二氧化碳液化提纯的设备的制作方法

本实用新型涉及化工领域，具体而言，涉及一种二氧化碳液化提纯的设备。

背景技术：

温室气体的大量排放会导致全球气候变暖，而CO2(二氧化碳)是排量最大的温室气体，同时CO2又是一种重要资源，不仅用途广泛且需求量日益增大，如制冷剂、食品添加剂、灭火剂、化工原料、油气开采、农业生产等。若将含有CO2的原料气简单地排放进入大气中，不仅造成了碳资源的浪费，还会造成大气环境的污染。

现有的CO2回收的方法主要有膜吸收法、变压吸附法、化学吸收法和低温分离法，目的就是将原料气中的杂质进行分离，从而制造出纯净的CO2产品。膜吸收法、变压吸附法和化学吸收法得到的二氧化碳产品纯度低，且为气态，运输不方便。

而现有技术中的低温分离法作为可以获得液态二氧化碳的分离方式，需要首先将含有二氧化碳的原料气进行压缩后再做处理，整个分离系统需要在高压下运行，导致设备投资较大、能耗偏高、工艺复杂和安全风险加大等缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种二氧化碳液化提纯的设备，以改善现有技术中二氧化碳液化提纯需要在高压环境下运行而导致的设备投资较大、能耗偏高、工艺复杂和安全风险加大等问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种二氧化碳液化提纯的设备，包括第一冷凝器、第二冷凝器、气液分离器以及精馏塔，其中，所述第一冷凝器设置有被冷凝物入口、被冷凝物第一气相出口、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气相入口、被冷凝物气液混合物出口、第三冷凝物入口以及第三冷凝物出口，其中，所述被冷凝物第一气相入口与所述被冷凝物第一气相出口连通，所述气液分离器包括被冷凝物气液混合物入口、被冷凝物第二气相出口以及被冷凝物第二液相出口，其中，所述被冷凝物气液混合物入口与所述被冷凝物气液混合物出口连通，所述精馏塔包括被冷凝物第二气相入口、被冷凝物第二液相入口、液体二氧化碳出口以及第三气相出口，所述被冷凝物第二气相入口与所述被冷凝物第二气相出口连通，所述被冷凝物第二液相入口与所述被冷凝物第二液相出口连通；所述第一冷凝器用于将含二氧化碳的原料气冷凝至第一温度，形成第一液相以及第一气相，所述第二冷凝器用于将所述第一气相冷凝至第二温度，形成包括第二气相以及第二液相的气液混合物，所述气液分离器用于将所述气液混合物分离成第二气相以及第二液相，所述精馏塔用于对第二气相提纯得到第三气相，所述精馏塔对第二液相提纯获得液体二氧化碳。

本实用新型实现的有益效果：本实用新型实施例通过第一冷凝器将原料气冷凝至第一温度，使原料气中沸点高于二氧化碳的气体成分液化，去除原料气中沸点比二氧化碳高的气体成分，再通过第二冷凝器将剩余的原料气冷凝至第二温度，使原料气中的二氧化碳成分冷凝为液态，剩余的原料气中其他气体成分仍为气态，通过气液分离并通过精馏塔精馏提纯获得纯度较高的液体二氧化碳。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型第一实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备一种结构示意图；

图2示出了本实用新型第一实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备另一种结构示意图；

图3示出了本实用新型第一实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备又一种结构示意图；

图4示出了本实用新型第二实施例提供二氧化碳液化提纯的方法的流程图。

其中，附图标记汇总如下：

二氧化碳液化提纯的设备 100，第一冷凝器 110，第二冷凝器 120，气液分离器 130，精馏塔 140，过冷器 150，被冷凝物入口 111，被冷凝物第一气相出口 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，被冷凝物第一气相入口 121，被冷凝物气液混合物出口 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，被冷凝物气液混合物入口 131，被冷凝物第二气相出口 132，被冷凝物第二液相出口 133，被冷凝物第二气相入口 141，被冷凝物第二液相入口 142，液体二氧化碳出口 143，第三气相出口 144，液体二氧化碳入口 151，第二液体二氧化碳出口 152，冷源泵 161，换热器 162，冷媒泵 163，第一发电机 164，第二发电机 165。

