基于LNG冷能的高纯特种气体节能型生产系统技术方案

一种低温精馏领域和LNG冷能利用领域的高纯特种气体节能型生产系统，包括原料气净化系统、LNG冷能回收系统、高纯气体分离系统、产品储存分装系统、废品气处理系统，LNG冷能回收系统包括精馏塔顶部冷凝换热模块、产品低温储存换热模块、废气低温捕集换热模块和原料气预冷模块。在本实用新型专利技术中，可以利用LNG冷能生产高纯特种气体，利用LNG冷能替代传统制冷循环及设备，可大幅简化工艺流程，节约高纯特种气体的生产能耗，适合各种规模的LNG接收站、分布式点供站，还可以在不同温区同时提纯多种产品，达到LNG冷能多级利用的目的，提高能量综合利用率。本实用新型专利技术设计合理，结构简单，适用于高纯特种气体生产设备的优化设计。

Energy saving production system of high purity special gas based on LNG cold energy

A high purity special gas energy-saving production system in the field of low temperature distillation and LNG cold energy utilization, including the raw gas purification system, the LNG cold energy recovery system, the high purity gas separation system, the product storage and distribution system, the waste gas treatment system, and the LNG cold energy recovery system including the condensing heat transfer module at the top of the distillation tower and the low product Temperature storage and heat transfer module, exhaust gas cryogenic capture heat transfer module and feed gas pre cooling module. In the utility model, LNG cold energy can be used to produce high purity special gas and LNG cold energy is used instead of traditional refrigeration cycle and equipment. The process can be simplified and energy consumption of high pure special gas can be saved. It is suitable for various scale LNG receiving stations, distributed point supply stations, and can also be purified at different temperature zones at the same time. Products can achieve the purpose of LNG cold energy multi-stage utilization and improve the comprehensive utilization rate of energy. The utility model has the advantages of reasonable design and simple structure, and is suitable for the optimization design of high purity special gas production equipment.

【技术实现步骤摘要】
基于LNG冷能的高纯特种气体节能型生产系统
本技术涉及一种低温精馏领域和LNG冷能利用领域的工艺，具体涉及一种利用LNG冷能将特种气体分离为高纯(或超高纯)产品的生产系统。
技术介绍
