用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的包括低溫下的分離步驟的設備和方法
【專利摘要】在用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的方法中，包括在低溫下的分離步驟，在包括至少兩級的壓縮機(C1,C2,C3)中壓縮進料流(1,3)以形成壓縮進料流(7)，在吸附床層(A1,A2)中凈化壓縮進料流以去除水并形成干燥的壓縮流(9,11)，將所述干燥的壓縮流或由其得到的流冷卻至低溫，并且通過在分離設備(19,31)中部分冷凝和/或蒸餾而將之分離，將富二氧化碳的液體(37,43)從所述分離設備中取出，利用再生氣體(25,53)使吸附單元再生，通過分離、通過在滲透單元(21,51)中滲透所述干燥的壓縮流(9)或由其得到的氣體(19)形成再生氣體，所述滲透單元的滲透流構成所述再生氣體。
【專利說明】用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的包括低溫下的分離步驟的設備和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的、包括低溫下的分離步驟的設備和方法。

【背景技術】
[0002]通常利用低溫下的分離步驟凈化氧燃燒煙道氣，以產生純的C02。在分離步驟上游，通過吸附凈化所述煙道氣以去除水。吸附單元典型地包括按照周期操作的兩個床層，調節(jié)所述周期使得所述煙道氣始終可以被凈化。必要的是，通過將干燥氣體送經所述床層以消除積聚的濕氣來使吸附單元再生。
[0003]干燥的煙道氣從吸附單元被送至分離單元，以利用至少一個相分離器和/或蒸餾塔通過低溫蒸餾來分離。不可冷凝的氣體被從分離單元中取出，并仍含有相當部分的co2。0)2可藉由滲透單元、吸附裝置(變壓吸附或真空變壓吸附)而從這些不可冷凝的氣體中回收。干燥的煙道氣典型地含有至少65%二氧化碳或甚至至少70%二氧化碳以及至少1%氧氣。二氧化碳的最大百分含量可以是95%。
[0004]從US-A-8012446中獲知了利用膜式裝置的滲透流在低壓下使吸附單元再生并使?jié)B透流再循環(huán)至鍋爐或環(huán)境島。這允許在環(huán)境島或鍋爐本身中有效地處理來自干燥器的再生的雜質(在鍋爐內的脫硫步驟和/或燃燒，和/或鍋爐內的NOx產量減緩措施)。
[0005]還從W0-A-2007/126972中獲知了在相分離器中分離進料并將所形成的液體送至蒸餾塔，從而產生純的二氧化碳。這種情形中，來自相分離器的氣體與塔頂部氣體混合并用于使吸附單元再生。
[0006]EP-A-0596470描述了根據權利要求1的前序部分的方法。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的一個優(yōu)點是，通過使?jié)B透流在壓縮機級間處(再)循環(huán)到進料氣體壓縮機中來穩(wěn)定滲透壓力，因而提高了系統(tǒng)的能量效率。
[0008]這樣的膜式系統(tǒng)的低溫操作可極大地提高效率，如US-A-20120111051所示的。因為這個優(yōu)點，所以盡管增大了滲透壓力還是可以保持高的0)2回收率。
[0009]干燥級可以安置在第三或第四壓縮級下游。膜式單元的滲透流在干燥器的前面再循環(huán)。
[0010]多個實施例是可能的:
[0011 ] -CPU ( “冷”凈化單元)+膜，滲透流在干燥器再生之后在壓縮機的級間再循環(huán)
[0012]-CPU+串聯的兩級膜，一股滲透流使干燥器再生并且在壓縮機中再循環(huán)，另一股滲透流被送至鍋爐。具有最大氧濃度的滲透流將被再循環(huán)至鍋爐，從而穩(wěn)定氧氣并降低ASU
產量
[0013]-膜+CPU(在干燥器再生之后作用在殘留物上和/或在滲透流上)+壓縮
[0014]根據本發(fā)明的目的，提供一種用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的方法，包括在低溫下的分離步驟，其中:
[0015]i)在吸附單元中凈化進料流以去除水并形成干燥的流，
[0016]?)將所述干燥的流或由其得到的流冷卻至低溫，并且通過在分離設備中部分冷凝和/或蒸餾而將之分離，
