專利名稱：生產(chǎn)二氧化碳的蒸餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及生產(chǎn)二氧化碳的蒸餾方法。
二氧化碳有許多用途，例如，二氧化碳用于碳酸鹽飲料、冷卻、凍結(jié)和包裝海產(chǎn)品、肉類、家禽、烘干了的貨物、水果和蔬菜，用于延長奶制品的貯藏壽命。在工業(yè)廢物和工藝水處理中作為硫酸的替代物以控制pH含量它是一種重要的環(huán)境組分。其它用途包括飲用水的處理。環(huán)境友好的農(nóng)藥和溫室中的大氣添加劑以改良蔬菜的生長。
通常通過純化廢物來生產(chǎn)二氧化碳，這些廢物流是有機(jī)或無機(jī)化學(xué)加工中的副產(chǎn)物。包含二氧化碳的廢物流經(jīng)冷凝，然后在蒸餾塔中處理來生產(chǎn)產(chǎn)品級的二氧化碳。
隨著二氧化碳需求的不斷增長，使用了更多勉強(qiáng)合格的二氧化碳源作粗二氧化碳加入純化系統(tǒng)。這些勉強(qiáng)合格的進(jìn)料可包含相當(dāng)數(shù)量的輕質(zhì)污染物。因此，在蒸餾成產(chǎn)品之前需要相當(dāng)多的能量來進(jìn)行所要求的液化。
因此，本發(fā)明的目的是提供一個(gè)以比常規(guī)處理二氧化碳系統(tǒng)可能的能效更高的方式來有效地處理含輕質(zhì)污染物的粗二氧化碳進(jìn)料的系統(tǒng)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)閱讀本公開后上述和其它目的將會很明了，通過本發(fā)明可達(dá)到上述和其它的目的，本發(fā)明的一個(gè)方面是生產(chǎn)二氧化碳的方法，包括A)將含二氧化碳和輕質(zhì)污染物的進(jìn)料通入塔中；B)在塔內(nèi)將進(jìn)料分離成輕質(zhì)的塔頂餾出物和二氧化碳產(chǎn)品；C)通過與多組分熱交換流體的間接熱交換部分冷凝輕質(zhì)的塔頂餾出物來產(chǎn)生回流液和保留污染物的蒸氣；D)使回流液往下通過塔；和E)從塔的較低部位回收二氧化碳產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是生產(chǎn)二氧化碳的方法，包括A)提供含二氧化碳和輕質(zhì)污染物的進(jìn)料；B)將進(jìn)料冷卻以生成冷卻的進(jìn)料；
C)通過與多組分熱交換流體的間接熱交換至少部分冷凝冷卻的進(jìn)料，和將獲得的進(jìn)料通入塔中；D)在塔內(nèi)將進(jìn)料分離成輕質(zhì)的塔頂餾出物和二氧化碳產(chǎn)品；E)從塔的較低部位回收二氧化碳產(chǎn)品。
此處所用的“塔”一詞意指蒸餾或分餾塔或段，即接觸塔或段，其中液體相和蒸氣相逆流接觸使流體混合物實(shí)現(xiàn)分離，例如通過在一系列安裝在塔內(nèi)的豎直空間的盤或板和/或在如規(guī)整填料或無規(guī)填料的填料單元中蒸氣和液體相的接觸，有關(guān)蒸餾塔的進(jìn)一步討論，見由R.H.Perry和C.H.Chilton編輯，紐約McGraw-Hill圖書公司出版的《化學(xué)工程師手冊》第五版，第13章“連續(xù)蒸餾的方法”。
蒸氣和液體接觸分離過程取決于組分蒸氣壓的差異。高蒸氣壓(或更易揮發(fā)的組分或低沸點(diǎn))組分將傾向濃縮在蒸氣相中，而低蒸氣壓(或低揮發(fā)性的或高沸點(diǎn)的)組分將傾向于濃縮在液體相中。部分冷凝是依靠冷卻的蒸氣混合物被用來在蒸氣相中濃集揮發(fā)性組分和從而減少在液體相中的揮發(fā)性組分的分離方法。精餾、或連續(xù)蒸餾是如通過蒸氣相和液體相逆流處理得到的逐級部分蒸發(fā)和冷凝相結(jié)合的分離方法。
