本實用新型涉及化工領域，具體而言，涉及一種二氧化碳液化提純的設備。

背景技術：

溫室氣體的大量排放會導致全球氣候變暖，而CO2(二氧化碳)是排量最大的溫室氣體，同時CO2又是一種重要資源，不僅用途廣泛且需求量日益增大，如制冷劑、食品添加劑、滅火劑、化工原料、油氣開采、農業(yè)生產等。若將含有CO2的原料氣簡單地排放進入大氣中，不僅造成了碳資源的浪費，還會造成大氣環(huán)境的污染。

現有的CO2回收的方法主要有膜吸收法、變壓吸附法、化學吸收法和低溫分離法，目的就是將原料氣中的雜質進行分離，從而制造出純凈的CO2產品。膜吸收法、變壓吸附法和化學吸收法得到的二氧化碳產品純度低，且為氣態(tài)，運輸不方便。

而現有技術中的低溫分離法作為可以獲得液態(tài)二氧化碳的分離方式，需要首先將含有二氧化碳的原料氣進行壓縮后再做處理，整個分離系統(tǒng)需要在高壓下運行，導致設備投資較大、能耗偏高、工藝復雜和安全風險加大等缺陷。

技術實現要素：

有鑒于此，本實用新型提供了一種二氧化碳液化提純的設備，以改善現有技術中二氧化碳液化提純需要在高壓環(huán)境下運行而導致的設備投資較大、能耗偏高、工藝復雜和安全風險加大等問題。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

一種二氧化碳液化提純的設備，包括第一冷凝器、第二冷凝器、氣液分離器以及精餾塔，其中，所述第一冷凝器設置有被冷凝物入口、被冷凝物第一氣相出口、第一冷凝物入口、第一冷凝物出口，所述第二冷凝器包括被冷凝物第一氣相入口、被冷凝物氣液混合物出口、第三冷凝物入口以及第三冷凝物出口，其中，所述被冷凝物第一氣相入口與所述被冷凝物第一氣相出口連通，所述氣液分離器包括被冷凝物氣液混合物入口、被冷凝物第二氣相出口以及被冷凝物第二液相出口，其中，所述被冷凝物氣液混合物入口與所述被冷凝物氣液混合物出口連通，所述精餾塔包括被冷凝物第二氣相入口、被冷凝物第二液相入口、液體二氧化碳出口以及第三氣相出口，所述被冷凝物第二氣相入口與所述被冷凝物第二氣相出口連通，所述被冷凝物第二液相入口與所述被冷凝物第二液相出口連通；所述第一冷凝器用于將含二氧化碳的原料氣冷凝至第一溫度，形成第一液相以及第一氣相，所述第二冷凝器用于將所述第一氣相冷凝至第二溫度，形成包括第二氣相以及第二液相的氣液混合物，所述氣液分離器用于將所述氣液混合物分離成第二氣相以及第二液相，所述精餾塔用于對第二氣相提純得到第三氣相，所述精餾塔對第二液相提純獲得液體二氧化碳。

本實用新型實現的有益效果：本實用新型實施例通過第一冷凝器將原料氣冷凝至第一溫度，使原料氣中沸點高于二氧化碳的氣體成分液化，去除原料氣中沸點比二氧化碳高的氣體成分，再通過第二冷凝器將剩余的原料氣冷凝至第二溫度，使原料氣中的二氧化碳成分冷凝為液態(tài)，剩余的原料氣中其他氣體成分仍為氣態(tài)，通過氣液分離并通過精餾塔精餾提純獲得純度較高的液體二氧化碳。

附圖說明

為了更清楚的說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出了本實用新型第一實施例提供的二氧化碳液化提純的設備一種結構示意圖；

圖2示出了本實用新型第一實施例提供的二氧化碳液化提純的設備另一種結構示意圖；

圖3示出了本實用新型第一實施例提供的二氧化碳液化提純的設備又一種結構示意圖；

圖4示出了本實用新型第二實施例提供二氧化碳液化提純的方法的流程圖。

其中，附圖標記匯總如下：

二氧化碳液化提純的設備 100，第一冷凝器 110，第二冷凝器 120，氣液分離器 130，精餾塔 140，過冷器 150，被冷凝物入口 111，被冷凝物第一氣相出口 112，第一冷凝物入口 113，第一冷凝物出口 114，第二冷凝物入口 115，第二冷凝物出口 116，被冷凝物第一氣相入口 121，被冷凝物氣液混合物出口 122，第三冷凝物入口 123，第三冷凝物出口 124，第四冷凝物入口 125，第四冷凝物出口 126，第五冷凝物入口 127，第五冷凝物出口 128，被冷凝物氣液混合物入口 131，被冷凝物第二氣相出口 132，被冷凝物第二液相出口 133，被冷凝物第二氣相入口 141，被冷凝物第二液相入口 142，液體二氧化碳出口 143，第三氣相出口 144，液體二氧化碳入口 151，第二液體二氧化碳出口 152，冷源泵 161，換熱器 162，冷媒泵 163，第一發(fā)電機 164，第二發(fā)電機 165。

