专利名称：含氧煤层气液化分离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用液化原理进行分离的装置，尤其涉及一种含氧煤层气液化分
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背景技术：
含氧煤层气是煤矿在开采过程中为防止瓦斯爆炸和突出，保证煤矿安全生产而抽 排出的初级副产品；其主要成分为甲烷，从其成分含量上可以看出，煤层气是较为重要的能 源和化工原料。但是由于其成分较为复杂，特别是在煤层气中含有氧，是非常危险的助燃助 爆剂，制约了含氧煤层气的综合利用；实践中，为了节约成本，煤层气普遍在采煤过程中排 入大气，造成资源的极度浪费和对环境造成污染。随着科学技术的发展，出现了多种含氧煤层气的液化技术。其中， ZL200610103425. 0的专利公开了低温精馏法应用于含氧煤层气的分离和液化，具有分离纯 度高，装置结构简单的优点。但是，该制冷工艺采用混合制冷或者膨胀制冷等常规的制冷方式，结构复杂，透平 膨胀集等辅助机械，制冷效率较低，降低了分离和液化装置的处理能力。因此，需要对现有的含氧煤层气的液化装置进行改进，改变现有的制冷流程，充分 并合理的利用工艺过程中的冷量回收过程，提高制冷效率，从而相对提高装置的处理能力， 对于单井产量不高的煤层气而言，可节约生产成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种含氧煤层气液化分离装置，改变现有的制冷流程，充 分并合理的利用工艺过程中的冷量回收过程，提高制冷效率，从而相对提高装置的处理能 力，对于单井产量不高的煤层气而言，可节约生产成本。本发明的一种含氧煤层气液化分离装置，包括主流程系统和制冷系统；
所述主流程系统包括依次串接的一级换热器、二级换热器、三级换热器和精馏塔，一级 换热器设置有净化后含氧煤层气入口，位于精馏塔塔顶设置连通于精馏塔顶氮氧气出口的 塔顶冷凝器，所述精馏塔塔内位于塔底设置再沸器，精馏塔塔底设置冷凝液出口 ；
制冷系统包括混合制冷剂平衡罐、制冷剂压缩机、制冷剂冷却器、制冷剂一次气液分离 器和制冷剂二次气液分离器，制冷剂压缩机入口连通于制冷剂平衡罐，制冷机压缩机出口 通过制冷剂冷却器连通于制冷剂一次气液分离器，制冷剂一次气液分离器气体出口通过一 级换热器连通于二次气液分离器，二次气液分离器气体出口依次经过二级换热器、再沸器、 三级换热器和一节流阀III连通于塔顶冷凝器，塔顶冷凝器制冷剂出口依次经过三级换热 器、二级换热器和一级换热器连通于混合制冷剂平衡罐使制冷剂回流循环使用；
混合制冷剂平衡罐内混合制冷剂按质量百分比包括氮35%，甲烷30. 65%，乙烯 16. 81%，丙烷 3.8%，丁烷 8. 17% 戊烷 5.57%;
一次气液分离器的液体出口依次经过一级换热器和一节流阀I位于一级换热器和二
3级换热器之间连通于回流制冷剂；二次气液分离器的液体出口依次经过二级换热器和一节 流阀II位于二级换热器和三级换热器之间连通于回流制冷剂；
所述一级冷却器、二级冷却器、三级冷却器、再沸器和塔顶冷凝器均为按照介质种类设 置流道的间壁式结构。进一步，精馏塔塔顶氮氧气出口经过塔顶冷凝器连通于塔顶气液分离器，塔顶气 液分离器氮氧气出口依次经过一成品冷却器、三级换热器、二级换热器和一级换热器将氮 氧气输出；塔顶气液分离器液体出口连通于精馏塔；所述精馏塔塔底的冷凝液出口连通于 成品冷却器；所述成品冷却器为间壁式结构；
进一步，在主流程系统中，三级换热器和精馏塔之间设置节流阀IV ； 进一步，所述制冷机压缩机为三级压缩。本发明的有益效果在于本发明结构的含氧煤层气液化分离装置，制冷装置采用 混合制冷并结合节流制冷，改变现有的制冷流程，充分并合理的利用工艺过程中的冷量回 收过程，提高制冷效率，从而相对提高装置的处理能力，对于单井产量不高的煤层气而言， 可节约生产成本，只利用一套压缩设备，节约动力能源。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。附图为本发明结构示意图。
