CN111043785B - 一种带预冷的精馏型自复叠制冷*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷技术领域，公开了一种带预冷的精馏型自复叠制冷***，包括精馏型自复叠制冷回路和预冷回路；预冷回路通过与精馏型自复叠制冷回路中的塔顶过冷器、塔顶换热器和釜底过冷器与精馏型自复叠制冷回路耦合呈一体，为精馏过程提供冷量，能够保证精馏装置塔顶温度稳定并处于目标温度，保证了精馏过程的分离效果和除油效果，增强了***应对恶劣工况的能力，并同时为塔顶与釜底两部分工质提供过冷度，降低了压缩机的吸气温度，改善了压缩机的运行工况，保证了***运行可靠稳定，还提高了***的制冷性能系数，降低了运行成本。

Description

一种带预冷的精馏型自复叠制冷***

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体涉及一种带预冷的精馏型自复叠制冷***。

背景技术

随着社会的不断发展，实际应用对制冷技术提出越来越高的要求。为满足较低制冷温度的需求，各种结构、各种形式的制冷***不断被提出，用于深低温制冷、气体液化等领域。

在深低温制冷领域，混合工质自复叠制冷得到广泛应用。专利CN102494467A公开了一种带二级分凝分离回热式混合工质节流制冷的冷冻贮存箱，其采用的制冷***中使用了两个气液分离器来实现混合工质高、低沸点组分分离。但随着制冷温度的下降，此类制冷***需要更多的气液分离器来分离高、低沸点的组分，使***结构变得复杂，导致***环境适应性和运行稳定性变差。

专利CN 1152218C公开了一种深度制冷装置，其主要发明点是通过精馏装置的精馏过程来实现混合工质高、低沸点组分的高效分离，即使用精馏装置代替多级气液分离器，简化了***，改善了***的运行稳定性。

专利CN 101776358A公开了一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其采用的制冷***中的精馏装置是前述专利的改进与简化，即精馏装置中精馏过程所需冷量仅由塔顶换热器提供。

上述两个专利均存在一些问题，即当环境温度升高时，会使冷凝条件恶化，导致进入精馏装置的工质温度升高，进而导致塔顶温度升高。若塔顶温度过高，则会导致精馏效果变差，不能有效分离混合工质高、低沸点组分，也不能有效分离混合工质夹带的润滑油，而润滑油若进入制冷***低温部分，容易凝固，造成堵塞。同时，当环境温度较高时，进入精馏装置的混合工质温度升高，反流的工质无法为精馏装置塔顶换热器提供足够的冷量，会导致压缩机吸气口工质的过热度增大，进而导致压缩机排气温度上升，使压缩机运行工况恶化。

为增大***的制冷量，现有技术中常用的方法是使用深井水过冷或采用部分复叠式制冷***，其目的是增大工质的过冷度，获取更低的过冷器出口温度，提升***制冷性能系数。

专利CN 110057124 A提出了一种部分复叠式商超用CO₂跨临界双级压缩制冷***，该发明通过增加一个单级压缩循环来过冷CO₂的跨临界双级压缩制冷***，增大制冷量，提高***性能，从而提高能源的利用效率。

专利CN 110057124 A的部分复叠式制冷***与常规的过冷或其他部分复叠式制冷***考虑的对象均是冷凝器出口的工质，目的是通过增大过冷度来提高***制冷量和制冷性能系数。但对于精馏型自复叠制冷***，若采用上述做法，会降低进入精馏装置的混合工质的干度，导致主流率降低，进而导致制冷量不足，带来***性能下降等一系列问题。

因此如何在保证***运行稳定性的情况下，解决精馏型自复叠制冷***受外界环境影响大的问题，同时不对该***本身的制冷性能产生不利影响，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中精馏型自复叠制冷***受外界环境影响较大，运行不稳定的问题，同时避免对其本身的制冷性能产生不利影响，提供了一种带预冷的精馏型自复叠制冷***，该***能为精馏装置塔顶换热器提供足够且稳定的冷量，从而达到稳定塔顶温度并处于目标值的效果，同时整个***运行稳定，***的制冷性能系数还有所提高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种带预冷的精馏型自复叠制冷***，包括精馏型自复叠制冷回路和预冷回路，所述的精馏型自复叠制冷回路包括精馏装置、塔顶过冷器和釜底过冷器；所述的精馏装置包括塔釜、塔身以及与塔身顶部连通的塔顶换热器；