具體實施方式

現有技術將含二氧化碳氣體成分的原料氣中的二氧化碳分離為純度較高的液態(tài)二氧化碳，常需要進行加壓處理，使分離過程在高壓環(huán)境下進行，對設備的要求較高，能耗更高，工藝復雜。

鑒于上述情況，發(fā)明人經過長期的研究和大量的實踐，提供了一種二氧化碳液化提純的設備以改善現有問題。該設備通過對原料氣進行兩次冷凝，將原料氣中的二氧化碳分離出來，獲得液態(tài)的二氧化碳。

下面將結合本實用新型實施例中附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例?；诒緦嵱眯滦偷膶嵤├绢I域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

第一實施例

本實施例提供了一種二氧化碳液化提純的設備100，請參見圖1，該設備包括第一冷凝器110、第二冷凝器120、氣液分離器130以及精餾塔140，并且第一冷凝器110、第二冷凝器120、氣液分離器130以及精餾塔140依次連通。該二氧化碳液化提純的設備100用于將含有二氧化碳氣體的原料氣中的二氧化碳分離成液態(tài)二氧化碳并提純。

具體的，所述第一冷凝器110設置有被冷凝物入口111、被冷凝物第一氣相出口112、第一冷凝物入口113、第一冷凝物出口114。該第一冷凝器110用于將原料氣冷凝至第一溫度，該第一溫度高于二氧化碳的沸點，低于原料氣中沸點高于二氧化碳的氣體成分的沸點，以使所述原料氣中沸點高于二氧化碳的氣體成分液化，形成第一液相，所述原料氣中二氧化碳以及其他沸點低于二氧化碳的氣體成分形成第一氣相。

對于第一冷凝器110，被冷凝物入口111用于原料氣的輸入，被冷凝物第一氣相出口112用于將經第一冷凝器110冷凝后仍成氣體狀態(tài)的第一氣相輸出。第一冷凝物入口113用于作為第一冷凝器110中冷凝介質的第一冷凝介質的輸入，該第一冷凝介質將進入該第一冷凝器110的原料氣冷凝至第一溫度，第一冷凝物出口114用于將在冷凝過程中吸熱升溫的第一冷凝介質排出。

進一步的，在本實施例中，還可以包括被冷凝物第一液相出口，用于將經第一冷凝器110冷凝后形成的第一液相排出。

進一步的，如圖1所示，在本實施例中，第一冷凝器110還包括第二冷凝物入口115以及第二冷凝物出口116，該第二冷凝物入口115可以用于作為第一冷凝器110的冷凝介質的另一種第一冷凝介質輸入該第一冷凝器110，該另一種冷凝介質為不同于第一冷凝物入口113輸入的冷凝介質，第二冷凝物出口116用于該另一種第一冷凝介質的排出。當然，第一冷凝物入口113以及第二冷凝物入口115也可以用于輸入同樣的冷凝介質作為第一冷凝介質。

二氧化碳的沸點為-56.6攝氏度，在本實施例中，第一溫度的范圍為-5攝氏度至-30攝氏度，第一冷凝介質的溫度低于第一溫度。

在本實施例中，第一冷凝器可以是多介質板式換熱器。

在本實施例中，所述第二冷凝器120包括被冷凝物第一氣相入口121、被冷凝物氣液混合物出口122、第三冷凝物入口123以及第三冷凝物出口124。該第二冷凝器120用于將第一冷凝器110排出的第一氣相冷凝至第二溫度，所述第二溫度低于二氧化碳的沸點，高于所述第一氣相中其他氣體成分的沸點，使所述第一氣相中沸點低于二氧化碳的氣體成分仍為氣態(tài)狀態(tài)，形成第二氣相，使所述第一氣相中二氧化碳氣體成分液化，形成第二液相。

