本發(fā)明涉及一種工業(yè)空氣預處理系統(tǒng)，尤其涉及一種用于空氣分離的空氣預除濕及預冷系統(tǒng)。

背景技術：

空氣分離技術發(fā)展至今已有一百多年的歷史，即將空氣中的各組分氣體分離，生產(chǎn)氧氣、氮氣和氬氣等氣體的工業(yè)技術。廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療等過程?？諝夥蛛x設備依次主要包括空壓機、空冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、膨脹機、精餾系統(tǒng)及部分附屬系統(tǒng)。

目前，空氣在空壓機、空冷系統(tǒng)及純化系統(tǒng)中的流程組織形式一般為：首先，外部環(huán)境中獲得的空氣通過過濾器，粗略過濾較大顆粒污染物；其次，通過多個空壓機進行多級壓縮，獲得較高壓力的空氣；然后，空氣進入空冷塔進行降溫、洗滌過程，獲得溫度較低的飽和空氣；最后進入純化系統(tǒng)，利用氧化鋁及分子篩的吸附作用，去除空氣中的水分及其他氣體雜質(zhì)，最終獲得高壓、純凈的空氣送入精餾系統(tǒng)中進行精餾過程。

一般空分流程中，空氣在進入空壓機之前，空氣相對濕度與環(huán)境空氣相同，一般為60％-90％，空壓機對空氣中水蒸氣的壓縮功屬于無用功；另外，伴隨空壓機壓縮過程，會產(chǎn)生大量較高品味的熱能，空氣可被加熱到130℃，而目前都采用水循環(huán)冷卻帶走熱量，空氣被冷卻到40℃左右，這是一種能量的浪費，且在進入下一級空壓機之前，空氣溫度仍然較高，造成壓縮機級數(shù)增加，成本增加。

例如，公告號為cn104903669a的中國發(fā)明專利申請公開的一種空氣分離方法及空氣分離裝置，在空氣進入熱交換系統(tǒng)之前的預處理過程中，沒有考慮壓縮前空氣相對濕度較大，和壓縮過程產(chǎn)生余熱沒有得到利用的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種用于空氣分離的空氣預除濕及預冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用空氣壓縮過程產(chǎn)生的余熱，達到去除壓縮前空氣中大部分水蒸氣以及在下級壓縮前預冷空氣的目的。

一種用于空氣分離的空氣預除濕及預冷系統(tǒng)，包括：

空氣流路，包括依次連通的預除濕器、一級空壓機、高溫蒸發(fā)器、中溫蒸發(fā)器、水冷卻器、低溫蒸發(fā)器以及二級空壓機；

libr溶液吸收再生回路，包括libr溶液再生器，所述預除濕器的libr溶液出口及入口分別與libr溶液再生器連通構成回路；

libr溶液再生熱源回路，包括換熱管路，該換熱管路中的循環(huán)工質(zhì)流經(jīng)高溫蒸發(fā)器和libr溶液再生器，吸收高溫蒸發(fā)器的熱量輸送至libr溶液再生器；

有機朗肯循環(huán)回路，包括膨脹機和第一冷凝器，該回路中的循環(huán)工質(zhì)一部分進入libr溶液再生器與其中的水蒸氣進行換熱，一部分進入中溫蒸發(fā)器回收其中的熱量，為蒸氣壓縮制冷循環(huán)回路中的壓縮機提供能量；

蒸氣壓縮制冷循環(huán)回路，包括壓縮機、第二冷凝器和節(jié)流閥，該回路中的制冷工質(zhì)一部分進入預除濕器對其中的libr溶液進行冷卻，一部分進入低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)對低溫蒸發(fā)器中的空氣進行冷卻。

本發(fā)明的用于空氣分離的空氣預除濕及預冷系統(tǒng)不僅可以對空氣進行預除濕，減少了空壓機壓縮水蒸氣消耗的功，由于空氣水分減少，避免了空壓機帶液壓縮對空壓機造成的損害；還可以利用空氣壓縮過程產(chǎn)生的余熱在下級壓縮前預冷空氣，降低了空壓機處理空氣的溫度，可以減少空壓機級數(shù)，從而大大降低了系統(tǒng)成本。

