本发明涉及乙烷净化技术领域，特别涉及一种分离乙烷和二氧化碳的工艺装置及方法。
背景技术：
国内每年天然气产量巨大，2017年国内天然气产量达到1480.3亿立方米，天然气中含有大量的乙烷，将其回收后用于生产乙烯，具有良好经济效益。随着国内天然气轻烃回收技术的发展，以回收乙烷及乙烷以上组分目的的轻烃回收工厂会越来越多。由于乙烷回收过程中最低温度约为-100℃，进行回收乙烷的天然气中会含有少量二氧化碳，控制二氧化碳含量不会造成乙烷回收过程设备和管道的冻堵。回收的乙烷和二氧化碳从脱乙烷塔顶部得到，采用精馏法不能将乙烷和二氧化碳完全分离。
工业中天然气脱除二氧化碳通常采用醇胺法，采用醇胺法脱除二氧化碳后的乙烷中的会有气态水，若要生产液态乙烷产品，必须在脱除二氧化碳后设置分子筛脱水装置，这样不仅增加了投资，也增加了运行成本。
膜分离技术具有分离效率高、能耗低、无相变、操作简便、无二次污染、分离产物易于回收、自动化程度高等优点，因此采用膜分离技术用于分离乙烷和二氧化碳具有一定的技术优势。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种分离乙烷和二氧化碳的工艺装置和方法，能够实现乙烷和二氧化碳有效分离，生产高纯度的乙烷。本发明结合了精馏工艺和膜分离工艺的特点，具有操作简便、无二次污染、降低投资和提高经济效益等特征，适用于乙烷和二氧化碳的混合物。
本发明所采用的技术方案是：一种分离乙烷和二氧化碳的工艺装置，包括依次连接的脱乙烷塔、脱乙烷塔冷凝器、脱乙烷塔回流罐、脱乙烷塔回流泵，所述脱乙烷塔回流泵出口分成两路，一路与脱乙烷塔顶部入口连接，另一路与二氧化碳分离塔中部入口连接；所述二氧化碳分离塔顶部出口、二氧化碳分离塔冷凝器、二氧化碳分离塔回流罐、二氧化碳分离塔回流泵、二氧化碳分离塔顶部入口依次连接；所述二氧化碳分离塔回流罐气相出口、换热器、一级分离膜依次连接，所述一级分离膜的非渗透气出口、换热器、压缩机、脱乙烷塔中部入口依次连接。
本发明还提供了一种分离乙烷和二氧化碳的工艺方法，包括如下步骤：
步骤一、脱除甲烷后的含有二氧化碳的乙烷及乙烷以上组分在脱乙烷塔中脱除丙烷及丙烷以上组分后，得到含二氧化碳的乙烷气从脱乙烷塔顶部出口进入脱乙烷塔冷凝器冷凝至-30℃～-5℃，然后进入脱乙烷塔回流罐，再经脱乙烷塔回流泵增压至2200kPa.a～4400kPa.a后分为两股：一股物流进入脱乙烷塔顶部作为脱乙烷塔回流；另一股物流进入二氧化碳分离塔进行二氧化碳和乙烷的精馏分离，以将二氧化碳从乙烷中脱除；
步骤二、二氧化碳和乙烷的精馏分离：
在二氧化碳分离塔中，富含乙烷的二氧化碳气体从二氧化碳分离塔顶部进入二氧化碳分离塔冷凝器冷凝至-30℃～0℃后进入二氧化碳分离塔回流罐进行气液分离：分离后的液相经二氧化碳分离塔回流泵增压至2900kPa.a～4400kPa.a后进入二氧化碳分离塔顶部作为回流；分离后的气相进入换热器复热至10℃～40℃后经一级分离膜进行膜分离；乙烷产品从二氧化碳分离塔底部出口至下一工序处理；
步骤三、二氧化碳和乙烷的膜分离：
