一种高纯二氧化碳的制备方法及制备装置与流程

本发明涉及一种高纯二氧化碳的制备方法及制备装置，属于精细化工
技术领域：
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背景技术：
：二氧化碳别称碳酸气、碳酸酐、干冰，是一种无色无味的窒息性不燃气体。高纯二氧化碳可用于半导体制造中氧化、扩散、化学气相沉积，及标准气、超临界清洗气；在食品、医学、激光、航天、焊接等方面也有广泛应用。高纯二氧化碳的工业生产方法主要采用石灰石煅烧法，天然气、发酵气、石油精炼副产品气、合成氨工业副产品气回收。从二氧化碳混合气中分离回收二氧化碳的方法目前采用较多的是溶剂吸收法和物理吸附法。由于物理吸附法分离回收二氧化碳纯属简单的吸附-解吸物理过程，工艺简单、能耗低、无毒无污染，不污染环境和气源本身，同时也不存在吸收法所要求的溶液配制和溶剂损耗等问题，具有优越性。然而仍然无法满足高纯度的要求。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供一种高纯二氧化碳的制备方法及制备装置，该方法以碳酸盐和碳酸氢盐为原料制备二氧化碳，主要杂质为空气和水分，易于纯化获得高纯度的二氧化碳；所涉及的制备装置结构简单、运行能耗低、生产工艺平稳安全，具有很好的工业应用价值。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。一种高纯二氧化碳的制备方法，所述制备方法步骤如下：将碳酸盐或者碳酸氢盐与酸液反应，生成的co2粗品气体先在0℃～-50℃下进行预冷，使co2粗品气体中的水分冷凝成液体以除去水分，除去水分的co2粗品气体再在-60℃～-75℃下使co2气体冷凝成液体，在此温度下空气及其他气体杂质未被液化，从而除去空气及其他气体杂质；再将除去空气及其他气体杂质的co2液体进行精馏，收集精馏纯化后的二氧化碳；其中，精馏的工艺参数如下：精馏塔塔顶温度为-20℃～-10℃，塔釜温度温度为-10℃～-0℃，塔顶与塔釜温差不小于5℃，塔内压力为1mpa～5mpa，回流比为3～15。进一步地，碳酸盐优选碳酸锂、碳酸钠或碳酸钾，碳酸氢盐优选碳酸氢锂、碳酸氢钠或碳酸氢钾，碳酸盐以及碳酸氢盐的纯度达到电子级；酸液优选三氟甲磺酸、双三氟甲磺酰亚胺酸、双氟磺酰亚胺酸或硫酸。进一步地，在0℃～-50℃处理除去水分后，co2粗品气体中水分含量降至20ppm以下。进一步地，精馏塔内部填充材质为不锈钢的鲍尔环、矩鞍环、拉西环或θ环等填料。一种采用本发明所述方法制备高纯二氧化碳所涉及的装置，所述制备装置包括co2反应釜、一级冷却器、二级冷却器、冷阱ⅰ、精馏塔、冷阱ⅱ以及储罐；co2反应釜上设有碳酸盐/碳酸氢盐加料口、酸液加料口和出气口；冷阱ⅰ和冷阱ⅱ上分别设有进气口、排空口和出液口；一级冷却器和二级冷却器是两个温度不同的冷却器，一级冷却器的温度高于二级冷却器的温度；co2反应釜的出气口与一级冷却器的进气口连接，一级冷却器的出气口与二级冷却器的进气口连接，二级冷却器的出气口与冷阱ⅰ的进气口连接，冷阱ⅰ的出液口与精馏塔下部的进料口连接，精馏塔上部的出气口与冷阱ⅱ的进气口连接，冷阱ⅱ的出液口与储罐连接。进一步地，一级冷却器的温度为0℃～-20℃，二级冷却器的温度为-30℃～-50℃。进一步地，冷阱ⅱ主要用于液化co2气体，其温度设为-60℃～-75℃。有益效果：(1)本发明利用碳酸盐或碳酸氢盐与酸液发生反应制备二氧化碳，其杂质主要为空气和水分，通过低温处理和精馏即可除去水和空气等杂质，容易获得高纯度(99.995％以上)的二氧化碳。另外，本发明所述方法不仅避免了其他工艺需要采用吸附或变压吸附等技术造成的污染问题，也避免了对cos(羰基硫)杂质进行处理的构成，同时可以降低精馏设备的压力，提高精馏效率。(2)本发明所述的装置结构简单，运行能耗低，运行过程平稳安全，具有很好的工业应用价值。附图说明图1为本发明所述装置的结构示意图。其中，1-co2反应釜，2-一级冷却器，3-二级冷却器，4-冷阱ⅰ，5-精馏塔，6-冷阱ⅱ，7-储罐。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。