一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统及方法
阅读说明：本技术 一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统及方法 (System and method for generating gas and liquid carbon dioxide by methanol washing ) 是由 刘建国 崔静思 刘杰 李凌翔 李慧军 于 2021-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明属于煤化工技术领域,涉及一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统及方法,包括蒸发塔、洗醇塔再沸器、洗醇塔、二氧化碳液化凝结器、二氧化碳产品塔以及冷剂压缩机；所述蒸发塔、洗醇塔再沸器、洗醇塔、二氧化碳液化凝结器以及二氧化碳产品塔依次相连通；所述洗醇塔分别与蒸发塔和洗醇塔再沸器相连通；所述二氧化碳产品塔与洗醇塔相连通；所述冷剂压缩机经二氧化碳液化凝结器后返回冷剂压缩机；所述蒸发塔上设置原料进口；所述二氧化碳产品塔上设置产品出口。本发明能简化CO-(2)生产流程,实现CO-(2)的纯化富集；冷剂气液模式循环,降低能耗,调节生产气液两种状态的CO-(2)产品,适用大规模生产。(The invention belongs to the technical field of coal chemical industry, and relates to a system and a method for generating gas and liquid carbon dioxide by methanol washing, which comprises an evaporation tower, an alcohol washing tower reboiler, an alcohol washing tower, a carbon dioxide liquefaction condenser, a carbon dioxide product tower and a refrigerant compressor; the evaporation tower, the alcohol washing tower reboiler, the alcohol washing tower, the carbon dioxide liquefaction condenser and the carbon dioxide product tower are communicated in sequence; the alcohol washing tower is respectively communicated with the evaporation tower and the alcohol washing tower reboiler; the carbon dioxide product tower is communicated with the alcohol washing tower; the refrigerant compressor returns to the refrigerant compressor after passing through the carbon dioxide liquefaction condenser; the evaporation tower is provided with a raw material inlet; and a product outlet is arranged on the carbon dioxide product tower. The