CN113120907B - 一种高纯二氧化碳提纯装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种高纯二氧化碳提纯装置，其一包括原料气库，原料气库的排气端上连通有一加热器，加热器的另一端连通有一纯化器，纯化器的另一端设置有精馏塔，精馏塔内设置有制冷机，所述原料气库与加热器之间设置有用于对进入加热器之前的液态原料气预热，并对进入精馏塔之前的气态原料气预冷的热交换器，所述热交换器包括换热外管，换热外管靠近两端的外周面上分别设置有一进口和一出口，换热外管内穿设有若干容容纳气态原料气进入的换热内管，换热外管的两端各设置有一将换热外管端部封堵的封板，换热内管穿过封板并与封板密封。本申请具有减少二氧化碳提纯过程中能源的浪费的效果。

Description

一种高纯二氧化碳提纯装置
技术领域
本申请涉及气体提纯的领域，尤其是涉及一种高纯二氧化碳提纯装置。
背景技术
二氧化碳是一种宝贵的资源，广泛的应用于化工，机械，工业，食品，医药等多种领域。二氧化碳粗成品中还有较多的氮气，氧气，水蒸气，烃类化合物等杂质，需要经过提纯才能进行使用。
根据国标GB/T 51316-2018公开的二氧化碳提纯主要包括气体预处理、二氧化碳吸收解析、二氧化碳压缩、二氧化碳脱水、二氧化碳液化等工序。
在提纯过程中，需要反复对二氧化碳进行加热和冷却，从而浪费大量的能源。
发明内容
为了减少二氧化碳提纯过程中能源的浪费，本申请提供一种高纯二氧化碳提纯装置。
本申请提供的一种高纯二氧化碳提纯装置采用如下的技术方案：
一种高纯二氧化碳提纯装置，包括原料气库，原料气库的排气端上连通有一用于将液态原料气加热为气态的加热器，加热器的另一端连通有一纯化器，纯化器的另一端设置有精馏塔，精馏塔内设置有制冷机，所述原料气库与加热器之间设置有用于对进入加热器之前的液态原料气预热，并对进入精馏塔之前的气态原料气预冷的热交换器，所述热交换器包括换热外管，换热外管靠近两端的外周面上分别设置有一进口和一出口，换热外管内穿设有若干容容纳气态原料气流通的换热内管，换热外管的两端各设置有一将换热外管端部封堵的封板，换热内管穿过封板并与封板密封。
通过采用上述技术方案，液态原料气与气态原料气通过换热内管的管壁进行热交换：液态原料气吸收气态原料气中的热量，进而液态原料气在进入加热器之前被预热；而气态原料气在进入精馏塔之前放出热量，气态原料气被预冷。两个阶段的原料气之间热量交换，节省了能源。
可选的，所述换热内管内设置有若干导流板，导流板在换热内管内绕换热内管的轴线成螺旋状排布。
通过采用上述技术方案，导流板的设置使得液态原料气在换热外管内呈螺旋状流动，进而使得液态原料气可以更加充分与换热内管的外周面相互接触，从而延长了换热时间，并且增大了液体流动时的湍流，使得远离换热内管的流动层可以随液体的湍流与换热内管壁更加充分的接触，从而提高了换热效率。
可选的，所述进口和出口各设置有一分流盒，分流盒固接在换热外管的外周面上并且分流盒背离换热外管的一侧的端面逐渐缩小，分流盒内设置有若干分流片，若干分流片分别朝向若干导流板设置。
通过采用上述技术方案，当液态原料气从进口进入换热外管内部时，通过分流板后，分布在不同的导流板空隙内，从而使液态原料气可以更加均匀的分布换热外管内。
可选的，所述分流盒背离换热外管的一端设置有一用于运输液态原料气的导管，导管的端部固接有一安装法兰，对应分流盒背离换热外管的一侧开设有与安装法兰相互配合的安装螺孔。
通过采用上述技术方案，导管与分流盒通过安装法兰相互连接，从而方便了设备安装与维护。
可选的，所述换热内管的周面上固接有若干扰流环，若干扰流环沿换热内管的轴线间隔设置。
通过采用上述技术方案，当液态原料气在换热内管的外侧流动时，液态原料气与扰流环接触，从而进一步的破坏了液体的层流状态，使得液体流动更加混乱，使得液体各处的温度高分布更加均匀。
可选的，所述扰流环外侧壁为一外锥面，外锥面的大头端朝向换热外管进口设置。
通过采用上述技术方案，外锥面大头端朝向液体流动方向设置，从而提高了对液态原料气流动扰乱效果，提高了换热效率。
可选的，所述封板与换热外管为法兰连接，换热内管上固接有两个定位环，两个定位环分别靠近对应的封板设置，并当封板与换热外管连接后，定位环与封板相互抵接。
通过采用上述技术方案，封板与换热外管通过法兰连接，从而方便了对将换热内管从换热外管中拆除，进而对换热内管和扰流环等进行清洗或更换，提高了维护的便捷性。定位环与封板的相互抵接，提高了换热内管安装的稳定性以及换热内管与封板之间的密封性。
