CN110332763A - 利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统，包括用于供应处于常温常压下的目标气体的目标气体供应单元(10)，第一换热器(20)、第二换热器(30)、增压泵(40)和废冷供应单元(50)；目标气体供应单元(10)、第一换热器(20)的第一流体通道、第二换热器(30)的第一流体通道、增压泵(40)、以及第一换热器(20)的第二流体通道顺次流体连通，构成冷却液化‑增压单元，用于将该目标气体冷却并压缩到期望的压力；该废冷供应单元(50)与第二换热器(30)的第二流体通道流体连通，用于给第二换热器供应冷量。在本发明中，通过利用废冷，能够有助于降低冷却和压缩气体所需的能量，例如电力。并且，利用根据本发明的系统，能够更安全地压缩危险气体。
Description
技术领域
本发明属于气体压缩领域，尤其涉及利用废冷辅助液化循环来压缩气体尤其是危险性气体的系统和方法。
背景技术
在化工生产过程中，当涉及到使用高压气体(例如乙烯、乙炔等)时，常将气体利用压缩机压缩到高压。在气体压缩过程中，气体的温度通常会升高，从而导致存在潜在风险，例如引起乙烯或乙炔气泄漏爆炸。同时，由于气体压缩接近于绝热压缩，从而会消耗巨大能量。
另外，在化工领域，工厂中为了获得氮气，通常将液氮直接利用空气气化，这导致液氮冷量的浪费。
发明内容
本发明的目的是充分利用工厂中的废冷，尤其是液氮的废冷，通过新的液化循环压缩目标气体例如易燃易爆气体，从而显著减小压缩目标气体所需的电力，同时使气体的压缩更安全。
为此，本发明提供一种利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统，包括用于供应处于常温常压下的目标气体的目标气体供应单元，第一换热器，第二换热器，增压泵和废冷供应单元；该目标气体供应单元、该第一换热器的第一流体通道、该第二换热器的第一流体通道、该增压泵、以及该第一换热器的第二流体通道顺次流体连通，构成冷却液化-增压单元，用于将该目标气体冷却并压缩到期望的压力；该废冷供应单元与该第二换热器的第二流体通道流体连通，用于给该第二换热器供应冷量。通过上述系统，能够有效利用废冷来压缩目标气体，从而显著减小压缩目标气体所需的电力，同时使气体的压缩更安全。
在本发明中，有利的是，废冷供应单元可以为用于供应液氮的液氮供应单元，其与该第二换热器相结合构成液氮气化单元，用于将来自该液氮供应单元的液氮气化成氮气。
在本发明的一个方案中，利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统还可包括与第二换热器的第二流体通道流体连通的第一接收单元，用于接收由该第二换热器气化的氮气。
根据本发明的一个方案，利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统还包括与该第一换热器的第二流体通道流体连通的第二接收单元，用于接收经压缩的目标气体。
在本发明的一个方案中，当废冷供应单元所提供的冷量不够时，所述系统还可以包括辅助压缩单元，该辅助压缩单元包括第三换热器、气体压缩机、以及具有第一入口和第二入口的混合器，其中该气体压缩机的出口、该第三换热器的第一流体通道和该混合器的第一入口依次流体连通，所述第一换热器的第二流体通道与该混合器的第二入口流体连通，其中该第三换热器的第二流体通道与该第二换热器的第二流体通道流体连通。
在本发明中，利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统还可包括与该混合器的出口流体连通的第三接收单元，其用于接收经该混合器混合的目标气体，并且该辅助压缩单元中的气体压缩机可连接到所述目标气体供应单元。
在本发明中，有利的是，利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统中的目标气体可以为乙炔、乙烯等的危险性气体。
本发明还涉及通过上述用于压缩气体的系统对目标气体进行压缩的方法，包括以下步骤：使来自目标气体供应单元的目标气体流穿过第一换热器的第一流体通道，以降低该目标气体的温度或至少部分液化该目标气体；通过该废冷供应单元给该第二热交器提供冷量，同时使经冷却的该目标气体或至少部分液化的目标气体穿过该第二换热器的第一流体通道，该目标气体或至少部分液化的目标气体吸收所述冷量，使其温度进一步降低，从而完全液化；使来自第二换热器的经液化的目标气体穿过增压泵，并由该增压泵将其加压到期望的压力；和使经加压的液化的目标气体穿过该第一换热器的第二流体通道，吸收来自该第一热交换器的第一流体通道的目标气体流的热量，变成经压缩的目标气体流或部分液化的目标气体。
在本发明中，该废冷供应单元可以是用于供应液氮的液氮供应单元，来自液氮供应单元的液氮流体穿过该第二热交器的第二流体通道，液氮吸收该目标气体或至少部分液化的目标气体的热量升温气化为氮气，而该目标气体或至少部分液化的目标气体吸收液氮的冷量。
