CN115900228B - 一种用于变低温气体回收的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种用于变低温气体回收的装置及其使用方法，其中装置至少包括：一个低温稳温系统，一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，相互之间通过管道连通，低温稳温系统由液体存储单元、液体输送单元、液体喷射气化混合单元和控制单元组成，用于调节低温气体的温度；液体存储单元的液体出口通道与液体输送单元的液体入口通道相连，液体输送单元的液体出口通道与所述液体喷射气化混合单元的液体入口通道相连，压缩系统由原料压缩机和循环压缩机组成；原料压缩机的气体出口通道与循环压缩机的气体入口通道相连。本发明可适应不同低温环境下的低温气体，适应范围宽广，能够大幅度提高低温气体回收效率，降低液体产品的单耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于变低温气体回收的装置及其使用方法，更具体的说，通过低温稳温系统，压缩系统，膨胀制冷系统及热交换系统的高效耦合来回收变低温气体用于生产液体的节能装置与方法。
背景技术
工业应用中经常采用低温液体来给设备散热或冷却，如低温风洞试验中，通过向风洞回路喷射液氮并汽化吸收大量热量以降低试验环境温度的方法来获得实验需要的马赫数。因此，低温风洞所排放的干燥干净的低温氮气量非常大，为了减少对周围环境和人员带来的不利影响，需要对这些低温氮气进行加热后高空排放，不仅造成了能源的浪费，而且对环境也造成了一定的影响，不利于节能减排的环保理念，与3060的碳达峰碳中和目标背道而驰。对于低温氮气，其本身具有大量冷量，若采用回收装置进行液化回收，能耗较常规氮液化回收装置具有更优的能耗，因此具有较大的回收意义。但是低温风洞排气的温度不稳定，温度变化区间可达200K以上，不能用常规的常温氮气回收液化装置来回收。为此设计一种用于变低温气体回收的装置及其使用方法，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变低温气体回收的装置及其使用方法，其可以有效实现低温气体的回收利用，而且工艺流程高效可靠、经济性好、操作和维护便捷、可推广性大。同时，此装置和方法可以对不同低温区的气体进行回收液化，从而有效降低液体制备的单耗。
本发明是通过如下的技术方案予以实现的：一种用于变低温气体回收的装置，它至少包括：一个低温稳温系统，一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，相互之间通过管道连通，所述低温稳温系统由液体存储单元、液体输送单元、液体喷射气化混合单元组成，用于调节低温气体的温度；所述液体存储单元的液体出口通道与所述液体输送单元的液体入口通道相连，液体输送单元的液体出口通道与所述液体喷射气化混合单元的液体入口通道相连，所述压缩系统由原料压缩机和循环压缩机组成，可用于对常温气体的压缩；所述原料压缩机的气体出口通道与所述循环压缩机的气体入口通道相连，所述膨胀制冷系统由至少一台增压透平膨胀机组成，为装置提供冷量；所述增压透平膨胀机内设置有增压端和冷却器，该增压端与冷却器串联，所述循环压缩机的出口与所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的入口通道相连接，该透平膨胀机增压端的出口通道与所述的热交换系统连接。
作为优选：所述热交换系统由至少一台换热器和气液分离器组成，用于低温气体冷量回收和气体液化的换热，所述膨胀制冷系统的透平膨胀机增压端的出口通道与所述的热交换系统的换热器的第一入口通道和第二入口通道相连接；所述增压透平膨胀机膨胀端的入口通道与所述换热器的第一出口通道相连接，所述热交换系统的气液分离器的第一入口通道与所述换热器的第二出口通道通过管道和第一节流阀相连接，所述气液分离器的第二入口通道与所述增压透平膨胀机的所述膨胀端的出口通道相连接，所述气液分离器的第一出口通道与所述换热器的第三入口通道相连接，所述换热器的第三出口通道与所述循环压缩机的入口相连接，所述气液分离器的第二出口通道，用于液体产品的输出到液体存储单元。