空氣流路中，環(huán)境中的空氣首先通過預除濕器，通過libr溶液對空氣進行除濕與洗滌，并利用蒸汽壓縮回路中的制冷工質(zhì)吸收libr溶液的吸收熱，間接預冷空氣；然后，空氣進入一級空壓機進行壓縮，得到溫度、壓力較高的空氣；之后，依次進入高溫蒸發(fā)器、中溫蒸發(fā)器，分別為libr再生熱源回路、有機朗肯循環(huán)提供熱量，并且空氣溫度降低；中溫蒸發(fā)器出口空氣再通過水冷卻器，利用冷水回路降溫，使中溫蒸發(fā)器與低溫蒸發(fā)器產(chǎn)生足夠溫差，使系統(tǒng)運行；空氣再通過低溫蒸發(fā)器，利用蒸汽壓縮制冷循環(huán)回路提供的冷量冷卻至15℃左右，然后進入二級空壓機進行再次壓縮。

作為優(yōu)選，所述的預除濕器中：

libr溶液采用平板降膜吸收的方式對空氣進行除濕；

所述的制冷工質(zhì)與libr溶液之間采用間壁式換熱方式。

進一步優(yōu)選的，所述的預除濕器包括：

外殼；

若干導熱板，所述導熱板平行豎立設置在外殼內(nèi)，形成依次間隔排列的冷卻通道和通風通道；

制冷工質(zhì)在冷卻通道內(nèi)由上至下流動，libr溶液在通風通道內(nèi)的導熱板上由上至下流動形成液膜，空氣流路橫穿通風通道流動。

libr溶液在通風通道內(nèi)的導熱板上形成液膜，空氣水平通過通風通道，導熱板上分布的libr溶液液膜對空氣進行水分吸收和洗滌，去除空氣中的水分和固體粒子污染物。

libr濃溶液在預除濕器中吸收水分后被稀釋成稀溶液，從預除濕器底部流入libr溶液再生器中，稀溶液在libr溶液再生器水分蒸發(fā)，濃度變大，libr溶液再生器出口的濃溶液通過溶液泵泵送至預除濕器中，對空氣預除濕和洗滌，完成循環(huán)。

作為優(yōu)選，所述的libr溶液再生器包括：

殼體，所述殼體下部為libr溶液再生池，所述殼體上部為水蒸氣室；

貯水箱，位于所述水蒸氣室內(nèi)，通過排水管與殼體外部相通；

第一熱交換器，位于貯水箱內(nèi)，與有機朗肯循環(huán)回路中的循環(huán)工質(zhì)進行換熱；

第二熱交換器，位于libr溶液再生池內(nèi)，與libr溶液再生熱源回路中的循環(huán)工質(zhì)進行換熱。

libr溶液再生器通過libr溶液再生熱源回路提供熱量，使稀溶液中水分蒸發(fā)，對libr溶液進行再生；稀溶液中的水分蒸發(fā)至水蒸氣室，水蒸氣在貯水箱內(nèi)通過第一熱交換器將熱量供給有機朗肯循環(huán)回路，水蒸氣冷卻為液體貯存于貯水箱內(nèi)，通過排水管排出。

作為優(yōu)選，所述的libr溶液吸收再生回路中還包括溶液熱交換器，溶液熱交換器的冷端連接在預除濕器的libr溶液出口和libr溶液再生器的入口之間，溶液熱交換器的熱端連接在libr溶液再生器的出口和預除濕器的libr溶液入口之間。

從預除濕器中流出的libr稀溶液通過溶液熱交換器與libr溶液再生器中流出的libr濃溶液進行熱量交換，達到溶液熱交換器出口稀溶液溫度升高，溶液熱交換器出口濃溶液溫度降低的效果。

libr溶液再生熱源回路中，通過溶液泵提供動力，回路中的工質(zhì)進入高溫蒸發(fā)器，吸收空氣中的熱量；然后進入libr溶液再生器中，為libr溶液的再生提供熱量；而后工質(zhì)溫度降低，再次通過溶液泵進入高溫蒸發(fā)器換熱，完成循環(huán)。

