用于通過部分冷凝和滲透分離富含二氧化碳的氣體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過部分冷凝和滲透分離富含二氧化碳的氣體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]富含二氧化碳的氣體在干燥的基礎(chǔ)上包含至少65mol%、或至少80mol%或甚至至少90mol %的二氧化碳。
[0003]富含二氧化碳的氣體包含至少一種較輕的氣體，如氧氣、氮?dú)?、一氧化碳、氫氣?br>[0004]優(yōu)選地，其包含小于5mol%的甲烷，或者甚至小于2mol%的甲烷。
[0005]本文中與純度有關(guān)的所有的百分比都是摩爾百分比。
[0006]當(dāng)氣體的濃度足夠高(多30mol% )時(shí)，特別選擇低溫分離富含二氧化碳的氣體作為捕獲CO2的一種手段。在被冷卻之前(通常盡可能接近CO 2的三相點(diǎn))，通常氣體必須被干燥且其壓力必須增加，以便以期望的產(chǎn)率捕獲C02，因?yàn)楸举|(zhì)上是基于部分冷凝進(jìn)行分離。
[0007]如W0-A-2012/048078中所示，可以借助于放置在部分冷凝罐頂部的膜提高產(chǎn)率:具體來說，利用了將在膜中重復(fù)利用的不冷凝氣體的壓力。
[0008]膜將被選擇為，其中，0)2相對(duì)于其它化合物將優(yōu)先滲透，以從膜的滲透物中捕獲CO2O
[0009]能夠執(zhí)行這種分離的膜從W0-A-2011/084516和Kulkarni等人的“CO2Capture bySubambient Membrane Operat1n，，，2010NETL CO2Capture Technology 中已知。
[0010]在這些文獻(xiàn)中給出了適用于本發(fā)明的膜及其操作的詳細(xì)說明。
[0011]膜的入口氣體和滲透物之間的壓力損失涉及大的溫度下降。這個(gè)溫度下降將適用于滲透物和從該膜產(chǎn)生的殘余物，因?yàn)闈B透物將與殘余物進(jìn)行熱交換。
[0012]膜從而充當(dāng)熱交換器，使得在某些配置(如逆流)中殘余物的溫度下降大于滲透物。
[0013]此外，由于從冷凝罐生成的氣體處于相平衡和接近三相點(diǎn)，因此過大的溫度下降可以液化CO2，或者甚至使其凍結(jié)在膜中，這會(huì)降低膜的性能或甚至危及其完整性。
[0014]最后，如果殘余物和/或滲透物的溫度降到低于三相點(diǎn)的溫度(對(duì)于高的膜產(chǎn)率這將容易地實(shí)現(xiàn))，在交換器中從這些流體回收冷量將變得復(fù)雜。具體地說，由于這些流體特別冷，其將試圖冷卻co2。然后交換器(例如管或板)的表面溫度將非常低，待冷卻的CO2凝固的風(fēng)險(xiǎn)將非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明涉及膜的出口溫度的適應(yīng)，以便防止過度的低溫，該過度的低溫涉及在膜的出口處從流體回收冷量期間0)2凝固的風(fēng)險(xiǎn)。
[0016]因此，本發(fā)明在于將溫度下降限制為高于CO2的三相點(diǎn)的溫度，以便能夠確保通過膜分離產(chǎn)生的冷量在工藝的其余部分的再循環(huán)。
[0017]為了限制溫度下降，可以通過加熱罐的頂部以增加膜的操作溫度。
[0018]然后可以有幾個(gè)選擇:
[0019]-在主交換管線中加熱和回收來自從膜產(chǎn)生的流體的冷量(圖1);
[0020]-在專用熱交換器中加熱/升溫(圖2)，特別是當(dāng)交換管線被分成兩個(gè)部分，其中第二(最冷)部分使用防止冷箱(例如外殼和管道)凍結(jié)的技術(shù)時(shí)。
[0021]在該圖中，LP CO2在其膨脹之前與溫度顯著低于交換管線(具有較高的溫度)的溫度的所有氣體換熱而被過冷卻。以這種方式，這使得可以與處于相似溫度下的較熱流體換熱來回收低溫冷量，這通過最小化熱交換期間的放熱損失而優(yōu)化了系統(tǒng)；
[0022]-加熱相分離器的頂部和中間加熱(圖3)。當(dāng)溫度最低時(shí)低溫膜的性能更加有利。為了優(yōu)化膜分離，罐的頂部因此將比前述附圖中程度較低地被加熱，并且為了限制溫度下降，將在從第一批的模塊出現(xiàn)后和在進(jìn)入最后的膜模塊之前重新加熱。這兩個(gè)加熱操作可以如上所述在主交換管線或在專用交換器中進(jìn)行。
[0023]可以盡可能多次地重復(fù)中間加熱操作以便優(yōu)化該系統(tǒng)。