具体实施方式

现有技术将含二氧化碳气体成分的原料气中的二氧化碳分离为纯度较高的液态二氧化碳，常需要进行加压处理，使分离过程在高压环境下进行，对设备的要求较高，能耗更高，工艺复杂。

鉴于上述情况，发明人经过长期的研究和大量的实践，提供了一种二氧化碳液化提纯的设备以改善现有问题。该设备通过对原料气进行两次冷凝，将原料气中的二氧化碳分离出来，获得液态的二氧化碳。

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

第一实施例

本实施例提供了一种二氧化碳液化提纯的设备100，请参见图1，该设备包括第一冷凝器110、第二冷凝器120、气液分离器130以及精馏塔140，并且第一冷凝器110、第二冷凝器120、气液分离器130以及精馏塔140依次连通。该二氧化碳液化提纯的设备100用于将含有二氧化碳气体的原料气中的二氧化碳分离成液态二氧化碳并提纯。

具体的，所述第一冷凝器110设置有被冷凝物入口111、被冷凝物第一气相出口112、第一冷凝物入口113、第一冷凝物出口114。该第一冷凝器110用于将原料气冷凝至第一温度，该第一温度高于二氧化碳的沸点，低于原料气中沸点高于二氧化碳的气体成分的沸点，以使所述原料气中沸点高于二氧化碳的气体成分液化，形成第一液相，所述原料气中二氧化碳以及其他沸点低于二氧化碳的气体成分形成第一气相。

对于第一冷凝器110，被冷凝物入口111用于原料气的输入，被冷凝物第一气相出口112用于将经第一冷凝器110冷凝后仍成气体状态的第一气相输出。第一冷凝物入口113用于作为第一冷凝器110中冷凝介质的第一冷凝介质的输入，该第一冷凝介质将进入该第一冷凝器110的原料气冷凝至第一温度，第一冷凝物出口114用于将在冷凝过程中吸热升温的第一冷凝介质排出。

进一步的，在本实施例中，还可以包括被冷凝物第一液相出口，用于将经第一冷凝器110冷凝后形成的第一液相排出。

进一步的，如图1所示，在本实施例中，第一冷凝器110还包括第二冷凝物入口115以及第二冷凝物出口116，该第二冷凝物入口115可以用于作为第一冷凝器110的冷凝介质的另一种第一冷凝介质输入该第一冷凝器110，该另一种冷凝介质为不同于第一冷凝物入口113输入的冷凝介质，第二冷凝物出口116用于该另一种第一冷凝介质的排出。当然，第一冷凝物入口113以及第二冷凝物入口115也可以用于输入同样的冷凝介质作为第一冷凝介质。

二氧化碳的沸点为-56.6摄氏度，在本实施例中，第一温度的范围为-5摄氏度至-30摄氏度，第一冷凝介质的温度低于第一温度。

在本实施例中，第一冷凝器可以是多介质板式换热器。

在本实施例中，所述第二冷凝器120包括被冷凝物第一气相入口121、被冷凝物气液混合物出口122、第三冷凝物入口123以及第三冷凝物出口124。该第二冷凝器120用于将第一冷凝器110排出的第一气相冷凝至第二温度，所述第二温度低于二氧化碳的沸点，高于所述第一气相中其他气体成分的沸点，使所述第一气相中沸点低于二氧化碳的气体成分仍为气态状态，形成第二气相，使所述第一气相中二氧化碳气体成分液化，形成第二液相。

对于第二冷凝器120，所述被冷凝物第一气相入口121与所述第一冷凝器110中的被冷凝物第一气相出口112连通，该被冷凝物第一气相入口121用于输入第一冷凝器110中形成的第一气相。在本实施例中，第二冷凝器120中形成的第二气相以及第二液相形成气液混合物，第二冷凝器120的被冷凝物气液混合物出口122用于将形成的气液混合物输出。第三冷凝物入口123用于作为第二冷凝器120中冷凝介质的第二冷凝介质的输入，该第二冷凝介质将进入该第二冷凝器120的第二气相冷凝至第二温度，第三冷凝物出口124用于将在冷凝过程中吸热升温的第二冷凝介质排出。

