RU2167814C2

RU2167814C2 - Method of further purification of carbon dioxide from low-boiling impurities

Info

Publication number: RU2167814C2
Application number: RU99119053/12A
Authority: RU
Inventors: В.Э. Мельников; Л.А. Акулов
Original assignee: ЗАО "Центр ВМ-Технологий"
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: method comprises compression of original mixture in compressor followed by cooling in water cooler and heat exchange, liquefier drying in adsorption unit, condensation followed by additional purification in rectification column. After drying, some original mixture is directed to rectification column coil pipe, and after mixture is cooled in coil pipe, it is condensed with remaining portion of original mixture and, prior to directing mixture to rectification column for additional purification to it is directed to super cooler in which, in order to overcool main portion of liquid stream, some condensed original mixture throttled to pressure of 0.7-0.8 MPa is used. This invention makes it possible not to use heat of external preheater and CO₂ stream fed upwards column consists only of one liquid phase. EFFECT: more efficient purification method. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения чистой двуокиси углерода и может быть использовано в пищевой промышленности, в машиностроении и в других отраслях промышленности. The invention relates to techniques for producing pure carbon dioxide and can be used in the food industry, in mechanical engineering and in other industries.

Известен способ получения CO₂ из природного газа, богатого CO₂ [1], включающий в себя охлаждение, частичную конденсацию исходной смеси и последующую ректификацию, при которой от смеси отгоняются легкокипящие компоненты, с получением в кубе колонны целевого продукта в виде жидкой CO₂.A known method of producing CO ₂ from natural gas rich in CO ₂ [1], including cooling, partial condensation of the initial mixture and subsequent distillation, in which low-boiling components are distilled off from the mixture, to obtain the desired product in the cube column as liquid CO ₂ .

Однако концентрация получаемой жидкой CO₂ при реализации данного способа не превышает 98,5% CO₂ (объем). Кроме того, в змеевик ректификационной колонны подается весь поток разделяемой смеси, что приводит к необходимости увеличения теплопередающей поверхности змеевика и, как следствие, габаритных размеров ректификационной колонны.However, the concentration of the obtained liquid CO ₂ during the implementation of this method does not exceed 98.5% CO ₂ (volume). In addition, the entire stream of the mixture to be separated is fed into the coil of the distillation column, which makes it necessary to increase the heat transfer surface of the coil and, as a result, the overall dimensions of the distillation column.

Этих недостатков в значительной степени лишен способ извлечения CO₂, предложенный в [2]. Согласно этому способу исходная смесь, содержащая наряду с CO₂ примеси N₂ или CH₄, компремируется, охлаждается, конденсируется, а отделившиеся в испарителе пары смеси, после подогрева в нагревателе, поступают в отпарную колонну, где от них отделяются низкокипящие примеси и в результате получается целевой продукт в виде жидкой CO₂.These shortcomings are largely devoid of the method of extraction of CO ₂ proposed in [2]. According to this method, the initial mixture, containing along with CO ₂ impurities N ₂ or CH ₄ , is compressed, cooled, condensed, and the mixture vapors separated in the evaporator, after heating in the heater, enter the stripping column, where low-boiling impurities are separated from them and as a result the target product is obtained in the form of liquid CO ₂ .