通常蒸氣相和液體相的逆流接觸是絕熱的并能包括相之間的積分(多級的)或微分(連續(xù)的)接觸。利用精餾原理分離混合物的分離方法裝置往往可互換地被叫作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。
此處所用的“較上部位”和“較低部位”術(shù)語分別意指塔中點(diǎn)以上和以下的塔的區(qū)段。
此處所用的“間接熱交換”一詞意指使兩種流體產(chǎn)生熱交換而無任何物理接觸或流體與其它流體的相互混合。
此處所用的“冷凝器”一詞意指一種間接熱交換器，在其中含二氧化碳和輕質(zhì)污染物的進(jìn)料至少部分地被冷凝。
此處所用的“輕質(zhì)污染物”一詞意指一種或多種蒸氣壓高于二氧化碳的物質(zhì)。輕質(zhì)污染物的實(shí)例包括氮、氧、氬、氫和一氧化碳。
此處所用的“多組分熱交換流體”一詞意指一種具有兩個(gè)或多個(gè)組分的流體，它具有不同的飽和曲線(沸點(diǎn))。
多組分熱交換流體是一種至少有兩個(gè)組分的傳熱流體。經(jīng)在溫度范圍部分冷凝的物流用某些多組分熱交換流體能更有效地被冷凝，所設(shè)計(jì)的多組分熱交換流體通過正確的選擇組分、組合和操作壓力使其嚴(yán)格地遵循冷凝傳熱曲線(Q對T曲線)。合適的多組分熱交換流體由于通過部分冷凝熱交換器降低了冷卻的冷凝物流和蒸發(fā)的多組分熱交換流體之間的溫差而使工藝損失的功為最小。
此處所用的“低溫冷卻”一詞意指使液體冷卻到比當(dāng)時(shí)壓力下液體的飽和溫度更低的溫度。
此處所用的“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹器”術(shù)語分別意指用于使高壓氣體流過渦輪機(jī)來降低氣體的壓力和溫度，從而產(chǎn)生致冷的方法和裝置。


圖1是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖；圖2是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖；圖中共同單元的編號是相同的。
本發(fā)明一般包括在熱交換環(huán)路中再循環(huán)的多組分熱交換流體的使用，以部分地液化從蒸餾塔得到的塔頂餾出物或以液化至少一些進(jìn)料，優(yōu)選全部進(jìn)料到塔中以使二氧化碳從輕質(zhì)污染物中分離。多組分熱交換流體能以較小的能量進(jìn)行液化，其能量要低于用渦輪膨脹產(chǎn)生致冷，或用普通純組分致冷劑吸收冷凝熱所需的能量。
本發(fā)明將參照附圖詳細(xì)地?cái)⑹觥，F(xiàn)參見圖1，將含二氧化碳、輕質(zhì)污染物和水蒸氣的進(jìn)料物流50一般在常壓下送入壓縮機(jī)1中，在壓縮機(jī)中被壓縮到通常為60psia到90psia之間的壓力。進(jìn)料物流50一般從有機(jī)或無機(jī)化學(xué)生產(chǎn)系統(tǒng)的廢液中獲得。例如從生產(chǎn)乙醇和/或其它醇類的廢液中。在進(jìn)料中二氧化碳的濃度通常為25％到98％摩爾(干基)范圍之內(nèi)。本發(fā)明對于處理其中輕質(zhì)物至少為15％摩爾(干基)的進(jìn)料特別有效。
壓縮后的進(jìn)料51通過水或空氣驅(qū)動的冷卻器2而冷卻，冷凝的水分在相分離器3中被分離。然后進(jìn)料再通過壓縮機(jī)4壓縮到通常在280psia到325psia范圍之內(nèi)的壓力。進(jìn)一步壓縮后的進(jìn)料52通入冷卻器5和6再冷卻。從相分離器7中取出冷凝的水分，進(jìn)料通入吸附床8中進(jìn)一步干燥。
