[发明专利]一种低能耗水合空气分离的装置与方法

说明书

本发明公开了一种低能耗水合空气分离的装置与方法。该装置包括压缩机、预冷系统、至少水合塔、分解塔、真空泵和热泵各一个；压缩机和预冷系统通过管道连接，预冷系统连通第一水合塔的进气口，第一水合塔的进液口连接第一真空泵，第一水合塔的水合物溶液输出口与第一分解塔的进料口连接，第一分解塔的残液输出口与第一水合塔的液体进口连接，第一水合塔和第一分解塔还通过第一热泵连接，第一水合塔的上部设有气体释放回收口，第一分解塔上部设有富氧空气释放回收口；本发明利用氧气比氮气更易与水进行水合的原理将空气分离，水合促进剂的加入使水合压力更低，并且使氧气比氮气生成水合物的压力差别更大，能量消耗降低可达30％以上。

技术领域

本发明涉及空气分离领域，特别涉及一种可低压、低能耗操作的水合空气分离的装置与方法。

背景技术

空气是主要由氧气和氮气组成的混合气体。在自然界中，大量的空气以游离态存在于空气中，氧气浓度大于20.95mol％的空气称为富氧空气，氮气浓度大于79.05mol％的空气成为富氮空气。

氮气主要用于合成氨、金属热处理的保护气氛、化工生产中的惰性保护气(开停车时吹扫管线、易氧化物质的氮封、压料)、粮食贮存、水果保鲜和电子工业等。氧气主要用于冶金、助燃气、医疗、废水处理和化学工业中的氧化剂等。如何廉价地分离空气制取氧气和氮气，这是化工工作者长期潜心研究解决的问题。

目前空气分离主要有3种分离方法：深冷法、吸附法、膜分离法。深冷法无论是空气液化或是精馏，都是在120K以下的温度条件下进行的，故又称为低温法空气分离。吸附法分离空气，如分子筛变压吸附法空气分离，运用变压吸附原理。随着人工合成高分子膜的开发，利用膜法分离物质的高科技技术迅速得到发展，应用范围越来越广。但是，现有技术的深冷法、吸附法、膜分离法需要在较高的压力或很低的温度(如深冷法在120K以下的温度条件下进行)下操作，能耗较高。

目前，水合物法主要用于气体储运和分离领域，一般用于储存二氧化碳和甲烷等气体，分离烟气中的二氧化碳等。在分离领域，主要用来分离水合物生成条件相差较大的气体，对于水合物生成条件比较相近的气体分离较为困难。氧气和氮气生成水合物的条件相近，目前还没有人用水合物法分离空气，尚未发现通过添加剂加入后客体分子占位的分离空气的方法。

水合物生成条件一般为低温、高压，在无添加剂生成条件下一般需要十几MPa的压力和大概10℃以下温度。一般用于气体的储运(如CO2的捕获和储存，CH₄的储存等)和分离(如烟气中CO₂的分离)以及天然气水合物的开采等。主要存在的问题是操作温度较低、压力高，操作条件较为苛刻。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种低能耗的利用水合法分离空气的装置和方法。

混合气体在形成水合物时具有气体分馏效应，空气在形成水合物的过程中，也会在水合物相和残余气相产生氧气和氮气重新组合的效果。研究也发现存在于冰川冰核中自然形成的空气水合物，其氧气浓度大于空气中的值。这为利用空气形成水合物进行空气分离的理论依据。

通常情况下，在合适的条件下，氧气比氮气更容易生成水合物，利用此点性质可以让更多的氧气和水生成水合物以达到分离空气的效果。水合法分离空气的基本原理是根据氮气和氧气生成水合的相平衡差异，在水合物相和气相中的组分浓度的差异而进行空气分离。