可选的，所述纯化器包括纯化罐，纯化罐内由下至上依次设置有脱水吸附板和脱烃吸附板，纯化器的下端为进气端，上端为出气端，纯化器至少设置有两个，并且两个纯化器的进气端同时连接有一第一连接管，两个出气端同时连接有一第二连接管；纯化罐的进气端和出气端均设置有阀门。
通过采用上述技术方案，气态原料气从下端进入纯化罐内并依次通过脱水吸附板和脱烃吸附板，从而去除二氧化碳气体中混杂的水以及烃类化合物等杂质，提高了二氧化碳气体的纯度。第一连接管和第二连接管将两个纯化器并联，工作人员可以通过阀门控制两个纯化器分别处于工作状态和再生状态，进而提高了生产的连续性。
可选的，所述纯化器内还设置有脱附组件，所述脱附组件包括设置在纯化器内的电加热丝，纯化器的上端还连接有一洗脱气源，纯化器的下端设置有洗脱出气口。
通过采用上述技术方案，脱附组件设置，使得纯化器在吸附饱和后可以开启脱附组件，电加热丝工作，纯化罐内温度升高，吸附剂中吸附的杂质脱附出来，然后工作人员在纯化罐的上端向下吹入洗脱气源，并将杂质从下方洗脱出气口吹出纯化罐。洗脱气流方向与纯化气流方向相反的设置，方便了烃类杂质从纯化罐内吹出，并且减少了脱烃吸附板接触过多的水蒸气，从而影响吸附性能的情况。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.换热器的设置，使得纯化前与精馏前的原料气体之间可以进行换热，进而可以对与原料气体进行预冷和预热，降低了能耗；
2.换热板和扰流环的设置，提高了液态原料气与换热内管外壁的接触时长以及液体与换热内管的热交换效率，进而提高了液态原料气与气态原料气之间的换热；
3.脱附组件的设置，方便了纯化器内吸附剂的再生，提高了操作的便捷性。
附图说明
图1是本申请实施例中高纯二氧化碳提纯装置的整体结构示意图；
图2是换热器的整体结构示意图；
图3是体现换热器内部结构的示意图；
图4是体现纯化罐的内部结构示意图。
附图标记说明：1、换热外管；11、进口；12、出口；13、固定法兰环；2、换热内管；21、定位环；22、导流板；23、扰流环；3、封板；4、分流盒；41、安装法兰；42、导管；43、分流片；5、纯化罐；51、脱水吸附板；52、脱烃吸附板；53、进气端；54、出气端；55、第一连接管；56、第二连接管；6、脱附组件；61、电加热丝；62、洗脱进气口；63、洗脱出气口。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种高纯二氧化碳提纯装置。参照图1，一种高纯二氧化碳提纯装置包括原料气库，换热器，加热器，纯化器，精馏塔。
原料气库中存放有待提纯的二氧化碳气源，整套体系内压强为1.5MPA。并且原料气库内放出二氧化碳为液态。加热器用于将液态原料气加热，使之气化为气态原料气，并通入纯化器内；纯化器用于吸附去除二氧化碳气体中混杂的水以及烃类化合物等杂质；经过纯化器纯化后的气体进入精馏塔内，精馏塔内设置有制冷机，二氧化碳在精馏塔内冷却并液化。由于二氧化碳在1.5MPa下沸点远高于氮气和氧气在1.5MPa下的沸点，从而二氧化碳更加容易液化，并与氮气以及氧气相互分离，从而实现了二氧化碳的提纯。
由于提纯过程中需要对二氧化碳先加热后冷却，为了减少了能量的损失，进入加热器之前的液态原料气与进入精馏塔之前的气态原料气会通入到换热器内进行热交换。
如图2和图3所示，换热器包括换热外管1，换热外管1的内穿设有若干换热内管2。换热外管1与换热内管2之间通有液态原料气，换热内管2内通有气态原料气。从而液态原料气与气态原料气通过换热内管2的管壁进行热交换：液态原料气吸收气态原料气中的热量，进而液态原料气在进入加热器之前被预热；而气态原料气在进入精馏塔之前放出热量，气态原料气被预冷。两个阶段的原料气之间热量交换，节省了能源。
换热外管1的两端各设置有一封板3，封板3上开设有若干容纳换热内管2穿入的通孔。当换热内管2穿过封板3后，换热内管2的外周面与通孔内壁相互抵接密封。换热外管1的外周面上还设置有一个进口11和一个出口12，进口11和出口12均与换热外管1内部相互连通，进口11和出口12分别位于换热外管1的两侧并且进口11和出口12分别靠近换热外管1的两端设置。进口11位于出口12的下方，当换热器工作时液态原料气从进口11进入换热外管1并充满在换热外管1内部后从出口12流出。
