專利名稱：氫氣液化的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫氣液化方法，該方法使用循環(huán)流體主要是氫氣的冷凍循環(huán)系統(tǒng)和液氮冷凍裝置。
本文所指的壓力為絕對壓力值。
眾所周知H2太輕以至于難以使用制備和使用都經(jīng)濟(jì)的離心或軸向壓縮機進(jìn)行有效地壓縮。這就是為什么現(xiàn)在使用的氫氣液化機，它的冷凍循環(huán)是純N2，一般使用投資及操作成本都高的往復(fù)活塞壓縮機來壓縮循環(huán)H2，其投資及操作成本隨裝置尺寸增加而增加。例如，對于一套每天生產(chǎn)300噸的液化H2的裝置，需要平于使用23臺交替使用的壓縮機。
本發(fā)明的目的是提供一種氫氣液化方法，該方法使用離心或軸向壓縮機壓縮循環(huán)流體，并且操作成本及消耗的總能量比較低。
因此，本發(fā)明的目的是一種上述類型的方法，其特征在于所述循環(huán)流體包括H2和主要由C2烴組成的混合物，并且烴類被液化并膨脹以形成能以幾乎連續(xù)的方式在-120℃到接近室溫間蒸發(fā)的流體。
該方法包括以下一個或幾個特征—烴混合物由C2、C3、C5和，如果愿意，C4的飽和烴類組成，液化組分具體地說分別在0℃到-10℃，-40℃到-50℃及-110到-120℃下進(jìn)行膨脹，以形成適宜于蒸發(fā)的冷凍液體。
—在所述循環(huán)中，循環(huán)流體中的一部分在接近室溫，及高壓力如果愿意在至少一個中等壓力下進(jìn)行壓縮。
—至少一種液化餾分被分成兩股料流，該料流膨脹到至少兩種不同的壓力且在每種壓力下能形成冷凍流體。
—混合物在稍高于C2及C3烴的凝固溫度下用液體丙烷進(jìn)行洗滌，隨后在同樣溫度下通過吸收除了H2之外的其它所有物料純化混合物。
—液態(tài)洗滌用丙烷由至少一部分來自于冷凍循環(huán)的被過冷到洗滌柱溫度的丙烷形成。
—液氮冷凍設(shè)備包括一個封閉的氮氣冷凍循環(huán)系統(tǒng)。
—液氮冷凍設(shè)備包括一個液氮外源，具體地說是空氣分離設(shè)備。
本發(fā)明的目的也在于提供一種適用于上述H2液化方法的設(shè)備。這種設(shè)備包括帶有其循環(huán)流體主要為H2的離心或軸流式循環(huán)壓縮機的冷凍循環(huán)系統(tǒng)，液氮冷凍設(shè)備和包括冷卻待處理H2的通道及再加熱幾種冷凍流體的通道的熱交換管線，其特征在于所述循環(huán)流體由H2及主要是C2烴的混合物組成且整個設(shè)備由分離壓縮烴的設(shè)備及膨脹這些壓縮烴和將其引入再加熱通道的設(shè)備構(gòu)成。
冷凍循環(huán)壓縮機優(yōu)選為離心或軸流式壓縮機。參照附圖
，描述本發(fā)明的一操作例，圖中一個數(shù)字在圖上代表本發(fā)明的H2液化設(shè)備的一部分。
圖中顯示的是除了其最冷部分以外的氫氣液化裝置圖，這種最冷部分是常規(guī)的并且預(yù)冷循環(huán)氫在其中冷卻、液化并膨脹以產(chǎn)生液化處理后的H2或“過程H2”所必需的冷量。
在圖中將看到一氫氣循環(huán)壓縮機1，為離心或軸流式；一氮氣循環(huán)壓縮機2，也為離心或軸流式；以“暖”3及“冷”4兩個熱交換器形式表示的一組熱交換管線，這兩個熱交換器都為間接、逆流流體熱交換器，它們最好是銅焊鋁板型；液體丙烷的洗滌柱5；吸收純化的設(shè)備6；由風(fēng)扇8及轉(zhuǎn)子固定在同一軸上的膨脹式渦輪9組成的渦輪壓縮機7；相分離器10到13；空氣或水冷凍機14到17，分別與壓縮機1和2及風(fēng)扇8用壓縮流體連通的膨脹閥18到25。
待液化的H2在20巴壓力下通過管道26引入，在交換器3的通道27中預(yù)冷至約-178℃，并在交換器4中的通道28中進(jìn)一步冷卻至約-192℃，并從這兒通過管道29輸送到裝置中的冷卻部分。如圖所示，在通道27及通道28的最冷部分裝有用于完成氫的鄰對位互換反應(yīng)的催化劑，所以這種放熱量很大的互換反應(yīng)在H2液化前被實現(xiàn)。
現(xiàn)在描述氮氣冷凍循環(huán)。
在30巴時離開壓縮機2最末級的高壓氮氣被引入冷凍機16使其溫度達(dá)到接近室溫，在8中進(jìn)一步壓縮至50巴，引入17中加熱至室溫溫度附近，再引入交換器3的暖端，它處于交換器3的通道31內(nèi)。在中間溫度，-120℃下，部分高壓氮氣離開交換器并在渦輪9中膨脹至5巴。其余的高壓氮氣繼續(xù)冷卻。并液化及過冷直至交換器3中的冷端，然后在24中膨脹至5巴并引入分離器13中。
從渦輪9中來的氮氣送至分離器13，13中的氣相在通道32中從交換器3的冷端到暖端被再加熱，然后通過管道33送至壓縮機2中間級的入口。
分離器13中收集的液相在交換器4中的通道34中過冷，在25中膨脹至近大氣壓，在交換器4的通道35中蒸發(fā)。然后在通過管道37送至壓縮機2的第一級入口之前從交換器3的冷端至暖端過程中在通道36中進(jìn)行再加熱。
