从气态混合物中分离产物气体的方法 |
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| 申请号 | CN201580072536.7 | 申请日 | 2015-12-07 | 公开(公告)号 | CN107148398A | 公开(公告)日 | 2017-09-08 |
| 申请人 | 美国碳捕集与利用技术开发公司; | 发明人 | 陈孝国; 潘子江; 李智玮; 让-皮埃尔·艾勒瑞; 易飞; 吴黎栋; | ||||
| 摘要 | 气体加压分离系统从物流中 汽提 产物气体，从而产生含有该产物气体的高压气态流出物，例如其可用于从燃 煤 的燃烧后 烟道气 中捕集CO2，用于纯化 天然气 、 合成气 和EOR循环气体。该系统包括气体加压汽提塔，允许一种或多种原料流沿第一方向流动，并允许一种或多种高压气流沿第二方向流动，以将产物气体汽提到高压气流中并产生含有该产物气体的高压气态流出物。该方法可进一步包括最终分离方法，以进一步纯化来自GPS塔的产物气体。对于CO2产物，也介绍了优选的 能量 有效的最终分离方法：复合压缩和制冷方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于从气态混合物中分离产物气体以产生高压气态流出物的方法，在所述高压气态流出物中，所述产物气体具有比在所述气态混合物中高至少4倍的分压，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 从气态混合物中分离产物气体的方法[0001] 相关申请 [0003] 政府许可权 [0004] 本发明部分地得到由美国能源部为项目“从燃烧后烟道气体中捕集CO2的新型气体加压汽提工艺类技术的开发”颁发的美国能源部奖项序号DE-FE0007567的政府支持。美国政府对本发明享有一定的权利。 技术领域[0005] 本发明涉及气体加压分离塔以及利用这种塔的方法。 背景技术[0006] 在综合碳捕集和封存(CCS)过程中，从公用烟道气中捕集CO2是最昂贵的步骤。目前商用的现有捕集技术使用胺类吸收技术。使用吸收塔12的典型的常规方法10示出在图1中。如下所述，原料烟道气14进入吸收塔12，清洁的烟道气16流出。CO2贫乏的溶液18从顶部进入吸收塔12并向下流动。通过与烟道气逆流接触，该溶液在吸收塔12中吸收烟道气中大部分的CO2，并产生从20流出的富含CO2的溶液。该富含CO2的溶液经过泵22，并且在管线24中经过热交换器26。在与来自汽提塔30或汽提器底部的CO2贫乏的溶液进行热交换之后，富溶液在管线28中从顶部进入汽提器30并向下流动。在该富溶液中的CO2被向上流动的水蒸汽汽提。汽提被吸收的CO2所需的热量完全由该水蒸汽提供。管线49从汽提器30中抽取水/蒸汽，以供应到汽提器30底部的具有相关联的蒸汽管线46的再沸器46。来自再沸器46的加热的水蒸汽通过管线50供应到汽提器30底部。来自汽提器30底部的管线32中的CO2贫乏的溶液经过泵34并通过管线36到达交叉热交换器26。来自汽提器30的CO2贫乏的溶液在管线38中流出热交换器26，然后在其在管线18中进入吸收器之前在冷却单元40中进一步冷却，并且重复该循环。通过管线42可以将补充溶剂(胺)添加到CO2贫乏的溶液中。经汽提的CO2在顶部在管线52中流出汽提器30，从而CO2在管线60中离开，其中，该管线52延伸经过具有回流管线58的冷却器56。 [0007] 常规的吸收/汽提方法是能量密集的。汽提器中的热量需求由三部分组成： [0008] Q总＝Q显热+Q反应+Q汽提 (1) [0009] 在本文中，Q反应是反应热(也称为吸收热)，其与在吸收塔中吸收期间释放的热量相同；Q显热是显热，其是将富含CO2的溶液从其进入汽提器的温度加热至离开再沸器的CO2贫乏的溶液的温度所需的热量；以及Q汽提是汽提热，即产生从汽提器顶部出来的水蒸汽所需的热量。每一部分热量可以通过以下各方程式计算： [0010] [0011] Q反应＝ΔH反应 (3) [0012] [0013] 在本文中， [0015] Cp是以kJ/kg溶液计的溶液的热容； [0017] TA和TS分别是吸收温度和汽提温度； [0018] T贫和T进料是来自汽提器的贫溶液的温度和到达汽提器(在交叉热交换器后)的富溶液的温度； [0019] H贫和H富是贫溶液的焓和富溶液的焓； [0020] PH2O和PCO2分别为水的分压和CO2的分压；以及 [0021] R是气体常数。 [0022] 当单乙醇胺(MEA)用作溶剂时，胺类吸收方法的Q显热、Q反应和Q汽提分别大致为480Btu/lbCO2、800Btu/lbCO2和270Btu/lbCO2，总共约为1550Btu/lbCO2。 [0023] 常规汽提方法有若干根本的缺点，包括：一个缺点是汽提器的操作压力由再沸器中CO2贫乏的溶液的蒸汽压决定，而该蒸汽压又由贫溶液的组成和再沸器的温度决定。为了增加操作压力，必须升高再沸器中的温度，这通常受胺溶剂稳定性的限制。常规汽提器中再沸器的温度通常为120℃，因此操作压力限制在约28psia。其次，汽提CO2所需的热量完全由再沸器中产生的水蒸汽提供。因此，水蒸汽不仅用作汽提气体，而且用作热载体。因为从底部到顶部，汽提器中蒸汽PH2O和PCO2的双重函数都相互关联。第三，由于汽提器的低操作压力(～28psia)(因此CO2产物的压力低)，需要大量压缩功来将二氧化碳产物压缩至管道输送就绪压力(～2250psia)。 [0024] 包括Chakravarti，Shrikar等人的美国专利公开号2002-0081256在内的多项申请描述了二氧化碳回收技术，Chakravarti，Shrikar等人的该专利申请公开了在高压下回收二氧化碳，(A)提供包括二氧化碳的气态进料流，其中所述进料流的压力高达30psia；(B)优选地将二氧化碳从所述进料流中吸收到液体吸收剂流体中以形成富集二氧化碳的液体吸收剂流；(C)以任何顺序或同时，将所述富集二氧化碳的液体吸收剂流加压至足以使该流在35psia或更大的压力下到达汽提器顶部的压力，并且加热该富集二氧化碳的液体吸收剂流以获得加热的富集二氧化碳的液体吸收剂流；和(D)在35psia或更大的压力下操作的汽提塔中从所述富集二氧化碳的液体吸收剂流中汽提二氧化碳，并从所述汽提器中回收压力为 35psia或更大的气态二氧化碳产物流。在该方法的另一方面，将来自汽提器的经汽提的液体吸收剂流体循环至步骤(B)。 [0025] Chakravarti，Shrikar等人的美国专利公开号2002-0026779公开了一种用于从含氧混合物中回收诸如二氧化碳等被吸收的物质的系统，其中，将二氧化碳浓缩在含链烷醇胺的吸收流体中，将氧气从吸收流体中分离出，加热所得到的流体，以及从该吸收流体中蒸汽提取二氧化碳并且回收。 [0026] Searle，Ronald G.的美国专利公开号2002-0132864公开了一种从环氧乙烷生产过程中回收二氧化碳并将该回收的二氧化碳用作合成甲醇的碳源的方法。更具体地，从环氧乙烷生产过程中回收的二氧化碳用于生产合成气流。然后将该合成气流用于生产甲醇。 [0027] Filippi，Ermanno等人的美国专利公开号2004-0123737公开了一种用于从可燃氧化过程中产生的废气中分离和回收二氧化碳的方法，包括以下步骤：将废气流输送至气体半渗透材料，通过所述气体半渗透材料从所述废气流中分离包含高度浓缩的二氧化碳的气态流，以及将至少一部分所述包含高度浓缩的二氧化碳的气态流用作工业生产设备中的原料，和/或储存至少一部分所述包含二氧化碳的气态流。 [0028] Hakka，Leo E.等人的美国专利公开号2004-0253159公开了一种从进料气流中回收CO2的方法，包括用再生吸收剂处理进料气流以获得富含CO2的流，所述再生吸收剂包含至少一种叔胺吸收剂，该叔胺吸收剂在氧化抑制剂存在下具有约6.5至约9的氨基官能团的pKa，随后处理富含CO2的流，以获得上述再生吸收剂和富含CO2的产物流。进料气流还可以包括SO2和/或NOx。 [0029] Kamijo，Takashi等人的美国专利公开号2006-0204425公开了一种用于回收CO2的装置和方法，其旨在能够提高能效。用于回收CO2的装置包括用于将提取的温度升高的半贫溶液返回到再生塔中的流路，其中，对通过从再生塔的上部注入到该再生塔中的富溶液中去除部分CO2获得的半贫溶液的至少一部分进行提取，并且通过与诸如锅炉等工业设备的气体管道中的高温废气进行热交换来升高其温度，然后返回到再生塔中。 [0030] Iijima，Masaki等人的美国专利公开号2006-0248890公开了一种二氧化碳回收系统，其能够抑制在使吸收有二氧化碳的吸收液体再生时涡轮输出的降低；一种使用该二氧化碳回收系统的发电系统以及一种用于操作这些系统的方法。