近几年，我国LNG进口量在迅猛增长，东部以及多个沿海城市陆续开始或已完成LNG接收站的建设，将LNG汽化后输入管网提供给下游用户。在这个过程中，-162℃的LNG本身特有的高品质冷能受到越来越多的关注，对其高效回收利用具有重要节能环保意义和重大经济价值。目前正在计划和建设的LNG冷能利用项目包括空气分离、低温发电、冷冻仓库、橡胶粉碎、干冰制造、污水处理以及冷冻干燥等。但是这些项目，大部分属于低附加值技术产业，只能靠扩大规模来提升经济效益。高纯特种气体，包括但不限于高纯电子气体(如CF4、惰性气体等)，石墨烯碳源(CH4等)，同位素气体(如13CO等)，这些产品在石墨烯产业、电子信息产业、航空航天、先进医疗等领域具有非常广阔的应用市场，同时具有非常高的经济价值。随着石墨烯等新材料和半导体制造业的快速发展，对气体的纯度要求也越来越高。但相应的，高纯特种气体的生产工艺和技术壁垒较高，投资较大，尤其是生产能耗也非常高，目前生产商主要为法国液化空气、德国林德、美国空气化工、普莱克斯以及日本几个大型气体公司。利用LNG冷能代替传统精馏系统中低温制冷循环或液氮，可减少设备投资和能源消耗，大幅降低生产成本；同时可以针对不同沸点的高纯气体产品，设计不同温区的提纯工艺，实现LNG冷能的多温区梯级利用，提高LNG冷能利用率，具有非常大的经济效益和社会效益。经对现有技术文献检索发现，国内外关于LNG冷能应用的技术专利很多，部分专利涉及利用LNG冷能分离气体，但未有涉及高纯气体精馏的方法和装置。中国专利申请号CN201010184299.2公开的“利用LNG冷能的全液体空气分离装置”，介绍了一种借助LNG冷能进行低温压缩的氮循环制冷系统，将循环冷量导入空分塔内达到分离液氧和氮气的目的。但整个流程仅针对空气分离，工艺复杂，产品气体的纯度要求也较低，与高纯气体生产相比，对工艺和装置的要求有较大的差别。检索中还发现中国专利申请号CN201410277359.3公开的“一种利用液化天然气冷能的高效空分装置”对前一项专利的工艺进行了改进，不仅利用LNG深冷温区的冷能液化空气，同时用高温温区的冷能冷却空压机转轴，从而进一步提高了冷能的综合利用率，但仍和高纯气体生产技术相差较大。而中国专利申请号为CN201310320434.5公开的“基于LNG冷能的轻烃深冷分离方法”，直接利用LNG冷能代替传统三级压缩制冷循环的冷量，省去了部分压缩机和膨胀机，简化了设备和流程，并且使LNG冷能得到了充分利用。但此专利仅对传统轻烃分离工艺的冷能匹配作了改进，具体为针对炼厂干气和乙烯裂解气的深冷分离，并未涉及其它特种气体，也未涉及高纯度气体精馏技术及系统。此外上游原料气需要炼厂提供，而所用冷能又需要大型LNG接收站配合，限制因素颇多，并不适合作为中型和小型LNG卫星气化站站的冷能利用项目。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用LNG冷能生产高纯(或超高纯)特种气体的节能型工艺，该工艺利用LNG冷能替代传统制冷循环及设备，可大幅简化工艺流程，节约高纯特种气体的生产能耗，适合各种规模的LNG接收站、分布式点供站。该工艺还可以在不同温区同时提纯多种产品，梯级利用LNG冷能，提高综合节能效率。本技术的另一重要特点是，针对利用高纯特种气体产品的高附加值优势，代替传统粗放式的LNG冷能产业，提升LNG冷能利用的经济效益。本技术是通过以下技术方案来实现的，本技术包括：原料气净化系统、LNG冷能回收系统、高纯气体分离系统、产品储存分装系统、废品气处理系统五大部分组成；原料气经过原料气净化系统脱去部分杂质达到后续设备要求后，进入高纯分离系统进行提纯，获得的高纯产品通过产品储存分装系统进行储存和分装，富集杂质的废品气则通过废品气处理系统进行处理；其中，LNG冷能回收系统，为整个流程提供冷量，除在原料气净化系统中对原料气进行预冷外，还分别将冷量输送至高纯气体分离系统、产品储存分装系统、废品气处理系统三个部分，为其提供所需冷能。本技术中，五大部分的具体结构如下：一、原料气净化系统原料气净化系统包括预净化装置、在线检测设备、净化前原料气储罐、净化后原料气储罐。预净化装置的类型和数量，取决于原料气的成分和纯度。对于低纯度(3N至5N)的原料气，净化装置包含化学除杂和物理吸附等设备，用于除去易于吸收吸附的物质，如CO2、H2O等杂质，以及固体颗粒物，使其总含量小于1ppm，保证最终产品的品质。而对于较高纯度(5N至8N)的原料气，净化装置则仅需若干小型过滤器，甚至无需过滤设备，即可达到预处理的纯度要求。在线检测设备，包括色谱分析仪、露点仪、其它特殊成分的检测设备，以及流量传感器、温度传感器，以及压力传感器，用于检测、监控主要组分的纯度、流量、温度、压力。净化前原料气储罐、净化后原料气储罐，为带有减压阀的压力容器，用于存放提纯前后的原料气。二、LNG冷能回收系统LNG冷能回收系统，包括精馏塔顶部冷凝换热模块、产品低温储存换热模块、废气低温捕集换热模块、原料气预冷模块，以及相应的绝热连接管路。精馏塔顶部冷凝换热模块为一低温流体换热器，可为板式、板翅式或其它形式。该换热器冷侧连接低温LNG管路，热侧安装有温度控制模块，整体置于精馏塔塔顶内部，作为精馏塔冷凝器。当塔内原料气流经换热器热侧时，低温LNG将冷量传递给塔原料气，并在温控模块的作用下使其维持在特定温度。产品低温储存换热模块为一低温换热器，为盘管或其它形式。该换热器利用LNG冷能将超高纯产品储罐的壁温维持在产品沸点以下，方便其以液态形式储存。废品气低温捕集换热模块为一低温换热器，可为板翅式或其它形式。该换热器利用LNG冷能，将精馏塔排出的废品气冷却至液态，方便集中捕集处理。原料气预冷模块为一低温换热器，可为板翅式或其它形式。该换热器冷侧为低温LNG,热侧为常温原料气。