Способ осушения углекислого газа после регенерации синтетического цеолита при производстве жидкой двуокиси углерода высшего сорта из подземных источников
METHOD OF DRYING CARBON DIOXIDE GAS AFTER REGENERATION OF SYNTHETIC ZEOLITE WHEN PRODUCING LIQUID CARBON DIOXIDE OF PRIME GRADE FROM UNDERGROUND SOURCES

Область техники.
Изобретение предназначено для отраслей промышленности, использующих двуокись углерода высшего сорта, и может быть использовано при производстве жидкого диоксида углерода. Изобретение относится к способу осушения углекислого газа после регенерации синтетического цеолита в процессе производства жидкой двуокиси углерода высшего сорта из подземных источников.
Уровень техники.
Известен способ получения жидкого диоксида углерода из газов спиртового брожения [1]. Способ заключается в следующем: из бродильных чанов газообразные продукты брожения отводят в пеноловушку, а из нее в спиртоловушку и далее в газгольдер, из которого газ направляют в водяной скруббер, далее в водокольцевой компрессор, а затем в водоотделитель для предварительной осушки. После этого газ сжимают в первой ступени трехступенчатого компрессора до 0,5 МПа и охлаждают водой в трубчатом охладителе примерно до 30 – 35°С. Далее газ очищают от органических примесей в двух адсорберах с активированным углем. Адсорберы работают попеременно – при работе одного адсорбера, другой регенерируется. Периодически, по мере насыщения адсорбентов органическими примесями и влагой, проводят регенерацию адсорбентов нагретым газом, который отбирают из вихревого разделителя и изотермического хранилища. Из «рабочего» адсорбера газ направляют во вторую ступень компрессора, где его сжимают до 2,5 МПа, а затем через охладитель и масловлагоотделитель газ направляют в третью ступень компрессора, в которой газ сжимают до 7 МПа. После сжатия газ охлаждают и пропускают через масловлагоотделитель. Окончательная осушка газа происходит в адсорберах с силикагелем и цеолитом. Сжатый, очищенный и осушенный газ направляют в конденсатор, из которого часть жидкого диоксида углерода отводят в ресиверы высокого давления, а из ресиверов заполняют баллоны и отправляют потребителям. Для получения переохлажденной жидкости ее дросселируют до давления 0,8 - 1,2 МПа, в результате чего образуется двухфазная смесь с температурой от минус 43,5 до 33,3°С и массовым газосодержанием 30 – 50%. Эту смесь разделяют в вихревом разделителе. Газ из разделителя смешивают с газом, поступающим во вторую ступень компрессора из адсорбера с активированным углем, а жидкость направляют в изотермическое (теплоизолированное) хранилище, из которого заполняют изотермические транспортные цистерны для снабжения потребителей. Периодически, по мере насыщения адсорбентов органическими примесями и влагой, проводят регенерацию адсорбентов нагретым газом, который отбирают из вихревого разделителя и изотермического хранилища.
Недостатками способа являются: использование товарного углекислого газа для регенерации адсорберов влаги с силикагелем и цеолитом, что увеличивает капитальные, эксплуатационные затраты и себестоимость выпускаемой жидкой углекислоты и углекислого газа; применение дополнительного нагрева углекислого газа для регенерации адсорбентов в теплообменниках.
Известен способ получения жидкого диоксида углерода из газов спиртового брожения [2], согласно которому газ отбирают из бродильных аппаратов, предварительно очищают в пеноловушке, спиртоловушке, водяном скруббере и водоотделителе, затем сжимают в трехступенчатом компрессоре с повышением давления до 0,5, 2,5 и 7 МПа при промежуточном охлаждении и осушке газа после каждой ступени, причем после первой ступени газ очищают от органических примесей в адсорбере с активированным углем, а после третьей ступени газ осушают в адсорберах с силикагелем и цеолитом, после чего газ сжижают в конденсаторе, частью получаемой жидкости заполняют баллоны потребителя, остальную жидкость дросселируют до 0,8 – 1,2 МПа, образующуюся двухфазную смесь с температурой от минус 43,5 до минус 33,3°С разделяют в вихревом разделителе, жидкость направляют в изотермическое хранилище, а газ возвращают во вторую ступень компрессора в смеси с газом, поступающим из адсорбера с активированным углем, при этом периодически проводят регенерацию адсорбентов нагретым газом.  Согласно изобретению, после первой ступени сжатия газ охлаждают до 0°С в рекуперативном теплообменнике, образующийся конденсат паров воды и органических примесей отводят в сборник, при этом в качестве хладоносителя используют газо-жидкостную смесь, которую получают с помощью струйного смесителя подводом в него газа и жидкости из вихревого разделителя, причем жидкость подают в приемную камеру смесителя и ее расход регулируют вентилем, а газ подводят в сопло смесителя. При охлаждении углекислого газа от 35 до 0°С под давлением 0,5 МПа концентрация насыщения газа парами воды и органических продуктов спиртового брожения снижается в 8 – 9 раз. Вследствие конденсации паров воды в теплообменнике в адсорбер с активированным углем поступает осушенный газ с меньшим содержанием примесей. Наличие параллельно подключенных адсорберов каждого типа позволяет проводить регенерацию без прекращения основного процесса. Кроме того, за счет снижения температуры газа повышается активность адсорбции примесей. В результате достигается более глубокая очистка газа. При использовании газо-жидкостной смеси в качестве хладоносителя содержание в ней жидкой фазы должно иметь определенное значение. Поэтому хладонесущую смесь получают с помощью струйного смесителя, в него подводят из вихревого разделителя весь газ, образующийся при дросселировании, и лишь необходимую часть жидкости, расход которой регулируют вентилем. Регенерацию адсорбентов проводят нагретым углекислым газом, который отбирают из вихревого разделителя.
