一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统

摘要

本发明公开了一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，包括压缩机、冷凝器、精馏装置、换热器以及油气冷凝分离回路；油气冷凝分离回路包括第一换热器单元、第二换热器单元、设置于第一换热器单元和第二换热器单元之间的第一节流元件以及分离器单元；本发明利用精馏装置替代传统混合工质自复叠油气分离系统中的多级分离过程，同时从精馏装置底部和顶部分别引出不同成分的高压液体制冷剂，分别减压进入第一换热器单元中优化匹配不同成分油气的降温过程中水当量变化，具有结构简单、运行可靠和系统效率高等优点，特别适合油库、加油站、石化加工等场所的挥发性油气的处理。

权利要求

1.一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，包括压缩机（1）、冷凝器（2）、精馏装置（3）以及油气冷凝分离回路；所述的压缩机（1）出口与冷凝器（2）进口相连；所述的冷凝器（2）出口与精馏装置（3）进口相连；所述的精馏装置（3）包括精馏柱以及与精馏柱顶部相连的柱顶换热器，柱顶换热器顶部出口与油气冷凝分离回路相连，其特征在于，所述的油气冷凝分离回路包括第一换热器单元、第二换热器单元、第一节流元件（12）和分离器单元；

所述的第一换热器单元包括第一换热器（4）、第二换热器（5）和第三换热器（6）；

所述的第一节流元件（12）设置于第一换热器单元和第二换热器单元之间；

所述的第二换热器单元包含蒸发器（7）；

所述的分离器单元包括第一分离器（8）、第二分离器（9）、第三分离器（10）和第四分离器（11）；

所述的第一换热器（4）、第二换热器（5）、第三换热器（6）内均设有一个正流制冷剂管道、一个返流制冷剂管道、一个油气管道和一个尾气管道；所述的蒸发器（7）内设有一个低压制冷剂管道和一个油气管道；所述的精馏装置（3）的柱顶换热器内设有冷却管道；所述的第一分离器（8）、第二分离器（9）、第三分离器（10）和第四分离器（11）均设有气相出口和液相出口；

所述的柱顶换热器顶部出口与第一换热器（4）的正流制冷剂管道进口相连；所述的第一换热器（4）的正流制冷剂管道出口与第二换热器（5）的正流制冷剂管道进口相连；所述的第二换热器（5）的正流制冷剂管道出口与第三换热器（6）的正流制冷剂管道进口相连；所述的第一节流元件（12）的进口与第三换热器（6）的正流制冷剂管道出口相连，出口与蒸发器（7）的返流制冷剂管道进口相连；所述的蒸发器（7）的返流制冷剂管道出口与第三换热器（6）的返流制冷剂管道进口相连；所述的第三换热器（6）的返流制冷剂管道出口与第二换热器（5）的返流制冷剂管道进口相连；所述的第二换热器（5）的返流制冷剂管道出口与第一换热器（4）的返流制冷剂管道进口相连；所述的第一换热器（4）的返流制冷剂管道出口与精馏装置（3）的柱顶换热器冷却管道的进口相连；所述的柱顶换热器冷却管道的出口与压缩机（1）的吸气口连通；

所述的第一换热器（4）的油气管道出口与第一分离器（8）的进口相连；所述的第一分离器（8）的气相出口与第二换热器（5）的油气管道进口相连；所述的第二换热器（5）的油气管道出口与第二分离器（9）的进口相连；所述的第二分离器（9）的气相出口与第三换热器（6）的油气管道进口相连；所述的第三换热器（6）的油气管道出口与第三分离器（10）的进口相连；所述的第三分离器（10）的气相出口与蒸发器（7）的油气管道进口相连；所述的蒸发器（7）的油气管道出口与第四分离器（11）的进口相连；所述的第四分离器（11）的气相出口与第三换热器（6）的尾气管道进口相连；所述的第三换热器（6）的尾气管道出口与第二换热器（5）的尾气管道进口相连；所述的第二换热器（5）的尾气管道出口与第一换热器（4）的尾气管道进口相连；

所述精馏装置（3）的底部出口通过三条支路分别与第一换热器（4）、第二换热器（5）和第三换热器（6）的返流制冷剂管道的进口相连；所述的三条支路上分别设有一个节流元件;所述柱顶换热器的底部出口通过三条支路管道分别与第一换热器（4）、第二换热器（5）和第三换热器（6）的返流制冷剂管道的进口相连，所述的三条支路管道上分别设有一个节流元件；

所述的油气分离系统还包括第三换热器单元；所述的第三换热器单元包括第四换热器

（22）、第五换热器（25）、第一截止阀（21）、第二截止阀（23）、第三截止阀（24）、第四截止阀（26）、第五截止阀（27）、第六截止阀（28）、第七截止阀（29）和第八截止阀（30）；所述的第四换热器（22）和第五换热器（25）并联设置；

所述的第四换热器（22）和第五换热器（25）内部均设有一个油气管道和一个尾气管道；

第一换热器（4）的尾气管道出口分别与第五截止阀（27）和第七截止阀（29）进口相连，使得尾气分为两条支路；所述的第四换热器（22）的油气管道进口与第一截止阀（21）出口相连，油气管道出口与第二截止阀（23）进口相连，尾气管道进口和第五截止阀（27）出口相连，尾气管道出口与第六截止阀（28）进口相连；

所述的第五换热器（25）的油气管道进口与第三截止阀（24）出口相连，油气管道出口与第四截止阀（26）进口相连，尾气管道进口与第七截止阀（29）出口相连，尾气管道出口与第八截止阀（30）进口相连；所述的第二截止阀（23）出口和第四截止阀（26）出口相连，汇聚成一个管道后与第一换热器（4）的油气管道进口相连；所述的第六截止阀（28）出口和第八截止阀（30）出口相连，汇聚成一个管道后作为尾气的出口。

