二氧化碳的纯化的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及用于二氧化碳纯化的方法和设备。特别地，本发明涉及在低于环境的温度和超大气压下通过蒸馏从包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质的粗二氧化碳除去至少一种这样的杂质。本发明对于从二氧化碳除去硫化氢具有特别的应用。
[0002]来自天然存在的二氧化碳来源，比如天然二氧化碳田和天然气矿床，的二氧化碳在世界某些区域用于增强的石油采收(E0R)。这些来源中的一些含有硫化氢，它对于管道输送来说是不期望的，因为硫化氢在水的存在下具有毒性和腐蚀性。另外，在通过EOR方法提取的原油中引入硫化氢是不期望的。
[0003]从二氧化碳除去硫化氢的方法是已知的。例如，US3417572A (Pryor, 1968)公开了处理包含二氧化碳和硫化氢的富氢气体的方法。将硫化氢和二氧化碳冷凝并从富氢气体分离。随后将冷凝的气体进料至蒸馏塔，分离成基本上不含硫化氢的二氧化碳塔顶蒸气和含有至少10 vol.%硫化氢的塔底液体。经分离的富氢气体经净化以除去任何残余的二氧化碳和硫化氢，所述残余的二氧化碳和硫化氢随后也进料至蒸馏塔。塔顶蒸气使用丙烷制冷剂的外部封闭循环冷凝，而塔底液体使用过程冷却水再沸。蒸馏塔具有100个塔板并在约590 psia(?41 bar)运行使得塔顶温度为42°F (?6°C)和塔底温度为约45°F (?7°C)。
[0004]US3643451A (Foucar, 1972)公开了从酸气体的浓缩低压混合物生产高纯度，高压二氧化碳的方法。将气态混合物压缩，冷却和冷凝并进料至蒸馏塔，其中将它分离成高纯度(至少99.95%) 二氧化碳塔顶蒸气和含有冷凝的含硫气体的塔底液体。塔顶蒸气使用氨制冷剂的外部封闭循环来冷凝，用于冷却和冷凝进料的制冷负荷通过汽化塔底液体、二氧化碳塔顶液体和外部制冷剂来提供。蒸馏塔系统在约300-350 psia(?21-24 bar)运行，使得塔顶温度为-5至-10°F (—21至-24°C )且塔底温度为40-70°F (?5-21°C )。在实施例中产生97%硫化氢的塔底产物。
[0005]W081/02291A (Schuftan, 1981)公开了分离气体混合物的方法，所述气体混合物包含二氧化碳，至少一种沸点低于二氧化碳的气体和至少一种沸点高于二氧化碳的杂质(典型地为硫化氢)。在第一塔中将气体混合物冷却并蒸馏成不含杂质的产物气体和含有杂质的液体馏分。纯二氧化碳在第二蒸馏塔中获得，所述第二蒸馏塔稍高于二氧化碳的三相点压力(?518 kPa)运行。来自第一塔的液体产物在中间压力下闪蒸以除去溶解的轻杂质，然后进一步减压和蒸发，然后作为蒸气进料至第二塔。二氧化碳塔顶蒸气事实上不含杂质，而塔底液体馏分富含杂质，典型地含有硫化合物(主要是硫化氢)，纯度最多50 vol.%。回流和再沸通过热栗循环实现，所述热栗循环使用纯化的二氧化碳作为工作流体。工作流体通过压缩机，换热器和浸入塔底液体的再沸器，其中将它冷凝然后回料至塔顶作为回流。实质上纯的二氧化碳产物在紧邻压缩机上游从循环中的二氧化碳取出，压力为约5 atm且接近环境温度。
[0006]发明概述
本发明优选实施方案的目的是减少蒸馏过程能耗，所述蒸馏过程用于从粗二氧化碳除去较低挥发性杂质比如硫化氢，所述蒸馏过程包括热栗循环来提供再沸负荷。
[0007]根据本发明第一方面，提供纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体;提供二氧化碳富集的液体作为蒸馏塔系统的回流;通过间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以提供蒸气用于蒸馏塔系统;从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气;和从蒸馏塔系统除去另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体。蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于来自至少一个热栗循环的再循环流体的间接热交换提供，所述热栗循环使用来自蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体。至少一个再循环流体具有和其它再循环流体不同的压力。
[0008]在优选的实施方案中，来自蒸馏塔中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸，优选相对于至少一个所述再循环流体进行间接热交换，以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔。
[0009]本发明的第一方面包括一种方法，所述方法包含将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体;从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气并通过间接热交换温热至少一部分二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生温热的二氧化碳富集的气体;压缩包含温热的二氧化碳富集的气体的第一工作流体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体;通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体;膨胀二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体并将膨胀的二氧化碳富集的流体进料至所述蒸馏塔系统，将其至少一部分用作回流;压缩包含来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体的第二工作流体以产生至少一个第二再循环流体;通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体;按需膨胀后，将至少一部分冷却的富含二氧化碳的流体进料至蒸馏塔系统;通过间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统；和从蒸馏塔系统除去另一部分的塔底液体或衍生自塔底液体的液体。蒸馏塔系统的再沸负荷至少部分通过相对于第一和第二再循环流体的间接热交换提供，第一再循环流体具有和第二再循环流体不同的压力。
