專利名稱：二氧化碳回收設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及二氧化碳的回收，更具體地說，涉及從還包含氧氣的原料(feed)混合物中回收二氧化碳。
背景技術(shù)：
二氧化碳具有很多用途。例如，二氧化碳用于碳酸飲料，用于冷藏、冷凍和包裝海產(chǎn)食物、肉、家禽、烘烤食品、水果和蔬菜，并用于延長(zhǎng)乳制品的保存期限。它是工業(yè)廢物和工藝水處理中一種重要的環(huán)境成分，用以代替硫酸控制pH水平。其它用途包括飲用水處理、作為有益于環(huán)境的殺蟲劑和溫室中改善蔬菜生長(zhǎng)的氣氛添加劑。
通常，二氧化碳是通過純化廢物流出物得到的，此廢物流出物是有機(jī)或無(wú)機(jī)化學(xué)過程的副產(chǎn)品。此廢物流出物包含高濃度二氧化碳，通過多個(gè)步驟的冷凝和純化，然后蒸餾得到產(chǎn)品級(jí)(product grade)二氧化碳。
因?yàn)槎趸夹枨蟪掷m(xù)增長(zhǎng)，二氧化碳替換來源(alternatesource)正被用于對(duì)純化系統(tǒng)的粗二氧化碳原料供料。這樣的替換原料(alternate feed)中二氧化碳濃度很低，因此需要精制，即必須提高二氧化碳濃度，然后才可以有效生產(chǎn)產(chǎn)品級(jí)二氧化碳。這些具有較低二氧化碳濃度的替換原料稱作貧乏原料(lean feed)。這樣的貧乏原料的實(shí)例是例如燃燒器如鍋爐、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或石灰窯的煙道氣。
可以通過多種途徑提高原料中二氧化碳的濃度。一種特別優(yōu)選的方法是經(jīng)化學(xué)吸收，從粗二氧化碳原料中將二氧化碳吸收到鏈烷醇胺-基吸收劑中。然后，所得到的載帶有二氧化碳的吸收劑經(jīng)分離得到供回收的二氧化碳產(chǎn)品和包含鏈烷醇胺的吸收劑，這些吸收劑可以循環(huán)，在回收系統(tǒng)中重復(fù)使用。
通常，粗二氧化碳原料包含高含量水平的氧，這些氧可以導(dǎo)致鏈烷醇胺的降解，從而消弱它們?cè)诨厥障到y(tǒng)中的作用，還導(dǎo)致系統(tǒng)中的腐蝕問題。本領(lǐng)域技術(shù)人員已用兩種方法中的一種處理此問題。一種方法中，將化學(xué)抑制劑加入到吸收器流體中，以通過抑制鏈烷醇胺的氧化作用以防止降解。另一種方法，在粗二氧化碳原料與鏈烷醇胺-基吸收劑反應(yīng)之前，從粗二氧化碳原料中除去氧。在此方法的一種實(shí)例中，在催化燃燒反應(yīng)中，將燃料加入到粗二氧化碳原料中與氧氣燃燒。雖然兩種方法都是有效的，但是它們的特點(diǎn)是投資費(fèi)用高，此外還很難操作。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過使用鏈烷醇胺-基吸收劑以提高原料等級(jí)，可以更有效地從含氧原料中回收二氧化碳或其它被吸收物質(zhì)(absorbate)。
發(fā)明概述上述目的和其它目的在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本說明書后將變得清楚，它們通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明為從含氧原料混合物中回收被吸收物質(zhì)的設(shè)備，包括(A)吸收柱、將含氧和被吸收物質(zhì)的原料混合物輸送至吸收柱下部(lower portion)的裝置，以及將包含至少一種鏈烷醇胺的吸收劑輸送至吸收柱上部(upper portion)的裝置；(B)氧分離器和將流體從吸收柱的下部送入氧分離器的裝置；(C)熱交換器和將流體從氧分離器送入熱交換器的裝置；(D)汽提柱和將流體從熱交換器送至汽提柱上部的裝置；和(E)從汽提柱上部回收被吸收物質(zhì)的裝置。
