[发明专利]提高二氧化碳回收率的方法和设备

说明书

本发明一般地涉及提高常规的液化和蒸馏设备的二氧化碳回收率，更具体而言，涉及在冷凝和残余排气膨胀之前，采用二氧化碳排气压缩机增加排气压力来提高二氧化碳液化装置蒸馏塔的二氧化碳回收率。

二氧化碳通常是作为气体副产物从生产氨或氢以及从发酵车间获得的。人们已经知道采用蒸馏方法将气体副产物转化成纯的液态二氧化碳，回收率达94％(重量)以上。

生产液态二氧化碳采用的常规蒸馏塔一般在压力约260psia下操作，塔的冷凝器温度为约-25°F。在这些条件下，作为塔顶气流从塔顶排出的废气含约75％(体积)的二氧化碳。因此，作为废气损失的二氧化碳量约为进料中杂质含量的三倍。因此推断，二氧化碳的回收率随进料中二氧化碳浓度的降低而明显地下降。

普通的高纯度(例如按干基计算，二氧化碳超过98％)二氧化碳原料有效利用率低，迫使人们致力于技术的开发和设备的改进，以有效地回收和液化包含含量基本上较高的不能冷凝的杂质的气流。在二氧化碳液化设备的进料气流中存在大量的轻污染物时，由于进料/排气气流的露点抑制/降低，能有效地冷凝和纯化的二氧化碳量下降。美国专利4,639,257(′257专利)的图1和2用图解方式表示出这种露点抑制效应，其中如果气体混合物包含的二氧化碳浓度低于该混合物在冰点温度下的平衡浓度，就不能通过冷却和部分冷凝或冷却和蒸馏方法分离二氧化碳，因为二氧化碳在形成液体之前会结冰。在这种情况下，简单地降低致冷剂(例如氨)的初始冷凝温度来提高二氧化碳的回收率，往往会造成所不希望的设备复杂化和热力学性能不起作用。由于这些困难，改革二氧化碳的致冷装置仍不能触及包含在高压/残余二氧化碳气流中损失的功。

为了解决上述的问题进行过许多尝试。为了减少二氧化碳设备塔顶排气流中二氧化碳的损失，最早和最直接的方法是简单地降低排气流的冷凝温度。随着排气温度的降低，增加了冷凝和回收的二氧化碳份额。为了产生较低的排气冷凝温度，必须采用在低于常压下进行低温冷凝作业的致冷剂例如二氧化碳或氨。然而，由于氨饱和温度的热力学限度这一内在原因，提高塔的压力往往是唯一可利用的工艺变量，动力最大可使压力达到最高。但伴随塔压力的提高，工艺排气的压能损失也大幅度增加。尽管这些方案有它们的缺点，然而在工业上却一直采用它们，它们基本上是工业上提高现有设备二氧化碳回收率的标准方法。

最近推荐的一些方法，利用膜和/或吸附设备提高了从排气流中回收二氧化碳的回收率。在膜设备中，二氧化碳排气流经过膜优先扩散二氧化碳。然后将透过的气流/富集二氧化碳的气流重新加入进料压缩系统，返回的二氧化碳在该系统中被冷凝和回收。在′257专利以及美国专利4,602,477和4,936,887中公开了这种混合的膜方法。与此相似，有人推荐一些用于同样目的的吸附系统。在这些设备中，二氧化碳优先吸附到吸附剂上。然后使吸附容器减压，和/或抽取富集二氧化碳的脱吸气流，重新加入进料压缩和冷凝系统。在变压吸附设备中处理来自蒸馏塔的废气流，生产高度浓缩的二氧化碳气流，将其返回到二氧化碳进料中。美国专利4,952,223提供一个变压吸附(PSA)排气处理设备的实例，采用该设备由低浓度二氧化碳进料，特别是二氧化碳浓度为约35％至约98％(体积)的进料，生产纯的液态二氧化碳。

正如所指出的，有许多种复合方法能够通过扩散(膜)和/或吸附(PSA/VPSA)提高排气的二氧化碳回收率。一般说来，这些方法在操作和所需设备两个方面与本发明基本上不同。这些复合方法与本发明的性能的比较表明，这些设备具有几个附带的缺点。用于增加排气二氧化碳含量的膜和变压吸附设备的性能比通过在本发明中的部分冷凝和/或蒸馏所达到的性能差。更重要的是，膜和变压吸附设备不能减少残余排气流的压能损失。而且，膜和变压吸附设备也都是牺牲排气的压能。实际上，这两种方法基本上降低了富集的循环二氧化碳流(提余气体/脱吸气体)的压力。而且，由于循环气流的压力较低，这二种复合方法都必须另外安装循环压缩机或增加递增进料压缩机的尺寸。