进一步的，如图1所示，在本实施例中，第二冷凝器120还包括第四冷凝物入口125以及第四冷凝物出口126，该第四冷凝物入口125可以用于作为第二冷凝器120的冷凝介质的另一种第二冷凝介质输入该第二冷凝器120，该另一种冷凝介质为不同于第三冷凝物入口123输入的冷凝介质，第四冷凝物出口126用于该另一种第一冷凝介质的排出。当然，第三冷凝物入口123以及第四冷凝物入口125也可以用于输入同样的冷凝介质作为第二冷凝介质。

在本实施例中，第二温度的范围为-65摄氏度至-55摄氏度，第二冷凝介质的温度低于第二温度。

在本实施例中，第二冷凝器可以是多相流管壳式换热器。

请参见图1，本实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备100还包括气液分离器130。如图1所示，所述气液分离器130包括被冷凝物气液混合物入口131、被冷凝物第二气相出口132以及被冷凝物第二液相出口133。该气液分离器130用于将第二冷凝器120中形成的气液混合物进行气液分离，得到第二气相以及第二液相。

具体的，该气液分离器130的被冷凝物气液混合物入口131与第二冷凝器120的所述被冷凝物气液混合物出口122连通，以使第二冷凝器120形成的气液混合物进入该气液分离器130。该气液分离器130的被冷凝物第二气相出口132用于将分离出的第二气相排出，被冷凝物第二液相出口133用于将分离出的第二液相排出。

如图1所示，本实用新型实施例还包括所述精馏塔140。该精馏塔140包括被冷凝物第二气相入口141、被冷凝物第二液相入口142、液体二氧化碳出口143以及第三气相出口144。

进一步的，在本实施例中，精馏塔140的被冷凝物第二气相入口141设置于所述精馏塔140底部，所述被冷凝物第二液相入口142设置于所述精馏塔140顶部，并且被冷凝物第二气相入口141以及被冷凝物第二液相入口142均设置于精馏塔的侧面。同时，所述液体二氧化碳出口143设置于所述精馏塔140底部，所述第三气相出口144设置于所述精馏塔140顶部。该精馏塔140用于对进入精馏塔140的第二气相以及第二液相进行精馏提纯，第二气相精馏提纯得到第三气相，第二液相精馏提纯得到液体二氧化碳。

在本实施例中，精馏塔140的被冷凝物第二气相入口141与气液分离器130的被冷凝物第二气相出口132连通，使气液分离器130中分离出的第二气相进入该精馏塔140，精馏塔140的被冷凝物第二液相入口142与气液分离器130的所述被冷凝物第二液相出口133连通，使气液分离器130中分离出的第二液相进入该精馏塔140。精馏塔140的第三气相出口144用于精馏提纯得到的第三气相的排出，液体二氧化碳出口143用于将精馏提纯得到的液体二氧化碳排出，使用户可以对排出的液体二氧化碳进行收集，获得从原料气中分离提纯得到的液体二氧化碳。

进一步的，如图2所示，本实用新型实施例还包括过冷器150，该过冷器150包括液体二氧化碳入口151以及第二液体二氧化碳出口152，其中，液体二氧化碳入口151与精馏塔140的液体二氧化碳出口143连通，精馏塔140精馏提纯得到的液体二氧化碳经所述液体二氧化碳入口151进入过冷器150，过冷器150将该液体二氧化碳过冷，使液体二氧化碳的温度更低，低于沸点一定度数，再从所述第二液体二氧化碳出口152排出，以对过冷后的液体二氧化碳收集储存。该过冷器可以为管壳式换热器。