[0017]iii)將富二氧化碳的液體從所述分離設備中取出，
[0018]iv)利用再生氣體使吸附單元再生，通過分離、通過在滲透單元中滲透所述干燥的流或由其得到的氣體來形成再生氣體，所述滲透單元的滲透流構成所述再生氣體，
[0019]所述方法的特征在于，在包括至少兩級的壓縮機中壓縮所述流，以形成進料流。
[0020]根據本發(fā)明的其它可選方面:
[0021]-冷卻并在相分離器中分離所述干燥的流或由其得到的氣體，來自所述相分離器的氣體構成由所述干燥流得到的氣體并且在所述滲透單元中被分離，該滲透單元的非滲透流被加熱并取出。
[0022]-所述滲透單元具有_60°C和-10°C之間的入口溫度。
[0023]-在另一滲透單元中分離所述滲透單元的非滲透流，將該另一滲透單元的滲透流送至所述壓縮機的級的上游。
[0024]-所述另一滲透單元具有_60°C和-10°C之間的入口溫度。
[0025]-在所述滲透單元中分離所述干燥的流，所述滲透流形成所述再生氣體，并且所述非滲透流形成所述步驟iii)的由所述干燥的壓縮流得到的流。
[0026]-所述滲透單元具有環(huán)境溫度和-10°C之間的入口溫度。
[0027]-使富二氧化碳的液體氣化以產生制冷并冷卻所述干燥的壓縮流或由其得到的非滲透流。
[0028]-將所述再生氣體從所述吸附單元送至位于所述壓縮機的至少一級的下游的壓縮機。
[0029]-所述滲透單元的滲透流的二氧化碳的純度比供給該滲透單元的氣體低。
[0030]-所述滲透單元的滲透流的至少一種輕質組分的純度比供給該滲透單元的氣體尚O
[0031]-在滲透步驟之前進一步壓縮所述干燥的流。
[0032]-在冷卻步驟之前進一步壓縮所述干燥的流。
[0033]-所述至少一種輕質組分從包括氫氣、氧氣、氮氣、氬氣、一氧化碳、氮氧化物的組中選擇。
[0034]-所述干燥的流包含至少65%摩爾濃度的二氧化碳。
[0035]根據本發(fā)明的目的，提供一種用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的設備，該設備包括:在低溫下操作的分離設備；用于凈化進料流以除去水并形成干燥的流的吸附單元；用于將所述干燥流或由其得到的流冷卻至低溫的熱交換器；用于通過部分冷凝和/或蒸餾進行分離的分離設備；用于將富含二氧化碳的液體從所述分離設備中取出的管道；用于將再生氣體送至所述吸附單元的管道和用于使所述干燥的壓縮流或由其得到的氣體分離的滲透單元；以及用于取出所述滲透單元的作為所述再生氣體的滲透流的管道，所述設備的特征在于，該設備包括用于壓縮所述流以形成所述進料流的、具有至少兩級的壓縮機。
[0036]根據本發(fā)明的其它可選方面:
[0037]-用于分離經冷卻的干燥的壓縮流或由其得到的氣體的相分離器和用于將來自所述相分離器的氣體送至所述滲透單元的管道。
[0038]-用于將所述滲透單元的非滲透流送至所述熱交換器進行加熱的管道。
[0039]-所述滲透單元位于絕緣封殼內部。
[0040]-該設備包括另一滲透單元、用于將所述滲透單元的非滲透流送到所述另一滲透單元中進行分離的管道、以及用于將該另一滲透單元的滲透流送至所述壓縮機的級的上游的管道。
[0041 ]-所述另一滲透單元位于絕緣封殼內部。
[0042]-所述干燥的壓縮流在所述滲透單元中被分離，所述滲透流形成所述再生氣體，所述非滲透流在所述分離設備中被分離。
[0043]-所述滲透單元位于絕緣封殼外部。
[0044]-該設備包括用于將富二氧化碳的液體送至所述熱交換器以使其氣化從而產生制冷并冷卻所述干燥的壓縮流或由其得到的非滲透流的裝置。
[0045]-用于將所述再生氣體從所述吸附單元送至位于所述壓縮機的至少一級的下游的壓縮機的管道。
[0046]-所述設備包括用于在滲透步驟之前和/或在冷卻步驟之前壓縮所述干燥的壓縮流的壓縮機。

【具體實施方式】
[0047]將參照圖示根據本發(fā)明的方法的附圖更詳細地描述本發(fā)明。
