CN211716982U - 热泵循环系统及具有其的一氧化碳生产装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于一种热泵循环系统及具有其的一氧化碳生产装置；包括热泵，热泵的循环出口与氮气气液分离罐的进口相连，氮气气液分离罐顶部的气相出口分别与若干个精馏塔内下部的再沸器相连，氮气气液分离罐底部的液相出口通过系统冷量维持管道分别与若干个精馏塔各自相对应的主冷凝器的壳程相连，主冷凝器的壳程出口与热泵的循环进口相连；具有操作简便、运行稳定、单位产品电耗低、能将产品纯度提高至99.9999%电子级别的特点。

Description

热泵循环系统及具有其的一氧化碳生产装置
技术领域
本实用新型属于一氧化碳生产以及附属部件技术领域，具体为一种热泵循环系统及具有其的一氧化碳生产装置。
背景技术
在目前一氧化碳的生产方法中，主要采用变压吸附法PSA-CO，热泵精馏等工艺。现有变压吸附法PSA-CO工艺有如下缺点：系统占用面积大、设备投资大、流程复杂以及产品纯度不高；热泵精馏工艺具有设备投资少、占地面积小以及产品纯度高的特点被广泛的应用，但现有的热泵精馏工艺存在着精馏塔的塔顶冷量不足，易造成系统操作不稳定从而使产品纯度产生波动的缺陷；另外，热泵氮气系统中存在着能耗高、无法循环利用等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷而提供一种结构简单、设计合理、使热泵精馏工艺系统操作更加稳定进一步生产出高纯度一氧化碳、能耗低以及能够循环利用的热泵循环系统及具有其的一氧化碳生产装置。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种热泵循环系统，该循环系统包括热泵，热泵的循环出口与氮气气液分离罐的进口相连，氮气气液分离罐顶部的气相出口分别与若干个精馏塔内下部的再沸器相连，氮气气液分离罐底部的液相出口通过系统冷量维持管道分别与若干个精馏塔各自相对应的主冷凝器的壳程相连，主冷凝器的壳程出口与热泵的循环进口相连。
优选的，所述若干个精馏塔内下部的再沸器和氮气气液分离罐的气相出口之间分别设有第一调节阀；所述若干个精馏塔内下部的再沸器的出口分别与系统冷量维持管道相连通。
优选的，所述精馏塔包括第一精馏塔和第二精馏塔；第一精馏塔的内下部设有第一再沸器，第二精馏塔的内下部设有第二再沸器；第一精馏塔相对应设有第一主冷凝器，第二精馏塔相对应设有第二主冷凝器。
优选的，所述再沸器的出口与系统冷量维持管道之间设有第一三通，主冷凝器壳程进口与系统冷量维持管道之间设有第二三通，第一三通和第二三通之间的系统冷量维持管道上设置有第二调节阀。
优选的，所述主冷凝器壳程进口和第二三通之间设有第三调节阀。
本实用新型还提供了一种一氧化碳生产装置，该生产装置包括原料气储罐、产品罐、第一精馏塔、第一再沸器、第一主冷凝器、第二精馏塔、第二再沸器和第二主冷凝器以及所述的热泵氮气循环系统。
优选的，所述的原料气储罐通过换热器的原料气进口和换热器的原料气出口与第一精馏塔的原料进口相连，第一精馏塔底部的液相出口与第二精馏塔的第一原料液进口相连，第二精馏塔顶部的气相出口通过第二主冷凝器的管程与储液罐相连，储液罐底部的液相出口分别与产品罐以及第二精馏塔中上部的第二原料液进口相连；储液罐顶部的气相出口与第二主冷凝器的管程相连；热泵氮气循环系统中的热泵的循环出口通过换热器的第一循环气进口和换热器的第一循环气出口与氮气气液分离罐的进口相连；主冷凝器的壳程出口通过换热器的第二循环气进口和换热器的第二循环气出口与热泵的循环进口相连。
优选的，所述第一精馏塔顶部的出口通过第一主冷凝器的管程与气液分离罐相连，气液分离罐的液相与第一精馏塔中上部的进液口相连，气液分离罐气相通过换热器的第一尾气进口、换热器的第一尾气出口以及第四调节阀与废气炉相连；第二精馏塔底部的液相出口通过第五调节阀、换热器的第二尾气进口、换热器的第二尾气出口与废气炉相连。
优选的，所述第一精馏塔底部的液相出口与第二精馏塔的第一原料液进口之间设有第六调节阀；储液罐底部的液相出口与第二精馏塔中上部的第二原料液进口之间设有第七调节阀。