2.根据权利要求1所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其特征在于，所述的精馏装置（3）的底部出口首先依次连接有干燥过滤器（19）和釜底换热器（20），然后再与所述的三条支路相连；所述的釜底换热器（20）内设有釜底换热器高压制冷剂管道和釜底换热器低压制冷剂管道；所述的干燥过滤器（19）进口与精馏装置（3）底部出口相连，出口与釜底换热器高压制冷剂管道进口相连；所述的釜底换热器高压制冷剂管道出口再分别与支路上的节流元件进口相连；所述的釜底换热器低压制冷剂管道进口与精馏装置（3）柱顶换热器出口相连，出口与压缩机（1）的吸气口相连。

3.根据权利要求1所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其特征在于，所述的精馏装置（3）与压缩机（1）的吸气口之间设有并联的第一变浓度回路和第二变浓度回路；第一变浓度回路包括依次串联的第九截止阀（31）、储液罐（32）和第十截止阀（33）；第二变浓度回路包括依次串联的第十一截止阀（34）、第一储气罐（35）和第十二截止阀（36）；所述第九截止阀（31）的进口与精馏装置（3）的底部出口相连，所述第十一截止阀（34）的进口与精馏装置（3）的柱顶换热器顶部出口相连；所述第十截止阀（33）的出口和所述第十二截止阀（36）的出口均与压缩机（1）的吸气口相连。

4.根据权利要求3所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其特征在于，所述第一节流元件（12）的进口和第三换热器（6）的高压制冷剂管道出口之间设有第五分离器（40）；所述的第五分离器（40）和压缩机（1）的吸气口之间设有第三变浓度回路；所述的第三变浓度回路包括依次串联的第十三截止阀（37）、第二储气罐（38）和第十四截止阀（39），第十三截止阀（37）的进口与第五分离器（40）的气相出口相连。

5.根据权利要求4所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其特征在于，所述的冷凝器（2）、第一换热器（4）、第二换热器（5）、第三换热器（6）、蒸发器（7）、第四换热器（22）、第五换热器（25）和釜底换热器（20）为套管式换热器、喷淋式换热器、壳管式换热器或板翅式换热器。

6.根据权利要求1 5任一权利要求所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其

~

特征在于，所述的系统内采用的制冷剂为二元以上的非共沸混合工质。

7.根据权利要求1 5任一权利要求所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其

~

特征在于，所述的各节流元件为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

8.根据权利要求1 5任一权利要求所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其

~

特征在于，所述的精馏装置中的精馏柱为填料式或塔板式。

9.根据权利要求1 5任一权利要求所述的精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，其

~

特征在于，所述的各截止阀为手动或者自动的双向截止阀。

说明书

一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统

技术领域

[0001] 本发明涉及油气分离技术领域，尤其涉及一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统。

背景技术

[0002] 油库、加油站、石化加工等场所中储存的一些油品中含有大量易挥发的轻烃组分，易在储运过程中挥发并混合在空气中，造成油品损耗、环境污染和安全隐患。所以有必要对这些场所中的含油空气进行处理。国标GB20950-2007《储油库大气污染物排放标准》和GB20952-2007《加油站大气污染物排放标准》等规范中，均明确规定排放的油气中非甲烷总3
烃含量应不大于25g/cm。

[0003] 在油气分离领域中，冷凝法由于其可分离出较纯净的产品，适合于较高浓度烃蒸汽的分离回收，受到人们的关注。最初人们普遍采用复叠制冷循环来营造低温冷凝油气，即采用不同制冷剂运行在多个制冷循环中获得不同的温度位以冷凝不同沸点的烃组分。但是复叠制冷系统所需设备多，逐渐被混合制冷剂制冷循环而替代。通常，混合制冷剂油气分离系统采用了自复叠制冷循环的思想，制冷剂的循环中采用了多级分离，以便高低沸点的制冷剂分离更完全；同时，一般的中小型系统因成本考虑会使用普通的油润滑压缩机，多级分离可将制冷剂带出的润滑油冷凝下来，避免其进入低温段堵塞节流装置。但是分离级的增多导致系统的结构复杂化，变工况性能变差。特别是对于小型、微型规模的油气分离系统，结构简单非常重要。

[0004] 中国专利ZL02110664.9提出一种精馏型混合制冷剂深度制冷装置，采用一个精馏装置来替代多个气液分离器，以实现传统混合制冷剂制冷装置中分离高低沸点制冷剂和冷凝压缩机润滑油的目的，减小了系统的复杂度，也具有较高的效率。但是，该装置能达到的制冷温度并不是很低，装置结构比较复杂。

[0005] 公告号为CN102141317A的中国专利文献公开了一种精馏型自复叠气体液化系统，包括压缩机、冷凝器、精馏装置以及原料气液化回路；压缩机出料口与冷凝器进料口相连，冷凝器的出料口与精馏装置釜中进料口相连，精馏装置包括精馏塔以及与精馏塔精馏段顶部连通的塔顶换热器，塔顶换热器顶部的出料口与原料气液化回路相连，原料气穿过原料气液化回路得到最终液化产品。

[0006] 该发明利用精馏装置代替传统混合工质气体液化系统的多级分离过程，并利用从精馏装置底部和顶部引出的不同成分的高压液体分别减压进入原料气液化回路中，优化匹配原料气降温液化过程中的水当量变化，来逐段冷却原料气，具有结构简单、运行可靠和系统液化效率高等优点，特别适用于各种小型和微型气体液化系统。然而，该装置适用范围有限，只适用于需要将原料气全部液化的场合；而在处理含油空气的场合中，只需要将油尽可能冷凝液化下来，而空气是不需要被液化的，所以该装置不适用于油气分离领域。