[0024]不論所選擇的方案如何，都要小心適應(yīng)在膜滲透物的通路中的交換器中的壓降。具體而言，由于在滲透物側(cè)的壓力特別低，氣體的體積流率非常高，這大大影響了交換器的尺寸。選擇高的壓降會(huì)使其能夠降低滲透物的流動(dòng)面積，從而降低交換器的尺寸。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)主題，提供了一種用于通過部分冷凝和滲透分離富含二氧化碳的氣體的方法，其中富含二氧化碳的氣體至少在第一熱交換器中被冷卻，在第一熱交換器中冷卻的富含二氧化碳的氣體或者由該氣體得到的流體在介于-50°C和_53°C之間的第一溫度下進(jìn)入第一相分離器，富含二氧化碳的液體被從第一相分離器提取出并用作產(chǎn)品或者被處理以使其富含更多二氧化碳，來自第一相分離器的貧含二氧化碳的氣體在沒有在第一相分離器的下游膨脹的情況下在第一交換器或第二交換器中被加熱到介于_35°C和_45°C之間的第二溫度，并且在該第二溫度下進(jìn)入滲透單元，經(jīng)加熱的氣體在滲透單元中經(jīng)歷至少一個(gè)滲透步驟以便產(chǎn)生至少兩種流體，所述至少兩種流體然后在貧化氣體于其中被加熱的交換器中被加熱，從滲透單元得到、在交換器中被加熱的流體(其以最低溫度離開滲透單元)處于_54°C以上的溫度。
[0026]根據(jù)其它可選方面:
[0027]-貧化氣體在第二交換器中被加熱，并且通過滲透得到的至少兩種流體在第二交換器中被加熱，第二交換器不用于冷卻富含二氧化碳的氣體；
[0028]-由處理富含二氧化碳的液體得到的流體在低于-40°C的溫度下被送到第二交換器，以便加熱貧化氣體和通過滲透得到的所述至少兩種流體；
[0029]-源自液體處理的流體是通過蒸餾產(chǎn)生并在閥中膨脹的包含至少90%二氧化碳的液體；
[0030]-所述貧化氣體像通過滲透得到的流體那樣在第一交換器中被加熱；
[0031]-所述滲透單元可執(zhí)行單一滲透步驟，所述滲透步驟的滲透物和殘余物被送到第一或第二熱交換器中加熱；
[0032]-所述滲透單元可執(zhí)行第一滲透步驟，該第一滲透步驟產(chǎn)生滲透物和殘余物，殘余物的至少一部分然后通過進(jìn)口溫度介于-40°C和_45°C之間的第二滲透步驟被分離，選自以下列表的至少兩種流體在第一或第二交換器中被加熱:來自第一步驟的殘余物的至少一部分和/或來自第二步驟的殘余物的至少一部分和/或來自第二步驟的滲透物的至少一部分和/或來自第一步驟的滲透物的至少一部分；
[0033]-富含二氧化碳的氣體在沒有通過滲透分離的情況下從第一熱交換器被送到第一相分離器；
[0034]-富含二氧化碳的氣體通過部分冷凝步驟被處理，所得到的氣體至少部分冷凝以便形成由富含二氧化碳的氣體得到的所述流體，所述流體進(jìn)入第一相分離器。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于通過部分冷凝和滲透分離富含二氧化碳的氣體的設(shè)備，該設(shè)備包括:第一熱交換器；用于傳送富含二氧化碳的氣體以至少在第一熱交換器中冷卻的裝置；第一相分離器；用于將在第一熱交換器中冷卻的富含二氧化碳的氣體或者由該氣體得到的流體在介于_50°C和_53°C之間的第一溫度下傳送到第一相分離器的裝置；用于從第一相分離器提取出富含二氧化碳的液體以便用作產(chǎn)品或者被處理以使其富含更多二氧化碳的裝置；用于傳送來自第一相分離器的貧含二氧化碳的氣體以使其升溫到第一交換器或第二交換器的中間溫度的裝置，該中間溫度是介于_35°C和_45°C之間的第二溫度，而沒有使貧含二氧化碳的氣體在第一相分離器的下游膨脹的裝置；用于將升溫的貧化氣體在第二溫度下傳送到滲透單元的裝置；用于從滲透單元提取出至少兩種流體的裝置；用于傳送所述至少兩種流體以便在貧化氣體于其中被加熱的交換器中被加熱的裝置，使得以最低溫度離開滲透單元的從滲透單元得到并在交換器中被加熱的流體處于-54°C以上的溫度。
【附圖說明】
[0036]下面將參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明。圖1至3示出根據(jù)本發(fā)明的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0037]在圖1中，氧-燃料燃燒單元I產(chǎn)生富含二氧化碳的氣體流3，該氣體流包含以干重計(jì)至少80%的二氧化碳，并且也包含至少氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?。所述氣體在第一熱交換器5中被冷