该二氧化碳回收系统包括：二氧化碳吸收塔，其通过吸收液体从锅炉的燃烧废气中吸收和去除二氧化碳；以及再生塔，其加热和再生其中吸收有二氧化碳的负载吸收液体，其特征在于，所述再生塔在多个阶段设置有多个负载吸收液体加热装置，其加热负载吸收液体并去除负载吸收液体中的二氧化碳，其特征在于，由锅炉的蒸汽驱动和旋转的涡轮机设置有多条管线，这些管线从涡轮机中提取不同压力的多种蒸汽，并将所述多种蒸汽供应给所述多个负载吸收液体加热装置作为它们的加热源，并且其特征在于，所述多条管线被连接，使得供应的蒸汽的压力从多个负载吸收液体加热装置的前一阶段增加至多个负载吸收液体加热装置的后一阶段。 [0031] Burgers，Kenneth L等人的美国专利公开号2007-0148068公开了一种用于从进料气流中回收二氧化碳的链烷醇胺吸收剂溶液，其通过在降低的压力下在两个或更多个阶段中使其蒸发而被回收。 [0032] Chakravarti，Shrikar等人的美国专利公开号2007-0148069公开了一种系统，其中，通过将二氧化碳和氧气吸收到还含有另一有机组分的胺溶液中、去除氧气以及从吸收剂中回收二氧化碳，从还含有氧气的气体进料流中以浓缩的形式回收二氧化碳。 [0033] Iijima，Masaki等人的美国专利公开号2007-0283813公开了一种包括吸收塔和再生塔的CO2回收系统。通过从含CO2的气体中吸收CO2在吸收塔中产生富含CO2的溶液。将该富含CO2的溶液输送到再生塔，在该再生塔中，通过去除CO2由富溶液产生贫溶液。再生加热器用饱和蒸汽加热在再生塔底部附近积聚的贫溶液，从而产生来自饱和蒸汽的蒸汽冷凝物。蒸汽-冷凝物热交换器用蒸汽冷凝物加热从吸收塔输送到再生塔的富溶液。另见Iijima，Masaki等人的美国专利公开号2008-0056972；2008-0223215；和2009-0193970。 [0034] Ochs，Thomas L.等人的美国专利公开号2008-0016868公开了一种减少由化石燃料燃烧排放到大气中的污染物的方法。所公开的方法从用于燃烧的空气中去除氮气，将固体燃烧产物与气体和蒸汽分离开，并且可以捕集全部蒸汽/气流以进行封存，达到近零排放。 [0035] Kumar，Ravi的美国专利公开号2008-0072752公开了一种真空变压吸附(VPSA)方法和装置，用于从至少包含二氧化碳和氢气(例如合成气)的流中回收具有据称大约90摩尔％纯度的二氧化碳。二氧化碳VPSA单元的进料可以处于超环境压力(super ambient pressure)下。二氧化碳VPSA单元产生三个流：富氢流、贫氢流和二氧化碳产物流。回收的二氧化碳可以进一步升级、封存或用于诸如增强采油(EOR)等应用中。 [0036] Ouimet，Michel a.等人的美国专利公开号2008-0159937公开了一种二氧化碳捕集方法，该方法使用选择的胺和基本降低的能量输入来进行。 [0037] Find，Rasmus等人的美国专利公开号2008-0286189公开了一种用于回收高纯度二氧化碳的方法，该高纯度二氧化碳基本不含氮氧化物。该参考文献还公开了一种用于回收所述高纯度二氧化碳的设备，该设备包括吸收塔、闪蒸塔、汽提塔和纯化单元。 [0038] Kawatra，Surendra K.等人的美国专利公开号2009-0202410公开了一种用于捕集和封存二氧化碳的方法，该方法通过使烟道气中的二氧化碳与碱金属碳酸盐或特别是含有碱土金属或铁的金属氧化物反应形成碳酸盐来实现。用于捕集CO2的优选碳酸盐是无添加剂的稀水性溶液(NA2CO3)。其他碳酸盐包括(K2CO3)或能够产生碳酸盐和碳酸氢盐的其他金属离子。 [0039] Lichtfers，Ute等人的美国专利公开号2009-0211447公开了一种用于回收二氧化碳的方法，该方法包括：(a)吸收步骤，使含二氧化碳的气态进料流与吸收流体进行气-液接触，由此该气态流中存在的至少一部分二氧化碳被吸收到吸收流体中以产生(i)二氧化碳含量降低的精炼气态流和(ii)富含二氧化碳的吸收流体；和(b)再生步骤，在大于3巴(绝对压力)的压力下处理富含二氧化碳的吸收流体以释放二氧化碳和再生二氧化碳贫乏的吸收流体，其被循环用于吸收步骤中，其中，该吸收流体是含有叔脂肪烷醇胺和有效量的二氧化碳吸收促进剂的水性胺溶液，叔脂肪烷醇胺与二氧化碳共存时在特定的温度和压力条件下几乎不分解。 [0040] Anand，Ashok K.等人的美国专利公开号2009-0235822公开了一种具有酸性气体去除系统的CO2系统以选择性地从移动的合成气中去除CO2，该酸性气体去除系统包括至少一个阶段，例如，闪蒸罐，用于从溶解在物理溶剂中的二氧化碳的输入流中去除CO2；用于回收酸性气体去除系统中CO2的方法包括：升高二氧化碳溶解在物理溶剂中的流的压力；以及在至少一个CO2去除阶段的上游升高加压流的温度。 [0041] Wibberley，Louis的美国专利公开号2010-0005966公开了一种CO2捕集方法，其中，在吸收塔站将CO2从气流中吸收到合适的溶剂中，从而将该溶剂转变成富集CO2的介质，其被输送到通常比吸收塔站更接近太阳能场的解吸塔站。在太阳能场通过绝缘加热的工作流体用于引起从富集CO2的介质中解析CO2，从而产生分离的CO2和再生的溶剂流。将再生的溶剂流循环到吸收塔站。可以选择性地累积富集CO2的介质和/或再生的溶剂流，以分别优化CO2的吸收和解吸的时间和速率和/或提供太阳能的储存。 [0042] Shah，Minish M.等人的美国专利公开号2010-0024476公开了一种二氧化碳回收方法，其中，压缩诸如烟道气等含二氧化碳的气体和富含二氧化碳的流，然后对组合的流进行处理以将水分解吸到吸附剂床上，然后进行低于环境温度的处理以产生二氧化碳产物流和排放流。对该排放流进行处理以产生二氧化碳贫质流和富含二氧化碳的流，其中，该二氧化碳贫质流可用于从吸附剂床上解吸水分，该富含二氧化碳的流与含二氧化碳的气体组合。 [0043] Vakil，Tarun D.等人的美国专利公开号2010-00037521公开了一种新的蒸汽重整单元设计、氢PSA单元设计、氢/氮富集单元设计和处理方案应用。据称，这些创新的讨论结果使得将氢气设备CO2总排放负载量的大部分重新分配到从水煤气变换反应器中排放出的高压合成气流中，同时最大限度地减少了来自重整炉烟道气的CO2排放负载量。 [0044] 上述专利出版物有助于确定本领域已知的某些概念，通过引用将它们并入本文中。 [0045] 期望开发克服现有技术系统的问题并显著降低分离过程的能耗的分离系统和分离方法。申请人之前已经在相关发明中解决了这些问题，参见美国专利公开2014-0017622、WO 2012-006610和美国专利8,425,655，通过引用将它们并入本文中，它们涉及气体加压分离(GPS)系统或方法以从液体流中汽提产物气体并产生含有该产物气体的高压气态流出物。该系统包括气体加压汽提装置，例如塔，其具有至少一个第一入口，允许一种或多种液体流通常沿第一方向流入该装置内，以及至少一个第二入口，允许一种或多种高压气流通常沿第二方向流入该装置内，以将产物气体汽提到高压气流中，并产生通过至少一个出口的含有产物气体的高压气态流出物。该系统进一步包括沿着该塔在不同位置处设置的两个或更多个供热装置，用于独立地控制沿着汽提装置或塔的温度。 [0046] 在之前相关的发明中还提供了一种用于从气态混合物中分离产物气体以产生高压气态流出物的方法，其中，该产物气体具有通常比在气态混合物中高至少10倍的分压，该方法包括：(a)将气态混合物引入与在吸收装置中流动的液体接触，以将产物气体吸收到液体中并产生产物富集的液体；(b)将产物富集的液体引入到气体加压塔的至少一个入口并与一种或多种高压气流接触以将产物气体汽提到高压气流中并产生产物贫乏的液体和富含产物气体的一种或多种高压气态流出物，其中产物气体具有比在气态混合物中更高的分压；(c)从产物贫乏的液体中回收热量；和(d)将至少一部分产物贫乏的液体循环到步骤(a)中。 [0047] 申请人之前相关发明中的方法进一步在步骤(a)之后和步骤(b)之前包括，(i)将来自步骤(a)中吸收装置的至少一部分产物富集的液体引入到至少一个附加的吸收装置中并与包含来自步骤(b)中气体加压塔的至少一部分气态流出物的气流接触，以将产物气体吸收到产物富集的液体中并产生进一步的产物富集的液体；以及(ii)随后，在将产物富集的液体引入步骤(b)中的气体加压塔中之前，将来自所述附加吸收装置的进一步的产物富集的液体引入至少一个闪蒸器中以回收一部分产物气体。 [0048] 相较于常规方法，认为上文介绍的申请人之前相关发明中的方法可以降低汽提塔中的能量需求并产生高压纯产物气流，这将大大减少随后的压缩功。然而，从连续的研究中发明人已经发现，GPS汽提塔中的两个或更多个加热装置可能不是绝对必要的，而是可以配置随后描述的改进的GPS塔结构及其应用方法。由于简化了方法，新发明的方法不仅可以进一步降低能量需求，而且还可以进一步降低方法资本成本。 发明内容[0049] 本发明涉及一种气体加压分离系统，以从液体流中汽提产物气体并产生含有所述产物气体的高压气态流出物。