一种气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳分离提纯系统

摘要

本发明公开了一种气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳分离提纯系统，主要由井口分离单元（1）、再沸蒸馏单元（2）、冷凝液化单元（3）、吸附再生单元（4）、高压提馏单元（5）及储存增压单元（6）组成。所述井口分离单元（1）的气液出口与蒸馏再沸器（21）管线连接，蒸馏再沸器（21）的气相出口与蒸馏塔（22）、吸附塔（41）的气相入口、吸附塔（41）的下部气相出口与二氧化碳冷凝器（51）的中部气相入口、二氧化碳冷凝器（51）的液相出口与高压提馏塔（52）的液相入口通过管线依次首尾连接，高压提馏塔（52）的下部液相出口经成品中间罐（61）与二氧化碳储罐（63）管线连接。该系统所制备工业液体二氧化碳纯度高于99.9%。

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化碳分离提纯技术领域，尤其是涉及一种气田二氧化碳制备工业 液体二氧化碳分离提纯系统。

背景技术

二氧化碳广泛用于焊接、化工、食品、油田驱油及工程科技技术领域。根据现有国 家标准（GB/T6052-2011工业液体二氧化碳）及行业标准（HG/T2537--1993）规定，工业用 液体二氧化碳其纯度达99%以上，游离水、油分不得检出，无异味，焊接用二氧化碳其纯度 达99.5%以上，水份50ppm以下，液态水、油分不得检出，无异味，为了满足工业液体二氧化碳 国家使用标准，必须对气田二氧化碳进行分离提纯。目前现有的二氧化碳提纯技术主要有 化学、物理吸收法、吸附法、低温分离法、膜分离法等。但是目前现有的几种处理方法主要针 对化工尾气、烟道气等原料气进行提纯，能耗高、处理量小、产品浓度低，对于高压、大储量 的气田二氧化碳气体并不适用，因此，亟待研发一种专门针对二氧化碳气田产出气为原料 的二氧化碳分离提纯方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有二氧化碳提纯分离装置和技术中的不足，提供“一种 气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳分离提纯系统”，本发明主要采用原料气粗分离、蒸 馏、冷凝液化、吸附再生、高压提馏、储存增压提纯技术，集吸附法、低温分离法及高压提馏 技术于一体。该系统结构设计、连接、布局合理，成本低，充分利用本系统能源，节能降耗，实 现气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳规模化生产。所制备的工业液体二氧化碳产品纯度 高于99.9%，水份露点低于-65℃，无游离水和油分，符合国家、行业相关标准规定，可广泛应 用于二氧化碳焊接保护气、化工原料、油田压注驱油等领域。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：主要的技术方案是，一种气田二氧 化碳制备工业液体二氧化碳分离提纯系统，主要由井口分离单元1、再沸蒸馏单元2、冷凝液 化单元3、吸附再生单元4、高压提馏单元5及储存增压单元6组成。所述井口分离单元1的气 液出口与蒸馏再沸器21的气液入口管线连接，蒸馏再沸器21的气相出口与蒸馏塔22的中下 部气相入口、蒸馏塔22的顶部气相出口与吸附塔41的气相入口、吸附塔41的下部气相出口 与二氧化碳冷凝器51的中部气相入口、二氧化碳冷凝器51的液相出口与高压提馏塔52的液 相入口通过管线依次首尾连接，高压提馏塔52的下部液相出口经成品中间罐61与二氧化碳 储罐63管线连接。

进一步的技术方案是，所述井口分离单元1是由井口11、井口分离器12、污水处理 池13及减压阀Ⅰ组成的。所述井口11的原料出口与井口分离器12入口、井口分离器12的中下 部气液出口与减压阀Ⅰ14的入口通过管线依次首尾连接，井口分离器12下部污水出口与污 水处理池13管线连接。

进一步的技术方案是，所述再沸再沸蒸馏单元2是由蒸馏再沸器21，氨螺杆压缩机 212，蒸馏塔22，二氧化碳汽化器23，回流泵24及油水分离器25组成的。所述蒸馏再沸器21 分别与减压阀Ⅰ的气液出口、氨螺杆压缩机212输出端、蒸馏塔22的中下部气相入口、蒸馏塔 22底部液相二氧化碳出口及二氧化碳汽化器23中部的液相入口管线连接。所述二氧化碳汽 化器23还分别与油水分离器25入口、出口缓冲罐67出口及再生气换热器42入口管线连接。