作为优选：所述热交换系统的液体自过冷器的第一入口通道与所述气液分离器的第二出口通道相连，所述液体自过冷器的第一出口通道通过管道和第二节流阀与所述液体自过冷器的第二入口相连接，所述液体自过冷器的第二出口与所述换热器的第四入口通道相连接，所述换热器的第四出口通道与所述原料压缩机的入口通道相连通，所述换热器的第五入口与所述液体喷射气化混合单元的恒低温气体出口相连通，所述换热器的所述第五出口通道与所述原料压缩机的入口通道相连通。
作为优选：所述液体喷射气化混合单元包括至少一个液体喷孔、气化混合腔室、第一温度测量件和第二温度测量件，该液体喷射气化混合单元的气体入口用来接收变低温气体，所述液体喷射气化混合单元的液体入口通道与所述液体喷孔相连，所述第一温度测量件位于气化混合腔室的中上部，第二温度测量件位于所述气化混合腔室的下部，所述气化混合腔室位于液体喷孔的出口处安装有挡板，用于增加进入所述气化混合腔室的变低温气体的均匀性。
作为优选：所述液体喷射气化混合单元的液体入口通道上还设置有控制阀，在第一温度测量件和第二温度测量件上分别还设置有第一温度测量件的第一传送器和第二温度测量件的第二传送器，通过第一传送器和第二传送器将检测到的温度信号传送给控制单元，以便调控进入所述液体喷射气化混合单元的液体流量。
一种利用上述的用于变低温气体回收的装置的方法，所述方法包括如下步骤：
1）将温度不定的变低温气体制成温度恒定的恒低温气体；
2）将恒低温气体通过两条途径进入至气液分离器；
3）气液分离器将恒低温气体制成常温气排出。
作为优选：所述步骤1）中的具体制作过程为：
液体存储单元的液体经液体输送单元输送并经控制阀调节后的液体进入液体喷射气化混合单元的液体入口通道，经液体喷孔喷射后与进入气化混合腔室的变低温气体混合，成为特定低温的恒低温气体。
作为优选：所述步骤2）中的具体制作过程为：
恒低温气体经换热器的第五入口进入换热器复热后从换热器的第五出口送出，常温气体的全部气体或部分气体与来自换热器的第四出口送出的气体的全部气体或部分气体一起进入原料压缩机压缩，压缩后的气体与来自换热器的第三出口送出的气体一起进入循环压缩机压缩，压缩后的气体先后进入增压透平膨胀机的增压端增压和冷却器冷却后的气体分成两部分，一部分气体进入换热器的第一入口通道冷却，并在换热器的中下部的第一出口处抽出后进入膨胀机的膨胀端膨胀，膨胀后的流体进入气液分离器；气体的另一部分进入换热器的第二入口通道冷却，在换热器的下部的第二出口处抽出后进入第一节流阀节流后进入气液分离器。
作为优选：所述步骤3）中的具体制作过程为：
经气液分离器分离后的气体又进入换热器复热，复热成常温气体，经气液分离器分离后的液体进入液体自过冷器自过冷后大部分液体作为产品进入液体存储单元，一部分液体经第二节流阀节流后流体先后经液体自过冷器、换热器复热成常温气体。
作为优选：所述液体喷射气化混合单元的第一温度测量件和第二温度测量件，分别用于测量所述气化混合腔室的中上部和下部的气体温度，通过第一传送器和第二传送器将检测到的温度信号传送给控制单元，控制单元控制控制阀的开度大小调控进入所述液体喷孔的液体流量，所述气化混合腔室装有挡板，用于增加进入所述气化混合腔室的变低温气体的均匀性，利于出所述液体喷射气化混合单元的恒低温气体温度的一致性。
本发明的有益效果如下：
本发明通过将变低温气体通过液体喷射气化混合单元调节成恒低温气体，使得在换热器中回收冷量成为技术可行，并经热交换、增压、膨胀得到液体产品，通过合理匹配压力与换热器温差，高效回收了低温气体冷量，降低了液体的产出能耗。
本发明能够有效降低液体的生产单耗，经济效益明显。以入口温度为150K的低温氮气和入口温度为313K的常温氮气为例，经计算，氮气入口温度为150K时生产液氮的单耗比313K时少约20%。由此可见，该方法能有效降低液氮的生产能耗，并且达到了低温氮气回收的目的。