具体实施例方式附图为本发明结构示意图，如图所示本实施例的含氧煤层气液化分离装置，包括 主流程系统和制冷系统；
所述主流程系统包括依次串接的一级换热器1、二级换热器2、三级换热器4和精馏塔 5，一级换热器1设置净化后含氧煤层气入口，位于精馏塔5塔顶设置连通于精馏塔顶氮氧 气出口的塔顶冷凝器8，所述精馏塔5塔内位于塔底设置再沸器6，精馏塔5塔底设置冷凝 液出口 ；
制冷系统包括混合制冷剂平衡罐10、制冷剂压缩机11、制冷剂冷却器12、制冷剂一次 气液分离器13和制冷剂二次气液分离器15，制冷剂压缩机11入口连通于制冷剂平衡罐 10，制冷机压缩机11出口通过制冷剂冷却器12连通于制冷剂一次气液分离器13，制冷剂 一次气液分离器13气体出口通过一级换热器1连通于二次气液分离器15，二次气液分离 器15气体出口依次经过二级换热器2、再沸器6、三级换热器3和一节流阀III 17连通于塔 顶冷凝器8，塔顶冷凝器8制冷剂出口依次经过三级换热器3、二级换热器2和一级换热器 1连通于混合制冷剂平衡罐10使制冷剂回流循环使用；
混合制冷剂平衡罐10内混合制冷剂按质量百分比包括氮35%，甲烷30. 65%，乙烯 16. 81%，丙烷3.8%，丁烷8.17%戊烷5. 57% ；本配比能合理分配制冷剂中各个成分在各个 环节的气液成分，合理控制流程中的温度指标；
一次气液分离器13的液体出口依次经过一级换热器1和一节流阀I 14位于一级换热 器1和二级换热器2之间连通于回流制冷剂；二次气液分离器15的液体出口依次经过二级 换热器2和一节流阀II 16位于二级换热器2和三级换热器3之间连通于回流制冷剂；所述一级冷却器1、二级冷却器2、三级冷却器3、再沸器6和塔顶冷凝器8均为按照介 质种类设置流道的间壁式结构；各个通过介质之间完全独立且可互相之间交换热量。本实施例中，精馏塔5塔顶氮氧气出口经过塔顶冷凝器8连通于塔顶气液分离器 9，塔顶气液分离器9氮氧气出口依次经过一成品冷却器7、三级换热器3、二级换热器2和 一级换热器1将氮氧气输出；塔顶气液分离器9液体出口连通于精馏塔5，用于冷凝液回流 至精馏塔；所述精馏塔5塔底的冷凝液出口连通于成品冷却器7 ；所述成品冷却器7为间壁 式结构；通过成品冷却器7过冷产品并通过三级换热器3、二级换热器2和一级换热器1回 收冷量，充分利用低温氮氧气的冷量，进一步提高冷却效率。本实施例中，在主流程系统中，三级换热器3和精馏塔5之间设置节流阀IV 4 ；通 过节流降压，进一步降低温度，利于冷凝以及分离。本实施例中，所述制冷机压缩机11为三级压缩，级间均设置冷却及气液分离器， 降低压缩气体的单级压缩比，以及单级出口的温度，从而降低能耗。本发明在生产时，包括
A.主流程工艺将净化含氧煤层气依次通过一级换热器、二级换热器和三级换热器冷 却，，形成冷凝液和气体的混合物，出换热器净化含氧煤层气经过节流阀III 17节流后进入 精馏塔；精馏塔塔底得到液化天然气，剩余冷凝液由塔底流出经成品冷却器冷却后即为成 品液化天然气；塔顶得到N2和O2混合气并含有少量CH4进入塔顶冷凝器8 ；
精馏塔5顶流出的N2和O2进入塔顶冷凝器8析出携带出的少量CH4组分，有塔顶气 液分离器9进行气液分离后，液态为CH4由精馏塔5顶回流至至塔内；分离掉液态CH4后N2 和O2通过成品冷却器7冷却精馏塔底出来的液化天然气后依次通过三级换热器3、二级换 热器2和一级换热器1回收冷量后温度为作为尾气输出。B.制冷工艺
