专利摘要

本发明公开了一种回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，包括空气流路、纯化模块、除湿回路和有机朗肯‑蒸汽压缩制冷循环回路；所述有机朗肯‑蒸汽压缩制冷循环回路包括一级高温蒸发器、二级高温蒸发器、三级高温蒸发器、第一冷凝器、工质泵、膨胀机、一级低温蒸发器、二级低温蒸发器、三级低温蒸发器、压缩机、第二冷凝器和节流元件。本发明结合空冷机组和有机朗肯‑蒸汽压缩制冷循环系统，有机朗肯‑蒸汽压缩制冷循环系统对压缩空气的降温作用，使得压缩模块出口压缩空气状态基本满足现有空分系统中经空冷机组处理后出口所需状态，故将现有空冷机组用于进口原料空气预冷和预除湿，由此进一步节约压缩能耗，达到节能的目的。

权利要求

1.一种回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，包括空气流路和纯化模块，其特征在于，还包括除湿回路和有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路；所述的除湿回路包括空冷塔和水冷塔；

所述空气流路包括依次连通的空冷塔、一级空压机、一级高温蒸发器的压缩空气预冷流路、第一水冷器、一级低温蒸发器的压缩空气冷却通道、二级空压机、二级高温蒸发器的压缩空气预冷流路、第二水冷器以及二级低温蒸发器的压缩空气冷却通道、三级空压机、三级高温蒸发器的压缩空气预冷流路、第三水冷器以及三级低温蒸发器的压缩空气冷却通道，最后通入纯化模块；

所述有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路包括有机朗肯循环的一级高温蒸发器、二级高温蒸发器、三级高温蒸发器、第一冷凝器、工质泵、膨胀机，以及蒸汽压缩制冷循环的一级低温蒸发器、二级低温蒸发器、三级低温蒸发器、压缩机、第二冷凝器、节流元件；

有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路中，一部分循环工质在一级高温蒸发器、二级高温蒸发器、三级高温蒸发器中与压缩空气换热，升温后的气态工质进入膨胀机做功，经膨胀机降温降压的工质进入第一冷凝器，吸收热量后进入工质泵，升压后再次进入三个高温蒸发器，完成有机朗肯循环；同时，膨胀机驱动蒸汽压缩制冷循环中的压缩机工作，使得另一部分工质压缩，压缩后的工质进入第二冷凝器，降温后进入节流原件再次降温降压，进入一级低温蒸发器、二级低温蒸发器、三级低温蒸发器中与压缩空气进行再次换热，将压缩空气降至更低温度后再次进入压缩机，完成蒸汽压缩制冷循环。

2.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的纯化模块采用分子筛。

3.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的空冷塔为填料塔。

4.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的水冷塔为填料塔。

5.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路采用工质为R245fa。

6.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的第一冷凝器和第二冷凝器采用水冷方式进行冷却。

7.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的一级低温蒸发器、二级低温蒸发器和三级低温蒸发器采用间壁式换热。

8.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的一级高温蒸发器、二级高温蒸发器和三级高温蒸发器采用间壁式换热。

9.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的膨胀机和压缩机采用同轴气浮结构。

10.根据权利要求1所述的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，其特征在于，所述的工质泵为柱塞泵。

说明书

技术领域

本发明涉及工业空气预处理系统，尤其涉及一种回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统。

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，会产生大量较高品位的热能，空气可被加热到110℃左右，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。

公开号为CN106958987A的中国发明专利公开了的一种用于空气分离的空气预除湿及预冷系统，其利用有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回收压缩空气余热，利用溴化锂吸收式系统对原料空气进行预除湿和预冷。公开号为CN107940801A的中国发明专利公开了的一种回收压缩空气余热的空分系统，其利用两个溴化锂吸收系统回收压缩空气余热并对原料空气进行预处理。公开号为CN109539693A的中国发明专利公开的一种气体冷却系统及气体冷却方法，其对上述公开号为CN107940801A的中国发明专利进行简化，去除溴化锂对空气预处理除湿部分，只考虑利用吸收系统回收部分压缩空气余热。然而，上述装置由于采用了溴化锂吸收式/除湿系统，由于溴化锂的强腐蚀性，均易对设备产生损害，同时溴化锂吸收式系统体积庞大，不利于空压机的级间布置。

