Способ очистки диоксида углерода от низкокипящих примесей

 

Использование: получение высокочистого СО₂, применяемого в различных процессах пищевых технологий и других отраслях науки и техники. Сущность изобретения: использование для получения необходимого потока пара в ректификационной колонне части потока исходной смеси, отбираемого в испаритель колонны непосредственно после последней ступени компрессора без предварительного охлаждения. Подача в испаритель части исходной смеси после последней ступени компрессора обеспечивает наличие высокого температурного напора между кипящей кубовой жидкостью и охлаждающимся или конденсирующимся в трубках испарителя потоком исходной смеси в кубе колонны, что снижает величину потока, направляемого в испаритель, и уменьшает его теплопередающую поверхность. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к низкотемпературной технике получения жидкой CO₂ высокой чистоты, используемой в различных процессах пищевых технологий и других отраслях науки и техники.

Известен способ получения жидкой или газообразной двуокиси углерода, включающий в себя адсорбционную осушку сжатой газообразной CO₂, последующее ее охлаждение и частичную конденсацию с дальнейшим разделением CO₂ в смеси с легкокипящими компонентами в ректификационной колонне [1] В результате ректификации в кубе колонны получают продукционную жидкую CO₂.

Однако данный способ обеспечивает получение продукционной CO₂, в которой концентрация CO₂ по объему не превышает 98,5%. Кроме того, поступающий на разделение перед подачей в испаритель колонны поток CO₂ дополнительно охлаждается в рекуперативном теплообменнике перед колонной, что снижает удельное количество теплоты, отводимой от него в испарителе, и, как следствие, приводит к необходимости увеличения величины этого потока и теплопередающей поверхности испарителя колонны. Схема установки, реализующей данный способ, достаточно сложна, так как для обеспечения необходимой холодопроизводительности в ней используется двухступенчатый турбодетандер, а подогрев потоков CO₂, полученных после расширения в турбодетандерах, осуществляется в многопоточном теплообменнике.

Некоторых недостатков данного способа лишен способ извлечения CO₂, предложенный в [2]. Согласно этому способу сырой газообразный диоксид углерода получают в печах отжига известняка. Очистка сырого газообразного диоксида углерода включает в себя сжатие его в компрессоре, охлаждение в водяном холодильнике, осушку от паров H₂O в адсорбционном блоке осушки, сжижение в ожижителе CO₂ с внешним источником охлаждения и последующее разделение с очисткой от низкокипящих примесей в ректификационной колонне, из куба которой чистый жидкий диоксид углерода откачивается насосом потребителю.

Однако определенным недостатком данного способа является то, что после конденсации всего потока исходной смеси и его последующего ввода в ректификационную колонну не ясно, как обеспечивается нормальная работа колонны, так как в ней отсутствуют кипятильник или испаритель части кубовой жидкости, что не позволяет обеспечить получение необходимого потока пара для процесса ректификации, и дефлегматор, который обеспечивал бы в верху колонны конденсацию части парового потока с получением необходимого потока флегмы для процесса ректификации.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработать способ очистки диоксида углерода от низкокипящих примесей, в котором по сравнению с прототипом будет обеспечено получение жидкой CO₂ высокой чистоты без использования внешних источников подогрева с одновременной очисткой в ректификационной колонне парового и жидкостного потоков исходной смеси.

Технический результат, который может быть получен при применении заявляемого способа, заключается в использовании для получения необходимого потока пара в ректификационной колонне части потока исходной смеси, отбираемого в испаритель колонны непосредственно после последней ступени компрессора без предварительного охлаждения, с последующим его охлаждением или конденсацией в испарителе и подачей на разделение на верх колонны после дросселирования, что обеспечивает наличие достаточно высокого температурного напора в кубе колонны между кипящей кубовой жидкостью и охлаждающимся или конденсирующимся в трубках испарителя потоком исходной смеси и уменьшение теплопередающей поверхности испарителя. Кроме того, подача всего потока разделяемой смеси в ректификационную колонну или в виде двух потоков пара и жидкости, или только в виде одного потока жидкости, поступающего на верх колонны, позволяет повысить степень извлечения конечного продукта в виде жидкой CO₂ высокой чистоты.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки диоксида углерода от низкокипящих примесей, включающем сжатие очищаемой исходной смеси в компрессоре, охлаждение в холодильнике, отделение капельной влаги во влагоотделителе, а паров H₂O в адсорбционном блоке осушки, последующее охлаждение и конденсацию исходной смеси в испарителе холодильной машины, дросселирование жидкой смеси в ректификационную колонну и отделение в ректификационной колонне низкокипящих примесей с получением в нижнем продукте колонны высокочистой жидкой CO₂, согласно изобретению для получения необходимого потока пара, поднимающегося по колонне, в испаритель колонны отбирается часть сжатой в компрессоре газообразной исходной смеси, не прошедшей охлаждение в холодильнике.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что при подаче в установку исходной смеси, свободной от водяных паров, поток исходной смеси, отбираемый в испаритель, конденсируют и подают на верх ректификационной колонны, а при наличии в исходной смеси водяных паров поток исходной смеси, выходящий из испарителя, направляют на смешение с основным потоком газообразной исходной смеси, поступающей во влагоотделитель.

