CN106958987A - 一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，包括：一条空气流路，包括依次连通的预除湿器、一级空压机、高温蒸发器、中温蒸发器、水冷却器、低温蒸发器以及二级空压机；LiBr溶液吸收再生回路，包括LiBr溶液再生器，对LiBr溶液进行循环再生；LiBr溶液再生热源回路，吸收高温蒸发器的热量输送至LiBr溶液再生器；有机朗肯循环回路，回收空气流路中的热量，为蒸气压缩制冷循环回路中的压缩机提供能量；蒸汽压缩制冷循环回路，对低温蒸发器中的空气进行冷却。该系统可以利用空气压缩过程产生的余热、通过LiBr溶液的吸水特性以及有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷复合的制冷特性，达到去除压缩前空气中大部分水蒸气，以及在下级压缩前预冷空气的目的。

Description

一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统
技术领域
本发明涉及一种工业空气预处理系统，尤其涉及一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统。
背景技术
空气分离技术发展至今已有一百多年的历史，即将空气中的各组分气体分离，生产氧气、氮气和氩气等气体的工业技术。广泛应用于工业生产、医疗等过程。空气分离设备依次主要包括空压机、空冷系统、纯化系统、热交换系统、膨胀机、精馏系统及部分附属系统。
目前，空气在空压机、空冷系统及纯化系统中的流程组织形式一般为：首先，外部环境中获得的空气通过过滤器，粗略过滤较大颗粒污染物；其次，通过多个空压机进行多级压缩，获得较高压力的空气；然后，空气进入空冷塔进行降温、洗涤过程，获得温度较低的饱和空气；最后进入纯化系统，利用氧化铝及分子筛的吸附作用，去除空气中的水分及其他气体杂质，最终获得高压、纯净的空气送入精馏系统中进行精馏过程。
一般空分流程中，空气在进入空压机之前，空气相对湿度与环境空气相同，一般为60％-90％，空压机对空气中水蒸气的压缩功属于无用功；另外，伴随空压机压缩过程，会产生大量较高品味的热能，空气可被加热到130℃，而目前都采用水循环冷却带走热量，空气被冷却到40℃左右，这是一种能量的浪费，且在进入下一级空压机之前，空气温度仍然较高，造成压缩机级数增加，成本增加。
例如，公告号为CN104903669A的中国发明专利申请公开的一种空气分离方法及空气分离装置，在空气进入热交换系统之前的预处理过程中，没有考虑压缩前空气相对湿度较大，和压缩过程产生余热没有得到利用的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，该系统可以利用空气压缩过程产生的余热，达到去除压缩前空气中大部分水蒸气以及在下级压缩前预冷空气的目的。
一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，包括：
空气流路，包括依次连通的预除湿器、一级空压机、高温蒸发器、中温蒸发器、水冷却器、低温蒸发器以及二级空压机；
LiBr溶液吸收再生回路，包括LiBr溶液再生器，所述预除湿器的LiBr溶液出口及入口分别与LiBr溶液再生器连通构成回路；
LiBr溶液再生热源回路，包括换热管路，该换热管路中的循环工质流经高温蒸发器和LiBr溶液再生器，吸收高温蒸发器的热量输送至LiBr溶液再生器；
有机朗肯循环回路，包括膨胀机和第一冷凝器，该回路中的循环工质一部分进入LiBr溶液再生器与其中的水蒸气进行换热，一部分进入中温蒸发器回收其中的热量，为蒸气压缩制冷循环回路中的压缩机提供能量；
蒸气压缩制冷循环回路，包括压缩机、第二冷凝器和节流阀，该回路中的制冷工质一部分进入预除湿器对其中的LiBr溶液进行冷却，一部分进入低温蒸发器蒸发对低温蒸发器中的空气进行冷却。
本发明的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统不仅可以对空气进行预除湿，减少了空压机压缩水蒸气消耗的功，由于空气水分减少，避免了空压机带液压缩对空压机造成的损害；还可以利用空气压缩过程产生的余热在下级压缩前预冷空气，降低了空压机处理空气的温度，可以减少空压机级数，从而大大降低了系统成本。
