一种冷凝法油气回收用冷箱及其回收方法与流程

本发明属于油气回收技术领域，特别涉及一种冷凝法油气回收用冷箱及其回收方法。

背景技术：

冷凝法是油气回收中应用最广的技术之一。冷凝是利用混合物中不同组分具有不同的饱和蒸气压这一特点，采用降低系统温度的方法使烃类组分凝结，从而实现有机组分与空气分离的过程。

冷凝法油气回收具有如下特点：

(1)受环境温度、压力、油气性质等因素影响小，回收效果稳定；

(2)工作温度低，安全性好；

(3)操作条件相对简单，无中间步骤，回收液态烃类纯度高，有时可直接回用。

冷凝法油气回收的适用范围主要包括：

(1)油气高温、高湿、高浓度和高水蒸气的场合；

(2)作为排放控制设施的预处理，通过初步冷凝减轻后续净化装置操作负荷的场合。

冷凝法油气回收工艺设计中需着重考虑以下问题：

(1)在冷凝温度的选取上，应综合考虑油气各组分的热力学性质，根据其冷凝规律设计耗能低、排放浓度低的油气回收工艺；

(2)由于要将油气降温至较低的温度，应综合考虑设备制造成本、运行成本和最终排放指标；

(3)由于冷凝过程中需多次换热，换热器效率、油气中不凝气体、换热器结霜等问题需特别考虑。

冷凝法回收一般按预冷、冷凝等步骤实现。预冷通常是一单级冷却装置，将油气由常温冷却至约4℃，其设置主要考虑以下因素：

(1)尽可能的除去油气中的水蒸气，减少后续冷凝器结霜和冻管现象的发生；

(2)将部分重烃组分冷凝，防止其进入温度较低的冷凝器后凝结、变粘、甚至凝固，阻碍换热；

(3)节省后续冷凝器能耗。

冷凝系统冷却温度的设置，综合考虑油气的热力学性质及规定的油气排放指标。这里有两个特别需要注意的地方，一是油气热力学数据的获取，这是科学设计冷凝装置的基础，另一个是制冷系统的选取，实际应用中以机械制冷为主。

预冷和冷凝步骤中间通常会加入中间冷凝系统，中间冷凝的设计主要考虑到换热流程的最优化，其冷却温度的设计以换热计算的优化为准。

冷凝系统中的换热器是使油气温度降到设计温度，实现烃类组分液化回收的关键，其本质是一个经过特殊设计的换热器，俗称“冷箱”。冷箱的设计和制造关系到油气能都降低到设计温度、关系到冷凝下来的液态烃能否顺利排出系统、关系到冷凝到指定温度的油气冷量能否得到有效的回收，从而实现整个系统的节能。

现有油气回收系统中采用的冷箱，存在较明显的缺陷：(1)现有油气回收系统多采用的是多级多个冷箱多个制冷系统的方式，整体系统较为繁杂，占地面积大，设备多，能耗高，制造和运行成本都比较高；(2)现有技术中有采用一体式冷箱的报道，但对于冷箱内部的具体结构，却存在不清楚的缺陷。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种冷凝法油气回收用冷箱及其回收方法。本发明采用的一体式预冷加深冷集成式冷箱，在一个冷箱内，同时实现油气的预冷、深冷冷凝和冷量回用，有效排出冷凝液化烃的同时，对冷凝后的油气冷量进行了有效的利用。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种冷凝法油气回收用冷箱，所述冷箱至少设有两个换热工段，分别为预冷段和冷凝段，所述预冷段和冷凝段内均设置换热管束，其中预冷段设置光滑直管列管管束，冷凝段设置带弯头和翅片的盘管管束，预冷段和冷凝段通过隔板上开口实现油气连通，每个换热箱体均设置冷凝液排出口，冷凝液排出口设置在靠近各段隔板连通开口的位置；冷箱顶部设置油气回热利用接管，所述油气回热利用接管一端与冷凝段顶部的开口连接，另一端与预冷段设置的回热进口管箱连接，所述回热进口管箱与预冷段换热管管束连通；油气进口接管与预冷段壳程连通，油气出口接管与预冷段回热出口管箱连通，制冷剂进口管设置在冷凝段油气出口一侧，制冷剂出口管设置在冷凝段油气进口一侧，均与冷凝段盘管连通。

