一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置的制作方法

本实用新型涉及化工深冷净化分离装置，尤其涉及一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置。

背景技术：

天然气处理装置多采用低温冷凝法对天然气进行冷凝分离，装置的许多部位在正常运行下多处在-20℃-89℃的低温状态，轻度冻结使管线堵塞不畅，影响装置开工及正常生产，严重使设备、管线及阀门冻裂，可能造成天然气大量泄漏，引起人身中毒、设备爆炸、着火等一系列事故。

天然气水合物的形成除与天然气的组分和游离水含量有关外，还需要一定的热力学条件，即一定的温度和压力。概括起来讲，天然气形成水合物必须具备以下条件:1)具有能形成水合物的气体分子，如小分子烃类物质和H2S,C02等酸性组分;2)有液态水存在，天然气温度必须低于天然气的水露点;3)低温，系统温度低于水合物生成的相平衡温度;4)高压，系统压力高于水合物生成的相平衡压力;5)其它辅助条件，如气体流速和流向的突变产生的扰动、压力的波动和晶种的存在。

液体甲烷（LNG）是一种优质能源，具有热值高、洁净、燃烧污染小等特点，且便于运输，是21世纪中国城市民用燃气首选燃料。LNG可以作为优质的车用燃料，与汽油相比，它具有热值高、抗爆性好、燃烧完全、排气污染小、发动机寿命长、降低运输成本等优点，即使与压缩天然气相比，它也具有储存效率高、加一次气续行程远，车装钢瓶压力小、重量轻、数量小、建站不受供气管网的限制等优势。有利于环境保护，减少城市污染。

合成氨一直是化工产业的能耗大户。合成氨的净化根据总体工艺的不同而采用不用的方法，大都采用液氮洗，常规的处理方法是将大部分的含量较高的氢和氮回收利用，将洗涤后的含甲烷等返流气燃烧或者直接排放。这样不仅浪费了能源、污染了环境，同时也降低了氮肥厂的经济效益。随着能源的日趋紧张，回收其中的甲烷将带来极大的经济效益和环保效益。

常规的液氮洗是通过高压氮气的节流和外部补进液氮来提供冷量，需要大量的消耗液氮。而且常规氮洗塔没有底部精馏部分，原料气直接进塔底部，容易发生甲烷、二氧化碳等冷凝气体的冻堵问题。目前很多企业通常将液氮洗净化合成气和液化分离制得LNG分成两套系统，这样不仅占用空间大而且效率低、能耗高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置及其方法。

一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置包括分子筛单元的再生气体加热器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、第九气动阀、第一吸附器、第二吸附器和再生气体冷却器，以及液氮洗单元的高压氮气冷却器、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、第四节流阀、第五节流阀、第六节流阀、第七节流阀、第八节流阀、1号原料气体冷却器、气体混合器、原料气分离器、2号原料气体冷却器、氮洗塔、甲烷精馏塔和甲烷塔底再沸器；

再生气体加热器一端通过管道与低压氮气通管连接，另一端分别与第一吸附器和第二吸附器的进口端连接，再生气体冷却器一端通过管道与氮气导出口连接，另一端分成两条支路分别连接第八气动阀和第九气动阀，第八气动阀与第一吸附器的接口端连接，第九气动阀与第二吸附器的接口端连接；

第一吸附器的净化气输送管道上设置有第一气动阀，第二吸附器的净化气输送管道上设置有第四气动阀，再生加热氮气输入管道连接吸附器端分为两个支路，与第一吸附器之间设有第二气动阀，与第二吸附器之间设置有第三气动阀，两吸附器再生加热氮气输入管道之间还设置有第五气动阀；

