天然二氧化碳提純過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的精細(xì)控制

摘 要:二氧化碳作為常用的化工產(chǎn)品，廣泛用于焊接領(lǐng)域，是優(yōu)質(zhì)的焊接保護(hù)氣，在化工合成領(lǐng)域，可以用于生產(chǎn)無(wú)機(jī)物和有機(jī)聚合物，固體二氧化碳(干冰)還可以用作制冷劑。此外，二氧化碳可以用作溫室氣體肥料。天然二氧化碳的提純主要通過(guò)蒸餾、干燥、冷凝、液化、催化等手段，成品質(zhì)量的好壞決定于幾個(gè)主要控制點(diǎn)的控制成效。本文著重于天然二氧化碳提純工藝的主要控制點(diǎn)，對(duì)它們進(jìn)行分析，給出合理的操作建議。

關(guān)鍵詞:二氧化碳蒸餾催化冷凝

中圖分類號(hào):TQ655文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)09(c)-0062-01

1 工藝流程

食品級(jí)氣體提純主要工藝流程如下:來(lái)自氣井的二氧化碳，經(jīng)閥門控制減壓至工作壓力后進(jìn)入蒸餾塔底再沸器。減壓后的二氧化碳在再沸器里汽化，高沸點(diǎn)油水等雜質(zhì)進(jìn)入二氧化碳汽化器，在汽化器內(nèi)換熱分離后，經(jīng)組合式油水分離器將油排至儲(chǔ)油罐。再沸器內(nèi)的氣相二氧化碳進(jìn)入蒸餾塔分離。蒸餾塔回流由塔頂冷凝器內(nèi)的液氨提供冷源冷凝二氧化碳形成，塔底再沸器熱源由冷凍機(jī)組壓縮出來(lái)的氣氨提供，汽化器的熱源利用催化反應(yīng)器出口氣體的熱量。

蒸餾后的二氧化碳進(jìn)入塔外熱交換器，與催化塔出口二氧化碳進(jìn)行熱交換，使二氧化碳溫度升高至預(yù)定溫度，進(jìn)入脫硫塔內(nèi)進(jìn)行脫硫反應(yīng)。脫硫后的二氧化碳與一定比例的氧氣混合后進(jìn)入催化塔。氧氣來(lái)源于低溫液氧儲(chǔ)罐，經(jīng)液氧增壓泵，液氧汽化盤管、流量控制閥、流量計(jì)到混合器內(nèi)與二氧化碳?xì)饬骰旌稀?/p>

混合氣流進(jìn)入催化塔內(nèi)與催化出氣進(jìn)行熱量交換，再經(jīng)過(guò)電加熱將二氧化碳溫度加熱到催化反應(yīng)所需要的溫度，進(jìn)入催化床層進(jìn)行催化反應(yīng)。

出催化塔的高溫二氧化碳?xì)怏w經(jīng)塔外熱交換器進(jìn)行熱量交換后，再依次經(jīng)過(guò)二氧化碳汽化器、塔后水冷器、高壓提餾塔底部再沸器進(jìn)行熱量交換，降溫后的二氧化碳?xì)饬鬟M(jìn)入重力水分離器和二氧化碳聚集器進(jìn)行粗脫水，再進(jìn)入干燥塔進(jìn)行精脫水。

脫水后的二氧化碳進(jìn)入二氧化碳冷凝器進(jìn)行冷凝液化，液化后的二氧化碳經(jīng)高壓提留，粗除去氧，氮，甲烷等不凝性氣體，再經(jīng)過(guò)減壓進(jìn)入低壓提餾塔，進(jìn)一步除去微量雜質(zhì)氣體。提餾后的液體二氧化碳由低壓提餾塔進(jìn)入成品中間罐，由屏蔽泵打入球罐貯藏。

2關(guān)鍵控制點(diǎn)

通過(guò)對(duì)工藝流程的了解，關(guān)鍵的控制點(diǎn)也就很明顯，整個(gè)提純過(guò)程分為以下幾個(gè)單元:蒸餾單元，脫硫催化單元，吸附單元，冷凝供氨單元，高低壓提餾單元。通過(guò)控制這幾個(gè)關(guān)鍵單元的參數(shù)，可以使整個(gè)提純過(guò)程更高效更節(jié)能，也能有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 蒸餾單元

蒸餾單元:所謂蒸餾，就是指利用液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異而將組分分離的傳質(zhì)過(guò)程。而這發(fā)生的場(chǎng)所就是蒸餾塔，通過(guò)回流，使得氣態(tài)和液態(tài)的二氧化碳在蒸餾塔里不斷的進(jìn)行氣液傳質(zhì)，由于回流的存在，我們這里是一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程，所以這里的蒸餾是連續(xù)的，也就是精餾過(guò)程。通過(guò)蒸餾，能去除大量水分和重組分油水，所以這一單元是非常重要的。這里的主要參數(shù)是回流量:從理論上說(shuō)，回流量越大，水分去除越多，氣體的水含量會(huì)下降，氣體品質(zhì)也就提高了，但是明顯的，回流量一味增大會(huì)使得產(chǎn)量急劇下降，成本也就直線上升。所以找到合理的控制點(diǎn)，在保證品質(zhì)的前提下，增加產(chǎn)量是最為科學(xué)的生產(chǎn)方式。一般情況下，回流的實(shí)現(xiàn)是靠冷凝后的液態(tài)二氧化碳實(shí)現(xiàn)的，但是食品級(jí)氣體由于后續(xù)工藝復(fù)雜，這里不同一般。它在蒸餾塔頂部?jī)?nèi)置了一個(gè)冷凝器，使用液氨來(lái)降低塔頂二氧化碳的溫度，從而使得蒸餾塔內(nèi)上下形成溫度差，氣液傳質(zhì)得以進(jìn)行。而塔頂供氨量的大小取決于蒸餾塔上下的溫度，一般情況下，使得塔頂溫度與塔底相差3～5℃左右最佳，保證了蒸餾塔上下穩(wěn)定的溫度差可以提高蒸餾效率，同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 脫硫催化單元

