ДЕСОРБЦИЯ СО БЕЗ СТРИППЕРА

Настоящее изобретение относится к способу десорбции CO₂ и к системе для осуществления этого способа. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу десорбции CO₂ из абсорбционной текучей среды без использования традиционного стриппера (отпарной колонны).

В последнее время уделяют большое внимание отделению CO₂ от отработавших газов, образующихся в результате горения топлива на электростанциях, настоящее изобретение является особенно применимым в связи с десорбцией CO₂, захваченного из потока отработавших газов.

Согласно существующей технологии захвата CO₂ противоточная насадочная стрипперная колонна (отпарная колонна) и ребойлер часто представляют собой неотъемлемую часть процесса десорбции (стриппинга). В этом процессе химически связанный CO₂ в жидкой фазе (как правило, используют аминный раствор) выпускают в газовую фазу. Это осуществляют, подводя тепло (как правило, пар), чтобы получить надлежащую температуру и давление для десорбции в стриппере и ребойлере. Важную характеристику представляет собой содержание CO₂, определяемое как число моль CO₂ в жидкости на 1 моль амина в жидкости. Обедненный амин поступает в абсорбер и выходит из стриппера. Обогащенный амин выходит из абсорбера и поступает в стриппер. Как показывают эти названия, обогащенный аминный раствор содержит больше CO₂, чем обедненный амин, и, таким образом, имеет более высокое содержание CO₂. Это содержание в значительной степени зависит от температуры жидкости. Часть амина, CO₂ и пар, выделяющийся в ребойлере, возвращают в нижнюю секцию стрипперной колонны, превращая ребойлер в неотъемлемую часть стрипперной колонны. Конденсатор установлен, чтобы принимать поток, который выходит из верхней части стриппера, и отделять воду и абсорбент.

Недостаток существующей конструкции заключается в том, что холодная вода с амином из конденсатора возвращается в верхнюю часть стрипперной колонны и смешивается с обогащенным амином, делая обогащенный амин еще холоднее.

Существующая технология является дорогостоящей и требуется ее упрощение, чтобы уменьшить потребление энергии и расходы на строительство.

Патент США № 4553984 описывает способ отделения CO₂ от потока газообразных углеводородов, где десорбция происходит в мгновенном испарителе. Тепло поступает в поток обогащенного абсорбента в отдельном теплообменнике, установленном выше по потоку относительно мгновенного испарителя. Вода, которая выходит из верхней части мгновенного испарителя, вытесняется паром, поступающим в нижнюю часть мгновенного испарителя.

Патент США № 5820837 описывает способ отделения кислых газов CO₂ и H₂S от потока газообразных углеводородов. Описанный способ включает две стадии мгновенного испарения. Сначала отделяют абсорбированные углеводороды, после этого обогащенный абсорбент нагревают в теплообменнике перед мгновенным испарением CO₂. Соответственно нагревание происходит в отдельном блоке, установленном выше по потоку относительно мгновенного испарителя. Далее установлен стриппер для отделения оставшегося газа. Сконденсированный растворитель возвращают в верхнюю часть стриппера.

Патент США № 5061465 описывает способ отделения CO₂ от потока газообразных углеводородов. Данный способ включает абсорбцию и десорбцию с использованием ряда мгновенных испарителей. Поступление тепла непосредственно в мгновенные испарители не описано.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить упрощенное решение для стриппинга (отпаривания) обогащенной абсорбционной текучей среды, в котором требуется меньше оборудования. Следующая задача заключается в том, чтобы предложить способ, который является более экономичным в энергетическом аспекте.

Настоящее изобретение предлагает способ десорбции диоксида углерода из обогащенной CO₂ абсорбционной текучей среды, содержащей абсорбент CO₂, растворитель и абсорбированный CO₂, отличающийся тем, что данный способ включает:

- нагревание обогащенной CO₂ абсорбционной текучей среды,

- расширение нагретой обогащенной CO₂ абсорбционной текучей среды в мгновенном испарителе,

- разделение расширенной абсорбционной текучей среды на паровую фазу, содержащую десорбированный CO₂ и испарившийся растворитель, и основную жидкую фазу, содержащую обедненную CO₂ абсорбционную текучую среду,

- конденсирование, по меньшей мере, части растворителя в паровой фазе, и

- смешивание сконденсированного растворителя с основной жидкой фазой.