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“横向”、“竖向”等术语所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：如图1所示，一种用于变低温气体回收的装置，它至少包括：一个低温稳温系统，一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，相互之间通过管道连通，所述低温稳温系统由液体存储单元TA、液体输送单元PU、液体喷射气化混合单元MI组成，用于调节低温气体的温度；所述液体存储单元TA的液体出口通道与所述液体输送单元PU的液体入口通道相连，液体输送单元PU的液体出口通道与所述液体喷射气化混合单元MI的液体入口通道相连，所述压缩系统由原料压缩机COM1和循环压缩机COM2组成，可用于对常温气体的压缩；所述原料压缩机COM1的气体出口通道与所述循环压缩机COM2的气体入口通道相连，所述膨胀制冷系统由至少一台增压透平膨胀机组成，为装置提供冷量；所述增压透平膨胀机内设置有增压端COM3和冷却器COO，该增压端COM3与冷却器COO串联，所述循环压缩机COM2的出口与所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端COM3的入口通道相连接，该透平膨胀机增压端COM3的出口通道与所述的热交换系统连接。
所述热交换系统由至少一台换热器和气液分离器SV组成，用于低温气体冷量回收和气体液化的换热，所述膨胀制冷系统的透平膨胀机增压端COM3的出口通道与所述的热交换系统的换热器E1的第一入口通道和第二入口通道相连接；所述增压透平膨胀机膨胀端EXP的入口通道与所述换热器E1的第一出口通道相连接，所述热交换系统的气液分离器SV的第一入口通道与所述换热器E1的第二出口通道通过管道和第一节流阀V2相连接，所述气液分离器SV的第二入口通道与所述增压透平膨胀机的所述膨胀端EXP的出口通道相连接，所述气液分离器SV的第一出口通道与所述换热器E1的第三入口通道相连接，所述换热器E1的第三出口通道与所述循环压缩机NTC2的入口相连接，所述气液分离器SV的第二出口通道，用于液体产品的输出到液体存储单元TA。
所述热交换系统的液体自过冷器E2的第一入口通道与所述气液分离器SV的第二出口通道相连，所述液体自过冷器E2的第一出口通道通过管道和第二节流阀V3与所述液体自过冷器E2的第二入口相连接，所述液体自过冷器E2的第二出口与所述换热器E1的第四入口通道相连接，所述换热器E1的第四出口通道与所述原料压缩机COM1的入口通道相连通，所述换热器E1的第五入口与所述液体喷射气化混合单元MI的恒低温气体出口相连通，所述换热器E1的所述第五出口通道与所述原料压缩机COM1的入口通道相连通。
所述液体喷射气化混合单元MI包括至少一个液体喷孔NOZ、气化混合腔室CHA、第一温度测量件T1和第二温度测量件T2，该液体喷射气化混合单元MI的气体入口用来接收变低温气体，所述液体喷射气化混合单元MI的液体入口通道与所述液体喷孔NOZ相连，所述第一温度测量件T1位于气化混合腔室CHA的中上部，第二温度测量件T2位于所述气化混合腔室CHA的下部，所述气化混合腔室CHA位于液体喷孔NOZ的出口处安装有挡板PL，用于增加进入所述气化混合腔室CHA的变低温气体的均匀性。
所述液体喷射气化混合单元MI的液体入口通道上还设置有控制阀V1，在第一温度测量件T1和第二温度测量件T2上分别还设置有第一温度测量件T1的第一传送器TE/TIC-T1和第二温度测量件T2的第二传送器TE/TIC-T2，通过第一传送器TE/TIC-T1和第二传送器TE/TIC-T2将检测到的温度信号传送给控制单元CON，以便调控进入所述液体喷射气化混合单元MI的液体流量。
一种应用上述的用于变低温气体回收的装置的方法，所述方法包括如下步骤：
1）将温度不定的变低温气体制成温度恒定的恒低温气体；
2）将恒低温气体通过两条途径进入至气液分离器SV；
3）气液分离器SV将恒低温气体制成常温气排出。
所述步骤1）中的具体制作过程为：
液体存储单元TA的液体100经液体输送单元PU输送并经控制阀V1调节后的液体120进入液体喷射气化混合单元MI的液体入口通道，经液体喷孔NOZ喷射后与进入气化混合腔室CHA的变低温气体00混合，成为特定低温的恒低温气体01。
所述步骤2）中的具体制作过程为：