脫硫催化單元:脫硫即使用脫硫劑脫除二氧化碳中含有的雜質(zhì)硫，而催化是指在催化劑存在的條件下，使得二氧化碳?xì)怏w中含有的烴類氣體燃燒生成二氧化碳和水，從而除去烴類雜質(zhì)。這里關(guān)鍵的點(diǎn)就是供氧量的控制。一方面要保證烴類氣體的充分燃燒，另一方面又要減少氧氣的消耗，節(jié)約成本。在催化塔內(nèi)，催化床層上附有催化劑，二氧化碳?xì)怏w通過(guò)床層，烴類氣體與氧氣反應(yīng)，一般情況下上部溫度比下部溫度低50℃～80℃，而催化塔內(nèi)由上而下的溫度分布在400℃～550℃之間，反應(yīng)溫度在這個(gè)區(qū)間內(nèi)時(shí)，表明反應(yīng)是比較完全的，所以供氧量首先要保證反應(yīng)溫度達(dá)到催化反應(yīng)所需的溫度。而在溫度達(dá)到以后就要控制供氧量，提升反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，例如在壓力變化不大的情況下，如果氣體流量減小，那么要適當(dāng)減小供氧量，如果還像原來(lái)那樣供氧，很可能會(huì)由于供氧過(guò)剩而出現(xiàn)催化塔內(nèi)溫度過(guò)高，經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)是一種浪費(fèi)。所以嚴(yán)格控制供氧量，不僅能使得反應(yīng)高效完全，還能節(jié)省一筆購(gòu)置液氧的費(fèi)用。

2.3 吸附單元

吸附單元:所謂吸附，就是對(duì)二氧化碳里含有的水分進(jìn)行去除，成品二氧化碳的一個(gè)重要指標(biāo)就是水含量，所以原料氣里水分的去除就顯得尤為重要。吸附塔主要是通過(guò)里面的吸附劑來(lái)除水的。一方面，吸附劑的選擇影響吸附效果，選擇高效的吸附劑可以增加吸附量和吸附效果。而另一方面，在吸附達(dá)到飽和時(shí)，及時(shí)進(jìn)行倒塔操作，通過(guò)烘塔使得吸附劑再生，這樣可以有效地控制二氧化碳?xì)怏w中的水含量。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)分析，我們可以選擇合適的吸附劑，提高吸附效能，而通過(guò)計(jì)量設(shè)備，例如在線露點(diǎn)儀的水分分析，我們可以在吸附塔達(dá)到吸附飽和時(shí)及時(shí)進(jìn)行倒塔，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 冷凝供氨單元

冷凝供氨單元:整個(gè)提純流程中涉及的冷凝過(guò)程，多數(shù)制冷劑都是液氨，供氨量的控制在整個(gè)系統(tǒng)操作中起著重要的作用。原料氣管匯的壓力可能時(shí)刻在變化，有高有低，但是通過(guò)供氨量的調(diào)控，可以在相對(duì)較低的壓力下保證較高的產(chǎn)量，這就取決于供氨的手法。供氨量大小取決于環(huán)境溫度、螺桿機(jī)的吸氣壓力、溫度，排氣壓力、溫度，冷凝器的出口溫度及蒸發(fā)式冷凝器的進(jìn)口溫度，及時(shí)調(diào)整好噴淋泵和風(fēng)機(jī)，使它們合理配合以達(dá)到最佳冷凝效果。對(duì)于環(huán)境溫度，夏天室外溫度較高，要加大冷凝效果，那么必然增加供氨量；冬季環(huán)境溫度低，那么供氨量也隨之降低。蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機(jī)和水泵的開啟位置也影響冷凝效果，相對(duì)開效果好，分散開效果好等等。供氨量的控制要靠長(zhǎng)期實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)的積累，需要大量實(shí)際操作的支持。合理的供氨能增強(qiáng)冷凝效果，同時(shí)還能較少能源消耗，提高效益。

2.5 高低壓提餾單元

高低壓提餾單元:這里主要是去除氧、氮、甲烷等不凝性氣體。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是排空控制，相比于前面幾個(gè)單元的操作，這里顯得比較簡(jiǎn)單，根據(jù)系統(tǒng)壓力，適時(shí)調(diào)整排空量即可。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)工業(yè)提純二氧化碳工藝中關(guān)鍵幾個(gè)單元的控制方法，探討了如何操作能在保證質(zhì)量的同時(shí)提高產(chǎn)量。即追求一種“保質(zhì)保量”的生產(chǎn)方式。一套二氧化碳提純裝置是涉及很多控制點(diǎn)，掌握好這些關(guān)鍵點(diǎn)就能夠控制整個(gè)提純過(guò)程，而掌握這些操作的基礎(chǔ)是需要大量的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，只有著眼于生產(chǎn)實(shí)際，積極總結(jié)和思考，才能在工業(yè)二氧化碳提純工藝上做出改善，使得提純工藝朝著越來(lái)越高效的道路發(fā)展。