Недостатками способа являются: использование товарного углекислого газа для регенерации адсорберов влаги с силикагелем и цеолитом; применение дополнительного нагрева углекислого газа для регенерации адсорбентов в теплообменниках; использование газо-жидкостной смеси (углекислый газ – жидкая углекислота) для охлаждения газа в рекуперативном теплообменнике, что увеличивает капитальные, эксплуатационные затраты и себестоимость выпускаемых углекислого газа и жидкой углекислоты.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ регенерации синтетического цеолита при производстве жидкой двуокиси углерода высшего сорта из подземных источников [3] (прототип), согласно которому влажный природный углекислый газ месторождений углекислых минеральных вод поступает в газгольдер, отличается тем, что при давлении 0,17 МПа и температуре 10°С, газ подается в рабочий адсорбер влаги с синтетическим цеолитом марки КА-СО, при этом второй адсорбер находится на регенерации, далее осушенный газ всасывается и нагнетается первой ступенью двухступенчатого безмасляного углекислотного компрессора при давлении 0,4 МПа и температуре 70°С в промежуточный водяной холодильник, откуда всасывается при температуре 15 – 30°С второй ступенью компрессора и сжимается до давления 1,75 МПа и температуры 120 – 130°С, затем основная часть газа нагнетается во второй водяной холодильник, проходя который газ далее направляется на конденсацию, а небольшая часть 1,92 – 1,95% от расхода газа подается в регенерируемый адсорбер для регенерации цеолита, продолжительностью 0,92 – 1,1 часа, после чего регенерируемый адсорбер остывает в течение 2,8 – 3,12 часа, а углекислый газ и пары воды выбрасываются в атмосферу.
Раскрытие изобретения.
Задача изобретения – повышение эффективности процесса регенерации синтетического цеолита при увеличении производительности в установках получения жидкой углекислоты из подземных источников.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение производительности установок получения жидкой углекислоты из подземных источников при постоянных эксплуатационных затратах, что повлечет снижение себестоимости получаемой жидкой углекислоты.
Это достигается тем, что смесь углекислого газа и водяных паров месторождений углекислых минеральных вод поступает в газгольдер, откуда подается в рабочий адсорбер влаги с синтетическим цеолитом марки КА-СО.  В это время другой адсорбер находится на регенерации. Из рабочего адсорбера осушенный газ всасывается двухступенчатым безмасляным углекислотным компрессором. После первой ступени сжатия газ поступает в промежуточный водяной холодильник, где охлаждается. Далее охлажденный углекислый газ всасывается второй ступенью компресса и сжимается. Затем основная часть газа нагнетается в другой водяной холодильник и далее направляется на конденсацию, а небольшая часть 1,92 – 1,95% от расхода газа подается в адсорбер, находящийся на регенерации, для нагрева цеолита. Продолжительность регенерации в сутки составляет 0,92 – 1,1 часа. После регенерации углекислый газ перестает подаваться в регенерируемый адсорбер и цеолит остывает 2,8 – 3,12 часа. После регенерации и остывания цеолита в регенерируемом адсорбере его включают в работу, а рабочий адсорбер переключают на регенерацию. Смесь углекислого газа и паров воды из регенерируемого адсорбера при давлении 0,17 МПа поступают в водяной холодильник, где охлаждаются до температуры 30 – 50°С и углекислый газ осушается. Далее газ смешивается с осушенным углекислым газом после адсорбера при температуре смеси 10,5 – 11°С и всасывается первой ступенью компрессора.