发明内容

[0007] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，该系统结构简单，运行可靠，用一台普通的油润滑压缩机即能完成分离尾气中的烃组分，使排放物浓度满足国标要求，特别适合油库、加油站、石化工厂等场所的挥发性油气的处理。

[0008] 本发明的技术方案如下：

[0009] 一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统，包括压缩机、冷凝器、精馏装置、以及油气冷凝分离回路；所述的压缩机出口与冷凝器进口相连；所述的冷凝器出口与精馏装置进口相连；所述的精馏装置包括精馏柱以及与精馏柱顶部相连的柱顶换热器，柱顶换热器顶部出口与油气冷凝分离回路相连，所述的油气冷凝分离回路包括第一换热器单元、第二换热器单元、第一节流元件和分离器单元；所述的第一换热器单元包括第一换热器、第二换热器和第三换热器中的一者或几者的组合；所述的第一节流元件设置于第一换热器单元和第二换热器单元之间；所述的第二换热器单元包含蒸发器；所述的分离器单元包括第一分离器、第二分离器、第三分离器和第四分离器中的一者或几者的组合；

[0010] 所述的第一换热器、第二换热器、第三换热器内均设有一个正流制冷剂管道、一个返流制冷剂管道、一个油气管道和一个尾气管道；所述的蒸发器内设有一个制冷剂管道和一个油气管道；所述的精馏装置的柱顶换热器内设有冷却管道；所述的第一分离器、第二分离器、第三分离器和第四分离器均设有气相出口和液相出口；

[0011] 所述的柱顶换热器顶部出口与第一换热器的正流制冷剂管道进口相连；所述的第一换热器的正流制冷剂管道出口与第二换热器的正流制冷剂管道进口相连；所述的第二换热器的正流制冷剂管道出口与第三换热器的正流制冷剂管道进口相连；所述的第三换热器的正流制冷剂管道出口与第一节流元件的进口相连，第一节流元件的出口与蒸发器的制冷剂管道进口相连；所述蒸发器的制冷剂管道出口与第三换热器的返流制冷剂管道进口相连；所述的第三换热器的返流制冷剂管道出口与第二换热器的返流制冷剂管道进口相连；所述的第二换热器的返流制冷剂管道出口与第一换热器的返流制冷剂管道进口相连；所述的第一换热器的返流制冷剂管道出口与精馏装置的柱顶换热器冷却管道的进口相连；所述的柱顶换热器冷却管道的出口与压缩机的吸气口连通；

[0012] 所述的第一换热器的油气管道出口与第一分离器的进口相连；所述的第一分离器的气相出口与第二换热器的油气管道进口相连；所述的第二换热器的油气管道出口与第二分离器的进口相连；所述的第二分离器的气相出口与第三换热器的油气管道进口相连；所述的第三换热器的油气管道出口与第三分离器的进口相连；所述的第三分离器的气相出口与蒸发器的油气管道进口相连；所述的蒸发器的油气管道出口与第四分离器的进口相连；所述的第四分离器的气相出口与第三换热器的尾气管道进口相连；所述的第三换热器的尾气管道出口与第二换热器的尾气管道进口相连；所述的第二换热器的尾气管道出口与第一换热器的尾气管道进口相连；

[0013] 所述精馏装置的底部出口通过三条支路分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器的返流制冷剂管道的进口相连；所述的三条支路上分别设有一个节流元件；

[0014] 所述柱顶换热器的底部出口通过三条支路管道分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器的返流制冷剂管道的进口相连，所述的三条支路管道上分别设有一个节流元件。

[0015] 在上述油气冷凝处理回路中，油气首先从第一换热器的油气管道进口进入冷凝分离回路，第一换热器的油气管道出口与第一分离器的进口相连，经过第一分离器的气液分离过程，第一分离器的气相出口与第二换热器油气管道进口相连，第二换热器的油气管道出口与第二分离器的进口相连，经过第二分离器的气液分离过程，第二分离器的气相出口与第三换热器油气管道进口相连；第三换热器的油气管道出口与第三分离器的进口相连，经过第三分离器的气液分离过程，第三分离器的气相出口与蒸发器的油气管道进口相连；蒸发器的油气管道出口与第四分离器的进口相连，经过第四分离器的气液分离过程，气相部分即为符合排放浓度要求的低温尾气，该低温尾气经第四分离器的气相出口进入第三换热器的尾气管道进口，第三换热器尾气管道出口与第二换热器的尾气管道进口相连，第二换热器尾气管道出口与第一换热器尾气管道进口相连，最终符合要求的尾气经第一换热器尾气管道出口排放。

[0016] 经过逐步冷凝并分离出来的冷凝油液体经第一分离器的液相出口、第二分离器的液相出口、第三分离器的液相出口、第四分离器的液相出口排出，回收至储罐或者以其他方式加以储存和利用。

[0017] 上述技术方案中第一换热器单元并不局限于由三个换热器构成，可以根据实际情况调整第一换热器单元内换热器的个数。随着第一换热器单元内换热器数目的调整，分离器单元内分离器的数目应作相应的调整，精馏装置底部出口和柱顶换热器底部出口连接的支路管道数目及支路上的节流元件数目也应作相应的调整。

[0018] 上述技术方案将需要处理的油气依次通入油气处理回路的换热器单元中，由返流的低压制冷剂提供主要的冷量，并且按照要处理的油气成分的特点，利用精馏装置底部和顶部不同成分的高压液体分别节流后与低压制冷剂混合，以优化和匹配油气降温过程中的水当量变化，逐段冷却油气，减小不同温度段换热器内混合制冷剂与油气之间的传热温差，从而适应不同成分油气的冷凝分离和减小系统的单位耗功。被逐级冷却的油气经过多次气液分离，最终形成符合排放浓度要求的低温尾气，可以再提供一部分冷量，复温后排放；冷凝油液体可有多种储存或利用方式。