Однако недостатком данного способа является то, что подогрев парового потока, поступающего на разделение в отпарную колонну, производится за счет внешнего источника теплоты, а поток жидкой CO₂, подаваемой на орошение колонны, поступает в жидкостной насос в состоянии насыщенной жидкости, что может привести к срыву потока и образованию в насосе парожидкостной смеси в результате нагрева перекачиваемой жидкости за счет внешнего теплопритока и теплоты трения. В итоге это приводит к уменьшению потока жидкости, подаваемой на верх колонны, и соответственно ухудшению процесса ректификации в колонне. Кроме того, в данном способе не решается задача осушки смеси, содержащей CO₂ и подаваемой на разделение в ректификационную колонну.However, the disadvantage of this method is that the steam stream supplied to the separation in the stripping column is heated by an external heat source, and the liquid CO ₂ stream supplied to the column irrigation enters the liquid pump in a saturated liquid state, which can lead to the stall of the flow and the formation in the pump of a vapor-liquid mixture as a result of heating the pumped liquid due to external heat influx and friction heat. In the end, this leads to a decrease in the flow of liquid supplied to the top of the column, and accordingly, the deterioration of the rectification process in the column. In addition, this method does not solve the problem of drying the mixture containing CO ₂ and fed to the separation in a distillation column.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработать способ доочистки CO₂ от низкокипящих примесей, в котором, по сравнению с прототипом, для подогрева газообразной CO₂ не используется теплота внешнего подогревателя, а поток CO₂, подаваемой наверх колонны, состоит только из одной жидкой фазы.The problem to which the claimed invention is directed is to develop a method for the purification of CO ₂ from low-boiling impurities, in which, in comparison with the prototype, the heat of an external heater is not used to heat the gaseous CO ₂ , and the flow of CO ₂ supplied to the top of the column consists only of one liquid phase.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого способа, заключается в подаче части очищаемой CO₂ в змеевик ректификационной колонны после блока адсорбционной осушки; в применении для переохлаждения жидкой исходной смеси в переохладителе части исходной смеси, сдросселированной до давления, равного 0,7-0,8 МПа, и после ее испарения повторно сдросселированной до давления, близкого к атмосферному;: в подогреве части исходной смеси за счет охлаждения части очищаемой CO₂, отбираемой после сжатия в компрессоре.The technical result that can be obtained using the proposed method is to supply part of the CO ₂ to be purified to the distillation column coil after the adsorption drying unit; as a part of the initial mixture, throttled to a pressure equal to 0.7-0.8 MPa, and after evaporation, re-throttled to a pressure close to atmospheric; for heating part of the initial mixture by cooling part purified CO ₂ taken after compression in the compressor.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе доочистки двуокиси углерода от низкокипящих примесей, включающем сжатие исходной смеси в компрессоре, последовательное охлаждение в водяном холодильнике и теплообменнике-ожижителе, осушку, конденсацию и последующую доочистку в ректификационной колонне, согласно изобретению, часть исходной смеси после осушки в адсорбционном блоке направляют в змеевик ректификационной колонны, а после охлаждения в змеевике конденсируют вместе с остальной частью исходной смеси и перед подачей на доочистку в ректификационную колонну направляют в переохладитель, в котором для переохлаждения основной части жидкого потока используют часть сконденсированной исходной смеси, сдросселированной до давления, равного 0,7-0,8 МПа. The specified technical result is achieved by the fact that in the method of purification of carbon dioxide from low-boiling impurities, including compression of the initial mixture in the compressor, sequential cooling in a water cooler and heat exchanger liquefier, drying, condensation and subsequent post-treatment in a distillation column according to the invention, a part of the initial mixture after drying in the adsorption unit is sent to the coil of the distillation column, and after cooling in the coil, they are condensed together with the rest of the initial mixture and before whose final purification on a distillation column fed to subcooler, wherein the supercooling the main part of the liquid stream used portion of the condensed feed mixture, throttled to a pressure of 0.7-0.8 MPa.

Для достижения данного технического результата выходящий из переохладителя сдросселированный поток вторично дросселируют, подают на охлаждение части потока сжатой в компрессоре исходной смеси, а затем направляют на всасывание в компрессор. To achieve this technical result, the throttled stream exiting the supercooler is throttled a second time, part of the stream compressed in the compressor is fed to the cooling mixture to be cooled, and then sent to the compressor for suction.

Достижению указанного технического результата способствует то, что в змеевик ректификационной колонны направляют часть потока исходной смеси, который после осушки дополнительно подогревают в теплообменнике-подогревателе, охлаждая часть потока сжатой в компрессоре исходной смеси. The achievement of the specified technical result is facilitated by the fact that part of the stream of the initial mixture is directed into the coil of the distillation column, which, after drying, is additionally heated in the heat exchanger-heater, cooling part of the stream compressed in the compressor of the initial mixture.

