天然二氧化碳提純過程中關鍵點的精細控制

摘 要:二氧化碳作為常用的化工產品，廣泛用于焊接領域，是優質的焊接保護氣，在化工合成領域，可以用于生產無機物和有機聚合物，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蒸餾、干燥、冷凝、液化、催化等手段，成品質量的好壞決定于幾個主要控制點的控制成效。本文著重于天然二氧化碳提純工藝的主要控制點，對它們進行分析，給出合理的操作建議。

關鍵詞:二氧化碳蒸餾催化冷凝

中圖分類號:TQ655文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0062-01

1 工藝流程

食品級氣體提純主要工藝流程如下:來自氣井的二氧化碳，經閥門控制減壓至工作壓力后進入蒸餾塔底再沸器。減壓后的二氧化碳在再沸器里汽化，高沸點油水等雜質進入二氧化碳汽化器，在汽化器內換熱分離后，經組合式油水分離器將油排至儲油罐。再沸器內的氣相二氧化碳進入蒸餾塔分離。蒸餾塔回流由塔頂冷凝器內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組壓縮出來的氣氨提供，汽化器的熱源利用催化反應器出口氣體的熱量。

蒸餾后的二氧化碳進入塔外熱交換器，與催化塔出口二氧化碳進行熱交換，使二氧化碳溫度升高至預定溫度，進入脫硫塔內進行脫硫反應。脫硫后的二氧化碳與一定比例的氧氣混合后進入催化塔。氧氣來源于低溫液氧儲罐，經液氧增壓泵，液氧汽化盤管、流量控制閥、流量計到混合器內與二氧化碳氣流混合。

混合氣流進入催化塔內與催化出氣進行熱量交換，再經過電加熱將二氧化碳溫度加熱到催化反應所需要的溫度，進入催化床層進行催化反應。

出催化塔的高溫二氧化碳氣體經塔外熱交換器進行熱量交換后，再依次經過二氧化碳汽化器、塔后水冷器、高壓提餾塔底部再沸器進行熱量交換，降溫后的二氧化碳氣流進入重力水分離器和二氧化碳聚集器進行粗脫水，再進入干燥塔進行精脫水。

脫水后的二氧化碳進入二氧化碳冷凝器進行冷凝液化，液化后的二氧化碳經高壓提留，粗除去氧，氮，甲烷等不凝性氣體，再經過減壓進入低壓提餾塔，進一步除去微量雜質氣體。提餾后的液體二氧化碳由低壓提餾塔進入成品中間罐，由屏蔽泵打入球罐貯藏。

2關鍵控制點

通過對工藝流程的了解，關鍵的控制點也就很明顯，整個提純過程分為以下幾個單元: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。通過控制這幾個關鍵單元的參數，可以使整個提純過程更高效更節能，也能有效地保證產品質量。

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性的差異而將組分分離的傳質過程。而這發生的場所就是蒸餾塔，通過回流，使得氣態和液態的二氧化碳在蒸餾塔里不斷的進行氣液傳質，由于回流的存在，我們這里是一個動態循環過程，所以這里的蒸餾是連續的，也就是精餾過程。通過蒸餾，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。這里的主要參數是回流量:從理論上說，回流量越大，水分去除越多，氣體的水含量會下降，氣體品質也就提高了，但是明顯的，回流量一味增大會使得產量急劇下降，成本也就直線上升。所以找到合理的控制點，在保證品質的前提下，增加產量是最為科學的生產方式。一般情況下，回流的實現是靠冷凝后的液態二氧化碳實現的，但是食品級氣體由于后續工藝復雜，這里不同一般。它在蒸餾塔頂部內置了一個冷凝器，使用液氨來降低塔頂二氧化碳的溫度，從而使得蒸餾塔內上下形成溫度差，氣液傳質得以進行。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定的溫度差可以提高蒸餾效率，同時保證產品質量。

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硫，而催化是指在催化劑存在的條件下，使得二氧化碳氣體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。這里關鍵的點就是供氧量的控制。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，節約成本。在催化塔內，催化床層上附有催化劑，二氧化碳氣體通過床層，烴類氣體與氧氣反應，一般情況下上部溫度比下部溫度低50℃～80℃，而催化塔內由上而下的溫度分布在400℃～550℃之間，反應溫度在這個區間內時，表明反應是比較完全的，所以供氧量首先要保證反應溫度達到催化反應所需的溫度。而在溫度達到以后就要控制供氧量，提升反應的經濟性，例如在壓力變化不大的情況下，如果氣體流量減小，那么要適當減小供氧量，如果還像原來那樣供氧，很可能會由于供氧過剩而出現催化塔內溫度過高，經濟上來說是一種浪費。所以嚴格控制供氧量，不僅能使得反應高效完全，還能節省一筆購置液氧的費用。

2.3 吸附單元

吸附單元:所謂吸附，就是對二氧化碳里含有的水分進行去除，成品二氧化碳的一個重要指標就是水含量，所以原料氣里水分的去除就顯得尤為重要。吸附塔主要是通過里面的吸附劑來除水的。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，在吸附達到飽和時，及時進行倒塔操作，通過烘塔使得吸附劑再生，這樣可以有效地控制二氧化碳氣體中的水含量。通過市場調研和實驗分析，我們可以選擇合適的吸附劑，提高吸附效能，而通過計量設備，例如在線露點儀的水分分析，我們可以在吸附塔達到吸附飽和時及時進行倒塔，從而保證產品質量。

2.4 冷凝供氨單元

冷凝供氨單元:整個提純流程中涉及的冷凝過程，多數制冷劑都是液氨，供氨量的控制在整個系統操作中起著重要的作用。原料氣管匯的壓力可能時刻在變化，有高有低，但是通過供氨量的調控，可以在相對較低的壓力下保證較高的產量，這就取決于供氨的手法。供氨量大小取決于環境溫度、螺桿機的吸氣壓力、溫度，排氣壓力、溫度，冷凝器的出口溫度及蒸發式冷凝器的進口溫度，及時調整好噴淋泵和風機，使它們合理配合以達到最佳冷凝效果。對于環境溫度，夏天室外溫度較高，要加大冷凝效果，那么必然增加供氨量；冬季環境溫度低，那么供氨量也隨之降低。蒸發式冷凝器的風機和水泵的開啟位置也影響冷凝效果，相對開效果好，分散開效果好等等。供氨量的控制要靠長期實踐操作經驗的積累，需要大量實際操作的支持。合理的供氨能增強冷凝效果，同時還能較少能源消耗，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。這里的關鍵點是排空控制，相比于前面幾個單元的操作，這里顯得比較簡單，根據系統壓力，適時調整排空量即可。

3 結語

本文針對工業提純二氧化碳工藝中關鍵幾個單元的控制方法，探討了如何操作能在保證質量的同時提高產量。即追求一種“保質保量”的生產方式。一套二氧化碳提純裝置是涉及很多控制點，掌握好這些關鍵點就能夠控制整個提純過程，而掌握這些操作的基礎是需要大量的實際操作經驗，只有著眼于生產實際，積極總結和思考，才能在工業二氧化碳提純工藝上做出改善，使得提純工藝朝著越來越高效的道路發展。