具有从碳捕获输入CO2的设备中回收蒸馏能量的方法和系统与流程

具有从碳捕获输入co2的设备中回收蒸馏能量的方法和系统
技术领域
1.本发明涉及一种用于降低能耗的方法、系统和设备，优选为绿色甲醇设备。
2.发明背景
3.众所周知，合成甲醇的设备的产物，通常定义为粗甲醇，是一种甲醇水溶液，含有合成反应的副产物，包括乙醇、酮类、高级醇和一些溶解的气体，主要包括h2、co、co2、n2、ch4。
4.已知的蒸馏方法主要基于一个或多个蒸馏塔，其中通常至少一个塔能够将在塔顶回收的轻质产物(例如气体)与甲醇分离，并且至少一个塔能够将在塔底回收的重质产物(例如水溶液)与甲醇分离。
5.一种广泛用于例如甲醇蒸馏的特定方法包括两个在大气压或接近大气压下操作的塔。更具体地，所述方法使用称为稳定塔或预运行塔的预处理塔和第二蒸馏塔。第一塔的主要目的是分离粗甲醇中所含的较易挥发的组分，其中接收粗甲醇并在顶部分离轻质组分，在底部分离水溶液。称为浓缩塔的第二塔进行实际蒸馏，获得(i)顶部的精制甲醇，(ii)底部的主要水流(“底部水”)，(iii)侧流，称为“杂醇油”，主要含有水、残留甲醇(约占总量的1％)和合成反应的大部分副产物。所述杂醇油具有一定的热值，通常用作燃料或合成气生产的原料。
6.每个塔都包含一个再沸器，该再沸器加热塔底并维持对蒸馏方法的热输入。每个塔还包括冷凝器，其冷凝塔顶产物并将其(至少部分地)再循环至所述塔。热量是通过蒸汽或具有合适的热量水平的工艺气体(如果可用)提供给浓缩(或蒸馏)塔。冷凝器的冷却介质通常是水或空气。所述具有两个塔的配置就设备而言是简单的(例如，甲醇蒸馏设备)，但是它具有消耗大量能量的主要缺点，这既是由于供应到底部再沸器的热量，也是由于顶部冷凝器的冷却水和/或电力消耗。此外，相对于生产能力，塔具有相对大的直径，因此设备成本高。
7.图1所示的标准解决方案基于低压浓缩塔，产生的甲醇蒸汽经水冷却器冷凝。对于较大的设备，浓缩塔被分流成两个或三个压力水平交错的蒸馏塔，以便将塔顶负荷(overhead duty)重新用作下一塔的再沸器负荷(reboiler duty)。通常，甲醇蒸馏和co2汽提所需的热量主要或全部由蒸汽提供。
8.但是，需要在甲醇生产中寻求更可持续的工作方式，以实现能源的再利用和/或节约。
9.化石燃料的燃烧每年产生超过130亿吨的二氧化碳。对co2对气候变化和海洋酸化的影响的担忧促使政府和行业研究捕获由此产生的co2进入碳循环的技术的可行性。然而，现有的发电厂需要在燃烧后使用洗涤器将co2从烟气中分离出来。在这样的系统中，化石燃料与空气一起燃烧，co2从还含有n2、h2o、o2以及痕量硫、氮和金属杂质的气体混合物中选择性地去除。虽然确切的分离条件取决于燃料和技术，但通常co2以低浓度(4-15％v/v)存在于接近大气压且温度约为-60℃的气体混合物中。用于碳捕获的吸附剂使用温度、压力或真空再生，因此可以收集co2用于封存或利用，并且吸附剂可以重复使用。
10.碳捕获的最大障碍是需要大量的电力。如果没有政策或税收激励，这些设备的电力生产无法与其他能源竞争。碳捕获发电厂的最大运营成本是发电量的减少，[6]因为蒸汽形式的能量从涡轮机中的发电转移到吸附剂的再生。因此，最大限度地减少吸附剂再生所需的能量是许多碳捕获研究背后的主要目标。
[0011]
本发明(图2)遵循与上述标准解决方案类似的原理，但在较高压力下操作浓缩塔，优选在大约2至10巴表压之间，以便重新使用塔顶负荷。通过在更高的压力下操作塔，塔中不同位置处的液体的沸点提高。沸腾液体的目标温度更高，大约在110到190摄氏度之间。热交换器d例如再沸器(输入的蒸汽)中需要更高的温度，但塔顶热交换器c(例如再沸器)中的冷凝温度也会提高加，这使得热量可以用于其他地方，例如co2再沸器负荷或区域加热。
[0012]
由于绿色设备规模较小，这种类型的设备通常只有一个浓缩塔，并且不能在第二浓缩塔中重新使用负荷。与之相比，塔顶负荷至少有一部分在co2再沸器中被重新使用，以回收此类能量并最大程度地减少浪费。