所述的预冷回路包括第一压缩机、第一冷凝器和第一节流元件；

所述的第一压缩机出口与第一冷凝器进口相连；所述的第一冷凝器出口与第一节流元件进口相连；预冷回路通过塔顶过冷器、塔顶换热器和釜底过冷器与精馏型自复叠制冷回路耦合呈一体。

所述的塔顶过冷器、塔顶换热器、釜底过冷器内均设有第一工质管道；第一工质为预冷回路中使用的工质。

所述的第一节流元件出口与塔顶过冷器第一工质管道进口相连；所述的塔顶过冷器第一工质管道出口与塔顶换热器第一工质管道进口相连；所述的塔顶换热器第一工质管道出口与釜底过冷器第一工质管道进口相连；所述的釜底过冷器第一工质管道出口与第一压缩机吸气口相连。

所述的精馏型自复叠制冷回路还包括：第二压缩机、第二冷凝器、第二节流元件、高温回热器、低温回热器、第三节流元件和蒸发器；

所述的第二压缩机出口与第二冷凝器进口相连；所述的第二冷凝器出口与精馏装置进口相连；

所述的塔顶过冷器、釜底过冷器、高温回热器、低温回热器内均设有第二工质正流管道；所述塔顶换热器、高温回热器、低温回热器内均设有第二工质反流管道；第二工质为精馏型自复叠制冷回路使用的工质。

所述的精馏装置塔顶出口与塔顶过冷器第二工质正流管道进口相连；所述的塔顶过冷器第二工质正流管道出口与高温回热器第二工质正流管道进口相连；所述的高温回热器第二工质正流管道出口与低温回热器第二工质正流管道进口相连；所述的低温回热器第二工质正流管道出口与第三节流元件进口相连；所述的第三节流元件出口与蒸发器进口相连；

所述的蒸发器出口与低温回热器第二工质反流管道进口相连；所述的低温回热器的第二工质反流管道出口与高温回热器第二工质反流管道进口相连；所述的高温回热器第二工质反流管道出口与塔顶换热器第二工质反流管道进口相连；所述的塔顶换热器第二工质反流管道出口与第二压缩机吸气口相连；

所述的精馏装置釜底出口与釜底过冷器第二工质正流管道进口相连；所述的釜底过冷器第二工质正流管道出口与第二节流元件进口相连；所述的第二节流元件出口与低温回热器第二工质反流管道出口汇流至高温回热器第二工质反流管道进口。

本发明的装置工作原理为：

在预冷回路中，第一工质依次通过第一压缩机、第一冷凝器和第一节流元件实现冷却，然后经过塔顶过冷器，为塔顶过冷器提供冷量，降低了第二工质在高温回热器正流管道入口的温度，进而降低了第二工质在高温回热器反流管道出口的温度，最终降低第二压缩机的吸气温度，改善了压缩机的运行工况；随后经过塔顶换热器，为塔顶换热器提供主要冷量，确保精馏装置塔顶温度稳定，并可通过调节预冷回路中的制冷剂流量使精馏装置塔顶温度处于目标值；接着经过釜底过冷器，为釜底过冷器提供冷量，降低了第二工质在第二节流元件出口的干度，即减小了与低温回热器反流管道出口的工质混合时的损失，降低了混合后的工质干度；最后第一工质回到第一压缩机继续循环。

在精馏型自复叠制冷回路中，第二工质通过第二压缩机和第二冷凝器实现冷却，在精馏装置中实现高、低沸点组分的分离；

以低沸点组分为主的工质通过精馏装置塔顶出口依次经过塔顶过冷器、高温回热器、低温回热器、第三节流元件降温冷却，在蒸发器内实现为需冷环境供冷的作用；以低沸点组分为主的工质继续回流至低温回热器；

以高沸点组分为主的工质通过精馏装置釜底出口依次经过釜底过冷器和第二节流元件后，与低温回热器中回流的以低沸点组分为主的工质汇流，一同回流至高温回热器进行回热，并随后为塔顶换热器提供次要冷量，最终回到第二压缩机内继续循环。

所述的第一工质为纯工质或二元及以上的非共沸混合工质。

所述的第二工质为二元及以上的非共沸混合工质。

所述的各节流元件为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

所述的预冷回路的制冷温度范围为-40～-10℃，此区间的制冷温度可满足所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***在不同蒸发温度下对塔顶温度和过冷温度的要求。