发明内容

本发明提供了一种回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，可以实现将传统空分中压缩模块后的空冷机组用于进口原料空气的预除湿和预冷，同时利用有机朗肯循环-蒸汽压缩制冷循环可以在有效回收压缩余热的同时再次对压缩空气进行预冷，充分利用能源，达到节约成本的目的。

一种回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统，包括空气流路和纯化模块，还包括除湿回路和有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路；所述的除湿回路包括空冷塔和水冷塔；

所述空气流路包括依次连通的空冷塔、一级空压机、一级高温蒸发器的压缩空气预冷流路、第一水冷器、一级低温蒸发器的压缩空气冷却通道、二级空压机、二级高温蒸发器的压缩空气预冷流路、第二水冷器以及二级低温蒸发器的压缩空气冷却通道、三级空压机、三级高温蒸发器的压缩空气预冷流路、第三水冷器以及三级低温蒸发器的压缩空气冷却通道，最后通入纯化模块；

所述有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路包括有机朗肯循环的一级高温蒸发器、二级高温蒸发器、三级高温蒸发器、第一冷凝器、工质泵、膨胀机，以及蒸汽压缩制冷循环的一级低温蒸发器、二级低温蒸发器、三级低温蒸发器、压缩机、第二冷凝器、节流元件；

有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路中，一部分循环工质在一级高温蒸发器、二级高温蒸发器、三级高温蒸发器中与压缩空气换热，升温后的气态工质进入膨胀机做功，经膨胀机降温降压的工质进入第一冷凝器，吸收热量后进入工质泵，升压后再次进入三个高温蒸发器，完成有机朗肯循环；同时，膨胀机驱动蒸汽压缩制冷循环中的压缩机工作，使得另一部分工质压缩，压缩后的工质进入第二冷凝器，降温后进入节流原件再次降温降压，进入一级低温蒸发器、二级低温蒸发器、三级低温蒸发器中与压缩空气进行再次换热，将压缩空气降至更低温度后再次进入压缩机，完成蒸汽压缩制冷循环。

控制器和元件一般采用阀器件。

为了提高纯化效果，优选的，所述纯化模块采用分子筛。

本发明不仅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，同时，由于低温蒸发器出口空气温度、含湿量即已达到现有技术中的空分流程中空冷机组出口压缩空气温度要求，本发明系统可实现将现有空分设备中空冷机组用于原料空气预冷和预除湿，从而显著减少了空压机压缩功耗，同时，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。

空气流路中，环境中的空气首先通过空冷塔，通过空冷塔中的冷冻水和冷却水对空气进行除湿与洗涤及降温；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；之后进入一级高温蒸发器的压缩空气预冷流路，为有机朗肯循环提供热量，压缩空气温度降低；一级高温蒸发器出口的压缩空气再通过第一水冷器交换热量；之后压缩空气进入一级低温蒸发器的压缩空气冷却通道，利用蒸汽压缩制冷循环制冷循环回路提供的冷量进行冷却，然后进入二级空压机进行再次压缩，压缩后空气依次经过二级高温蒸发器的压缩空气预冷流路，第二水冷器和二级低温蒸发器的压缩空气冷却通道，冷却后进入三级空压机进行压缩，然后依次经过三级高温蒸发器的压缩空气预冷流路，第三水冷器和三级低温蒸发器的压缩空气冷却通道，最后进入分子筛进行纯化。

优选的，所述有机朗肯循环-蒸汽压缩制冷循环回路采用R245fa工质。R245fa具有稳定性强，蒸发压力低，不可燃，蒸发潜热和比热大等优点，广泛应用于有机朗肯循环和制冷循环中。所述有机朗肯循环-蒸汽压缩制冷循环工质还可用R134a，R600等。

为了提高除湿效率以及换热效果，优选的，所述空冷塔和水冷塔为填料塔。

为了便于制造和使用，优选的，所述第一冷凝器和第二冷凝器采用水冷方式进行冷却。

为了提高换热效果，优选的，所述的一级低温蒸发器、二级低温蒸发器和三级低温蒸发器采用间壁式换热。

为了提高换热效率，优选的，所述的一级高温蒸发器、二级高温蒸发器和三级高温蒸发器采用间壁式换热。

为了提高有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环效率，优选的，所述的膨胀机和压缩机采用同轴气浮结构。

为了提高有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环效率，优选的，所述的工质泵采用柱塞泵。

除湿回路中，污氮进入水冷塔下部，在水冷塔内与冷却水充分接触换热后排出，在此过程中冷却水降温成冷冻水。该冷冻水之后进入空冷塔塔顶，与另一部分冷却水与来自塔底侧的原料空气充分接触换热，降低原料空气温度的同时进行预除湿。升温后的冷冻水和冷却水由空冷塔塔底流出。预冷除湿后的空气则从空冷塔塔顶流出进入一级空压机。