乙烷和二氧化碳混合气体在一级分离膜中进行膜分离：富含乙烷的非渗透气进入换热器冷却至-25℃～0℃，进入压缩机增压至2500kPa.a～4000kPa.a后进入脱乙烷塔中部；富含二氧化碳的渗透气进入下一工序处理。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明采用精馏工艺和膜分离工艺进行乙烷和二氧化碳的有效分离、生产高纯度的乙烷，具有操作简便、无二次污染、降低投资和提高经济效益等特征。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是实施例一的分离乙烷和二氧化碳的工艺装置的系统原理示意图；
图2是实施例二的分离乙烷和二氧化碳的工艺装置的系统原理示意图；
图中：1、管道；2、脱乙烷塔；3、管道；4、脱乙烷塔冷凝器；5、管道；6、脱乙烷塔回流罐；7、管道；8、脱乙烷塔回流泵；9、管道；10、管道；11、管道；12、脱乙烷塔再沸器；13、管道；14、管道；15、二氧化碳分离塔；16、管道；17、二氧化碳分离塔冷凝器；18、管道；19、二氧化碳分离塔回流罐；20、管道；21、二氧化碳分离塔回流泵；22、管道；23、管道；24、二氧化碳分离塔再沸器；25、管道；26、管道；27、管道；28、换热器；29、管道；30、一级分离膜；31、管道；32、渗透气压缩机；33、管道；34、冷却器；35、管道；36、二级分离膜；37、管道；38、管道；39、管道；40、管道；41、压缩机；42、管道。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，包括脱乙烷塔2、脱乙烷塔冷凝器4、脱乙烷塔回流罐6、脱乙烷塔回流泵8、脱乙烷塔再沸器12、二氧化碳分离塔15、二氧化碳分离塔冷凝器17、二氧化碳分离塔回流罐19、二氧化碳分离塔回流泵21、二氧化碳分离塔再沸器24、换热器28、一级分离膜30、渗透气压缩机32、冷却器34、二级分离膜36、压缩机41等；
所述脱乙烷塔2顶部出口、脱乙烷塔冷凝器4、脱乙烷塔回流罐6、脱乙烷塔回流泵8、脱乙烷塔2顶部入口依次通过管道3、5、7、9连接；所述脱乙烷塔2下部出口、脱乙烷塔再沸器12、脱乙烷塔2下部入口依次通过管道11、13连接；所述脱乙烷塔2底部液相出口与管道14连接；
所述脱乙烷塔回流泵8、二氧化碳分离塔15中部入口通过管道10连接；所述二氧化碳分离塔15顶部出口、二氧化碳分离塔冷凝器17、二氧化碳分离塔回流罐19、二氧化碳分离塔回流泵21、二氧化碳分离塔15顶部入口依次通过管道16、18、20、22连接；所述二氧化碳分离塔15下部出口、二氧化碳分离塔再沸器24、二氧化碳分离塔15下部入口依次通过管道23、25连接；二氧化碳分离塔15底部液相出口与管道26连接；
所述二氧化碳分离塔回流罐19气相出口、换热器28、一级分离膜30、渗透气压缩机32、冷却器34、二级分离膜36依次通过管道27、29、31、33、35、38连接；
所述一级分离膜30非渗透气出口、换热器28、压缩机41、脱乙烷塔2中部入口依次通过39、40、42、1连接。所述二级分离膜36渗透气出口与管道37连接；
所述脱乙烷塔和二氧化碳分离塔为板式塔或填料塔。
本发明还提供了一种分离乙烷和二氧化碳的工艺方法，包括如下内容：
一、脱乙烷塔：
