氧气浓度检测器17检测到氧含量为39.50mol %。水合物分解生成的残液回输到第三水合塔5中。4?10级水合后富氧空气氧含量可达到65mol%?99mol%0
[0083]4)第一水合塔3水合过程中释放的热通过第一热泵9收集，通入第一分解塔6中，第二水合塔4水合过程中释放的热通过第三热泵11收集，通入第三分解塔8中；第三水合塔5水合过程中释放的热通过第二热泵10收集，通入第二分解塔7中，为水合物分解提供一部分热能。水合物分解所需的另一部分热由水浴加热提供。水合促进剂和热泵的使用，与未使用添加剂和热泵相比，富氧空气和富氮空气的氧含量和氮含量每提高一个单位级，整个工艺的能耗将减少25.50%。
[0084]实施例6:多级间歇水合物分离空气(参见图2)
[0085]一种水合空气分离方法，包括如下步骤:
[0086]I)通过真空泵12、第二真空泵13、第三真空泵14往第一水合塔3、第二水合塔4和第三水合塔5的液体进口加入水合促进剂和蒸馏水，水合促进剂为十二烷基硫酸钠SDS和环戊烷CP，其中，十二烷基硫酸钠的质量浓度为X = 0.1，环戊烷质量浓度为X = 0.1，水为500ml ο
[0087]2)原料为空气(21mol%氧气和79mol%氮气的二元混合气体)，空气进入第一水合塔3内进行水合，操作条件为:温度t1= 18°C，压力P1= 23.5Mpa?第一水合塔3，第二水合塔4，第三水合塔5的操作条件都为:温度t1= 18°C，压力P != 23.5Mpa。待水合塔3中的水大部分生成水合物后(压力停止突降)，水合物相为含有富氧空气和水合促进剂的水合物，气相为富氮气体。停止空气通入，第一水合塔3气相气体富含氮气从气体释放回收口排出，即为富氮空气，含氮量为90.50mol% ;富氮空气通入第二水合塔4中水合(富含氧气)；二级水合后气相为富氮空气，从第二水合塔4气体释放回收口收集，或者再次通入下一级水合塔中水合；第二水合塔4的的水大部分生成水合物后(压力停止突降)通入第三分解塔8分解得到气相气体和残液，气相气体(富含氮气)从第三分解塔8上部的富氧空气释放回收口排掉，残液回输到第二水合塔4中。4?10级水合后富氮空气氮含量可达到%mol % ?9mol %。
[0088]3)第一水合塔3中生成的水合物富含氧气，待水合塔3中的水大部分生成水合物后，停止空气通入，将水合物从第一水合塔3的水合物溶液输出口排入第一分解塔6中，在第一分解塔6分解富含氧气的水合物，得到富氧空气和残液(水和水合促进剂)，从第一分解塔富氧空气释放回收口收集富氧空气，氧含量为27.50mol %。第一分解塔6中分解水合物生成的残液回输到第一水合塔3。所得的富氧空气通入第三水合塔5中进行水合，第三水合塔5中的水大部分生成水合物后(富含氧气)，所得气相气体从第三水合塔的气体释放回收口排出，水合生成的水合物富含氧气，通入第二分解塔7中升温分解，得到富氧空气，从第二分解塔7富氧空气释放回收口收集富氧空气，氧含量为37.50mol %。水合物分解生成的残液回输到第三水合塔5中。4?10级水合后富氧空气氧含量可达到45mol%?99mol% ο
[0089]4)再次通入空气直至水合塔3中大部分水生成水合物，重复以上操作。
[0090]5)第一水合塔3水合过程中释放的热通过第一热泵9收集，通入第一分解塔6中，第二水合塔4水合过程中释放的热通过第三热泵11收集，通入第三分解塔8中；第三水合塔5水合过程中释放的热通过第二热泵10收集，通入第二分解塔7中，为水合物分解提供一部分热能。水合物分解所需的另一部分热由水浴加热提供。水合促进剂和热泵的使用，与未使用添加剂和热泵相比，富氧空气和富氮空气的氧含量和氮含量每提高一个单位级，整个工艺的能耗将减少28.25%。
【主权项】
1.一种低能耗水合空气分离的装置，其特征在于，包括压缩机、预冷系统、至少水合塔、分解塔、真空泵和热泵各一个；压缩机和预冷系统通过管道连接， 如水合塔、分解塔、真空泵和热泵为各一个；所述预冷系统连通第一水合塔的进气口，第一水合塔的进液口连接第一真空泵，第一水合塔的水合物溶液输出口与第一分解塔的进料口连接，第一分解塔的残液输出口与第一水合塔的液体进口连接，第一水合塔和第一分解塔还通过第一热泵连接，第一水合塔的上部设有气体释放回收口 ；第一分解塔上部设有富氧空气释放回收口； 如水合塔、分解塔、真空泵和热泵为各多个；预冷系统连通第一水合塔的进气口，各个水合塔的进液口连接真空本；第一水合塔的水合物溶液输出口与第一分解塔的进料口连接，第一分解塔的残液输出口与第一水合塔的液体进口连接，第一水合塔和第一分解塔还通过第一热泵连接；第一水合塔的上部设有的气体释放回收口与第二水合塔进气口连通，第二水合塔的上部设有气体释放回收口，气体释放回收口收集富氮空气或与下一级水合塔连通；第二水合塔的水合物溶液输出口与第三分解塔的进料口连接，第三分解塔的残液输出口与第二水合塔的液体进口连接，第二水合塔和第三分解塔还通过第三热泵连接；第三分解塔上部设有废气排出口 ；第一分解塔上部的富氧空气释放回收口与第三水合塔的进气口连通，第三水合塔的上部设有废气排出口 ；第三水合塔的水合物溶液输出口与第二分解塔的进料口连接，第二分解塔的残液输出口与第三水合塔的液体进口连接，第三水合塔和第二分解塔还通过第二热泵连接；第二分解塔上部设有富氧空气释放回收口，收集富氧空气或与下一级水解塔连通。
