[发明专利]用于通过部分冷凝和渗透分离富含二氧化碳的气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过部分冷凝和渗透分离富含二氧化碳的气体的方法。

背景技术

富含二氧化碳的气体在干燥的基础上包含至少65mol％、或至少80mol％或甚至至少90mol％的二氧化碳。

富含二氧化碳的气体包含至少一种较轻的气体，如氧气、氮气、一氧化碳、氢气。

优选地，其包含小于5mol％的甲烷，或者甚至小于2mol％的甲烷。

本文中与纯度有关的所有的百分比都是摩尔百分比。

当气体的浓度足够高(≥30mol％)时，特别选择低温分离富含二氧化碳的气体作为捕获CO₂的一种手段。在被冷却之前(通常尽可能接近CO₂的三相点)，通常气体必须被干燥且其压力必须增加，以便以期望的产率捕获CO₂，因为本质上是基于部分冷凝进行分离。

如WO-A-2012/048078中所示，可以借助于放置在部分冷凝罐顶部的膜提高产率：具体来说，利用了将在膜中重复利用的不冷凝气体的压力。

膜将被选择为，其中，CO₂相对于其它化合物将优先渗透，以从膜的渗透物中捕获CO₂。

能够执行这种分离的膜从WO-A-2011/084516和Kulkarni等人的“CO₂Capture by Subambient Membrane Operation”，2010NETL CO₂Capture Technology中已知。

在这些文献中给出了适用于本发明的膜及其操作的详细说明。

膜的入口气体和渗透物之间的压力损失涉及大的温度下降。这个温度下降将适用于渗透物和从该膜产生的残余物，因为渗透物将与残余物进行热交换。

膜从而充当热交换器，使得在某些配置(如逆流)中残余物的温度下降大于渗透物。

此外，由于从冷凝罐生成的气体处于相平衡和接近三相点，因此过大的温度下降可以液化CO₂，或者甚至使其冻结在膜中，这会降低膜的性能或甚至危及其完整性。

最后，如果残余物和/或渗透物的温度降到低于三相点的温度(对于高的膜产率这将容易地实现)，在交换器中从这些流体回收冷量将变得复杂。具体地说，由于这些流体特别冷，其将试图冷却CO₂。然后交换器(例如管或板)的表面温度将非常低，待冷却的CO₂凝固的风险将非常高。

发明内容

本发明涉及膜的出口温度的适应，以便防止过度的低温，该过度的低温涉及在膜的出口处从流体回收冷量期间CO₂凝固的风险。

因此，本发明在于将温度下降限制为高于CO₂的三相点的温度，以便能够确保通过膜分离产生的冷量在工艺的其余部分的再循环。

为了限制温度下降，可以通过加热罐的顶部以增加膜的操作温度。

然后可以有几个选择：

-在主交换管线中加热和回收来自从膜产生的流体的冷量(图1)；

-在专用热交换器中加热/升温(图2)，特别是当交换管线被分成两个部分，其中第二(最冷)部分使用防止冷箱(例如外壳和管道)冻结的技术时。

在该图中，LP CO₂在其膨胀之前与温度显著低于交换管线(具有较高的温度)的温度的所有气体换热而被过冷却。以这种方式，这使得可以与处于相似温度下的较热流体换热来回收低温冷量，这通过最小化热交换期间的放热损失而优化了系统；

-加热相分离器的顶部和中间加热(图3)。当温度最低时低温膜的性能更加有利。为了优化膜分离，罐的顶部因此将比前述附图中程度较低地被加热，并且为了限制温度下降，将在从第一批的模块出现后和在进入最后的膜模块之前重新加热。这两个加热操作可以如上所述在主交换管线或在专用交换器中进行。

可以尽可能多次地重复中间加热操作以便优化该系统。

不论所选择的方案如何，都要小心适应在膜渗透物的通路中的交换器中的压降。具体而言，由于在渗透物侧的压力特别低，气体的体积流率非常高，这大大影响了交换器的尺寸。选择高的压降会使其能够降低渗透物的流动面积，从而降低交换器的尺寸。