Для достижения указанного технического результата часть основного потока исходной смеси отбирается перед ректификационной колонной и дросселируется в куб колонны, а образовавшиеся при дросселировании пары поднимаются по ректификационной колонне для разделения. Это уменьшает тепловую нагрузку на испаритель колонны и соответственно снижает его теплопередающую поверхность.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что пары, выходящие из дефлегматора ректификационной колонны, смешивают с парами, выходящими из промежуточной емкости и емкости продукционной CO₂, и дополнительно разделяют в конденсаторе-испарителе. Очистка этих потоков от низкокипящих примесей позволяет дополнительно получить некоторое количество продукционной CO₂.

Достижению указанного технического результата способствует то, что поток очищенной CO₂ после блока осушки конденсируют в водяном холодильнике-конденсаторе и дополнительно переохлаждают в испарителе холодильной машины. Переохлаждение потока разделяемой смеси позволяет максимально увеличить содержание жидкой фазы, подаваемой на разделение, и дает возможность отказаться от включения в схему установки дефлегматора.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены принципиальные схемы установок для осуществления данного способа. Установка, показанная на фиг. 1, предназначена для очистки CO₂ от низкокипящих примесей при наличии в исходной смеси паров H₂O. Установка для очистки диоксида углерода от низкокипящих примесей содержит компрессор 1, водяной холодильник 2, влагоотделитель 3, блок адсорбционной осушки исходной смеси 4, охладитель-конденсатор 5 с холодильной машиной 6, ректификационную колонну 7 с испарителем 8, дроссельные вентили 9 и 10, дефлегматор 11, промежуточную емкость 12, емкость высокочистой жидкой CO₂ 13, конденсатор-испаритель 14 и вентили 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 и 23, установленные на технологических потоках.

Способ осуществляется следующим образом. Поток исходной смеси, в котором содержание CO₂ по объему может достигать 98%, сжимается в компрессоре 1 до давления 6,7-7,1 МПа и затем распределяется на два потока. Большая часть через вентиль 16 поступает в холодильник 2, где охлаждается водой. При этом из потока исходный смеси конденсируется часть водяных паров, и образовавшийся конденсат отделяется во влагоотделителе 3. Дальнейшая осушка смеси осуществляется в цеолитовых адсорберах 4. Осушенная смесь поступает в конденсатор 5, являющийся испарителем холодильной машины 6, где дополнительно охлаждается и конденсируется. После конденсатора поток смеси делится на две части. Одна часть через дроссельный вентиль 10 дросселируется в верхнюю часть ректификационной колонны 7, а вторая - через дроссельный вентиль 9 дросселируется в куб этой колонны. Из потока парожидкостной смеси, подаваемой в верхнюю часть колонны 7, поток жидкости стекает по колонне, встречая на своем пути поднимающийся поток пара. Этот поток образуется из трех потоков. Для получения первого из них меньшая часть потока исходной смеси, сжатая в компрессоре 1, непосредственно после последней ступени компрессора через вентиль 15 отбирается в змеевик испарителя 8, расположенный в кубе колонны 7. Образовавшиеся в результате кипения кубовой жидкости пары смешиваются со вторым потоком, потоком пара, выходящим из промежуточной емкости 12 через вентиль 17, и третьим потоком, являющимся паровой фазой, образовавшейся после дросселирования части исходной смеси в дроссельном вентиле 9. В результате дросселирования этого потока в паровую фазу переходит значительное количество низкокипящих примесей, содержащихся в этом потоке.

Поднимаясь вверх по колонне, работающей при давлении 1,5-1,7 МПа, паровая фаза обогащается низкокипящими примесями, содержащимися в исходной смеси, а стекающая вниз жидкость обогащается диоксидом углерода. В результате процесса ректификации в кубе колонны накапливается жидкость в виде продукционной жидкой СО₂ высокой чистоты, которая через вентиль 23 сливается сначала в промежуточную емкость 12, а затем через вентиль 19 - в хранилище высокочистой жидкой CO₂ 13.

Из верхней части ректификационной колонны 7 пары поступают в дефлегматор 11, где осуществляется их частичная конденсация с использованием холодильной машины или другого источника охлаждения. Образовавшийся конденсат используется вместе с потоком исходной смеси для орошения колонны и обеспечения необходимых условий ректификации. Некоторое количество пара, в значительной степени обогащенное низкокипящими примесями, отводится из верхней части дефлегматора. Этот поток смешивается с потоком пара, отводимым через вентиль 18 из емкости 12, и с потоком пара, отводимым из емкости 13 через вентиль 20, а затем поступает в конденсатор 14, который охлаждается сторонним хладагентом. В конденсаторе 14 в процессе противоточной конденсации происходит конденсация большей части этого потока, а часть несконденсировавшегося пара, обогащенного низкокипящими примесями, сдувается из верхней части конденсатора. Сконденсированная жидкость, в зависимости от содержания в ней целевого компонента CO₂, может быть слита при высоком содержании CO₂ через вентиль 21 в емкость 13, а при содержании CO₂, не соответствующем требованиям, предъявляемым к высокочистой продукции, через вентиль 22 в емкость для хранения сварочной CO₂ (на фиг. 1 не показана).