将来自管道1经脱除甲烷后含有5％～25％(摩尔含量)二氧化碳的乙烷及乙烷以上组分(2000kPa.a～4000kPa.a)进入脱乙烷塔2(1800kPa.a～3800kPa.a)中部作为进料；含二氧化碳的乙烷气从脱乙烷塔2顶部出口通过管道3进入脱乙烷塔冷凝器4冷凝至-30℃～-5℃，通过管道5进入脱乙烷塔回流罐6后通过管道7经脱乙烷塔回流泵8增压至2200kPa.a～4400kPa.a后分为两股：一股(40％-80％)物流经管道9进入脱乙烷塔2顶部作为脱乙烷塔回流，以减少脱乙烷塔2塔顶气中丙烷含量，提高乙烷的纯度；另一股(20％-60％)物流经管道10至二氧化碳分离塔15中部进料，将二氧化碳从乙烷中脱除。脱乙烷塔2下部液相经管道11进入脱乙烷塔再沸器12加热后经管道13返回脱乙烷塔2下部入口，根据下一工序产品要求对脱乙烷塔底液相中乙烷的含量进行控制(通常控制在0.1％～3％的摩尔含量)；丙烷及丙烷以上组分从脱乙烷塔2底部出口经管道14至下一工序处理；
二、二氧化碳和乙烷的精馏分离：
含二氧化碳的乙烷凝液自管道10进入二氧化碳分离塔15(2500kPa.a～4000kPa.a)中部作为进料；富含乙烷的二氧化碳气体从二氧化碳分离塔15顶部出口通过管道16进入二氧化碳分离塔冷凝器17冷凝至-30℃～0℃，通过管道18进入二氧化碳分离塔回流罐19进行气液分离：其中：分离后的液相经管道20进入二氧化碳分离塔回流泵21增压至2900kPa.a～4400kPa.a经管道22进入二氧化碳分离塔15顶部作为二氧化碳分离塔回流，以减少二氧化碳分离塔15塔顶气中乙烷含量，提高乙烷的收率；分离后的气相通过管道27进入换热器28复热至10℃～40℃后经管道29进入一级分离膜30进行膜分离。二氧化碳分离塔15下部液相经管道23进入二氧化碳分离塔再沸器24加热后经管道25返回二氧化碳分离塔15下部入口，根据下一工序乙烷产品要求对二氧化碳分离塔底液相中二氧化碳的含量进行控制(通常控制在0.5％-2％的摩尔含量)；乙烷产品从二氧化碳分离塔15底部出口经管道26至下一工序处理；
三、二氧化碳和乙烷的膜分离：
乙烷和二氧化碳混合气体自管道29进入一级分离膜30进行膜分离：富含乙烷的非渗透气通过管道39进入换热器28冷却至-25℃～0℃，经过管道40进入压缩机41增压至2500kPa.a～4000kPa.a后通过管道42进入脱乙烷塔2中部作为进料，进一步回收乙烷，提高乙烷的回收率；富含二氧化碳的渗透气通过管道31进入渗透气压缩机32增压至2000kPa.a～4000kPa.a后，经过管道33进入冷却器34冷却至30℃～40℃后经过管道25进入二级分离膜36进行膜分离：富含乙烷的非渗透气通过管道38返回一级分离膜30入口，进一步回收乙烷，提高乙烷的回收率；富含二氧化碳的渗透气通过管道37进入下一工序处理。根据对乙烷产品回收率的要求，控制通过一级分离膜的非渗透气中二氧化碳摩尔含量≤10％；同时控制通过二级分离膜的渗透气中乙烷摩尔含量≤5％。
实施例二
本实施例的第二种回收装置工艺结构与第一种回收装置工艺结构存在如下区别，其它结构均相同：如图2所示，富含二氧化碳气的渗透气通过管道31进入下一工序处理，实施例二的回收装置相对于实施例一的回收装置取消设置渗透气压缩机32、冷却器34、二级分离膜36及依次相连的管道33、管道35、管道36、管道37、管道38之外，其他结构均相同。
本实施例的第二种回收方法与第一种回收方法存在如下区别，其它工艺方法均相同：步骤第三步中富含二氧化碳的渗透气通过管道31进入下一工序处理。根据对乙烷产品回收率的要求，控制通过一级分离膜的非渗透气中二氧化碳摩尔含量≤10％，渗透气中乙烷摩尔含量≤5％。