CN113883826A - 一种低温冷凝回收挥发性气体的*** - Google Patents

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Abstract

一种低温冷凝回收挥发性气体的***，由真空泵***、三级压缩机***以及低温氮气冷凝换热***连接组成；混合废气与真空泵***抽空入口相连被抽入真空泵；从真空泵排出的气体经风冷式冷却器的散热风扇冷却后进入压缩前缓冲罐；三级压缩机***入口与压缩前缓冲罐出口连接，经三级压缩中间冷却的气体进入冷氮气冷却的套管式换热器后通入冷箱前高压缓冲罐；冷箱前高压缓冲罐中的气体送至低温氮气冷凝换热***，分两路经过换热器组，其中一路换热器组由冷氮气冷却；另一路换热器组的冷源为完成冷却的两路的反流气体；所有冷凝下来的液体汇集于液体储罐中，并通过电加热气化器气化后供再利用；本发明可用于工业上大规模废气处理的场合，处理效果明显。

Description

一种低温冷凝回收挥发性气体的***
技术领域
本发明属于回收可挥发性气体技术领域，具体涉及一种低温冷凝回收挥发性气体的***。
背景技术
空气污染是目前人类面临的主要环境问题之一，随着对环境保护要求的不断提升，对空气中可挥发性气体，特别是可挥发性有机物VOCs的处理也将不断地受到各个工业部门的重视。一般而言，处理挥发性气体有两种思路：其一为从源头控制挥发性气体的产生；其二为回收或销毁生产过程中排放的挥发性气体。第一种从源头上采取环保生产方法，具有最佳控制VOCs排放的效果，但目前的工业现状，尚不具备对工业领域进行大规模环保改造的条件。近年来，针对不同的领域采取有效的VOCs回收技术，因能产生可观的经济效益与社会效益而备受关注。
回收或销毁挥发性气体的方法之中，较为经典的是冷凝法，包括降温冷凝与增压冷凝，二者都是利用废气中不同成分在相同压力下沸点不同，而使之分离。由于VOCs废气往往是由有机物与空气组成，而大多数有机物以及二氧化硫、氮氧化物等无机物的常压沸点均高于空气液化的温度(90.3K)，可采用冷凝法对其进行分离；低温液氮在常压下的储存温度为77.3K，价格低廉，来源广泛，无毒无害无污染，在工业领域可大规模使用，故常被用做低温冷凝的冷却剂。
中国专利(公开号104501485B)公开了一种使用液氮冷凝回收氟利昂的方法，该方法依靠液氮气化后的氮气压力将捕集的氟利昂吹至冷箱管道中，再利用液氮的冷能使氟利昂液化并收集，被加热气化的氮气经过活性炭吸附后排至大气。虽然上述形式的冷凝回收设备可以很好地回收氟利昂，且无需动力设备，投资小；但小型设备中，利用液氮气化只能满足小空间中低含量氟利昂的回收，很难完成大型空间中大量氟利昂的有效吹扫，例如在大型氟利昂制冷***、大型储罐等设备中的气态氟利昂回收利用；大型厂房、喷漆房、油气库、实验室内弥散可挥发性气体净化等场合无法发挥其效果；此外，单纯利用气化氮气吹出废气需要目标设备至少具有一对入口与出口，而工业上常用的单口设备无法使用这种吹扫方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种低温冷凝回收挥发性气体的***，适用于VOCs以及各种高沸点可挥发性气体，通用性高；可用于工业领域大规模废气处理的场合，废气处理能力大、废气处理效果较好，回收的液化气体可气化后循环再利用，环保性能突出。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种低温冷凝回收挥发性气体的***，由真空泵***、三级压缩机***以及低温氮气冷凝换热***连接组成；混合废气与真空泵***抽空入口相连，经第一球阀1后被抽入真空泵2；从真空泵2排出的气体进入装有肋片的风冷式冷却器7，在风冷式冷却器7中被冷却后进入压缩前缓冲罐8；三级压缩机***入口与压缩前缓冲罐8出口连接，经三级压缩中间冷却的气体进入冷氮气冷却的第一套管式换热器19后通入冷箱前高压缓冲罐22；冷箱前高压缓冲罐22中的气体送至低温氮气冷凝换热***，分两路经过每路两台套管式换热器组成的换热器组，其中一路换热器组的第二套管式换热器26-A、第三套管式换热器26-B由冷氮气冷却；另一路换热器组的第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B的冷源为完成冷却的反流气体；所有冷凝的液体均经过气液分离器汇集于液体储罐36中，并通过与液体储罐36排液口相连的电加热气化器38气化后供再利用。