甲醇洗原料气输入管道分为两条支路分别与第六气动阀和第七气动阀相连，第六气动阀与第一吸附器的接口端连接，第七气动阀与第二吸附器的接口端连接；

净化气输送管道贯穿1号原料气体冷却器和2号原料气冷却器，与原料气分离器相连，原料器分离器下端管道与甲烷蒸馏塔相连，之间设置有第四节流阀，原料分离器的上端管道穿过2号原料气体冷却器与氮洗塔连接；低压液相冷剂管道进入段和液相混合冷剂管道进入段分别贯穿高压氮气冷却器，穿过之后分别安装第一节流阀和第二节流阀，气相混合冷剂管道进入段贯穿高压氮气冷却器、1号原料气冷却器和2号原料气冷却器，在2号原料气冷却器之后安装第五节流阀，其回流段分别穿过1号原料气体冷却器和2号原料气体冷却器；在高压氮气冷却器和1号原料气体冷却器之间，低压液相冷剂回流段、液相混合冷剂回流段与气相混和冷剂回流段三个支路汇合成一路管道，并贯穿高压氮气冷却器通向冷剂压缩机；高压氮气管道进入段分别贯穿高压氮气冷却器和1号原料气体冷却器，之后分成两路，一路通过第三节流阀并连接气体混合器，另一路继续贯穿2号原料气体冷却器并连接氮洗塔上部，2号原料气体冷却器和氮洗塔之间还设置有第六节流阀，气体混合器下端连接氮洗塔顶端，气体混合器上端安装合成气输送管道连接合成装置；氮气塔下部设置两条管道连接甲烷精馏塔，甲烷精馏塔顶部设置一条输送管道连接液氮系统、一条回流管道和两条输出管道，甲烷精馏塔底部安装有甲烷塔底再沸器并通过管道连接LNG储罐。

所述的第一吸附器和第二吸附器内装分子筛，是由程序控制器实现自动切换，保证一台使用另一台再生。

所述的原料气分离器顶部连接氮洗塔底部，在塔中原料气用液氮洗涤，气体中CO、CH₄、Ar等杂质气体被液氮吸收并能从氮洗塔顶部出来进入气体混合器使其氢氮比为3：1。

所述的配置气体混合器和氮洗塔的液氮洗净化合成气系统与混合制冷剂循环制冷系统以及配置甲烷精馏塔的液化分离系统集成结合在一起。

所述的高压氮气冷却器、1号原料气体冷却器、2号原料气体冷却器、氮洗塔、甲烷精馏塔的保冷材料为膨胀珍珠岩，换热器为板翅式换热器。

本实用新型主要由分子筛吸附系统、冷箱分离液化系统及混合冷剂制冷循环系统组成。分子筛系统主要由吸附器及再生系统组成，采用成熟的液氮洗分子筛吸附技术脱除其中的二氧化碳和甲醇；混合冷剂系统主要由压缩机单元和冷剂储配单元组成，压缩机采用单一MRC离心式压缩机，能耗低、设备简单，稳定可靠；冷箱系统主要由板翅式换热器组、氮洗塔及甲烷精馏塔组成。

常规氮洗塔没有底部精馏部分，原料气直接进塔底部，本实用新型增加了底部精馏部分，有效解决了2个问题，一个是解决了原料气含甲烷冻堵的问题，同时提高了氢气的回收率，使液氮洗装置的H2回收率提高到99.2%。并将常规液氮洗装置巧妙地和混合冷剂制冷循环结合起来，提高了装置的总效率。以往项目通常将液氮洗净化合成气和液化分离制得LNG分成两套系统，这样效率低、能耗高、占地大，本实用新型将液氮洗净化合成气和液化分离制得LNG整合成一套装置，节约投资，提供效率，节约能耗。

附图说明

图1为一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置的分子筛吸附单元示意图；

图2为一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置的冷箱分离液化单元与混合冷剂制冷循环系统示意图；

