CN111249852B - 一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收*** - Google Patents

一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收*** Download PDF

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Abstract

本发明提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，包括混合工质制冷机单元、高温级分离单元和低温级分离单元，本发明采用混合工质节流制冷技术，制冷机结构简单可靠并能实现‑180℃及以下较低冷却温度和较高效率，不需要额外设置其他净化装置即可达到非甲烷总烃50mg/m3以下的排放标准，而且回收利用洁净空气和烃类的冷量对油气VOCs进行冷却，进一步降低冷量需求，提高节能效果。

Description

一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***
技术领域
本发明涉及混合工质制冷预冷技术领域，特别涉及一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***。
背景技术
油品在生产、储运和使用过程中，大量轻烃组分挥发至空气中，形成油气VOCs(volatile organic chemicals,VOCs)，造成严重的环境污染和油气资源浪费，对油气VOCs进行回收具有巨大的环保和经济价值。我国《石油化学工业污染物排放标准(GB-31571)》规定非甲烷总烃(NMHC)排放浓度应低于120mg/m3，去除效率应高于95％；中国石化规定NMHC排放浓度应低于50mg/m3。
当前的油气VOCs治理方法分为焚烧法和非焚烧法，其中非焚烧法可将油气VOCs中的烃类回收。油气VOCs回收主要有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分离法以及这几种方法的组合。其中吸收法、吸附法和膜分离法结构相对简单，但存在回收率偏低、吸附易发热、吸收剂/吸附剂/分离膜寿命有限等问题。而冷凝法能直接且连续地回收烃类，但配套制冷设备初投资较高且能耗较大，制冷温度较高时难以实现较低的排放标准，需要与吸附等工艺进行组合，造成***结构复杂，各部分较难匹配。
现有油气VOCs冷凝回收***多采用二到三级复叠制冷，最低温大多在-100℃以上，一般对应25000mg/m3的排放标准。而120mg/m3以下的排放标准需要实现-170℃以下低温。然而三级复叠制冷难以实现-120℃以下低温，同时其结构复杂、级间不易匹配、可靠性不高。而直接用液氮冷却油气VOCs会严重浪费高品位低温冷能；若计入生产液氮的能耗，***整体能耗较大，不符合节能减排的要求。
此外，油气VOCs回收后产生大量低温洁净空气，现有的回收方法一般直接将其排放，造成大量冷能浪费。而通过回热过程将洁净空气所含冷能回收可大大减少油气VOCs冷却过程的冷量需求，降低***能耗。
而混合工质制冷技术可高效满足-40℃至-180℃的深度制冷需求，并且仅采用单机压缩机，结构简单可靠，成本较低。
因此，需要基于混合工质制冷技术提出一种能高效低温制冷且可以回收洁净空气剩余冷量、不依赖其他净化方法即可实现较低烃类残留的高效油气VOCs冷凝回收流程。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能实现可实现较低烃类残留的高效油气VOCs冷凝回收流程的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供的一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，包括混合工质制冷机单元、高温级分离单元和低温级分离单元，所述高温级分离单元包括高温级油气回热器、高温烃类分离器以及高温烃类节流元件，所述低温级分离单元包括低温级油气回热器、低温烃类分离器、低温空气节流元件和低温烃类节流元件，其中：
混合工质制冷机单元中的混合工质主冷循环可采用一次节流循环、分离循环等多种循环构型，通过低温级蒸发器和高温级蒸发器输出制冷量；