所述的真空泵***包括真空泵2，真空泵2前后连有两台自动调节压缩前缓冲罐8压力，维持于微正压的电动旁通的第一比例阀3、第二比例阀4。
所述的真空泵2前后均设有手动开启的排气的第二球阀5、第三球阀6，用于在被抽空真空泵***表压为正时，直接向压缩前缓冲罐8放出气体至常压。
所述的三级压缩机***包括第一级压缩机9、第二级压缩机11、第三级压缩机14，第一级压缩机9入口与压缩前缓冲罐8出口连接，第一级压缩机9、第二级压缩机11、第三级压缩机14后均设有第一压缩机后冷却装置10、第二压缩机后冷却装置12、第三压缩机后冷却装置15；第二级压缩机11、第三级压缩机14后设有第一气液分离器13、第二气液分离器16；第一气液分离器13、第二气液分离器16排液口处设置有第一单向止回阀17、第二单向止回阀18，第一单向止回阀17、第二单向止回阀18出口与液体储罐36相连。
所述的第二气液分离器16气体出口与第一套管式换热器19管程入口相连，压缩后的气体与从冷氮气入口A进入的冷氮气进行逆流换热冷凝后通入第三气液分离器20，第三气液分离器20气体出口引出的气体经第五球阀21注入冷箱前高压缓冲罐22。
所述的低温氮气冷凝换热***中被处理的工质气体走壳程，用于冷却的气体走管程，二路均为逆流换热；冷氮气源与第三套管式换热器26-B的管程连接，依次经过第三套管式换热器26-B、第二套管式换热器26-A后的氮气与处理后的废气均排至大气；被处理的工质气体从冷箱前高压缓冲罐22下部引出，经过第六球阀23，分为两路分别经第二针阀25与第一针阀24，分别进入第二套管式换热器26-A、第三套管式换热器26-B组成的换热器组与第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B组成的换热器组的壳程入口；第二套管式换热器26-A、第四套管式换热器30-A壳程出口同时连接第四气液分离器27，第四气液分离器27的气体出口分两路与第三套管式换热器26-B、第五套管式换热器30-B的壳程入口连接，其中在第五套管式换热器30-B壳程入口管路设有低温阀31；第三套管式换热器26-B、第五套管式换热器30-B壳程出口同时连接第五气液分离器28，第五气液分离器28气体出口经过第一减压阀29后与第五套管式换热器30-B的管程下侧入口连接，经第五气液分离器28分离后的低温反流气体作为冷媒气体依次经过第五套管式换热器30-B与第四套管式换热器30-A。
所述的第三气液分离器20、第四气液分离器27、第五气液分离器28的液体出口分别经过第四减压阀34、第三减压阀33、第二减压阀32后进入液体储罐36。
所述的液体储罐36的排气口经第五减压阀35与真空泵***的压缩前缓冲罐8入口相连；液体储罐36的排液口经第六减压阀37与电加热气化器38相连。
与现有技术相比，本发明优势如下：
本发明全过程为物理过程，不涉及吸附、吸收以及各种化学处理过程，适用于包括氟利昂在内的VOCs以及各种高沸点可挥发性气体，通用性高；配有真空泵、压缩机等流体机械，可用于工业上大规模废气处理的场合，工作能力强；废气处理效果明显，可将空气中的R134a含量降低至100ppm；如有需要，回收下来的液化废气可以进行气化再利用，具有显著的环保意义和经济价值。
附图说明
图1是本发明***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种低温冷凝回收挥发性气体的***，由真空泵***、三级压缩机***以及低温氮气冷凝换热***连接组成；混合废气与真空泵***抽空入口相连，经第一球阀1后被抽入真空泵2；从真空泵2排出的气体进入装有肋片的风冷式冷却器7，在风冷式冷却器7被冷却后进入压缩前缓冲罐8；三级压缩机***入口与压缩前缓冲罐8出口连接，经三级压缩中间冷却的气体进入冷氮气冷却的第一套管式换热器19后通入冷箱前高压缓冲罐22；冷箱前高压缓冲罐22中的气体送至低温氮气冷凝换热***，分两路经过每路两台套管式换热器组成的换热器组，其中一路换热器组的第二套管式换热器26-A、第三套管式换热器26-B由冷氮气冷却；另一路换热器组的第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B的冷源为完成冷却的两路的反流气体；所有冷凝的液体均经过第一气液分离器13、第二气液分离器16、第三气液分离器20、第四气液分离器27、第五气液分离器28，汇集于液体储罐36中，并通过与液体储罐36排液口相连的电加热气化器38气化后供再利用。