在一个方案中，本发明的方法还包括以下步骤：使来自该第二换热器的氮气流入第一接收单元；和使来自该第一换热器的第二流体通道的经压缩的目标气体流或部分液化的目标气体流入第二接收单元。
在一个方案中，本发明的方法还包括以下步骤：使目标气体流穿过该气体压缩机进行压缩，以加压到期望的压力；使来自该第二换热器的第二流体通道的氮气流穿过第三换热器的第二流体通道，同时使来自该气体压缩机的出口的经压缩的目标气体流穿过该第三换热器的第一流体通道，以降低所述经压缩的目标气体流的温度，同时升高所述氮气流的温度；使来自该第三换热器的第一流体通道的目标气体流经该混合器的第一入口进入该混合器；使得来自所述第一换热器的第二流体通道的经压缩的目标气体或部分液化的目标气体经该混合器的第二入口进入该混合器；和使来自该第三换热器的第一流体通道的目标气体流和来自所述第一换热器的第二流体通道的经压缩的目标气体或部分液化的目标气体在所述混合器中混合，以获得具有期望压力和温度的目标气体。
在上述方法的一个方案中，还包括使经该混合器混合的目标气体流入第三接收单元的步骤。
在本发明中，通过利用废冷，能够有助于降低压缩气体例如危险性气体所需的能量，例如电力。并且，利用根据本发明的系统，能够更安全地压缩危险气体。
本发明的核心原理是：不直接压缩气体，而是先将气体液化成液体，再通过增压泵给该液体加压，然后再将加压后的液体升温气化。因为液化后的液体温度很低，所以大大减少了爆炸的危险，同时由于液体具有接近于不可压缩流体的特性，使得在相同压比下，液体压缩能耗远远小于气体(取决于物理性质，约为百分之一到十分之一之间)。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的一个实施例的示意图；
图2是根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的另一个实施例的示意图；
图3是根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的又一个实施例的示意图；和
图4是根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图并通过实施例来描述根据本发明实现的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。
图1示出了根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的一个实施例。从图中可以看出，利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统可包括用于供应处于常温常压下的目标气体的目标气体供应装置10，第一换热器20，第二换热器30，增压泵40和废冷供应单元50。第一换热器20和第二换热器30的结构相同或相似，且均具有热流体通道，即第一流体通道；和冷流体通道，即第二流体通道。第一流体通道和第二流体通道彼此密封，使得从它们中穿过的流体彼此不直接接触。在该实施例中，目标气体供应装置10、第一换热器20的第一流体通道、该第二换热器30的第一流体通道、增压泵40、以及第一换热器20的第二流体通道顺次流体连通，构成冷却-压缩单元，用于将该目标气体冷却并压缩到具有期望的压力和温度，该废冷供应单元50与该第二换热器30的第二流体通道流体连通，用于给第二换热器供给冷量。
在该实施例中，该废冷供应单元例如为用于供应液氮的液氮供应单元，其与该第二换热器30相结合构成液氮气化单元，用于将来自该液氮供应单元的液氮气化成氮气。在本发明中，液氮也可以替代为液氨。
下面举例说明图1中利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的运行过程。目标气体供应单元10中存储的为32℃，压力为1bar的乙炔气体(C2H2)，乙炔气体流0以1000kg/h的流速供应到第一换热器20的第一流体通道内，乙炔气体流0吸收第一换热器20的第二流体通道内的冷量后，温度降低至-85.24℃，在该温度下乙炔气体液化为乙炔液体，流速不变，标记为乙炔液体流1，；乙炔液体流1随后进入第二换热器30的第一流体通道，并从该第二换热器30的第二流体通道吸收冷量，由此进一步降低温度变为温度为-150℃的乙炔液体流2；同时，来自液氮供应单元50的-195.9℃的液氮以2684kg/h的流速流经该第二换热器30的第二流体通道，吸收来自乙炔液体流1的热量，气化为-160℃的氮气；接下来，乙炔液体流2流经增压泵40并经其加压后流入该第一换热器20的第二流体通道，吸收来自该第一换热器的第一流体通道中的乙炔气体流0的热量，升温至为-63.74℃、压力为3bar的乙炔气体流4。上述系统通过利用液氮转换为氮气的废冷，和直接用气体压缩机压缩常温常压的乙炔气体流相比，所消耗的电力显著降低例如降低可达99％，并且显著改善了压缩乙炔气体的安全性。
