用于蒸發富含二氧化碳的液體的方法和設備的制作方法
【專利摘要】在用于蒸發富含二氧化碳的液體流的方法中，富含二氧化碳的第一液體流(5)從容納富含二氧化碳的液體和富含二氧化碳的氣體的腔室(S1)中抽取，所述氣體處于壓力P1，所述第一液體流被送至熱交換器(7)其在那里蒸發，來自第一流的全部液體在所述熱交換器中在大于P1的一個或多個壓力下蒸發，蒸發的第一流從熱交換器中排出，在第一膨脹閥(V2)中膨脹并被送回熱交換器，在那里被再次加熱。
【專利說明】用于蒸發富含二氧化碳的液體的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于蒸發富含二氧化碳的液體的方法和設備。
【背景技術】
[0002]低溫處理含有CO2的流體以通過部分冷凝來分離CO2的挑戰之一是避免通常發生在三相點附近的液體CO2突然凍結。
[0003]事實上，為了優化分離能，特別是CO2回收率，可采取的是使期望從其提取CO2的混合物盡可能地冷卻。出現的物理界限是由部分冷凝所獲得的液體的固化溫度的物理界限。
[0004]US-A-2008/110181描述了一種根據權利要求1的前序部分的方法。
[0005]在現有技術中，已知在盡可能最低的壓力下蒸發液體CO2以提供用于部分冷凝所需的冷量。因此，幾乎純的液體CO2在盡可能接近三相點的壓力下被蒸發，因為以這種方式能夠產生最低溫度。蒸發的CO2被加熱并壓縮以用作循環分子(在CO2液化器的情況下)或用于作為產品輸出，或者用于這兩種應用。
[0006]這個方法是有效的，因為其在(與替代方法相比)相對低的能量成本下容許高的CO2回收率。該方法還提供了不向現場引入其它制冷劑氣體的可能性，特別是在CO2液化器的情況下。
[0007]主要缺點是，在對含有液體CO2的區域、以及主要是對應于CO2在最接近的三相點的低壓下蒸發的區域降壓的情況下，存在使所述液體迅速膨脹以及產生兩個相:固相和氣相的風險。具體地，CO2的相圖在低于約5.1巴的壓力下阻止液相出現。
[0008]這種固體CO2可能堵塞管道和尤其是板式交換器的通道。此外，這種固體CO2的升華或熔化會很困難，因為假設液體或固體部分被截留在兩個冰塞之間，狀態變化可能會導致設備由于過壓而破裂。在加熱期間，這種風險因CO2冰(固體CO2)比液體CO2密度更大的事實而增加，因此，在凍結期間，幾乎沒有機會破壞設備(不像用水時所發生的)。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是保護對固體CO2的存在最敏感的設備，即管道，特別是釬焊鋁交換器，其中液壓直徑非常小(在幾毫米的數量級)。
[0010]原理是提高液體在交換器中的蒸發壓力并機械地確保當系統壓力下降時，凍結將在除了具有小液壓直徑的區域之外的任何區域開始。
[0011]根據本發明的一個主題，提供了一種用于蒸發富含二氧化碳的液體流的方法，其中，從容納富含二氧化碳的液體和富含二氧化碳的氣體的腔室抽取富含二氧化碳的第一液體流，所述氣體處于壓力Pi，第一液體流被送至熱交換器，在那里蒸發，來自第一流的全部液體在熱交換器中在大于Pl的一個或多個壓力下蒸發，蒸發的第一流從熱交換器被提取，在第一膨脹閥中膨脹并被送至熱交換器，在那里被加熱，其特征在于，腔室中的液位處于與最后一滴富含二氧化碳的液體在交換器中蒸發所在的高度相比超出地面更高的高度，這兩個高度之差是H。
[0012]根據本發明的其它可選主題:
[0013]-H至少等于2m，優選至少等于5m ；
[0014]-來自腔室的氣體在熱交換器中被加熱；
[0015]-在閥中膨脹的蒸發流與來自腔室的氣體混合并在熱交換器中被加熱；
[0016]-在閥中膨脹的蒸發流被送至所述腔室；
[0017]-在第一閥中膨脹并在熱交換器中被加熱的蒸發流離開交換器，在第二膨脹閥中膨脹并被送至壓縮機以被壓縮；
[0018]-處于比離開腔室的第一流的壓力更高的壓力下的富含二氧化碳的第二液體流在熱交換器中蒸發并被送至壓縮機的中間級，蒸發的第一流被送至壓縮機的入口 ；
[0019]-蒸發的第二液體流的一部分膨脹并被送至壓縮機的入口。