文中所述術(shù)語(yǔ)“吸收柱”是指能使合適的溶劑，即吸收劑從包含一種或多種其它成分的流體中選擇性吸收被吸收物質(zhì)的傳質(zhì)裝置(mass transfer device)。
文中所述術(shù)語(yǔ)“汽提柱”是指一種傳質(zhì)裝置，其中通常通過能量的應(yīng)用，將一種成分如被吸收物質(zhì)與吸收劑分離。
文中所述術(shù)語(yǔ)“閃蒸罐(flash tank)”是指一種容器，它可以通過減壓，如采用真空泵使溶解的氣體和液體發(fā)生相分離。
文中所述術(shù)語(yǔ)“抑制劑”是指抑制或減小反應(yīng)速率的化學(xué)品或化學(xué)品混合物。例如，碳酸銅與一種或多種以下物質(zhì)組合，在有或沒有堿金屬碳酸鹽的情況下抑制鏈烷醇胺氧化降解二羥基乙基甘氨酸、堿金屬高錳酸鹽、堿金屬硫氰酸鹽、氧化鎳或氧化鉍。
文中所述術(shù)語(yǔ)“除氧氣體”是指氧濃度小于2摩爾％，優(yōu)選小于0.5摩爾％的氣體，它可以用于從液體中汽提溶解的氧。
文中所述術(shù)語(yǔ)“上部”和“下部”分別是指中點(diǎn)以上或以下的區(qū)段。
文中所述術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”是指使兩種流體進(jìn)行熱交換，但流體沒有任何物理接觸或互相混合的過程。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明一種特別優(yōu)選實(shí)施方案的略圖，其中氧分離器包括氧汽提柱。
圖2是本發(fā)明另一種特別優(yōu)選實(shí)施方案的略圖，其中氧分離器包括閃蒸罐。
發(fā)明詳述本發(fā)明將參照附圖進(jìn)行詳述。現(xiàn)參看圖1，原料氣體混合物1通常已被冷卻并經(jīng)處理以減少微粒和其它雜質(zhì)，如氧化硫(SOx)和氧化氮(NOx)，此原料氣體混合物1送至壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)2(blower)，于其中壓縮至一般為14.7-30磅/平方英寸絕對(duì)壓力(psia)范圍內(nèi)。原料氣體混合物1通常包含2-50摩爾％二氧化碳作為被吸收物質(zhì)，一般二氧化碳的濃度在3-25摩爾％范圍內(nèi)。原料氣體混合物1還包含氧，氧的濃度一般從小于1摩爾％至約18摩爾％之間。原料氣體混合物1還可以包含一種或多種其它成分，如微量的烴類、氮、一氧化碳、水蒸汽、氧化硫、氧化氮和微粒。
壓縮的原料氣體混合物3由鼓風(fēng)機(jī)2送入吸收柱4的下部，吸收柱4頂部通常在40-45℃溫度范圍操作，而柱底部通常在50-60℃溫度范圍操作。吸收劑6送入吸收柱4上部。吸收劑6包含至少一種鏈烷醇胺類物質(zhì)。可用于本發(fā)明吸收器流體6的鏈烷醇胺實(shí)例是單乙醇胺、二乙醇胺、二異丙醇胺、甲基二乙醇胺和三乙醇胺。通常鏈烷醇胺以水溶液形式使用。在吸收劑6中的一種或多種鏈烷醇胺的濃度在5-80重量％，優(yōu)選10-50重量％。用于本發(fā)明吸收劑流體的優(yōu)選的伯鏈烷醇胺(primary alkanolamine)是單乙醇胺，優(yōu)選濃度在5-25重量％，更優(yōu)選在10-15重量％。用于吸收劑流體的優(yōu)選仲鏈烷醇胺(secondary alkanolamine)是二乙醇胺和二異丙醇胺。
在吸收柱4中，原料氣體混合物上升與向下流動(dòng)的吸收劑呈逆流流動(dòng)。吸收柱4包含柱內(nèi)部部件或傳質(zhì)部件，如塔板或無(wú)規(guī)填料或結(jié)構(gòu)填料。隨著原料氣體上升，原料氣體中的大部分二氧化碳、氧和少量的其它物質(zhì)，如氮，被吸收至向下流動(dòng)的吸收劑液體中，在柱4頂部產(chǎn)生其中除去了二氧化碳的頂部蒸汽，并吸收至在柱4底部的含有溶解氧的載有二氧化碳的吸收劑中。頂部蒸汽從柱4上部以物流5中提取而載有二氧化碳的吸收劑從柱4下部以物流7提取。