invention can simplify CO 2 Production flow of CO 2 Purifying and enriching; refrigerant gas-liquid mode circulation, energy consumption reduction and adjustment of CO in gas-liquid production 2 The product is suitable for large-scale production.)
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，涉及一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统及方法。
背景技术
低温甲醇洗(Rectisol)是一种气体净化工艺。该工艺为典型物理吸收法，是以低温甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的特性，脱除原料气中的酸性气体，由于甲醇的蒸汽压较高，所以低温甲醇洗工艺在低温(～－60℃)下操作，在低温下CO2与H2S 的溶解度随温度下降而显著地上升，因而所需的溶剂量较少，装置的设备也较小；该工艺气体净化度高，可将变换气中CO2脱至小于20ppm，H2S小于0.1ppm，气体的脱硫和脱碳可在同一个塔内分离；但是该技术的难点是吸附后气体解析和冷量回收的工艺流程的繁杂，流程长，导致效率低，且处理成本高。
此外，对于煤化工中的CO2或是含硫气体处理生产，常用的方法是闪蒸，就是闪蒸到低压低温闪蒸出二氧化碳气体，然后在压缩制冷产液二氧化碳，虽然能实现CO2的减排回收，但是该技术的难点是吸附后气体解析和冷量回收的工艺流程的繁杂，流程长，压力变化大，导致处理成本高，且尾气低压，纯度偏低，部分溶解气无法回收。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统及方法，本发明能简化CO2生产流程，实现CO2的纯化富集；冷剂气液模式循环，降低能耗，调节生产气液两种状态的CO2产品，适用大规模生产。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统，包括蒸发塔、洗醇塔再沸器、洗醇塔、二氧化碳液化凝结器、二氧化碳产品塔以及冷剂压缩机；所述蒸发塔、洗醇塔再沸器、洗醇塔、二氧化碳液化凝结器以及二氧化碳产品塔依次相连通；所述洗醇塔分别与蒸发塔和洗醇塔再沸器相连通；所述二氧化碳产品塔与洗醇塔相连通；所述冷剂压缩机经二氧化碳液化凝结器后返回冷剂压缩机；所述蒸发塔上设置原料进口；所述洗醇塔上设置气相产品出口；所述二氧化碳产品塔上设置液相产品出口。
进一步的，所述甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统还包括冷剂冷凝器和冷剂储槽；所述冷剂压缩机依次经冷剂冷凝器、冷剂储槽与二氧化碳液化凝结器相连通。
进一步的，所述甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统还包括设置在冷剂压缩机和冷剂冷凝器之间的蒸发塔再沸器；所述蒸发塔再沸器两端分别与蒸发塔相连通。
进一步的，所述甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统还包括凝液分离器和气体冷却器；所述洗醇塔再沸器依次经凝液分离器、气体冷却器与洗醇塔相连通；所述凝液分离器与蒸发塔相连通。
进一步的，所述甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统还包括与原料进口相连通的原料预热器；所述原料预热器还与蒸发塔相连通。