[0020]根據本發明的另一主題，提供了一種用于蒸發富含二氧化碳的液體流的設備，該設備包括容納富含二氧化碳的液體和富含二氧化碳的氣體的腔室，所述氣體處于壓力Pi ；熱交換器；用于從所述腔室抽取富含二氧化碳的第一液體流并連接至所述熱交換器的管道；用于使第一流的全部液體的壓力增大到大于Pi的至少一個蒸發壓力的增壓裝置；用于從所述熱交換器提取蒸發的第一流并連接至第一膨脹閥以使蒸發的第一流膨脹從而形成膨脹流的管道；和用于將膨脹流送至熱交換器的管道，其特征在于，所述腔室中的液位處于與最后一滴富含二氧化碳的液體在交換器中蒸發所在的高度相比超出地面更高的高度，這兩個高度之差是H。
[0021 ] 根據本發明的其它可選主題:
[0022]-H至少等于2m，優選至少等于5m ；
[0023]-用于將來自所述腔室的氣體送至熱交換器中以被加熱的管道；
[0024]-用于使在所述閥中膨脹的蒸發流與來自腔室的氣體混合并在熱交換器中被加熱的裝置；
[0025]-在閥中膨脹的蒸發流被送至所述腔室；
[0026]-用于從熱交換器提取在第一閥中膨脹并在熱交換器中被加熱的蒸發流的管道，該管道連接至第二膨脹閥和壓縮機；
[0027]-用于將處于比第一流離開腔室的壓力更高的壓力下的富含二氧化碳的第二液體流送至熱交換器以被蒸發的裝置，以及用于將蒸發的第二液體流送至壓縮機的中間級的管道，蒸發的第一流被送至壓縮機的入口。
[0028]-用于使蒸發的第二液體流的一部分膨脹并連接至壓縮機入口的裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]下面參照附圖對本發明進行更詳細的描述，其中圖1示出了根據本發明的方法，圖2示出了圖1的細節。
【具體實施方式】
[0030]富含二氧化碳的液體流I在閥Vl中膨脹并被送至分相器SI。此處，富含二氧化碳的氣體3與富含二氧化碳的液體5分離，所述液體部分保留在分相器SI的腔室內并具有液位。氣體3處于壓力P1。由于分相器中的液體池，富含二氧化碳的液體5以高于Pl的壓力從分相器SI中抽出，并下降到釬焊鋁板式熱交換器7的最低水平。所經過的高度使其壓力進一步升高。液體5在形成液體塔的熱交換器的通道中蒸發。在此塔中，液體逐漸蒸發，液體的最后一滴在處于熱交換器底部上方的水平hi處的點A處蒸發。因此，液體塔具有高度hi。水平A和腔室SI中的液位之間的高度差等于H，H大于lm，或甚至大于5m。
[0031 ] 蒸發的液體9在水平A之后不遠便離開交換器并在閥V2中膨脹，例如膨脹到壓力Plo如附圖中可見，在CO2低壓蒸發之后添加閥V2使得能夠升高交換器中液體CO2的壓力。該壓降可用于升高容納標準存量的為CO2低壓蒸發提供的液體的分相器SI并進而降低其關于交換器7中存在的壓力。6m的靜液壓高度H導致約600mbar的壓力差，即三相點的5.1巴的約10%。
[0032]在閥V2中膨脹的氣體被送回至交換器7的在水平A上方的水平B，在那里被加熱并作為流13離開交換器7。流13可在閥V5中膨脹或可以繞過閥V5。已經變成15的所述流13被送至壓縮機的第一級Cl，被壓縮以形成流19，在壓縮機的第二級C2中被壓縮并且產生富含二氧化碳的氣體產物21。
[0033]源自分相器SI的氣體3與膨脹閥V2下游的蒸發流9混合。
[0034]如果處理在低壓下蒸發的CO2的壓縮機Cl，C2失控并吸入過多CO2，則上游的所有壓力都將下降。因此交換器7中的壓力將下降，但在它達到三相點的壓力(導致形成二氧化碳雪)之前，分相器SI的壓力將達到此壓力，液體會膨脹以形成固相和氣相。該產物的大致比例是三分之一的氣體和三分之二的固體。該氣體部分將供應壓縮機Cl，C2的進料，并且因此為在來自分相器SI的全部液體都已經轉化成固體和氣體之前降低其吸入速率給出多一點的時間。
[0035]具體地，只要不是所有的液體都已轉化成固體和氣體，分相器SI的壓力就將保持在三相點的壓力。最熟知的關于沸騰液體的模擬:只要不是所有的液相都已被蒸發，溫度就不上升，無論是否加熱。另一方面，當分相器Si的液位下降時，處于三相點的壓力下的區域下降。在實踐中，三相點的壓力必須發生在液體-氣體交界面，所以表面處于穩定(非湍流)狀態，因為液體的重量在沉到所述表面以下時增加了壓力。當此交界面在管道中下降以向交換器7供應液體5時，交換器7中的壓力也下降，因為靜液壓高度(下面的圖中的高度H)降低，而更接近交換器7中固相的出現。