作為優(yōu)選，所述的libr溶液再生熱源回路中的循環(huán)工質(zhì)為水。

有機朗肯循環(huán)回路中，經(jīng)工質(zhì)泵加壓之后的工質(zhì)，一部分進入中溫蒸發(fā)器與空氣換熱，一部分進入libr溶液再生器中與水蒸氣進行換熱，兩股流體匯合得到高溫高壓的工質(zhì)流體；然后進入膨脹機，使工質(zhì)溫度和壓力下降，并使膨脹機做功，為驅動蒸汽壓縮制冷循環(huán)回路中的壓縮機提供能量；然后工質(zhì)進入第一冷凝器，利用冷水完成冷卻過程，之后工質(zhì)變?yōu)橐簯B(tài)，再次通過工質(zhì)泵進行增壓，完成循環(huán)。

作為優(yōu)選，所述的有機朗肯循環(huán)回路中的循環(huán)工質(zhì)為r134a制冷工質(zhì)。

蒸汽壓縮制冷循環(huán)回路中，工質(zhì)通過壓縮機進行壓縮，得到高溫高壓工質(zhì)；然后進入第二冷凝器；冷卻后的工質(zhì)進入節(jié)流閥節(jié)流，得到低溫低壓工質(zhì)流體；一部分流體進入低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)，并冷卻低溫蒸發(fā)器中的空氣，另一部分流體作為制冷工質(zhì)，對預除濕器中的libr溶液進行冷卻，吸收libr溶液吸收水分產(chǎn)生的吸收熱，從而間接冷卻空氣；兩部分氣體進行冷卻之后匯合，再次進入壓縮機進行壓縮，完成循環(huán)。

作為優(yōu)選，所述的蒸氣壓縮制冷循環(huán)回路的循環(huán)工質(zhì)為r134a制冷工質(zhì)。

作為優(yōu)選，所述的第一冷凝器和第二冷凝器為同一個冷凝器。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明利用了空氣分離過程中空壓機在壓縮過程中產(chǎn)生的余熱為熱源，對進入下一級空壓機的空氣進行冷卻，不再簡單利用5℃～10℃的低溫水進行冷卻，節(jié)約能源；

(2)本發(fā)明利用libr溶液的吸水特性，吸收空氣中的水分，除濕并洗滌空氣，減少了空壓機壓縮水蒸氣消耗的功；另外，由于空氣水分減少，避免了空壓機帶液壓縮對空壓機造成的損害；

(3)本發(fā)明利用有機朗肯循環(huán)與蒸汽壓縮制冷循環(huán)，以空壓機余熱為熱源，對進入下一級空壓機的空氣進行預冷，降低了空壓機處理空氣的溫度，可以減少空壓機級數(shù)，從而大大降低了系統(tǒng)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于空氣分離的空氣預除濕及預冷系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為預除濕器中各流體組織的結構示意圖；

圖3為libr溶液再生器的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如圖1所示，一種用于空氣分離的空氣預除濕及預冷系統(tǒng)，包括一條空氣流路和四個循環(huán)回路。四個循環(huán)回路分別為：libr溶液吸收再生回路、libr溶液再生熱源回路、有機朗肯循環(huán)回路和蒸氣壓縮制冷循環(huán)回路。

空氣流路，包括預除濕器1、一級空壓機2、高溫蒸發(fā)器3、中溫蒸發(fā)器4、水冷卻器5、低溫蒸發(fā)器6以及二級空壓機7；分別通過空氣供給管道a2～a7依次連通。

空氣通過管道a1進入預除濕器1的空氣流路進口，空氣預除濕器1的空氣流路出口通過管道a2與一級空壓機2進口相連；一級空壓機2出口通過管道a3與高溫蒸發(fā)器3熱端進口相連；高溫蒸發(fā)器3熱端出口與中溫蒸發(fā)器4進口、中溫蒸發(fā)器4出口與水冷卻器5進口、水冷卻器5出口與低溫蒸發(fā)器6進口、低溫蒸發(fā)器6出口與二級壓縮機7進口分別通過管道a4～a7相連，最后通過管道a8從二級壓縮機7的出口進入后面的工序。