[0048]圖1中，含有二氧化碳摩爾濃度在65%和95% mo I之間的由二氧化碳、氮氣和氧氣組成的混合物在過濾器F中被分離以去除顆粒，然后作為流3在壓縮機級Cl中被壓縮，然后在冷卻器Rl中被冷卻以形成流5。流5在壓縮機級C2中被進一步壓縮，在冷卻器R2中被冷卻，在壓縮機級C3中被壓縮并且在冷卻器R3中被冷卻，以形成流7。流7在吸附器A2中被凈化以去除任何殘留的濕氣，并且然后在壓縮機級C4中被進一步壓縮并且在冷卻器R4中被冷卻。在冷卻器R4中被冷卻的干燥的流11在熱交換器13中被冷卻，該熱交換器是釬焊板翅式熱交換器。這引起流11部分冷凝，并且部分冷凝的流從熱交換器13的冷端被送至相分離器15。在相分離器15中產生的液體17在閥29中膨脹后被送至塔31的頂部。然后液體17被分離，以在塔的底部形成富二氧化碳液體以及在該塔的頂部形成富輕質雜質的氣體33。氣體33在熱交換器13中被加熱并且作為進料流9的一部分在吸附床層A1、A2的下游和壓縮機級C4的上游再循環(huán)。
[0049]液體35被分成兩部分。一部分37在熱交換器13中氣化。氣化的液體然后被分成兩部分，一部分39被送至塔31的底部，而剩余部分41被送至壓縮機級C6的入口。
[0050]來自塔31的底部的液體43在閥36中膨脹，在熱交換器13中在比流37低的壓力下氣化，被送至壓縮機級C5的入口，由冷卻器R5冷卻，與流41混合，在壓縮機級C6中被壓縮，在壓縮機級C7中被壓縮，在冷卻器R7中冷卻，在壓縮機級CS中被壓縮，在冷卻器R8中冷卻，并在冷卻器R9中冷凝，之后在泵P中被加壓以形成加壓液體產品流。
[0051]利用在膜式分離器21中產生的氣體25使吸附床層A1、A2再生。來自相分離器15的氣體19在膜式分離器21中被分離，以產生滲透流25，該滲透流不在交換器13中被加熱而是用于在交換器El中冷卻一股流，在交換器E2中被加熱并且然后被送至吸附床層Al、A2一一取決于哪個床層在運行中。用于使未運行的床層再生的氣體然后被送至交換器E3，并且再循環(huán)進入位于壓縮機級Cl下游的進料流5。來自膜式分離器21的非滲透流23被加熱并被排入大氣。
[0052]圖2的工藝與圖1中的工藝的區(qū)別在于串聯使用兩個膜式分離器21、22。1.1bar壓力下的來自膜式分離器21的滲透流25仍用于使吸附床層再生，而非滲透流23在另一膜式分離器22中被進一步分離以形成滲透流26，該滲透流26在2.5bar壓力下在冷卻器Rl下游再循環(huán)。這種情形下，再生氣體被送至交換器E3，然后被送至鍋爐，進料流I起源于該鍋爐。
[0053]在這些情形下，用于膜式分離器21、22的入口溫度在_60°C和_10°C之間變化。
[0054]在圖1和圖2的情形中，熱交換器、相分離器、膜式單元21和塔31位于絕緣(絕熱)封殼(未示出)中，以將操作溫度保持在低溫水平。
[0055]在圖3中，膜式分離器不一定是以和圖1、圖2中的入口溫度一樣的低溫入口溫度操作的膜式分離器，而是以-10°C或更高的入口溫度操作。來自冷卻器R4的進料氣體11在膜式分離器51中分離，以形成滲透流53，滲透流53被送至交換器E1、E2并且然后被送至吸附床層Al。一旦再生氣體被從床層取出時，其就被送至交換器E3且然后再循環(huán)進入冷卻器Rl下游的進料中。膜式分離器51的非滲透流57形成低溫分離的進料氣體，并在熱交換器13中被冷卻且在相分離器15中被分離。所形成的液體17如前述一樣通過蒸餾被分離出，來自相分離器的氣體19在熱交換器13中被加熱并且被排入大氣。
[0056]在圖3的情形中，熱交換器、相分離器和塔31位于絕緣封殼(未示出)內，以將操作溫度保持在低溫水平。
【權利要求】
1.一種用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的方法，包括在低溫下的分離步驟，其中: i)在吸附單元(A1，A2)中凈化進料流(7)以去除水并形成干燥的流(9，11)， ?)將所述干燥的流或由其得到的流冷卻至低溫，并且通過在分離設備(19，31)中部分冷凝和/或蒸餾而將之分離， iii)將富二氧化碳的液體(37，43)從所述分離設備中取出， iv)利用再生氣體(25，53)使吸附單元再生， V)通過分離、通過在滲透單元(21，51)中滲透所述干燥的流(9)或由其得到的氣體(19)來形成再生氣體，所述滲透單元的滲透流構成所述再生氣體， 所述方法的特征在于，在包括至少兩級的壓縮機(C1，C2，C3)中壓縮流(1，3)，以形成進料流。