所述油气增压单元包括油气增压机及后冷却器，油气VOCs经所述油气增压机增压至某一优化压力后进入所述后冷却器冷却，再进入所述高温级油气回热器。根据***运行情况开启、关闭或撤除所述油气增压单元；
油气VOCs经所述高温级油气回热器后温度冷却至-10℃～-80℃，冷却后的油气VOCs进入所述高温烃类分离器，所述高温烃类分离器将所述油气VOCs中的烃类分离，净化后的物料从所述高温烃类分离器的塔顶流出进入所述低温级分离单元；分离的烃类经所述高温烃类分离器的塔底流出并经所述高温烃类节流元件节流后直接回收；
净化后的物料进入所述低温级油气回热器后温度冷却至-100℃～-180℃，冷却后的物料进入所述低温烃类分离器，所述低温烃类分离器将所述物料的烃类分离，洁净空气从所述低温烃类分离器的塔顶流出并经所述低温空气节流元件节流后依次进入所述低温级油气回热器和所述高温级油气回热器以提供冷量；分离的烃类从所述低温烃类分离器的塔底流出并经所述低温烃类节流元件节流后直接回收；
所述的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***可设置多个分离单元。
在一些较佳的实施例中，所述高温级油气回热器与所述低温级油气回热器中均设置有烃类流道，用于回收所述液态烃类所含冷量。所述高温烃类分离器将所述油气VOCs中的烃类分离，净化后的物料从所述高温烃类分离器的顶部流出进入所述低温级油气回热与精馏单元；分离的烃类经所述高温烃类分离器的底部流出并经所述高温烃类节流元件节流后进入所述高温级油气回热器以提供冷量；所述低温烃类分离器将所述物料的烃类分离，洁净空气从所述低温烃类分离器的顶部流出并经所述低温空气节流元件节流后依次进入所述低温级油气回热器和所述高温级油气回热器以提供冷量；分离的烃类从所述低温烃类分离器的塔底流出并经所述低温烃类节流元件节流后依次进入所述低温级油气回热器和所述高温级油气回热器以提供冷量。
在一些较佳的实施例中，所述高温烃类分离器包括高温级精馏塔及高温级塔顶冷凝器，冷却后的油气VOC进入所述高温级精馏塔将烃类分离，净化后的物料从所述高温级塔顶冷凝器的顶部流出；分离的烃类经所述高温级精馏塔的塔底流出。所述高温级塔顶冷凝器所需的制冷量由所述混合工质制冷机的高温级蒸发器提供。所述高温级精馏塔可用板式塔、填料塔、闪蒸分离器或分凝分离器。
所述低温烃类分离器包括低温级精馏塔及低温级塔顶冷凝器，冷却后的物料进入所述低温级精馏塔将烃类分离，洁净空气从所述低温级精馏塔的塔顶流出；烃类从所述低温级精馏塔的塔底流出。所述低温级塔顶冷凝器所需的制冷量由所述混合工质制冷机的低温级蒸发器提供。所述低温级精馏塔可用板式塔、填料塔、闪蒸分离器或分凝分离器。
所述低温级蒸发器与所述低温级塔顶冷凝器集成为一换热器，所述的高温级蒸发器与高温级塔顶冷凝器集成为另一换热器。
在一些较佳的实施例中，所述的高温级分离单元与所述油气增压单元之间设置重烃分离单元，所述重烃分离单元包括初级油气冷却器、重烃分离器及重烃节流元件，所述油气VOCs在所述初级油气冷却器中被冷却，再进入所述重烃分离器进行分离，分离出的气相继续进入所述高温级油气回热器，分离出的液相重烃经所述重烃节流元件节流后排出回收。所述的初级油气冷却器由冷水机组或所述的混合工质制冷机单元提供冷量。
在一些较佳的实施例中，所述混合工质制冷机单元中设置预冷循环，所述高温级蒸发器设置在预冷循环的冷端并为所述高温级烃类分离器提供制冷量，所述低温级蒸发器设置在混合工质主循环的冷端并为所述低温级烃类分离器提供制冷量；所述的预冷循环可采用蒸汽压缩制冷循环、吸收式制冷循环、混合工质制冷循环或商用冷水机组。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，采用混合工质节流制冷技术，制冷机结构简单可靠并能实现-180℃及以下较低冷却温度和较高效率，不需要额外设置其他净化装置即可达到非甲烷总烃50mg/m3以下的排放标准，而且回收利用洁净空气和烃类的冷量对油气VOCs进行冷却，进一步降低冷量需求，提高节能效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的流程结构示意图。
图2为本发明实施例2提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的结构示意图。