[0013]
附图简要说明
[0014]
图1显示了在绿色甲醇设备中生产甲醇的标准解决方案，其中包括co2汽提。
[0015]
图2显示了本发明在绿色甲醇设备中生产甲醇的一个优选实施方案，其中包括co2汽提。
[0016]
参考编号：
[0017]
(1)-热塔顶流，包含甲醇蒸汽；
[0018]
(2)-从热交换器c向co2汽提单元a提供的热量
[0019]
(3)-蒸汽流
[0020]
定义
[0021]“大气压力”是指1,01325巴，即大约1巴。
[0022]
碳捕获是指从气流(通常是烟道气，但也包括加压工艺气体)中捕获二氧化碳的方法。该方法包括吸收器，其中液体吸附剂与气体接触并选择性地吸收co2。负载有co2的吸附剂被送至汽提塔，在汽提塔中通过加热将负载的co2去除，使co2以浓缩形式离开汽提塔。
[0023]
二氧化碳吸附剂是指能够吸收co2的吸附剂。二氧化碳吸附剂可以是物理的，例如多孔材料；或化学的，例如形成化学键的胺水溶液。
[0024]
二氧化碳汽提单元是指用于解吸捕获的co2的单元。通常，将负载有co2溶液的塔煮沸以去除捕获的co2。
[0025]
化学吸附剂是指吸收co2并与活性组分和co2形成化学键的吸附剂。
[0026]“浓缩塔”或“蒸馏塔”或“底塔”是指分成一系列阶段的塔。这些对应于一系列的平衡阶段。液体在塔中逐级向下流动，并与向上流动的蒸汽接触。传统上，大多数塔都是用一组不同的“塔盘”或“板”建造的，因此这些术语最终基本上可以与“级”互换。蒸馏塔中的每个塔盘都设计用于促进级上蒸汽和液体之间的接触。蒸馏可以在填充塔中进行(就像吸收可以在盘式塔中进行一样)。塔的操作压力通常通过调节热交换器中的热量去除来控制。塔的底部通常用作储液器以容纳离开底部塔盘的液体。热交换器，例如再沸器，用于煮沸该液体。产生的蒸汽，即“沸腾物”，返回到塔底。
[0027]
对粗甲醇进行蒸馏以满足市场上要求的纯度规格。粗甲醇是包含甲醇(通常为65％至95％的甲醇)、水和其他组分的溶液。粗甲醇包含低沸点和高沸点组分(轻馏分和重
馏分)。轻馏分l主要包括溶解的气体(例如co2)、二甲醚、甲酸甲酯和丙酮。重馏分h包括高级醇、长链烃、高级酮和低级醇与甲酸、乙酸和丙酸形成的酯。例如，aa级规格要求最小甲醇浓度为99.85重量％，其中乙醇不应超过10ppm(重量)。
[0028]“蒸馏”是指将液体混合物分离成两种或更多种具有不同组成的蒸汽或液体产物的方法。蒸馏是一个平衡阶段的操作。在每个阶段中，气相与液相接触，物料从气相进入到液相，再从液相进入到气相。挥发性较低、“重”或“高沸点”的组分集中在液相中；挥发性更强的“轻”组分集中在蒸汽中。通过使用与再循环串联的多个阶段，可以实现分离。蒸馏塔的进料可以是液体、蒸汽或液体-蒸汽混合物。它可以进入塔的任何一点。可以将多个流进料到系统，并且可以抽取多种产物。浓缩塔的蒸馏通常在尽可能低的压力下进行，但在本发明中，我们增加压力以回收热量。
[0029]
绿色甲醇设备是指使用可再生h2作为原料的设备。
[0030]“热负荷”或“负荷”是指在单位时间内从热侧传递到冷侧所需的热量。计算热负荷的方程式通常有两种写法：a)一种可用于显热传递，这意味着流体不发生相变；b)另一种可用于传递潜热，这意味着流体会发生相变，即冷凝。
[0031]“热交换器”是指用于在两种或更多种流体之间传递热量的系统。热交换器用于冷却和加热过程二者。流体可以通过固体壁隔开以防止混合或者它们可以直接接触。特别地，“热交换器”是指再沸器/冷凝器，例如管束交换器，例如在壳侧蒸发溶液并且在管侧冷凝馏出物(或反之亦然)。也可以使用板式热交换器，其中热交换板装在壳体内。
[0032]“重质副产物”或“侧流”h是指从最后一个浓缩塔回收的包含高级醇和其他次要副产物的流-通常在进料盘和塔底之间取出。它也被称为“杂醇油”，包括水、残余甲醇(约占总量的1％)和合成反应的大部分副产物。所述杂醇油具有一定的热值，通常用作合成气发生段的燃料或进料。如果合适的话，也可以从中间蒸馏阶段提取杂醇油的侧流。
