[發明專利]用于通過部分冷凝和滲透分離富含二氧化碳的氣體的方法

有效

• 申請號: 201380036843.0
• 申請日: 2013-07-08
• 公開（公告）號: CN104540576A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: B·達維迪安;M·勒克萊爾
• 申請（專利權）人: 喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司
• 主分類號: B01D53/22
• 分類號: B01D53/22;F25J3/06;B01D53/00
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 牛曉玲;吳鵬

技術領域

本發明涉及一種用于通過部分冷凝和滲透分離富含二氧化碳的氣體的方法。

背景技術

富含二氧化碳的氣體在干燥的基礎上包含至少65mol％、或至少80mol％或甚至至少90mol％的二氧化碳。

富含二氧化碳的氣體包含至少一種較輕的氣體，如氧氣、氮氣、一氧化碳、氫氣。

優選地，其包含小于5mol％的甲烷，或者甚至小于2mol％的甲烷。

本文中與純度有關的所有的百分比都是摩爾百分比。

當氣體的濃度足夠高(≥30mol％)時，特別選擇低溫分離富含二氧化碳的氣體作為捕獲CO₂的一種手段。在被冷卻之前(通常盡可能接近CO₂的三相點)，通常氣體必須被干燥且其壓力必須增加，以便以期望的產率捕獲CO₂，因為本質上是基于部分冷凝進行分離。

如WO-A-2012/048078中所示，可以借助于放置在部分冷凝罐頂部的膜提高產率：具體來說，利用了將在膜中重復利用的不冷凝氣體的壓力。

膜將被選擇為，其中，CO₂相對于其它化合物將優先滲透，以從膜的滲透物中捕獲CO₂。

能夠執行這種分離的膜從WO-A-2011/084516和Kulkarni等人的“CO₂Capture?by?Subambient?Membrane?Operation”，2010NETL?CO₂Capture?Technology中已知。

在這些文獻中給出了適用于本發明的膜及其操作的詳細說明。

膜的入口氣體和滲透物之間的壓力損失涉及大的溫度下降。這個溫度下降將適用于滲透物和從該膜產生的殘余物，因為滲透物將與殘余物進行熱交換。

膜從而充當熱交換器，使得在某些配置(如逆流)中殘余物的溫度下降大于滲透物。

此外，由于從冷凝罐生成的氣體處于相平衡和接近三相點，因此過大的溫度下降可以液化CO₂，或者甚至使其凍結在膜中，這會降低膜的性能或甚至危及其完整性。

最后，如果殘余物和/或滲透物的溫度降到低于三相點的溫度(對于高的膜產率這將容易地實現)，在交換器中從這些流體回收冷量將變得復雜。具體地說，由于這些流體特別冷，其將試圖冷卻CO₂。然后交換器(例如管或板)的表面溫度將非常低，待冷卻的CO₂凝固的風險將非常高。

發明內容

本發明涉及膜的出口溫度的適應，以便防止過度的低溫，該過度的低溫涉及在膜的出口處從流體回收冷量期間CO₂凝固的風險。

因此，本發明在于將溫度下降限制為高于CO₂的三相點的溫度，以便能夠確保通過膜分離產生的冷量在工藝的其余部分的再循環。

為了限制溫度下降，可以通過加熱罐的頂部以增加膜的操作溫度。

然后可以有幾個選擇：

-在主交換管線中加熱和回收來自從膜產生的流體的冷量(圖1)；

-在專用熱交換器中加熱/升溫(圖2)，特別是當交換管線被分成兩個部分，其中第二(最冷)部分使用防止冷箱(例如外殼和管道)凍結的技術時。

在該圖中，LP?CO₂在其膨脹之前與溫度顯著低于交換管線(具有較高的溫度)的溫度的所有氣體換熱而被過冷卻。以這種方式，這使得可以與處于相似溫度下的較熱流體換熱來回收低溫冷量，這通過最小化熱交換期間的放熱損失而優化了系統；

-加熱相分離器的頂部和中間加熱(圖3)。當溫度最低時低溫膜的性能更加有利。為了優化膜分離，罐的頂部因此將比前述附圖中程度較低地被加熱，并且為了限制溫度下降，將在從第一批的模塊出現后和在進入最后的膜模塊之前重新加熱。這兩個加熱操作可以如上所述在主交換管線或在專用交換器中進行。

可以盡可能多次地重復中間加熱操作以便優化該系統。

不論所選擇的方案如何，都要小心適應在膜滲透物的通路中的交換器中的壓降。具體而言，由于在滲透物側的壓力特別低，氣體的體積流率非常高，這大大影響了交換器的尺寸。選擇高的壓降會使其能夠降低滲透物的流動面積，從而降低交換器的尺寸。