进一步的，如图3所示，在本实施例中，所述精馏塔140的第三气相出口144与所述第一冷凝器110的第一冷凝物入口113连通，用于将精馏塔140对第二气相提纯后获得的第三气相作为第一冷凝器110中的第一冷凝介质。可以理解的，第二温度低于第一温度，则在第二冷凝器120的冷凝后的第三气相的温度低于或等于第一温度，可以将第三气相作为第一冷凝器110中的冷凝介质，充分利用能源。通常的，第三气相的温度在-55摄氏度左右。

进一步的，如图3所示，本实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备100中的第二冷凝器120的第三冷凝物入口123与朗肯循环的冷媒泵163相连，所述第三冷凝物出口124与所述朗肯循环的第一发电机164相连。

具体的，请参见图3，所述朗肯循环还包括冷源泵161以及换热器162，所述冷源泵161、换热器162、冷媒泵163、第二冷凝器120以及第一发电机164依次连通，所述第一发电机164再与所述换热器162相连通。所述冷源泵161用于输入作为冷源的低温液体，所述换热器162用于通过所述冷源将第一发电机164输出的冷媒降温冷却液化，再输出到冷媒泵163，所述冷媒泵163用于将所述换热器162输出的冷媒加压后输送到所述第二冷凝器120，在第二冷凝器120中汽化升温，所述换热器162输出的冷媒作为所述第二冷凝器120中的冷凝介质，即换热器162输出的冷媒作为第二冷凝介质。所述冷媒在所述第二冷凝器120中升温后进入所述第一发电机164，以实现在第一发电机164中膨胀并对外做功发电。

朗肯循环中的冷媒的升温过程与该设备中第一气相冷凝至第二温度的降温过程相结合，实现了能量的充分利用。

在本实施例中，冷媒在换热器162中换热降温后温度低于第二温度，在第一发电机164中发电后输出的冷媒温度高于冷源。

进一步的，如图3所示，在本实施例中，所述朗肯循环还包括第二发电机165，所述第四冷凝物入口125与朗肯循环的换热器162相连，所述第四冷凝物出口126与所述朗肯循环的第二发电机165的入口相连，所述朗肯循环的换热器162中的冷源用于将冷媒降温后，该冷源升温，所述换热器162中升温后的冷源从第四冷凝物入口125输入到所述第二冷凝器120，作为所述第二冷凝器120中的冷凝介质，所述冷源在所述第二冷凝器120中再次升温后进入所述第二发电机165发电。

在本实施例中，朗肯循环中在换热器162中将冷媒降温后的冷源升温，其温度仍然低于第二温度，从第四冷凝物入口125进入第二冷凝器120作为第二冷凝器120中的冷凝介质，在第二冷凝器120中升温后进入第二发电机165进行发电。

进一步的，在本实施例中，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，所述第二发电机165的出口与所述第五冷凝物入口127相连，所述第五冷凝物出口128与所述过冷器150相连，在所述第二发电机165中发电后的冷源从所述第二发电机165的出口排出，从第五冷凝物入口127进入第二冷凝器120，在第二冷凝器120中作为冷凝介质对第一气相进行降温，同时，从第五冷凝物入口127进入的冷源在第二冷凝器120中升温，再从第五冷凝物出口128排出到过冷器150。进入所述过冷器150的冷源用于对过冷器150中的液体二氧化碳进行降温过冷，如图3所示，再从过冷器150进入所述第一冷凝器110的第二冷凝物入口115，从而进入第一冷凝器110，作为所述第一冷凝器110中的冷凝介质，在所述第一冷凝器110中升温后从所述第二冷凝物出口116排出。当然，可以理解的，排出后的冷源可以再利用，并且，冷源在吸热过程中状态可能发生变化，如从液态变为气态。如朗肯循环中的冷源是液氮，则从第一冷凝器110的第二冷凝物出口116排出的为氮气，可作为高纯氮气再利用。

可以理解的，在朗肯循环中，从第二发电机165输出的冷源温度仍然低于第二温度，可以作为第二冷凝器120中的冷凝介质。并且，从第五冷凝物出口128进入过冷器150的冷源温度仍然低于二氧化碳的沸点，可以作为过冷器150中过冷液体二氧化碳的冷凝介质。冷源在经过冷器150进入第一冷凝器110，其温度低于第一温度，可以作为第一冷凝器110中的冷凝介质。

