專利名稱：高濃度二氧化碳排放氣制備食品級(jí)CO₂的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備食品級(jí)CO2的工藝方法，具體的說(shuō)是高濃度二氧化碳排放氣制備食品級(jí)CO2的工藝方法。
背景技術(shù)：
全球氣候變暖對(duì)人類以及整個(gè)地球環(huán)境可能產(chǎn)生的危害，已經(jīng)日益引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。為了遏制全球增暖趨勢(shì)，1997年通過(guò)的《京都議定書》將減少全球二氧化碳 (CO2)排放確定為今后的工作目標(biāo)。如何減少CO2的排放，成為各國(guó)政府以及科學(xué)家首要關(guān)心的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)排放的CO2主要來(lái)源于化肥廠尾氣、煉廠尾氣、發(fā)酵尾氣等，通過(guò)合適技術(shù)回收后用于食品、醫(yī)藥、焊割等行業(yè)，既能夠減少CO2的排放量，又可將其用于工業(yè)生產(chǎn)。分離提純二氧化碳?xì)怏w的方法有很多，根據(jù)二氧化碳的來(lái)源不同和用戶的要求不用，一般可分為化學(xué)法和物理法兩類?；瘜W(xué)法利用二氧化碳可以與堿性物質(zhì)反應(yīng)的原料進(jìn)行吸收分離；物理方法包括物理溶劑吸收法、吸附分離法、薄膜滲透法和低溫精餾法。低溫精餾法又稱加壓精餾工藝，在高濃度CO2排放氣制備食品級(jí)CO2的方法中，低壓法生產(chǎn)食品級(jí)CO2的壓力為1. 5MPaG,此壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度為-28. 5°C，此法雖然CO2壓縮機(jī)效率較高，但冷源溫度必須在_35°C左右才能液化，對(duì)氨冷凍系統(tǒng)的要求較高。中壓法生產(chǎn)食品級(jí)CO2的壓力一般為2. 5MPaG,如閆小茹等(《化工設(shè)計(jì)》，2008，18 (6))提出了一種加壓精餾工藝，首先將原料氣壓縮至2. 4MPaG,而后經(jīng)凈化處理后送至精餾裝置，并利用低壓蒸汽作為精餾裝置再沸器的熱源，其產(chǎn)品純度可達(dá)到99. 99%，但是由于需要消耗低壓蒸汽作為精餾塔的熱源，導(dǎo)致裝置的能耗增加。而高壓法生產(chǎn)食品級(jí)CO2時(shí)，CO2的制備壓力約8. OMPaG，此壓力超過(guò)CO2的臨界壓力，雖然用常溫水就可以冷卻液化，但至少要經(jīng)過(guò)4 5級(jí)壓縮，這樣不僅壓縮機(jī)功耗過(guò)多，而且系統(tǒng)耐壓要求高，對(duì)設(shè)備、管道、儀表等的要求更高。綜上所述，目前為止，上述幾種壓力下的制備工藝，其能耗損失均較大，導(dǎo)致制備工藝復(fù)雜、占地面積大、設(shè)備投資及運(yùn)行成本較高的問(wèn)題。并且經(jīng)精餾處理的不凝性氣體通常直接排放，冷量沒(méi)有得到很好的回收和利用，導(dǎo)致能耗增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種工藝流程最大優(yōu)化、系統(tǒng)運(yùn)行能耗低、占地面積小、投備投資及運(yùn)行成本低的高濃度二氧化碳排放氣制備食品級(jí)CO2的工藝方法。本發(fā)明工藝包括將高濃度CO2原料氣壓縮、凈化除雜、脫水、精餾以及冷卻得到食品級(jí)CO2,所述原料氣壓縮至4 6MPaG后，部分原料氣進(jìn)入精餾步驟中的CO2中壓低溫精餾塔為塔底再沸器供熱，換熱后的部分原料器再與剩余原料氣混合進(jìn)入凈化除雜步驟。所述精餾步驟中，精餾后得到的不凝性氣體與經(jīng)脫水步驟后得到的凈化原料氣進(jìn)行換熱，換熱后的不凝性氣體進(jìn)入脫水步驟的吸附器再生，再生后的尾氣排放。所述換熱后的部分原料氣與剩余原料氣混合后降溫至40°C以下再進(jìn)入凈化除雜步驟。所述部分原料氣占給壓縮后原料氣總體積的45 55%。所述不凝性氣體先進(jìn)行初次換熱至-15 _5°C后再與凈化原料氣進(jìn)行二次換熱至18 28°C后，再進(jìn)行三次換熱(再生加熱器)至180 200°C后進(jìn)入脫水步驟的吸附器再生。所述不凝性氣體先經(jīng)精餾步驟中的CO2中壓低溫精餾塔的內(nèi)置式換熱器進(jìn)行初次換熱。