В сравнении с прототипом изобретения, где имеют место потери углекислого газа после регенерации цеолита (сброс смеси углекислого газа и водяных паров в атмосферу), в заявляемом способе данные потери отсутствуют, что в целом повышает производительность установки получения жидкой углекислоты. Капитальные затраты на приобретение дополнительного водяного холодильника составляют менее 1% от стоимости установки в целом. Эксплуатационные затраты на охлаждение промежуточного водяного холодильника минимальны, кроме этого нагретую воду на выходе из трех применяемых в установке водяных холодильников можно использовать для обогрева производственных помещений или бытовых нужд.
Описание чертежей.
На фиг.1 представлена схема осушения углекислого газа после регенерации синтетического цеолита.
Осуществление изобретения.
Изобретение содержит: газгольдер (1), вентиля (2 – 6, 9 – 12, 14), адсорберы (7 – 8), двухступенчатый безмасляный углекислотный компрессор (15), промежуточные водяные холодильники (13, 16, 17).
Изобретение работает следующим образом.
Пример 1.
Смесь природного углекислого газа месторождений углекислых минеральных вод с парами воды поступает в газгольдер 1, из которого через открытый вентиль 2 под давлением 0,17 МПа и температуре 10°С через открытый вентиль 4 подается в адсорбер влаги 7 с синтетическим цеолитом марки КА-СО. В это время в адсорбере 8 происходит регенерация цеолита горячими парами углекислого газа, нагнетаемыми второй ступенью сжатия двухступенчатого безмасляного углекислотного компрессора 15. Осушенный углекислый газ после адсорбера 7 при открытом вентиле 12 всасывается компрессором 15. После первой ступени сжатия газ с давлением 0,4 МПа и температурой 70°С поступает в промежуточный водяной холодильник 16, где охлаждается до температуры 15°С. Далее охлажденный углекислый газ всасывается второй ступенью компресса 15 и сжимается до давления 1,75 МПа и температуры 120°С. Затем основная часть газа нагнетается в промежуточный водяной холодильник 17, проходя который газ подается на конденсацию, а небольшая часть 1,95% от расхода газа подается при открытом вентиле 6 в адсорбер 8 для регенерации цеолита. Продолжительность регенерации в сутки составляет 1,1 часа. После регенерации и остывания цеолита в адсорбере 8, продолжительностью 2,8 часа, его включают в работу, а работающий до этого адсорбер 7 переключают на регенерацию. Углекислый газ и пары воды из регенерируемого адсорбера 8 при давлении 0,17 МПа при открытом вентиле 9 поступают в водяной холодильник 13, где охлаждаются до температуры 50°С и углекислый газ осушается. Далее при открытом вентиле 14 газ смешивается с осушенным углекислым газом после адсорбера при температуре смеси 11°С и всасывается первой ступенью компрессора 15. Образовавшийся конденсат из водяного холодильника периодически сливают, следя за его уровнем.
Пример 2.
Смесь природного углекислого газа месторождений углекислых минеральных вод с парами воды обработан по приемам и операциям примера 1, но углекислый газ с парами воды охлаждаются в промежуточном водяном холодильнике 13 до температуры 30°С и углекислый газ осушается. Далее при открытом вентиле 14 газ смешивается с осушенным углекислым газом после адсорбера при температуре смеси 10,5°С и всасывается первой ступенью компрессора 15.
Пример 3.
Смесь природного углекислого газа месторождений углекислых минеральных вод с парами воды обработан по приемам и операциям примеров 1 и 2, но углекислый газ с парами воды охлаждаются в промежуточном водяном холодильнике 13 до температуры 12°С и углекислый газ осушается. Далее при открытом вентиле 14 газ смешивается с осушенным углекислым газом после адсорбера при температуре смеси 10°С и всасывается первой ступенью компрессора 15. Однако охлаждение влажного углекислого газа в водяном холодильнике 13 до температуры 12°С возможно либо при большом расходе охлаждающей воды, либо при использовании теплообменников с большой площадью теплопередающей поверхности, либо при увеличении продолжительности процесса охлаждения. Это приведет к увеличению как капитальных, так и эксплуатационных затрат.
Источники информации
1. Технология спирта /В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов и др. /Под ред. проф. В.Л. Яровенко, М., Колос, 1999, с. 320 – 325.
2. RU 2236373, С2, Бюл. №26, опубл. 20.09.2004 (Дата прекращения действия патента: 20.11.2004).
3. RU 2690468, С1, Бюл. №16, опубл. 03.06.2019.