[0036]還應注意的是，低壓蒸發的C029如圖所示不會默認返回分相器SI，因為如果C025含有不能完全蒸發的重質元素(NOx，碳氫化合物等)，使蒸發相返回到分相器SI (熱虹吸操作)將導致這些重質元素在液體中累積。
[0037]另一方面，C025是純的或最好不含重質元素，可以設想將蒸發的C029從氣體部分3在塔頂逸出的位置送回分相器SI。那么優點是減少在熱量不足以蒸發全部液體時將液體CO2送至交換器El的熱端的風險。
[0038]可取的是將分相器SI的液體出口 5定位成如果在分相器SI中形成CO2冰塊的話能夠避免夾帶這種CO2冰塊。結合不在低點進行液體取樣的事實，保護網或擋板可以實現該目的。應記住的是，在這方面，CO2冰塊將在液體中流動(不同于由水形成的冰)。
[0039]還存在用于幫助分相器SI中的壓力不過快下降的其他方法:
[0040]a.將在更高的壓力下蒸發的C0225的一部分29送回至低壓CO2的入口處(閥V3)；
[0041]b.添加閥V5使得能夠增加分相器SI和壓縮機C1、C2的入口之間的壓力差，這使得能夠在壓縮機入口處壓力下降的情況下給自身多一點反應時間，因此可以在壓力下降時逐漸地關閉該閥；
[0042]c.使用壓縮機Cl，C2的防跳躍/防泵出功能以穩定其入口壓力(閥V4)；
[0043]d.使用IGV(入口導向葉片)以調節入口流率。
[0044]上面指出的措施(包括本發明的主要主題)都導致用于處理CO2的比能增加，該增加可以是連續地(在閥V2和V5增加交換器中的蒸發溫度并因此由于被處理的氣體冷卻較少而降低CO2的回收率的情況下)，或者可以是一次性的(在閥V3或V4，如果僅用于一次性方式則可選地V5的情況下)。
[0045]通過將壓縮機移離其最佳工作點，涉及IGV的控制自身只輕微地影響能量。然而這種控制的缺點是，它很慢(幾十秒)和不是非常活躍，因此尤其適合于長控制，例如當進行供給以改變所述單元的給料時。
[0046]與降低接近三相點的區域中的凍結的風險的本發明一致的是，一個新穎的發明在于改善由此獲得的系統的能量。
[0047]圖2更詳細地示出分相器SI及其連接部分。富含二氧化碳的液體流I在閥Vl中膨脹并被送至分相器SI。在此，富含二氧化碳的氣體3與富含二氧化碳的液體5分離，部分保留在分相器SI的腔室中的液體具有液位。氣體3處于壓力P1。由于分相器中的液體池，富含二氧化碳的液體5在高于Pl的壓力下從分相器SI中抽出。
[0048]閥VI的打開由分相器SI中的液位控制。
[0049]進行供給以使分相器SI在處于三相點的壓力下連續運行。因此將持續地有三個相共存。因為只要分相器Si包含液體和固體，分相器SI的壓力將不能離開三相點的壓力，因而分相器Si的壓力穩定。因而壓縮機的入口處的壓力是穩定的。如果壓縮機吸入過多，將通過從液體到固體和氣體的快速形成而在分相器SI中產生固體。如果壓縮機吸入不足，分相器Si的高度將有上升趨向，供給閥Vl將關閉。
[0050]這可以降低交換器7中的蒸發壓力，因為它與分相器SI的壓力相差一與靜液壓高度相關聯的固定值。
[0051]然后必須確保來自分相器SI的二氧化碳雪不被夾帶向交換器7。應記住的是二氧化碳雪比液體密度大，因此趨向于流動。此外，可能的是該二氧化碳雪以小尺寸的懸浮晶體的形式存在。
[0052]擋板41和網43系統與橫向液體取樣位置35、37結合將幫助避免夾帶大部分固體。
[0053]液體出口 35、37連接至分相器的豎直壁而不連接至底部。通過管道35和打開閥V8抽取的液體以及通過管道37和打開閥V7抽取的液體被混合以形成液體流5。
[0054]所述網43圍繞液體出口安裝以防止固體離開。擋板安裝在每個出口 35、37的上方以防止固體落向出口。
[0055]但是，由于液體的一般運動將是朝向液體出口流動，浮在中間高度的冰可能會在保護網上累積。
[0056]避免這個問題的一個方案是提供相互隔開的兩個或更多個液體取樣位置35、37。當橫跨其中一個取樣位置的壓力降增加時，該取樣位置關閉，另一個(或者多個中的另一個)打開。因此液體流動將改變并釋放被堵塞的網。一種可能性是通過管道31、39和打開閥V6將液體通過管道37送至分相器并經由網43返回。如果這不足夠，還可以設想通過打開閥15從堵塞的網的另一側經由源自分相器SI的進料的專用管線31、33注射更高壓力下的液體CO2。