本改进的发明仍是基于在美国专利公开2014-0017622、WO 2012-006610和美国专利8,425,655中公开的相关的在先发明，气体加压分离系统或方法以从液体流中汽提产物气体并产生含有该产物气体的高压气态流出物，这些发明通过引用并入本文中。在本实施方式中，本发明的GPS系统中仅需要一个或多个加热装置用于控制GPS系统的温度。 [0051] 根据本发明的用于从气态混合物中分离产物气体以产生高压气态流出物的方法，其中，所述产物气体具有比在所述气态混合物中高至少4倍的分压，所述方法包括：(a)将所述气态混合物引入与在吸收装置中流动的液体接触，以使所述产物气体吸收到该液体中并产生产物富集的液体；(b)将所述产物富集的液体引入到气体加压汽提塔的至少一个入口处并与一种或多种高压气流接触，以将所述产物气体汽提到所述高压气流中并产生产物贫乏的液体和富含所述产物气体的一种或多种高压气态流出物，其中，所述产物气体具有比在所述气态混合物中更高的分压；(c)在(a)和(b)之间将所述产物富集的液体引入到至少一个高压闪蒸器中，其中，在将所述产物富集的液体引入到所述气体加压汽提塔之前每个闪蒸器产生富集产物气体的流；(d)从所述产物贫乏的液体中回收热量；和(e)将至少一部分产物贫乏的液体循环到步骤(a)中。 附图说明[0053] 图1是用于分离CO2的常规现有技术吸收方法的示意图； [0054] 图2是本发明方法的一个实施方式的示意图，在该实施方式中，使用水性胺作为溶剂以从气体混合物中分离产物气体； [0055] 图3是本发明一个实施方式的分离方法的示例性示意图，在该实施方式中，使用物理溶剂以从高压原料气体中分离产物气体； [0056] 图4是本发明一个实施方式的分离方法的示例性示意图，在该实施方式中，使用氮气作为高压气流以及水性胺作为溶剂，以从燃烧后烟道气中分离二氧化碳，然后进行压缩-制冷过程作为最终分离方法；和 [0057] 图5是复合压缩制冷分离方法的示例性示意图。 具体实施方式[0058] 在相关的美国专利公开2014-0017622、WO 2012-006610和美国专利8,425,655中公开了一种气体加压分离(GPS)系统以及相关的方法，以从液体流中汽提产物气体并产生含有所述产物气体的高压气态流出物，这些发明通过引用并入本文中。之前相关发明中的GPS系统在任何应用中都是核心部件，其引入到了本改进的发明中。本实施方式对原始GPS系统的设置的修改包括需要集成到GPS系统中的供热装置的数量。塔中供热装置的数量越多，分离方法的潜在热力学效率越好。然而，GPS塔的复杂性以及由此产生的塔的资本成本和GPS系统的运行成本随着供热装置的数量而增加。因此，代替使用至少两个供热装置，本发明的简化方法提供能够沿着塔位于一个位置或不同位置处的一个或多个供热装置。修改后的设置适用于托盘式分离塔或填充式分离塔，也适用于塔的内部加热装置或外部加热装置。 [0059] 之前相关的发明公开了一种应用/方法，其使用附加的吸收装置以用来自吸收装置的至少一部分产物富集的液体从来自气体加压塔的至少一部分气态流出物中吸收产物气体，以产生进一步的产物富集的液体。此外，在将产物富集的液体引入气体加压塔之前，使用至少一个闪蒸器来从产物进一步富集的液体中回收一部分高压产物气体。然而，对于本发明的实施方式来讲，在用于从气体混合物中分离产物气体的GPS系统的任何应用中，不再需要使用附加的吸收装置，从而简化了方法并降低了资本成本。 [0060] 本发明中用于从气态混合物中分离产物气体以产生高压气态流出物的方法，其中该产物气体具有比在所述气态混合物中高至少4倍的分压，所述方法包括：(a)将所述气态混合物引入与在吸收装置中流动的液体接触，以使所述产物气体吸收到该液体中并产生产物富集的液体；(b)将所述产物富集的液体引入到气体加压汽提(GPS)塔的至少一个入口处并与一种或多种高压气流接触，以将所述产物气体汽提到所述高压气流中并产生产物贫乏的液体和富含所述产物气体的一种或多种高压气态流出物，其中，所述产物气体具有比在所述气态混合物中更高的分压；(c)在(a)和(b)之间将所述产物富集的液体引入到至少一个高压闪蒸器中，其中，在将所述产物富集的液体引入到所述气体加压汽提塔之前每个闪蒸器产生富含产物气体的流；(d)从所述产物贫乏的液体中回收热量；和(e)将至少一部分产物贫乏的液体循环到步骤(a)中。 [0062] 在优选的实施方式中，主要的分离步骤安排如下：吸收/闪蒸/气体加压汽提。相较于常规分离方法，该方法顺序提供显著的节能。在该优选方法中，例如，离开吸收塔的富含CO2的溶液可以经过一个或多个闪蒸器(取决于富溶液中的CO2负载量)，以产生高压纯CO2。