图3为本发明实施例3提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的结构示意图。
图4为本发明实施例4提供的重烃分离单元的结构示意图。
图5为本发明实施例5提供的混合工质制冷机单元结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，为本发明实施例1提供的一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，包括：还包括油气增压单元1、混合工质制冷机单元2、高温级分离单元3和低温级分离单元4。
所述混合工质制冷机单元2通过低温级蒸发器201和高温级蒸发器202出制冷量。
所述油气增压单元1包括油气增压机101及后冷却器102，油气VOCs经所述油气增压机101增压后进入所述后冷却器102冷却，再进入所述高温级油气回热器301。
可以理解，油气增压机101将油气VOCs增压至一个优化的较低压力，通常8bar以下，再进入所述后冷却器102冷却后进入所述高温级油气回热器301。
所述混合工质制冷机单元2通过低温级蒸发器201和高温级蒸发器202输出制冷量。
所述高温级分离单元3包括高温级油气回热器301、高温烃类分离器31、高温烃类节流元件304；所述低温级分离单元4包括低温级油气回热器401、低温烃类分离器41、低温空气节流元件405和低温烃类节流元件404。
油气VOCs经所述高温级油气回热器301后温度冷却至-10℃～-80℃，冷却后的油气VOCs进入所述高温烃类分离器31，所述高温烃类分离器31将所述油气VOCs中的烃类分离，净化后的物料从所述高温烃类分离器31的塔顶流出进入所述低温级油气回热与精馏单元；分离的烃类经所述高温烃类分离器31的塔底流出并经所述高温烃类节流元件304节流后直接回收。
净化后的物料进入所述低温级油气回热器401后温度冷却至-100℃～-180℃，冷却后的物料进入所述低温烃类分离器41，所述低温烃类分离器41将所述物料的烃类分离，洁净空气从所述低温烃类分离器41的塔顶流出并经所述第一低温空气节流元件405节流后依次进入所述低温级油气回热器401和所述高温级油气回热器301以提供冷量；分离的烃类从所述低温烃类分离器41的塔底流出并经所述低温烃类节流元件404节流后直接回收。
本发明上述实施例提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，采用混合工质节流制冷技术，制冷机结构简单可靠并能实现-180℃及以下较低冷却温度和较高效率，不需要额外设置其他净化装置即可达到非甲烷总烃50mg/m3以下的排放标准，而且回收利用洁净空气和烃类的冷量对油气VOCs进行冷却，进一步降低冷量需求，提高节能效果。
实施例2
请参阅图2，为本发明实施例2提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的结构示意图。
与上述实施例1不同之处在于，本发明实施例2提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，所述高温级油气回热器301与所述低温级油气回热器401中均设置有烃类流道，用于回收所述液态烃类所含冷量。所述高温烃类分离器31分离出的烃类经所述高温烃类节流元件304节流后进入所述高温级油气回热器301以提供冷量；所述低温烃类分离器41分离出的烃类经所述低温烃类节流元件404节流后依次进入所述低温级油气回热器401和所述高温级油气回热器301以提供冷量。
其他的工作方式可参照实施例1，这里不再赘述。
本发明上述实施例2提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，通过回收烃类剩余冷量进一步提升节能效果。
实施例3
请参阅图3，为本发明实施例3提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的结构示意图。