作为本申请的优选技术方案，所述各换热箱体均安装温度传感器，设置于各段靠近隔板连通开口的位置，与冷凝液排出口相垂直，与控制器相连。

作为本申请的优选技术方案，所述预冷段和冷凝段均设置折流板，所述折流板为金属板，间隔、交错布置在箱体内部两侧，各折流板长度为所在箱体宽度的0.6～0.8倍。

优选的，所述折流板为波浪形板或螺旋形板，表面设有凸点。

作为本申请的优选技术方案，所述翅片包括设置在盘管管束外侧呈螺旋分布的主翅片和与主翅片固定连接的副翅片，所述副翅片呈弯曲状或锥形。

作为本申请的优选技术方案，所述冷凝段包括第一冷凝段和第二冷凝段，所述预冷段、第一冷凝段和第二冷凝段均通过隔板上开口实现连通，所述预冷段与第一冷凝段的连通开口设在隔板上部水平中间的位置，第一冷凝段和第二冷凝段的连通开口设在隔板下部水平中间的位置。

优选的，所述换热箱体的第二冷凝段油气出口与油气回热利用接管连通。

优选的，所述预冷段直管束两端均固定在管板上，管板再与回热进口管箱和回热出口管箱连接。

一种冷凝法油气回收用冷箱的回收方法，包括如下步骤：

(1)高温油气自油气进口进入冷箱，先进入预冷段壳程内，在预冷段壳程流动，初步预冷后经预冷段连通开口进入冷凝段，在冷凝段壳程流动，经冷凝后由冷凝段油气出口进入油气回热利用接管，经油气回热利用接管进入油气回热进口管箱，再进入预冷段内的换热管束，与来自油气进口的高温油气进行换热，换热完成后进入回热出口管箱，再经油气出口离开管箱。高温油气中含有的可冷凝的水、烃类物质，在经过换热降温后，部分会冷凝液化，经过冷凝排液口排出冷箱；

(2)来自制冷机组的制冷剂经制冷剂进口进入冷凝段换热列管，再经制冷剂出口离开冷凝段换热管束，进入制冷机组，再次制冷。

本发明提供的设备及处理方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)在一个箱体内同时设置了不同的独立的换热模块，实现了油气预冷、冷凝和油气冷量回用(回热利用)和冷凝液外排；(2)特殊的内部结构设计，使装置整体布局更加紧凑，换热效率更高；(3)各换热模块不同的管束型式设计，考虑到了各段换热流体的物性和换热需求；(4)设置温度传感器，可实时监测各段油气温度的变化，以做出利于冷箱操作的调整。

附图说明

图1是本发明冷凝法油气回收用冷箱的主视图；

图2是图1的左视图；

图3是冷凝法油气回收用冷箱的内部管束布置图；

图4是图3的左视图；

图5是本发明冷凝法油气回收用冷箱的内部折流板和隔板开口示意图；

其中，1-油气进口；2-油气出口；3-隔板；4-隔板；5-箱体外壳；6-油气回热利用接管；7-冷凝液排出口；8-冷凝液排出口；9-冷凝液排出口；10-制冷剂进口；11-制冷剂出口；12-直管束；13-弯头；14-翅片；15-换热列管；16-温度传感器；17-温度传感器；18-温度传感器；19-折流板；20-折流板；21-折流板；22-连通开口；23-连通开口；24-冷凝段油气出口；25-回热进口管箱；26-回热进口管箱进口；27-回热出口管箱。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合说明书附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例1：

如图1所示，冷箱箱体呈长方体，箱体内由隔板分成三个相对独立的空间，分别是：箱体外壳5与隔板3构成的预冷段，箱体外壳5与隔板3、隔板4之间构成的第一冷凝段以及外壳5与隔板4构成的第二冷凝段。其中，第二冷凝段与预冷段通过油气回热利用接管6相连。预冷段、第一冷凝段和第二冷凝段箱体底部分别设置冷凝液排出口7、冷凝液排出口8和冷凝液排出口9。在各冷凝液排出口垂直方向分别设置温度传感器16、温度传感器17和温度传感器18，温度传感器可检测油气温度并转化成4～20ma电信号传输到dcs或plc，以做出有利于冷箱的调整。