进一步的，所述甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统还包括与二氧化碳产品塔相连通的产品塔再沸器。
一种甲醇洗生产气、液二氧化碳的方法，包括以下步骤：
1)原料进入蒸发塔，在压力1.2～2.0MP、温度-10～45℃下蒸发，原料中解析的气相上升，液相向下，形成塔顶气相和塔底液相；塔底液相经蒸发塔再沸器补热后解析气相上升至蒸发塔中，塔顶气相经洗醇塔再沸器冷凝分离形成液体和气体，液体回流至蒸发塔中，气体进入洗醇塔；
2)气体经洗醇塔，在温度-25～-38℃下精馏生成CO2气体产品和洗醇塔塔底液；洗醇塔塔底液经洗醇塔再沸器补热升温后部分汽化维持精馏上升气体，未汽化部分回流至蒸发塔塔顶传质；同时进入洗醇塔中的气体还与从二氧化碳产品塔回流的CO2液体产品进行传质，重组分下移，CO2及低沸点的轻组分上移，CO2气体完成初步纯化；CO2气体产品上升至洗醇塔塔顶，一部分做产品直接输出，另一部分经二氧化碳液化凝结器冷凝，与冷剂储槽送来的循环冷剂换热冷凝后进入二氧化碳产品塔中；
3)在二氧化碳产品塔中，冷凝后的CO2气体产品分离出轻组分和CO2液体产品，轻组分上升至二氧化碳产品塔塔顶并经深度冷凝器冷却后得到凝液和尾气，尾气收集回用，凝液回流至二氧化碳产品塔传质；CO2液体产品下降至二氧化碳产品塔塔底，大部分CO2液体产品做产品直接输出，小部分CO2液体产品回流至洗醇塔进行传质。
进一步的，所述原料为甲醇洗中压闪蒸后的富碳甲醇或甲醇洗中压闪蒸后的富硫甲醇。
进一步的，所述原料为甲醇洗中压闪蒸后的富硫甲醇时，步骤1)中，经洗醇塔精馏后，还生成富硫气体，并直接从洗醇塔塔侧回收。
进一步的，所述步骤2)中，冷剂循环的过程是，气态冷剂经冷剂压缩机压缩后，经蒸发塔再沸器换热降温，再经冷剂冷凝器二次降温冷凝形成液态冷剂进入冷剂储槽中降压，最后经二氧化碳液化凝结器升温变为气相重新返回冷剂压缩机，形成循环；所述气态冷剂为外界加入或系统循环的气相冷剂。
本发明的有益效果是：
1、本发明将原料依次经蒸发塔、洗醇塔以及二氧化碳产品塔，经蒸发产富二氧化碳气，且蒸发二氧化碳携热内循环，有效降低塔高及物料循环的能耗；用洗醇塔(精馏)纯化二氧化碳气，对富碳甲醇可产高纯二氧化碳气体，对富硫甲醇产的部分硫化氢实现提浓，且产品纯度在99.99％以上，富硫甲醇产液二氧化碳产品的纯度可大于99.5％，实现CO2和富硫气体的高度富集纯化，同时还回收物料中的不凝气，生产方法简单，流程短，通过中压升温解析，最大量的实现甲醇洗二氧化碳再生及碳捕集，且得到纯化二氧化碳和回收甲醇；且省去低压区产液二氧化碳的压缩工序，实现很大的节能。
2、本发明采用蒸发、洗醇(精馏)和冷凝(液化)，蒸发-精馏-液化三者组合起来，得到冷剂压缩冷凝制冷蒸法的热泵循环流程，此流程具有节能的特点；通过升温来实现溶解二氧化碳解析释放，简化CO2的处理流程，省去闪蒸等一系类低压再生系统，流程简单产量大。
3、本发明中，冷剂为气液循环模式，既能换热，又能换冷，最大化闭环循环冷热，直接调节生产液体二氧化碳产品，相比传统碳捕集的液化不需用二氧化碳气体压缩机，工艺简单，热耗冷耗降低。
4、本发明中，从吸收CO2或是含硫气体的甲醇原料中，回收不同状态的CO2产品或富硫气体，同时回用中压区半贫甲醇，使得生产工艺能契合甲醇洗，采用蒸发生产的二氧化碳量大，适用大规模生产，能耗低。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的系统示意图；
图2为本发明实施例2提供的系统示意图；
其中：
1—蒸发塔；2—洗醇塔再沸器；3—凝液分离器；4—气体冷却器；5—洗醇塔；6—蒸发塔再沸器；7—冷剂冷凝器；8—冷剂储槽；9—二氧化碳液化凝结器；10—二氧化碳产品塔； 11—深度冷凝器；12—产品塔再沸器；13—二氧化碳回流泵；14—冷剂压缩机；15—原料预热器。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