通过闪蒸器后，新的富集产物的液体(半富溶液)然后进入GPS塔以汽提出剩余的CO2，以便在循环到吸收器之后恢复特定的稀CO2浓度用于吸收。在GPS塔中，从底部引入加压气流，以从半富溶液中汽提出CO2。加压气体可以是任何纯气体或任何气体的混合物，只要其无害并且不会在系统中冷凝。与高压汽提气体(或气体混合物)一起，还将一个或多个供热装置提供给GPS塔以传输汽提过程所需的热量。来自GPS塔顶部的气态流出物是含有少量汽提气体的富含CO2的产物气体。根据对产物气体的要求，含有少量汽提气体的富含CO2的产物气体可以直接用作产品，或者也可以进一步冷凝、压缩和脱水以形成规定的最终CO2产物。根据应用，该方法可以从原料气体中分离出至少90％mol的CO2，并且最终产物中的CO2纯度可根据CO2产物的后续应用而改变。根据操作条件，可以达到99％mol(干基)的纯度。 [0063] 汽提气流可以是对系统/液体中的溶剂无害、不会冷凝、也不会干扰汽提系统的任何气体。诸如He、Ar、O2、N2、空气等无机气体以它们的混合物或诸如CH4、C2H6、C3H8、C2H4等有机气体以及它们的混合物或有机气体和无机气体的任何混合物均可用作汽提气体。在一些应用中，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及它们的混合物的组合代表一类有效的可用的汽提气体。高压汽提气流可以包括选自He、Ar、O2、N2、CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C4H10和C5H12的组中的单种纯气体。或者，高压气流可以包括不同气体的混合物，所述不同气体的混合物选自如下气体的混合物，这些气体选自He、Ar、O2、N2、空气、CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C4H10和C5H12的组。高压气流可以含有二氧化碳，并且可以选自氮气、甲烷、乙烷、丙烷、纯化的合成气、天然气和CO2EOR循环气体的组。关于汽提气体，实际上有无数种选择。通常将汽提气体从底部引入到GPS塔中，也可以含有少量二氧化碳。选择的汽提气体的用法由CO2产物的纯度要求决定。选择的汽提气体的压力由离开GPS塔的贫溶液中所需的CO2负载量来决定。 [0064] 图2是实施上述方法顺序吸收/闪蒸/加压气体汽提的一个系统的示意图。原料气体14进入吸收塔12的底部，净化的气体16从塔12的顶部流出，而CO2贫乏的溶液18从顶部进入吸收塔12并向下流动，产生从底部在管线20中流出的富含CO2的溶液。将该富含CO2的溶液引导通过泵22、管线24、热交换器26和加热器30，并且进入高压闪蒸器34(或压力从高到低的一系列闪蒸器)以闪蒸出高压CO2，其通过管线42排出。将来自闪蒸器34底部(或如果有多于一个的闪蒸器时，来自最后一个闪蒸器的底部)的半富溶液(产物富集的液体)引导经过管线38，然后从顶部进入GPS塔70。管线50中的高压汽提气流进入GPS塔70底部，并且从逆向流动的半富溶液(产物富集的液体)中汽提CO2。通过泵74将来自塔70的CO2贫乏的溶液经由管线72引导至热交换器26，至冷却器80和管线82，其中在贫溶液在管线18中进入吸收器和循环重复之前，通过混合器84通过管线86可以将补充溶剂(胺和水)加入到贫溶液中。来自GPS塔70的气态流出物52与来自最后一个闪蒸器的管线42中的气态流出物通过混合器54混合，然后在冷却单元58中冷却，并由管线60供应到液气分离器62，其中，液体或水在管线46处流出用作补充溶剂，而气体在管线64处流出。管线64中的气体在压缩机66中被压缩至在管线68处的产物气体的特定压力。多级高压闪蒸器可用于高度产物富集的溶液，其中气态流出物42与来自管线68的相应压力的富含产物的气体结合并重复冷却58、气液分离62和压缩66的过程。如果需要，可以对产物气体进行具有级间冷却的多级压缩。为了更好的质量传递效率，可以将一个或多个供热装置安装到GPS塔70上作为侧面加热装置。类似地，可以安装与吸收塔12相关联的一个或多个冷却装置。 [0065] 图2所示的方法可用于在不同压力下纯化不同的原料气体。可以对该方法进行较小的修改以针对不同的原料气流进行优化。例如，该方法可用于从燃烧后烟道气中捕集CO2。烟道气作为来自高炉、锅炉或蒸汽发生器的废气从化石燃料燃烧中排放出。