空气流路中，环境中的空气首先通过预除湿器，通过LiBr溶液对空气进行除湿与洗涤，并利用蒸汽压缩回路中的制冷工质吸收LiBr溶液的吸收热，间接预冷空气；然后，空气进入一级空压机进行压缩，得到温度、压力较高的空气；之后，依次进入高温蒸发器、中温蒸发器，分别为LiBr再生热源回路、有机朗肯循环提供热量，并且空气温度降低；中温蒸发器出口空气再通过水冷却器，利用冷水回路降温，使中温蒸发器与低温蒸发器产生足够温差，使系统运行；空气再通过低温蒸发器，利用蒸汽压缩制冷循环回路提供的冷量冷却至15℃左右，然后进入二级空压机进行再次压缩。
作为优选，所述的预除湿器中：
LiBr溶液采用平板降膜吸收的方式对空气进行除湿；
所述的制冷工质与LiBr溶液之间采用间壁式换热方式。
进一步优选的，所述的预除湿器包括：
外壳；
若干导热板，所述导热板平行竖立设置在外壳内，形成依次间隔排列的冷却通道和通风通道；
制冷工质在冷却通道内由上至下流动，LiBr溶液在通风通道内的导热板上由上至下流动形成液膜，空气流路横穿通风通道流动。
LiBr溶液在通风通道内的导热板上形成液膜，空气水平通过通风通道，导热板上分布的LiBr溶液液膜对空气进行水分吸收和洗涤，去除空气中的水分和固体粒子污染物。
LiBr浓溶液在预除湿器中吸收水分后被稀释成稀溶液，从预除湿器底部流入LiBr溶液再生器中，稀溶液在LiBr溶液再生器水分蒸发，浓度变大，LiBr溶液再生器出口的浓溶液通过溶液泵泵送至预除湿器中，对空气预除湿和洗涤，完成循环。
作为优选，所述的LiBr溶液再生器包括：
壳体，所述壳体下部为LiBr溶液再生池，所述壳体上部为水蒸气室；
贮水箱，位于所述水蒸气室内，通过排水管与壳体外部相通；
第一热交换器，位于贮水箱内，与有机朗肯循环回路中的循环工质进行换热；
第二热交换器，位于LiBr溶液再生池内，与LiBr溶液再生热源回路中的循环工质进行换热。
LiBr溶液再生器通过LiBr溶液再生热源回路提供热量，使稀溶液中水分蒸发，对LiBr溶液进行再生；稀溶液中的水分蒸发至水蒸气室，水蒸气在贮水箱内通过第一热交换器将热量供给有机朗肯循环回路，水蒸气冷却为液体贮存于贮水箱内，通过排水管排出。
作为优选，所述的LiBr溶液吸收再生回路中还包括溶液热交换器，溶液热交换器的冷端连接在预除湿器的LiBr溶液出口和LiBr溶液再生器的入口之间，溶液热交换器的热端连接在LiBr溶液再生器的出口和预除湿器的LiBr溶液入口之间。
从预除湿器中流出的LiBr稀溶液通过溶液热交换器与LiBr溶液再生器中流出的LiBr浓溶液进行热量交换，达到溶液热交换器出口稀溶液温度升高，溶液热交换器出口浓溶液温度降低的效果。
LiBr溶液再生热源回路中，通过溶液泵提供动力，回路中的工质进入高温蒸发器，吸收空气中的热量；然后进入LiBr溶液再生器中，为LiBr溶液的再生提供热量；而后工质温度降低，再次通过溶液泵进入高温蒸发器换热，完成循环。
作为优选，所述的LiBr溶液再生热源回路中的循环工质为水。
有机朗肯循环回路中，经工质泵加压之后的工质，一部分进入中温蒸发器与空气换热，一部分进入LiBr溶液再生器中与水蒸气进行换热，两股流体汇合得到高温高压的工质流体；然后进入膨胀机，使工质温度和压力下降，并使膨胀机做功，为驱动蒸汽压缩制冷循环回路中的压缩机提供能量；然后工质进入第一冷凝器，利用冷水完成冷却过程，之后工质变为液态，再次通过工质泵进行增压，完成循环。
作为优选，所述的有机朗肯循环回路中的循环工质为R134a制冷工质。
蒸汽压缩制冷循环回路中，工质通过压缩机进行压缩，得到高温高压工质；然后进入第二冷凝器；冷却后的工质进入节流阀节流，得到低温低压工质流体；一部分流体进入低温蒸发器蒸发，并冷却低温蒸发器中的空气，另一部分流体作为制冷工质，对预除湿器中的LiBr溶液进行冷却，吸收LiBr溶液吸收水分产生的吸收热，从而间接冷却空气；两部分气体进行冷却之后汇合，再次进入压缩机进行压缩，完成循环。
作为优选，所述的蒸气压缩制冷循环回路的循环工质为R134a制冷工质。