应当理解，在其它替代方案中，若第一换热器中提供的冷量较小时，乙炔气体流0吸收第一换热器20的第二流体通道内的冷量后，可以冷却至温度较低的乙炔气体流或部分液化的乙炔气体，这些也涵盖在本申请的保护范围内。另外，根据吸收来自该第一换热器的第一流体通道中的乙炔气体流0的热量的大小不同，从该第一换热器20的第二流体通道流出的也可以部分液化的乙炔气体，即乙炔气体和液体的混合物。上述替代方案同样适用于下面描述的各实施例。
图2示出了根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的另一个实施例；该实施例与图1所示实施例的区在于该系统还包括与该第二换热器30的第二流体通道流体连通的第一接收单元60，用于接收由该第二换热器30气化的低温氮气。并且，该系统还可包括与该第一换热器20的第二流体通道流体连通的第二接收单元70，例如反应釜，用于接收经压缩的目标气体例如乙炔气体。
图3示出了根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的另一个实施例；其与图1所示实施例的区别在于该系统还包括辅助压缩单元。提供辅助压缩单元是有利的，尤其是当废冷供应单元所提供的冷量不足以使压缩气体的系统连续运行时。从图中可以看出，该辅助压缩单元包括第三换热器90、气体压缩机9、和具有第一入口80a和第二入口80b的混合器80，其中该气体压缩机9的出口、该第三换热器90的第一流体通道和该混合器80的第一入口80a依次流体连通，第一换热器20的第二流体通道与该混合器80的第二入口80b流体连通，其中该第三换热器90的第二流体通道与该第二换热器30的第二流体通道流体连通，用于接收低温氮气流。
图4示出了示出了根据本发明的利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的又一个实施例，与图3所示的实施例相比，区别仅在于该系统还包括与该混合器80的出口流体连通的第三接收单元，例如反应釜(未示出)，用于接收经该混合器混合的目标气体，并且该气体压缩机9连接到供应处于常温常压状态的目标气体的目标气体供应单元10。在本发明中，目标气体为例如选自乙炔、乙烯等的危险性气体。
下面举例说明图4中利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统的运行过程。目标气体供应单元10中存储的为32℃，压力为1bar的乙炔气体(C2H2)，乙炔气体流0以1000kg/h的流速供应到第一换热器20的第一流体通道内，吸收第一换热器20的第二流体通道内的冷量后，温度降低至-85.24℃，在该温度下乙炔气体液化为乙炔液体，流速不变，标记为乙炔液体流1；乙炔液体流1随后进入第二换热器30的第一流体通道，并从该第二换热器30的第二流体通道吸收冷量，由此进一步降低温度变为温度为-150℃的乙炔液体流，标记为乙炔液体流2；同时，来自液氮供应单元50的-195.9℃的液氮以2684kg/h的流速流经该第二换热器30的第二流体通道，吸收来自乙炔液体流1的热量，气化为-160℃的氮气；接下来，乙炔液体流2流经增压泵40并经其加压后流入该第一换热器20的第二流体通道，吸收来自第一换热器20的第一流体通道的乙炔气体流0的热量，升温至为-63.74℃、压力为3bar的乙炔气体流4，随后乙炔气体流4经混合器80的第一入口80a进入混合器内；另一路乙炔气体例如来自目标气体供应单元10的乙炔气体流5以7000kg/h的流速引入气体压缩机9中直接进行压缩，压缩后的乙炔气体流6的温度为118.4℃、压力为3bar，然后该加压后的乙炔气体流6进入第三换热器90的第一流体通道，吸收穿过第三换热器90的第二流体通道的低温氮气(-160℃)的冷量，温度降低至78.81℃,标记为乙炔气体流7，该乙炔气流体流7随后经混合器80的第二入口80b进入该混合器，同时，低温氮气吸收流经第三换热器90的第一流体通道的乙炔气体流6后温度升高至30℃。来自第一换热器20的-63.74℃、3bar的乙炔气体流4与来自第三换热器的78.81℃、3bar的乙炔气体流7混合，从混合器80的出口输出温度为29.88℃、3bar的乙炔气体流。
上述系统通过利用液氮转换为氮气的废冷，和仅直接用气体压缩机压缩常温常压的乙炔气体流相比，所消耗的电力显著降低，例如降低为仅直接用气体压缩机压缩的12％。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (12)
1.一种利用废冷辅助液化循环来压缩气体的系统，包括用于供应处于常温常压下的目标气体的目标气体供应单元(10)，第一换热器(20)，第二换热器(30)，增压泵(40)和废冷供应单元(50)；
该目标气体供应单元(10)、该第一换热器(20)的第一流体通道、该第二换热器(30)的第一流体通道、该增压泵(40)、以及该第一换热器(20)的第二流体通道顺次流体连通，构成冷却液化-增压单元，用于将该目标气体冷却并压缩到期望的压力；