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，冷卻并在相分離器中分離所述干燥的流(9，11)或由其得到的氣體(57)，來自所述相分離器的氣體(19)構成由所述干燥的流得到的氣體并且在所述滲透單元(25)中被分離，該滲透單元的非滲透流(23)被加熱并取出。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述滲透單元(21)具有-60°C和-10°C之間的入口溫度。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于，在另一滲透單元(22)中分離所述滲透單元的非滲透流(23)，將該另一滲透單元的滲透流送至所述壓縮機的級(C2)的上游。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述另一滲透單元(22)具有_60°C和_10°C之間的入口溫度。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述滲透單元(51)中分離所述干燥的壓縮流(9)，所述滲透流(53)形成所述再生氣體，并且所述非滲透流(57)形成所述步驟iii)的由所述干燥的流得到的流。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，使富二氧化碳的液體(47，43)氣化以產生制冷并冷卻所述干燥的流(9，11)或由其得到的非滲透流(57)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將所述再生氣體(25，57)從所述吸附單元送至位于所述壓縮機的至少一級的下游的壓縮機。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述滲透單元的滲透流(25，53)的二氧化碳純度比供給該滲透單元的氣體低。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在滲透步驟之前和可能地在冷卻步驟之前進一步壓縮所述干燥的流(9)。
11.一種用于分離含有二氧化碳、水和至少一種輕質雜質的流的設備，該設備包括:用于凈化進料流以除去水并形成干燥的流的吸附單元(A1，A2);用于將所述干燥的流或由其得到的流冷卻至低溫的熱交換器(13);用于通過部分冷凝和/或蒸餾進行分離的分離設備(15，31);用于從所述分離設備取出富含二氧化碳的液體的管道；用于將再生氣體送至所述吸附單元的管道和用于使所述干燥的流或由其得到的氣體分離的滲透單元(21，53);以及用于取出所述滲透單元的作為所述再生氣體的滲透流的管道，所述設備的特征在于，該設備包括用于壓縮所述流以形成所述進料流的、具有至少兩級的壓縮機(Cl，C2, C3)。
12.根據權利要求11所述的設備，其特征在于，該設備包括:用于分離經冷卻的干燥的壓縮流或由其得到的氣體的相分離器(15);用于將由所述相分離器得到的氣體送至所述滲透單元(21)的管道；以及可能地用于將所述滲透單元的非滲透流(23)送至所述熱交換器進行加熱的管道。
13.根據權利要求11或12所述的設備，其特征在于，所述滲透單元位于絕緣封殼內部或外部。
14.根據權利要求11、12或13所述的設備，其特征在于，該設備包括:另一滲透單元(22);用于將所述滲透單元的非滲透流(23)送到所述另一滲透單元中分離的管道；以及用于將該另一滲透單元的滲透流送至所述壓縮機的級的上游的管道。
15.根據權利要求11至14中任一項所述的設備，其特征在于，該設備包括:用于在所述滲透單元中分離所述干燥的流的裝置；用于取出作為所述再生氣體的滲透流的管道；以及用于將非滲透流(57)送至所述分離設備中分離的管道。
【文檔編號】F25J3/06GK104428614SQ201380037013
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權日:2012年7月13日
【發(fā)明者】A·達德, R·杜貝蒂爾-格勒尼耶, D·J·哈賽, S·S·庫爾卡尼, M·萊克勒克, P·泰里安 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司