当然，在本实施例中，选用的冷媒以及冷源均满足们实施例的应用要求，如冷源可以是液氮、液氩等低温液体，冷媒可以是甲烷，冷源和冷媒在循环过程中状态不一定。并且，可以理解的，在本实施例中，图1、图2及图3中的箭头仅用于表示气体或液体的流向。

第二实施例

本实施例提供了一种二氧化碳液化提纯的方法，请参见图4，该方法包括：

步骤S210：将原料气冷凝至第一温度，所述第一温度高于二氧化碳的沸点，所述第一温度低于所述原料气中沸点高于二氧化碳的气体成分的沸点，使所述原料气中沸点高于二氧化碳的气体成分液化，形成第一液相，所述原料气中二氧化碳以及其他沸点低于二氧化碳的气体成分形成第一气相。

具体的，在本步骤中，通过第一冷凝介质将原料气冷凝至第一温度，所述第一冷凝介质的温度低于所述第一温度。

步骤S220：将所述第一气相冷凝至第二温度，所述第二温度低于二氧化碳的沸点，高于所述第一气相中其他气体成分的沸点，使所述第一气相中沸点低于二氧化碳的气体成分形成第二气相，使所述第一气相中二氧化碳气体成分形成第二液相。

具体的，在本步骤中，通过第二冷凝介质将第一气相冷凝至第二温度，所述第二冷凝介质的温度低于所述第二温度。

可以理解的，在本步骤中，将第一气相冷凝至第二温度后，获得气液混合物，将气液混合物经气液分离器气液分离获得第二气相以及第二液相。

步骤S230：对所述第二液相进行精馏提纯得到液体二氧化碳。

优选的，在本实施例中，所述第一温度的范围为-5摄氏度至-30摄氏度。

优选的，在本实施例中，所述第二温度的范围为-65摄氏度至-55摄氏度。

进一步的，在本实施例中，所述第一冷凝介质为对第二气相精馏提纯后的气相；或者所述第一冷凝介质为将第一气相冷凝后的第二冷凝介质。

进一步的，在本实施例中，所述第二冷凝介质为朗肯循环中的冷媒，所述冷媒将第一气相冷凝至第二温度，所述冷媒吸热升温，用于在朗肯循环中的第一发电机发电。

进一步的，所述第二冷凝介质为朗肯循环中的冷源，所述冷源将第一气相冷凝至第二温度，所述冷源吸热升温，用于在朗肯循环中的第二发电机发电。

进一步的，本实施例中，还包括将所述液体二氧化碳过冷操作，使所述液体二氧化碳的温度低于沸点以进行储存。

在实际应用中，利用本实用新型实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备对某煤制甲醇企业排放的二氧化碳尾气进行处理，该尾气作为原料气，各个主要组份的体积百分比及各组分物理性质如下表1：

表1

对成分为表1所示的原料气经第一冷凝器冷凝至-5摄氏度至-30摄氏度后，获得的第一气相组分含量如下表2：

表2

将表2中的第一气相经第二冷凝器冷凝至-60±5摄氏度形成气液混合物，将所述气液混合物通过气液分离器分离，气相进入精馏塔塔底，液相进入精馏塔塔顶，两相进行精馏提纯，塔底得到高纯度液体二氧化碳经过冷器过冷送入产品储槽，产品储槽里的二氧化碳纯度如下表3：

表3

从表3中可以看出，本实施例提供的设备得到的二氧化碳产品纯度比较高。

综上所述，本实用新型实施例提供的二氧化碳液化提纯的设备，通过第一冷凝器110将含二氧化碳的原料气冷凝至第一温度，将原料气中沸点高于二氧化碳的成分去除，得到含二氧化碳的第一气相，再通过第二冷凝器120将第一气相冷凝至第二温度，将第一气相中沸点低于二氧化碳的成分去除，得到液体二氧化碳，不需在高压环境下进行。同时，和朗肯循环的发电过程相结合，实现能量的充分利用。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。