[0019] 为保证整个油气分离系统的稳定性，同时实现能源的综合利用，在优选的技术方案中，可以在所述的精馏装置的底部出口管道上设置一个或多个干燥过滤器，实现对底部流出液体制冷剂的干燥和过滤；同时还可以设置一个或多个釜底换热器，对底部流出的制冷剂进行预冷处理。

[0020] 当干燥过滤器和釜底换热器个数均为一个时，所述的精馏装置的底部出口首先依次连接干燥过滤器和釜底换热器，然后再与所述的三条支路相连；所述的釜底换热器内设有釜底换热器高压制冷剂管道和釜底换热器低压制冷剂管道；所述的干燥过滤器进口与精馏装置底部出口相连，出口与釜底换热器高压制冷剂管道进口相连；所述的釜底换热器高压制冷剂管道出口再分别与支路上的节流元件进口相连；所述的釜底换热器低压制冷剂管道进口与精馏装置柱顶换热器出口相连，出口与压缩机的吸气口相连。

[0021] 利用低压制冷剂对精馏装置底部的液体制冷剂进行预冷，实现能量的综合利用；所述的釜底换热器内的高压制冷剂管道和低压制冷剂管道的进口分别位于釜底换热器的两侧，以实现逆流换热。

[0022] 若待处理的油气中含水量较高，或者是待处理的油气在冷凝处理之前没有经过其他干燥处理，在另一种优选的技术方案中，可以将返流经过第一换热器单元的仍处于-10℃～-20℃的尾气与进入第一换热器单元之前的待处理油气在第三换热器单元中进行回热，使得待处理油气降温至-1℃～4℃以基本除尽水汽。

[0023] 所述的第三换热器单元包括第四换热器、第五换热器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀和第八截止阀；所述的第四换热器和第五换热器并联设置。

[0024] 所述的第四换热器和第五换热器内部均设有一个油气管道和一个尾气管道；油气首先分两支路分别与第一截止阀和第三截止阀进口相连；第一换热器的尾气管道出口分别与第五截止阀和第七截止阀进口相连，使得尾气分为两条支路；所述的第四换热器的油气管道进口与第一截止阀出口相连，油气管道出口与第二截止阀进口相连，尾气管道进口和第五截止阀出口相连，尾气管道出口与第六截止阀进口相连；

[0025] 所述的第五换热器的油气管道进口与第三截止阀出口相连，油气管道出口与第四截止阀进口相连，尾气管道进口与第七截止阀出口相连，尾气管道出口与第八截止阀进口相连；所述的第二截止阀出口和第四截止阀出口相连，汇聚成一个管道后与第一换热器的油气管道进口相连；所述的第六截止阀出口和第八截止阀出口相连，汇聚成一个管道后作为尾气的出口。第四换热器、第五换热器以及与各自相连的各截止阀一并切换运行。

[0026] 所述的第四换热器和第五换热器的油气管道和尾气管道的进口均位于各自换热器的两侧，以实现逆流换热。在第三换热器单元中，利用尾气的剩余冷量为油气提供预冷，使得油气中的大部分水分凝结，实现能量的综合利用；并采用两换热器切换运行的模式，使一个换热器运行时，另一个换热器排水或除霜，增加装置连续运行的稳定性。

[0027] 若待处理的油气中含低沸点组分较多时，要将其处理到可排放的浓度标准，所需的制冷温度也要求更低，制冷剂回路中需采用低沸点组分浓度较高的多元混合制冷剂。这将导致油气分离系统中制冷剂回路的压缩机在开始降温阶段的压比和排气温度过高，大大降低压缩机寿命，甚至导致压缩机因压力保护而不能开启，使整个油气分离系统不能正常运行，冷却效率低。为解决这些问题，在另一种优选的技术方案中，可以在所述的精馏装置与压缩机吸气口之间设置并联的第一变浓度回路和第二变浓度回路。

[0028] 第一变浓度回路包括依次串联的第九截止阀、储液罐、第十截止阀，第二变浓度回路由依次串联的第十一截止阀、第一储气罐、第十二截止阀构成；在该优选的技术方案中，所述第九截止阀的进口与精馏装置的底部出口相连，所述第十一截止阀的进口与精馏装置的柱顶换热器顶部出口相连；所述第十截止阀的出口和所述第十二截止阀的出口均与压缩机的吸气口相连。

[0029] 通过第一变浓度回路以及第二变浓度回路在不同过程的启用和停用，来调节参与循环的混合制冷剂中低沸点组分的浓度，可以改善开机过程，或是达到更低的制冷温度。

[0030] 为进一步便于调节制冷剂回路中低沸点制冷剂的含量，优选的技术方案中，可以在所述的第一节流元件的进口和第三换热器的高压制冷剂管道出口之间的管路上设置第五分离器；所述的第五分离器与压缩机的吸气口之间设置第三变浓度回路；所述的第三变浓度回路由依次串联连接的第十三截止阀、第二储气罐和第十四截止阀构成，第十三截止阀进口与第五分离器的气相出口连通。

[0031] 所述的冷凝器、精馏装置的柱顶换热器、第一换热器、第二换热器、第三换热器、蒸发器、釜底换热器、第四换热器、第五换热器可选用常见的套管式换热器、喷淋式换热器、壳管式换热器或板翅式换热器。根据实际需要连接的管路和具体场合选择不同类型的换热器。本发明中优选板翅式换热器。

[0032] 所述的低温冷凝油气分离系统所用的制冷剂为二元或二元以上的非共沸混合制冷剂，常见的组分主要有：氮气、惰性气体、烃类、烃的卤化物、二氧化碳等等。

[0033] 所述的各节流元件可选用常规的手动节流阀、自动节流阀或毛细管，以起到节流降温的作用。

[0034] 所述的各截止阀可选用常见的手动或自动双向截止阀，以实现截止阀的自动或手动控制，其中第一与第二截止阀联动，第三与第四截止阀联动，第五与第六截止阀联动，第七与第八截止阀联动。