然后將冷卻的、干燥進(jìn)料物流53通入塔再沸器9冷卻到接近它的露點(diǎn)并用導(dǎo)管送到冷凝器10中，在冷凝器中進(jìn)料由于與再循環(huán)的純組分熱交換流體間接熱交換至少部分地被冷凝，優(yōu)選地是基本上整個(gè)地被冷凝。優(yōu)選的純組分熱交換流體是氨。其它可用于本發(fā)明實(shí)施的純組分熱交換流體包括丙烷和鹵代烴致冷劑。得到的冷凝后進(jìn)料54通過閥11被閃蒸并如圖1中所說明的，優(yōu)選地在塔12頂部通入塔12中。
現(xiàn)再參見圖1，通過壓縮機(jī)15將氣態(tài)的熱交換流體55壓縮到適中的壓力，然后通入直接接觸的后冷卻器16中。從后冷卻器16取出氣態(tài)的中等壓力熱交換流體為物流56并在壓縮機(jī)17中壓縮成高壓物流，然后該高壓流體通過在熱交換器18中與水或空氣等的間接熱交換基本上全部被冷凝。然后經(jīng)閥門19并通入后冷卻器16作冷卻介質(zhì)。從后冷卻器16取出中等壓力的冷卻的液態(tài)熱交換流體為物流57。如果有要求，如圖1中所說明的，物流57的一部分58通入冷卻器6以冷卻進(jìn)料，而后返回到后冷卻器16中，物流57的其余部分經(jīng)閥門20然后分成物流59和物流60。物流59用導(dǎo)管提供給冷凝器10，在其中經(jīng)與上述的冷凝進(jìn)料間接熱交換而被汽化，得到的汽化熱交換流體從冷凝器10中取出為物流61。物流60通入低溫冷卻器13中，在其中經(jīng)與低溫冷卻產(chǎn)物間接熱交換而被汽化。將得到的汽化物層62與物流61混合形成氣態(tài)物流55并重復(fù)這閉合回路致冷循環(huán)。
塔12通常在250psig到320psig范圍的壓力下操作。在塔12中，進(jìn)料經(jīng)蒸餾被分離成輕質(zhì)塔頂餾出物和二氧化碳產(chǎn)品。進(jìn)料液體相對于向上流動的蒸氣往下流過塔12和從往下流液體中汽提出經(jīng)受污染物進(jìn)入向上流蒸氣中，以形成在塔12頂部的輕質(zhì)塔頂流出物和在塔底部的二氧化碳產(chǎn)品。
通常，濃度為至少99.9％摩爾的二氧化碳產(chǎn)品液體以物流63從塔12的底部取出。部分物流64通入再沸器9中經(jīng)與冷卻的進(jìn)料間接熱交換而汽化。所得汽化的部分物流65返回到塔12中作為向上流動的蒸氣。物流63的其余部分物流66通入低溫冷卻器13中進(jìn)行低溫冷卻，經(jīng)閥門14并以物流67作為產(chǎn)品二氧化碳回收。
含有污染物量比進(jìn)料中提高了的和也含一些二氧化碳的輕質(zhì)塔頂餾出蒸氣從塔12的頂部取出，通過熱交換器71被部分地冷凝，然后通入相分離器31中。通過相分離器31未被冷凝的污染物蒸氣為蒸氣流69，并通過熱交換器71被加溫而后從系統(tǒng)中取出。從相分離器31中得到的回流液為物流70通入塔12的頂部并而后往下流過塔12。
熱交換器71由循環(huán)的多組分熱交換流體驅(qū)動，該流體優(yōu)選是由用于驅(qū)動熱交換器10的致冷劑，如氨和第二種低沸物如氮所組成，可以使用的其它較低沸點(diǎn)物質(zhì)包括氬、甲烷、乙烷和牌號為R14、R23、R32和R125的致冷劑。多組分熱交換流體72在壓縮機(jī)73中被壓縮，然后被冷卻和通過熱交換器74與如水或壓縮空氣的合適的冷卻液間接熱交換，而優(yōu)選地部分或全部地被冷凝。所得流體75再進(jìn)一步被冷凝和/或通過熱交換器76被低溫冷卻，然后分成兩部分。第一部分77通過閥門78降壓，然后通過熱交換器71以部分地冷凝輕質(zhì)塔頂餾出蒸氣。第二部分通過閥門80降壓，然后通過熱交換器76以冷凝和/或低溫冷卻多組分熱交換流體75。再混合物流77和79以形成物流72并重復(fù)閉合回路致冷循環(huán)。