作为优选，所述的第一冷凝器和第二冷凝器为同一个冷凝器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用了空气分离过程中空压机在压缩过程中产生的余热为热源，对进入下一级空压机的空气进行冷却，不再简单利用5℃～10℃的低温水进行冷却，节约能源；
(2)本发明利用LiBr溶液的吸水特性，吸收空气中的水分，除湿并洗涤空气，减少了空压机压缩水蒸气消耗的功；另外，由于空气水分减少，避免了空压机带液压缩对空压机造成的损害；
(3)本发明利用有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷循环，以空压机余热为热源，对进入下一级空压机的空气进行预冷，降低了空压机处理空气的温度，可以减少空压机级数，从而大大降低了系统成本。
附图说明
图1为本发明用于空气分离的空气预除湿及预冷系统的结构示意图；
图2为预除湿器中各流体组织的结构示意图；
图3为LiBr溶液再生器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，包括一条空气流路和四个循环回路。四个循环回路分别为：LiBr溶液吸收再生回路、LiBr溶液再生热源回路、有机朗肯循环回路和蒸气压缩制冷循环回路。
空气流路，包括预除湿器1、一级空压机2、高温蒸发器3、中温蒸发器4、水冷却器5、低温蒸发器6以及二级空压机7；分别通过空气供给管道A2～A7依次连通。
空气通过管道A1进入预除湿器1的空气流路进口，空气预除湿器1的空气流路出口通过管道A2与一级空压机2进口相连；一级空压机2出口通过管道A3与高温蒸发器3热端进口相连；高温蒸发器3热端出口与中温蒸发器4进口、中温蒸发器4出口与水冷却器5进口、水冷却器5出口与低温蒸发器6进口、低温蒸发器6出口与二级压缩机7进口分别通过管道A4～A7相连，最后通过管道A8从二级压缩机7的出口进入后面的工序。
如图2所示，结合图1可见，预除湿器1中，具有空气、制冷工质与LiBr溶液三种流路组织形式。其中，高导热板1001将预除湿器1空间分为2类区域：依次间隔分布的窄侧和宽侧。制冷工质流路1002在窄侧空间垂直向下流动；LiBr溶液流路1003在宽侧空间高导热板1001壁面形成液膜，通过高导热板1001与制冷工质流路1002进行热量交换，并垂直向下流动，在预除湿器1底部富集LiBr稀溶液；空气流路1004在宽侧空间垂直于纸面流动，期间与LiBr溶液液膜进行传热传质。高导热板1001为LiBr溶液液膜的形成提供了条件，并且将制冷工质流路1002与LiBr溶液流路1003、空气流路1004分隔开来，达到利用制冷工质吸收LiBr溶液的吸收热，间接冷却空气的目的。
空气预除湿器1底部LiBr溶液流路出口，通过管道B1与溶液热交换器8冷端进口相连，在溶液热交换器8中低温LiBr稀溶液与高温LiBr浓溶液进行换热；溶液热交换器8冷端出口，通过管道B2连接与LiBr溶液再生器10底部；将溶液泵9放置于LiBr溶液再生器10中部与溶液热交换器8热端进口之间的管道B3上，以运送LiBr浓溶液；溶液热交换器8热端出口，通过管道B4与空气预除湿器1顶部LiBr溶液流路进口相连，形成LiBr溶液吸收再生回路。
如图3所示，结合图1可见，LiBr溶液再生器10包括壳体101、第一热交换器102和第二热交换器104，贮水箱103。LiBr稀溶液通过管道B2进入壳体101，通过热交换器104与LiBr溶液再生热源回路工质水进行换热，得到LiBr浓溶液，通过管道B3排出。另外，在低压环境下，水蒸气上升，通过第一热交换器102与有机朗肯循环回路工质R134a进行换热，得到液态水贮存于贮水箱103中，并通过管道排出。
LiBr溶液再生器10中，第二热交换器104进口通过管道C1与高温蒸发器3热端出口相连，利用工质水为LiBr溶液再生提供热源；溶液泵11放置于第二热交换器104出口与高温蒸发器3热端进口之间的管道C2上，形成LiBr溶液再生热源回路。
LiBr溶液再生器10中，第一热交换器102的进出口分别通过管道D4和D1与工质泵15和膨胀机12进口相连，为有机朗肯循环提供部分热源；此外，中温蒸发器4热端进出口分别通过管道D4和D5与与工质泵15和膨胀机12进口相连相连，为有机朗肯循环提供另一部分热源。膨胀机12出口通过管道D2与冷凝器14的一个热端流道进口相连，对应该热端流道进口的出口通过管道D3与工质泵15相连，形成有机朗肯循环回路。