与上述实施例1不同之处在于，本发明实施例3提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，所述高温烃类分离器31包括高温级精馏塔302及高温级塔顶冷凝器303，冷却后的油气VOCs进入所述高温级精馏塔302将烃类分离，净化后的物料从所述高温级塔顶冷凝器303的塔顶流出；分离的烃类经所述高温级精馏塔302的塔底流出。高温级精馏塔302可用板式塔、填料塔、闪蒸分离器或分凝分离器。
所述低温烃类分离器41包括低温级精馏塔402及低温级塔顶冷凝器403，冷却后的物料进入所述低温级精馏塔402将烃类分离，洁净空气从所述低温级精馏塔402的塔顶流出；烃类从所述低温级精馏塔402的塔底流出。所述低温级精馏塔402可用板式塔、填料塔、闪蒸分离器或分凝分离器。
可以理解，高温级塔顶冷凝器303可冷却来自高温级精馏塔302塔顶的物料，将烃类冷凝后全部回流至高温级精馏塔302，所需的冷量由高温级蒸发器202提供。低温级塔顶冷凝器403可冷却来自低温级精馏塔402塔顶的物料，将烃类冷凝后全部回流至低温级精馏塔402，所需的冷量由低温级蒸发器201提供。
可以理解，所述的低温级蒸发器201与低温级塔顶冷凝器403集成为一个换热器，低温混合工质与油气VOCs物料分别为换热器两侧；所述的高温级蒸发器202与高温级塔顶冷凝器303也集成为一个换热器，低温混合工质与油气VOCs物料分别为换热器两侧。
其他的工作方式可参照实施例1，这里不再赘述。
本发明上述实施例3提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，采用精馏塔分离烃类，可提高分离效果和烃类回收效率。
实施例4
请参阅图4，为本发明实施例4提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的结构示意图。
与上述实施例1不同之处在于，本发明实施例4提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，所述的高温级分离单元3与油气增压单元1之间可设置一个重烃分离单元，所述重烃分离单元包括初级油气冷却器501、重烃分离器502及重烃节流元件503，所述油气VOCs在所述初级油气冷却器501中被冷却，再进入所述重烃分离器502进行分离，分离出的气相继续进入所述高温级油气回热器301，分离出的液相重烃经所述重烃节流元件503节流后排出回收。所述的初级油气冷却器501由冷水机组或所述的混合工质制冷机单元2提供冷量。
其他的工作方式可参照实施例1，这里不再赘述。
本发明实施例4提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，通过设置重烃回收单元，提高了***处理重烃含量较高油气VOCs的能力，降低了低温下重烃析出固体造成堵塞的风险。
实施例5
请参阅图5，为本发明实施例5提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***的结构示意图。
与实施例1不同之处在于，所述的混合工质制冷机单元2中还包括预冷循环22，所述高温级蒸发器202设置在预冷循环21的冷端并为所述高温级烃类分离器31提供制冷量；所述低温级蒸发器201设置在混合工质主循环21的冷端并为所述低温级烃类分离器41提供制冷量；所述的预冷循环22可采用蒸汽压缩制冷循环、吸收式制冷循环、混合工质制冷循环或商用冷水机组。
其他的工作方式可参照实施例1，这里不再赘述。
本发明实施例5提供的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，通过设置预冷循环，提高了***适应较高环境温度的能力，提升了***在负荷波动较大条件下的调节能力，并有利于混合工质制冷循环稳定保持在效率较高的最优运行工况下，提高节能效果。
可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
当然本发明的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***正极材料还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (5)

1.一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，其特征在于，包括混合工质制冷机单元、油气增压单元、高温级分离单元和低温级分离单元，所述高温级分离单元包括高温级油气回热器、高温烃类分离器以及高温烃类节流元件，所述低温级分离单元包括低温级油气回热器、低温烃类分离器、低温空气节流元件和低温烃类节流元件，其中：