[0057]最后，各個液體的取樣位置的優化管理結合各裝置的壓力下降措施將能夠限制容器中的二氧化碳雪。
[0058]根據本發明，富含二氧化碳的液體含有至少75摩爾％的二氧化碳，或至少85摩爾％的二氧化碳，或甚至至少95摩爾％的二氧化碳。
【權利要求】
1.一種用于蒸發富含二氧化碳的液體流的方法，其中從容納富含二氧化碳的液體和富含二氧化碳的氣體的腔室(SI)抽取富含二氧化碳的第一液體流(5)，所述氣體處于壓力P1，第一液體流送至熱交換器(7)，在那里被蒸發，來自所述第一流的全部液體在熱交換器中在大于Pl的一個或多個壓力下蒸發，蒸發的第一流從熱交換器被提取，在第一膨脹閥(V2)中膨脹并被送至熱交換器，在那里被加熱，其特征在于，腔室(SI)中的液位處于與最后一滴富含二氧化碳的液體在交換器中蒸發所在的高度(A)相比超出地面更高的高度，這兩個高度之差是H。
2.根據權利要求1所述的方法，其中H至少等于2m，優選至少等于5m。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中來自腔室(SI)的氣體(3)被送至熱交換器⑵以被加熱。
4.根據權利要求3所述的方法，其中在第一閥(V2)中膨脹的蒸發流與來自腔室(3)的氣體混合并在熱交換器(X)中被加熱。
5.根據權利要求3所述的方法，其中在第一閥(V2)中膨脹的蒸發流被送至所述腔室(Si)。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中在第一閥(V2)中膨脹并在熱交換器(7)中被加熱的蒸發流離開熱交換器，在第二膨脹閥(V5)中膨脹并被送至壓縮機(Cl)以被壓縮。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中處于比第一流離開腔室的壓力更高的壓力下的富含二氧化碳的第二液體流(25)在熱交換器(7)中蒸發并被送至壓縮機(C1，C2)的中間級，蒸發的第一流被送至壓縮機的入口。
8.根據權利要求7所述的方法，其中蒸發的第二液體流的一部分(29)膨脹并被送至壓縮機(Cl)的入口。
9.一種用于蒸發富含二氧化碳的液體流的設備，該設備包括容納富含二氧化碳的液體和富含二氧化碳的氣體的腔室(SI)，所述氣體處于壓力Pl ;熱交換器(7);用于從所述腔室抽取富含二氧化碳的第一液體流(5)并連接至熱交換器的管道；用于使第一流的全部液體的壓力增加到大于Pl的至少一個蒸發壓力的增壓裝置；用于從熱交換器提取蒸發的第一流并連接至第一膨脹閥(V2)以使蒸發的第一流膨脹從而形成膨脹流的管道；和用于將膨脹流送至熱交換器的管道，其特征在于，所述腔室中的液位處于與最后一滴富含二氧化碳的液體在交換器中蒸發所在的高度相比超出地面更高的高度，這兩個高度之差是H。
10.根據權利要求9所述的設備，其中H至少等于2m，優選至少等于5m。
11.根據權利要求9或10所述的設備，包括用于將來自所述腔室(SI)的氣體送至熱交換器(X)中以被加熱的管道。
12.根據權利要求11所述的設備，包括用于使在第一閥(V2)中膨脹的蒸發流與來自腔室的氣體混合并在熱交換器(7)中被加熱的裝置。
13.根據權利要求9至12中任一項所述的設備，包括用于從熱交換器(7)提取在第一閥(V2)中膨脹并在熱交換器(7)中被加熱的蒸發流的管道，該管道連接至第二膨脹閥和壓縮機(Cl，C2)。
14.根據權利要求13所述的設備，包括用于將處于比離開腔室(SI)的第一流的壓力更高的壓力下的富含二氧化碳的第二液體流送至熱交換器(7)中以被蒸發的裝置，以及用于將蒸發的第二液體流送至壓縮機(Cl，C2)的中間級的管道，蒸發的第一流被送至壓縮機的入口。
15.根據權利要求13或14所述的設備，包括用于使蒸發的第二液體流的一部分(29)膨脹并連接至壓縮機(C1，C2)的入口的膨脹裝置(V3)。
【文檔編號】F17C13/02GK104428577SQ201380037018
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年7月5日 優先權日:2012年7月13日
【發明者】A·布里格利亞, A·達德, L·格萊納多斯, C·薩姆盧斯基 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司