Смешивая сконденсированную паровую фазу, содержащую, главным образом, растворитель, с основной жидкой фазой, получают поток охлажденной обедненной абсорбционной текучей среды. Соответственно настоящее изобретение предлагает использовать теплоту охлаждения из конденсатора для охлаждения обедненной абсорбционной текучей среды.

В одном варианте осуществления способа разность содержания CO₂ между обогащенным и обедненным аминным потоком составляет от 0,20 до 0,30 моль CO₂ на 1 моль абсорбента, предпочтительно от 0,23 до 0,27 моль CO₂ на 1 моль абсорбента. Когда разность между содержанием в обогащенном и обедненном аминных потоках составляет приблизительно от 0,2 до 0,3 одновременно в абсорбере и стриппере (отпарной колонне), эффективность отделения CO₂ обычно составляет 85 мол.% или выше, что также зависит от правильного соотношения газа и жидкости в потоке в абсорбере.

Способ согласно настоящему изобретению может дополнительно включать рециркуляцию части основной жидкой фазы в обогащенную абсорбционную текучую среду перед смешиванием с сконденсированным растворителем и необязательное нагревание части основной жидкой фазы перед ее возвращением в мгновенный испаритель.

Другой аспект настоящего изобретения представляет собой систему для десорбции диоксида углерода из обогащенной CO₂ абсорбционной текучей среды, отличающуюся тем, что данная система включает мгновенный испаритель с впуском, выпуском пара и выпуском жидкости, где выпуск пара находится в сообщении по текучей среде или с впуском в конденсатор, где конденсатор включает выпуск сконденсированной текучей среды в сообщении по текучей среде с выпуском жидкости из мгновенного испарителя.

В одном варианте осуществления система дополнительно включает систему для подачи тепла в мгновенный испаритель.

В еще одном варианте осуществления мгновенный испаритель представляет собой ребойлер, трубу для расслоенного потока или пламенный нагреватель, соединенный с резервуаром.

В одном варианте осуществления система согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать рециркуляционный трубопровод в сообщении по текучей среде с выпуском жидкости и впуском в мгновенный испаритель, который установлен выше по потоку относительно сообщения по текучей среде между выпуском сконденсированной текучей среды и выпуском жидкости.

Настоящее изобретение позволяет снизить одновременно строительные расходы и эксплуатационные расходы по сравнению с существующей технологией, главным образом, вследствие дополнительного упрощения технологического процесса. Это упрощение также является благоприятным для повышения безопасности работы.

Идея смешивания холодного жидкого потока из конденсатора с потоком обедненного абсорбента из «мгновенного испарителя» является благоприятной в отношении уменьшения потребления энергии. Обогащенный абсорбент не охлаждают. Напротив, температуру обогащенного абсорбента в настоящем изобретении предпочтительно повышают по сравнению с сегодняшней практикой.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

Фиг.1 иллюстрирует способ десорбции согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 иллюстрирует еще один вариант осуществления способа, проиллюстрированного на Фиг.1.

Фиг.3 иллюстрирует второй вариант осуществления настоящего изобретения, где мгновенный испаритель представляют собой нагреваемую трубу для расслоенного потока.

Фиг.4 иллюстрирует третий вариант осуществления настоящего изобретения, где мгновенный испаритель представляет собой пламенный нагреватель и резервуар.

Однако следует понимать, что данные чертежи приложены для иллюстративных целей, и что объем настоящего изобретения не ограничен проиллюстрированными вариантами его осуществления.