按照上述方案制成的热泵循环系统及具有其的一氧化碳生产装置，通过设置第一主冷凝器以及第二主冷凝器能够避免精馏塔的塔顶冷量不足，而导致一氧化碳的产品纯度产生波动；通过设置氮气气液分离罐能够使热泵中出来的氮气进行气液分离，使气相满足再沸器的热负荷，同时通过再沸器出口的循环液与气气液分离罐中的液相混合后进入第一主冷凝器以及第二主冷凝器内以解决精馏塔的塔顶冷量不足的问题，从而达到稳定精馏系统以及保证产品纯度的目的，同时通过设置热泵能够使循环气得以实现在系统内形成循环，进一步地通过设置换热器以达到对循环气的能量进行回收的目的；通过热泵氮气循环系统与电子级一氧化碳的生产装置相互配合，能够使系统避免产生波动，进一步提高产品纯度的目的；具有操作简便、运行稳定、单位产品电耗低、能将产品纯度提高至99.9999%电子级别的特点；对电子级一氧化碳在半导体领域的应用发展提供了保障，创造良好的经济和社会效益。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的一氧化碳生产装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1-2，本实用新型为一种热泵循环系统，包括热泵1，热泵1的循环出口2与氮气气液分离罐3的进口相连，氮气气液分离罐3顶部的气相出口分别与若干个精馏塔内下部的再沸器相连，氮气气液分离罐3底部的液相出口通过系统冷量维持管道4分别与若干个精馏塔各自相对应的主冷凝器的壳程相连，主冷凝器的壳程出口与热泵1的循环进口5相连。
进一步地，所述若干个精馏塔内下部的再沸器和氮气气液分离罐3的气相出口之间分别设有第一调节阀6；所述若干个精馏塔内下部的再沸器的出口分别与系统冷量维持管道4相连通。
进一步地，所述精馏塔包括第一精馏塔7和第二精馏塔8；第一精馏塔7的内下部设有第一再沸器9，第二精馏塔8的内下部设有第二再沸器10；第一精馏塔7相对应设有第一主冷凝器11，第二精馏塔8相对应设有第二主冷凝器12。
进一步地，所述再沸器的出口与系统冷量维持管道4之间设有第一三通13，主冷凝器壳程进口与系统冷量维持管道4之间设有第二三通14，第一三通13和第二三通14之间的系统冷量维持管道4上设置有第二调节阀15。
进一步地，所述主冷凝器壳程进口和第二三通13之间设有第三调节阀16。
本发明还提供了一种一氧化碳生产装置，包括原料气储罐17、产品罐18、第一精馏塔7、第一再沸器9、第一主冷凝器11、第二精馏塔8、第二再沸器10和第二主冷凝器12以及所述的热泵氮气循环系统。
进一步地，所述的原料气储罐17通过换热器19的原料气进口29和换热器19的原料气出口30与第一精馏塔7的原料进口相连，第一精馏塔7底部的液相出口通过第六调节阀27与第二精馏塔8的第一原料液进口20相连，第二精馏塔8顶部的气相出口通过第二主冷凝器12的管程与储液罐22相连，储液罐22底部的液相出口分别与产品罐18以及第二精馏塔8中上部的第二原料液进口21相连；储液罐22顶部的气相出口与第二主冷凝器12的管程相连；热泵氮气循环系统中的热泵1的循环出口2通过换热器19的第一循环气进口31和换热器19的第一循环气出口32与氮气气液分离罐3的进口相连；主冷凝器的壳程出口通过换热器19的第二循环气进口33和换热器19的第二循环气出口34与热泵1的循环进口5相连。
进一步地，所述第一精馏塔7顶部的气相出口通过第一主冷凝器11的管程与气液分离罐23相连，气液分离罐23的液相与第一精馏塔7中上部的进液口相连，气液分离罐23气相通过换热器19的第一尾气进口35、换热器19的第一尾气出口36以及第四调节阀24与废气炉25相连；第二精馏塔8底部的液相出口通过第五调节阀26、换热器19的第二尾气进口37、换热器19的第二尾气出口38与废气炉25相连。
进一步地，所述第一精馏塔7底部的液相出口与第二精馏塔8的第一原料液进口20之间设有第六调节阀27；储液罐22底部的液相出口与第二精馏塔8中上部的第二原料液进口21之间设有第七调节阀28。