进一步的技术方案是，所述冷凝液化单元3是由回流液冷凝器31、回流液中间罐32 组成的。蒸馏塔22顶端气相出口回流液与回流液冷凝器31入口连接，回流液冷凝器31的液 相出口依次与回流液中间罐32、回流泵24及蒸馏塔22上部入口首尾管线连接。

进一步的技术方案是，所述吸附再生单元4是由吸附塔41、再生气换热器42、再生 气加热器421及导热油冷却器47组成的。所述再生气换热器42气相出口与再生气加热器421 上端气相入口连接，再生气加热器421上端气相出口与吸附塔41下底端连接，吸附塔41顶部 的气相出口与导热油冷却器47下侧部连接。

进一步的技术方案是，所述高压提馏单元5包括二氧化碳冷凝器51、高压提馏塔52 及提馏塔再沸器53。所述二氧化碳冷凝器51的液相出口与高压提馏塔52中部的液相入口管 线连接，高压提馏塔52的底侧部液相出口经成品中间罐61及减压阀Ⅱ62与二氧化碳储罐63 管线连接。提馏塔再沸器53的底部入口与高压提馏塔52底部出口、提馏塔再沸器53的顶部 出口与高压提馏塔52的中下部入口、提馏塔再沸器53的中部出、入口分别与吸附塔41入口 和再生气换热器42出口管线连接。

进一步的技术方案是，所述储存增压单元6包括二氧化碳储罐63、压缩机入口换热 器64及二氧化碳压缩机66。所述二氧化碳储罐63的气相出口依次经压缩机入口换热器64、 入口缓冲罐65、二氧化碳压缩机66、出口缓冲罐67、二氧化碳汽化器23与再生气换热器42管 线连接。

进一步的技术方案是，所述吸附塔41设置为一开一备双塔结构，蒸馏塔22通过闸 阀Ⅰ和闸阀Ⅱ分别与吸附塔Ⅰ和吸附塔Ⅱ顶部入口连接，吸附塔Ⅰ和吸附塔Ⅱ的下底端经闸 阀Ⅲ和闸阀Ⅳ并联连接后与二氧化碳冷凝器51入口连接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明主要采用原料气粗分离、蒸馏、冷凝液化、吸附再生、高压提馏、储存增压提纯 技术，集吸附法、低温分离法及高压提馏技术于一体。该系统结构设计、连接、布局合理，成 本低，充分利用本系统能源，节能降耗，实现气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳规模化生 产。所制备工业液体二氧化碳纯度高于99.9%，符合国家规定标准，可广泛应用于二氧化碳 焊接保护气、化工原料、油田压注驱油等领域。

2、因本发明采用原料气粗分离、再沸蒸馏、冷凝液化、吸附再生、高压提馏、储存增 压提纯技术，充分利用各种设施分离提纯的特点及性质，集吸附法、低温分离法及高压提馏 技术于一体，确保进入二氧化碳储罐的液体二氧化碳高于99.9%，水份露点低于-65℃，无游 离水和油分，符合国家、行业相关标准规定，可广泛应用于二氧化碳焊接保护气、化工原料、 油田压注驱油等领域。

3、因吸附塔41设置为一开一备双塔结构，双塔轮流吸附、再生，既安全又高效。

4、因设置有二氧化碳压缩机，利用二氧化碳压缩机将二氧化碳储罐内的气态二氧 化碳抽回，不仅使储罐压力得到控制并进一步提高产品质量，压缩后的二氧化碳得到较高 的温升，经出口缓冲罐后进入二氧化碳汽化器的管程，与壳程的油水二氧化碳进行换热后 经再生气换热器和提馏再沸器进入吸附塔入口，实现热量的多次重复利用和储罐气相二氧 化碳的进一步分离提纯。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的蒸馏单元连接结构示意图。

图3是本发明的吸附再生单元中吸附塔设置结构示意图。

图4是本发明的吸附再生单元连接结构示意图。

图5是本发明的高压提馏单元连接结构示意图。

图中：1、井口分离单元，11、井口，12、井口分离器，13、污水处理池，14、减压阀Ⅰ，2、 再沸蒸馏单元，21、蒸馏再沸器，211、储氨罐，212、氨螺杆压缩机，22、蒸馏塔，23、二氧化碳 汽化器，231、排空管线，24、回流泵，25、油水分离器，3、冷凝液化单元，31、回流液冷凝器， 32、回流液中间罐，4、吸附再生单元，41、吸附塔，411、吸附塔Ⅰ，412、吸附塔Ⅱ，413、尾气排 空管线，42、再生气换热器，421、再生气加热器，43、闸阀Ⅰ、44、闸阀Ⅱ，45、闸阀Ⅲ，46、闸阀 Ⅳ，47、导热油冷却器，471、导热油输入管线，472、导热油输出管线，473、冷却水输入管线， 474、冷却水输出管线，5、高压提馏单元，51、二氧化碳冷凝器，511、氨输入管线，52、高压提 馏塔，53、提馏塔再沸器，6、储存增压单元，61、成品中间罐，62、减压阀Ⅱ，63、二氧化碳储 罐，64、压缩机入口换热器，65、入口缓冲罐，66、二氧化碳压缩机，67、出口缓冲罐，7、供氨总 管。