所述的真空泵***包括真空泵2，真空泵2前后连有两台自动调节压缩前缓冲罐8压力，维持于微正压的电动旁通的第一比例阀3、第二比例阀4；在真空泵2前后均设有手动开启的排气的第二球阀5、第三球阀6，用于在被抽空真空泵***表压为正时，直接向压缩前缓冲罐8放出气体至常压。
所述的三级压缩机***包括第一级压缩机9、第二级压缩机11、第三级压缩机14，第一级压缩机9入口与压缩前缓冲罐8出口连接，第一级压缩机9、第二级压缩机11、第三级压缩机14后均设有第一压缩机后冷却装置10、第二压缩机后冷却装置12、第三压缩机后冷却装置15；第二级压缩机11、第三级压缩机14后设有第一气液分离器13、第二气液分离器16，用于及时排出增压冷凝产生的液体，防止压缩机产生液击、冲缸等现象；第一气液分离器13、第二气液分离器16排液口处设置有第一单向止回阀17、第二单向止回阀18，第一单向止回阀17、第二单向止回阀18出口与液体储罐36相连，使冷凝液体单向地流入液体储罐36；第二气液分离器16气体出口与第一套管式换热器19管程入口相连，压缩后的气体与从冷氮气入口A进入的冷氮气进行逆流换热冷凝后通入第三气液分离器20，第三气液分离器20气体出口引出的气体经第五球阀21注入冷箱前高压缓冲罐22。
所述的低温氮气冷凝换热***中被处理的工质气体走壳程，用于冷却的气体走管程，二路均为逆流换热；冷氮气源与第三套管式换热器26-B的管程连接，依次经过第三套管式换热器26-B、第二套管式换热器26-A后的氮气与处理后的废气均排至大气；被处理的工质气体从冷箱前高压缓冲罐22下部引出，经过第六球阀23，分为两路分别经第二针阀25与第一针阀24，分别进入第二套管式换热器26-A、第三套管式换热器26-B组成的换热器组与第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B组成的换热器组的壳程入口；第二套管式换热器26-A、第四套管式换热器30-A壳程出口同时连接第四气液分离器27，第四气液分离器27的气体出口分两路与第三套管式换热器26-B、第五套管式换热器30-B的壳程入口连接，其中在第五套管式换热器30-B壳程入口管路设有低温阀31，用于调节分配到第三套管式换热器26-B、第五套管式换热器30-B的气体比例与进入第二套管式换热器26-A、第四套管式换热器30-A时的流量比例一致；同理第三套管式换热器26-B、第五套管式换热器30-B壳程出口同时连接第五气液分离器28，第五气液分离器28气体出口经过第一减压阀29后与第五套管式换热器30-B的管程下侧入口连接，经第五气液分离器28分离后的低温反流气体作为冷媒气体依次经过第五套管式换热器30-B与第四套管式换热器30-A；第三气液分离器20、第四气液分离器27、第五气液分离器28的液体出口分别经过第四减压阀34、第三减压阀33、第二减压阀32后进入液体储罐36。
所述的液体储罐36的排气口经第五减压阀35与真空泵***的压缩前缓冲罐8入口相连，用于排出液体储罐36中由于外界热量传入而气化的气体重新进行压缩冷凝与低温冷凝回收；液体储罐36的排液口经第六减压阀37与电加热气化器38相连，当需要再利用回收得到的工质时，可通过该设备将回收的废气再次利用。
下面以处理储罐中的R134a与空气的混合气体为例介绍本发明的原理：
首先检查储罐内的压力，若为正压，则打开第一球阀1与第二球阀5，不经过真空泵2将储罐中气体直接送至压缩前缓冲罐8；待储罐中压力降至常压后，关闭第二球阀5，开启真空泵2、风冷式冷却器7与第一级压缩机9、第二级压缩机11、第三级压缩机14、第一单向止回阀17、第二单向止回阀18，储罐中的R134a气体将被抽至压缩前缓冲罐8；为维持压缩前缓冲罐8压力为微正压，保证后续压缩机工作稳定，自动比例调节的第一比例阀3、第二比例阀4开始动作：当压缩前缓冲罐8中压力向上波动范围较大时，为保证调节的速度，大比例调节的第一比例阀3打开，有一部分被抽出的气体将在第一比例阀3所在回路中循环而不会进入储罐，因此压缩前缓冲罐8中的压力便会下降；当下降至较小的波动范围时，为了防止压力降低过多，大比例调节的第一比例阀3将关闭，小比例调节的第二比例阀4将开启，以相同的原理微调送至压缩前缓冲罐8的气体量，直至压缩前缓冲罐8中压力稳定至设定的微正压为止，当压缩前缓冲罐8中压力降低时调节方法同理，电动比例调节的第一比例阀3、第二比例阀4将会关闭，使得真空泵2后更多的气体通入压缩前缓冲罐8中而非在真空泵2处循环。
