一种回收压缩空气余热的空分系统的制作方法

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，会产生大量较高品味的热能，空气可被加热到130℃，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。

例如，公告号为cn104903669a的中国发明专利文献公开的一种空气分离方法及空气分离装置，其能够抑制氩的产率的下降的同时，提取更多的中压氮气、压力高于中压氮气的高压氮气、液氧或液氮等，利用氩塔的顶部的氩气和中压塔的顶部的中压氮气使低压塔的底部的低压液氧再沸，并且利用高压塔的顶部的高压氮气使氩塔的底部的中压液氧再沸。

上述装置在空气进入热交换系统之前的预处理过程中，没有考虑压缩前空气相对湿度较大，和压缩过程产生余热没有得到利用的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种回收压缩空气余热的空分系统，有效减少压缩级数，并且可以除去空冷机组，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的空分系统，包括空气流路和纯化模块，还包括除湿再生回路和吸收式制冷循环回路；

所述除湿再生回路包括除湿器、第一溶液热交换器、发生器、第一流量控制器和第一溶液泵；

所述吸收式制冷循环回路包括所述发生器的高温空气通道、冷凝器、膨胀元件、低温蒸发器、所述除湿器的冷却通道、吸收器、第二溶液泵、第二溶液热交换器、第二流量控制器和节流元件；

所述空气流路包括依次连通除湿器的除湿通道、一级空压机、发生器的一级压缩空气预冷流路、第一冷却单元、低温蒸发器的一级通道、二级空压机、发生器的二级压缩空气预冷流路、第二冷却单元以及低温蒸发器的二级通道，最后通入纯化模块。

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。

本发明不仅可以对空气进行预除湿，减少了空压机压缩水蒸气消耗的功，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；还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，可以减少空压机级数，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、含湿量要求，本发明系统可去除现有空分设备中空冷机组，从而大大降低了系统成本。

空气流路中，环境中的空气首先通过除湿器，通过除湿剂溶液对空气进行除湿与洗涤，并利用吸收式制冷循环中的制冷工质吸收除湿剂溶液的吸收热，间接预冷空气；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；之后进入发生器，分别为除湿再生回路、吸收式制冷循环提供热量，空气温度降低；发生器出口空气再通过冷却单元交换热量；之后空气进入低温蒸发器，利用吸收式制冷循环回路提供的冷量冷却至15℃左右，然后进入二级空压机进行再次压缩，压缩后空气再次进入吸收式制冷循环回路，之后空气进入冷却单元换热，最后进入分子筛进行纯化。

为了简化结构，提高节能效果，优选的，所述第一冷却单元和第二冷却单元为同一水冷器的两个冷却通道。

优选的，所述除湿再生回路的除湿剂和吸收式制冷循环回路的工质都采用溴化锂。溴化锂性质稳定，在大气中不易变质、不易分解、不易蒸发，常温下无毒无嗅；水蒸气分压力很低，比同温度下纯水的饱和蒸气压力低得多，因而有强烈的吸湿性；极易溶于水；溴化锂溶液对金属材料的腐蚀比氯化钠、氯化钙等溶液要小。所述除湿剂及吸收式制冷循环工质还可选择氯化钙、氯化钠等。

为了提高除湿效率以及换热效果，优选的，所述除湿器中，溴化锂溶液采用平板降膜吸收的方式对空气进行除湿，所述的制冷工质与溴化锂溶液之间采用间壁式换热方式。

优选的，所述的除湿器包括：

外壳；

若干导热板，所述导热板平行竖立设置在外壳内，形成依次间隔排列的冷却通道和通风通道，制冷工质在所述冷却通道内由上至下流动，溴化锂溶液在通风通道内的导热板上由上至下流动形成液膜，空气流路横穿通风通道流动。导热板上分布的溴化锂溶液液膜对空气进行水分吸收和洗涤，去除空气中的水分和固体粒子污染物。

溴化锂浓溶液在除湿器中吸收水分后被稀释成稀溶液，从除湿器底部流入发生器中，稀溶液在发生器中水分蒸发，浓度变大，发生器出口的浓溶液通过第一流量调节器调节流量，并利用第一溶液泵泵送至除湿器中，对空气预除湿和洗涤，完成循环。

为了便于制造和使用，优选的，所述吸收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，所述的发生器中热交换器采用间壁式换热。所述的发生器底部溶液池内装有热交换器，采用间壁式换热，与压缩后高温空气进行换热。发生器中溴化锂溶液吸收压缩机出口高温空气热量，使溶液中水分蒸发，对溴化锂溶液进行再生；溶液中的水分蒸发，进入冷凝器完成后续循环。