[0033]
高压蒸馏是指在正常操作压力以上操作的蒸馏方法。通常甲醇蒸馏在低压下操作以易于组分的分离，但高压蒸馏在升高的压力下操作，例如高于2巴表压。
[0034]
负载有二氧化碳的吸附剂是指包含捕获的co2的溶液。
[0035]
甲醇(meoh)合成气是指含有用于合成meoh的组分的合成气，是h2、co和co2(或者只有h2和co2)的混合物。
[0036]
塔顶负荷是指通过在塔(例如浓缩塔)顶部冷凝甲醇蒸汽而实现的传递热量。
[0037]“部分再沸器”是指其中只有塔底中的部分液体被蒸发的再沸器。产生的蒸汽返回到塔中，液体流作为产物或进料被移出到另一个塔中。这三个流的组成是不同的。部分再沸器还提供理想的分离阶段。可以使用侧流再沸器，它从塔盘中抽出液体，将其加热，然后将气液混合物返回到相同或相似的塔盘中。
[0038]
物理吸附剂是指吸收co2而不与活性组分和co2形成化学键的吸附剂。
[0039]“压力”，p，表示表压，以巴表压(bar(g))为单位测量。表压是相对于大气压的压力，高于大气压为正，低于大气压为负。巴和巴表压之间的差异是所考虑的参考中的差异。压力测量始终参照参考值进行，并与压力测量仪器中获得的值相对应。如果压力测量中的参考是真空，得到的是绝对压力并仅以巴(bar)为单位进行测量。如果参考是大气压，则压力以巴表压(bar(g))表示。
[0040]
粗甲醇产物是指直接来自本发明方法中步骤(d)中合成的液体产物，主要是甲醇，
也包括水、副产物和溶解气体。
[0041]“再沸器”是指通常用于向工业蒸馏塔底部提供热量的热交换器。再沸器将蒸馏塔底部的液体煮沸以产生蒸汽，这些蒸汽返回到塔中，以驱动蒸馏分离。由塔底的再沸器提供给塔的热量由塔顶的冷凝器带走。大多数再沸器是壳管式热交换器类型，通常蒸汽用作此类再沸器的热源。然而，可以使用其他传热流体，如热合成气、油或dowtherm(tm)。在某些情况下，燃油炉也可用作再沸器。
[0042]“稳定塔”或顶层塔或预运行塔用于从包含在粗产物(例如粗甲醇)中的更易挥发的组分与更重质组分分离。
[0043]“挥发性组分”或“挥发性物质”是指在低温下容易蒸发的组分或物质。挥发性还可以描述蒸汽凝结成液体或固体的趋势：挥发性较低的物质比挥发性高的物质更容易从蒸汽中冷凝。蒸汽压是在给定温度下冷凝相形成蒸汽的难易程度的量度。最初处于真空状态(内部没有空气)的封闭容器中的物质会迅速用蒸汽填充任何空的空间。在系统达到平衡并且不再形成蒸汽后，可以测量该蒸汽压。升高温度会增加形成的蒸汽量，从而增加蒸汽压。在混合物中，每种物质都会影响混合物的总蒸汽压，挥发性化合物越多，其贡献越大。沸点是液体的蒸汽压等于周围压力时的温度，其导致液体迅速蒸发或沸腾。它与蒸汽压密切相关，但取决于压力。正常沸点是大气压力下的沸点，但也可以在更高和更低的压力下报告。
[0044]“上流”或“顶流”是指从塔的上部获得或回收的流。


技术实现要素：

[0045]
本发明提供降低了总能耗的绿色设备(将蒸馏能量重新用于稳定塔和碳捕获单元中的co2再沸器)，从而减少了加热器/锅炉的电力输入(或降低了蒸汽产生中的燃料消耗)。
[0046]
本发明使用一个或多个塔进行蒸馏，其中处于最高压力的塔连接至至少一个co2汽提单元。所述一个或多个塔包括压力为p0的稳定塔v0，其与至少一个压力为p1的蒸馏塔v1串联连接，其中每个塔与热交换器e0和e1相关联，所述热交换器是用于该塔的再沸器，其特征在于，
[0047]
a)e1具有输入热流，其位于所述设备外部；
[0048]
d)p1》2巴表压。
[0049]
本发明的一个目的是减少绿色甲醇设备的能量输入。已制定了一个标准布局，其中设备由电解槽、碳捕获、甲醇合成和甲醇蒸馏组成。传统的碳捕获单元和甲醇蒸馏单元都需要热量来驱动co2汽提(例如，在碳捕获单元中)和粗甲醇蒸馏。通常，热量由蒸汽提供，并且由于在典型的绿色甲醇设备中没有多余的蒸汽可用，因此该蒸汽必须通过电力产生(如果应尽量减少co2排放)或燃烧燃料产生蒸汽。