本发明结合了空冷机组和有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环系统，有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环系统对压缩空气的降温作用，使得压缩模块出口压缩空气状态基本满足现有空分系统中经空冷机组处理后出口所需状态，故将现有空冷机组用于进口原料空气预冷和预除湿，由此进一步节约压缩能耗，达到节能的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(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，不再简单利用冷却水进行冷却，节约能源。

(2)本发明通过有机朗肯-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，实现提升空压机性能和减少压缩功耗的目的。

(3)本发明中由于使用有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环系统降低压缩空气温度，使得压缩模块出口压缩空气温度基本满足现有空分流程中空冷机组出口气体要求，可以将空冷机组用于进口原料空气预冷和预除湿，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。

附图说明

图1为现有技术的空分系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统结构示意图；

图3为本发明实施例中有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环T-s图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，现有技术的空分系统中经过滤器粗糙过滤大颗粒后的原料空气首先进入一级空压机3，升温升压后进入第一水冷器5，降温至40℃左右进入二级空压机7继续压缩，二级空压机出口压缩空气进入第二水冷器9降温至40℃左右，进入三级空压机11，三级空压机11出口高温高压气体进入空冷塔1降温除湿，成为温度为15℃左右的饱和气体，之后进入分子筛15完成后续步骤。

其中，空冷塔1中冷却水一部分由外界供水经第一溶液泵22泵送至塔中部，另一部分由水冷塔2经第二溶液泵23泵送至顶部。空冷塔和水冷塔称为空冷机组。

如图2所示，在本实施例的回收压缩机余热并进行预除湿和预冷的空分系统包括空气流路、除湿回路和有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路，其中：

空气流路，包括依次连通的空冷塔1、一级空压机3、一级高温蒸发器的压缩空气预冷流路4、第一水冷器5、一级低温蒸发器的压缩空气冷却通道6、二级空压机7、二级高温蒸发器的压缩空气预冷流路8、第二水冷器9以及二级低温蒸发器的压缩空气冷却通道10，三级空压机11、三级高温蒸发器的压缩空气预冷流路12、第三水冷器13以及三级低温蒸发器的压缩空气冷却通道14，分子筛15及后续工艺。

工作过程如下：原料空气进入空冷塔1，降温除湿后进入一级空压机3，成为高温高压气体，之后进入一级高温蒸发器4，被一级高温蒸发器4中工质吸收热量，为有机朗肯循环回路提供热量。一级高温蒸发器4出口的压缩空气进入第一水冷器5，被冷却水带走热量。之后进入一级低温蒸发器6，与制冷工质换热，降温后进入二级空压机7。二级空压机7出口高温高压气体再次进入二级高温蒸发器8，之后经第二水冷器9和二级低温蒸发器10降温后进入三级空压机11。三级空压机11出口高温高压气体再次进入三级高温蒸发器12，之后经第三水冷器13和三级低温蒸发器14降温。此时空气温度大致为15℃，基本满足现有空冷机组出口空气要求，故该空分系统中可除去空冷机组。

除湿回路中，空冷塔1中冷却水一部分由外界供水经第一溶液泵22泵送至塔中部，另一部分由水冷塔2经第二溶液泵23泵送至顶部。原料空气由空冷塔1底侧进入，塔顶流出，在空冷塔1中由冷却水和冷冻水进行降温和除湿。空冷塔和水冷塔称为空冷机组。

有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环回路中，一部分工质在一级高温蒸发器4、二级高温蒸发器8、三级高温蒸发器12中与压缩空气换热，升温后的气态工质进入膨胀机19做功，经膨胀机19降温降压的工质进入第一冷凝器20，被冷却水吸收热量后进入工质泵21，升压后再次进入高温蒸发器，由此完成有机朗肯循环。此时，膨胀机19通过同轴驱动蒸汽压缩制冷循环中的压缩机18工作，使得另一部分工质压缩。压缩后的工质进入第二冷凝器17，降温后进入节流原件16再次降温降压，进入一级低温蒸发器6、二级低温蒸发器10、三级低温蒸发器14中与压缩空气进行再次换热，将压缩空气降至更低温度后再次进入压缩机18，由此完成蒸汽压缩制冷循环。

