способ доочистки двуокиси углерода от низкокипящих примесей

Формула изобретения

1. Способ доочистки двуокиси углерода от низкокипящих примесей, включающий сжатие исходной смеси в компрессоре, последовательное охлаждение в водяном холодильнике и теплообменнике-ожижителе, осушку, конденсацию и последующую доочистку в ректификационной колонне, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выходящий из переохладителя сдросселированный поток вторично дросселируют, подают на охлаждение части потока сжатой в компрессоре исходной смеси, а затем направляют на всасывание в компрессор.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике получения чистой двуокиси углерода и может быть использовано в пищевой промышленности, в машиностроении и в других отраслях промышленности.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Источники информации

1. Заявка ФРГ N 3639779, МКИ C 01 B 51/20, опубликована 01.06.88.

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