[发明专利]一种节能型水合物法分离混合气的系统及方法

说明书

本发明公开了一种节能型水合物法分离混合气的系统。该系统包括压缩机、第一换热器、第二换热器、工作液冷却器、气体冷却器、水合物反应器、固液分离器、气液分离器、水合物分解器、清液循环泵、工作液循环泵、增压泵和能量回收装置；气液分离器液相出口与能量回收装置高压流体入口连接，能量回收装置泄压流体出口与水合物分解器流体入口连接；分解器液相出口经工作液循环泵与能量回收装置低压流体入口连接；能量回收装置增压流体出口依次经过增压泵、第二换热器、工作液冷却器后与反应器液相入口连接。本发明通过设置能量回收装置将高压水合物流体的压力能回收，用于提升分解释放气体后的水合物工作液压力，降低了对再生工作液循环使用进行加压所需的能耗。

技术领域

本发明属于气体分离领域，涉及一种水合物法分离混合气方法，特别是一种节能型水合物法分离混合气的系统及方法。

背景技术

水合物技术是近年来国内外研究的热点，除了作为能源开发利用，气体水合物相关技术衍生出了许多新的应用，用于气体储运、混合气及溶液分离、污水处理、海水淡化、CO₂封存、蓄冷技术等诸多领域。2014年，“第八届国际天然气水合物大会”在北京召开，是该项大会首次在发展中国家举行，表明我国水合物研究水平已得到世界认可，同时也将势必引发国内新一轮能源开发和水合物相关技术研究的热潮。在众多水合物技术应用中，混合气分离技术凭借流程简单、条件温和、操作灵活、绿色无污染等优点受到大量关注。水合物技术分离混合气的原理是不同气体形成水合物的压力相差很大，利用不同气体形成水合物的压力差异，通过控制生成条件，即可实现混合气体组分的分离。目前，水合物分离技术被报道应用于天然气、烟气、煤层气、合成气、炼厂气和沼气等诸多领域气体净化和提纯的研究。

利用水合物技术对混合气进行分离需要利用不同气体形成水合物的压力差别，将相平衡压力相对较低的气体形成水合物，而相平衡压力高的气体不形成水合物从而实现混合气分离，但一般情况下，气体水合物的生成压力较高，如温度273K条件下，一些典型气体的相平衡压力如下：CH₄：2.6MPa、CO₂：1.3MPa、O₂:11.1MPa、N₂:14.3MPa、H₂：200MPa，并且随着温度的升高相平衡压力也随之升高，温度278K条件下，CH₄与CO₂相平衡压力分别达到4.5MPa和2.4MPa，O₂、N₂、H₂则更高，气体相平衡压力越高，则生成水合物所需要的能耗越大。此外，要实现混合气分离还需将形成的气体水合物进行降压升温释放，水合形成的低温高压条件和分解释放的高温低压条件的连续气体分离过程中能耗较高，不利于工业应用。目前为了降低气体水合物的相平衡压力，一些大分子被加入到水合物工作液中用以改变相平衡条件，降低水合物生成温度和压力，此类添加剂成为热力学促进剂，主要有四氢呋喃（THF）、四氢吡喃（THP）、四丁基氟化铵（TBAF）、环戊烷（CP）和丙酮等。但热力学促进剂虽然能降低水合物的相平衡压力，但其是通过占据水合物结构中的孔穴实现的，因此储气量及分离效果受到了一定的限制。

专利CN105331411A公开了一种节能型天然气水合物的快速合成装置及方法，将高压天然气送至膨胀发电制冷单元，用于回收高压天然气自身的压力能，膨胀发电制冷单元冷凉用于水合物合成制冷，实现了高压天然气的压力能回收并利用冷能快速地合成了天然气水合物，但方法仅适用于高压气源，并且没有考虑液相增压的能耗问题。专利CN103881775A公开了一种煤层气水合物冷却分离及能量回收装置，通过回收尾气排放气中的冷量、未反应煤层气中的冷量和饱和吸收液中的冷量，降低了生产成本，但也仅仅考虑了热量方面的能量回收，煤层气水合-分解过程中的压力能消耗问题未能解决。专利CN101456556A公开了一种水合物法混合气体中CO₂工业化分离提纯系统及方法，设置了水合物生成和分解热综合利用系统和尾气能量回收系统组成，通过制冷循环过程综合利用水合物生成热与分解热，同时回收尾气压缩功及冷能用于原料气预处理，分离过程的能耗及成本低，该方法虽然回收了气相压力能和优化了热能利用，但液相压力能同样未能高效回收及利用，整个系统仍有很大的能耗降低空间。