具体实施方式

下面结合附图通过非限制性实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳分离提纯系统如图1所示，主要由井口分 离单元1、再沸蒸馏单元2、冷凝液化单元3、吸附再生单元4、高压提馏单元5及储存增压单元 6组成。所述井口分离单元1的气液出口与蒸馏再沸器21的气液入口管线连接，蒸馏再沸器 21的气相出口与蒸馏塔22的中下部气相入口、蒸馏塔22的顶部气相出口与吸附塔41的气相 入口、吸附塔41的下部气相出口与二氧化碳冷凝器51的中部气相入口、二氧化碳冷凝器51 的液相出口与高压提馏塔52的液相入口通过管线依次首尾连接，高压提馏塔52的下部液相 出口经成品中间罐61与二氧化碳储罐63管线连接。

所述井口分离单元1是由井口11、井口分离器12、污水处理池13及减压阀Ⅰ14组成 的。井口11的原料二氧化碳压力为6.5MPa以上，将原料二氧化碳输入井口分离器12，井口分 离器12的中下部气液出口与减压阀Ⅰ的入口通过管线依次首尾连接，井口分离器12下部污 水出口与污水处理池13管线连接。

如图1、图2所示，所述再沸蒸馏单元2是由蒸馏再沸器21，氨螺杆压缩机212，蒸馏 塔22，二氧化碳汽化器23，回流泵24及油水分离器25组成的。所述蒸馏再沸器21分别与减 压阀Ⅰ的气液出口、氨螺杆压缩机212输出端、蒸馏塔22的中下部气相入口、蒸馏塔22底部液 相二氧化碳出口及二氧化碳汽化器23中部的水入口管线连接。所述二氧化碳汽化器23还分 别与油水分离器25入口、出口缓冲罐67出口及再生气换热器42入口管线连接。二氧化碳汽 化器23需排空物质经排空管线231排空，氨经供氨总管7输入回流液冷凝器31。

如图1所示，所述冷凝液化单元3是由回流液冷凝器31、回流液中间罐32组成的。蒸 馏塔22顶端其中一路气相出口与回流液冷凝器31入口连接，回流液冷凝器31的液相出口依 次与回流液中间罐32、回流泵24及蒸馏塔22上部入口首尾管线连接。

如图1、图3、图4所示，所述吸附再生单元4是由吸附塔41、再生气换热器42、再生气 加热器421及导热油冷却器47组成的。所述再生气换热器42气相出口与再生气加热器421上 端气相入口连接，再生气加热器421上端气相出口与吸附塔41下底端连接，吸附塔41顶部的 气相出口与导热油冷却器47下侧部连接。所述吸附塔41设置为一开一备双塔结构，蒸馏塔 22通过闸阀Ⅰ和闸阀Ⅱ分别与吸附塔Ⅰ和吸附塔Ⅱ顶部入口连接，吸附塔Ⅰ和吸附塔Ⅱ的下 底端经闸阀Ⅲ和闸阀Ⅳ并联连接后与二氧化碳冷凝器51入口连接。吸附塔41所产生的尾气 经尾气排空管线413排出。导热油经导热油输入管线471输入再生气加热器421，导热油冷却 器47中导热油经导热油输出管线472输出。导热油冷却器47中所所需冷却水分别经冷却水 输入管线473和冷却水输出管线474输入和输出。

如图1、图5所示，所述高压提馏单元5包括二氧化碳冷凝器51、高压提馏塔52及提 馏塔再沸器53。所述二氧化碳冷凝器51的液相出口与高压提馏塔52中部的液相入口管线连 接，高压提馏塔52的底侧部液相出口经成品中间罐61及减压阀Ⅱ62与二氧化碳储罐63管线 连接。提馏塔再沸器53的底部入口与高压提馏塔52底部出口、提馏塔再沸器53的顶部出口 与高压提馏塔52的中下部入口、提馏塔再沸器53的中部出、入口分别与吸附塔41入口和再 生气换热器42出口管线连接。二氧化碳冷凝器51和高压提馏塔52所需用氨经氨输入管线 511输入。