混合工质制冷机单元中的混合工质主冷循环采用一次节流循环、分离循环多种循环构型，通过低温级蒸发器和高温级蒸发器输出制冷量；
所述油气增压单元包括油气增压机及后冷却器，油气VOCs经所述油气增压机增压至某一优化压力后进入所述后冷却器冷却，再进入所述高温级油气回热器，根据***运行情况开启、关闭或撤除所述油气增压单元；
油气VOCs经所述高温级油气回热器后温度冷却至-10℃～-80℃，冷却后的油气VOCs进入所述高温烃类分离器，所述高温烃类分离器将所述油气VOCs中的烃类分离，净化后的物料从所述高温烃类分离器的顶部流出进入所述低温级油气回热与精馏单元；分离的液态烃类经所述高温烃类分离器的底部流出并经所述高温烃类节流元件节流后直接回收；
净化后的物料进入所述低温级油气回热器后温度冷却至-100℃～-180℃，冷却后的物料进入所述低温烃类分离器，所述低温烃类分离器将所述物料的烃类分离，洁净空气从所述低温烃类分离器的顶部流出并经所述低温空气节流元件节流后依次进入所述低温级油气回热器和所述高温级油气回热器以提供冷量；分离的烃类从所述低温烃类分离器的塔底流出并经所述低温烃类节流元件节流后直接回收；
所述的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***设置多个分离单元。
2.如权利要求1所述的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，其特征在于，所述高温级油气回热器与所述低温级油气回热器中均设置有烃类流道，用于回收所述液态烃类所含冷量，所述高温烃类分离器分离出的烃类经所述高温烃类分离器的底部流出并经所述高温烃类节流元件节流后进入所述高温级油气回热器以提供冷量；所述低温烃类分离器分离出的烃类从所述低温烃类分离器的塔底流出并经所述低温烃类节流元件节流后依次进入所述低温级油气回热器和所述高温级油气回热器以提供冷量。
3.如权利要求1所述的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，其特征在于，所述高温烃类分离器包括高温级精馏塔及高温级塔顶冷凝器，冷却后的油气VOCs进入所述高温级精馏塔将烃类分离，净化后的物料从所述高温级塔顶冷凝器的顶部流出；分离的烃类经所述高温级精馏塔的塔底流出，所述高温级塔顶冷凝器所需的制冷量由所述混合工质制冷机的高温级蒸发器提供，所述高温级精馏塔用板式塔、填料塔、闪蒸分离器或分凝分离器；
所述低温烃类分离器包括低温级精馏塔及低温级塔顶冷凝器，冷却后的物料进入所述低温级精馏塔将烃类分离，洁净空气从所述低温级精馏塔的塔顶流出并经所述低温级塔顶冷凝器流出；烃类从所述低温级精馏塔的塔底流，所述低温级塔顶冷凝器所需的制冷量由所述混合工质制冷机的低温级蒸发器提供，所述低温级精馏塔用板式塔、填料塔、闪蒸分离器或分凝分离器；
所述低温级蒸发器与所述低温级塔顶冷凝器集成为一换热器，所述的高温级蒸发器与高温级塔顶冷凝器集成为另一换热器。
4.如权利要求1所述的混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，其特征在于，所述的高温级分离单元与所述油气增压单元之间设置重烃分离单元，所述重烃分离单元包括初级油气冷却器、重烃分离器及重烃节流元件，所述油气VOCs在所述初级油气冷却器中被冷却，再进入所述重烃分离器进行分离，分离出的气相继续进入所述高温级油气回热器，分离出的液相重烃经所述重烃节流元件节流后排出回收，所述的初级油气冷却器由冷水机组或所述的混合工质制冷单元提供冷量。
5.根据权利要求1所述的一种混合工质制冷的回热式油气VOCs冷凝回收***，其特征在于，所述混合工质制冷机单元中设置预冷循环，所述高温级蒸发器设置在预冷循环的冷端并为所述高温级烃类分离器提供制冷量，所述低温级蒸发器设置在混合工质主循环的冷端并为所述低温级烃类分离器提供制冷量；所述的预冷循环采用蒸汽压缩制冷循环、吸收式制冷循环、混合工质制冷循环或商用冷水机组。
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