恒低温气体01经换热器E1的第五入口进入换热器E1复热后从换热器E1的第五出口送出，常温气体02的全部气体或部分气体与来自换热器E1的第四出口送出的气体03的全部气体或部分气体一起进入原料压缩机COM1压缩，压缩后的气体04与来自换热器E1的第三出口送出的气体05一起进入循环压缩机COM2压缩，压缩后的气体06先后进入增压透平膨胀机的增压端COM3增压和冷却器COO冷却后的气体07分成两部分，一部分气体08进入换热器E1的第一入口通道冷却，并在换热器E1的中下部的第一出口处抽出后进入膨胀机的膨胀端EXP膨胀，膨胀后的流体14进入气液分离器SV；气体07的另一部分09进入换热器E1的第二入口通道冷却，在换热器E1的下部的第二出口处抽出后进入第一节流阀V2节流后进入气液分离器SV。
所述步骤3）中的具体制作过程为：
经气液分离器SV分离后的气体12又进入换热器E1复热，复热成常温气体05，经气液分离器SV分离后的液体15进入液体自过冷器E2自过冷后大部分液体作为产品进入液体存储单元TA，一部分液体18经第二节流阀V3节流后流体19先后经液体自过冷器E2、换热器E1复热成常温气体03。
所述液体喷射气化混合单元MI的第一温度测量件T1和第二温度测量件T2，分别用于测量所述气化混合腔室CHA的中上部和下部的气体温度，通过第一传送器TE/TIC-T1和第二传送器TE/TIC-T2将检测到的温度信号传送给控制单元CON，控制单元CON控制控制阀V1的开度大小调控进入所述液体喷孔NOZ的液体流量，所述气化混合腔室CHA装有挡板PL，用于增加进入所述气化混合腔室CHA的变低温气体的均匀性，利于出所述液体喷射气化混合单元MI的恒低温气体01温度的一致性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种用于变低温气体回收的装置，它至少包括：一个低温稳温系统，一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，相互之间通过管道连通，其特征在于：所述低温稳温系统由液体存储单元（TA）、液体输送单元（PU）、液体喷射气化混合单元（MI）组成，用于调节低温气体的温度；所述液体存储单元（TA）的液体出口通道与所述液体输送单元（PU）的液体入口通道相连，液体输送单元（PU）的液体出口通道与所述液体喷射气化混合单元（MI）的液体入口通道相连，所述压缩系统由原料压缩机（COM1）和循环压缩机（COM2）组成，可用于对常温气体的压缩；所述原料压缩机（COM1）的气体出口通道与所述循环压缩机（COM2）的气体入口通道相连，所述膨胀制冷系统由至少一台增压透平膨胀机组成，为装置提供冷量；所述增压透平膨胀机内设置有增压端（COM3）和冷却器（COO），该增压端（COM3）与冷却器（COO）串联，所述循环压缩机（COM2）的出口与所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端（COM3）的入口通道相连接，该透平膨胀机增压端（COM3）的出口通道与所述的热交换系统连接；所述热交换系统由至少一台换热器和气液分离器（SV）组成，用于低温气体冷量回收和气体液化的换热，所述膨胀制冷系统的透平膨胀机增压端（COM3）的出口通道与所述的热交换系统的换热器（E1）的第一入口通道和第二入口通道相连接；所述增压透平膨胀机膨胀端（EXP）的入口通道与所述换热器（E1）的第一出口通道相连接，所述热交换系统的气液分离器（SV）的第一入口通道与所述换热器（E1）的第二出口通道通过管道和第一节流阀（V2）相连接，所述气液分离器（SV）的第二入口通道与所述增压透平膨胀机的所述膨胀端（EXP）的出口通道相连接，所述气液分离器（SV）的第一出口通道与所述换热器（E1）的第三入口通道相连接，所述换热器（E1）的第三出口通道与所述循环压缩机（COM2）的入口相连接，所述气液分离器（SV）的第二出口通道，用于液体产品的输出到液体存储单元（TA）；所述热交换系统的液体自过冷器（E2）的第一入口通道与所述气液分离器（SV）的第二出口通道相连，所述液体自过冷器（E2）的第一出口通道通过管道和第二节流阀（V3）与所述液体自过冷器（E2）的第二入口相连接，所述液体自过冷器（E2）的第二出口与所述换热器（E1）的第四入口通道相连接，所述换热器（E1）的第四出口通道与所述原料压缩机（COM1）的入口通道相连通，所述换热器（E1）的第五入