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申请/专利权人：北京大学

摘要：本发明公开了一种超临界CO2‑H2混合气的低温分离系统及其分离方法。本发明包括：预冷换热器、熔化换热器、H2二级换热器、H2一级换热器、液化换热器、液化供冷机组、气液分离器、凝华换热器、凝华供冷机组以及凝华分离器；适用于超临界CO2和H2混合气的典型工况；整个分离过程无压缩机和透平机等动设备，都是通过换热和分离器实现分离，用等压降温工艺，有别于传统的多级压缩和冷却，避免了能量的损失；整个系统除了液化换热器和凝华换热器，其他换热器都是用于冷热能量的梯级循环利用的，诸如利用液态CO2、固态CO2和H2的冷能，反过来混合气的热量也得以利用，对于冷热能量实现了梯级循环利用，极大的降低了制冷能耗的需求。

主权项：1.一种超临界CO2-H2混合气的低温分离系统，其特征在于，所述低温分离系统包括：预冷换热器、熔化换热器、H2二级换热器、H2一级换热器、液化换热器、液化供冷机组、气液分离器、凝华换热器、凝华供冷机组以及凝华分离器；其中，预冷换热器的一侧设置有第一混合气入口，相对的另一侧设置有第一混合气出口，顶部设置有液态CO2入口，底部设置有液态CO2出口；熔化换热器的一侧设置有第二混合气入口，相对的另一侧设置有第二混合气出口，顶部设置有固态CO2入口，底部设置有液态CO2出口；H2二级换热器的一侧设置有第三混合气入口，相对的另一侧设置有第三混合气出口，顶部设置有第二H2入口，底部设置有第二H2出口；液化换热器的一侧设置有第四混合气入口，相对的另一侧设置有第四混合气出口，顶部设置有液化供冷入口，底部设置有液化供冷出口；气液分离器的侧壁开设有气液分离入口，顶部设置有低比例混合气出口，底部设置有液态CO2出口；H2一级换热器的一侧设置有第一低比例混合气入口，相对的另一侧设置有第一低比例混合气出口，顶部设置有第一H2入口，底部设置有第一H2出口；凝华换热器的一侧设置有第二低比例混合气入口，相对的另一侧设置有第二低比例混合气出口，顶部设置有凝华供冷入口，底部设置有凝华供冷出口；凝华分离器的侧壁开设有凝华分离入口，顶部设置有分离H2出口，底部设置有固态CO2出口；初始混合气经管道连接至预冷换热器的第一混合气入口，预冷换热器的第一混合气出口经管道连接至熔化换热器的第二混合气入口；熔化换热器的第二混合气出口经管道连接至H2二级换热器的第三混合气入口；H2二级换热器的第三混合气出口经管道连接至液化换热器的第四混合气入口，液化换热器的液化供冷出口经管道连接至液化供冷机组的入口，液化供冷机组的出口经管道连接至液化换热器的液化供冷入口，液化换热器的第四混合气出口经管道连接至气液分离器的气液分离入口，气液分离器的液态CO2出口经管道连接至预冷换热器的液态CO2入口，气液分离器的低比例混合气出口经管道连接至H2一级换热器的第一低比例混合气入口，H2一级换热器的第一低比例混合气出口经管道连接至凝华换热器的第二低比例混合气入口，凝华换热器的凝华供冷出口经管道连接至凝华供冷机组的入口，凝华供冷机组的出口经管道连接至凝华换热器的凝华供冷入口，凝华换热器的第二低比例混合气出口经管道连接至凝华分离器的入口，凝华分离器的固态CO2出口经管道连接至熔化换热器的固态CO2入口，凝华分离器的分离H2出口经管道连接至H2一级换热器的第一H2入口，H2一级换热器的第一H2出口经管道连接至H2二级换热器的第二H2入口；超临界CO2和H2混合气作为初始混合气进入至预冷换热器，与从气液分离器分离出来的液态CO2进行热交换，利用液态CO2携带的冷能对混合气进行预冷，使得混合气的温度一次降低，液态CO2吸收混合气热量后从预冷换热器底部的液态CO2出口排出，进入后续的利用流程；温度一次降低后的混合气进入至熔化换热器，与从凝华分离器分离出来的固态CO2进行热交换，混合气吸收固态CO2携带的冷能后温度二次降低，固态CO2则吸收混合气的热量后熔化为液态CO2从熔化换热器底部的液态CO2出口排出；温度二次降低后的混合气进入H2二级换热器，与从H2一级换热器出来的低温气态H2进行热交换，温度三次降低，低温气态H2吸收混合气热量后从H2二级换热器底部的第二H2出口排出，进入后续的利用流程；温度三次降低后的混合气进入液化换热器，与来自液化供冷机组提供的冷能进行热交换，温度四次降低至液化分离目标下的CO2沸点，但高于CO2三相点温度；温度四次降低后的混合气进入气液分离器，其中大部分CO2以液态形式被分离出来并从气液分离器底部的液态CO2出口流入至预冷换热器，与初始混合气换热后温度升高，混合气中的CO2比例降低；低比例混合气从气液分离器顶部的低比例混合气出口进入H2一级换热器，与从凝华分离器分离出来的低温气态H2进行热交换，吸收H2携带的冷能后温度五次降低，低温气态H2吸收低比例混合气的热量后从H2一级换热器底部的第一H2出口流入H2二级换热器；温度五次降低后的低比例混合气进入凝华换热器，与来自凝华供冷机组提供的冷能进行热交换，温度六次降低至凝华分离目标下的CO2凝华温度；温度六次降低后的低比例混合气进入凝华分离器，其中大部分的CO2以固态的形式被分离出来，从凝华分离器底部的固态CO2出口流入熔化换热器，低温气态H2从凝华分离器顶部的分离H2出口流入至H2一级换热器；整个过程中，物料所携带的冷能和热能在各级换热器进行了梯级利用，最大限度的降低了分离能耗。

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