圖2說明本發(fā)明的另一實(shí)施方案，該方案對于在高壓下操作特別有效。圖2說明的方案中與圖1說明的共同的那些部分不再詳細(xì)加以敘述。現(xiàn)參見圖2，將從冷卻器5來的冷卻后進(jìn)料通入相分離器7中，然后通過壓縮機(jī)107將其進(jìn)一步壓縮到通常為600psig到1200psig范圍的壓力。通過進(jìn)一步壓縮后的進(jìn)料物流通過冷卻器108冷卻后通入相分離器109中，從中將水分除去。從相分離器109出來的蒸氣可以進(jìn)行以單元110表示的許多其它預(yù)處理步驟，以便除去如含有兩個(gè)或三個(gè)碳原子烴的高沸點(diǎn)或重質(zhì)污染物和如硫化氫等硫化物。單元110可包括吸收、氧化和/或吸附步驟。其后進(jìn)料通過吸附床111進(jìn)一步脫水。如有要求，可將單元110和111直接放在相分離器7之后。
將凈化的進(jìn)料83通過塔再沸器112冷卻到接近它的露點(diǎn)，然后通過冷凝器114將其至少部分地，優(yōu)選基本上全部冷凝，得到的液化進(jìn)料物流84經(jīng)過閥門300通入塔12中，在其中物流84以與圖1所敘的類似方法進(jìn)行加工。在圖2說明的實(shí)施方案中，塔12可以在500psig到1000psig范圍的壓力下操作。
圖2說明的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)施中使用的多組分熱交換流體優(yōu)選地是二元混合物。可以在本發(fā)明的多組分熱交換流體中使用的物質(zhì)包括氨、二氧化碳、氮、氬、如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等飽和烴、和鹵代烴。優(yōu)選地，該多組分熱交換流體包括氨。最為優(yōu)選的多組分熱交換流體是一種包括氨和氮、氨和乙烷，或氨和鹵代烴的二元混合物。
將多組分氣態(tài)熱交換流體通過壓縮機(jī)117壓縮和通過熱交換器118與如水或空氣等合適的冷卻劑間接熱交換而被冷卻。將得到的流體87通過壓縮機(jī)119進(jìn)一步壓縮和通過冷卻器120與如水或空氣等合適的冷卻劑間接熱交換而至少部分地被冷凝。然后將得到的多組分熱交換流體進(jìn)一步通過再沸器112而冷凝和/或低溫冷卻，從而補(bǔ)充到塔12再煮沸。將從再沸器112中得到的熱交換流體89通過冷凝器114的第一通道，從冷凝器該流體基本上全以液體而流出。而后多組分熱交換流體90經(jīng)閥門121而膨脹成低壓和接著通過冷凝器的第二通道而汽化。因此，汽化的多組分熱交換流體吸收所需的熱能以冷卻和至少部分地冷凝進(jìn)料，冷卻和冷凝在冷凝器114第一通道中的高壓多組分熱交換流體和也低溫冷卻產(chǎn)物二氧化碳。然后將得到的汽化的熱交換流體86通過壓縮機(jī)117的入口并重復(fù)閉合回路致冷循環(huán)。
含輕質(zhì)污染物的塔頂餾出蒸氣從塔12的頂部取出為物流91，通過冷凝器114加熱后從系統(tǒng)中流出。由于塔12是在高壓下操作，物流91的部分物流92可以通過渦輪膨脹器116被膨脹隨著得到的膨脹物流93通過冷凝器114而產(chǎn)生致冷作用和從系統(tǒng)中流出，膨脹的軸功可以用于產(chǎn)生電或用于壓縮。
通常二氧化碳濃度至少為99.9％摩爾的二氧化碳產(chǎn)品液體從塔12的底部以物流63回收。部分物流64通過再沸器112與冷卻的進(jìn)料和多組分熱交換流體間接熱交換而汽化，所得的汽化的部分物流65返回到塔12中作為向上流的蒸氣。物流63的其余部分物流66通過冷凝器114被低溫冷卻，經(jīng)閥門14后作產(chǎn)品二氧化碳物流67回收。