Поток исходной смеси в испарителе 8 охлаждается до температуры, исключающей возможность конденсации CO₂, и по выходу из него смешивается с остальной частью потока, охлажденного в холодильнике 2 перед поступлением во влагоотделитель 3.

На фиг. 2 показана принципиальная схема установки, предназначенной для осуществления данного способа при отсутствии в исходной смеси паров H₂O. Установка для очистки сухой исходной смеси, состоящей из CO₂ и некоторого количества низкокипящих примесей, содержит компрессор 1, водяной холодильник 2, охладитель-конденсатор 5 с холодильной машиной 6, ректификационную колонну 7 с испарителем 8, дроссельные вентили 9, 10 и 24, дефлегматор 11, промежуточную емкость 12, емкость высокочистой CO₂ 13, конденсатор-испаритель 14 и вентили 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 и 23, установленные на технологических потоках.

В установке, показанной на фиг. 2, основной поток исходной смеси после сжатия в компрессоре 1 и охлаждения в водяном холодильнике 2 поступает в охладитель-конденсатор 5, откуда сконденсированная исходная смесь через дроссельный вентиль 10 подается на верх колонны 7. Часть исходной смеси может через дроссельный вентиль 9 направляться в куб этой колонны. Образовавшиеся при дросселировании пары будут подниматься вверх по колонне 7. В отличие от схемы установки, показанной на фиг. 1, часть потока неохлажденной смеси, отбираемой после компрессора 1 через вентиль 15 в испаритель 8, при прохождении через испаритель не только охлаждается, но и конденсируется, а затем подается через дроссель 24 на верх колонны 7. Параметры процесса разделения смеси в установках, представленных на фиг. 1 и 2, идентичны.

Направления остальных потоков в схеме установки, показанной на фиг. 2, такие же, как и в схеме, представленной на фиг. 1.

На фиг. 3 показана принципиальная схема установки, предназначенной для осуществления данного способа при подаче на доочистку переохлажденной жидкой исходной смеси. Установка содержит компрессор 1, водяной холодильник 2, влагоотделитель 3, адсорбционный блок осушки 4, ректификационную колонну 7 с испарителем 8, промежуточную емкость 12, емкость высокочистой CO₂ 13, конденсатор-испаритель 14, установленные на технологических потоках вентили 10, 15, 16, 17, 20, 21, 22 и 23, водяной холодильник-конденсатор 24 и переохладитель жидкой CO₂ 25.

В установке, показанной на фиг. 3, весь поток исходной смеси после блока адсорбционной осушки охлаждается и конденсируется в водяном холодильнике-конденсаторе 24, а затем переохлаждается в переохладителе жидкой CO₂ 25, который охлаждается кипящим жидким хладагентом.

Поток газообразной CO₂, обогащенной низкокипящими примесями, с верха колонны 7 направляется в конденсатор-испаритель 14.

Направления остальных потоков в схеме установки, показанной на фиг. 3, такие же, как в схемах, представленных на фиг. 1 и фиг. 2.

Источники информации: 1. Заявка ФРГ N 3639779, МКИ С 01 В 31/20, опубликована 01.06.88.

2. Патент Японии N 57-191215, МКИ С 01 В 31/20, опубликован 25.11.82.

Формула изобретения

1. Способ очистки диоксида углерода от низкокипящих примесей, включающий сжатие очищаемой исходной смеси в компрессоре, охлаждение в холодильнике, отделение капельной влаги во влагоотделителе, а паров Н₂О в адсорбционном блоке осушки, последующее охлаждение и конденсацию исходной смеси в испарителе холодильной машины, дросселирование жидкой смеси в ректификационную колонну и отделение в ректификационной колонне низкокипящих примесей с получением в нижнем продукте колонны высокочистой жидкой СО₂, отличающийся тем, что для получения необходимого потока пара, поднимающегося по колонне, в испаритель колонны отбирается часть сжатой в компрессоре газообразной исходной смеси, не прошедшей охлаждение в холодильнике.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразный поток исходной смеси, выходящий из испарителя, направляют на смешение с основным потоком газообразной исходной смеси, поступающим во влагоотделитель.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при подаче в установку исходной смеси, свободной от водяных паров, поток исходной смеси, отбираемый в испаритель, конденсируют и подают на верх ректификационной колонны.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть основного потока исходной смеси отбирается перед ректификационной колонной и дросселируется в куб колонны, а образовавшиеся при дросселировании пары поднимаются по ректификационной колонне для разделения.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что пары, выходящие из дефлегматора ректификационной колонны, смешиваются с парами, выходящими из промежуточной емкости и емкости продукционной CО₂, и дополнительно разделяются в конденсаторе-испарителе.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после блока осушки исходную смесь конденсируют в водяном холодильнике-конденсаторе, переохлаждают в переохладителе и дросселируют на верх ректификационной колонны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3