Настоящее изобретение в данном описании проиллюстрировано для примера, в котором используют MEA (моноэтаноламин) в качестве абсорбента, однако следует понимать, что настоящее изобретение в равной степени является применимым при использовании других аминов и, в частности, абсорбентов, для которых энергия связывания CO₂ абсорбентом составляет менее чем для MEA.

Температуру и давление для мгновенного испарения необходимо в каждом случае выбирать в зависимости от выбранного абсорбента.

В решении предшествующего уровня техники цель стриппера и ребойлера заключается в том, чтобы выделять CO₂ из обогащенного жидкого амина в паровую фазу в непосредственном контакте с жидкостью. Стрипперная колонна в существующей технологии работает при меньшей температуре обогащенного амина, поступающего в верхнюю часть колонны по сравнению с температурой обедненного амина, выходящего в нижней части стриппера. Однако если температура обогащенного амина увеличивается, как правило, от 110°C до приблизительно 120°C при абсолютном давлении, составляющем приблизительно 2 бар (0,2 МПа), больше CO₂ немедленно выпускается на впуске стриппера, делая его содержание в верхней части колонны приблизительно равным содержанию в обедненном амине в нижней части. Таким образом, стрипперная колонна может оказаться излишней или, по меньшей мере, высоту насадочной колонны можно значительно уменьшить, поскольку основная масса CO₂ мгновенно испаряется перед началом потока жидкости вниз по колонне.

Основная идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы поддерживать температуру и давление впуска обогащенного амина на таких уровнях, что в результате мгновенного испарения образуются умеренная паровая фракция и жидкость с определенным содержанием CO₂ в обедненном амине. Это осуществляют в процессе регулирования в отношении температуры жидкости и определенного содержания CO₂ в обедненном амине. Для мгновенного испарения требуется «мгновенный испаритель», который может представлять собой любой соответствующий теплообменник.

Содержание CO₂ в обедненном MEA после мгновенного испарения представлено в таблице 1 для различных значений температуры жидкости и типичного абсолютного давления 1,8 бар (0,18 МПа). В данном примере массовая процентная доля MEA составляет 30%, что является обычным для традиционных стрипперных колонн.

Таблица 1 иллюстрирует, как повышенная температура приводит к увеличению десорбции CO₂ из MEA в процессе мгновенного испарения.

Существуют несколько кандидатов в качестве «мгновенного испарителя», как описано ниже. Диоксид углерода, пар и амин, которые выделяются при мгновенном испарении, немедленно выходят из верхней части «мгновенного испарителя». Газовую смесь затем охлаждают и отделяют в конденсаторе, как в существующей технологии. Отделенную охлажденную воду и аминную смесь можно затем смешивать с обедненным амином из «мгновенного испарителя», чтобы поддерживать скорость циркуляции жидкости и массовую процентную долю амина.

Когда определенный обогащенный амин мгновенно испаряют в «мгновенном испарителе» при повышенной температуре T и при соответствующем давлении P, в результате мгновенного испарения образуется умеренная паровая фракция и обедненный амин с заданным содержанием CO₂.

Способ согласно настоящему изобретению является гибким в отношении получения определенного значения содержания CO₂ в обедненном и обогащенном амине. Это контролируют, используя правильные значения температуры и давления.