Подача части потока исходной смеси в змеевик ректификационной колонны, отбираемой после блока адсорбционной осушки при положительной температуре, исключает необходимость установки дополнительного внешнего подогревателя для подогрева смеси перед ее подачей в змеевик. При установке дополнительного теплообменника-подогревателя на потоке исходной смеси, подаваемой в змеевик колонны, в котором она дополнительно подогревается за счет охлаждения части сжатого в компрессоре потока смеси, обеспечивается снижение величины потока, направляемого в змеевик, и, как следствие, уменьшение размеров змеевика и колонны в целом. Применение незначительной части жидкой исходной смеси, сдросселированной до давления, равного 0,7-0,8 МПа, которое исключает возможность получения твердой фазы CO₂ после дросселирования, с целью переохлаждения основной части жидкого потока перед его поступлением в насос позволяет обеспечить надежную работу жидкостного насоса и исключает частичное парообразование в потоке жидкости, подаваемой на верх ректификационной колонны. Наличие в этом потоке только жидкой фазы улучшает процесс ректификации в колонне.The supply of a part of the initial mixture flow to the coil of the distillation column, taken after the adsorption drying unit at a positive temperature, eliminates the need to install an additional external heater for heating the mixture before it is fed to the coil. When installing an additional heat exchanger-heater on the flow of the initial mixture supplied to the coil of the column, in which it is additionally heated by cooling part of the mixture flow compressed in the compressor, the flow to the coil is reduced, and, as a result, the size of the coil and the column is reduced generally. The use of an insignificant part of the liquid feed mixture throttled to a pressure of 0.7-0.8 MPa, which eliminates the possibility of obtaining a solid phase of CO ₂ after throttling, in order to supercool the main part of the liquid flow before it enters the pump, ensures reliable operation of the liquid pump and eliminates partial vaporization in the fluid stream supplied to the top of the distillation column. The presence of only a liquid phase in this stream improves the rectification process in the column.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки для осуществления данного способа. Установка доочистки двуокиси углерода от низкокипящих примесей содержит компрессор 1, концевой холодильник 2, влагоотделители 3 и 5, теплообменник-ожижитель 4, адсорбционный блок осушки и очистки 6, конденсатор 7, ректификационную колонну 8 со змеевиком 9, жидкостной насос 10, переохладитель 11, промежуточную емкость жидкой CO₂ 12, емкость высокочистой продукционной CO₂ 13, дроссельные вентили 14 и 15, запорные вентили 16-21, 23-25 и концевой охладитель 22.In FIG. 1 shows a schematic diagram of an installation for implementing this method. Installation of post-treatment of carbon dioxide from low-boiling impurities contains a compressor 1, an end cooler 2, moisture separators 3 and 5, a heat exchanger fluidizer 4, an adsorption drying and purification unit 6, a condenser 7, a distillation column 8 with a coil 9, a liquid pump 10, a subcooler 11, an intermediate liquid CO ₂ 12 capacity, high-purity production CO ₂ 13 capacity, throttle valves 14 and 15, shut-off valves 16-21, 23-25 and end cooler 22.

Способ осуществляется следующим образом. Исходная смесь, содержащая до 98% CO₂ (объем), примеси H₂, N₂, CH₄, CO, Ar и пары H₂O, сжимается в компрессоре 1 до P=1,5-1,7 МПа и после компрессора направляется на охлаждение в аппараты 2 и 22. В концевом холодильнике 2 основной поток исходной смеси охлаждается водой, а в концевом охладителе 22 оставшаяся часть исходной смеси - газообразной CO₂, проходящей через него под давлением, несколько выше атмосферного.The method is as follows. The initial mixture containing up to 98% CO ₂ (volume), impurities H ₂ , N ₂ , CH ₄ , CO, Ar and H ₂ O vapor, is compressed in compressor 1 to P = 1.5-1.7 MPa and after the compressor is sent for cooling to apparatuses 2 and 22. In the terminal cooler 2, the main stream of the initial mixture is cooled by water, and in the terminal cooler 22, the remaining part of the initial mixture — gaseous CO ₂ passing through it under pressure, is slightly higher than atmospheric.