如图1所示，所述储存增压单元6包括二氧化碳储罐63、压缩机入口换热器64及二 氧化碳压缩机66。所述二氧化碳储罐63的气相出口依次经压缩机入口换热器64、入口缓冲 罐65、二氧化碳压缩机66、出口缓冲罐67、二氧化碳汽化器23与再生气换热器42管线连接。

一．各单元主要部件设置

（一）、井口分离单元

1.井口：二氧化碳气井的原料气6.5MPa，25℃；

2、井口分离器：重力旋风式离心结构，技术参数：设计压力：8.0MPa设计温度：50℃型 号：非标

3、污水处理池：容量：30m3

（二）蒸馏单元

1、蒸馏再沸器：技术参数：设计压力（管程）：2.5MPa设计温度（管程）：100℃设计压力 （壳程）：5.2MPa设计温度（壳程）：-15℃型号：非标

2、储氨罐：技术参数：设计压力：2.5MPa设计温度：50℃型号：非标

3、氨螺杆压缩机：技术参数：制冷量630kw电动机功率250kW型号：KA20CBY

4、蒸馏塔：技术参数：设计压力：5.2MPa设计温度：-10℃型号：非标

5、二氧化碳汽化器：技术参数：设计压力（管程）：5.2MPa设计温度（管程）：100℃设计 压力（壳程）：5.2MPa设计温度（壳程）：-15℃型号：非标

6、回流泵：技术参数：功率3.7kW型号：R85-316H4BM-0204T1B1-B

7、油水分离器：技术参数：设计压力：0.6MPa设计温度：100℃型号：非标

（三）、冷凝液化单元

1、回流液冷凝器：技术参数：设计压力（管程）：1.8MPa设计温度（管程）：-18℃设计压 力（壳程）：5.2MPa设计温度（壳程）：-10℃型号：非标

2、回流液中间罐：设计压力：5.0MPa设计温度：50℃型号：非标

（四）吸附再生单元

1、吸附塔：技术参数：设计压力（夹套）：0.8MPa设计温度（夹套）：350℃设计压力： 5.0MPa设计温度：50℃型号：非标

2、再生气换热器：技术参数：设计压力（管程）：5.0MPa设计温度（管程）：100℃设计压 力（壳程）：2.5MPa设计温度（壳程）：-50℃型号：非标

3、再生气加热器：技术参数：设计压力（管程）：0.6MPa设计温度（管程）：300℃设计压 力（壳程）：1.0MPa设计温度（壳程）：350℃型号：非标

4、导热油冷却器：技术参数：技术参数：设计压力（夹套）：0.4MPa设计温度（夹套）：50 ℃设计压力：1MPa设计温度：300℃型号：非标

（五）高压提馏单元

1、二氧化碳冷凝器：设计压力（管程）：2.5MPa设计温度（管程）：-10℃设计压力（壳 程）：5.0MPa设计温度（壳程）：-10℃型号：非标

2、高压提馏塔：技术参数：设计压力：5.5MPa设计温度：50℃型号：非标

3、提馏塔再沸器：技术参数：设计压力（管程）：5.0MPa设计温度（管程）：50℃设计压 力（壳程）：5.0MPa设计温度（壳程）：100℃型号：非标

（六）储存增压单元

1、成品中间罐：技术参数：设计压力：5.0MPa设计温度：50℃型号：非标

2、二氧化碳储罐：技术参数：设计压力：2.5MPa设计温度：-35℃型号：非标

3、压缩机入口换热器：技术参数：设计压力（管程）：2.5MPa设计温度（管程）：-25℃设 计压力（壳程）：2.5MPa设计温度（壳程）：50℃型号：非标

4、入口缓冲罐：技术参数：设计压力：2.5MPa设计温度：50℃型号：非标

5、二氧化碳压缩机：技术参数：电机功率250KW，Q=4.5M³/min型号：LW-4.5/20-48

6、出口缓冲罐：技术参数：设计压力：5.0MPa设计温度：150℃型号：非标

二、本系统分离提纯工作过程

来自气井井口11的二氧化碳原料气（6.5MPa，25℃，二氧化碳含量98%左右，水含量 0.57%），首先进入井口分离器12，通过重力旋风方法分离气体中含有的游离水，下部的游离 水进入污水处理池13做无害化处理；井口分离器12中部出口的二氧化碳经减压阀Ⅰ减压至 4.8MPa工作压力进入蒸馏塔再沸器21壳程，蒸馏塔再沸器21壳程的二氧化碳被管程来自氨 螺杆压缩机212出口高温的氨加热汽化而沸腾，高沸点的油、水由底部进入二氧化碳汽化器 23，再由汽化器进入油水分离器25，油水在油水分离器25内得到分离，凝析油进入凝析油 罐，水通过进入废水池做无害化处理，蒸馏塔再沸器21内的气相二氧化碳进入蒸馏塔22进 行蒸馏分离。