图中，再生气体加热器1、第一气动阀2、第二气动阀3、第三气动阀4、第四气动阀5、第五气动阀6、第六气动阀9a、第七气动阀9b、第八气动阀10、第九气动阀11、第一吸附器7、第二吸附器8、再生气体冷却器12、高压氮气冷却器13、第一节流阀14、第二节流阀15、第三节流阀17、第四节流阀20、第五节流阀21、第六节流阀23、第七节流阀25、第八节流阀26、1号原料气体冷却器16、气体混合器18、原料气分离器19、2号原料气体冷却器22、氮洗塔24、甲烷精馏塔27、甲烷塔底再沸器28。

具体实施方式

如图1、2所示，一种结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置包括分子筛单元的再生气体加热器1、第一气动阀2、第二气动阀3、第三气动阀4、第四气动阀5、第五气动阀6、第六气动阀9a、第七气动阀9b、第八气动阀10、第九气动阀11、第一吸附器7、第二吸附器8和再生气体冷却器12，以及液氮洗单元的高压氮气冷却器13、第一节流阀14、第二节流阀15、第三节流阀17、第四节流阀20、第五节流阀21、第六节流阀23、第七节流阀25、第八节流阀26、1号原料气体冷却器16、气体混合器18、原料气分离器19、2号原料气体冷却器22、氮洗塔24、甲烷精馏塔27和甲烷塔底再沸器28；再生气体加热器1通过管道，一端与低压氮气通管连接，另一端分别与第一吸附器7和第二吸附器8的进口端连接，再生气体冷却器12通过管道，一端与氮气导出口连接，另一端分成两条支路分别与与第一吸附器7和第二吸附器8的接口端连接，分别还设置有第八气动阀10和第九气动阀11；

第一吸附器7的净化气输送管道上设置有第一气动阀2，第二吸附器3的净化气输送管道上设置有第四气动阀5，再生加热氮气输入管道连接吸附器端分为两个支路，与第一吸附器7之间设有第二气动阀3，与第二吸附器8之间设置有第三气动阀4，两吸附器再生加热氮气输入管道之间还设置有第五气动阀6；

甲醇洗原料气输入吸附器管道分为两条支路，分别与第一吸附器7和第二吸附器8的接口端连接，两条支路上还分别设置有第六气动阀9a和第七气动阀9b；

净化气输送管道贯穿1号原料气体冷却器16和2号原料气冷却器22，与原料气分离器19相连，原料器分离器19下端管道与甲烷蒸馏塔27相连，之间设置有第四节流阀20，原料分离器19的上端管道穿过2号原料气体冷却器22与氮洗塔24连接；低压液相冷剂管道进入段和液相混合冷剂管道进入段分别贯穿高压氮气冷却器13，穿过之后分别安装第一节流阀14和第二节流阀15，气相混合冷剂管道进入段贯穿高压氮气冷却器13、1号原料气冷却器16和2号原料气冷却器22，在2号原料气冷却器22之后安装第五节流阀21，其回流段分别穿过1号原料气体冷却器16和2号原料气体冷却器22；在高压氮气冷却器13和1号原料气体冷却器16之间，低压液相冷剂回流段、液相混合冷剂回流段与气相混和冷剂回流段三个支路汇合成一路管道，并贯穿高压氮气冷却器13通向冷剂压缩机；高压氮气管道进入段分别贯穿高压氮气冷却器13和1号原料气体冷却器，之后分成两路，一路通过第三节流阀17，连接气体混合器17，另一路继续贯穿2号原料气体冷却器22并连接氮洗塔上部，两者之间还设置有第六节流阀23，气体混合器17下端连接氮洗塔24顶端，气体混合器17上端安装合成气输送管道连接合成装置；氮气塔24下部设置两条管道连接甲烷精馏塔27，甲烷精馏塔27顶部设置一条输送管道连接液氮系统，一条回流管道，两条输出管道，甲烷精馏塔27底部安装有甲烷塔底再沸器28并通过管道连接LNG储罐。