所述內(nèi)置式換熱器最好設(shè)置在CO2中壓低溫精餾塔的塔頂。所述精餾后得到的不凝性氣體在CO2中壓低溫精餾塔內(nèi)先進(jìn)行多級(jí)減壓至0. 2 0. 5MPaG后再進(jìn)行換熱，減壓獲得的冷量用于預(yù)冷進(jìn)入CO2中壓低溫精餾塔進(jìn)行精餾前的氣液混合物。所述多級(jí)減壓優(yōu)選二級(jí)或三級(jí)減壓，可以防止高壓的CO2僅經(jīng)一次減壓后形成干冰以及降低管道和設(shè)備的低溫材質(zhì)等級(jí)。所述氣液混合物是經(jīng)過(guò)脫水步驟后的凈化原料氣在二氧化碳液化器中被部分液化后形成的氣液混合物。所述的高濃度CO2排放氣(又稱高濃度CO2原料氣)的CO2濃度在60 % (mol % )以上，可以是以制氫、合成甲醇、合成氨、煉油、天然氣氣田或發(fā)酵等工業(yè)裝置中，以脫碳等CO2 富集工序所排放的高濃度CO2尾氣為原料氣，尤其以酸性氣體脫除工序副產(chǎn)的高濃度CO2排放氣最為適合。所述原料氣壓縮等級(jí)為4 6MPaG，優(yōu)選壓縮機(jī)出口的壓力為5. OMPaG。發(fā)明人對(duì)各種壓力下的加壓精餾工藝進(jìn)行了深入研究及分析，發(fā)現(xiàn)在將原料氣壓縮至4 6MPaG時(shí)， 既不會(huì)出現(xiàn)低溫法(1.5MPaG)中冷源溫度必須在_35°C左右才能液化，對(duì)氨冷凍系統(tǒng)的要求較高的問(wèn)題；未達(dá)到8MPaG，既未超出CO2的臨界壓力，又使壓縮機(jī)的耗能在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)不會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)耐壓要求高從而對(duì)設(shè)備耐壓要求高的問(wèn)題；在此4 6MPaG的壓力下，壓縮的原料力產(chǎn)生的熱量又充夠供給CO2中壓低溫精餾塔為塔底再沸器所需熱量，而無(wú)需另外消耗低壓蒸汽作為精餾塔的熱源，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量最大的利用及降低了能耗。所述壓縮后進(jìn)行換熱的部分原料氣的氣量可根據(jù)再沸器的熱負(fù)荷進(jìn)行合理選擇， 盡可能的利用此股廢熱，以使換熱后的部分原料氣與剩余原料氣能夠混合降溫至40°C以下為佳。進(jìn)一步，精餾后不凝性氣體需要在精餾塔內(nèi)進(jìn)行多級(jí)減壓(優(yōu)選二級(jí)或三級(jí))可以防止高壓的CO2 —次減壓后形成干冰以及降低管道和設(shè)備的低溫材質(zhì)等級(jí)，減壓時(shí)所產(chǎn)生的冷量用于預(yù)冷進(jìn)入CO2中壓低溫精餾塔進(jìn)行精餾前的原料氣，以進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能降耗的目的。減壓后的不凝性氣體可與經(jīng)脫水步驟后得到的凈化原料氣進(jìn)行換熱，以降低凈化原料氣的溫度，從而減少或無(wú)需另外使用其它冷卻介質(zhì)，減少設(shè)備投資和運(yùn)行成本，換熱后的不凝性氣體回送至進(jìn)入脫水步驟的吸附劑再生，所述脫水步驟的吸附器包括可切換的至少兩臺(tái)吸附器，工作時(shí)，至少一臺(tái)用于吸附處理凈化除雜后的原料氣，一臺(tái)用于再生處理?yè)Q熱后的不凝性氣體，不凝性氣體作為尾氣可直接排放，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。由于不凝性氣體溫度較低，考慮熱量交換和吸附器再生處理的優(yōu)化，最好對(duì)精餾后的不凝性氣體進(jìn)行三次換熱，在CO2中壓低溫精餾塔的內(nèi)置式換熱器進(jìn)行初次換熱，再與凈化原料氣進(jìn)行二次換熱，最后經(jīng)過(guò)再生換熱器進(jìn)行三次換熱，其優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的能量利用效率，減少用電消耗。有益效果