实施例1
参见图1，本实施例提供的甲醇洗生产气、液二氧化碳的系统，包括蒸发塔1、洗醇塔再沸器2、洗醇塔5、二氧化碳液化凝结器9、二氧化碳产品塔10以及冷剂压缩机14；蒸发塔1塔顶经洗醇塔再沸器2与洗醇塔5塔侧相连通；洗醇塔5塔顶经二氧化碳液化凝结器9与二氧化碳产品塔10塔侧相连通；洗醇塔5塔底分别与洗醇塔再沸器2和蒸发塔1上部塔侧相连通；冷剂压缩机14经二氧化碳液化凝结器9与冷剂压缩机14相连通；二氧化碳产品塔10 塔底与洗醇塔5相连通。还包括冷剂冷凝器7和冷剂储槽8；冷剂压缩机14依次经冷剂冷凝器7和冷剂储槽8与二氧化碳液化凝结器9相连通。还包括凝液分离器3和气体冷却器4；凝液分离器3分别与蒸发塔1、洗醇塔再沸器2和气体冷却器4相连通；气体冷却器4与洗醇塔5相连通。还包括设置在冷剂压缩机14和冷剂冷凝器7之间的蒸发塔再沸器6；蒸发塔再沸器6还分别与蒸发塔1塔底和蒸发塔1塔侧相连通。还包括原料预热器15；原料预热器 15分别与蒸发塔1塔底和蒸发塔1中部塔侧相连通。还包括与二氧化碳产品塔10相连通的产品塔再沸器12。
具体的，蒸发塔1中部塔侧处设置原料进口；蒸发塔1塔底分两路，一路经蒸发塔再沸器6后与蒸发塔1下部塔侧相连通，另一路经原料预热器15后进行下一个工序(气提或是回用)；蒸发塔1塔顶与洗醇塔再沸器2相连通。
洗醇塔再沸器2的结构包括左腔室和右腔室，其中左腔室和右腔室内分别设置换热管，来实现换热。蒸发塔1塔顶经洗醇塔再沸器2左侧腔室后进入凝液分离器3塔侧处；凝液分离器3塔底与蒸发塔1上部塔侧相连通；凝液分离器3塔顶经气体冷却器4后，分为两路，一路返回凝液分离器3塔侧处，另一路进入洗醇塔5左上部塔侧处。
洗醇塔5塔底分两路，一路直接与蒸发塔1上部塔侧相连通，另一路经洗醇塔再沸器2 右侧腔室后回到洗醇塔5中部塔侧处；洗醇塔5塔顶一路直接回收气体CO2产品(洗醇塔5 塔顶设置气体气相产品出口)，另一路经二氧化碳液化凝结器9后进入二氧化碳产品塔10上部塔侧处。
二氧化碳产品塔10中，二氧化碳产品塔10塔顶经深度冷凝器11后收集尾气回用，一路返回二氧化碳产品塔10中；二氧化碳产品塔10塔底分为三路，第一路设置液相产品出口，可直接回收液体CO2产品，第二路经产品塔再沸器12返回二氧化碳产品塔10下部塔侧处，第三路经二氧化碳回流泵13返回至洗醇塔5右上部塔侧处。
在整个系统中，外界来的气态冷剂经冷剂压缩机14、蒸发塔再沸器6、冷剂冷凝器7、冷剂储槽8、二氧化碳液化凝结器9后返回冷剂压缩机14形成循环回路。
本发明中，冷剂为化工生产中常用的冷剂，具体的可根据压力温度选用适配的冷剂。
以甲醇洗中压闪蒸的富碳甲醇为原料，说明本实施例提供的甲醇洗生产气、液二氧化碳的方法：包括以下步骤：
1)原料进入蒸发塔1，在压力1.2～2.0MP、温度-10～45℃下蒸发，原料中解析的气相上升，液相向下，形成塔顶气相和塔底液相；塔底液相经蒸发塔再沸器6补热后解析气相上升至蒸发塔1中，塔顶气相经洗醇塔再沸器2冷凝分离形成液体和气体，液体回流至蒸发塔1 中，气体进入洗醇塔5；
2)气体经洗醇塔5，在温度-25～-38℃下精馏生成CO2气体产品和洗醇塔塔底液；洗醇塔塔底液经洗醇塔再沸器2补热升温后部分汽化维持精馏上升气体，未汽化部分回流至蒸发塔 1塔顶传质；同时进入洗醇塔5中的气体还与从二氧化碳产品塔10回流的CO2液体产品进行传质，重组分下移，CO2及低沸点的轻组分上移，CO2气体完成初步纯化；CO2气体产品上升至洗醇塔5塔顶，一部分做产品直接输出，另一部分经二氧化碳液化凝结器9冷凝，与冷剂储槽8送来的循环冷剂换热冷凝后进入二氧化碳产品塔10中；
