二氧化碳回收设备 【技术领域】
本发明总的涉及二氧化碳的回收，更具体地说，涉及从还包含氧气的原料(feed)混合物中回收二氧化碳。
背景技术
二氧化碳具有很多用途。例如，二氧化碳用于碳酸饮料，用于冷藏、冷冻和包装海产食物、肉、家禽、烘烤食品、水果和蔬菜，并用于延长乳制品的保存期限。它是工业废物和工艺水处理中一种重要的环境成分，用以代替硫酸控制pH水平。其它用途包括饮用水处理、作为有益于环境的杀虫剂和温室中改善蔬菜生长的气氛添加剂。
通常，二氧化碳是通过纯化废物流出物得到的，此废物流出物是有机或无机化学过程的副产品。此废物流出物包含高浓度二氧化碳，通过多个步骤的冷凝和纯化，然后蒸馏得到产品级(product grade)二氧化碳。
因为二氧化碳需求持续增长，二氧化碳替换来源(alternatesource)正被用于对纯化系统的粗二氧化碳原料供料。这样的替换原料(alternate feed)中二氧化碳浓度很低，因此需要精制，即必须提高二氧化碳浓度，然后才可以有效生产产品级二氧化碳。这些具有较低二氧化碳浓度的替换原料称作贫乏原料(lean feed)。这样的贫乏原料的实例是例如燃烧器如锅炉、内燃机、燃气轮机或石灰窑的烟道气。
可以通过多种途径提高原料中二氧化碳的浓度。一种特别优选的方法是经化学吸收，从粗二氧化碳原料中将二氧化碳吸收到链烷醇胺-基吸收剂中。然后，所得到的载带有二氧化碳地吸收剂经分离得到供回收的二氧化碳产品和包含链烷醇胺的吸收剂，这些吸收剂可以循环，在回收系统中重复使用。
通常，粗二氧化碳原料包含高含量水平的氧，这些氧可以导致链烷醇胺的降解，从而消弱它们在回收系统中的作用，还导致系统中的腐蚀问题。本领域技术人员已用两种方法中的一种处理此问题。一种方法中，将化学抑制剂加入到吸收器流体中，以通过抑制链烷醇胺的氧化作用以防止降解。另一种方法，在粗二氧化碳原料与链烷醇胺-基吸收剂反应之前，从粗二氧化碳原料中除去氧。在此方法的一种实例中，在催化燃烧反应中，将燃料加入到粗二氧化碳原料中与氧气燃烧。虽然两种方法都是有效的，但是它们的特点是投资费用高，此外还很难操作。
因此，本发明的目的是提供一种系统，此系统通过使用链烷醇胺-基吸收剂以提高原料等级，可以更有效地从含氧原料中回收二氧化碳或其它被吸收物质(absorbate)。
发明概述
上述目的和其它目的在本领域技术人员阅读本说明书后将变得清楚，它们通过本发明实现，本发明为：
从含氧原料混合物中回收被吸收物质的设备，包括：
(A)吸收柱、将含氧和被吸收物质的原料混合物输送至吸收柱下部(lower portion)的装置，以及将包含至少一种链烷醇胺的吸收剂输送至吸收柱上部(upper portion)的装置；
(B)氧分离器和将流体从吸收柱的下部送入氧分离器的装置；
(C)热交换器和将流体从氧分离器送入热交换器的装置；
(D)汽提柱和将流体从热交换器送至汽提柱上部的装置；和
(E)从汽提柱上部回收被吸收物质的装置。
文中所述术语“吸收柱”是指能使合适的溶剂，即吸收剂从包含一种或多种其它成分的流体中选择性吸收被吸收物质的传质装置(mass transfer device)。
文中所述术语“汽提柱”是指一种传质装置，其中通常通过能量的应用，将一种成分如被吸收物质与吸收剂分离。
文中所述术语“闪蒸罐(flash tank)”是指一种容器，它可以通过减压，如采用真空泵使溶解的气体和液体发生相分离。
文中所述术语“抑制剂”是指抑制或减小反应速率的化学品或化学品混合物。例如，碳酸铜与一种或多种以下物质组合，在有或没有碱金属碳酸盐的情况下抑制链烷醇胺氧化降解：二羟基乙基甘氨酸、碱金属高锰酸盐、碱金属硫氰酸盐、氧化镍或氧化铋。
文中所述术语“除氧气体”是指氧浓度小于2摩尔％，优选小于0.5摩尔％的气体，它可以用于从液体中汽提溶解的氧。
文中所述术语“上部”和“下部”分别是指中点以上或以下的区段。
文中所述术语“间接热交换”是指使两种流体进行热交换，但流体没有任何物理接触或互相混合的过程。
附图简述
图1是本发明一种特别优选实施方案的略图，其中氧分离器包括氧汽提柱。
图2是本发明另一种特别优选实施方案的略图，其中氧分离器包括闪蒸罐。