本发明的制冷***还设有气液分离器、储气罐、油分离器、视液镜、温度传感器和压力传感器等配件。

所用的换热器为套管式换热器、板式换热器或壳管式换热器。

所述的塔顶过冷器和釜底过冷器可组合成三通道换热器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中精馏装置需要的冷量由预冷回路和精馏型自复叠制冷回路共同提供，且主要由预冷回路提供，能够保证精馏装置塔顶温度稳定并处于目标温度，保证了精馏过程的分离效果和除油效果，增强***应对恶劣工况的能力。

(2)与常规过冷或部分复叠式制冷***的不同点在于，本发明所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***使用预冷循环为塔顶换热器提供主要冷量，既稳定了塔顶温度，提高了精馏效果，还不会降低进入精馏装置的混合工质干度，影响参与精馏过程的工质的量，保证了主流率，同时还可以为塔顶与釜底两部分工质提供过冷度，降低压缩机吸气温度，改善压缩机运行工况。

(3)本发明的制冷***提高了对恶劣外部环境的耐受力，保证了***运行可靠稳定，又能发挥精馏过程的优点，改善压缩机的运行工况，还能提高***的制冷性能系数，降低运行成本。

附图说明

图1为实施例1的带预冷的精馏型自复叠制冷***循环示意图。

图2为现有技术中一般的精馏型自复叠制冷***循环示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。

实施例1

如图1所示，一种带预冷的精馏型自复叠制冷***，包括第一压缩机12、第一冷凝器13、第一节流元件14、第二压缩机1、第二冷凝器2、精馏装置3、塔顶过冷器5、釜底过冷器6、第二节流元件7、高温回热器8、低温回热器9、第三节流元件10和蒸发器11；精馏装置3包括塔釜、塔身以及与塔身顶部连通的塔顶换热器4。所有部件形成两个回路，分别是预冷回路和精馏型自复叠制冷回路，以塔顶换热器4、塔顶过冷器5和釜底过冷器6耦合呈一体。

塔顶换热器4、塔顶过冷器5、釜底过冷器6内均设有第一工质管道；塔顶过冷器5、釜底过冷器6、高温回热器8、低温回热器9内均设有第二工质正流管道；塔顶换热器4、高温回热器8、低温回热器9内均设有第二工质反流管道。

预冷回路包含的部件连接方式为：第一压缩机12出口12b与第一冷凝器13进口13a相连；第一冷凝器13出口13b与第一节流元件14进口14a相连；第一节流元件14出口14b与塔顶过冷器5第一工质管道进口5c相连；塔顶过冷器5第一工质管道出口5d与塔顶换热器4第一工质管道进口4c相连；塔顶换热器4第一工质管道出口4d与釜底过冷器6第一工质管道进口6c相连；釜底过冷器6第一工质管道出口6d与第一压缩机12吸气口12a相连，形成循环回路。

精馏型自复叠制冷回路包含的部件连接方式为：

第二压缩机1出口1b与第二冷凝器2进口2a相连；第二冷凝器2出口2b与精馏装置3进口3a相连；精馏装置3塔顶出口3b与塔顶过冷器5第二工质正流管道进口5a相连；塔顶过冷器5第二工质正流管道出口5b与高温回热器8第二工质正流管道进口8a相连；高温回热器8第二工质正流管道出口8b与低温回热器9第二工质正流管道进口9a相连；低温回热器9第二工质正流管道出口9b与第三节流元件10进口10a相连；第三节流元件10出口10b与蒸发器11进口11a相连；蒸发器11出口11b与低温回热器9第二工质反流管道进口9c相连；低温回热器9的第二工质反流管道出口9d与高温回热器8第二工质反流管道进口8c相连；高温回热器8第二工质反流管道出口8d与塔顶换热器4第二工质反流管道进口4a相连；塔顶换热器4第二工质反流管道出口4b与第二压缩机1吸气口1a相连；

精馏装置3釜底液相出口3c与釜底过冷器6第二工质正流管道进口6a相连；釜底过冷器6第二工质正流管道出口6b与第二节流元件7进口7a相连；第二节流元件7出口7b与低温回热器9第二工质反流管道出口9d汇流至高温回热器8第二工质反流管道进口8c。