[0010]在一些优选的实施方案中，将压缩的二氧化碳富集的气体分成至少第一部分和第二部分，其中第一部分为第一再循环流体，且其中第二部分为用于压缩以产生第二再循环流体的富含二氧化碳的气体。
[0011]在其它优选的实施方案中，从蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的蒸气并通过间接热交换温热以产生富含二氧化碳的气体，其用于压缩以产生第二再循环流体。
[0012]优选地，来自所述蒸馏塔系统中间位置的液体通过间接热交换至少部分再沸以提供另外的蒸气用于所述蒸馏塔系统。
[0013]本发明的第一方面也包括一种方法，所述方法包含将低于环境的温度下的粗二氧化碳进料进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体;通过间接热交换冷凝一部分二氧化碳富集的塔顶蒸气以提供蒸馏塔系统的回流;从所述蒸馏系统除去另一部分二氧化碳富集的塔顶蒸气;从蒸馏塔系统的中间位置除去富含二氧化碳的液体并将液体膨胀以产生膨胀的富含二氧化碳的液体;通过间接热交换温热和蒸发膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体;压缩包含温热的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生至少一种压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体;通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体;将冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统;通过间接热交换冷却和至少部分冷凝第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体;膨胀冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体;将膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合:富含二氧化碳的液体，膨胀的富含二氧化碳的液体和温热的富含二氧化碳的气体;通过间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统;和从蒸馏塔系统除去另一部分的塔底液体或衍生自塔底液体的液体。再沸负荷至少部分通过相对于第一和第二再循环流体的间接热交换提供。另外，在其中将膨胀的富含二氧化碳的流体和温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，膨胀的富含二氧化碳的流体首先通过间接热交换(例如相对于塔顶蒸气)温热和蒸发，以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体，用于和温热的富含二氧化碳的气体组合。
[0014]在本发明第一方面的替代装置中，提供纯化粗二氧化碳的方法，所述粗二氧化碳包含至少一种挥发性低于二氧化碳的杂质，所述方法包含:
将粗二氧化碳进料至在超大气压下运行的蒸馏塔系统，分离以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
提供二氧化碳富集的液体作为所述蒸馏塔系统的回流；
通过间接热交换，通过至少部分汽化杂质富集的塔底液体和至少一种位于或取自所述蒸馏塔系统中间位置的中间液体来再沸所述蒸馏塔系统，以提供蒸气用于所述蒸馏塔系统；
从所述蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气;和
从所述蒸馏塔系统除去杂质富集的塔底液体或衍生自杂质富集的塔底液体的液体，其中所述方法包含热栗循环，所述热栗循环使用来自所述蒸馏塔系统的含二氧化碳流体作为工作流体;和
其中所述中间液体，或存在多于一种中间液体时的至少一种和典型地所有所述中间液体，通过相对于来自所述蒸馏塔系统的二氧化碳富集的塔顶蒸气的所述间接热交换而至少部分汽化，从而至少部分冷凝所述二氧化碳富集的塔顶蒸气。
[0015]根据本发明的方法可以和上游分离整合，上游分离中产生含有硫化氢作为杂质的粗二氧化碳流。合适的上游分离公开于US7883569(和相关专利)以及W081/02291A。
[0016]根据本发明的第二方面，提供了用于进行第一方面的方法的设备。所述设备包含在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体;第一换热器装置，用于通过间接热交换温热至少一部分二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生温热的二氧化碳富集的气体;导管装置，用于从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气和将所述蒸气进料至第一换热器装置;第一压缩机系统，用于压缩温热的二氧化碳富集的气体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的气体;第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝作为第一再循环流体的至少一部分压缩的二氧化碳富集的气体以产生二氧化碳富集的流体;第一膨胀装置，用于膨胀二氧化碳富集的流体以产生膨胀的二氧化碳富集的流体用于进料至蒸馏塔系统作为回流;第二压缩机系统，用于压缩来自所述蒸馏塔系统的富含二氧化碳的气体以产生至少一个第二再循环流体;第三换热器装置，用于通过间接热交换冷却和任选冷凝至少一部分第二再循环流体以产生冷却的富含二氧化碳的流体用于进料至蒸馏塔系统;任选的膨胀装置，用于膨胀冷却的富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体，然后进料至蒸馏塔系统；第四换热器装置，用于通过相对于至少一个再循环流的间接热交换至少部分再沸塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统;和导管装置，用于从蒸馏塔系统除去另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体。