[0035] 所述的精馏装置可选用常规的填料塔或者板式塔。

[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0037] (1)本发明的油气分离系统中制冷系统的结构简化，运行可靠。对于含低沸点成分较多的油气，所需的最低制冷温度较低，如-110℃--130℃。要达到如此低的制冷温度，传统的混合制冷剂自复叠制冷系统一般需要2-5级分离过程。采用精馏装置来替代多级分离过程，可以使系统结构大大简化，并且使得进入到低温段的制冷剂中携带的润滑油有效去除，保证系统的可靠运行。

[0038] (2)本发明的油气分离系统可提高油气冷凝系统的热力学效率。针对不同成分的油气，根据其降温过程中的水当量分布特点和流量不同，可以调节精馏装置底部、顶部两个地方引出的不同成分的高压混合制冷剂液体的流量以及混合位置，优化换热器内的温度分布，减小传热温差，从而提高系统的热力学效率，减小系统耗功。

[0039] (3)本发明的油气分离系统充分利用尾气的余冷。若油气中含水量多或者在进行冷凝处理前没有进行过干燥，则可以利用尾气中的余冷对油气进行预冷，使得大部分水冷凝下来，减小在后续低温段结霜的可能性。同时预冷换热器单元采用切换运行的方式，增加装置的连续运行稳定性。

[0040] (4)本发明的油气分离系统能优化油气分离系统的开始降温阶段，提高降温速率。开始降温阶段内，混合制冷剂中高沸点组分浓度增加能降低系统的开机压力，改善该阶段内压缩机排气温度过高和压比偏大的问题，改善系统的动态运行特性。

[0041] (5)本发明的油气分离系统能优化油气分离系统的最终降温阶段，使得系统达到更低的制冷温度，提高系统的热力学效率。降温最终阶段内，混合制冷剂中低沸点组分浓度增加能改善换热器中高低压侧混合制冷剂的水当量匹配，从而降低系统能达到的最低温度，提高系统的热力学性能。

[0042] (6)本发明的油气分离系统中三个变浓度回路均结构简单，调节能力强，操作方便。在系统设计时就可以根据所需要实现的最低制冷温度设置若干个变浓度回路，也可以在系统运行时根据需要启用若干个变浓度回路。

附图说明

[0043] 图1为本发明的精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统的第一种实施方式的结构示意图；

[0044] 图2为本发明的精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统的第二种实施方式的结构示意图；

[0045] 图3为本发明的精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统的第三种实施方式的结构示意图；

[0046] 图4为本发明的精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统的第四种实施方式的结构示意图；

[0047] 图5为本发明的变浓度精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统的第五种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图和具体实施方式对本发明一种精馏型自复叠低温冷凝的油气分离系统作进一步详细说明。

[0049] 实施例1

[0050] 如图1所示，一种精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统，包括压缩机1、冷凝器2、精馏装置3、第一换热器4、第二换热器5、第三换热器6、蒸发器7、第一分离器8、第二分离器9、第三分离器10、第四分离器11、第一节流元件12、第二节流元件13、第三节流元件14、第四节流元件15、第五节流元件16、第六节流元件17和第七节流元件18。

[0051] 精馏装置3中包括精馏柱以及与精馏柱顶部相连的柱顶换热器，柱顶换热器内设有冷却管道。第一换热器4、第二换热器5、第三换热器6中均设有一个正流制冷剂管道、一个返流制冷剂管道、一个油气管道和一个尾气管道，外壁上均设有与管道连通的进口或出口。蒸发器7中设有一个制冷剂管道和一个油气管道，外壁上设有与管道连通的进口或出口。

[0052] 压缩机1的出口1b和冷凝器2的制冷剂进口2a相连，冷凝器2的制冷剂出口2b和精馏装置3中精馏柱的中部进料口3a相连，精馏装置3的精馏柱底部出液口3b分别与第二节流元件13的进口13a、第三节流元件14的进口14a、第四节流元件15的进口15a相连。

[0053] 精馏装置3的柱顶换热器顶部的出口3c和第一换热器4的正流制冷剂管道进口4a相连；精馏装置3的柱顶换热器底部的出口3f和分别与第五节流元件16的进口16a、第六节流元件17的进口17a、第七节流元件18的进口18a相连。

[0054] 第一换热器4的正流制冷剂管道出口4b与第二换热器5的正流制冷剂管道进口5a相连；第一换热器4的返流制冷剂管道进口4c与第二换热器5的返流制冷剂管道出口5d相连，第一换热器4的返流制冷剂管道出口4d则与精馏装置3柱顶换热器内的冷却管道的进口3d相连；第一换热器4中的待处理油气管道进口为4g，尾气管道出口为4f；第一换热器4中的油气管道出口4h与第一分离器8的进口8a相连，尾气管道进口4e与第二换热器5的尾气管道出口5f相连。第一换热器4中的正流制冷剂管道进口4a、返流制冷剂管道出口4d、尾气管道出口4f、油气管道进口4g在同一侧，而第一换热器4中的正流制冷剂管道出口4b、返流制冷剂管道进口4c、尾气管道进口4e、油气管道出口4h在另一侧，以实现冷热流体的逆向换热。