为便于理解，上述制冷***分为精馏型自复叠制冷回路和预冷回路，以下是详细的工作流程：

在精馏型自复叠制冷回路中，第二工质为二元及以上的非共沸混合工质，依次经过第二压缩机1、第二冷凝器2降温冷却，在精馏装置3中实现高、低沸点组分的分离；第二工质中以低沸点组分为主的工质从精馏装置3塔顶出口3b引出，依次通过塔顶过冷器5、高温回热器8、低温回热器9、第三节流元件10降温，然后进入蒸发器11提供冷量，再依次返流经过低温回热器9、高温回热器8、塔顶换热器4，分别在蒸发器中为需冷环境提供相应温度位的冷量和在塔顶换热器中为精馏过程提供次要冷量，最终返回第二压缩机1的吸气口。

以高沸点组分为主的液态工质从精馏装置3的釜底3c流出，依次通过釜底过冷器6和第二节流元件7，与以低沸点组分为主的反流工质在低温回热器9的第二工质反流出口混合，降低反流工质的干度，为高温回热器提供冷量。

在预冷回路中，第一工质为纯工质或二元及以上的非共沸混合工质，依次通过第一压缩机12、第一冷凝器13和第一节流元件14实现冷却，然后经过塔顶过冷器5，为塔顶过冷器5提供冷量，降低了第二工质在高温回热器8正流管道入口的温度，进而降低了第二工质在高温回热器8反流管道出口的温度，最终降低了第二压缩机1的吸气温度，改善了压缩机的运行工况；随后经过塔顶换热器4，为塔顶换热器4提供主要冷量，确保精馏装置塔顶温度稳定，并可通过调节预冷回路中的制冷剂流量使精馏装置塔顶温度处于目标值；接着经过釜底过冷器6，为釜底过冷器6提供冷量，降低了第二工质在第二节流元件7出口的干度，即减小了与低温回热器9反流管道出口的工质混合时的损失，降低了混合后工质的干度；最后第一工质回到第一压缩机12继续循环。

本发明的装置中所使用的各节流元件为手动节流阀、自动节流阀或毛细管，起到节流降温的作用；所使用的换热器为套管式换热器、板式换热器或壳管式换热器；各部件之间连接采用管路连接，低温管路外要包裹防水保温材料。

为了进一步说明本发明的特点与优势，现将本发明所述制冷***与现有技术中精馏型自复叠制冷***在相同压力位下最优浓度的运行参数进行对比。

如图2所示，为现有技术的精馏型自复叠制冷***，包括压缩机1、冷凝器2、精馏装置3、第二节流元件7、高温回热器8、低温回热器9、第三节流元件10和蒸发器11；精馏装置3包括塔釜、塔身以及与塔身顶部连通的塔顶换热器4。

连接方式为：

压缩机1出口1b与冷凝器2进口2a相连；冷凝器2出口2b与精馏装置3进口3a相连；精馏装置3塔顶出口3b与高温回热器8正流管道进口8a相连；高温回热器8正流管道出口8b与低温回热器9正流管道进口9a相连；低温回热器9正流管道出口9b与第三节流元件10进口10a相连；第三节流元件10出口10b与蒸发器11进口11a相连；蒸发器11出口11b与低温回热器9反流管道进口9c相连；低温回热器9反流管道出口9d与高温回热器8反流管道进口8c相连；高温回热器8反流管道出口8d与塔顶换热器4反流管道进口4a相连；塔顶换热器4反流管道出口4b与压缩机1吸气口1a相连；

精馏装置3釜底液相出口3c与第二节流元件7进口7a相连；第二节流元件7出口7b与低温回热器9反流管道出口9d汇流至高温回热器8反流管道进口8c。

实施例1中本发明所述制冷***精馏型自复叠制冷回路采用五元混合工质，分别为氮气、甲烷、乙烯、丙烷、正丁烷；预冷回路采用纯工质，为丙烷。图2所示一般的精馏型自复叠制冷***采用五元混合工质，分别为氮气、甲烷、乙烯、丙烷、正丁烷。对比结果如表1所示。

由表1可知，在相同的制冷温度下，当环境温度较高时，本发明的制冷***可以有效维持塔顶温度处于目标值，不会随环境温度上升而上升，保证了精馏过程中高、低沸点组分的分离效果和除油效果，同时可以有效降低压缩机的吸、排气温度，改善压缩机的运行工况。此外，本发明的制冷***的制冷性能系数较现有的一般精馏型自复叠制冷***有10％以上的提升。

