CN102141317B - 一种精馏型自复叠气体液化*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精馏型自复叠气体液化***包括压缩机、冷凝器、精馏装置以及原料气液化回路；压缩机出料口与冷凝器进料口相连，冷凝器的出料口与精馏装置釜中进料口相连，精馏装置包括精馏塔以及与精馏塔精馏段顶部连通的塔顶换热器，塔顶换热器顶部的出料口与原料气液化回路相连，原料气穿过原料气液化回路得到最终液化产品。本发明利用精馏装置代替传统混合工质气体液化***的多级分离过程，并利用从精馏装置底部和顶部引出的不同成分的高压液体分别减压进入原料气液化回路中，优化匹配原料气降温液化过程中的水当量变化，来逐段冷却原料气，具有结构简单、运行可靠和***液化效率高等优点，特别适用于各种小型和微型气体液化***。

Description

一种精馏型自复叠气体液化***

技术领域

本发明涉及一种气体液化***，尤其涉及一种精馏型自复叠气体液化***。

背景技术

在大规模天然气液化工程中，混合制冷剂自复叠气体液化***已替代经典复叠式气体液化***，得到广泛的应用。但是，由于这些传统的混合制冷剂气体液化***采用了2～5级的平衡分离分凝过程，润滑油的处理状况得到了很大的改善，但循环的结构相应变得复杂化，运行过程对气源和环境温度的适应性变差，难于控制。特别是对小型和微型气体液化装置来说，设备简单是非常重要的决定因素，上述传统液化***不能适应气体液化***的小型化和微型化。

申请号为CN02110664.9的专利文献提出的精馏型混合制冷剂深度制冷装置，采用了一个精馏装置来代替多次分凝循环的多个气液分离器，可以实现多次分凝循环的油分离效果，而且具有较高的循环效率。但是上述***仅适用于一般的制冷的场合使用，且整体结构复杂，另外，上述制冷***没有考虑制冷剂与液化气之间的水当量比，运行过程中传热温差大，热损耗大。

发明内容

本发明提供了一种精馏型自复叠气体液化***，该液化***结构简单、运行可靠和***液化效率高，热损耗小，使用成本低。

一种精馏型自复叠气体液化***，包括压缩机、冷凝器、精馏装置以及原料气液化回路；所述的压缩机出料口与冷凝器进料口相连；所述的冷凝器的出料口与精馏装置釜中进料口相连；所述的精馏装置包括精馏塔以及与精馏塔精馏段顶部连通的塔顶换热器，塔顶换热器顶部的出料口与原料气液化回路相连，原料气穿过所述的原料气液化回路得到最终液化产品，所述的原料气液化回路包括由第一换热器、第二换热器组成的第一换热器组、由第三换热器组成的第二换热器组以及设于第一换热器组和第二换热器组之间的第一节流阀；

所述的第一换热器和第二换热器内均设有一个制冷剂管道和原料气液化管道，外壁上均设有若干与内腔连通的进料或出料端口；所述的第三换热器内设有一个原料气液化管道，外壁上设有若干与内腔连通的进料或出料端口；所述的塔顶换热器内设有冷却管道；

所述的塔顶换热器顶部的出料口与第一换热器的制冷剂管道的进口端相连；所述的第一换热器的制冷剂管道的出口端与第二换热器的制冷剂管道进口端相连；所述的第一节流元件的进料口与第二换热器的制冷剂管道出口端相连，出料口与第三换热器顶部的进料端口连通；所述的第三换热器底部的出料端口与第二换热器底部的进料端口连通，以实现对制冷剂管道内制冷剂以及原料气的预冷却；所述的第二换热器顶部的出料端口与塔顶换热器内冷却管道进口端连通；所述的塔顶换热器的冷却管道出口端与压缩机吸气口连通，实现制冷剂的循环制冷；

所述的塔顶换热器底部的第二出料口通过三条支路管道分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器的外壁的进料端口连通，所述的支路上分别设有一个节流元件；

所述的精馏塔塔底出液口通过三条支路管道分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器外壁的进料端口连通，所述的支路上分别设有一个节流元件；

所述的第一换热器顶部的出料端口与压缩机吸气口连通，实现第一换热器腔体内的制冷剂循环制冷。

本发明采用将需要液化的原料气体依次进入原料气液化回路的三个换热器中，利用从精馏装置底部和顶部引出的不同成分的高压液体，按照原料气组分特点，分别节流后通入原料气液化回路的三个换热器中，以优化匹配原料气降温液化过程中的水当量变化，来逐段冷却原料气，减小三个不同温度段换热器内混合制冷剂与混合制冷剂及液化气之间的传热温差，从而减小气体液化***的单位液化功。