[0055] 第二换热器5的正流制冷剂管道出口5b与第三换热器6的正流制冷剂管道进口6a相连，第二换热器5的返流制冷剂管道进口5c和第三换热器6的返流制冷剂管道出口6d相连；第二换热器5的尾气管道进口5e与第三换热器6的尾气管道出口6f相连，油气管道进口5g与第一分离器8的气相出口8c相连，油气管道出口5h与第二分离器9的进口9a相连。第二换热器5中正流制冷剂管道进口5a、返流制冷剂管道出口5d、尾气管道出口5f、油气管道进口5g在同一侧，而第二换热器5的正流制冷剂管道出口5b、返流制冷剂管道进口5c、尾气管道进口5e、油气管道出口5h在另一侧，以实现冷热流体的逆向换热。

[0056] 第三换热器6的正流制冷剂管道出口6b与第一节流元件11的进口11a相连，第一节流元件11的出口11b则与蒸发器7的制冷剂管道进口7a相连；第三换热器6的返流制冷剂管道进口6c与蒸发器7的制冷剂管道出口7b相连；第三换热器6的尾气管道进口6e与第四分离器11的气相出口11c相连，油气管道进口6g与第二分离器9的气相出口9c相连，油气管道出口6h与第三分离器10的进口10a相连。第三换热器6中正流制冷剂管道进口6a、返流制冷剂管道出口6d、尾气管道出口6f、油气管道进口6g在同一侧，而第三换热器6中正流制冷剂管道出口6b、返流制冷剂管道进口6c、尾气管道进口6e、油气管道出口6h在另一侧，以实现冷热流体的逆向换热。

[0057] 蒸发器7的尾气管道进口7c与第三分离器10的气相出口10c相连，尾气管道出口7d与第四分离器11的进口11a相连；蒸发器7中的制冷剂管道出口7b和尾气管道进口7c在同一侧，制冷剂管道进口7a和尾气管道出口7d在另一侧，以实现冷热流体的逆向换热。

[0058] 第一分离器8的液相出口8b、第二分离器9的液相出口9b、第三分离器10的液相出口10b以及第四分离器11的液相出口11b最终汇聚成一股，作为冷凝油被收集或者送回到储罐。

[0059] 第二节流元件13的出口13b、第五节流元件6的出口16b均与第一换热器4的返流制冷剂管道进口4c相连，或与第二换热器5的返流制冷剂管道出口5d相连；第三节流元件14的出口14b、第六节流元件17的出口17b均与第二换热器5的返流制冷剂管道进口5c相连，或与第三换热器6的返流制冷剂管道出口6d相连；第四节流元件的出口15b、第七节流元件的出口18b均与第三换热器6的返流制冷剂管道进口6c相连，或与蒸发器7的制冷剂管道出口7b相连。

[0060] 上述实施方式中的冷凝器2、精馏装置3的柱顶换热器、第一换热器4、第二换热器5、第三换热器6、蒸发器7为板翅式换热器。

[0061] 第一节流元件12、第二节流元件13、第三节流元件14、第四节流元件15、第五节流元件16、第六节流元件17、第七节流元件18可选用常规的手动节流阀、自动节流阀或毛细管，以起到节流降温的作用。精馏装置3与普通制冷装置中的精馏装置类似，精馏柱可以选用常规的塔板式精馏柱或者填料式精馏柱。各个部件之间的连接采用制冷剂管路连接，低温管路外要包裹防水和保温材料。低温冷凝油气分离系统所用的制冷剂为二元或二元以上的非共沸混合制冷剂，常见的组分主要有：氮气、惰性气体、烃类、烃的卤化物、二氧化碳等等。

[0062] 为便于理解，上述精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统可以分为制冷剂回路和油气回路，以下是详细的工作流程：

[0063] 在制冷剂回路中，非共沸混合制冷剂经过压缩机1加压后，经过冷凝器2被冷凝成气液两相的高压流体，再进入精馏装置3的釜中。气态混合制冷剂从下到上通过精馏装置3的精馏柱，与精馏装置3顶部流下来的回流液进行传热传质的过程；混合制冷剂中的高沸点组分、压缩机润滑油以及少量的低沸点组分被冷凝下来作为回流液的一部分；大部分低沸点组分构成的气态混合制冷剂通过精馏装置3顶部换热器，从顶部出口3c流出。这股气态混合制冷剂依次通过第一换热器4、第二换热器5、第三换热器6，经过第一节流元件12节流降温，然后进入蒸发器7提供冷量，再依次返流经过第三换热器6、第二换热器5、第一换热器4、精馏装置3的柱顶换热器，分别为油气和精馏过程提供冷量，最终返回压缩机1的吸气口。

[0064] 以高沸点组分为主的液态制冷剂从精馏装置3的底部3b流出，可以分别进入第二节流元件13、第三节流元件14、第四节流元件15，经过节流后和以低沸点为主的返流制冷剂在不同的位置混合。调节第二节流元件13或第三节流元件14或第四节流元件15的开度，可以使得这股液态制冷剂和返流制冷剂以不同的比例混合，以匹配换热器中的水当量。

[0065] 以中间沸点组分为主的液态制冷剂从精馏装置3的柱顶换热器的底部出口3f流出，可以分别进入第五节流元件16、第六节流元件17、第八节流元件18，经过节流后和以低沸点为主的返流制冷剂在不同的位置混合。调节第五节流元件16或第六节流元件17或第七节流元件18的开度，可以使得这股液态制冷剂和返流制冷剂以不同的比例混合，以匹配换热器中的水当量。

[0066] 在油气回路中，高温或常温油气首先经过第一换热器4降温，进入第一分离器8，将部分液化下来的油品分离出来；未液化的油气继续进入第二换热器5被冷却到更低的温度，进入第二分离器9，将再次部分液化的油品分离出来；未液化的油气再继续进入第三换热器6继续降温，进入第三分离器10，将再次部分液化的油品分离出来；最后，未液化的油气进入蒸发器7降温，进入第四分离器11，将液化的油品分离出来。经过系统各参数的调节，可以保证此时未液化的油气已经达到了国标中的排放标准。为利用这部分未液化油气的冷量，将其依次返流通过第三换热器6、第二换热器5、第一换热器4，复温后以尾气的形式排放。第一分离器8、第二分离器9、第三分离器10、第四分离器11的分离出来的油品分别从分离器液相出口流出，并汇集起来以冷凝油的形式返回储罐或者以其他方式储存起来。

