一种低能耗的天然气低温精馏脱碳系统的制作方法

本发明是关于一种天然气脱碳系统，尤指一种低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其通过将冷剂分液罐的气相冷剂依次经低温精馏塔的塔底再沸器、主换热器的第一冷剂通道和塔顶冷凝器后接入第二冷剂通道，使气相冷剂在系统中同时承担供热和供冷双重功能，实现了冷剂冷热量的梯级利用。

背景技术：

1、天然气作为一种高燃烧热值的清洁能源，在管道输送和液化利用前需要脱除其中含有的酸性气体二氧化碳，以避免热值降低、管道腐蚀及低温工况下二氧化碳冻堵等问题。天然气脱碳技术主要包括溶剂吸收法、吸附法、膜分离法和低温分离法，其中低温精馏技术利用天然气中各组分挥发度的差异，通过精馏方式实现二氧化碳与甲烷等轻烃组分的分离，具有不使用化学溶剂、流程相对简单、可同时获得液态二氧化碳产品等优势，对于需要收集二氧化碳的应用场景具有较高的经济效益。

2、然而，现有低温精馏脱碳工艺在工程应用中仍存在诸多不足。低温精馏脱碳通常在物流预冷或节流降温后，将多相物流直接送入精馏塔处理，导致精馏塔负荷过高、控制系统复杂。此外，常规工艺流程中冷量的供给和回收缺乏系统性的集成设计，能量利用率较低，大量冷量未能得到有效回收利用，造成能耗居高不下。对于二氧化碳收率要求不严苛的应用场景，现有工艺流程仍较为复杂，设备投资和运行成本偏高，制约了低温精馏脱碳技术的推广应用。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其通过将冷剂分液罐的气相冷剂依次经低温精馏塔的塔底再沸器、主换热器的第一冷剂通道和塔顶冷凝器后接入第二冷剂通道，使气相冷剂在系统中同时承担供热和供冷双重功能，实现了冷剂冷热量的梯级利用。

2、为达上述目的，本发明提供一种低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其包含：

3、原料气进料管线；

4、绕管式换热器，所述原料气进料管线连接至所述绕管式换热器的壳程进口；

5、冷剂进料管线；

6、冷剂分液罐，所述冷剂进料管线连接至所述冷剂分液罐的进口；

7、主换热器，所述主换热器具有原料气通道、第一天然气复热通道、第二天然气复热通道以及多个冷剂通道；

8、原料气分液罐，所述原料气分液罐的进口连接至所述原料气通道的出口；

9、低温精馏塔；

10、过冷器；

11、回注泵；

12、所述原料气分液罐的气相出口经由所述第一天然气复热通道连接至天然气外输管线，所述原料气分液罐的液相出口连接至所述低温精馏塔的进料口；

13、所述低温精馏塔的气相出口经由所述第二天然气复热通道连接至天然气外输管线，所述低温精馏塔的液相出口依次经所述过冷器和所述回注泵连接至所述绕管式换热器的第二介质通道；

14、所述冷剂分液罐的气相出口依次经所述低温精馏塔的塔底再沸器、冷剂通道和所述低温精馏塔的塔顶冷却器后，连接至第二冷剂通道的进口；

15、所述冷剂分液罐的液相出口经节流元件连接至第一冷剂通道的进口。

16、传统的低温精馏脱碳装置在物流预冷或节流降温后，将多相物流直接送入精馏塔处理，导致精馏塔负荷过高、控制系统复杂。为改善上述情形，本发明通过将冷剂分液罐的气相冷剂依次经低温精馏塔的塔底再沸器、主换热器的第一冷剂通道和塔顶冷凝器后接入第二冷剂通道，使气相冷剂在系统中同时承担供热和供冷双重功能，实现了冷剂冷热量的梯级利用。

17、其中，所述主换热器为六通道结构，六个通道分别为：原料气通道、第一天然气复热通道、第二天然气复热通道及多个冷剂通道，多个冷剂通道分别为第一冷剂通道、第二冷剂通道、第三冷剂通道。

18、其中，所述原料气分液罐的气相出口连接有第二管路，所述第二管路连接所述第一天然气复热通道，所述第一天然气复热通道连接有第三管路，所述第三管路连接至天然气外输管线；所述低温精馏塔的气相出口连接有第五管路，所述第五管路连接所述第二天然气复热通道，所述第二天然气复热通道连接有第六管路，所述第六管路连接至天然气外输管线，且所述第三管路与所述第六管路汇合。

19、其中，所述原料气分液罐的液相出口与第四管路连接，所述第四管路连接至低温精馏塔的进料口，所述第四管路上设置有第一液位控制阀，所述第一液位控制阀用于根据所述原料气分液罐的液位调节开度。

20、其中，所述冷剂分液罐的气相出口连接有第一冷剂循环管路，所述第一冷剂循环管路连接至所述低温精馏塔的塔底再沸器的壳程进口，所述塔底再沸器的壳程出口连接有第二冷剂循环管路，所述第二冷剂循环管路连接至所述第三冷剂通道的进口，所述第三冷剂通道的出口连接有第三冷剂循环管路，所述第三冷剂循环管路连接至所述低温精馏塔的塔顶冷却器的壳程进口，所述塔顶冷却器的壳程出口连接有第四冷剂循环管路，所述第四冷剂循环管路连接至所述第二冷剂通道的进口。