第一和第二压缩机系统能够分别压缩温热的二氧化碳富集的气体和富含二氧化碳的气体至不同压力。
[0017]在一些优选的实施方案中，设备包含导管装置，其用于将压缩的二氧化碳富集的气体作为进料从第一压缩机系统进料至第二压缩机系统。
[0018]在其它优选的实施方案中，设备包含第五换热器装置，用于通过间接热交换温热富含二氧化碳的蒸气以产生温热的富含二氧化碳的气体;导管装置，其用于将富含二氧化碳的蒸气从所述蒸馏塔系统的中间位置进料至第五换热器装置;和导管装置，其用于将温热的富含二氧化碳的气体从第五换热器装置进料至第二压缩机系统。
[0019]优选地，设备包含第六换热器装置，用于至少部分再沸来自蒸馏塔系统中间位置的液体以提供另外的蒸气用于蒸馏塔系统。
[0020]根据本发明的第二方面，也提供设备，所述设备包含在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离在低于环境的温度下的粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体;第一换热器装置，用于通过间接热交换冷却和部分冷凝二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生至少部分冷凝的二氧化碳富集的塔顶蒸气作为回流用于所述蒸馏塔系统；导管装置，用于从蒸馏塔系统除去二氧化碳富集的塔顶蒸气；第一膨胀装置，用于膨胀富含二氧化碳的液体以产生膨胀的富含二氧化碳的液体;导管装置，用于将富含二氧化碳的液体从所述蒸馏塔系统的中间位置进料至第一膨胀装置;第二换热装置，用于通过间接热交换温热和蒸发膨胀的富含二氧化碳的液体以提供温热的富含二氧化碳的气体;压缩机系统，用于压缩包含温热的富含二氧化碳的气体的工作流体以产生压缩的富含二氧化碳的气体作为第一再循环流体和至少一种进一步压缩的富含二氧化碳的气体作为第二再循环流体;第三换热系统，用于通过间接热交换冷却和任选至少部分冷凝第一再循环流体以产生冷却的第一富含二氧化碳的流体;导管装置，用于将冷却的第一富含二氧化碳的流体和粗二氧化碳流体组合以产生粗二氧化碳进料用于蒸馏塔系统；第四换热装置，用于通过间接热交换冷却第二再循环流体以产生冷却的第二富含二氧化碳的流体;第二膨胀装置，用于膨胀冷却的第二富含二氧化碳的流体以产生膨胀的富含二氧化碳的流体;导管装置，用于将膨胀的富含二氧化碳的流体和选自以下的流体组合:富含二氧化碳的液体，膨胀的富含二氧化碳的液体和温热的富含二氧化碳的气体;第五换热器装置，用于通过相对于至少一个再循环流的间接热交换至少部分再沸一部分塔底液体以产生蒸气用于蒸馏塔系统；和导管装置，用于从蒸馏塔系统除去另一部分塔底液体或衍生自塔底液体的液体。在其中将膨胀的富含二氧化碳的流体和温热的富含二氧化碳的气体组合的实施方案中，所述设备包含第六换热器装置，用于通过间接热交换温热膨胀的富含二氧化碳的流体以产生进一步温热的富含二氧化碳的气体用于和温热的富含二氧化碳的气体组合。
[0021]在优选的实施方案中，所述设备包含第七换热器装置，用于至少部分再沸来自蒸馏塔系统中间位置的液体以提供另外的蒸气用于蒸馏塔系统。
[0022]在第二方面的第一替代装置中，提供设备，所述设备包含:
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
和所述蒸馏塔系统流体流动连通的第一换热器装置，用于通过间接热交换温热至少一部分所述二氧化碳富集的塔顶蒸气以产生温热的二氧化碳富集的气体；
和所述第一换热器装置流体流动连通的压缩机系统，用于压缩所述温热的二氧化碳富集的气体以产生至少一种压缩的二氧化碳富集的再循环气体；
和所述压缩机系统流体流动连通的第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却和至少部分冷凝至少一部分所述压缩的二氧化碳富集的再循环气体以产生二氧化碳富集的液体和蒸气用于蒸馏塔系统；
和所述第二换热器装置流体流动连通的第一膨胀装置，用于膨胀所述二氧化碳富集的液体以产生膨胀的二氧化碳富集的液体；
导管装置，用于将膨胀的二氧化碳富集的液体作为回流进料至所述蒸馏塔系统;和第三换热器装置，用于通过间接热交换再沸所述杂质富集的塔底液体以产生蒸气用于所述蒸馏塔系统。
[0023]在本发明第二方面的第二替代装置中，提供设备，所述设备包含:
在超大气压下运行的蒸馏塔系统，用于分离粗二氧化碳进料以产生二氧化碳富集的塔顶蒸气和富含所述至少一种杂质的塔底液体；
和所述蒸馏塔系统流体流动连通的第一膨胀装置，用于膨胀来自所述蒸馏塔系统的中间液体以产生膨胀的中间液体；
和所述第一膨胀装置流体流动连通的第一换热器装置，用于通过相对于二氧化碳富集的塔顶蒸气的间接热交换来汽化至少一部分所述膨胀的中间液体，所述二氧化碳富集的塔顶蒸气位于或取自所述蒸馏塔系统，以产生膨胀的中间气体和冷凝的二氧化碳富集的液体；
和所述第一蒸馏塔系统流体流动连通的压缩机系统，用于压缩所述膨胀的中间气体以产生压缩的中间再循环气体；
和所述压缩机系统流体流动连通的第二换热器装置，用于通过间接热交换冷却所述压缩的中间再循环气体以产生冷却的中间再循环气体;和导管装置，用于将所述冷却的中间再循环气体进料至所述蒸馏塔系统作为补