3)在二氧化碳产品塔10中，冷凝后的CO2气体产品分离出轻组分和CO2液体产品，轻组分上升至二氧化碳产品塔10塔顶并经深度冷凝器11冷却后得到凝液和尾气，尾气收集回用，凝液回流至二氧化碳产品塔10传质；CO2液体产品下降至二氧化碳产品塔10塔底，大部分CO2液体产品做产品直接输出，小部分CO2液体产品回流至洗醇塔5进行传质。
具体的，步骤1)中，原料在进入蒸发塔1之前，先经过原料预热器15预热，然后从原料进口进入蒸发塔1中，在压力1.2～2.0MP、温度-10～45℃下经蒸发后生成塔顶气相(原料中蒸发出来的二氧化碳气相组分)和塔底液相(原料中未蒸发的甲醇液)，塔底液相一部分经蒸发塔再沸器6与流经蒸发塔再沸器6的冷剂进行换热，冷剂降温，塔底液相升温返回蒸发塔 1右下部塔侧处，塔底液相另一部分经原料预热器15与原料换热降温后至下一工序(气提或作为低贫甲醇液回用)；塔顶气相经洗醇塔再沸器2左腔室降温，进入凝液分离器3中分离，分离成气体和凝液，凝液从塔底返回至蒸发塔1上部塔侧；气体从凝液分离器3顶部出来继续经气体冷却器4冷凝，分为两路，凝液返回凝液分离器3塔侧处继续冷凝，冷凝后的气体进入洗醇塔5左上部塔侧处；
步骤2)中，气体在洗醇塔5中，在温度-25～-38℃下经精馏后生成CO2气体产品和洗醇塔塔底液；洗醇塔塔底液向洗醇塔5塔底方向流动，最后从塔底流出，一部分经洗醇塔再沸器2与蒸发塔1塔顶气相换热升温补热后返回洗醇塔5继续精馏，另一部分流至蒸发塔1蒸发；CO2气体产品向洗醇塔5顶部流动，最终从塔顶排出，一部分直接回收得到CO2气体产品，另一部分经二氧化碳液化凝结器9与冷剂压缩机14送来的循环冷剂进行冷凝降温后得到冷却液；同时，洗醇塔5内的气体与从二氧化碳产品塔10回流的二氧化碳进行传质，重组分不断下移至洗醇塔5塔底，CO2气体得到初步纯化富集；
步骤2)中，冷剂循环的过程是，从外界加入的气态冷剂经冷剂压缩机14压缩后，先经蒸发塔再沸器6换热降温，再经冷剂冷凝器7二次降温形成液态冷剂后流入冷剂储槽8中，最后经二氧化碳液化凝结器9升温变为气态重新返回冷剂压缩机14循环；
步骤3)中，冷却液进入二氧化碳产品塔10中主要是为了脱出轻组分，冷却液经分离得到轻组分和CO2液体产品，轻组分深度冷凝器11后生成凝液和尾气(即不凝气)，尾气直接收集回用，凝液返回二氧化碳产品塔10中继续冷凝分离出CO2液体产品；CO2液体产品从二氧化碳产品塔10塔底流出，部分从液相产品出口直接回收液体CO2产品，部分经二氧化碳回流泵13返回至洗醇塔5右上部塔侧处，与洗醇塔5传质，实现CO2气体产品的初步纯化富集，实施时，还有一部分经产品塔再沸器12给热后返回二氧化碳产品塔10下部塔侧处实现塔底补热。
本实施例通过蒸发塔1、洗醇塔5、二氧化碳产品塔10以及冷剂循环，实现从吸收CO2的甲醇中回收不同状态的CO2产品，且冷剂在回路中以气液模式循环，既能换热，又能换冷，调节两种不同状态的CO2产品，实现对CO2的纯化富集，得到的二氧化碳产品纯度可达到99.99％以上，简化CO2的处理流程，节约时间，能耗低；此外，本实施例的生产工艺能契合甲醇洗，适用大规模生产，能耗低。蒸发的压力为1.2～2.0MP，中压区下产二氧化碳气体和二氧化碳液体，且这个压力下的富碳甲醇生产二氧化碳后，大部分未蒸发的塔底液相可回用做半贫甲醇。
实施例2
参见图2，与实施例1不同的是，当原料为富硫甲醇时，洗醇塔5右中部塔侧设置富硫气体出口。且系统不含有产品塔再沸器12。
具体的，蒸发塔1中部塔侧处设置原料进口；蒸发塔1塔底分两路，一路经蒸发塔再沸器6后与蒸发塔1下部塔侧相连通，另一路经原料预热器15后进行下一个工序(气提或是回用)；蒸发塔1塔顶与洗醇塔再沸器2相连通。
蒸发塔1塔顶经洗醇塔再沸器2左侧腔室后进入凝液分离器3塔侧处；凝液分离器3塔底与蒸发塔1上部塔侧相连通；凝液分离器3塔顶经气体冷却器4后，分为两路，一路返回凝液分离器3塔侧处，另一路进入洗醇塔5左上部塔侧处。