以下实施例中制备高纯二氧化碳所涉及的装置包括co2反应釜1、一级冷却器2、二级冷却器3、冷阱ⅰ4、精馏塔5、冷阱ⅱ6以及储罐7，如图1所示；co2反应釜1上设有碳酸盐/碳酸氢盐加料口、酸液加料口和出气口；冷阱ⅰ4和冷阱ⅱ6的下部分别设有进气口和出液口，上部分别设有排空口；一级冷却器2和二级冷却器3是两个温度不同的冷却器，一级冷却器2的温度为0℃～-20℃，二级冷却器3的温度为-30℃～-50℃；一级冷却器2和二级冷却器3的下部分别设有进气口，上部分别设有出气口；精馏塔5的下部设有进料口，上部设有出气口；精馏塔5内部填充材质为不锈钢的鲍尔环、矩鞍环、拉西环或θ环等填料；co2反应釜1的出气口与一级冷却器2进气口连接，一级冷却器2的出气口与二级冷却器3的进气口连接，二级冷却器3的出气口与冷阱ⅰ4的进气口连接，冷阱ⅰ4的出液口与精馏塔5的进料口连接，精馏塔5的出气口与冷阱ⅱ6的进气口连接，冷阱ⅱ6的出液口与储罐7连接。实施例1基于上述装置制备高纯二氧化碳的方法如下：电子级的碳酸锂与三氟甲磺酸按化学计量比在co2反应釜1中反应，产生的co2粗品气体先进入温度为(-10±2)℃的一级冷却器2中进行预冷和除水，从一级冷却器2中出来的co2粗品气体中水分降至129.3ppm，然后进入温度为(-48±2)℃的级冷却器3进一步冷却和除水，从二级冷却器3中出来的co2粗品气体中水分降至8.4ppm，再进入温度为(-70±2)℃的冷阱ⅰ4中冷凝成液体，未被液化的空气及其他气体杂质从冷阱ⅰ4的排空口排出，从冷阱ⅰ4出来的液体进入精馏塔5中进行精馏，从精馏塔5出气口采出的co2气体经过温度为(-70±2)℃的冷阱ⅱ6冷凝成co2液体并存储在储罐7中；其中，本实施例所用精馏塔5的塔高为18m，塔径为500mm，内部填料为不锈钢θ环，填料高度为5m；塔顶温度为-13.9℃，塔釜温度为-5.5℃，塔内压力为2.9mpa，回流比为13。经过气相色谱检测，储罐7中收集的co2的纯度达到99.999％以上，具体杂质含量详见表1。表1项目h2o2n2co总烃水分标准≤0.5ppm≤1ppm≤3ppm≤0.5ppm≤2ppm≤3ppm测定结果0.09ppm0.33ppm0.98ppm0.27ppm0.83ppm0.77ppm实施例2基于上述装置制备高纯二氧化碳的方法如下：电子级的碳酸锂与三氟甲磺酸按化学计量比在co2反应釜1中反应，产生的co2粗品气体先进入温度为(-2±2)℃的一级冷却器2中进行预冷和除水，从一级冷却器2中出来的co2粗品气体中水分降至866.3ppm，然后进入温度为(-40±2)℃的级冷却器3进一步冷却和除水，从二级冷却器3中出来的co2粗品气体中水分降至38.4ppm，再进入温度为(-65±2)℃的冷阱ⅰ4中冷凝成液体，未被液化的空气及其他气体杂质从冷阱ⅰ4的排空口排出，从冷阱ⅰ4出来的液体进入精馏塔5中进行精馏，从精馏塔5出气口采出的co2气体经过温度为(-70±2)℃的冷阱ⅱ6冷凝成co2液体并存储在储罐7中；其中，本实施例所用精馏塔5的塔高为18m，塔径为500mm，内部填料为不锈钢θ环，填料高度为5m；塔顶温度为-13.9℃，塔釜温度为-5.5℃，塔内压力为2.9mpa，回流比为13。经过气相色谱检测，储罐7中收集的co2的纯度达到99.998％以上，具体杂质含量详见表2。表2实施例3基于上述装置制备高纯二氧化碳的方法如下：电子级的碳酸锂与双三氟甲磺酰亚胺酸按化学计量比在co2反应釜1中反应，产生的co2粗品气体先进入温度为(-10±2)℃的一级冷却器2中进行预冷和除水，从一级冷却器2中出来的co2粗品气体中水分降至133.7ppm，然后进入温度为(-48±2)℃的级冷却器3进一步冷却和除水，从二级冷却器3中出来的co2粗品气体中水分降至9.4ppm，再进入温度为(-70±2)℃的冷阱ⅰ4中冷凝成液体，未被液化的空气及其他气体杂质从冷阱ⅰ4的排空口排出，从冷阱ⅰ4出来的液体进入精馏塔5中进行精馏，从精馏塔5出气口采出的co2气体经过温度为(-70±2)℃的冷阱ⅱ6冷凝成co2液体并存储在储罐7中；其中，本实施例所用精馏塔5的塔高为18m，塔径为500mm，内部填料为不锈钢θ环，填料高度为5m；塔顶温度为-10℃，塔釜温度为-4.5℃，塔内压力为3.4mpa，回流比为7。经过气相色谱检测，储罐7中收集的co2的纯度达到99.997％以上，具体杂质含量详见表3。表3项目h2o2n2co总烃水分测定结果0.35ppm2.33ppm7.54ppm4.25ppm5.35ppm3.83ppm综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3