所述的第一换热器组或第二换热器组可根据实际需要增加或减少其中换热器的数量。

为进一步加强原料气的彻底冷却，优选的技术方案中，所述的第三换热器内原料气液化管道的出口端位于第三换热器的顶部，进口端位于第三换热器的底部，此时第三换热器内原料气与经第一节流元件节流冷却后的制冷剂逆向接触换热，提高了热交换效率。

为保证整个液化***的稳定性，同时实现能源的综合利用，优选的技术方案中，可在所述的精馏塔塔底的出液管道上设置一个或多个干燥过滤器，以实现对釜底液的干燥和过滤；同时也可设置一个或多个釜底换热器，便于对釜底液的预冷处理；当选择的干燥过滤器和换热器的个数均为一个时，所述的精馏塔塔底出液口首先依次与干燥过滤器和釜底换热器相连，然后再与所述的三条支路管道相连；所述的干燥过滤器进料口与精馏塔塔底出液口连通，出料口与釜底换热器内其中一个管道的进口端相连，该管道的出口端与所述的三条支路管道相连；所述的塔顶换热器冷却管道出口端与釜底换热器内另一管道的进口端连通，该管道的出口端与压缩机吸气口连通，用于对塔底的高沸点制冷剂进行预冷却，以实现能量的综合利用；所述的釜底换热器内的两个管道的进口端分别设于釜底换热器的两侧，便于实现逆流换热；釜底换热器的设置，可以利用塔顶换热器冷却管道内排出的冷却剂对釜底液进行预冷。

所述的冷凝器、釜底换热器、第一换热器、第二换热器或第三换热器可选用常规的沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器。根据实际需要连接的管路，选择适合型号和构造的换热器。

所述的液化***内的制冷剂可选用二元或二元以上的非共沸混合制冷剂。组成非共沸混合制冷剂的常见组分主要有：氮气、惰性气体、碳烃类、烃的卤化物、二氧化碳等。所述的节流元件可选用市场上常见的手动节流阀、自动节流阀或毛细管；节流元件。所述的精馏塔可选用常规的填料塔或板式塔。

本发明与现有技术相比，可以实现以下的有益效果：

(1)液化***的结构大为简化，运行可靠好。利用精馏装置代替传统混合制冷剂气体液化***的2～5级分离过程，使得液化***的结构大为简化，同时可以将进入到低压部分的制冷剂中的润滑油有效地去除，保证液化***的可靠运行。

(2)可提高液化***的热力学效率。根据不同种类原料气液化过程中的水当量分布特点和流量的不同，可通过调节从精馏装置底部和顶部引出的两股不同成分的高压液体混合制冷剂的流量，以及它们在气体液化***三个换热器的混合位置，优化换热器内混合制冷剂与混合制冷剂及液化气之间的水当量配比，可减小三个不同温度段换热器的传热温差，从而减小气体液化***的单位液化功。

附图说明

图1为本发明的精馏型自复叠气体液化***的第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明的精馏型自复叠气体液化***的第二种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如附图1所示，一种精馏型自复叠气体液化***，包括压缩机1、冷凝器2、精馏装置3、第一换热器6、第二换热器7、第三换热器8、第一节流元件9、第二节流元件10、第三节流元件11、第四节流元件12、第五节流元件13、第六节流元件14、第七节流元件15。精馏装置3包括精馏塔以及与精馏塔精馏段顶部连通的塔顶换热器。第一换热器6和第二换热器7内均设有一个制冷剂管道和原料气液化管道，外壁上均设有若干与内腔连通的进料或出料端口。第三换热器8内设有一个原料气液化管道，外壁上设有若干与内腔连通的进料端口或出料端口；塔顶换热器内设有冷却管道。

压缩机1的出料口1b与冷凝器2的进料口2a相连，冷凝器2的出料口2b与精馏装置3的精馏塔的塔中进料口3a相连，精馏装置3的精馏塔塔底出液口3b分别与第五节流元件13的进料口13a、第六节流元件14的进料口14a、第七节流元件15的进料口15a相连。

精馏装置3的塔顶换热器顶部的出料口3e与第一换热器6的制冷剂管道的进口端6a相连；精馏装置3的塔顶换热器底部的第二出料口3f分别与第二节流元件10的进料口10a、第三节流元件11的进料口11a和第四节流元件12的进料口12a相连。