一种一氧化碳的生产方法包括如下步骤：步骤一：原料气储罐17的原料气依次通过换热器19的原料气进口29和换热器19的原料气出口30和第一精馏塔7的原料进口进入第一精馏塔7内；所述的原料气组成成份为：氮气、氢气、氧气、甲烷、一氧化碳；原料气的温度为：40℃、压力为：0.7MpaG、流量为：2200Nm³/h、气相分率为1、一氧化碳摩尔分数：35%；换热器19的原料气出口30的原料气温度为：-163～-170℃，气相分率为1；步骤二：使步骤一中进入第一精馏塔7内的原料气进行一次精馏提纯，一次精馏提纯后的气相通过第一精馏塔7顶部的出口和第一主冷凝器13的管程进入气液分离罐23内进行气液分离，气液分离后的液相通过气液分离罐23的底部和第一精馏塔7中上部的进液口进入第一精馏塔7内继续进行一次精馏提纯，气液分离罐23气相出口经换热器19的第一尾气进口35、换热器19的第一尾气出口36和第四调节阀24进入废气炉25中，所述气液分离罐23中的气相温度为：-172～-178℃，一氧化碳摩尔分数：25～30%，气相分率：1；步骤三：上述步骤一和步骤二中一次精馏提纯后的液相依次通过第一精馏塔7底部的液相出口、第六调节阀27进入第二精馏塔8内进行二次精馏提纯，二次精馏提纯后的气相通过第二精馏塔8顶部的气相出口、第二主冷凝器12的管程进入储液罐22内，储液罐22中的液相一部分通过第二精馏塔8中上部的第二原料液进口21进入第二精馏塔8内，另一部分液相进入产品罐18内；所述第一精馏塔7的底部液相出口的液相温度为：-165～-170℃，CO纯度为：69～75%；所述产品罐18中产品温度为：-172～-179℃，其纯度不低于99.9999%； 步骤四：所述步骤三中的储液罐22的气相与第二主冷凝器12的管程相连通并进入第二主冷凝器12的管程中进行冷凝；步骤五：步骤三中所述的通过第二精馏塔8进行二次精馏提纯后的废液依次通过第二精馏塔8底部的液相出口、第五调节阀26、换热器19的第二尾气进口37和换热器19的第二尾气出口38进入废气炉25内，第二精馏塔8底部废液温度为：-166～-171℃，CO纯度为：25～30%，气相分率：0；步骤六：热泵1中的循环气依次通过循环出口2、换热器19的第一循环气进口31和换热器19的第一循环气出口32进入氮气气液分离罐3中，氮气气液分离罐3的气相出口通过两个第一调节阀6分别进入各自相对应的第一再沸器9和第二再沸器10内，所述循环气的组分：氮气、氢气、氩气，氮气摩尔分数：99%；换热器19的第一循环气出口32的循环气温度为：-162～-168℃；第一再沸器9出口的循环液温度为：-162～-168℃，气相分率：0；第二再沸器10的出口的循环液温度为：-163～-170℃，气相分率：0；步骤七：上述步骤六中的氮气气液分离罐3液相出口通过系统冷量维持管道4与第一再沸器9和第二再沸器10中的循环液混合后分别进入第一主冷凝器11的壳程和第二主冷凝器12的壳程中用于维持相对应的第一精馏塔7和第一精馏塔8系统的稳定，从而避免系统产生波动从而影响一氧化碳的纯度；循环液通过第一主冷凝器11的壳程和第二主冷凝器12的壳程后通过第二循环气进口33、换热器19的第二循环气出口34和热泵1的循环进口5回到热泵1中；所述第一主冷凝器11的壳程出口循环气温度为：-177～-181℃、气相分率：0.97，第二主冷凝器12的壳程循环气温度为：-178～-182℃、气相分率：0.99，经过换热器19的第二循环气出口34后的循环气温度为35～40℃，气相分率：1。本实用新型的热泵氮气循环系统中热泵1的循环出口2和热泵1的循环进口5可分别设有换热系统，换热系统可相互影响或相互独立，当与电子级一氧化碳的生产装置相结合时可直接采用换热器19的形式，当与其他深冷系统相结合时可与其他系统相结合进行换热，其换热效果应达到上述步骤六以及步骤七所述；本实用新型中的液体一氧化碳的纯度可达到不低于99.9999%，该纯度在我国没有相应的国家标准，参照《中国工业气体大全》及国外公司的企业标准，一氧化碳分为七个级别：工业级：≥99.0%，化学纯级：≥99.5%，高纯级：≥99.97%, CVD级：99.99%，ULSI+级：≥99.995%，超高纯级：≥99.997%，研究级：99.998%；参考文献：《中国工业气体大全》第三册，第1904页表Ⅱ.1.5.19国外气体公司瓶装一氧化碳质量技术指标。该书由中国工业气体工业协会编著，大连理工大学出版社出版。