如圖2所示，結合圖1可見，預除濕器1中，具有空氣、制冷工質(zhì)與libr溶液三種流路組織形式。其中，高導熱板1001將預除濕器1空間分為2類區(qū)域：依次間隔分布的窄側和寬側。制冷工質(zhì)流路1002在窄側空間垂直向下流動；libr溶液流路1003在寬側空間高導熱板1001壁面形成液膜，通過高導熱板1001與制冷工質(zhì)流路1002進行熱量交換，并垂直向下流動，在預除濕器1底部富集libr稀溶液；空氣流路1004在寬側空間垂直于紙面流動，期間與libr溶液液膜進行傳熱傳質(zhì)。高導熱板1001為libr溶液液膜的形成提供了條件，并且將制冷工質(zhì)流路1002與libr溶液流路1003、空氣流路1004分隔開來，達到利用制冷工質(zhì)吸收libr溶液的吸收熱，間接冷卻空氣的目的。

空氣預除濕器1底部libr溶液流路出口，通過管道b1與溶液熱交換器8冷端進口相連，在溶液熱交換器8中低溫libr稀溶液與高溫libr濃溶液進行換熱；溶液熱交換器8冷端出口，通過管道b2連接與libr溶液再生器10底部；將溶液泵9放置于libr溶液再生器10中部與溶液熱交換器8熱端進口之間的管道b3上，以運送libr濃溶液；溶液熱交換器8熱端出口，通過管道b4與空氣預除濕器1頂部libr溶液流路進口相連，形成libr溶液吸收再生回路。

如圖3所示，結合圖1可見，libr溶液再生器10包括殼體101、第一熱交換器102和第二熱交換器104，貯水箱103。libr稀溶液通過管道b2進入殼體101，通過熱交換器104與libr溶液再生熱源回路工質(zhì)水進行換熱，得到libr濃溶液，通過管道b3排出。另外，在低壓環(huán)境下，水蒸氣上升，通過第一熱交換器102與有機朗肯循環(huán)回路工質(zhì)r134a進行換熱，得到液態(tài)水貯存于貯水箱103中，并通過管道排出。

libr溶液再生器10中，第二熱交換器104進口通過管道c1與高溫蒸發(fā)器3熱端出口相連，利用工質(zhì)水為libr溶液再生提供熱源；溶液泵11放置于第二熱交換器104出口與高溫蒸發(fā)器3熱端進口之間的管道c2上，形成libr溶液再生熱源回路。

libr溶液再生器10中，第一熱交換器102的進出口分別通過管道d4和d1與工質(zhì)泵15和膨脹機12進口相連，為有機朗肯循環(huán)提供部分熱源；此外，中溫蒸發(fā)器4熱端進出口分別通過管道d4和d5與與工質(zhì)泵15和膨脹機12進口相連相連，為有機朗肯循環(huán)提供另一部分熱源。膨脹機12出口通過管道d2與冷凝器14的一個熱端流道進口相連，對應該熱端流道進口的出口通過管道d3與工質(zhì)泵15相連，形成有機朗肯循環(huán)回路。

其中，冷凝器14采用冷凍水冷卻，工質(zhì)泵15用于提高有機朗肯循環(huán)工質(zhì)的壓力。

冷凝器14的另一個熱端流道進口通過管道e2與壓縮機13出口相連，對應該熱端流道進口的出口通過管道e3與節(jié)流閥16相連。其中，壓縮機13的功耗由膨脹機12提供。空氣預除濕器1的制冷工質(zhì)流路，分別通過管道e4和e6與節(jié)流閥16出口與壓縮機13進口相連；低溫蒸發(fā)器6，也放置在節(jié)流閥16出口和壓縮機13入口之間的管道e5上。由節(jié)流閥16流出的制冷工質(zhì)一部分通過管道e4進入空氣預除濕器1中對libr溶液進行冷卻，然后由管道e6排出；另一部分制冷工質(zhì)流體進入低溫蒸發(fā)器6，對空氣進行冷卻，從而使空壓機工作損耗減少。制冷工質(zhì)流過低溫蒸發(fā)器6后通過管道e5流出，并與管道e6中的制冷工質(zhì)混合，然后通過管道e1流入壓縮機13，形成蒸氣壓縮制冷循環(huán)回路。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。