如图1所示，本实用新型第一吸附器7和第二吸附器8内装分子筛，是由程序控制器实现自动切换，保证一台使用另一台再生。

如图2所示，所述的原料气分离器19顶部连接氮洗塔24底部，在塔中原料气用液氮洗涤，气体中CO、CH₄、Ar等杂质气体被液氮吸收并能从氮洗塔顶部出来进入气体混合器使其氢氮比为3：1。

如图2所示，所述的配置气体混合器18和氮洗塔24的液氮洗净化合成气系统与混合制冷剂循环制冷系统以及配置甲烷精馏塔27的液化分离系统集成结合在一起。

如图2所示，所述的高压氮气冷却器13、1号原料气体冷却器16、2号原料气体冷却器22、氮洗塔24、甲烷精馏塔27的保冷材料为膨胀珍珠岩，换热器为板翅式换热器。

一种如权利要求1所述的结合混合冷剂系统的防冻堵联产LNG液氮洗装置的控制方法包括以下步骤：

1）原料气体来自低温甲醇洗工序，首先进入两个吸附器，将其中的微量甲醇和二氧化碳脱除，以免它们在冷箱内冻结引起低温设备和管道的堵塞。当第一吸附器7工作使用时，第二吸附器8进行再生，第一气动阀2、第三气动阀4、第六气动阀9a和第九气动阀11打开，第二气动阀3、第四气动阀5、第五气动阀6、第七气动阀9b和第八气动阀10关闭，再生气体加热器1为第二吸附器8提供加热到200℃的氮气，再生气体冷却器12冷却分子筛再生作用后的氮气，利于氮气的回收，第一吸附器7接收净化甲醇洗的原料气，过滤无用的废气，净化气进入下一步工序；

当第一吸附器7进行再生时，第二吸附器8工作使用，第一气动阀2、第三气动阀4、第五气动阀6、第六气动阀9a和第九气动阀11关闭，第二气动阀3、第四气动阀5、第七气动阀9b和第八气动阀10打开，再生气体加热器1为第一吸附器7提供加热到200℃的氮气，再生气体冷却器12冷却分子筛再生作用后的氮气，利于氮气的回收，第二吸附器8接收净化甲醇洗的原料气，过滤无用的废气，净化气进入下一步工序；

2）原料气经第一吸附器7和第二吸附器8将CO₂、CH₃OH等杂质除去后，进入1号冷却器16和2号冷却器17后与氮洗塔24顶部来的净化气、甲烷精馏塔27顶尾气逆流换热，冷却到一定温度后部分冷凝，进入原料气分离器19，原料气分离器19顶部气体继续冷却后进入氮洗塔24底部，在塔中原料气用液氮洗涤，气体中CO、CH₄、Ar等被液氮吸收后得到精制气，从氮洗塔24顶部出来经换热后，在气体混合器18中氮使其氢氮比为3：1，然后继续回收冷量送往合成装置；

3）从空分来的高压氮气进入冷箱冷却后分成两路，一路对精制气配氮和补充冷量，另一路冷却成液氮进入氮洗塔作洗涤液用；

4）原料气分离器19底部富甲烷液体和氮洗塔24底尾液减压后进入甲烷精馏塔27，塔顶尾气经液氮系统回收冷量复热至常温后出装置，甲烷精馏塔27塔底得到LNG经过冷后减压进入LNG产品储罐；

5）系统的冷量由混合冷剂制冷循环提供，来自制冷剂压缩机的混合工质制冷剂，进入冷箱，被预冷降温后作为制冷剂为天然气液化提供冷量；制冷剂被压缩后分为气相混合制冷剂、液相混合制冷剂两股分别进入冷箱，气相经降温出板翅换热器后经过第五节流阀21后返回换热器为原料天然气提供液化的冷量；液相在换热器内过冷后，经过第一节流阀14和第二节流阀15后与另一股返回的气相冷剂相混合，然后经复温后再返回压缩机入口进行闭式循环。