所述的除湿再生回路中还包括溶液热交换器，溶液热交换器的冷端连接在除湿器的溴化锂溶液出口和发生器的溴化锂溶液入口之间，溶液热交换器的热端连接在发生器的溴化锂溶液出口和除湿器的溴化锂溶液入口之间。

从除湿器中流出的溴化锂稀溶液通过第一溶液热交换器与发生器流出的溴化锂浓溶液进行热量交换，达到溶液热交换器出口稀溶液温度升高，溶液热交换器出口浓溶液温度降低的效果。

吸收式制冷循环回路中，发生器出口的制冷工质蒸气在冷凝器中和冷却水换热，降温后经过膨胀阀成为低温低压液体，吸收低温蒸发器中压缩空气热量，低温蒸发器出口制冷工质进入除湿器中吸收除湿器中原料空气和溴化锂除湿液热量，升温后进入吸收器，吸收器出口低温溴化锂稀溶液经第二溶液泵升压，且在第二溶液热交换器中与发生器出口高温溴化锂浓溶液热交换，之后进入发生器，浓缩后溴化锂浓溶液从发生器出口进入第二溶热液交换器，降温后经节流元件降压，进吸收器，由此完成制冷循环。

本发明结合目前已有的除湿技术和吸收式制冷技术，将部分压缩空气的余热加以利用，可显著降低空气温度和湿度，一方面减少了压缩机对水蒸气做功，另一方面由于空气进入压缩机时温度降低，可提高压比，存在可能将目前空分系统中的三级压缩减至二级压缩。同时，经溴化锂回路除湿以及溴化锂吸收制冷循环回路降温后，压缩空气状态满足现有空分系统中经空冷机组处理后出口所需状态，则可除去空冷机组，由此大大节约成本。

本发明的有益效果：

(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)本发明利用溴化锂溶液的吸水特性，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。

(3)本发明通过吸收式制冷循环，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，可以减少空压机级数，同时吸收式制冷循环没有运动部件，寿命长，操作简单，从而大大降低了系统成本。

(4)本发明中回收余热后的压缩空气温度达到现有空分流程中空冷机组出口气体要求，可以除去空冷机组，大大节约了系统成本。

附图说明

图1为现有技术的空分系统的结构示意图。

图2为本发明的回收压缩空气余热的空分系统的结构示意图。

图3为实施例中除湿器中各流体组织的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

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2，升温升压后进入第一水冷器17，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18降温至40℃左右，进入三级空压路机19，三级空压机19出口高温高压气体进入空冷塔20降温除湿，成为温度为15℃左右的饱和气体，之后进入分子筛完成后续步骤。

其中，空冷塔20中冷却水一部分由外界供水经第三溶液泵22泵送至塔中部，另一部分由水冷塔23经第四溶液泵21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的空分系统包括空气流路、溴化锂除湿再生回路和溴化锂吸收式制冷循环回路，其中：

空气流路，包括依次连通的除湿器1、一级空压机2、发生器3的一级压缩空气预冷流路、水冷器4、低温蒸发器8、二级空压机7、二级压缩空气预冷流路中发生器3、水冷器4、低温蒸发器8、分子筛及后续工艺。

工作过程如下：原料空气进入除湿器1，降温除湿后进入一级空压机2，成为高温高压气体，之后进入发生器3，被发生器3中溴化锂溶液吸收热量，为溴化锂除湿再生回路和溴化锂吸收式制冷循环回来提供热量。发生器出口压缩空气进入水冷器4，被冷却水带走热量。之后进入低温蒸发器8，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发生器3，之后经水冷器4和低温蒸发器8降温。此时空气温度大致为15℃，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。

如图3所示，结合图2可见，除湿器1中，具有空气、制冷工质与溴化锂溶液三种流路组织形式。其中，高导热板1001将除湿器1空间分为2类区域：依次间隔分布的窄侧和宽侧。制冷工质流路1002在窄侧空间垂直向下流动；溴化锂溶液流路1003在宽侧空间高导热板1001壁面形成液膜，通过高导热板1001与制冷工质流路1002进行热量交换，并垂直向下流动，在除湿器1底部富集溴化锂稀溶液；空气流路1004在宽侧空间垂直于纸面流动，期间与溴化锂溶液液膜进行传热传质。高导热板1001为溴化锂溶液液膜的形成提供了条件，并且将制冷工质流路1002与溴化锂溶液流路1003、空气流路1004分隔开来，达到利用制冷工质吸收溴化锂溶液的吸收热，间接冷却空气的目的。