[0050]
通过更改为高压蒸馏步骤，从浓缩塔的塔顶流(1)获得的塔顶负荷可用作co2汽提过程(在碳捕获单元中)中的再沸器负荷，或者也可用于甲醇蒸馏内部的稳定塔中，或提供给区域加热。优选地，浓缩塔的操作压力高于或约为2巴表压。
[0051]
作为主要优点，本发明具有整体降低的能耗，即，送至浓缩塔的大约相同量的热量可以在co2再沸器中重新使用。
实施例
[0052]
实施例1
[0053]
co2汽提器和甲醇蒸馏中的能耗
[0054]
表1为传统布局和新的本发明中的co2汽提器和甲醇蒸馏的能耗比较，其中本发明重新使用了浓缩塔塔顶的meoh蒸汽能量。总蒸汽输入减少到标准解决方案的61％。在这种情况下，热量的重新使用被引导至co2汽提器再沸器，作为替代方案，它也可以替代稳定器再沸器中的蒸汽，或者用作区域加热。
[0055][0056]
因此，通过使用本发明的方法、系统和设备，总蒸汽消耗显著减少，在该特定情况下，相对于标准解决方案减少约39％。
[0057]
优选实施方案
[0058]
1.一种制备甲醇的方法，包括以下步骤：
[0059]
(a)通过二氧化碳吸附剂捕获二氧化碳并形成负载有二氧化碳的吸附剂；
[0060]
(b)将负载有二氧化碳的吸附剂送至二氧化碳汽提单元a；
[0061]
(c)提供包含氢气和二氧化碳的甲醇合成气；
[0062]
(d)将来自步骤(c)的甲醇合成气送至甲醇合成并形成粗甲醇产物；
[0063]
(e)在包含至少一个蒸馏塔的蒸馏单元b中纯化所述粗甲醇产物，从所述至少一个蒸馏塔获得热塔顶流(1)，其特征在于所述热塔顶流(1)向热交换器c提供热量，且所述热量的至少一部分(2)被提供给至少一个二氧化碳汽提单元a，用于从负载有二氧化碳的吸附剂中汽提二氧化碳，从而将流(1)冷凝成液体甲醇。
[0064]
所有塔顶流(1)优选被重新使用。要么100％送到汽提单元a，要么少于100％，其余部分在别处重新使用(例如，作为稳定再沸器负荷，或用于区域加热)。也可能在co2汽提单元中使用100％的塔顶热量或负荷(1)，但还使用额外的蒸汽。
[0065]
2.根据实施方案1所述的方法，其中步骤(c)中的甲醇合成气包含部分或全部从电解获得的氢气。
[0066]
3.根据实施方案1所述的方法，其中步骤c)中的甲醇合成气包含从电解以外的来源获得的氢气。
[0067]
4.根据实施方案1所述的方法，其中提供给至少一个二氧化碳汽提单元a的所述热量(2)大约为所述汽提单元中能量需求的20％至100％，优选45％至高达100％。
[0068]
5.根据实施方案1所述的方法，其中提供给二氧化碳汽提单元a的热量(2)另外由
蒸汽(3)提供。
[0069]
co2汽提器所需的流(1)是固定的。在从蒸馏提供所述流(1)的同时，相应地减少了所需的输入蒸汽。
[0070]
6.根据实施方案1所述的方法，其中步骤(a)中的二氧化碳吸附剂是物理或化学吸附剂。
[0071]
7.根据实施方案1所述的方法，其中甲醇合成气还包含一氧化碳。
[0072]
8.根据实施方案1所述的方法，其中步骤(a)中的二氧化碳源自烟道气和/或合成气。
[0073]
9.根据实施方案1所述的方法，其中部分或全部热塔顶流(1)被供应给区域加热。
[0074]
10.实施方案1或9所述的方法，其中将部分热塔顶流(1)被供应给稳定再沸器。
[0075]
11.用于根据实施方案1至10中任一项来制备甲醇的系统，包括至少一个co2汽提单元a、至少一个甲醇蒸馏单元b、与至少一个热交换器单元d流体连接的至少一个塔顶热交换器单元c，所述单元a、b、c和d被布置成使得粗甲醇产物在包括至少一个蒸馏塔的蒸馏单元b中被纯化，从所述至少一个蒸馏塔获得热塔顶流(1)，其中所述热塔顶流(1)向热交换器c提供热量，并且所述热量的至少一部分(2)被提供给至少一个二氧化碳汽提单元a，用于从负载有二氧化碳的吸附剂中汽提二氧化碳，从而使流(1)冷凝为液体甲醇。
[0076]
12.根据实施方案11所述的系统，其中所述单元a、b、c和d被布置成使得部分或全部热塔顶流(1)供应给区域加热。