Bi.制冷剂平衡罐10的混合制冷剂经制冷剂压缩机11压缩、制冷剂冷却器12冷却； 一次气液分离器13—次气液分离后，气态进入一级换热器冷却，进入二次气液分离器15 二 次气液分离后，气态进入二级换热器冷却后进入精馏塔底的再沸器6，加热塔底冷凝液后自 身被冷却后，进入三级换热器3冷却，先进入塔底再沸器冷却后再进入三级换热器冷却，可 减小三级换热器的负荷，保证原料气的冷却效果，同时加热了塔底冷凝液，提高精馏和制冷 效率，相对提高装置的处理能力；三级换热器3冷却后经节流降压后降温进入塔顶冷凝器6 冷却塔顶出口的N2和O2及少量CH4组分，依次经过三级换热器6、二级换热器2和一级换 热器1逐渐换热并回流至压缩入口循环使用；
B2. 一次气液分离后的液体进入一级换热器1冷却经节流阀I 14节流后由一级换热器 和二级换热器之间进入回流制冷剂回流；二次气液分离后的液体进入二级换热器2冷却， 经节流阀II 16节流后降压后由二级换热器2和三级换热器3之间进入回流制冷剂回流；通 过节流降低压力从而达到蒸发降温的目的，并不需要额外的设备和动力，节约能源，减小设 备和占地投入。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种含氧煤层气液化分离装置，其特征在于包括主流程系统和制冷系统；所述主流程系统包括依次串接的一级换热器、二级换热器、三级换热器和精馏塔，一级换热器设置有净化后含氧煤层气入口，位于精馏塔塔顶设置连通于精馏塔顶氮氧气出口的塔顶冷凝器，所述精馏塔塔内位于塔底设置再沸器，精馏塔塔底设置冷凝液出口；制冷系统包括混合制冷剂平衡罐、制冷剂压缩机、制冷剂冷却器、制冷剂一次气液分离器和制冷剂二次气液分离器，制冷剂压缩机入口连通于制冷剂平衡罐，制冷机压缩机出口通过制冷剂冷却器连通于制冷剂一次气液分离器，制冷剂一次气液分离器气体出口通过一级换热器连通于二次气液分离器，二次气液分离器气体出口依次经过二级换热器、再沸器、三级换热器和一节流阀Ⅲ连通于塔顶冷凝器，塔顶冷凝器制冷剂出口依次经过三级换热器、二级换热器和一级换热器连通于混合制冷剂平衡罐使制冷剂回流循环使用；混合制冷剂平衡罐内混合制冷剂按质量百分比包括氮 35%，甲烷 30.65%，乙烯 16.81%，丙烷 3.8%，丁烷 8.17% 戊烷 5.57%；一次气液分离器的液体出口依次经过一级换热器和一节流阀Ⅰ位于一级换热器和二级换热器之间连通于回流制冷剂；二次气液分离器的液体出口依次经过二级换热器和一节流阀Ⅱ位于二级换热器和三级换热器之间连通于回流制冷剂；所述一级冷却器、二级冷却器、三级冷却器、再沸器和塔顶冷凝器均为按照介质种类设置流道的间壁式结构。
2.根据权利要求1所述的含氧煤层气液化分离装置，其特征在于精馏塔塔顶氮氧气 出口经过塔顶冷凝器连通于塔顶气液分离器，塔顶气液分离器氮氧气出口依次经过一成品 冷却器、三级换热器、二级换热器和一级换热器将氮氧气输出；塔顶气液分离器液体出口连 通于精馏塔；所述精馏塔塔底的冷凝液出口连通于成品冷却器；所述成品冷却器为间壁式 结构。
3.根据权利要求2所述的含氧煤层气液化分离装置，其特征在于在主流程系统中，三 级换热器和精馏塔之间设置节流阀IV。
4.根据权利要求3所述的含氧煤层气液化分离装置，其特征在于所述制冷机压缩机 为三级压缩。
全文摘要
本发明公开了一种含氧煤层气液化分离装置，包括主流程系统和制冷系统；主流程系统包括依次串接的一级换热器、二级换热器、三级换热器和精馏塔，制冷系统包括混合制冷剂平衡罐、制冷剂压缩机、制冷剂冷却器、制冷剂一次气液分离器和制冷剂二次气液分离器；本发明制冷装置采用混合制冷并结合节流制冷，改变现有的制冷流程，充分并合理的利用工艺过程中的冷量回收过程，提高制冷效率，从而相对提高装置的处理能力，对于单井产量不高的煤层气而言，可节约生产成本，只利用一套压缩设备，节约动力能源。
文档编号F25B1/00GK101928617SQ20101028223
公开日2010年12月29日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者任小坤, 史红兵, 姚成林, 孙郁, 寇伟伟, 张武, 王长元, 肖露, 胡千庭, 高元景 申请人:中国科学院理化技术研究所;煤炭科学研究总院重庆研究院