洗醇塔5塔底分两路，一路直接与蒸发塔1上部塔侧相连通，另一路经洗醇塔再沸器2 右侧腔室后回到洗醇塔5中部塔侧处；洗醇塔5塔顶一路设置气相产品出口，可直接回收气体CO2产品，另一路经二氧化碳液化凝结器9后进入二氧化碳产品塔10上部塔侧处；洗醇塔 5右中部塔侧处设置富硫气体出口。
二氧化碳产品塔10中，二氧化碳产品塔10塔顶经深度冷凝器11后收集尾气回用，一路返回二氧化碳产品塔10中；二氧化碳产品塔10塔底分为两路，第一路设置液相产品出口，可直接回收液体CO2产品，第二路经二氧化碳回流泵13返回至洗醇塔5右上部塔侧处。
在整个系统中，外界来的气态冷剂经冷剂压缩机14、蒸发塔再沸器6、冷剂冷凝器7、冷剂储槽8、二氧化碳液化凝结器9后返回冷剂压缩机14形成循环回路。
以甲醇洗中压闪蒸的富硫甲醇为原料，说明本实施例提供的甲醇洗生产气、液二氧化碳的方法：
步骤1)中，原料在进入蒸发塔1之前，先经过原料预热器15预热，然后从原料进口进入蒸发塔1中，在压力1.2～2.0MP、温度-10～45℃下经蒸发后生成塔顶气相(原料中蒸发出来的二氧化碳和含硫气相组分)和塔底液相(原料中未蒸发的甲醇液)，塔底液相一部分经蒸发塔再沸器6与流经蒸发塔再沸器6的冷剂进行换热，冷剂降温，塔底液相升温返回蒸发塔1 右下部塔侧处，塔底液相另一部分经原料预热器15与原料换热降温后至下一工序(气提)；塔顶气相经洗醇塔再沸器2左腔室降温后进入凝液分离器3中，分离成气体和凝液，凝液从塔底返回至蒸发塔1上部塔侧；气体从塔顶经气体冷却器4后分为两路，一路返回凝液分离器3塔侧处继续冷凝，另一路进入洗醇塔5左上部塔侧处；
步骤2)中，气体在洗醇塔5中，在温度-25～-38℃下经精馏后生成CO2气体产品、富硫气体产品和洗醇塔塔底液；富硫气体产品从洗醇塔5右中部塔侧处排出收集；洗醇塔塔底液向洗醇塔5塔底方向流动，最后从塔底流出，一部分经洗醇塔再沸器2与蒸发塔1塔顶气相换热后返回洗醇塔5继续精馏，另一部分流至蒸发塔1蒸发；CO2气体产品向洗醇塔5顶部流动，最终从塔顶排出，一部分直接从气相产品出口回收得到CO2气体产品，另一部分经二氧化碳液化凝结器9与冷剂压缩机14送来的循环冷剂进行冷凝降温后得到冷却液；同时，洗醇塔5内的气体与从二氧化碳产品塔10回流的二氧化碳进行传质，重组分不断下移至洗醇塔5塔底，CO2气体得到初步纯化富集；
步骤2)中，冷剂循环的过程是，从外界加入的气态冷剂经冷剂压缩机14压缩后，先经蒸发塔再沸器6换热降温，再经冷剂冷凝器7二次降温形成液态冷剂后流入冷剂储槽8中，最后经二氧化碳液化凝结器9升温变为气态重新返回冷剂压缩机14循环；
步骤3)中，冷却液进入二氧化碳产品塔10中主要是为了脱出轻组分，冷却液经分离得到轻组分和CO2液体产品，轻组分深度冷凝器11后生成凝液和尾气(即不凝气)，尾气直接收集回用，凝液返回二氧化碳产品塔10中继续冷凝分离出CO2液体产品；CO2液体产品从二氧化碳产品塔10塔底流出，分为两路，第一路从液相产品出口直接回收液体CO2产品，第二路经二氧化碳回流泵13返回至洗醇塔5右上部塔侧处，与洗醇塔5传质，实现CO2气体产品的初步纯化富集。
本实施例通过蒸发塔1、洗醇塔5、二氧化碳产品塔10以及冷剂循环，实现从吸收富硫的甲醇中回收富硫气体和两种不同状态的CO2产品，富硫甲醇产液二氧化碳产品的纯度可大于99.5％；CO2产品纯度相对富硫甲醇原料的纯度较低；且冷剂在回路中以气液模式循环，既能换热，又能换冷，调节两种不同状态的CO2产品的质量，简化CO2的处理流程，节约时间，能耗低；此外，本实施例的生产工艺能契合甲醇洗，适用大规模生产，能耗低。
综上所述，本发明中，中压区热法产出二氧化碳大幅降低低压区二氧化碳再生能耗，给热给冷用同一种冷剂，节省制冷介质，简化处理工艺，且通过气化冷剂和液体冷剂相互变化，调节不同状态的CO2产品的质量，并能契合甲醇洗工艺，适用大规模生产，能耗低。
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