[0077]
13.根据实施方案11或12中任一项所述的系统，其中所述单元a、b、c和d被布置成使得部分热塔顶流(1)被供应给稳定再沸器。
[0078]
14.具有从碳捕获输入co2的设备，其包括根据实施方案11至13中任一项所述的系统，用于根据实施方案1至10中任一项来制备甲醇。

技术特征：
1.一种制备甲醇的方法，包括以下步骤：(a)通过二氧化碳吸附剂捕获二氧化碳并形成负载有二氧化碳的吸附剂；(b)将负载有二氧化碳的吸附剂送至二氧化碳汽提单元a；(c)提供包含氢气和二氧化碳的甲醇合成气；(d)将来自步骤(c)的甲醇合成气送至甲醇合成并形成粗甲醇产物；(e)在包含至少一个蒸馏塔的蒸馏单元b中纯化所述粗甲醇产物，从所述至少一个蒸馏塔获得热塔顶流(1)，其特征在于所述热塔顶流(1)向热交换器c提供热量，且所述热量的至少一部分(2)被提供给至少一个二氧化碳汽提单元a，用于从负载有二氧化碳的吸附剂中汽提二氧化碳，从而将流(1)冷凝成液体甲醇。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)中的甲醇合成气包含部分或全部从电解获得的氢气。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤c)中的甲醇合成气包含从电解以外的来源获得的氢气。4.根据权利要求1所述的方法，其中提供给至少一个二氧化碳汽提单元a的所述热量(2)大约为所述汽提单元中能量需求的20％至100％，优选45％至高达100％。5.根据权利要求1所述的方法，其中提供给二氧化碳汽提单元a的热量(2)另外由蒸汽(3)提供。6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中的二氧化碳吸附剂是物理或化学吸附剂。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述甲醇合成气还包含一氧化碳。8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中的二氧化碳源自烟道气和/或合成气。9.根据权利要求1所述的方法，其中部分或全部热塔顶流(1)被供应给区域加热。10.根据权利要求1或9所述的方法，其中部分热塔顶流(1)被供应给稳定再沸器。11.用于根据权利要求1至10中任一项来制备甲醇的系统，包括至少一个co2汽提单元a、至少一个甲醇蒸馏单元b、与至少一个热交换器单元d流体连接的至少一个塔顶热交换器单元c，所述单元a、b、c和d被布置成使得粗甲醇产物在包括至少一个蒸馏塔的蒸馏单元b中被纯化，从所述至少一个蒸馏塔获得热塔顶流(1)，其中所述热塔顶流(1)向热交换器c提供热量，并且所述热量的至少一部分(2)被提供给至少一个二氧化碳汽提单元a，用于从负载有二氧化碳的吸附剂中汽提二氧化碳，从而使流(1)冷凝为液体甲醇。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述单元a、b、c和d被布置成使得部分或全部热塔顶流(1)被供应给区域加热。13.根据权利要求11或12中任一项所述的系统，其中所述单元a、b、c和d被布置成使得部分热塔顶流(1)被供应给稳定再沸器。14.具有从碳捕获输入co2的设备，其包括根据权利要求11至13中任一项所述的系统，用于根据权利要求1至10中任一项来制备甲醇。

技术总结
本发明涉及一种用于降低能耗的方法、系统和设备，优选为绿色甲醇设备。本发明通过将蒸馏能量重新用于碳捕获单元中的稳定塔和CO2再沸器-从而减少了加热器/锅炉的电力输入或蒸汽产生中的燃料消耗，从而提供了具有降低的总能耗的绿色设备。能耗的绿色设备。能耗的绿色设备。


技术研发人员：E
受保护的技术使用者：托普索公司
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2023/9/22