在蒸馏塔22内，气态二氧化碳沿填料层逐级上升，塔顶回流液从填料层上逐板下 流，如此在填料层表面不断传质和换热，气液二氧化碳不断地被液化或汽化，含有高沸点的 油水的液态二氧化碳从塔底流回蒸馏塔再沸器21，含有低碳烃及其它低沸点杂质的气态二 氧化碳从蒸馏塔22塔顶流出，其中，一部分进入回流液冷凝器31进行液化，经回流液冷凝器 31液化后的二氧化碳进入回流液中间罐32，回流液采用回流泵24从蒸馏塔塔顶回注入蒸馏 塔22，另一部分进入吸附塔41，脱水和吸附少量杂质，然后进入二氧化碳冷凝器51进行液 化。在蒸馏塔的作用下，二氧化碳状态变为4.5MPa，9℃，水含量由0.57%下降至0.2%左右。

蒸馏塔22顶部二氧化碳进入内含分子筛和活性炭作为填料的吸附塔41，脱除气体 中的异味和微量水状态变为4.3MPa，7℃，水含量进一步降低至0.006%。本发明设置一开一 备两个吸附塔，当吸附塔Ⅰ中的填料达到吸附饱和后，通过倒换闸阀Ⅰ、闸阀Ⅱ，闸阀Ⅲ，闸阀 Ⅳ阀组，将吸附塔Ⅱ倒换至正常生产状态，将吸附塔Ⅰ倒换至再生状态，在再生气加热器421 内利用导热油系统的高温导热油对来自提馏塔顶的二氧化碳尾气进行加热后逆向通过吸 附塔Ⅰ，利用高温二氧化碳对饱和后的填料进行吹扫脱附，实现吸附塔填料的再生循环利 用。

经二氧化碳冷凝器51液化后的液态二氧化碳则进入高压提馏塔52进一步分离提 纯。在高压提馏塔52内，二氧化碳再次在填料层上进行精馏分离，少量含有不凝性气体的二 氧化碳从塔顶排空，液态二氧化碳从塔底流入成品中间罐61，再经减压阀Ⅱ减压后进入二 氧化碳储罐63。

高压的液体二氧化碳闪蒸至1.95MPa，-20℃后进入二氧化碳储罐63后，造成储罐 压力上升及不凝性气体在罐内分压的增加。此时利用二氧化碳压缩机66将罐内的气相二氧 化碳抽回，可使二氧化碳储罐63压力得到控制并提高产品质量。二氧化碳储罐63内的气态 二氧化碳在进入入口缓冲罐65前先进入压缩机入口换热器64，气体二氧化碳和壳层的液氨 进行热交换，二氧化碳气体的温度升高，压缩后的二氧化碳得到较高的温升，经过出口缓冲 罐67后进入二氧化碳汽化器23的管程，与壳程的油水二氧化碳进行换热后进入吸附塔41入 口。

采用本发明一种气田二氧化碳制备工业液体二氧化碳分离提纯系统所制备的工 业液体二氧化碳经国家精细化学品质量监督检验中心泰州市产品质量监督检验所检测分 析，共检测样品4件，检测结果：

数据：二氧化碳含量（体积分数）：99.93%，

油分：检验合格，

一氧化碳、硫化氢磷化氢及有机还原物：检验合格，

气味：无异味，

水分露点：-68℃（4.635ppm）

检验结论：样品经检测，所检项目符合GB/T6052-2011标准规定的要求。

综上所述，本发明主要采用原料气粗分离、蒸馏、冷凝液化、吸附再生、高压提馏、 储存增压提纯技术，集吸附法、低温分离法及高压提馏技术于一体。该系统结构设计、连接、 布局合理，成本低，充分利用本系统能源，节能降耗，实现气田二氧化碳制备工业液体二氧 化碳规模化生产。所制备工业液体二氧化碳纯度高于99.9%，符合国家规定标准和行业标 准，可广泛应用于焊接、化工、油田驱油及工程科技等领域。