После охлаждения в концевом холодильнике 2 основной поток исходной смеси поступает во влагоотделитель 3, где отделяется сконденсированная влага. Последующее охлаждение этого потока осуществляется в теплообменнике-ожижителе 4, в котором при понижении температуры исходной смеси до 276-278К конденсируется часть водяных паров. До такой же температуры охлаждается и вторая часть исходной смеси в концевом охладителе 22. Затем оба потока исходной смеси смешиваются и выделившаяся при охлаждении капельная влага отделяется во влагоотделителе 5. Окончательная осушка исходной смеси осуществляется в адсорбционном блоке 6. Каждый из адсорберов блока 6 имеет двойную шихту адсорбентов, с помощью которых происходит осушка исходной смеси и ее очистка от высококипящих примесей. Далее поток исходной смеси поступает в конденсатор 7, в котором за счет кипения холодильного агента осуществляется конденсация исходной смеси при температуре 242-244 К. Несконденсированные газы, собирающиеся в верхней части конденсатора, периодически сдуваются путем открытия вентиля 25. After cooling in the terminal cooler 2, the main stream of the initial mixture enters the moisture separator 3, where condensed moisture is separated. Subsequent cooling of this stream is carried out in heat exchanger-liquefier 4, in which part of the water vapor condenses when the temperature of the initial mixture decreases to 276-278 K. The second part of the initial mixture in the end cooler 22 is cooled to the same temperature. Then both streams of the initial mixture are mixed and the droplet moisture released during cooling is separated in the moisture separator 5. The final drying of the initial mixture is carried out in the adsorption unit 6. Each of the adsorbers in unit 6 has a double charge adsorbents, with the help of which the initial mixture is dried and purified from high-boiling impurities. Next, the stream of the initial mixture enters the condenser 7, in which, due to the boiling of the refrigerant, the initial mixture is condensed at a temperature of 242-244 K. Non-condensed gases collected in the upper part of the condenser are periodically blown off by opening valve 25.

Часть потока исходной смеси отбирается по выходу из адсорбционного блока 6 и поступает в змеевик 9, расположенный в кубовой части ректификационной колонны 8. При охлаждении этого потока в змеевике 9 отводимая от него теплота подводится к кубовой жидкости, находящейся в кубе колонны, и образующийся при этом пар поднимается вверх по колонне, обеспечивая процесс ректификации. По выходу из змеевика 9 этот поток так же, как и основной поток исходной смеси, поступает в конденсатор 7. Part of the flow of the initial mixture is taken at the outlet of the adsorption unit 6 and enters the coil 9 located in the bottom part of the distillation column 8. When this stream is cooled in the coil 9, the heat removed from it is supplied to the bottom liquid located in the bottom of the column and the resulting steam rises up the column, providing a rectification process. Upon exit from the coil 9, this stream, as well as the main stream of the initial mixture, enters the capacitor 7.

Из конденсатора 7 жидкая исходная смесь поступает в переохладитель 11. Часть потока исходной смеси отбирается перед переохладителем 11 и поступает в дроссель 14, после которого парожидкостная смесь при P=0,7-0,8 МПа используется для переохлаждения основной части потока в переохладителе 11. Переохлажденная жидкость при помощи насоса 10 подается на верх колонны 8. Использование части потока исходной смеси для переохлаждения основного потока жидкости, подаваемой с помощью насоса 10 в колонну 8, обеспечивает стабильную работу насоса и исключает образование паровой фазы в этом потоке. From the condenser 7, the liquid initial mixture enters the supercooler 11. A part of the initial mixture stream is taken before the supercooler 11 and enters the choke 14, after which the vapor-liquid mixture at P = 0.7-0.8 MPa is used to supercool the main part of the stream in the supercooler 11. The supercooled liquid is pumped to the top of the column 8 using the pump 10. Using a portion of the feed stream to subcool the main liquid stream supplied by the pump 10 to the column 8 ensures stable operation of the pump and eliminates the image the vapor phase in this stream.

Исходная жидкая смесь, подаваемая на верх колонны 8, стекая вниз по колонне, в процессе ректификации с поднимающимся по ней паром освобождается от низкокипящих примесей, которые переходят в пар и сдуваются с верха колонны через вентиль 25 или поступают в конденсатор 7 через вентиль 24. The initial liquid mixture fed to the top of column 8, flowing down the column, in the process of rectification with steam rising along it, is freed from low-boiling impurities that pass into steam and are blown from the top of the column through valve 25 or enter condenser 7 through valve 24.