由于使用本發(fā)明，現(xiàn)能通過低溫精餾從含相當(dāng)量輕質(zhì)污染物的進(jìn)料高效能和有效地提供產(chǎn)品級二氧化碳。盡管參見一些優(yōu)選的實(shí)施方案詳細(xì)地?cái)⑹隽吮景l(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到在權(quán)利要求書的精神和范圍之內(nèi)本發(fā)明已有其它實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)二氧化碳的方法，包括A)將包含二氧化碳和輕質(zhì)污染物的進(jìn)料通入塔中；B)在塔內(nèi)將進(jìn)料分離成輕質(zhì)塔頂餾出物和二氧化碳產(chǎn)物；C)通過與多組分熱交換流體間接熱交換部分地冷凝輕質(zhì)塔頂餾出物，以產(chǎn)生回流液和保留污染物蒸氣；D)將回流液往下通過塔；和E)從塔的較低部位回收二氧化碳產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中在將進(jìn)料通入塔之前先經(jīng)與循環(huán)的致冷劑間接熱交換進(jìn)行冷凝。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中通過與循環(huán)的致冷劑間接熱交換將二氧化碳產(chǎn)品低溫冷卻。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中多組分熱交換流體包括氨和氮。
5.一種生產(chǎn)二氧化碳的方法，包括A)提供一種包括二氧化碳和輕質(zhì)污染物的進(jìn)料；B)冷卻進(jìn)料生成冷卻的進(jìn)料；C)通過與多組分熱交換流體熱交換至少部分地冷凝該冷卻的進(jìn)料并將所得的進(jìn)料通入塔中；D)在塔內(nèi)將進(jìn)料分離成輕質(zhì)頂餾出物和二氧化碳產(chǎn)物；和E)從塔的較低部位回收二氧化碳產(chǎn)品。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中通過與多組分熱交換流體間接熱交換使至少部分進(jìn)料進(jìn)行冷卻。
7.如權(quán)利要求5的方法，其中通過與多組分熱交換流體間接熱交換將二氧化碳產(chǎn)品低溫冷卻。
8.如權(quán)利要求5的方法，其中多組分熱交換流體是一種二元混合物。
9.如權(quán)利要求5的方法，其中多組分熱交換流體之中的一種組分是氨。
10.如權(quán)利要求5的方法，還包括至少渦輪膨脹一部分輕質(zhì)塔頂餾出物，并通過與所述的至少部分冷凝的冷卻進(jìn)料間接熱交換而加熱渦輪膨脹后的輕質(zhì)塔頂餾出物。
全文摘要
一種用于生產(chǎn)二氧化碳,尤其是由含有相當(dāng)量輕質(zhì)污染物的原料生產(chǎn)二氧化碳的蒸餾系統(tǒng),其中通過與在閉合致冷回路中多組分熱交換流體間接熱交換,至少將蒸餾中的向上進(jìn)料物流部分地冷凝,和/或通過與在閉合致冷回路中多組分熱交換流體間接熱交換,將蒸餾得到的塔頂餾出物冷凝為回流液。
文檔編號F25J3/02GK1264027SQ0010198
公開日2000年8月23日 申請日期2000年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月2日
發(fā)明者H·E·霍瓦德 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司