«Мгновенный испаритель» в данном контексте представляет собой любой теплообменник, который делает стрипперную колонну (отпарную колонну) излишней или, по меньшей мере, уменьшает ее размер. Ниже представлены некоторые примеры теплообменников. Первая идея заключается в том, чтобы допустить существование «мгновенного испарителя» модифицированного котла-ребойлера. Этот вариант осуществления проиллюстрирован на Фиг.1. Здесь обогащенный амин 10 проходит через насос 12 и клапан 14 и поступает в ребойлер 18 в виде потока 16. Мгновенное испарение обогащенного амина приводит к образованию паровой фазы, которая содержит CO₂ и растворитель, но может также содержать часть абсорбента. Паровая фаза проходит в виде потока 24 в конденсатор 26, где растворитель и абсорбент конденсируются, в то время как CO₂ остается в газовой фазе и удаляется в виде потока 28. Конденсат проходит в виде потока 30 и объединяется с потоком обедненного абсорбента 36 из ребойлера 18. Поток 30, охлажденный в конденсаторе 26, сохраняет пониженную температуру, и объединение двух потоков приводит к потоку обедненного абсорбента 34, который имеет меньшую температуру, чем она была бы в том случае, если бы конденсат возвращался в ребойлер/мгновенный испаритель. Насос 38 перекачивает обедненный абсорбент в поток 40, который соединен с абсорбером (не показан на чертеже). Тепло поступает в ребойлер 18 за счет поступления пара в виде потока 20 и выхода пара при уменьшенной температуре в виде потока 22. В данном варианте осуществления традиционная стрипперная колонна полностью исключена, что делает эту систему более простой. Кроме того, обедненный поток абсорбента 40 может иметь меньшую температуру, и, таким образом, требуется меньшее охлаждение, прежде чем он может поступать в абсорбер, в зависимости от температуры внутри ребойлера.

В данном примере обогащенный амин из абсорбера поступает в ребойлер непосредственно без предварительного прохождения через противоточную насадочную стрипперную колонну. Температуру T и давление P в ребойлере регулируют для получения требуемого обедненного амина на выходе из ребойлера. Пар, выходящий из ребойлера, конденсируют в конденсаторе, и холодную жидкость из конденсатора смешивают с теплым обедненным амином из ребойлера. Это обеспечивает достаточно постоянную скорость циркуляции жидкости и массовую процентную долю амина в данной системе. Содержание CO₂ в обедненном амине, возвращаемом в абсорбер, можно слегка изменять после смешивания двух жидких потоков. В данном примере надлежащую температуру жидкости в ребойлере регулируют посредством расхода пара и температуры пара.

В настоящем изобретении используют сконденсированную воду с амином для охлаждения обедненного амина, который образуется в ребойлере. Это представляет собой преимущество по сравнению с существующей технологией, поскольку обедненный амин необходимо в любом случае охлаждать, прежде чем он возвращается в абсорбер. Обедненное содержание, как правило, не изменяется в значительной степени после смешивания этих двух жидких потоков. Здесь паровая фракция является наиболее зависимой от выбранного уровня обедненного и обогащенного амина и мощности конденсатора. Весь процесс десорбции можно оптимизировать соответствующим образом.

Фиг.2 иллюстрирует еще один возможный аспект варианта осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированного на Фиг.1, но с двумя необязательными дефлегматорами в ребойлере. Здесь поток обедненного абсорбента из ребойлера можно частично возвращать в виде потока 46 в поток обогащенного абсорбента или частично нагревать в виде потока 44 в теплообменнике 42 и возвращать в ребойлер в виде потока 48. Это решение с потоками 44 и 46 можно использовать для дополнительного регулирования содержания CO₂ в обедненном амине, если это необходимо.

В одном аспекте настоящего изобретения можно последовательно соединять несколько ребойлеров, однако для цели уменьшения сложности и числа устройств считается преимущественным использование только одного ребойлера.

На Фиг.3 представлен второй вариант осуществления настоящего изобретения. Здесь установлен ребойлер согласно вариантам осуществления, проиллюстрированным на Фиг.1, и в его качестве использована нагреваемая труба для расслоенного потока 17. Поток обогащенного абсорбента 16 поступает в трубу с одного конца. Внутри трубы происходит мгновенное испарение, и поток разделяется на жидкую фазу 25 и паровую фазу 23. Тепло 21 поступает в трубу снаружи. На конце трубы 17 паровую фазу направляют в линию 24 и в конденсатор 26 аналогично вариантам осуществления, проиллюстрированным на Фиг.1 и 2. Обедненный абсорбент направляют в виде потока 36, смешивают с конденсатом в потоке 30 и возвращают в абсорбер (не показан на чертеже) в виде потока 40. Некоторое количество обедненного амина может необязательно рециркулировать в виде потока 46 во впуск трубы, возможно с нагреванием рециркулирующего потока (не показано на чертеже). Условия получения двухфазного потока в трубах хорошо известны в технике, и их представляют таблицы технологических режимов в справочниках или учебниках. Труба может представлять собой змеевик, если это является практичным для экономии пространства или по другим соображениям. Необязательно площадь поперечного сечения трубы может изменяться в зависимости от аксиального положения для обеспечения наилучшей эффективности. Площадь поперечного сечения может принимать эллиптическую, круглую или любую другую подходящую форму.