第一换热器6的制冷剂管道的出口端6b与第二换热器7的制冷剂管道的进口端7a相连，第一换热器6的原料气液化管道进口端6c为处理后原料气的入口，第一换热器6的原料气液化管道出口端6d与第二换热器7的原料气液化管道进口端7e相连；第一换热器6的下部设有两个进料端口6f和6g，其中一个进料端口6f与第二节流元件10的出料口10b相连，第一换热器6底部的另一个进料端口6g与第五节流元件13的出料口13b相连；第一换热器6顶部设有一个出料端口6e，出料端口6e与压缩机1的吸气口1a相连；第一换热器6内的制冷剂管道和原料气液化管道的出口端6b、6d均位于第一换热器6的一侧，进口端6a、6c位于第一换热器6的另一侧。

第二换热器7的制冷剂管道的出口端7b与第一节流元件9的进料口9a相连，第一节流元件9的出料口9b与第三换热器8上部的进料端口8c相连；第二换热器7的原料气液化管道的出口端7f与第三换热器8的原料气管道的进口端8a相连；第二换热器7一侧设有设有四个端口7d、7g、7h和7c；其中，出料端口7d与塔顶换热器内冷却管道的进口端3c相连，塔顶换热器内冷却管道的出口端3d与压缩机1的吸气口1a相连；进料端口7g与第六节流元件14的出料口14b相连；进料端口7h与第三节流元件11的出料口11b相连；进料端口7c与第三换热器8底部的出料端口8d相连。第二换热器7内的制冷剂管道和原料气液化管道的出口端7b、7f均位于第二换热器7的下部，进口端7a、7e位于第二换热器7的上部。

第三换热器8的原料气液化气管道进口端8a位于第三换热器8的底部，以便于换热器内部的逆向传热；第三换热器8一侧设有两个进料端口8e和8f，其中进料端口8e与第四节流元件12的出料口相连，进料端口8f与第七节流元件15的出料口相连。第三换热器8的原料气管道的进口端8a位于换热器的下部，原料气管道的出口端位于换热器的上部，作为最后液化产品的出口。

上述实施方式中的冷凝器2、塔顶换热器、第一换热器6、第二换热器7、第三换热器8可选用常见的沉浸式换热器、喷淋式换热器、列管式换热器、套管式换热器或板式换热器。

上述实施方式中的第一节流元件9、第二节流元件10、第三节流元件11、第四节流元件12、第五节流元件13、第六节流元件14或第七节流元件15可选用常规的手动节流阀、自动节流阀或毛细管，以起到节流冷却的作用。

上述实施方式中精馏装置与普通制冷装置中的精馏装置类似，其精馏塔可选用常规的板式精馏塔或者填料式精馏塔。

上述所说的各个部件之间的连接采用制冷剂管路连接，低温管路外包裹保温防水材料。

液化***所用的制冷剂为二元或二元以上的非共沸混合制冷剂。组成非共沸混合制冷剂的常见组分主要有：氮气、惰性气体、碳烃类、烃的卤化物、二氧化碳等。

为便于理解，我们可将上述精馏型自复叠气体液化***分为制冷剂回路和液化气回路，以下是详细的工作流程：

制冷剂回路中，混合制冷剂经压缩机1加压后，通过冷凝器2被冷却为气液两相的高压流体，而后流进精馏装置3的釜中。其中，气态混合制冷剂自下而上通过精馏装置3的精馏段，与精馏装置3顶部向下流的回流液进行热、质交换；高沸点组分和润滑油以及少量低沸点组分被冷凝下来成为回流液的一部分；大部分低沸点组分为主的气态混合制冷剂通过精馏装置3顶部换热器，从顶部换热器的顶部的出料口3e流出。依次通过第一换热器6和第二换热器7，而后进入第一节流元件9节流降温，随后进入第三换热器8冷却液化气，然后依次返流通过第二换热器7和精馏装置3顶部换热器复热，返回压缩机1的吸气口。

以中间沸点组分为主的液态混合制冷剂从塔顶换热器底部的第二出料口3f直接进入第二节流元件10或第三节流元件11或第四节流元件12。通过调节第二节流元件10、第三节流元件11和第四节流元件12的开度，可以实现将中间沸点组分为主的混合制冷剂以任何适宜的比例进入第一换热器6、第二换热器7和第三换热器8，以满足这三个换热器的水当量匹配要求。

以高沸点组分为主的液态混合制冷剂从精馏塔塔底出液口3b分别流入第五节流元件13或第六节流元件14或第七节流元件15。通过调节第五节流元件13或第六节流元件14或第七节流元件15的开度，可以实现将高沸点组分为主的混合制冷剂以任何适宜的比例进入第一换热器6、第二换热器7和第三换热器8，以满足这三个换热器的水当量匹配要求。