(1)充分利用工藝過(guò)程中反應(yīng)溫差進(jìn)行熱交換，最大程度上實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，進(jìn)而減少了原有熱交換所需設(shè)備的投資和運(yùn)行成本，相對(duì)于1. 5MPaG、2. 5MPaG、8. OMPaG 壓力等級(jí)下的流程運(yùn)行成本可大幅降低。(2)將不凝性氣體回收利用后可作為尾氣直接排放，不僅對(duì)環(huán)境友好，也減少了另行處理不凝性氣體所需的回流設(shè)備，進(jìn)一步降低了設(shè)備投資。(3)本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備耐壓或耐溫要求較低，占地面積小，操作簡(jiǎn)便、 易于控制，生產(chǎn)的液態(tài)食品級(jí)CO2符合國(guó)家食品級(jí)二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)要求，二氧化碳純度 ^ 99.9% (V/V)，雜質(zhì)總含量彡 0. 1% (V/V)。


圖1為本發(fā)明工藝流程圖。1-緩沖罐、2-原料氣壓縮機(jī)、3-脫油器、4-脫硫器、5-脫水塔、A-吸附器、B-吸附器、6-再生加熱器、7-二氧化碳換熱器、8-二氧化碳液化器、9-精餾塔、9. 1-內(nèi)置式換熱器。
具體實(shí)施例方式按10萬(wàn)噸/年食品級(jí)CO2設(shè)計(jì)，原料氣為合成氨裝置副產(chǎn)的高濃度二氧化碳排放氣，其具體規(guī)格見表1 表1原料氣技術(shù)規(guī)格
權(quán)利要求
1.一種高濃度二氧化碳排放氣制備食品級(jí)CO2的工藝方法，包括將高濃度CO2原料氣壓縮、凈化除雜、脫水、精餾以及冷卻得到食品級(jí)CO2，其特征在于，所述原料氣壓縮至4 6MPaG后，部分原料氣進(jìn)入精餾步驟中的CO2中壓低溫精餾塔為塔底再沸器供熱，換熱后的部分原料器再與剩余原料氣混合進(jìn)入凈化除雜步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述精餾步驟中，精餾后得到的不凝性氣體與經(jīng)脫水步驟后得到的凈化原料氣進(jìn)行換熱，換熱后的不凝性氣體進(jìn)入脫水步驟的吸附器再生，再生后的尾氣排放。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述換熱后的部分原料氣與剩余原料氣混合降溫至40°C以下再進(jìn)入凈化除雜步驟。
4.如權(quán)利要求1或3所述的工藝方法，其特征在于，所述部分原料氣占給壓縮后原料氣總體積的45 55%。
5.如權(quán)利要求2所述的工藝方法，其特征在于，所述不凝性氣體先進(jìn)行初次換熱至-15 一5°C后，再與凈化原料氣進(jìn)行二次換熱至18 28°C后，再進(jìn)行三次換熱至180 200°C后進(jìn)入脫水步驟的吸附器再生。
6.如權(quán)利要求2所述的工藝方法，其特征在于，所述不凝性氣體先經(jīng)精餾步驟中的CO2 中壓低溫精餾塔的內(nèi)置式換熱器進(jìn)行初次換熱。
7.如權(quán)利要求1或2或6所述的工藝方法，其特征在于，所述精餾后得到的不凝性氣體在CO2中壓低溫精餾塔內(nèi)先進(jìn)行多級(jí)減壓至0. 2 0. 5MPaG后再進(jìn)行換熱，減壓獲得的冷量用于預(yù)冷進(jìn)入CO2中壓低溫精餾塔的氣液混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高濃度二氧化碳排放氣制備食品級(jí)CO2的工藝方法，解決了現(xiàn)有食品級(jí)CO2制備工藝復(fù)雜、能耗高、設(shè)備投資大、運(yùn)行成本高、占地面積大的問(wèn)題。技術(shù)方案包括將高濃度CO2原料氣壓縮、凈化除雜、脫水、精餾以及冷卻得到食品級(jí)CO2，其特征在于，所述原料氣壓縮至4-6MPaG后，部分原料氣進(jìn)入精餾步驟中的CO2中壓低溫精餾塔為塔底再沸器供熱，換熱后的部分原料器再與剩余原料氣混合進(jìn)入凈化除雜步驟。本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)運(yùn)行能耗低、占地面積小、投備投資及運(yùn)行成本低。
文檔編號(hào)C01B31/20GK102502634SQ20111036422
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者嚴(yán)義剛, 任春芳, 劉偉, 夏炎華, 徐建民, 李繁榮, 楊建國(guó), 皮金林, 鞠水清 申請(qǐng)人:中國(guó)五環(huán)工程有限公司