溶解的氧最終導(dǎo)致鏈烷醇胺的降解，從而導(dǎo)致腐蝕和其它操作困難。本發(fā)明二氧化碳回收設(shè)備中，載有二氧化碳的吸收劑送至氧分離器。圖1所示系統(tǒng)中，通過在傳質(zhì)設(shè)備，如氧汽提柱中使吸收劑與除氧氣體接觸，減少載有二氧化碳的吸收劑中溶解氧的量。
在物流7中的包含溶解氧的載有二氧化碳的吸收劑，從吸收柱4的下部送入另外的汽提柱151上部。本發(fā)明的一個(gè)重要方面是包括物流7的流體從其由吸收柱4提取出開始至其進(jìn)入氧分離器，如氧汽提柱151的過程中，不經(jīng)任何加熱。除氧氣體以物流152進(jìn)入汽提柱151下部。除氧氣體的一個(gè)來源是不含氧的二氧化碳物流。這樣的物流的實(shí)例包括富含二氧化碳的蒸汽物流16，在圖1中示為物流71，來自儲(chǔ)罐的二氧化碳或來自更下游工藝過程的二氧化碳。還可以使用其它無(wú)氧氣體，如氮。
在汽提柱151中，除氧氣體上升與向下流動(dòng)的載有二氧化碳的吸收劑呈逆流流動(dòng)。汽提柱151包含柱內(nèi)部部件或傳質(zhì)部件，如塔板，或無(wú)規(guī)填料或結(jié)構(gòu)填料。隨著除氧氣體上升，在吸收劑中的氧從向下流動(dòng)的吸收劑中汽提出來進(jìn)入向上流動(dòng)的除氧氣體中，在汽提柱151頂部形成包含氧的除氧氣體，并進(jìn)入在汽提柱151底部的其中除去了氧的載有二氧化碳的吸收劑中。包含氧的清除氣體在柱151上部以物流150中提取。一般，物流150除了包含氧和其它物質(zhì)之外，還包含一些二氧化碳。此物流可以排入大氣中、原樣使用或與物流16中的最終產(chǎn)物二氧化碳混合，在圖1示為物流72。除去了氧的載有二氧化碳的吸收劑從柱151下部以物流153提取，該吸收劑通常包含小于2ppm，優(yōu)選小于0.5ppm的氧，吸收劑送至液體泵8并由此以物流9送至熱交換器10并通過熱交換器10，吸收劑經(jīng)間接換熱加熱至通常為90-120℃，優(yōu)選100-110℃的范圍。
已加熱的載有二氧化碳的吸收劑從熱交換器10以物流11進(jìn)入第二或主汽提柱12上部，柱頂部一般在100-110℃溫度操作，柱底部一般在119-125℃溫度操作。隨著已加熱的載有二氧化碳的吸收劑向下流經(jīng)汽提柱12，通過可以為塔板、或無(wú)規(guī)或結(jié)構(gòu)填料的傳質(zhì)部件，在吸收劑中的二氧化碳從吸收劑汽提至向上流動(dòng)的通常為水蒸汽的蒸汽中，生成富含二氧化碳的頂部蒸汽和殘留的吸收劑。富含二氧化碳的流體從汽提柱12上部以頂部蒸汽流13回收，通過回流冷凝器47，在冷凝器47中部分冷凝。所得到的兩相物流14送至回流罐或相分離器15，于其中分離為富含二氧化碳的氣體和冷凝物。富含二氧化碳的氣體從相分離器15以物流16除去，并作為二氧化碳濃度按干重計(jì)通常為95-99.9摩爾％的二氧化碳產(chǎn)物流體回收。本說明書中的“回收”是指作為最終產(chǎn)物回收或由于某種原因，如處理、進(jìn)一步使用、進(jìn)一步加工或螯合作用(sequestration)而分離。主要包含水和鏈烷醇胺的冷凝物從相分離器15以物流17提取，通過液體泵18并以物流19進(jìn)入汽提柱12的上部。