對于第二冷凝器120，所述被冷凝物第一氣相入口121與所述第一冷凝器110中的被冷凝物第一氣相出口112連通，該被冷凝物第一氣相入口121用于輸入第一冷凝器110中形成的第一氣相。在本實施例中，第二冷凝器120中形成的第二氣相以及第二液相形成氣液混合物，第二冷凝器120的被冷凝物氣液混合物出口122用于將形成的氣液混合物輸出。第三冷凝物入口123用于作為第二冷凝器120中冷凝介質的第二冷凝介質的輸入，該第二冷凝介質將進入該第二冷凝器120的第二氣相冷凝至第二溫度，第三冷凝物出口124用于將在冷凝過程中吸熱升溫的第二冷凝介質排出。

進一步的，如圖1所示，在本實施例中，第二冷凝器120還包括第四冷凝物入口125以及第四冷凝物出口126，該第四冷凝物入口125可以用于作為第二冷凝器120的冷凝介質的另一種第二冷凝介質輸入該第二冷凝器120，該另一種冷凝介質為不同于第三冷凝物入口123輸入的冷凝介質，第四冷凝物出口126用于該另一種第一冷凝介質的排出。當然，第三冷凝物入口123以及第四冷凝物入口125也可以用于輸入同樣的冷凝介質作為第二冷凝介質。

在本實施例中，第二溫度的范圍為-65攝氏度至-55攝氏度，第二冷凝介質的溫度低于第二溫度。

在本實施例中，第二冷凝器可以是多相流管殼式換熱器。

請參見圖1，本實施例提供的二氧化碳液化提純的設備100還包括氣液分離器130。如圖1所示，所述氣液分離器130包括被冷凝物氣液混合物入口131、被冷凝物第二氣相出口132以及被冷凝物第二液相出口133。該氣液分離器130用于將第二冷凝器120中形成的氣液混合物進行氣液分離，得到第二氣相以及第二液相。

具體的，該氣液分離器130的被冷凝物氣液混合物入口131與第二冷凝器120的所述被冷凝物氣液混合物出口122連通，以使第二冷凝器120形成的氣液混合物進入該氣液分離器130。該氣液分離器130的被冷凝物第二氣相出口132用于將分離出的第二氣相排出，被冷凝物第二液相出口133用于將分離出的第二液相排出。

如圖1所示，本實用新型實施例還包括所述精餾塔140。該精餾塔140包括被冷凝物第二氣相入口141、被冷凝物第二液相入口142、液體二氧化碳出口143以及第三氣相出口144。

進一步的，在本實施例中，精餾塔140的被冷凝物第二氣相入口141設置于所述精餾塔140底部，所述被冷凝物第二液相入口142設置于所述精餾塔140頂部，并且被冷凝物第二氣相入口141以及被冷凝物第二液相入口142均設置于精餾塔的側面。同時，所述液體二氧化碳出口143設置于所述精餾塔140底部，所述第三氣相出口144設置于所述精餾塔140頂部。該精餾塔140用于對進入精餾塔140的第二氣相以及第二液相進行精餾提純，第二氣相精餾提純得到第三氣相，第二液相精餾提純得到液體二氧化碳。

在本實施例中，精餾塔140的被冷凝物第二氣相入口141與氣液分離器130的被冷凝物第二氣相出口132連通，使氣液分離器130中分離出的第二氣相進入該精餾塔140，精餾塔140的被冷凝物第二液相入口142與氣液分離器130的所述被冷凝物第二液相出口133連通，使氣液分離器130中分離出的第二液相進入該精餾塔140。精餾塔140的第三氣相出口144用于精餾提純得到的第三氣相的排出，液體二氧化碳出口143用于將精餾提純得到的液體二氧化碳排出，使用戶可以對排出的液體二氧化碳進行收集，獲得從原料氣中分離提純得到的液體二氧化碳。

進一步的，如圖2所示，本實用新型實施例還包括過冷器150，該過冷器150包括液體二氧化碳入口151以及第二液體二氧化碳出口152，其中，液體二氧化碳入口151與精餾塔140的液體二氧化碳出口143連通，精餾塔140精餾提純得到的液體二氧化碳經所述液體二氧化碳入口151進入過冷器150，過冷器150將該液體二氧化碳過冷，使液體二氧化碳的溫度更低，低于沸點一定度數，再從所述第二液體二氧化碳出口152排出，以對過冷后的液體二氧化碳收集儲存。該過冷器可以為管殼式換熱器。

進一步的，如圖3所示，在本實施例中，所述精餾塔140的第三氣相出口144與所述第一冷凝器110的第一冷凝物入口113連通，用于將精餾塔140對第二氣相提純后獲得的第三氣相作為第一冷凝器110中的第一冷凝介質?？梢岳斫獾?，第二溫度低于第一溫度，則在第二冷凝器120的冷凝后的第三氣相的溫度低于或等于第一溫度，可以將第三氣相作為第一冷凝器110中的冷凝介質，充分利用能源。通常的，第三氣相的溫度在-55攝氏度左右。