Вариант осуществления, проиллюстрированный на Фиг.4, является аналогичным варианту осуществления, представленному на Фиг.1, за исключением того, что ребойлер заменяют пламенный нагреватель 19 и резервуар 33. Обогащенный абсорбент в потоке 16 поступает в пламенный нагреватель, куда подается внешнее тепло. Нагревание и мгновенное испарение внутри пламенного нагревателя 19 переносит текучую среду в резервуар 33. Здесь текучая среда разделяется на паровую фазу, которая переносится в виде потока 24 в конденсатор 26. Жидкая фаза обедненного абсорбента в резервуаре 33 выходит в виде потока 36 в нижней части. Ее можно смешивать с конденсатом в потоке 30 и возвращать в абсорбер (не показан на чертеже) в виде потока 40. Резервуар 33 можно оборудовать жидкостным контроллером 32. Газообразный CO₂ выходит в виде потока 28. Если содержание CO₂ в обедненном амине из первого мгновенного испарителя превышает установленное значение, то можно соединять последовательно два или более пламенных нагревателей с мгновенными испарителями. Некоторое количество обедненного абсорбента может необязательно рециркулировать через линию 46 в пламенный нагреватель 19 с нагреванием или без нагревания рециркулирующего потока.

На чертежах проиллюстрированы некоторые варианты осуществления «мгновенного испарителя» согласно настоящему изобретению, но можно также использовать и другие устройства. «Мгновенный испаритель» в данном контексте может представлять собой любой соответствующий теплообменник, в котором обогащенный абсорбент содержится при соответствующих значениях T и P. Например, мгновенный испаритель может представлять собой пламенный теплообменник (пламенный ребойлер), резервуар с нагревательными змеевиками (с паром или другим теплоносителем), термосифонный ребойлер (с циркуляцией под действием разности плотности), трубу для транспортировки обогащенного амина с нагреванием до соответствующей температуры и с соответствующим давлением, в которой газ и обедненный амин разделяются путем мгновенного испарения жидкого обогащенного амина при прохождении вдоль трубы, или любой другой соответствующий теплообменник. Пример последнего случая представляет собой устройство, где мгновенное испарение происходит в змеевике или в параллельных змеевиках, а не в прямой трубе. В этом случае змеевик или змеевики можно, например, наматывать на сплошной цилиндр. Змеевик обладает преимуществом в обеспечении мгновенного испарения перед длинной трубой благодаря уменьшению высоты или длины по сравнению с прямой трубой.

ПРИМЕР

В качестве примера данной идеи расчет мгновенного испарения с использованием программного обеспечения для моделирования технологических процессов HYSYS показывает, что температура, составляющая приблизительно 120°C, и абсолютное давление, составляющее приблизительно от 1,8 до 2 бар (0,18-2 МПа), являются соответствующими для получения типичного значения содержания CO₂ в обедненном амине. Возможные и другие сочетания значений (T, P) в зависимости от желательного содержания CO₂ в обедненном и обогащенном амине и максимальной паровой фракции, допустимой после мгновенного испарения. Некоторые способы основаны на низком значении содержания CO₂ в обедненном амине (как правило, 0,16) и умеренном значении содержания CO₂ в обогащенном амине (0,36). Другие способы основаны на высоком значении содержания CO₂ в обедненном амине (как правило, 0,23) и содержания CO₂ в обогащенном амине (как правило, 0,45).