口与所述液体喷射气化混合单元（MI）的恒低温气体出口相连通，所述换热器（E1）的第五出口通道与所述原料压缩机（COM1）的入口通道相连通；所述液体喷射气化混合单元（MI）包括至少一个液体喷孔（NOZ）、气化混合腔室（CHA）、第一温度测量件（T1）和第二温度测量件（T2），该液体喷射气化混合单元（MI）的气体入口用来接收变低温气体，所述液体喷射气化混合单元（MI）的液体入口通道与所述液体喷孔（NOZ）相连，所述第一温度测量件（T1）位于气化混合腔室（CHA）的中上部，第二温度测量件（T2）位于所述气化混合腔室（CHA）的下部，所述气化混合腔室（CHA）位于液体喷孔（NOZ）的出口处安装有挡板（PL），用于增加进入所述气化混合腔室（CHA）的变低温气体的均匀性。
2.根据权利要求1所述的用于变低温气体回收的装置，其特征在于：所述液体喷射气化混合单元（MI）的液体入口通道上还设置有控制阀（V1），在第一温度测量件（T1）和第二温度测量件（T2）上分别还设置有第一温度测量件（T1）的第一传送器（TE/TIC-T1）和第二温度测量件（T2）的第二传送器（TE/TIC-T2），通过第一传送器（TE/TIC-T1）和第二传送器（TE/TIC-T2）将检测到的温度信号传送给控制单元（CON），以便调控进入所述液体喷射气化混合单元（MI）的液体流量。
3.一种利用权利要求1或2所述的用于变低温气体回收的装置的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1）将温度不定的变低温气体制成温度恒定的恒低温气体；
2）将恒低温气体通过两条途径进入至气液分离器（SV）；
3）气液分离器（SV）将恒低温气体制成常温气排出；
所述步骤1）中的具体制作过程为：
液体存储单元（TA）的液体（100）经液体输送单元（PU）输送并经控制阀（V1）调节后的液体（120）进入液体喷射气化混合单元（MI）的液体入口通道，经液体喷孔（NOZ）喷射后与进入气化混合腔室（CHA）的变低温气体（00）混合，成为特定低温的恒低温气体（01）；
所述步骤2）中的具体制作过程为：
恒低温气体（01）经换热器（E1）的第五入口进入换热器（E1）复热后从换热器（E1）的第五出口送出，常温气体（02）的全部气体或部分气体与来自换热器（E1）的第四出口送出的气体（03）的全部气体或部分气体一起进入原料压缩机（COM1）压缩，压缩后的气体（04）与来自换热器（E1）的第三出口送出的气体（05）一起进入循环压缩机（COM2）压缩，压缩后的气体（06）先后进入增压透平膨胀机的增压端（COM3）增压和冷却器（COO）冷却后的气体（07）分成两部分，一部分气体（08）进入换热器（E1）的第一入口通道冷却，并在换热器（E1）的中下部的第一出口处抽出后进入膨胀机的膨胀端（EXP）膨胀，膨胀后的流体（14）进入气液分离器（SV）；气体（07）的另一部分（09）进入换热器（E1）的第二入口通道冷却，在换热器（E1）的下部的第二出口处抽出后进入第一节流阀（V2）节流后进入气液分离器（SV）；
所述步骤3）中的具体制作过程为：
经气液分离器（SV）分离后的气体（12）又进入换热器（E1）复热，复热成常温气体（05），经气液分离器（SV）分离后的液体（15）进入液体自过冷器（E2）自过冷后大部分液体作为产品进入液体存储单元（TA），一部分液体（18）经第二节流阀（V3）节流后流体（19）先后经液体自过冷器（E2）、换热器（E1）复热成常温气体（03）；
所述液体喷射气化混合单元（MI）的第一温度测量件（T1）和第二温度测量件（T2），分别用于测量所述气化混合腔室（CHA）的中上部和下部的气体温度，通过第一传送器（TE/TIC-T1）和第二传送器（TE/TIC-T2）将检测到的温度信号传送给控制单元（CON），控制单元（CON）控制控制阀（V1）的开度大小调控进入所述液体喷孔（NOZ）的液体流量，所述气化混合腔室（CHA）装有挡板（PL），用于增加进入所述气化混合腔室（CHA）的变低温气体的均匀性，利于出所述液体喷射气化混合单元（MI）的恒低温气体（01）温度的一致性。
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