進一步的，如圖3所示，本實施例提供的二氧化碳液化提純的設備100中的第二冷凝器120的第三冷凝物入口123與朗肯循環(huán)的冷媒泵163相連，所述第三冷凝物出口124與所述朗肯循環(huán)的第一發(fā)電機164相連。

具體的，請參見圖3，所述朗肯循環(huán)還包括冷源泵161以及換熱器162，所述冷源泵161、換熱器162、冷媒泵163、第二冷凝器120以及第一發(fā)電機164依次連通，所述第一發(fā)電機164再與所述換熱器162相連通。所述冷源泵161用于輸入作為冷源的低溫液體，所述換熱器162用于通過所述冷源將第一發(fā)電機164輸出的冷媒降溫冷卻液化，再輸出到冷媒泵163，所述冷媒泵163用于將所述換熱器162輸出的冷媒加壓后輸送到所述第二冷凝器120，在第二冷凝器120中汽化升溫，所述換熱器162輸出的冷媒作為所述第二冷凝器120中的冷凝介質，即換熱器162輸出的冷媒作為第二冷凝介質。所述冷媒在所述第二冷凝器120中升溫后進入所述第一發(fā)電機164，以實現在第一發(fā)電機164中膨脹并對外做功發(fā)電。

朗肯循環(huán)中的冷媒的升溫過程與該設備中第一氣相冷凝至第二溫度的降溫過程相結合，實現了能量的充分利用。

在本實施例中，冷媒在換熱器162中換熱降溫后溫度低于第二溫度，在第一發(fā)電機164中發(fā)電后輸出的冷媒溫度高于冷源。

進一步的，如圖3所示，在本實施例中，所述朗肯循環(huán)還包括第二發(fā)電機165，所述第四冷凝物入口125與朗肯循環(huán)的換熱器162相連，所述第四冷凝物出口126與所述朗肯循環(huán)的第二發(fā)電機165的入口相連，所述朗肯循環(huán)的換熱器162中的冷源用于將冷媒降溫后，該冷源升溫，所述換熱器162中升溫后的冷源從第四冷凝物入口125輸入到所述第二冷凝器120，作為所述第二冷凝器120中的冷凝介質，所述冷源在所述第二冷凝器120中再次升溫后進入所述第二發(fā)電機165發(fā)電。

在本實施例中，朗肯循環(huán)中在換熱器162中將冷媒降溫后的冷源升溫，其溫度仍然低于第二溫度，從第四冷凝物入口125進入第二冷凝器120作為第二冷凝器120中的冷凝介質，在第二冷凝器120中升溫后進入第二發(fā)電機165進行發(fā)電。

進一步的，在本實施例中，所述第二冷凝器120包括第五冷凝物入口127、第五冷凝物出口128，所述第二發(fā)電機165的出口與所述第五冷凝物入口127相連，所述第五冷凝物出口128與所述過冷器150相連，在所述第二發(fā)電機165中發(fā)電后的冷源從所述第二發(fā)電機165的出口排出，從第五冷凝物入口127進入第二冷凝器120，在第二冷凝器120中作為冷凝介質對第一氣相進行降溫，同時，從第五冷凝物入口127進入的冷源在第二冷凝器120中升溫，再從第五冷凝物出口128排出到過冷器150。進入所述過冷器150的冷源用于對過冷器150中的液體二氧化碳進行降溫過冷，如圖3所示，再從過冷器150進入所述第一冷凝器110的第二冷凝物入口115，從而進入第一冷凝器110，作為所述第一冷凝器110中的冷凝介質，在所述第一冷凝器110中升溫后從所述第二冷凝物出口116排出。當然，可以理解的，排出后的冷源可以再利用，并且，冷源在吸熱過程中狀態(tài)可能發(fā)生變化，如從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。如朗肯循環(huán)中的冷源是液氮，則從第一冷凝器110的第二冷凝物出口116排出的為氮氣，可作為高純氮氣再利用。

可以理解的，在朗肯循環(huán)中，從第二發(fā)電機165輸出的冷源溫度仍然低于第二溫度，可以作為第二冷凝器120中的冷凝介質。并且，從第五冷凝物出口128進入過冷器150的冷源溫度仍然低于二氧化碳的沸點，可以作為過冷器150中過冷液體二氧化碳的冷凝介質。冷源在經過冷器150進入第一冷凝器110，其溫度低于第一溫度，可以作為第一冷凝器110中的冷凝介質。