综上所述，本发明的带预冷的精馏型自复叠制冷***在应对恶劣外部环境、保证***运行可靠稳定等方面有独特优势，既可以发挥精馏过程的优点，又可以改善压缩机的运行工况，还可以提高***的制冷性能系数，降低运行成本。

表1本发明的制冷***与一般的精馏型自复叠制冷***性能对比

Claims (7)

1.一种带预冷的精馏型自复叠制冷***，包括精馏型自复叠制冷回路；所述的精馏型自复叠制冷回路包括精馏装置(3)、塔顶过冷器(5)和釜底过冷器(6)；所述的精馏装置(3)包括塔釜、塔身以及与塔身顶部连通的塔顶换热器(4)；

其特征在于，所述的制冷***还包括预冷回路；所述的预冷回路包括第一压缩机(12)、第一冷凝器(13)和第一节流元件(14)；

所述的第一压缩机(12)出口与第一冷凝器(13)进口相连；所述的第一冷凝器(13)出口与第一节流元件(14)进口相连；

所述的塔顶换热器(4)、塔顶过冷器(5)、釜底过冷器(6)内均设有第一工质管道；

所述的第一节流元件(14)出口与塔顶过冷器(5)第一工质管道进口相连；所述的塔顶过冷器(5)第一工质管道出口与塔顶换热器(4)第一工质管道进口相连；所述的塔顶换热器(4)第一工质管道出口与釜底过冷器(6)第一工质管道进口相连；所述的釜底过冷器(6)第一工质管道出口与第一压缩机(12)吸气口相连；

所述的精馏型自复叠制冷回路还包括：第二压缩机(1)、第二冷凝器(2)、第二节流元件(7)、高温回热器(8)、低温回热器(9)、第三节流元件(10)和蒸发器(11)；

所述的塔顶过冷器(5)、釜底过冷器(6)、高温回热器(8)、低温回热器(9)内均设有第二工质正流管道；所述塔顶换热器(4)、高温回热器(8)、低温回热器(9)内均设有第二工质反流管道；

所述的第二压缩机(1)出口与第二冷凝器(2)进口相连；所述的第二冷凝器(2)出口与精馏装置(3)进口相连；

所述的精馏装置(3)塔顶出口与塔顶过冷器(5)第二工质正流管道进口相连；所述的塔顶过冷器(5)第二工质正流管道出口与高温回热器(8)第二工质正流管道进口相连；所述的高温回热器(8)第二工质正流管道出口与低温回热器(9)第二工质正流管道进口相连；所述的低温回热器(9)第二工质正流管道出口与第三节流元件(10)进口相连；所述的第三节流元件(10)出口与蒸发器(11)进口相连；

所述的蒸发器(11)出口与低温回热器(9)第二工质反流管道进口相连；所述的低温回热器(9)的第二工质反流管道出口与高温回热器(8)第二工质反流管道进口相连；所述的高温回热器(8)第二工质反流管道出口与塔顶换热器(4)第二工质反流管道进口相连；所述的塔顶换热器(4)第二工质反流管道出口与第二压缩机(1)吸气口相连；

所述的精馏装置(3)釜底出口与釜底过冷器(6)第二工质正流管道进口相连；所述的釜底过冷器(6)第二工质正流管道出口与第二节流元件(7)进口相连；所述的第二节流元件(7)出口与低温回热器(9)第二工质反流管道出口汇流至高温回热器(8)第二工质反流管道进口。

2.根据权利要求1所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***，其特征在于，所述的第一工质为纯工质或二元及以上的非共沸混合工质。

3.根据权利要求1所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***，其特征在于，所述的第二工质为二元及以上的非共沸混合工质。

4.根据权利要求1所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***，其特征在于，所述的第一节流元件(14)、第二节流元件(7)或第三节流元件(10)选自手动节流阀、自动节流阀和毛细管中的一种。

5.根据权利要求1所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***，其特征在于，所述的预冷回路的制冷温度范围为-40～-10℃。

6.根据权利要求1所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***，其特征在于，所用的换热器为套管式换热器、板式换热器或壳管式换热器。

7.根据权利要求1所述的带预冷的精馏型自复叠制冷***，其特征在于，所述的塔顶过冷器(5)和釜底过冷器(6)组合为三通道换热器。

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