21、其中，所述冷剂分液罐的液相出口连接有第五冷剂循环管路，所述第五冷剂循环管路依次连接至所述主换热器和所述节流元件，所述节流元件的出口连接至所述第一冷剂通道的进口，所述第一冷剂通道的出口连接有冷剂循环管路，所述冷剂循环管路与外部压缩机系统连接。

22、其中，所述低温精馏塔的液相出口连接有第七管路，所述第七管路与所述过冷器连接，所述第七管路上设置有第二液位控制阀，所述第二液位控制阀用于根据所述低温精馏塔的塔底液位调节开度。

23、其中，所述回注泵的出口连接有第九管路，所述第九管路连接至所述绕管式换热器的管程进口，所述绕管式换热器的管程出口连接至二氧化碳外输管线。

24、其中，所述节流元件为制冷剂节流阀。

25、其中，还包括冷箱，所述主换热器、所述原料气分液罐、所述低温精馏塔和过冷器均设置于所述冷箱内，所述冷箱用于为设置于其内部的设备提供保冷功能。

26、借由上述结构设计，本发明通过将冷剂分液罐的气相冷剂依次经低温精馏塔的塔底再沸器、主换热器的第一冷剂通道和塔顶冷凝器后接入第二冷剂通道，使气相冷剂在系统中同时承担供热和供冷双重功能，实现了冷剂冷热量的梯级利用；同时液相冷剂经节流膨胀后作为主冷源为主换热器提供主要冷量。各冷热流体在主换热器的多通道结构中充分换热，系统内能量利用充分。

1.一种低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，包含：

2.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述主换热器（5）为六通道结构，六个通道分别为：原料气通道（51）、第一天然气复热通道（52）、第二天然气复热通道（53）及多个冷剂通道，多个冷剂通道分别为第一冷剂通道（54）、第二冷剂通道（55）、第三冷剂通道（56）。

3.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述原料气分液罐（6）的气相出口连接有第二管路（12），所述第二管路（12）连接所述第一天然气复热通道（52），所述第一天然气复热通道（52）连接有第三管路（13），所述第三管路（13）连接至天然气外输管线；所述低温精馏塔（7）的气相出口连接有第五管路（15），所述第五管路（15）连接所述第二天然气复热通道（53），所述第二天然气复热通道（53）连接有第六管路（16），所述第六管路（16）连接至天然气外输管线，且所述第三管路（13）与所述第六管路（16）汇合。

4.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述原料气分液罐（6）的液相出口与第四管路（14）连接，所述第四管路（14）连接至低温精馏塔（7）的进料口，所述第四管路（14）上设置有第一液位控制阀（20），所述第一液位控制阀（20）用于根据所述原料气分液罐（6）的液位调节开度。

5.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述冷剂分液罐（4）的气相出口连接有第一冷剂循环管路（31），所述第一冷剂循环管路（31）连接至所述低温精馏塔（7）的塔底再沸器的壳程进口，所述塔底再沸器的壳程出口连接有第二冷剂循环管路（32），所述第二冷剂循环管路（32）连接至所述第三冷剂通道（56）的进口，所述第三冷剂通道（56）的出口连接有第三冷剂循环管路（33），所述第三冷剂循环管路（33）连接至所述低温精馏塔（7）的塔顶冷却器的壳程进口，所述塔顶冷却器的壳程出口连接有第四冷剂循环管路（34），所述第四冷剂循环管路（34）连接至所述第二冷剂通道（55）的进口。

6.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述冷剂分液罐（4）的液相出口连接有第五冷剂循环管路（36），所述第五冷剂循环管路（36）依次连接至所述主换热器（5）和所述节流元件，所述节流元件的出口连接至所述第一冷剂通道（54）的进口，所述第一冷剂通道（54）的出口连接有冷剂循环管路（37），所述冷剂循环管路（37）与外部压缩机系统连接。

7.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述低温精馏塔（7）的液相出口连接有第七管路（17），所述第七管路（17）与所述过冷器（8）连接，所述第七管路（17）上设置有第二液位控制阀（21），所述第二液位控制阀（21）用于根据所述低温精馏塔（7）的塔底液位调节开度。

8.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述回注泵（9）的出口连接有第九管路（19），所述第九管路（19）连接至所述绕管式换热器（2）的管程进口，所述绕管式换热器（2）的管程出口连接至二氧化碳外输管线。

9.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，所述节流元件为制冷剂节流阀（22）。

10.根据权利要求1所述的低能耗的天然气低温精馏脱碳系统，其特征在于，还包括冷箱（10），所述主换热器（5）、所述原料气分液罐（6）、所述低温精馏塔（7）和过冷器（8）均设置于所述冷箱（10）内，所述冷箱（10）用于为设置于其内部的设备提供保冷功能。