還包含水的有殘留含鏈烷醇胺的吸收劑從汽提柱12下部以物流20提取，并進(jìn)入再沸器21，在再沸器21中通過間接熱交換一般加熱至119-125℃。圖1所示的本發(fā)明具體實(shí)施方案中，再沸器21由壓力為28磅/平方英寸(psig)或更高的飽和蒸汽48驅(qū)動(dòng)，而蒸汽以物流49從再沸器21提取。在再沸器21中加熱含鏈烷醇胺的吸收劑逐出一些水，這些水以蒸汽形式以物流22由再沸器21進(jìn)入汽提柱12的下部，在汽提柱中作為上述向上流動(dòng)的蒸汽。所得到的含鏈烷醇胺的吸收劑由再沸器21以液體物流23提取。物流23的一部分24輸送到回收設(shè)備或純化設(shè)備25，在此，液體蒸發(fā)。在回收設(shè)備中加入堿灰(sodaash)或苛性鈉促進(jìn)任何降解副產(chǎn)物和熱穩(wěn)定胺鹽的沉淀作用。物流27示意任何降解副產(chǎn)物和熱穩(wěn)定胺鹽的處理。如圖1所示，已蒸發(fā)的胺溶液26可以重新引入汽提柱12。還可以將其冷卻并直接與進(jìn)入吸收柱4頂部的物流6混合。而且，如果不用如圖所示的回收設(shè)備25，也可以使用其它純化方法，如離子交換或電滲析。
已加熱的含鏈烷醇胺的吸收劑23的殘留部分148送入溶劑泵35并由此以物流29進(jìn)入并流經(jīng)熱交換器10，在熱交換器10中，起上述加熱載有二氧化碳的吸收劑的作用，由熱交換器10出來則為已冷卻的含鏈烷醇胺的吸收劑34。
物流34經(jīng)流經(jīng)冷卻器37而冷卻至約40℃，以形成冷卻的吸收劑38。物流38的一部分40流經(jīng)機(jī)械過濾器41，從過濾器41以物流42經(jīng)碳床過濾器(carbon bed filter)43，并從床層43以物流44經(jīng)機(jī)械過濾器45，以除去雜質(zhì)、固體物、降解副產(chǎn)物和熱穩(wěn)定的胺鹽。所得到的純化物流46與物流38的殘余物物流39再結(jié)合，形成物流55。儲(chǔ)罐30包含另外的用于補(bǔ)足的鏈烷醇胺。鏈烷醇胺吸收劑從儲(chǔ)罐30以物流31提取，通過液體泵32以物流33泵送至物流55。儲(chǔ)罐50包含補(bǔ)足用的水。水從儲(chǔ)罐50以物流51提取，并通過液體泵52以物流53泵送至物流55。物流33和53一起與物流55形成合并的吸收劑物流6，如上所述地進(jìn)入吸收柱4的上部。
圖2說明本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施方案，其中閃蒸罐和真空泵用于進(jìn)行載有二氧化碳的吸收劑的脫氧作用。圖2與圖1相同的部件的數(shù)字與圖1中的數(shù)字是相同的，這里就不再詳細(xì)討論這些相同的部件。
現(xiàn)參看圖2，載有二氧化碳的吸收劑7進(jìn)入閃蒸罐102中，在閃蒸罐中，其壓力用真空泵104從約大氣壓減壓至負(fù)壓，通常在1-10psia，優(yōu)選2-6psia。由于減壓的結(jié)果，溶解的氧從吸收劑中釋放出來。通常，減壓將導(dǎo)致吸收劑7中至少50％的溶解氧釋放出來。釋放的氧從閃蒸罐102的物流103排出，經(jīng)真空泵104，并以物流105從系統(tǒng)中排出。減壓將導(dǎo)致一些二氧化碳隨氧和其它物質(zhì)釋放出來。此物流可以排至大氣中、原樣使用或與最終產(chǎn)物二氧化碳混合。所得到的已除去氧的載有二氧化碳的吸收劑，通常包含小于2ppm的氧，優(yōu)選小于0.5ppm的氧，從閃蒸罐102以物流106提取，然后進(jìn)入液體泵8，并由液體泵8以物流9進(jìn)入并流經(jīng)熱交換器10以上述的結(jié)合圖1中所示的具體實(shí)施方案作進(jìn)一步處理。
本發(fā)明不同于常規(guī)系統(tǒng)，常規(guī)系統(tǒng)提供抑制劑以保護(hù)鏈烷醇胺不接觸氧，或在氧與鏈烷醇胺接觸之前就除去氧。申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)使氧和鏈烷醇胺混合，然后除去氧，這一安排看似效率低，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言可得到意想不到的的好處。