其中，冷凝器14采用冷冻水冷却，工质泵15用于提高有机朗肯循环工质的压力。
冷凝器14的另一个热端流道进口通过管道E2与压缩机13出口相连，对应该热端流道进口的出口通过管道E3与节流阀16相连。其中，压缩机13的功耗由膨胀机12提供。空气预除湿器1的制冷工质流路，分别通过管道E4和E6与节流阀16出口与压缩机13进口相连；低温蒸发器6，也放置在节流阀16出口和压缩机13入口之间的管道E5上。由节流阀16流出的制冷工质一部分通过管道E4进入空气预除湿器1中对LiBr溶液进行冷却，然后由管道E6排出；另一部分制冷工质流体进入低温蒸发器6，对空气进行冷却，从而使空压机工作损耗减少。制冷工质流过低温蒸发器6后通过管道E5流出，并与管道E6中的制冷工质混合，然后通过管道E1流入压缩机13，形成蒸气压缩制冷循环回路。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，包括：
空气流路，包括依次连通的预除湿器、一级空压机、高温蒸发器、中温蒸发器、水冷却器、低温蒸发器以及二级空压机；
LiBr溶液吸收再生回路，包括LiBr溶液再生器，所述预除湿器的LiBr溶液出口及入口分别与LiBr溶液再生器连通构成回路；
LiBr溶液再生热源回路，包括换热管路，该换热管路中的循环工质流经高温蒸发器和LiBr溶液再生器，吸收高温蒸发器的热量输送至LiBr溶液再生器；
有机朗肯循环回路，包括膨胀机和第一冷凝器，该回路中的循环工质一部分进入LiBr溶液再生器与其中的水蒸气进行换热，一部分进入中温蒸发器回收其中的热量，为蒸气压缩制冷循环回路中的压缩机提供能量；
蒸气压缩制冷循环回路，包括压缩机、第二冷凝器和节流阀，该回路中的制冷工质一部分进入预除湿器对其中的LiBr溶液进行冷却，一部分进入低温蒸发器蒸发对低温蒸发器中的空气进行冷却。
2.根据权利要求1所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的预除湿器中：
LiBr溶液采用平板降膜吸收的方式对空气进行除湿；
所述的制冷工质与LiBr溶液之间采用间壁式换热方式。
3.根据权利要求1或2所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的预除湿器包括：
外壳；
若干导热板，所述导热板平行竖立设置在外壳内，形成依次间隔排列的冷却通道和通风通道；
制冷工质在冷却通道内由上至下流动，LiBr溶液在通风通道内的导热板上由上至下流动形成液膜，空气流路横穿通风通道流动。
4.根据权利要求1所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的LiBr溶液再生器包括：
壳体，所述壳体下部为LiBr溶液再生池，所述壳体上部为水蒸气室；
贮水箱，位于所述水蒸气室内，通过排水管与壳体外部相通；
第一热交换器，位于贮水箱内，与有机朗肯循环回路中的循环工质进行换热；
第二热交换器，位于LiBr溶液再生池内，与LiBr溶液再生热源回路中的循环工质进行换热。
5.根据权利要求1所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的LiBr溶液吸收再生回路中还包括溶液热交换器，溶液热交换器的冷端连接在预除湿器的LiBr溶液出口和LiBr溶液再生器的入口之间，溶液热交换器的热端连接在LiBr溶液再生器的出口和预除湿器的LiBr溶液入口之间。
6.根据权利要求1所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的第一冷凝器和第二冷凝器为同一个冷凝器。
7.根据权利要求1所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的有机朗肯循环回路中的循环工质为R134a制冷工质。
8.根据权利要求1所述的用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其特征在于，所述的蒸气压缩制冷循环回路的循环工质为R134a制冷工质。
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