对于R134a与空气的混合气体而言，使用往复式压缩机，将其分三级压缩至4MPa；若按照每一级压缩比相同的原则，将压缩比设置为3.42，级间由于压力升高而被第二压缩机后冷却装置12、第三压缩机后冷却装置15冷凝下来的液体分别经过第一气液分离器13、第二气液分离器16的排液口排至液体储罐36，这样便实现了增压冷凝的环节。
压缩后且经过第二气液分离器16的4MPa气体通入第一套管式换热器19，被冷氮气继续冷凝，冷凝后的液体经第四减压阀34由4MPa减压至1MPa送入液体储罐36中；气体在保持第六球阀23关闭、第五球阀21打开的条件下充注至冷箱前高压缓冲罐22；当待处理储罐中R134a达到合格的浓度时，关闭真空泵2和第一级压缩机9、第二级压缩机11、第三级压缩机14以及第五球阀21，打开第六球阀23，使冷箱前高压缓冲罐22中气体进入低温氮气冷凝换热***。
关闭第一针阀24与低温阀31，打开第二针阀25与第一减压阀29，如图1所示，在冷氮气入口B通入冷氮气，使得废气在第二套管式换热器26-A、第三套管式换热器26-B组成的套管式换热器组中进行冷凝；对R134a与空气混合气体而言，大部分R134a在经过第二套管式换热器26-A的换热后冷凝出来；相对较少的R134a在经过第三套管式换热器26-B后冷凝出来，故第二套管式换热器26-A随后的第四气液分离器27要比第三套管式换热器26-B随后的第五气液分离器28大；同时，当第三套管式换热器26-B中温度相对较低时，R134a气体将会发生凝华，但如果温度不足以令凝华发生，进入第五气液分离器28的工质仍然会带有少量液滴，这就要求第五气液分离器28有很强的气液分离能力，以将其中可能带有的微小液滴分离出来，防止长时间运行液体积聚使得流动产生问题；第四气液分离器27、第五气液分离器28液体出口分别连接第三减压阀33、第二减压阀32，使得液体压力由4MPa减至1MPa后送至液体储罐36。
从第五气液分离器28排气口排出的经过冷却后的低温气体经第一减压阀29由4MPa减压至1atm，进入第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B组成的套管式换热器组管程，充当第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B的冷却工质；此时可打开第一针阀24让废气进入第四套管式换热器30-A、第五套管式换热器30-B；从第四套管式换热器30-A冷凝完毕的气体同样进入第四气液分离器27；第四气液分离器27气体出口分为两股，其中一股通入第三套管式换热器26-B；另一组经低温阀31后通入第五套管式换热器30-B，此时应调节低温阀31使得通向第三套管式换热器26-B与第五套管式换热器30-B的气体比例与进入两套管式换热器组的比例相同；从第五套管式换热器30-B壳程排出的气液混合物同样通入第五气液分离器28，得到的气体返回第五套管式换热器30-B管程，作为下一波废气的冷却剂循环，这样便实现了降温冷凝的环节。
当液体储罐36中的R134a液体由于漏热等因素气化时，打开第五减压阀35使气化产生的气体压力从1MPa减至1atm，并进入压缩前缓冲罐8中，后续重新冷凝为液体；欲对回收下来的R134a进行再利用时，打开第六减压阀37，将液体送入电加热气化器38中，得到R134a气体投入使用。
本实施例是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，例如使用其余冷却工质如液化天然气，或者人工制冷方式得到冷能，如使用蒸汽压缩式制冷冷却的工质；或在压缩过程采用不同级数的压缩、不同的压缩比、或使用不同形式的压缩机，如离心式、螺杆式等；或在抽空***中采用其余形式的真空泵或采用多级并联抽空等形式；或在换热***中采用其余形式的换热器，如管壳式换热器、板式换热器、蓄热式换热器等；或在储罐后液化加热设备中采用其他种类的加热设备，如水浴式等都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：由真空泵***、三级压缩机***以及低温氮气冷凝换热***连接组成；混合废气与真空泵***抽空入口相连，经第一球阀(1)后被抽入真空泵(2)；从真空泵(2)排出的气体进入装有肋片的风冷式冷却器(7)，在风冷式冷却器(7)中被冷却后进入压缩前缓冲罐(8)；三级压缩机***入口与压缩前缓冲罐(8)出口连接，经三级压缩中间冷却的气体进入冷氮气冷却的第一套管式换热器(19)后通入冷箱前高压缓冲罐(22)；冷箱前高压缓冲罐(22)中的气体送至低温氮气冷凝换热***，分两路经过每路两台套管式换热器组成的换热器组，其中一路换热器组的第二套管式换热器(26-A)、第三套管式换热器(26-B)由冷氮气冷却；另一路换热器组的第四套管式换热器(30-A)、第五套管式换热器(30-B)的冷源为完成冷却的两路的反流气体；所有冷凝下来的液体均经过气液分离器汇集于液体储罐(36)中，并通过与液体储罐(36)排液口相连的电加热气化器(38)气化后供再利用。