[0067] 对某石化厂装车油气采用本发明方法进行低温冷凝分离。油气温度为35℃，流量为30m3/h，油气成分与浓度如表1所示：

[0068] 表1.油气组成与各组分浓度

[0069]

[0070]

[0071] 采用某种多元混合制冷剂，制冷剂回路的工况为：低压为200kPa，高压为2000kPa，假设压缩机绝热效率为85％，忽略各换热器压降与漏热。利用化工软件HYSYS进行流程模拟，结果显示：油气可被冷凝至-130℃，正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、正己烷均被冷凝，尾气中只剩下甲烷、乙烷、丙烷这些烃类，具体浓度如表2所示：

[0072] 表2.尾气组成与各组分浓度

[0073]组分 摩尔分数(％)
甲烷 0.56
乙烷 1.41
丙烷 0.11
氮气 75.14
氧气 22.77

[0074] 经核算，在该算例中，尾气中非甲烷总烃含量约为21.5g/m3，低于国标要求，每立方的油气处理功耗约为0.27kW·h。

[0075] 实施例2

[0076] 如图2所示，与实施例1连接方式与结构相同，不同之处在于在精馏装置底部液体出口设有干燥过滤器19和釜底换热器20。

[0077] 精馏装置3的底部出口首先依次连接干燥过滤器19和釜底换热器20，然后再与第二节流元件13、第三节流元件14以及第四节流元件15所在的三条支路相连；

[0078] 釜底换热器19内设有一个高压制冷剂管道和一个低压制冷剂管道。具体地，精馏装置3的底部液体出口3b与干燥过滤器19的进口19a相连，干燥过滤器19的出口19b与釜底换热器20的高压制冷剂管道进口20a相连；所述的釜底换热器20的高压制冷剂管道出口20b分别与第二节流元件13的进口13a、第三节流元件14的进口14a、第四节流元件15的进口15a相连；精馏装置3的柱顶换热器冷却管道出口3e与釜底换热器20的低压制冷剂管道进口20c相连；釜底换热器20的低压制冷剂管道出口20d与压缩机1的吸气口1a相连。

[0079] 在所述的釜底换热器20中，高压制冷剂管道进口20a和低压制冷剂管道出口20d在同一侧，高压制冷剂管道出口20b和低压制冷剂管道进口20c在另一侧，以实现冷热流体的逆向换热。

[0080] 实施例3

[0081] 如图3所示，与实施例1连接方式与结构相同，不同之处在于新增了第三换热器单元。

[0082] 第三换热器单元包括第四换热器22、第五换热器25、第一截止阀21、第二截止阀23、第三截止阀24、第四截止阀26、第五截止阀27、第六截止阀28、第七截止阀29和第八截止阀30，第四换热器22和第五换热器25并联设置，其中第一截止阀21与第二截止阀23联动，第三截止阀24与第四截止阀26联动，第五截止阀27与第六截止阀28联动，第七截止阀29与第八截止阀30联动。

[0083] 具体地，油气首先分别与第一截止阀21的进口21a和第三截止阀24进口24a相连；第一换热器4的尾气管道出口4f分别与第五截止阀27的进口27a和第七截止阀29的进口29a相连，使得尾气分为两条支路；第四换热器22的油气管道进口22a与第一截止阀21的出口
21b相连，油气管道出口22b与第二截止阀23的进口23a相连，尾气管道进口22c和第五截止阀27的出口27a相连，尾气管道出口22d与第六截止阀28的进口28a相连；第五换热器25的油气管道进口25a与第三截止阀24的出口24a相连，油气管道出口25b与第四截止阀26的进口
26a相连，尾气管道进口25c与第七截止阀29的出口29b相连，尾气管道出口25d与第八截止阀30的进口30a相连；第二截止阀出口23b和第四截止阀出口26b相连，汇聚成一个管道后与第一换热器4的油气管道进口4g相连；第六截止阀28的出口28b和第八截止阀30的出口30b相连，汇聚成一个管道后作为尾气的出口。

[0084] 第四换热器22的油气管道进口22a和尾气管道出口22d位于同一侧，油气管道出口22b和尾气管道进口22c位于另一侧，以实现逆流换热；第五换热器25的油气管道进口25a和尾气管道出口25d位于同一侧，油气管道出口25b和尾气管道进口25c位于另一侧，以实现逆流换热。

[0085] 系统的工作流程于实施例1类似，不同之处在于刚开始运行时，同时打开第一截止阀21、第二截止阀23、第五截止阀27和第六截止阀28，同时关闭第三截止阀24、第四截止阀25、第七截止阀29和第八截止阀30，待处理油气和尾气在第四换热器22中发生热交换，利用尾气的余冷来预冷油气以冷凝大部分水汽，此时第五换热器25实施排水或除霜过程；当系统运行一段时间后，同时关闭第一截止阀21、第二截止阀23、第五截止阀27、第六截止阀28，同时打开第三截止阀24、第四截止阀25、第七截止阀27、第八截止阀30，将油气和尾气的换热过程切换到第五换热器25中进行，此时第四换热器22实施排水或除霜过程。

[0086] 实施例4

[0087] 如图4所示，精馏型自复叠低温冷凝油气分离系统包括正常浓度回路、第一变浓度回路、第二变浓度回路。正常浓度回路与实施例1中油气分离回路的连接方式与结构类似，但在精馏柱与压缩机之间增加了第一变浓度回路和第二变浓度回路。下面对每个回路进行说明：