发明详述
本发明将参照附图进行详述。现参看图1，原料气体混合物1通常已被冷却并经处理以减少微粒和其它杂质，如氧化硫(SOx)和氧化氮(NOx)，此原料气体混合物1送至压缩机或鼓风机2(blower)，于其中压缩至一般为14.7-30磅/平方英寸绝对压力(psia)范围内。原料气体混合物1通常包含2-50摩尔％二氧化碳作为被吸收物质，一般二氧化碳的浓度在3-25摩尔％范围内。原料气体混合物1还包含氧，氧的浓度一般从小于1摩尔％至约18摩尔％之间。原料气体混合物1还可以包含一种或多种其它成分，如微量的烃类、氮、一氧化碳、水蒸汽、氧化硫、氧化氮和微粒。
压缩的原料气体混合物3由鼓风机2送入吸收柱4的下部，吸收柱4顶部通常在40-45℃温度范围操作，而柱底部通常在50-60℃温度范围操作。吸收剂6送入吸收柱4上部。吸收剂6包含至少一种链烷醇胺类物质。可用于本发明吸收器流体6的链烷醇胺实例是单乙醇胺、二乙醇胺、二异丙醇胺、甲基二乙醇胺和三乙醇胺。通常链烷醇胺以水溶液形式使用。在吸收剂6中的一种或多种链烷醇胺的浓度在5-80重量％，优选10-50重量％。用于本发明吸收剂流体的优选的伯链烷醇胺(primary alkanolamine)是单乙醇胺，优选浓度在5-25重量％，更优选在10-15重量％。用于吸收剂流体的优选仲链烷醇胺(secondary alkanolamine)是二乙醇胺和二异丙醇胺。
在吸收柱4中，原料气体混合物上升与向下流动的吸收剂呈逆流流动。吸收柱4包含柱内部部件或传质部件，如塔板或无规填料或结构填料。随着原料气体上升，原料气体中的大部分二氧化碳、氧和少量的其它物质，如氮，被吸收至向下流动的吸收剂液体中，在柱4顶部产生其中除去了二氧化碳的顶部蒸汽，并吸收至在柱4底部的含有溶解氧的载有二氧化碳的吸收剂中。顶部蒸汽从柱4上部以物流5中提取而载有二氧化碳的吸收剂从柱4下部以物流7提取。
溶解的氧最终导致链烷醇胺的降解，从而导致腐蚀和其它操作困难。本发明二氧化碳回收设备中，载有二氧化碳的吸收剂送至氧分离器。图1所示系统中，通过在传质设备，如氧汽提柱中使吸收剂与除氧气体接触，减少载有二氧化碳的吸收剂中溶解氧的量。
在物流7中的包含溶解氧的载有二氧化碳的吸收剂，从吸收柱4的下部送入另外的汽提柱151上部。本发明的一个重要方面是包括物流7的流体从其由吸收柱4提取出开始至其进入氧分离器，如氧汽提柱151的过程中，不经任何加热。除氧气体以物流152进入汽提柱151下部。除氧气体的一个来源是不含氧的二氧化碳物流。这样的物流的实例包括富含二氧化碳的蒸汽物流16，在图1中示为物流71，来自储罐的二氧化碳或来自更下游工艺过程的二氧化碳。还可以使用其它无氧气体，如氮。
在汽提柱151中，除氧气体上升与向下流动的载有二氧化碳的吸收剂呈逆流流动。汽提柱151包含柱内部部件或传质部件，如塔板，或无规填料或结构填料。随着除氧气体上升，在吸收剂中的氧从向下流动的吸收剂中汽提出来进入向上流动的除氧气体中，在汽提柱151顶部形成包含氧的除氧气体，并进入在汽提柱151底部的其中除去了氧的载有二氧化碳的吸收剂中。包含氧的清除气体在柱151上部以物流150中提取。一般，物流150除了包含氧和其它物质之外，还包含一些二氧化碳。此物流可以排入大气中、原样使用或与物流16中的最终产物二氧化碳混合，在图1示为物流72。除去了氧的载有二氧化碳的吸收剂从柱151下部以物流153提取，该吸收剂通常包含小于2ppm，优选小于0.5ppm的氧，吸收剂送至液体泵8并由此以物流9送至热交换器10并通过热交换器10，吸收剂经间接换热加热至通常为90-120℃，优选100-110℃的范围。