2.根据权利要求1所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的真空泵***包括真空泵(2)，真空泵(2)前后连有两台自动调节压缩前缓冲罐(8)压力，维持于微正压的电动旁通的第一比例阀(3)、第二比例阀(4)。
3.根据权利要求1所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的真空泵(2)前后设有手动开启的排气的第二球阀(5)、第三球阀(6)，用于在被抽空真空泵***表压为正时，直接向压缩前缓冲罐(8)放出气体至常压。
4.根据权利要求1所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的三级压缩机***包括第一级压缩机(9)、第二级压缩机(11)、第三级压缩机(14)，第一级压缩机(9)入口与压缩前缓冲罐(8)出口连接，第一级压缩机(9)、第二级压缩机(11)、第三级压缩机(14)后设有第一压缩机后冷却装置(10)、第二压缩机后冷却装置(12)、第三压缩机后冷却装置(15)；第二级压缩机(11)、第三级压缩机(14)后设有第一气液分离器(13)、第二气液分离器(16)；第一气液分离器(13)、第二气液分离器(16)排液口处设置有第一单向止回阀(17)、第二单向止回阀(18)，第一单向止回阀(17)、第二单向止回阀(18)出口与液体储罐(36)相连。
5.根据权利要求4所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的第二气液分离器(16)气体出口与第一套管式换热器(19)管程入口相连，压缩后的气体与从冷氮气入口A进入的冷氮气进行逆流换热冷凝后通入第三气液分离器(20)，第三气液分离器(20)气体出口引出的气体经第五球阀(21)注入冷箱前高压缓冲罐(22)。
6.根据权利要求5所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的低温氮气冷凝换热***中被处理的工质气体走壳程，用于冷却的气体走管程，二路均为逆流换热；冷氮气源与第三套管式换热器(26-B)的管程连接，依次经过第三套管式换热器(26-B)、第二套管式换热器(26-A)后的氮气与处理后的废气均排至大气；被处理的工质气体从冷箱前高压缓冲罐(22)下部引出，经过第六球阀(23)，分为两路分别经第二针阀(25)与第一针阀(24)，分别进入第二套管式换热器(26-A)、第三套管式换热器(26-B)组成的换热器组与第四套管式换热器(30-A)、第五套管式换热器(30-B)组成的换热器组的壳程入口；第二套管式换热器(26-A)、第四套管式换热器(30-A)壳程出口同时连接第四气液分离器(27)，第四气液分离器(27)的气体出口分两路与第三套管式换热器(26-B)、第五套管式换热器(30-B)的壳程入口连接，其中在第五套管式换热器(30-B)壳程入口管路设有低温阀(31)；同理第三套管式换热器(26-B)、第五套管式换热器(30-B)壳程出口同时连接第五气液分离器(28)，第五气液分离器(28)气体出口经过第一减压阀(29)后与第五套管式换热器(30-B)的管程下侧入口连接，经第五气液分离器(28)分离后的低温反流气体作为冷媒气体依次经过第五套管式换热器(30-B)与第四套管式换热器(30-A)。
7.根据权利要求6所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的第三气液分离器(20)、第四气液分离器(27)、第五气液分离器(28)的液体出口分别经过第四减压阀(34)、第三减压阀(33)、第二减压阀(32)后进入液体储罐(36)。
8.根据权利要求1所述的一种低温冷凝回收挥发性气体的***，其特征在于：所述的液体储罐(36)的排气口经第五减压阀(35)与真空泵***的压缩前缓冲罐(8)入口相连；液体储罐(36)的排液口经第六减压阀(37)与电加热气化器(38)相连。
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