封板3与换热外管1为法兰连接，具体的换热外管1的外周面固接有一固定法兰环13，封板3和固定法兰环13之间同时穿设有螺栓，螺栓上螺纹配合有螺母，通过螺栓与螺母之间的螺纹配合从而固定法兰与封板3相互闭合密封。换热内管2的外周面还固接有定位环21，每根换热内管2上定位环21设置有两个，两个定位环21分别与两个封板3相互抵接。定位环21的设置，当两个封板3与换热外管1相互连接后，定位环21与封板3相互抵接，从而将换热内管2固定，提高了换热外管1与换热内管2之间相互连接的稳定性。
如图3所示，换热外管1内设置有导流板22，导流板22整体绕换热外管1的轴线螺旋设置，导流板22的外侧壁与换热外管1的内侧壁抵接。导流板22设置有四个并且四个导流板22沿换热外管1的轴线分布，四个导流板22一体成型设置，换热内管2穿过导流板22。当液态原料气从进口11进入换热外管1内部后，液态原料气通过在导流板22之间呈螺旋状流动，从而延长了液态原料气的流动路径，进而延长了液态原料气与换热内管2的接触时间。导流板22增大了换热内管2的换热面积，提高了热交换效率；导流板22使得液态原料气在换热外管1内的成螺旋状流动，从而减少了液体原料气的层流并且加强了湍流，从而进一步的提高了液态、气态原料气之间的换热效率
如图2和图3所示，进口11和出口12的长度方向平行于换热外管1轴线设置，并且进口11或出口12的长度方向等于四个导流板22的整体间距。进口11和出口12处各设置有一分流盒4，分流盒4固接在进口11或出口12的边沿处。分流盒4远离换热外管1的一端面积小于分流盒4朝向换热外管1一端的面积，分流盒4背离换热外管1的一端设置有导管42。导管42的端部固接有一安装法兰41，对应分流盒4的端面上开设有与安装螺孔，工作人员可以在安装法兰41上穿设有螺栓，并将螺栓旋入安装螺孔内从而导管42与分流盒4相互固定。分流盒4内还设置有分流片43，分流片43设置有三个并且三个分流片43沿分流盒4的长度方向分布。三个分流片43朝向导管42的一边平均分布在导管42的端口处，分流片43朝向进口11或出口12的一侧沿换热外管1的轴线方向平均分布在进口11或开口处。当液态原料气从进口11进入换热外管1内部时，通过分流板后，分布在不同的导流板22空隙内，从而使液态原料气可以更加均匀的分布换热外管1内。
为了进一步的提高液态原料气在换热外管1内流动的无序性，提高液态原料器各个位置温度分布的均一性，换热内管2的外周面还间隔固接有若干扰流环23，扰流环23的外侧面为一锥面并且锥面的大头端朝向换热外管1开设有进口11的一侧。当液态原料气在换热内管2的外侧流动时，液态原料气与扰流环23接触，从而使得液态原料气的内部流动更加混乱，进而使得液态原料气的各个位置的温度分布更加均匀，提高了热交换效率。
如图4所示，上述纯化器包括纯化罐5，纯化罐5内沿高度方向设置有脱水吸附板51和脱烃吸附板52，脱水吸附板51位于脱烃吸附板52下方，脱水吸附板51和脱烃吸附板52上分别包埋有活性氧化铝和碳分子筛等吸附剂。纯化罐5的下端设置有进气端53，上端设置有出气端54，当气态原料气由下端的进气端53进入纯化罐5，并依次通过脱水吸附板51和脱烃吸附板52，从而原料气中的水分以及烃类杂质被吸附去除。
纯化罐5内还设置有用于促进吸附剂再生的脱附组件6，脱附组件6包括设置在纯化罐5内的电加热丝61，纯化罐5的顶端开设有一洗脱进气口62，洗脱进气口62处连通有一洗脱气源，纯化罐5的底壁开设有一供洗脱气源气体流出的洗脱出气口63。洗脱进气口62和洗脱出气口63处均设置有用于控制开闭的阀门。当纯化罐5内部的吸附剂达到吸附饱和后，纯化罐5进入再生状态，即停止向纯化罐5内通入原料气，同时对纯化罐5内部加热，并通入洗脱气源气体，洗脱气源气体可选用高纯度二氧化碳气体。洗脱气源气体由上至下依次吹扫脱烃吸附板52和脱水吸附板51，脱水吸附板51和脱烃吸附板52在电加热丝61的加热下，被吸附的杂质溢出，并随洗脱气源气体从纯化罐5下方的洗脱出气口63中排出，进而方便了纯化罐5的再次使用。
纯化罐5的进气端53和出气端54上均设置有阀门，两个纯化罐5的进气端53同时连接有一第一连接管55，两个纯化罐5的出气端54同时连接有一第二连接管56。从而两个纯化罐5被第一连接管55与第二连接管56相互并联。工作人员可以通过控制纯化罐5上进气端53与出气端54阀门的开闭，从而使得一个纯化罐5处于工作状态，另一纯化罐5处于待机状态。当工作状态的纯化罐5吸附饱和后，工作人员可以搬动阀门控制原料气体通入另一纯化罐5内，从而使得纯化工作可以连续进行，此时工作人员打开吸附饱和的纯化罐5内的脱附组件6，从而进行吸附剂的再生工作。