已加热的载有二氧化碳的吸收剂从热交换器10以物流11进入第二或主汽提柱12上部，柱顶部一般在100-110℃温度操作，柱底部一般在119-125℃温度操作。随着已加热的载有二氧化碳的吸收剂向下流经汽提柱12，通过可以为塔板、或无规或结构填料的传质部件，在吸收剂中的二氧化碳从吸收剂汽提至向上流动的通常为水蒸汽的蒸汽中，生成富含二氧化碳的顶部蒸汽和残留的吸收剂。富含二氧化碳的流体从汽提柱12上部以顶部蒸汽流13回收，通过回流冷凝器47，在冷凝器47中部分冷凝。所得到的两相物流14送至回流罐或相分离器15，于其中分离为富含二氧化碳的气体和冷凝物。富含二氧化碳的气体从相分离器15以物流16除去，并作为二氧化碳浓度按干重计通常为95-99.9摩尔％的二氧化碳产物流体回收。本说明书中的“回收”是指作为最终产物回收或由于某种原因，如处理、进一步使用、进一步加工或螯合作用(sequestration)而分离。主要包含水和链烷醇胺的冷凝物从相分离器15以物流17提取，通过液体泵18并以物流19进入汽提柱12的上部。
还包含水的有残留含链烷醇胺的吸收剂从汽提柱12下部以物流20提取，并进入再沸器21，在再沸器21中通过间接热交换一般加热至119-125℃。图1所示的本发明具体实施方案中，再沸器21由压力为28磅/平方英寸(psig)或更高的饱和蒸汽48驱动，而蒸汽以物流49从再沸器21提取。在再沸器21中加热含链烷醇胺的吸收剂逐出一些水，这些水以蒸汽形式以物流22由再沸器21进入汽提柱12的下部，在汽提柱中作为上述向上流动的蒸汽。所得到的含链烷醇胺的吸收剂由再沸器21以液体物流23提取。物流23的一部分24输送到回收设备或纯化设备25，在此，液体蒸发。在回收设备中加入碱灰(sodaash)或苛性钠促进任何降解副产物和热稳定胺盐的沉淀作用。物流27示意任何降解副产物和热稳定胺盐的处理。如图1所示，已蒸发的胺溶液26可以重新引入汽提柱12。还可以将其冷却并直接与进入吸收柱4顶部的物流6混合。而且，如果不用如图所示的回收设备25，也可以使用其它纯化方法，如离子交换或电渗析。
已加热的含链烷醇胺的吸收剂23的残留部分148送入溶剂泵35并由此以物流29进入并流经热交换器10，在热交换器10中，起上述加热载有二氧化碳的吸收剂的作用，由热交换器10出来则为已冷却的含链烷醇胺的吸收剂34。
物流34经流经冷却器37而冷却至约40℃，以形成冷却的吸收剂38。物流38的一部分40流经机械过滤器41，从过滤器41以物流42经碳床过滤器(carbon bed filter)43，并从床层43以物流44经机械过滤器45，以除去杂质、固体物、降解副产物和热稳定的胺盐。所得到的纯化物流46与物流38的残余物物流39再结合，形成物流55。储罐30包含另外的用于补足的链烷醇胺。链烷醇胺吸收剂从储罐30以物流31提取，通过液体泵32以物流33泵送至物流55。储罐50包含补足用的水。水从储罐50以物流51提取，并通过液体泵52以物流53泵送至物流55。物流33和53一起与物流55形成合并的吸收剂物流6，如上所述地进入吸收柱4的上部。
图2说明本发明另一个具体实施方案，其中闪蒸罐和真空泵用于进行载有二氧化碳的吸收剂的脱氧作用。图2与图1相同的部件的数字与图1中的数字是相同的，这里就不再详细讨论这些相同的部件。
现参看图2，载有二氧化碳的吸收剂7进入闪蒸罐102中，在闪蒸罐中，其压力用真空泵104从约大气压减压至负压，通常在1-10psia，优选2-6psia。由于减压的结果，溶解的氧从吸收剂中释放出来。通常，减压将导致吸收剂7中至少50％的溶解氧释放出来。释放的氧从闪蒸罐102的物流103排出，经真空泵104，并以物流105从系统中排出。减压将导致一些二氧化碳随氧和其它物质释放出来。此物流可以排至大气中、原样使用或与最终产物二氧化碳混合。所得到的已除去氧的载有二氧化碳的吸收剂，通常包含小于2ppm的氧，优选小于0.5ppm的氧，从闪蒸罐102以物流106提取，然后进入液体泵8，并由液体泵8以物流9进入并流经热交换器10以上述的结合图1中所示的具体实施方案作进一步处理。
本发明不同于常规系统，常规系统提供抑制剂以保护链烷醇胺不接触氧，或在氧与链烷醇胺接触之前就除去氧。申请人已发现使氧和链烷醇胺混合，然后除去氧，这一安排看似效率低，但对整个系统而言可得到意想不到的的好处。
尽管本发明参照某些优选具体实施方案进行了详细的描述，本领域技术人员将认识到不超出本发明权利要求精神和范围内还有其它的本发明具体实施方案。例如，本发明可用于分离不同于或除了二氧化碳之外的其它化合物，如硫化氢。