供分离气而回收冷量。即混合气通过冷凝和分离后得到带有冷量的分离气，该分离气回流至换热设备3内并提供冷量。
分离设备10的底部还与精馏塔9的顶部连通，以将分离液输送至精馏塔9内再次精馏。
本实施例中的液态二氧化碳的制备系统的工作原理如下：
混合制冷剂的流向：先经压缩机2压缩冷却，接着进入第四介质通道继续冷却，再进入精馏塔9内的再沸器6，并通过精馏塔9内的液态二氧化碳继续冷却而得到气态和液态混合的制冷剂，然后进入分离器7内经气液分离而得到气体制冷剂和液体制冷剂。气体制冷剂进入第一介质通道内继续冷却，接着经第一减压阀12减压降温后进入冷凝器8的第一通道内，向第二通道提供冷量后转化为气态和液态的混合物即气液混合体，气液混合体进入第一冷量通道而提供冷量，最后回至压缩机2内。液体制冷剂依次进入第二介质通道和第一冷量通道，最后回至压缩机2内。上述过程形成循环。
粗合成气的流向：先进入干燥设备1进行干燥，接着进入换热设备3的气体通道内吸收冷量而降温，再进入精馏塔9内进行精馏而得到混合气和液态二氧化碳。混合气由精馏塔9顶部进入冷凝器8的第二通道内，吸收冷量而冷却并转变为气液混合物，接着进入分离设备10经气液分离而得到分离气和分离液，分离气进入第二冷量通道而回收冷量，分离液回流至精馏塔9内继续精馏。液态二氧化碳在精馏塔9底部，其先向再沸器6内的混合制冷剂提供冷量，然后进入换热设备3的第三介质通道吸收冷量，接着减压降温后进入液碳储罐11保存。
其中，第二冷量通道出口所输出的混合物中包括氢气和一氧化碳，其能够为后续的合成提供原料，例如甲醇的合成。
本实施例中的液态二氧化碳的制备系统通过压缩、冷却、分离、冷凝处理混合制冷剂而使其进入换热设备3提供冷量，粗合成气吸收换热设备3中的冷量并通过精馏而分离得到液态二氧化碳，液态二氧化碳再经减压降温后储存至液碳储罐11内。整个系统的成本较低，且充分利用了冷量，降低了能耗。
本发明还提供一种液态二氧化碳的制备方法，包括以下步骤：
S1、压缩混合制冷剂得到带有压力的混合制冷剂，并对混合制冷剂进行冷却以及气液分离处理，而分别得到气体制冷剂和液体制冷剂气体。
具体地，混合制冷剂经压缩机2压缩，后经再沸器6进行冷却后进入分离器7进行气液分离，然后得到气体制冷剂和液体制冷剂。
S2、对气体制冷剂进行冷却处理，并将冷却处理后的气体制冷剂输送至换热设备3的冷量通道；对液体制冷剂进行冷却处理后输送至上述冷量通道。
具体地，气体制冷剂进入换热设备3的第一介质通道内吸收冷量，然后依次进入冷凝器8和第一冷量通道。
液体制冷剂依次进入第二介质通道和第一冷量通道。
S3、干燥粗合成气，并将干燥后的粗合成气输送至换热设备3的气体通道内，与冷量通道内的气体制冷剂进行热交换。
具体地，粗合成气进入干燥设备1内进行干燥，然后进入换热设备3的气体通道内吸收冷量。
S4、将吸收冷量后的粗合成气进行精馏处理而分别得到混合气和液态二氧化碳。
具体地，气体通道内的粗合成气进入精馏塔9进行精馏，分别得到混合气和液态二氧化碳。
S5、混合气经冷凝分离后进入换热设备3回收冷量，液态二氧化碳进入换热设备3内吸收冷量，并经减压后输送至液碳储罐11进行储存。
具体地，混合气依次进入冷凝器8和分离设备10后进入第二冷量通道内回收冷量。液态二氧化碳经第三介质通道吸收冷量后，再经第三减压阀14减压后进入液碳储罐11。
上述制备方法中，仅包括深冷分离液化，不存在二氧化碳压力低需要再压缩等流程，即通过一步法制得液态二氧化碳。
即，通过混合制冷剂提供冷量，在深冷状态下直接进行粗合成气的脱碳分离并制取液态二氧化碳。以混合制冷剂作为冷凝器8的冷源，使得冷凝器8换热温差小，不可逆损失小，能耗低。采用精馏的方式分离出液态二氧化碳的方式具有流程简单、操作方便的优点。
液态二氧化碳的制备系统能够应用于甲醇的合成中，而为甲醇的合成提供符合甲醇合成要求的合成气。液态二氧化碳的制备系统也能够应用于沼气中制取CNG中的液态二氧化碳的联产。液态二氧化碳的制备系统还可以应用于其他具有合成气的领域中。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，包括：
干燥设备，其用于接收并干燥粗合成气；
压缩机，其用于压缩混合制冷剂而提供带有压力的混合制冷剂；
换热设备，其包括相互独立并能够热交换的第一冷量通道、第二冷量通道、第一介质通道、第二介质通道、第三介质通道以及气体通道；所述气体通道设置于所述干燥设备的下游，以接收所述粗合成气；所述第二介质通道的出口与所述第一冷量通道连通；