盡管本發(fā)明參照某些優(yōu)選具體實(shí)施方案進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到不超出本發(fā)明權(quán)利要求精神和范圍內(nèi)還有其它的本發(fā)明具體實(shí)施方案。例如，本發(fā)明可用于分離不同于或除了二氧化碳之外的其它化合物，如硫化氫。
權(quán)利要求
1.用于從含氧的原料混合物中回收被吸收物質(zhì)的設(shè)備，包括(A)吸收柱(4)、將含氧和被吸收物質(zhì)的原料混合物(3)輸送至吸收柱(4)下部的裝置和將包含至少一種鏈烷醇胺的吸收劑(6)輸送至吸收劑柱(4)上部的裝置；(B)氧分離器(151，102)和將流體(7)從此吸收柱(4)的下部送到氧分離器(151，102)中的裝置；(C)熱交換器(10)和將流體(9)從氧分離器(151，102)送至熱交換器(10)的裝置；(D)汽提柱(12)和將流體(11)從熱交換器(10)送至汽提柱(12)上部的裝置；和(E)從汽提柱(12)上部回收被吸收物質(zhì)(16)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中氧分離器包含氧汽提柱(151)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中氧分離器包含閃蒸罐(102)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包含再沸器(21)、將流體(20)從汽提柱下部輸送至再沸器的裝置、將流體(29)從再沸器(21)輸送至熱交換器(10)的裝置和將流體(34，6)從熱交換器(10)輸送至吸收柱(4)上部的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，還包含將流體(23，26)從再沸器(21)輸送至汽提柱(12)下部的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，還包含純化器(25)、將流體(23，24)從再沸器(21)輸送至純化器(25)的裝置和將流體(26)從純化器(25)輸送至汽提柱(12)下部的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中從汽提柱上部回收被吸收物質(zhì)的裝置包含冷凝器(47)和相分離器(15)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，還包含將流體(17，19)從相分離器(15)輸送至汽提柱(12)上部的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包含從氧分離器(151，102)回收被吸收物質(zhì)的裝置。
全文摘要
一種用于從含氧混合物中回收如二氧化碳的被吸收物質(zhì)的系統(tǒng)，其中二氧化碳在(4)中濃縮于含鏈烷醇胺的吸收流體中，將氧氣與吸收流體分離(151，102)，在(10)中加熱得到的流體，從吸收流體中蒸汽汽提(12)二氧化碳，然后將其回收。
文檔編號(hào)B01D53/62GK1499998SQ02807449
公開日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2002年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月31日
發(fā)明者S·查科拉瓦蒂, S 查科拉瓦蒂, A·古普塔, 賬 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司