本申请实施例一种高纯二氧化提纯装置的实施原理为：液态原料气从原料气库中放出后，进入到热交换器内并与换热内管2内的其他原料气进行热交换，从而进行预热，经过预热后的液态原料气进入加热器内加热成气态后进入纯化器内进行吸附提纯，从而取出原料气内部的水蒸气以及烃类杂质。原料气经过纯化器纯化后，进入换热内管2与液态原料气热交换，从而对气态原料气进行预冷，气态原料气经过预冷后，进入精馏塔内被冷却机制冷液，并进行精馏，进而得到纯度在99.995%（体积分数）以上的高纯二氧化碳气体。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：包括原料气库，原料气库的排气端上连通有一用于将液态原料气加热为气态的加热器，加热器的另一端连通有一纯化器，纯化器的另一端设置有精馏塔，精馏塔内设置有制冷机，所述原料气库与加热器之间设置有用于对进入加热器之前的液态原料气预热，并对进入精馏塔之前的气态原料气预冷的热交换器，所述热交换器包括换热外管(1)，换热外管(1)内穿设有若干容纳气态原料气流通的换热内管(2)，换热外管(1)的两端各设置有一将换热外管(1)端部封堵的封板(3)，换热内管(2)穿过封板(3)并与封板(3)密封；
所述换热内管(2)内设置有若干导流板(22)，导流板(22)在换热内管(2)内绕换热内管(2)的轴线成螺旋状排布；
换热外管(1)靠近两端的外周面上分别设置有一进口(11)和一出口(12)，所述进口(11)和所述出口(12)处各设置有一分流盒(4)；所述分流盒(4)背离换热外管(1)的一端设置有导管(42)；
所述分流盒(4)内设置有分别朝向若干导流板(22)设置的若干分流片(43)；
当液态原料气从进口(11)进入换热外管(1)内部时，通过若干分流片(43)后，分布在不同的导流板(22)空隙内。
2.根据权利要求1所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述分流盒(4)固接在换热外管(1)的外周面上并且分流盒(4)背离换热外管(1)的一侧的端面逐渐缩小。
3.根据权利要求2所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述分流盒(4)背离换热外管(1)的一端设置有一用于运输液态原料气的导管(42)，导管(42)的端部固接有一安装法兰(41)，对应分流盒(4)背离换热外管(1)的一侧开设有与安装法兰(41)相互配合的安装螺孔。
4.根据权利要求1所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述换热内管(2)的周面上固接有若干扰流环(23)，若干扰流环(23)沿换热内管(2)的轴线间隔设置。
5.根据权利要求4所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述扰流环(23)的外侧壁为一外锥面，外锥面的大头端朝向换热外管(1)进口(11)设置。
6.根据权利要求1所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述封板(3)与换热外管(1)为法兰连接，换热内管(2)上固接有两个定位环(21)，两个定位环(21)分别靠近对应的封板(3)设置，并当封板(3)与换热外管(1)连接后，定位环(21)与封板(3)相互抵接。
7.根据权利要求1所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述纯化器包括纯化罐(5)，纯化罐(5)内由下至上依次设置有脱水吸附板(51)和脱烃吸附板(52)，纯化器的下端为进气端(53)，上端为出气端(54)，纯化器至少设置有两个，并且两个纯化器的进气端(53)同时连接有一第一连接管(55)，两个出气端(54)同时连接有一第二连接管(56)；纯化罐(5)的进气端(53)和出气端(54)均设置有阀门。
8.根据权利要求7所述的一种高纯二氧化碳提纯装置，其特征在于：所述纯化器内还设置有脱附组件(6)，所述脱附组件(6)包括设置在纯化器内的电加热丝(61)，纯化器的上端还连接有一洗脱气源，纯化器的下端设置有洗脱出气口(63)。
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