制冷剂处理设备，其设置于所述压缩机的下游，接收所述混合制冷剂并进行冷却以及分离处理，分别得到气体制冷剂和液体制冷剂；所述制冷剂处理设备还与所述第一介质通道连通，以提供所述气体制冷剂，所述制冷剂处理设备还与所述第二介质通道连通，以提供所述液体制冷剂；
冷凝器，其与所述第一介质通道连通，以接收所述气体制冷剂并交换冷量；所述冷凝器还与所述第一冷量通道连通以提供冷凝后的气体制冷剂；
精馏塔，其设置于所述气体通道的下游，以接收所述粗合成气并进行精馏而分别得到混合气和液态二氧化碳；所述精馏塔与所述冷凝器连通而将所述混合气输送至所述冷凝器内冷凝而得到气液混合物；所述精馏塔还与所述第三介质通道的入口连通，以输送所述液态二氧化碳；
分离设备，其设置于所述冷凝器的下游，以接收并分离所述气液混合物而得到分离气和分离液；所述分离设备还与所述第二冷量通道连通，以提供所述分离气而提供冷量；
液碳储罐，其设置于所述第三介质通道的出口，以接收降温后的液态二氧化碳并储存。
2.根据权利要求1所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述分离设备的底部还与所述精馏塔的顶部连通，以将所述分离液输送至所述精馏塔内再次精馏。
3.根据权利要求1所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述换热设备包括热段和冷段；
所述第一冷量通道、所述第二冷量通道、所述第一介质通道和所述气体通道同时设置于所述热段和所述冷段内；
所述第二介质通道和所述第三介质通道设置于所述热段内。
4.根据权利要求3所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述热段内还设有第四介质通道，所述第四介质通道的入口与所述压缩机连通，所述第四介质通道的出口与所述制冷剂处理设备连通。
5.根据权利要求4所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述制冷剂处理设备包括再沸器和分离器；
所述再沸器设置于所述精馏塔内的底部，所述再沸器的入口与所述第四介质通道的出口连通；
所述分离器与所述再沸器的出口连接，所述分离器分离出所述气体制冷剂和所述液体制冷剂。
6.根据权利要求1所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述第一介质通道的出口与所述冷凝器之间还设有第一减压阀；
所述第二介质通道的出口与所述第一冷量通道之间还设有第二减压阀；
所述第三介质通道的出口与所述液碳储罐之间还设有第三减压阀。
7.根据权利要求1所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述混合制冷剂包括异戊烷、丙烯、乙烯、甲烷和异丁烷中的至少两种；
所述压缩机采用离心式、螺杆式或往复式。
8.根据权利要求1所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述换热设备采用铝制板翅式；
所述精馏塔采用归整填料塔、筛板塔或浮阀塔。
9.根据权利要求1所述的液态二氧化碳的制备系统，其特征在于，所述粗合成气经所述干燥设备干燥后，其中的水分小于等于1ppm；
所述气体通道与所述精馏塔的中部连接。
10.一种液态二氧化碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
压缩混合制冷剂得到带有压力的混合制冷剂，并对所述混合制冷剂进行冷却以及气液分离处理，而分别得到气体制冷剂和液体制冷剂气体；
对所述气体制冷剂进行冷却处理，并将冷却处理后的气体制冷剂交换热量后输送至换热设备的冷量通道；对所述液体制冷剂进行冷却处理后输送至上述冷量通道；
干燥粗合成气，并将干燥后的粗合成气输送至换热设备的气体通道内，与所述冷量通道内的气体制冷剂进行热交换；
将吸收冷量后的粗合成气进行精馏处理而分别得到混合气和液态二氧化碳；
所述混合气经冷凝分离后进入所述换热设备回收冷量，所述液态二氧化碳进入所述换热设备吸收冷量降低温度并经减压后输送至液碳储罐进行储存。
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