В кубе колонны 8 собирается чистая жидкая CO₂, которая через вентиль 18 отводится в промежуточную емкость 12, откуда затем сливается через вентиль 20 в емкость чистой продукционной двуокиси углерода 13. Через вентили 19 и 21 из емкостей 12 и 13 отводятся пары CO₂, которые направляются в конденсатор 7.In the cube of column 8, pure liquid CO ₂ is collected, which is discharged through valve 18 into an intermediate tank 12, from where it is then drained through valve 20 into a container of clean production carbon dioxide 13. Through valves 19 and 21, CO ₂ vapors are discharged from containers 12 and 13, which sent to the capacitor 7.

Часть потока исходной смеси после прохождения через дроссель 15 поступает в концевой охладитель 22, где подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, а затем подается на всасывание в компрессор 1. Part of the flow of the initial mixture after passing through the choke 15 enters the end cooler 22, where it is heated to a temperature close to the ambient temperature, and then fed to the suction compressor 1.

На фиг. 2 показана принципиальная схема установки, реализующей данный способ, в которую, в отличие от схемы установки, представленной на фиг. 1, включен дополнительный теплообменник-подогреватель 26. In FIG. 2 shows a schematic diagram of an installation implementing this method, in which, in contrast to the installation scheme shown in FIG. 1, an additional heat exchanger-heater 26 is included.

В данной схеме установки часть потока исходной смеси после прохождения адсорбционного блока 6 отбирается от основного потока исходной смеси и перед поступлением в змеевик 9 дополнительно подогревается в теплообменнике-подогревателе 26, отнимая теплоту от части потока исходной смеси, поступающей в этот теплообменник после сжатия в компрессоре. Повышение температуры потока, подаваемого в испаритель 9, позволяет снизить его величину и уменьшить габариты испарителя. В остальном направления движения потоков для схемы установки, показанной на фиг. 2, совпадают с направлениями их движения на схеме установки, показанной на фиг. 1. In this installation scheme, part of the stream of the initial mixture after passing through the adsorption unit 6 is taken from the main stream of the initial mixture and, before entering the coil 9, is additionally heated in the heat exchanger-heater 26, taking away heat from the part of the stream of the initial mixture entering this heat exchanger after compression in the compressor. Increasing the temperature of the stream supplied to the evaporator 9, allows to reduce its value and reduce the dimensions of the evaporator. In the rest of the flow direction for the setup shown in FIG. 2 coincide with the directions of their motion in the installation diagram shown in FIG. 1.

Источники информации
1. Заявка ФРГ N 3639779, МКИ C 01 B 51/20, опубликована 01.06.88.Sources of information
1. The application of Germany N 3639779, MKI C 01 B 51/20, published 01.06.88.

2. Патент США N 4762545, МКИ F 25 J 5/02, опубликован 09.08.88. 2. US patent N 4762545, MKI F 25 J 5/02, published 09.08.88.

Claims

1. The method of purification of carbon dioxide from low-boiling impurities, including compression of the initial mixture in the compressor, sequential cooling in a water cooler and heat exchanger liquefier, drying, condensation and subsequent purification in a distillation column, characterized in that part of the initial mixture after drying in the adsorption unit is sent into the coil of the distillation column, and after cooling in the coil, they are condensed together with the rest of the initial mixture and, before being fed to the after-treatment in the distillation column, I direct a subcooler, wherein the supercooling the main part of the liquid stream used portion of the condensed feed mixture, throttled to a pressure of 0.7-0.8 MPa.

2. The method according to p. 1, characterized in that the throttled stream exiting the subcooler is throttled a second time, fed to the cooling part of the stream compressed in the compressor of the initial mixture, and then sent to the compressor for suction.

3. The method according to p. 1, characterized in that part of the stream of the initial mixture is directed into the coil of the distillation column, which, after drying, is additionally heated in the heat exchanger-heater, cooling part of the stream compressed in the compressor of the initial mixture.