烟道气的组成取决于被燃烧的东西，但通常主要由来自燃烧空气的氮、二氧化碳和水蒸汽以及污染控制后的过量氧组成。由于富含CO2负载量不够高，在该方法中需要最少的或者甚至不需要闪蒸器。相反，如图4所示，没有闪蒸器，将富溶液从热交换器26引导至GPS塔70。此外，GPS塔中的操作压力(例如，至少4atm)可能远高于吸收塔中的压力(大气压)。图4所示的方法可以以最终产物中所需的CO2纯度(取决于操作条件，如果需要，可达到99％的纯度)从原料气体中分离至少90％的CO2。表1示出将省略了闪蒸器的图2中的方法用于从烟道气中捕集CO2时的实施例，该表包括流量、条件、能量需求，以及烟道气、净化的烟道气、汽提气体和二氧化碳产物流的组成。 [0066] 表1：本发明应用于从烟道气中捕集二氧化碳的实施例 [0067] [0068] 图2所示的方法可用于在压力(2atm以上)下纯化原料气体混合物，其包括但不限于天然气、合成气和CO2增强的油回收(EOR)循环气体。可以调整方法的操作配置以适应原料气体的条件(即原料气体压力和CO2含量)以获得更好的能量性能。例如，优选将吸收塔和GPS塔的操作压力设置为彼此相同或相近，以降低当原料气体压力较高(例如4atm以上)时泵送循环溶剂的功率消耗；在该方法中，优选一个或多个闪蒸器以获得高压CO2产物以减少随后的压缩功率。而且，图2所示的方法可以以最终产物中所需的CO2纯度(取决于操作条件，如果需要，可达到99％的纯度(干基))从原料气体中分离出至少90％mol的CO2。 [0069] 天然气是主要由甲烷组成的烃气体混合物，但通常包括不同量的其他高级烷烃，甚至较少百分比的二氧化碳、氮气和硫化氢。天然气是经常用于加热、烹饪和发电的能源。它还用作车辆的燃料以及制造塑料和其他商业上重要的有机化学品的化学原料。表2示出将仅具有单个闪蒸器的图2中的方法用于天然气纯化时的实施例，该表包括流速、条件、能量需求，以及烟道气、纯化的天然气、汽提气体和CO2产物流的组成。 [0070] 表2：本发明应用于天然气纯化的实施例 [0071] [0072] [0073] 合成气是主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的燃气混合物。合成气通常是化石燃料气化的产物，主要应用于发电。合成气也用作生产合成天然气的中间体和用于生产氨或甲醇的中间体。合成气是可燃的，经常用作内燃机的燃料。表3示出将仅具有单个闪蒸器的图2中的方法用于合成气纯化时的实施例，该表包括流速、条件、能量需求，以及烟道气、纯化的合成气、汽提气体和CO2产物流的组成。 [0074] 表3：本发明应用于合成气纯化的实施例 [0075] [0076] 增强的油回收(EOR)是一种用于增加可从油田中提取的原油的量的技术。CO2注入是目前最常用的EOR方法。原油中的气态流，主要是CO2和较少百分比的天然气，是CO2EOR循环气体，通常对其进行分离以回收天然气和产生循环回到EOR工艺中的CO2。表4示出将图2中的方法(具有串联的三个闪蒸器)用于CO2EOR循环气体分离时的实施例。表4包括流速、条件、能量需求，以及CO2EOR循环气体、回收的天然气、汽提气体和CO2产物流的组成。 [0077] 表4：本发明应用于CO2EOR循环气体分离的实施例 [0078] [0079] 图2示出了水性链烷醇胺溶剂系统。然而，GPS技术也可应用于物理溶剂。图3是使用物理溶剂以纯化原料合成气的系统的实施例。系统中吸收塔12和GPS塔70的细节如上所述。与图2所示方法的主要区别是：1)来自热交换器26之后的第一高压闪蒸器的气态流出物返回以与原料合成气组合以进入吸收塔以减少氢气产物的损失；2)将低压闪蒸器应用于从GPS塔70底部流出的贫溶液，以使贫溶剂中的CO2含量恢复到规定浓度；3)GPS塔中的操作压力远低于吸收塔中的操作压力。图3所示的方法以最终产物中CO2纯度为至少95％mol(干基)从原料气体中分离出至少90％mol的CO2。 [0080] 与依赖于与酸气体的化学反应的基于胺的酸气体去除溶剂不同，物理溶剂吸收酸气体而不涉及化学反应。因此，物理溶剂通常比基于胺的方法需要更少的能量。然而，物理溶剂仅适用于高压进料气体，因为当进料气体压力低于约300psia(20.7巴))时，其工作能力降低。物理溶剂由聚乙二醇的二甲基醚构成。物理溶剂是市售的，例如DMPEG/Selexol、Purisol或Rectisol。表5示出将图3中的方法用于合成气纯化时的实施例。表5包括流速、条件、能量需求，以及合成气、纯化的合成气、汽提气体和CO2产物流的组成。 [0081] 表5：本发明应用于使用物理溶剂纯化合成气的实施例 [0082] [0083] 在本改进的发明的某些实施方式中，该方法进一步包括在步骤(b)之后使来自气体加压塔的高压气态流出物进行最终分离过程以进一步纯化产物气体。原则上，许多分离方法可以用于从气态流出物中分离产物气体。对于CO2产物，例如，优选的能量有效的最终分离方法是图4中所示的复合压缩和制冷方法。压缩/制冷方法的主要优点是升高来自GPS塔的气体流出物的压力以减少压缩功和汽提热量。此外，该方法产生高纯度的CO2产物(其纯度至少为99％mol)。 [0084] 图4没有示出该复合分离方法所需的任何制冷系统。然而，这种设计对于本领域技术人员来讲是显而易见的。具体地，在图4中，富含CO2的溶液在管线28中在顶部处进入塔70，贫溶液在管线72中流出底部。汽提气体N2在50处进入塔70，并且在塔70的顶部处在管线 52中流出。如图4所示，对来自GPS塔的高压CO2和N2混合物用复合压缩和制冷方法进行进一步的分离和压缩。管线52首先通向冷却单元和第一相分离器54。来自分离器54的液体在管线34中返回GPS塔，而气态流在管线56中流出。然后通过低压压缩机将管线56中的气态流压缩至约20巴，然后通过CO2干燥器和纯化单元62。 [0085] 图5进一步示出在图4中由单元62表示的复合压缩-制冷方法。纯化单元62主要包括二氧化碳脱水和两级复合压缩-冷却-制冷过程：可以使用20巴至40巴和40巴至80巴或它们的变体。压缩的气态流60在冷却器200中冷却至35℃，然后通过液-气分离器204，以通过流46去除冷凝的水。来自分离器204的气态流206进入脱水器208的底部并与干燥剂接触以进一步去除气态流中的水。然后将脱水的气态流210在第一级压缩机212处压缩至40巴。压缩的气态流214首先在冷却器200处冷却至35℃，并且通过交叉热交换器218被液化的CO2产物进一步冷却。接下来，通过制冷器222使气态流220进一步冷却至-5℃，以从流220中液化大部分的CO2。通过气-液分离器226对流224中液化的CO2进行分离，通过流250。通过第二级压缩机212，来自分离器226的气态流228进一步压缩至80巴。进一步压缩的气态流212首先在冷却器200处冷却至35℃，然后通过制冷器222进一步冷却至-20℃以进一步液化CO2。通过气-液分离器226去除流224中的液化CO2，通过流256。剩余的气态流228中的N2浓度足够高至满足汽提气体规格。剩余的气态流228进入具有级间加热230的三级式膨胀器234，以回收高压气态流228中的能量。所用的膨胀循环为80巴～40巴、40巴～20巴和20巴～10巴或8巴。最后，剩余的气流40(8巴～10巴)循环到GPS塔中，在与补充汽提气流32混合后用作汽提气体。将液化的CO2流250泵至80巴，然后与液化的CO2流256合并为CO2产物流260，其CO2纯度大于99.5％。通过热交换器218使液化的CO2产物中的制冷热量回收至30℃。 [0086] 制冷热量可以由任何制冷方法提供。例如，可以在压缩-膨胀循环中使用氨。通过将高压氨气膨胀至低压从而获得低温气-液混合物来产生制冷热量。通过调节膨胀器出口压力可以控制混合物的温度。 [0087] 在本申请的代表性图1～图5中，没有示出所有鼓风机或泵或阀，因为这些元件的使用是本领域普通技术人员所熟知的。在图中仅具体示出了这些元件的代表性实施例，以证明它们在操作系统中的存在。另外，也没有示出用于操作类似系统的控制器和系统传感器，但是这些也是本领域普通技术人员所熟知的。 [0088] 如上所述，本发明的方法具有许多应用，例如产物气体是CO2的应用，以及气态混合物是燃煤的燃烧后烟道气的应用，其中气体加压汽提塔中的操作压力通常为至少4atm。或者，本发明的方法可用于气态混合物是在压力下的原料气体，例如合成气或天然气的应用中，以及气体加压汽提塔中的操作压力类似于吸收塔中的操作压力的应用中，其中液体是水性链烷醇胺。 [0089] 如上所述，本发明的方法具有许多不同操作参数的应用，例如，气态混合物是天然气，产物气体包含二氧化碳，高压气流在高压汽提塔内为至少60巴的应用。或者，气态混合物是合成气，产物气体包含二氧化碳，高压气流在高压汽提塔内为至少75巴的应用。进一步，气态混合物是CO2EOR循环气体，产物气体包含二氧化碳，高压气流在高压汽提塔内为至少30巴的应用。 |
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