原料气流经该换热器，降至所需预冷温度后，由精馏塔中部的进料口进入塔内。三、高纯气体分离系统高纯气体分离系统，为该工艺核心装置，包括高纯精馏塔及其温度、压力、流量、液位控制系统。高纯精馏塔，置于高真空绝热结构内。在高纯精馏塔内，较纯净的预冷原料气从塔中部进料口进入，经过精馏塔顶部冷凝换热模块，吸收LNG冷量后被液化，沿塔内填料汇集至塔底再沸器处，部分原料气气化后上升，与下流原料气在塔内形成动态平衡状态，从塔底(塔顶)可提取出高纯液体(气体)产品，而从另一侧可提出废品气(液)体。与传统精馏塔不同之处在于，其内部加工精度高，填料性能优良，从而能够形成持续稳定的高精度温度、压力梯度场，如温度梯度可达0.01℃/m，为超高纯度产品的分离提供条件。四、产品储存分装系统产品储存分装系统包括高纯液体产品储罐、空气汽化器、高压气态产品储罐以及配套的分装管路。高纯液体产品从高纯精馏塔的底部提取出，进入高纯液体产品储罐，储罐外壁经产品低温储存换热模块，吸收LNG冷能，维持其内部温度低于产品沸点。当需要高纯气体产品时，打开高纯液体产品储罐阀门，产品经过空气汽化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LNG冷能的高纯特种气体节能型生产系统，其特征在于，包括原料气净化系统(1)、LNG冷能回收系统、高纯气体分离系统(3)、产品储存分装系统(4)和废品气处理系统(5)；原料气净化系统(1)包括预净化装置(6)、在线检测设备(7)、净化前原料气储罐(8)、净化后原料气储罐(18)，原料气在净化前原料气储罐(8)中流出经过预净化装置(6)后存储在净化后原料气储罐(18)内，在线检测设备(7)与预净化装置(6)相连接，在净化前原料气储罐(8)、净化后原料气储罐(18)的下游管路中分别布置一个减压阀(2)；LNG冷能回收系统包括精馏塔顶部冷凝换热模块(9)、产品低温储存换热模块(10)、废气低温捕集换热模块(11)和原料气预冷模块(12)；精馏塔顶部冷凝换热模块(9)为低温流体换热器，该换热器冷侧连接低温LNG管路，热侧安装有温度控制模块，整体置于精馏塔塔顶内部，作为精馏塔冷凝器；产品低温储存换热模块(10)为低温换热器，布置在高纯液体产品储罐的底部；废气低温捕集换热模块(11)为低温换热器，串接在精馏塔顶部冷凝换热模块(9)与废品气捕集容器(17)之间的管路上；原料气预冷模块(12)为低温换热器，串接在净化后原料气储罐(18)与高纯精馏塔(13)进料口之间的管路上；高纯气体分离系统(3)包括高纯精馏塔(13)、再沸器(19)，再沸器(19)布置在高纯精馏塔(13)的底部，较纯净的预冷原料气从塔中部进料口进入；产品储存分装系统(4)包括高纯液体产品储罐(14)、空气汽化器(15)、高压气态产品储罐(16)，高纯液体产品储罐(14)通过管路与再沸器(19)相连接，空气汽化器(15)串接在高纯液体产品储罐(14)、高压气态产品储罐(16)之间的管路上，在空气汽化器(15)串接在高纯液体产品储罐(14)之间的管路上安装一个减压阀(2)；废品气处理系统(5)包括废品气捕集容器(17)，废品气捕集容器(17)通过管路与精馏塔顶部冷凝换热模块(9)相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于LNG冷能的高纯特种气体节能型生产系统，其特征在于，包括原料气净化系统(1)、LNG冷能回收系统、高纯气体分离系统(3)、产品储存分装系统(4)和废品气处理系统(5)；原料气净化系统(1)包括预净化装置(6)、在线检测设备(7)、净化前原料气储罐(8)、净化后原料气储罐(18)，原料气在净化前原料气储罐(8)中流出经过预净化装置(6)后存储在净化后原料气储罐(18)内，在线检测设备(7)与预净化装置(6)相连接，在净化前原料气储罐(8)、净化后原料气储罐(18)的下游管路中分别布置一个减压阀(2)；LNG冷能回收系统包括精馏塔顶部冷凝换热模块(9)、产品低温储存换热模块(10)、废气低温捕集换热模块(11)和原料气预冷模块(12)；精馏塔顶部冷凝换热模块(9)为低温流体换热器，该换热器冷侧连接低温LNG管路，热侧安装有温度控制模块，整体置于精馏塔塔顶内部，作为精馏塔冷凝器；产品低温储存换热模块(10)为低温换热器，布置在高纯液体产品储罐的底部；废气低温捕集换热模块(11)为低温换热器，串接在精馏塔顶部冷凝换热模块(9)与废品气捕集容器(17)之间的管路上；原料气预冷模块(12)为低温换热器，串接在净化后原料气储罐(18)与高纯精馏塔(13)进料口之间的管路上；高纯气体分离系统(3)包括高纯精馏塔(13)、再沸器(19)，再沸器(19)布置在高纯精馏塔(13)的底部，较纯净的预冷原料气从塔中部进料口...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，张华，巨永林，
申请(专利权)人：上海烯珀科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31