具体计算如下：

根据实际情况及已有经验，以60000Nm3/h空分系统为例。原料空气温度T1＝25℃，含湿量d1＝16g/kg，压力P1＝101.325kPa，空冷塔出口空气温度T11＝15℃，含湿量d2＝5g/kg(一级空压机入口空气状态)。一级、二级、三级空压机等熵效率为η＝0.85。一级、二级、三级空压机出口压力分别为P12＝202kPa,P22＝346kPa,P32＝600kPa。

现有空分系统中第一、第二水冷器出口空气温度为T4＝40℃。

本发明设计的空分系统中，第一、第二、第三水冷器出口空气温度为T4’＝30℃。一级、二级、三级高温蒸发器出口压缩空气温度为Tbout＝60℃。膨胀机等熵效率η1＝0.85，膨胀机机械效率η2＝0.96，压缩机等熵效率η3＝0.85。一级、二级、三级高温蒸发器蒸发温度Tbsat＝55℃，出口过热度为5℃。一级、二级、三级低温蒸发器蒸发温度Tesat＝10℃，出口过热度为3℃。第一、第二冷凝器冷凝温度Tc＝30℃，出口过冷度为5℃。节流原件节流过程绝热。工质泵等熵效率η4＝0.85。如图3所示，有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环T-s图。

空气质量流量

ma＝600000/0.21*1.29/3600＝106.2kg/s

利用湿空气焓值公式计算空气焓值

h＝1.006(T-273.15)+(2501-1.86(T-273.15))d

现有空分系统空压机压缩过程公式

其中T12/T12’为一级空冷塔出口压缩空气温度。

本发明中的空分系统一级空压机压缩过程公式

现有空分系统一级空压机压缩功耗

W1＝ma*(h12-h1)

本发明中的空分系统一级空压机压缩功耗

W1′＝ma*(h12′-h11)

本发明中的空分系统一级空压机节约能耗

ΔW1＝W1-W1′

同样，二级和三级空压机有

现有空分系统二级空压机压缩过程公式

其中T22/T22’为一级空冷塔出口压缩空气温度。

本发明中的空分系统二级空压机压缩过程公式

现有空分系统二级空压机压缩功耗

W2＝ma*(h22-h21)

本发明中的空分系统二级空压机压缩功耗

W2′＝ma*(h22′-h21′)

本发明中的空分系统二级空压机节约能耗

ΔW2＝W2-W2′

现有空分系统三级空压机压缩过程公式

其中T32/T32’为一级空冷塔出口压缩空气温度。

本发明中的空分系统三级空压机压缩过程公式

现有空分系统二级空压机压缩功耗

W3＝ma*(h32-h31)

本发明中的空分系统三级空压机压缩功耗

W3′＝ma*(h32′-h31′)

本发明中的空分系统二级空压机节约能耗

ΔW3＝W3-W3′

本发明中的空分系统总节约压缩功耗

ΔW＝ΔW1+ΔW2+ΔW3

同时，针对一级、二级、三级高温蒸发器和一级、二级、三级低温蒸发器有

Qb1＝morc1*(h6-h5)＝ma*(h12′-hbout)

Qb2＝morc2*(h6-h5)＝ma*(h22′-hbout)

Qb3＝morc3*(h6-h5)＝ma*(h32′-hbout)

Qe1＝mvcr1*(h1-h4)＝ma*(h4′-h21′)

Qe2＝mvcr2*(h1-h4)＝ma*(h4′-h31′)

Qe2＝mvcr3*(h1-h4)＝ma*(h4′-hout′)

膨胀机和压缩机关系式

Wexp*η2＝Wcom

上式中工质焓值由物性表查得。

联立上述公式，最终可得ΔW＝914kW＝4.8E6 kWh

Tout＝14.2℃

从以上计算可得，本发明所设计的空分系统，将空冷机组用于原料空气预冷和预除湿，且结合有机朗肯-蒸汽压缩制冷循环进行压缩余热的回收，并使压缩空气降温，最终压缩模块出口空气状态完全满足现有空冷机组处理后的空气状态参数，说明本发明中的系统完全可行。同时，本发明中系统实现每年节约压缩能耗4.8E6 kWh，对空分系统节能具有重大意义。同时，空冷机组和有机朗肯-蒸汽压缩制冷系统运行稳定，操作简单，使用寿命长，可大大节约成本。

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，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种回收压缩空气余热并进行预除湿和预冷的空分系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。