當然，在本實施例中，選用的冷媒以及冷源均滿足們實施例的應用要求，如冷源可以是液氮、液氬等低溫液體，冷媒可以是甲烷，冷源和冷媒在循環(huán)過程中狀態(tài)不一定。并且，可以理解的，在本實施例中，圖1、圖2及圖3中的箭頭僅用于表示氣體或液體的流向。

第二實施例

本實施例提供了一種二氧化碳液化提純的方法，請參見圖4，該方法包括：

步驟S210：將原料氣冷凝至第一溫度，所述第一溫度高于二氧化碳的沸點，所述第一溫度低于所述原料氣中沸點高于二氧化碳的氣體成分的沸點，使所述原料氣中沸點高于二氧化碳的氣體成分液化，形成第一液相，所述原料氣中二氧化碳以及其他沸點低于二氧化碳的氣體成分形成第一氣相。

具體的，在本步驟中，通過第一冷凝介質將原料氣冷凝至第一溫度，所述第一冷凝介質的溫度低于所述第一溫度。

步驟S220：將所述第一氣相冷凝至第二溫度，所述第二溫度低于二氧化碳的沸點，高于所述第一氣相中其他氣體成分的沸點，使所述第一氣相中沸點低于二氧化碳的氣體成分形成第二氣相，使所述第一氣相中二氧化碳氣體成分形成第二液相。

具體的，在本步驟中，通過第二冷凝介質將第一氣相冷凝至第二溫度，所述第二冷凝介質的溫度低于所述第二溫度。

可以理解的，在本步驟中，將第一氣相冷凝至第二溫度后，獲得氣液混合物，將氣液混合物經氣液分離器氣液分離獲得第二氣相以及第二液相。

步驟S230：對所述第二液相進行精餾提純得到液體二氧化碳。

優(yōu)選的，在本實施例中，所述第一溫度的范圍為-5攝氏度至-30攝氏度。

優(yōu)選的，在本實施例中，所述第二溫度的范圍為-65攝氏度至-55攝氏度。

進一步的，在本實施例中，所述第一冷凝介質為對第二氣相精餾提純后的氣相；或者所述第一冷凝介質為將第一氣相冷凝后的第二冷凝介質。

進一步的，在本實施例中，所述第二冷凝介質為朗肯循環(huán)中的冷媒，所述冷媒將第一氣相冷凝至第二溫度，所述冷媒吸熱升溫，用于在朗肯循環(huán)中的第一發(fā)電機發(fā)電。

進一步的，所述第二冷凝介質為朗肯循環(huán)中的冷源，所述冷源將第一氣相冷凝至第二溫度，所述冷源吸熱升溫，用于在朗肯循環(huán)中的第二發(fā)電機發(fā)電。

進一步的，本實施例中，還包括將所述液體二氧化碳過冷操作，使所述液體二氧化碳的溫度低于沸點以進行儲存。

在實際應用中，利用本實用新型實施例提供的二氧化碳液化提純的設備對某煤制甲醇企業(yè)排放的二氧化碳尾氣進行處理，該尾氣作為原料氣，各個主要組份的體積百分比及各組分物理性質如下表1：

表1

對成分為表1所示的原料氣經第一冷凝器冷凝至-5攝氏度至-30攝氏度后，獲得的第一氣相組分含量如下表2：

表2

將表2中的第一氣相經第二冷凝器冷凝至-60±5攝氏度形成氣液混合物，將所述氣液混合物通過氣液分離器分離，氣相進入精餾塔塔底，液相進入精餾塔塔頂，兩相進行精餾提純，塔底得到高純度液體二氧化碳經過冷器過冷送入產品儲槽，產品儲槽里的二氧化碳純度如下表3：

表3

從表3中可以看出，本實施例提供的設備得到的二氧化碳產品純度比較高。

綜上所述，本實用新型實施例提供的二氧化碳液化提純的設備，通過第一冷凝器110將含二氧化碳的原料氣冷凝至第一溫度，將原料氣中沸點高于二氧化碳的成分去除，得到含二氧化碳的第一氣相，再通過第二冷凝器120將第一氣相冷凝至第二溫度，將第一氣相中沸點低于二氧化碳的成分去除，得到液體二氧化碳，不需在高壓環(huán)境下進行。同時，和朗肯循環(huán)的發(fā)電過程相結合，實現能量的充分利用。

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，上面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行了清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以上對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。