本实用新型的优势在于能够将一氧化碳摩尔分数：35%的原料气，制备成为纯度不低于99.9999%的液体一氧化碳，且生产过程稳定可靠，且具有运行稳定、流程设计合理、能耗少的特点，其一方面实现了冷、热量的循环利用，充分回收冷量，解决了传统工艺能耗高的问题，另一方面稳定了系统工艺，设置氮气气液分离罐，将换热后可能产生的液氮分离出来，使调节阀更精准地调节循环气量，给精馏提供稳定的热负荷，保证系统的稳定性，使产品质量得到显著的提高。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种热泵循环系统，其特征在于：该循环系统包括热泵(1)，热泵(1)的循环出口(2)与氮气气液分离罐(3)的进口相连，氮气气液分离罐(3)顶部的气相出口分别与若干个精馏塔内下部的再沸器相连，氮气气液分离罐(3)底部的液相出口通过系统冷量维持管道(4)分别与若干个精馏塔各自相对应的主冷凝器的壳程相连，主冷凝器的壳程出口与热泵(1)的循环进口(5)相连。
2.根据权利要求1所述的热泵循环系统，其特征在于：所述若干个精馏塔内下部的再沸器和氮气气液分离罐(3)的气相出口之间分别设有第一调节阀(6)；所述若干个精馏塔内下部的再沸器的出口分别与系统冷量维持管道(4)相连通。
3.根据权利要求1所述的热泵循环系统，其特征在于：所述精馏塔包括第一精馏塔(7)和第二精馏塔(8)；
第一精馏塔(7)的内下部设有第一再沸器(9)，第二精馏塔(8)的内下部设有第二再沸器(10)；
第一精馏塔(7)相对应设有第一主冷凝器(11)，第二精馏塔(8)相对应设有第二主冷凝器(12)。
4.根据权利要求1所述的热泵循环系统，其特征在于：所述再沸器的出口与系统冷量维持管道(4)之间设有第一三通(13)，主冷凝器壳程进口与系统冷量维持管道(4)之间设有第二三通(14)，第一三通(13)和第二三通(14)之间的系统冷量维持管道(4)上设置有第二调节阀(15)。
5.根据权利要求4所述的热泵循环系统，其特征在于：所述主冷凝器壳程进口和第二三通(14)之间设有第三调节阀(16)。
6.一种一氧化碳生产装置，其特征在于：该生产装置包括原料气储罐(17)、产品罐(18)、第一精馏塔(7)、第一再沸器(9)、第一主冷凝器(11)、第二精馏塔(8)、第二再沸器(10)和第二主冷凝器(12)以及如权利要求1-5中任一项所述的热泵循环系统。
7.根据权利要求6所述的一氧化碳生产装置，其特征在于：所述的原料气储罐(17)通过换热器(19)的原料气进口(29)和换热器(19)的原料气出口(30)与第一精馏塔(7)的原料进口相连，第一精馏塔(7)底部的液相出口与第二精馏塔(8)的第一原料液进口(20)相连，第二精馏塔(8)顶部的气相出口通过第二主冷凝器(12)的管程与储液罐(22)相连，储液罐(22)底部的液相出口分别与产品罐(18)以及第二精馏塔(8)中上部的第二原料液进口(21)相连；储液罐(22)顶部的气相出口与第二主冷凝器(12)的管程相连；
热泵氮气循环系统中的热泵(1)的循环出口(2)通过换热器(19)的第一循环气进口(31)和换热器(19)的第一循环气出口(32)与氮气气液分离罐(3)的进口相连；
主冷凝器的壳程出口通过换热器(19)的第二循环气进口(33)和换热器(19)的第二循环气出口(34)与热泵(1)的循环进口(5)相连。
8.根据权利要求7所述的一氧化碳生产装置，其特征在于：所述第一精馏塔(7)顶部的出口通过第一主冷凝器(11)的管程与气液分离罐(23)相连，气液分离罐(23)的液相与第一精馏塔(7)中上部的进液口相连，气液分离罐(23)气相通过换热器(19)的第一尾气进口(35)、换热器(19)的第一尾气出口(36)以及第四调节阀(24)与废气炉(25)相连；
第二精馏塔(8)底部的液相出口通过第五调节阀(26)、换热器(19)的第二尾气进口(37)、换热器(19)的第二尾气出口(38)与废气炉(25)相连。
9.根据权利要求7所述的一氧化碳生产装置，其特征在于：所述第一精馏塔(7)底部的液相出口与第二精馏塔(8)的第一原料液进口(20)之间设有第六调节阀(27)；
储液罐(22)底部的液相出口与第二精馏塔(8)中上部的第二原料液进口(21)之间设有第七调节阀(28)。
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