该废冷供应单元(50)与该第二换热器(30)的第二流体通道流体连通，用于给该第二换热器供应冷量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，该废冷供应单元为用于供应液氮的液氮供应单元，其与该第二换热器相结合构成液氮气化单元，用于将来自该液氮供应单元的液氮气化成氮气。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，还包括与该第二换热器(30)的第二流体通道流体连通的第一接收单元(60)，用于接收由该第二换热器(30)气化的氮气。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，还包括与该第一换热器(20)的第二流体通道流体连通的第二接收单元(70)，用于接收经压缩的目标气体。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，还包括辅助压缩单元，该辅助压缩单元包括第三换热器(90)、气体压缩机(9)、和具有第一入口(80a)和第二入口(80b)的混合器(80)，其中该气体压缩机(9)的出口、该第三换热器(90)的第一流体通道和该混合器(80)的第一入口(80a)依次流体连通，所述第一换热器(20)的第二流体通道与该混合器(80)的第二入口(80b)流体连通，其中该第三换热器(90)的第二流体通道与该第二换热器(30)的第二流体通道流体连通。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，还包括与该混合器(80)的出口流体连通的第三接收单元(90)，其用于接收经该混合器混合的目标气体，并且该气体压缩机(9)连接到该目标气体供应单元(10)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述目标气体为选自乙炔或乙烯的危险性气体。
8.一种利用根据权利要求1至7中任一项所述的系统对目标气体进行压缩的方法，包括以下步骤：
使来自目标气体供应单元的目标气体流穿过第一换热器的第一流体通道，以降低该目标气体的温度或至少部分液化该目标气体；
通过该废冷供应单元给该第二热交器提供冷量，同时使经冷却的该目标气体或至少部分液化的目标气体穿过该第二换热器的第一流体通道，该目标气体或至少部分液化的目标气体吸收所述冷量，使其温度进一步降低，从而完全液化；
使来自第二换热器的经液化的目标气体穿过增压泵，并由该增压泵将其加压到期望的压力；和
使经加压的液化的目标气体穿过该第一换热器的第二流体通道，吸收来自该第一热交换器的第一流体通道的目标气体流的热量，变成经压缩的目标气体流或部分液化的目标气体。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该废冷供应单元为用于供应液氮的液氮供应单元，来自该液氮供应单元的液氮流体穿过该第二热交器的第二流体通道，液氮吸收该目标气体或至少部分液化的目标气体的热量升温气化为氮气，而该目标气体或至少部分液化的目标气体吸收液氮的冷量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，还包括以下步骤：
使来自该第二换热器的氮气流入第一接收单元；和
使来自该第一换热器的第二流体通道的经压缩的目标气体流或部分液化的目标气体流入第二接收单元。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括以下步骤：
使目标气体流穿过该气体压缩机进行压缩，以加压到期望的压力；
使来自该第二换热器的第二流体通道的氮气流穿过第三换热器的第二流体通道，同时使来自该气体压缩机的出口的经压缩的目标气体流穿过该第三换热器的第一流体通道，以降低所述经压缩的目标气体流的温度，同时升高所述氮气流的温度；
使来自该第三换热器的第一流体通道的目标气体流经该混合器的第一入口进入该混合器；
使得来自所述第一换热器的第二流体通道的经压缩目标气体流或部分液化的目标气体经该混合器的第二入口进入该混合器；和
使来自该第三换热器的第一流体通道的目标气体流和来自所述第一换热器的第二流体通道的经压缩的目标气体流或部分液化的目标气体流在所述混合器中混合，以获得具有期望压力和温度的目标气体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括使经该混合器混合的目标气体流入第三接收单元的步骤。
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2019
- 2019-08-06 CN CN201910722226.5A patent/CN110332763B/zh active Active
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