液化气回路中，经净化处理后的原料气从第一换热器6的原料气液化管道进口端6c进入液化***，依次通过第一换热器6、第二换热器7和第三换热器8被冷却液化，液化产品最后从第三换热器8的原料气液化管道出口端8b被送往液化气体储存***保存。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于在精馏塔底部与第五节流元件13或第六节流元件14或第七节流元件15之间设有干燥过滤器4和釜底换热器5。其中，精馏装置3的精馏塔塔底出液口3b先与干燥过滤器4的进料口4a相连，干燥过滤器4的出料口4b与釜底换热器5内其中一个管道的进口端5a相连，该管道的出口端5b分别与所述的第五节流元件13或第六节流元件14或第七节流元件15的进料口相连；釜底换热器5内另一管道的进口端5c相连，该管道的出口端5d与压缩机1吸气口1a连通；釜底换热器5内的两个管道的进口端5a、5c分别设于釜底换热器5的两侧，保证两个管道内物料逆向流动，提高冷却效率。

根据不同场合的需要，第一换热器组或者第二换热器组中换热器的个数可进行调整，以满足实际冷却条件的需要。

Claims (7)

1.一种精馏型自复叠气体液化***，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、精馏装置(3)以及原料气液化回路；所述的压缩机(1)出料口与冷凝器(2)进料口相连；所述的冷凝器(2)的出料口与精馏装置(3)釜中进料口相连；所述的精馏装置(3)包括精馏塔以及与精馏塔精馏段顶部连通的塔顶换热器，塔顶换热器顶部的出料口与原料气液化回路相连，原料气穿过所述的原料气液化回路得到最终液化产品，其特征在于，所述的原料气液化回路包括由第一换热器(6)、第二换热器(7)组成的第一换热器组、由第三换热器(8)组成的第二换热器组以及设于第一换热器组和第二换热器组之间的第一节流元件(9)；

所述的第一换热器(6)和第二换热器(7)内均设有一个制冷剂管道和原料气液化管道，外壁上均设有若干与内腔连通的进料或出料端口；所述的第三换热器(8)内设有一个原料气液化管道，外壁上设有若干与内腔连通的进料或出料端口；所述的塔顶换热器内设有冷却管道；

所述的塔顶换热器顶部的出料口与第一换热器(6)的制冷剂管道的进口端相连；所述的第一换热器(6)的制冷剂管道的出口端与第二换热器(7)的制冷剂管道的进口端相连；所述的第一节流元件(9)的进料口与第二换热器(7)的制冷剂管道的出口端相连，出料口与第三换热器(8)顶部的进料端口连通；所述的第三换热器(8)底部的出料端口与第二换热器(7)底部的进料端口连通；所述的第二换热器(7)顶部的出料端口与塔顶换热器内冷却管道的进口端连通；所述的塔顶换热器的冷却管道的出口端与压缩机(1)的吸气口连通；

所述的塔顶换热器底部的第二出料口通过三条支路管道分别与第一换热器(6)、第二换热器(7)和第三换热器(8)外壁上的进料端口连通，所述的支路上分别设有一个节流元件；

所述的精馏塔塔底出液口通过三条支路管道分别与第一换热器(6)、第二换热器(7)和第三换热器(8)外壁上的进料端口连通，所述的支路上分别设有一个节流元件；

所述的第一换热器(6)顶部的出料端口与压缩机(1)吸气口连通。

2.根据权利要求1所述的精馏型自复叠气体液化***，其特征在于，所述的第三换热器(8)内原料气液化管道的出口端位于第三换热器(8)的顶部，进口端位于第三换热器(8)的底部。

3.根据权利要求1所述的精馏型自复叠气体液化***，其特征在于，所述的精馏塔塔底出液口首先依次与干燥过滤器(4)和釜底换热器(5)相连，然后再与所述的三条支路管道相连；所述的干燥过滤器(4)的进料口与精馏塔塔底出液口连通，出料口与釜底换热器(5)内其中一个管道的进口端相连，该管道的出口端与所述的三条支路管道相连；所述的塔顶换热器冷却管道出口端与釜底换热器(5)内另一管道的进口端连通，该管道的出口端与压缩机(1)吸气口连通；所述的釜底换热器(5)内的两个管道的进口端分别设于釜底换热器(5)的两侧。

4.根据权利要求3所述的精馏型自复叠气体液化***，其特征在于，所述的冷凝器(2)、釜底换热器(5)、第一换热器(6)、第二换热器(7)或第三换热器(8)为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器。

5.根据权利要求1所述的精馏型自复叠气体液化***，其特征在于，所述的液化***内的制冷剂为二元或二元以上的非共沸混合制冷剂。

6.根据权利要求1所述的精馏型自复叠气体液化***，其特征在于所述的节流元件为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

7.根据权利要求1所述的精馏型自复叠气体液化***，其特征在于所述的精馏塔为填料精馏塔或板式精馏塔。

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