如图2所示，第二冷凝段上部换热管与制冷剂进口10相连，第一冷凝段下部换热管与制冷剂出口11相连。

如图3所示，预冷段内布置有换热直管束12、第一冷凝段和第二冷凝段布置有带弯头13和翅片14的换热管束，翅片14包括设置在管束外侧呈螺旋分布的主翅片和与主翅片固定连接的副翅片，副翅片呈弯曲状，换热管束的排列方向垂直于油气进口1。

如图4所示，第一冷凝段和第二冷凝段的换热列管15在箱体内的排布方式呈盘管状。

如图5所示，预冷段内布置有一个以上折流板19，为螺旋形板，第一冷凝段内布置有一个以上折流板20，第二冷凝段布置有一个以上折流板21，折流板20和折流板21为波浪形板，各折流板表面均设有凸点，材质为铜板，在各箱体的侧壁上，沿着竖直方向交错布置。折流板的布置使油气在管箱内折流运行，实现冷侧与热侧的充分换热。本实施例中，折流板长度为所在箱体宽度的0.6倍。隔板3上设置有连通开口22，连通开口22设在隔板3上部水平中间的位置，隔板4上设置有连通开口23，连通开口23设在隔板4下部水平中间的位置。

第二冷凝段箱体顶部设置有冷凝段油气出口24，所述冷凝段油气出口24与油气回热利用接管6相连通。回热进口管箱25设置有回热进口管箱进口26，回热进口管箱进口26与油气回热利用接管6连通，回热出口管箱27与油气出口2连通。

如图5所示，具体运行时，高温油气自油气进口1进入冷箱，先进入预冷段，在折流板19的作用下，在预冷段管箱内做曲折向上流动，经预冷段上部连通开口22进入第一冷凝段，在折流板20的作用下，在第一冷凝段管箱内做曲折向下流动，经第一冷凝段下部连通开口23进入第二冷凝段，在折流板21的作用下，在第二冷凝段内做向上曲折流动，经冷凝段油气出口24进入油气回热利用接管6，经油气回热利用接管6进入油气回热进口管箱25，再进入预冷段内的换热管束，与来自油气进口1的高温油气进行换热，换热完成后进入回热出口管箱27，再经油气出口2离开管箱。来自制冷机组的冷冻液经制冷剂进口10进入第二冷凝段换热列管15，再经制冷剂出口11离开第一冷凝段换热管束，进入制冷机组，第一冷凝段换热管束与第二冷凝段换热管束连通。由于油气中含有可冷凝的烃类物质，在经过换热降温后，部分烃类物质会冷凝液化，冷凝液化的烃分别经过冷凝液排出口一7、冷凝液排出口二8、冷凝液排出口三9排出冷箱。

本实施例中的冷箱相当于3个换热器：预冷换热器、第一冷凝换热器、第二冷凝换热器。在预冷换热器内，热侧为来自油气进口的初始高温油气，冷侧为来自回热利用管道的低温油气，热侧走壳程，冷侧走管程；在第一冷凝换热器，热侧为来自预冷段的油气，冷侧为来自第二冷凝段换热管束的冷冻液，热侧走壳程，冷侧走管程；在第二冷凝换热器，热侧为来自第一冷凝段的油气，冷侧为来自制冷机组的冷冻液，热侧走壳程，冷侧走管程。

以油气处理量300nm³/h，将油气冷却至-70℃为例。油气进口和出口的规格均为dn150，油气经预冷段换热后降温至4℃，预冷段-第一冷凝段连通开口尺寸为80×500mm，油气在第一冷凝段降温至-35℃，第一冷凝段-第二冷凝段开口尺寸为80×500mm，油气在冷凝段降温至-70℃。降温至-70℃的油气再经过回热利用接管去预冷段的管程，与来自油气进口的油气进行换热，将其降温至4℃。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求为保护范围。