[0088] (1)正常浓度回路：

[0089] 正常浓度回路的部件与连接与实施例1中类似，不同之处在于：精馏装置3的柱顶换热器顶部的出口3c分别与两条并联支路相连，其中一条支路与第一换热器4的正流制冷剂管道进口4a相连，另一条支路与第十一截止阀34的进口34a相连；精馏装置3的精馏柱底部出液口3b分别与四条并联支路相连，即分别与第二节流元件13的进口13a、第三节流元件14的进口14a、第四节流元件15的进口15a以及第九截止阀31的进口31a相连。

[0090] (2)第一变浓度回路：

[0091] 第一变浓度回路由依次串联设置的第九截止阀31、储液罐32和第十截止阀33组成。其中第九截止阀31的进口31a与精馏装置3的底部出口3b相连，出口与储液罐32的进口32a相连；第十截止阀33的进口33a与储液罐32的出口32b相连，出口33b与压缩机1的吸气口
1a相连。

[0092] (3)第二变浓度回路：

[0093] 第二变浓度回路由依次串联设置的第十一截止阀34、第一储气罐35和第十二截止阀36组成。其中第十一截止阀34的进口34a与精馏装置3的顶部出口3c相连，出口34b与第一储气罐35的进口35a相连；第十二截止阀36的进口36a与第一储气罐35的出口35b相连，出口36b与压缩机1的吸气口1a相连。

[0094] 该实施方式中的第九截止阀31、第十截止阀33、第十一截止阀34、第十二截止阀36为手动或者自动双向截止阀。

[0095] 为便于理解，以下是详细的工作流程：

[0096] 制冷剂的正常浓度回路、油气分离回路工作流程与实施例1中所述相同，不同之处在于开机前要确认第九截止阀31、第十截止阀33、第十一截止阀34、第十二截止阀36都处于关闭状态。

[0097] 随着时间延续，油气分离系统的制冷温度不断下降，在足够长的时间之后，在环境温度以及油气热负荷不变的情况下，系统达到稳定运行状态，制冷温度在混合制冷剂的正常浓度下达到了最低极限。此时，分别启动第一变浓度回路和第二变浓度回路就可以实现更低的制冷温度。

[0098] 启用第一变浓度回路：打开第九截止阀31，将富含高沸点组分的混合制冷从精馏柱底部引入储液罐32中，一段时间后关闭第九截止阀31，使得正常浓度回路中高沸点组分制冷剂减少，提高了参与循环的制冷剂中低沸点组分的浓度，能比正常浓度制冷实现更低的制冷温度，可以将油气中的轻烃类处理得更彻底。

[0099] 启用第二变浓度回路：打开第十二截止阀36，将富含低沸点组分的混合制冷剂从第一储气罐35中放出，一段时间后关闭第十二截止阀36，使得正常浓度回路中参与循环的低沸点制冷剂增加，因此提高了参与循环的低沸点组分浓度，可以比正常浓度和启用第一变浓度回路后的制冷实现更低的制冷温度。

[0100] 经过足够长时间运行后，在环境温度和热负荷不变的情况下，系统再次达到稳定状态，制冷温度在改变后的制冷剂浓度下达到了新的最低极限。关机前，依次停用第二变浓度回路和第一变浓度回路，可以逐步减小停机时混合制冷剂中的低沸点组分浓度。

[0101] 停用第二变浓度回路：打开第十一截止阀34，将富含低沸点组分的混合制冷剂储存到第一储气罐35中，一段时间后关闭第十一截止阀34，使得参与循环的制冷剂低沸点组分浓度继续减小。

[0102] 停用第一变浓度回路：打开第十截止阀33，将储液罐32中富含高沸点组分的混合制冷剂放出，一段时间后关闭第十截止阀33，使得参与循环的制冷剂低沸点组分浓度继续减小。

[0103] 在停用两个变浓度回路后即可停机，这两个变浓度回路可在下一次开机运行中继续启用单个或者两个同时启用。

[0104] 实施例5

[0105] 如图5所示，与实施例4的结构及连接方式相同，不同之处在于：在第一节流元件12的进口12a和第三换热器6的正流制冷剂管道出口6b之间设有第五分离器40，所述的第五分离器40与压缩机1的吸气口1a之间设有第三变浓度回路；第三变浓度回路由依次串联的第十三截止阀37、第二储气罐38和第十四截止阀39组成；其中，第十三截止阀37的进口37a与第五分离器40的气相出口40c相连，出口37b与第二储气罐38的进口38a相连；第十四截止阀39的进口39a与第二储气罐38的出口38b相连，出口39b与压缩机1的吸气口1a相连。

[0106] 启用第一和第二变浓度回路的方法和实施例4相同。

[0107] 启用第三变浓度回路：打开第十四截止阀39，将低沸点组分比例更高的混合制冷剂从第二储气罐38中放出，一段时间后关闭第十四截止阀39，使得参与循环的制冷剂低沸点组分浓度提高，可以比正常浓度制冷、启用第一变浓度回路制冷、启用第二变浓度回路制冷实现更低的制冷温度。

[0108] 经过足够长时间运行后，在环境温度和热负荷不变的情况下，系统再次达到稳定状态，制冷温度在改变后的制冷剂浓度下达到了新的最低极限。关机前，依次停用第三变浓度回路、第二变浓度回路和第一变浓度回路，可以逐步减小停机时混合制冷剂中的低沸点组分浓度。

[0109] 停用第三变浓度回路：打开第十三截止阀37，将低沸点组分含量最多的混合制冷剂储存到第二储气罐38中，一段时间后关闭第十三截止阀37，使得参与循环的制冷剂低沸点浓度继续减小。

[0110] 停用第二变浓度回路和停用第一变浓度回路方法与实施例4相同。

[0111] 以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。