2.根据权利要求1所述的低能耗水合空气分离的装置，其特征在于，水合塔为带有夹套式制冷装置的气-液反应器，气-液反应器为气-液搅拌式、填料式或喷淋塔式。
3.根据权利要求1所述的低能耗水合空气分离的装置，其特征在于，分解塔为带有加热装置的气液反应器，加热装置为夹套式水浴加热系统。
4.根据权利要求1所述的低能耗水合空气分离的装置，其特征在于，热泵由外部冷凝器和外部加热器组成。
5.根据权利要求1所述的低能耗水合空气分离的装置，其特征在于，所述制冷系统为水浴冷却、油浴冷却、热泵中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的低能耗水合空气分离的装置，其特征在于，水合塔、分解塔和热泵各一个构成一级分离装置，所述级数为2级-10级。
7.—种应用权利要求1 -7任一项所述装置的低能耗水合空气分离的方法，其特征在于包括如下步骤: I)将水合塔和分解塔抽真空，通过真空泵往各个水合塔的液体进口加入水合促进剂和蒸馏水；所述水合促进剂由动力学促进剂与热力学促进剂混合形成或使用热力学促进剂中的一种或多种；所述动力学促进剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基氯化铵中的一种或多种；所述热力学促进剂为四氢呋喃、环戊烷、四丁基溴化铵溶液、四丁基氟化铵溶液、四丁基氯化铵和四戊基溴化铵中的一种或多种；控制动力学促进剂在水合塔溶液中质量浓度为0.1%?18% ;控制四氢呋喃、四丁基溴化铵、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵和环戊烷溶液在水合塔溶液中的浓度分别为0.1 %?32 %、I %?50 %、I %?50 %、I %?50%和0.1 %?30% ;控制水合反应塔中压力为0.2MPa?45MPa，温度为_20°C?35 °C ； 2)空气从管道进入压缩机，并进过预冷系统中冷却进入第一水合塔中进行水合反应；在第一水合塔气相中富集氮气，水合物相中富集氧气；富氮气从第一水合塔塔顶流出收集或进入下一级水合塔中继续进行水合反应，从下一级水合塔的塔顶得到的富氮空气或再次通入下一级水合塔中进行水合反应，最后收集氮气；多级水合直到富氮空气氮含量达到要求；下一级水合塔的水合物进入下一级分解塔，下一级分解塔的塔顶气体作为废气排出； 3)第一水合塔中反应生成的水合物与水合促进剂流入第一分解塔中分解，释放出富氧空气，收集或将所得的富氧空气，或通入下一级水合塔中进行二次水合富氧，废气从下一级水合塔的塔顶排出，水合物与水合促进剂从塔底流入下一级分解塔中，分解后从塔顶得到富氧空气，收集或者再进入下一级水合塔进行水合；多级水合直到富氧空气氧含量达到要求；分解后的溶液回输到水合塔中继续使用；水合塔中产生的热通过热泵收集，为分解塔水合物分解提供热量。
8.根据权利要求7所述的低能耗水合空气分离的方法，其特征在于，水合空气分离流程采用连续式操作或采用间歇式操作。
9.根据权利要求7所述的低能耗水合空气分离的方法，其特征在于，所述控制水合反应塔中压力为0.2MPa?45MPa，温度为_20°C?35°C是通过加入蒸馏水的方式控制压力，温度通过水合塔的夹套式制冷装置控制。
10.根据权利要求7所述的低能耗水合空气分离的方法，其特征在于，所述热泵提供的热量为水合物分解所需热的10%?60%，剩余的热量由加热装置提供。
【专利摘要】本发明公开了一种低能耗水合空气分离的装置与方法。该装置包括压缩机、预冷系统、至少水合塔、分解塔、真空泵和热泵各一个；压缩机和预冷系统通过管道连接，预冷系统连通第一水合塔的进气口，第一水合塔的进液口连接第一真空泵，第一水合塔的水合物溶液输出口与第一分解塔的进料口连接，第一分解塔的残液输出口与第一水合塔的液体进口连接，第一水合塔和第一分解塔还通过第一热泵连接，第一水合塔的上部设有气体释放回收口，第一分解塔上部设有富氧空气释放回收口；本发明利用氧气比氮气更易与水进行水合的原理将空气分离，水合促进剂的加入使水合压力更低，并且使氧气比氮气生成水合物的压力差别更大，能量消耗降低可达30％以上。
【IPC分类】C01B21-02, B01D53-00, C01B13-02
【公开号】CN104841237
【申请号】CN201510217359
【发明人】樊栓狮, 龙小军, 郎雪梅, 王燕鸿
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月30日