溴化锂除湿再生回路中，低温溴化锂稀溶液除湿器1底部流出，进入第一溶液热交换器16与高温溴化锂浓溶液进行换热，降温后进入发生器3，吸收压缩空气热量后高温溴化锂浓溶液从发生器3出口流出，由第一流量阀14调节流量，且由第一溶液泵15升压后进第一溶液热交换器16，降温后进入除湿器1吸收原料空气中水分，且由制冷工质带走热量，成为低温溴化锂稀溶液从除湿器1底部流出，由此完成溴化锂除湿再生回路。

溴化锂吸收式制冷循环回路中，高温制冷工质蒸汽从发生器3顶部进入冷凝器5，被冷却水带走热量，降温后进入膨胀阀6，成为低温低压液体进入低温蒸发器8，蒸发吸热，低温蒸发器8出口制冷工质进入除湿器1继续吸热，之后进入吸收器9，被吸收器9中稀溶液吸收，同时吸收器9中溴化锂溶液与冷却水换热。之后吸收器9出口低温溴化锂稀溶液由第二溶液泵10升压，进入第二溶液热交换器12，吸收高温溴化锂浓溶液热量后进入发生器3。发生器3中溴化锂溶液吸收压缩空气中热量。发生器3出口高温溴化锂浓溶液由第二流量阀13调节流量，进入第二溶液热交换器12，降温后由节流阀11降压，成为低温低压溴化锂浓溶液进入吸收器9，由此完成溴化锂吸收式制冷循环回路。

其中，冷却水在吸收器9与溴化锂溶液热交换后，继续进入冷凝器5吸收制冷工质热量。低温蒸发器8出口低温制冷剂进入除湿器1带走原料空气和溴化锂除湿液热量。

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＝1bar，除湿器出口空气温度t2＝15℃，含湿量d2＝5g/kg(一级空压机入口空气状态)。一级空压机出口空气温度为t3＝115℃。水冷器出口空气温度为t4＝40℃。溴化锂溶液除湿效果为ε＝0.44g/kj(指溴化锂除湿系统中输入1kj热量，能除去0.44g水蒸气)，溴化锂吸收式制冷循环效率为η1＝0.7。根据现有空冷机组出口空气状态，取低温蒸发器出口空气温度为t5＝15℃(即二级压缩机入口空气状态)。二级空压机出口压缩空气t6＝115℃。二级压缩后空气经溴化锂吸收式制冷回路后t7＝15℃。空压机等熵效率均为η2＝0.85假设空气流量保持不变，且经除湿器后空气中含湿量小，计算时忽略该部分水蒸气。

判断二级空压机出口压力是否满足要求

∴p2＝2.47bar；

同理，p3＝6.11bar；

其中，p2为一级空压机出口压力，p3为二级空压机出口压力。现有空分系统中一般通过三级压缩将原料空气压缩至6bar，此处二级压缩即可达到要求，故可减少压缩级数为二级压缩，大大节约成本。

1、判断空压机出口压缩空气余热是否满足能量需求：

空气流量：60000nm³/h＝106kg/s；

除湿器中除湿量：

mh2o＝m(d1-d2)＝106kg/s*(16-5)g/kg＝1166g/s；

除湿器中所需热量：

q1＝mh2o/ε＝1166g/s÷0.44g/kj＝2650kw；

低温蒸发器中压缩空气放热：

q2＝mcp((t4-t5)+(t4-t7))

＝106kg/s*1.004kj/kg·℃*(40-15)℃*2＝5321kw

溴化锂吸收式制冷循环所需冷量：q3＝q2＝5321kw；

溴化锂吸收式制冷循环所需热量：q4＝q3/η＝7602kw；

发生器中压缩空气所需提供热量：q5＝q1+q4＝10251kw；

q5＝mcp((t3-t8)+(t6-t8))

＝106kg/s*1.004kj/kg·℃*(115-t8)*2＝10251kw

∴t8＝66.8℃；

t8为发生器出口压缩空气温度。所以当空压机出口压缩空气温度为110℃时，只要发生器出口压缩空气温度小于等于66.8℃，即能满足低温蒸发器出口压缩空气温度小于或等于15℃，所以所设计的系统在回收压缩余热的同时，可去除现有空分设备的空冷机组，且溴化锂除湿系统和溴化锂制冷循环系统除溶液泵外无运动部件，系统运行稳定，操作简单，使用寿命长，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、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。