現(xiàn)在描述H2循環(huán)。
壓縮機1的第一級在1巴壓力下引入以下混合物H2＝66.8％C2H6＝14.2％C3H8＝11.5％C5H12＝7.5％在6巴壓力下，向壓縮機1的第一中間級的入口處加入以下混合物H2＝83.2％C2H6＝5.0％C3H8＝4.6％C5H12＝7.2％從而混合物具有以下平均組成H2＝81.5％C2H6＝6％C3H8＝5.3％C5H12＝7.2％這種混合物在20巴壓力下從壓縮機1的第二中間級的出口處排出，在14中調(diào)至近室溫溫度并引入分離器10中。該分離器的蒸氣相通過管道38送至該壓縮機的下一級的入口處，而主要由烴中最重組份組成的液相則過冷至約-5℃，在18中膨脹至約6巴，在交換器3的通道39中的暖部在該壓力下蒸發(fā)，并通過管道40返回到壓縮機1的上述第一中間級的入口處。
從壓縮機1的最末級來的高壓混合物在15中調(diào)至室溫溫度附近并引入分離器11中。
在分離器11中收集的液相過冷至約-45℃，并分成兩部分。第一部分在19中膨脹至約6巴后在通道39中進(jìn)行蒸發(fā)并與來自膨脹閥18中的混合物進(jìn)行再合并。另一部分在20中膨脹至約1巴后在交換器3的通道41中蒸發(fā)并再加熱，然后通過管道42返回到壓縮機1的第一級入口處。
從分離器11來的蒸氣相冷卻至約-120℃，同時在交換器3中的通道43中被部分液化，然后引入分離器12中。在分離器12中收集的液相按序被分成兩部分，這兩部分分別在21和22中膨脹至約6巴和約1巴后分別在通道39和41中蒸發(fā)，然后與前面提到的部分在通道較高溫區(qū)再合并。
從分離器12來的蒸氣相，由含1ppm的丙烷及0.3％的乙烷的H2組成，再引入交換器3中，在熱交換器3的通道44中冷卻至該交換器的冷端溫度，然后引入柱5的底部，柱5的頂部通過管道45引入來自氫氣循環(huán)中補充丙烷的儲罐中的過冷液體丙烷。柱5在高于乙烷及丙烷的固化溫度幾度的溫度，例如3到5℃，下操作。
柱5底部的液體，由乙烷及丙烷和微量氫氣組成，在23中膨脹至約1巴，然后在靠近這些通道的冷端引入通道41中。這一液體占循環(huán)混合物流體的一小部分，如小于1％。
在柱5頂部的蒸氣，由通常含有少于5ppm烴的H2組成，在6中通過吸收進(jìn)行最后純化，然后在交換器4的通道46中冷卻，然后送至本裝置的冷部。在圖中標(biāo)出了通道47和48，分別處于6巴及1巴的壓力，用于再加熱從該冷部返回的循環(huán)氮，這些通道被連接在交換器3的通管39和41的冷端。
因此獲得了從-120℃到室溫的整個溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)連續(xù)蒸發(fā)過程，它在同樣程度上在這一溫度范圍內(nèi)減輕了氮氣循環(huán)，并可以在例如在+5到-40℃下省去任何附加的冷凍循環(huán)。氮氣循環(huán)的冷卻負(fù)荷因此相對于由除了這一循環(huán)外還包括一純氮循環(huán)組成的裝置實際上可以降低一半。
然而，應(yīng)該注意，循環(huán)混合物中無甲烷及氮氣存在使得通過簡單冷凝就可以除去除了H2之外的幾乎所有組分，及在交換器3的冷端獲得足夠純的混合物，從而吸收器6僅在長時間間隔內(nèi)，如每周一次，在室溫下再生即可。這一優(yōu)勢如上所解釋通過液態(tài)丙烷洗滌柱5的存在而被加強。
然而應(yīng)當(dāng)注意到循環(huán)混合物能夠(如果希望)一方面含有非常少量的甲烷和/或氮氣(小于1％總可以)，另一方面含C6+烴。
作為一種改進(jìn)，冷凍液氮可以由一外源提供，尤其是通過一在附近的用蒸餾方法分離空氣的設(shè)備。
如果氫氣液化器引入了來自一空氣蒸餾裝置，如Oxytonne，的液氮，最好將上述氮氣在其蒸發(fā)和部分再加熱至-125℃后返回至蒸餾設(shè)備中。
因此，在這些條件下，將這一氮氣從-125℃再加熱至室溫所需的冷量將通過氫氣液化器提供，而不是通過蒸餾設(shè)備提供。結(jié)果，循環(huán)H2中烴含量增加，這對循環(huán)H2壓縮機的工藝(更少的級)及單位能耗都是有利的。在這種情況下，可以通過部分地借助在-125℃下蒸發(fā)和被再加熱的液氮及部分地借助有待在-190℃～-125℃下被再加熱的氣態(tài)氮向H2液化設(shè)備提供必需的冷量進(jìn)一步改進(jìn)該系統(tǒng)。
在極端情況下，甚至能在室溫至-125℃間從H2液化器中提供蒸餾設(shè)備所有必需的冷量(通過在例如室溫至-120℃間在氫氣液化器中冷卻調(diào)整補充氮氣)。
權(quán)利要求
1.氫氣液化方法，其中使用循環(huán)流體主要包含氫氣的冷凍循環(huán)系統(tǒng)和液氮冷凍設(shè)備；該方法的改進(jìn)在于所述循環(huán)流體由H2及主要是C2烴的混合物組成，并液化及膨脹所述烴以形成能以基本連續(xù)方式在-120℃到近室溫之間蒸發(fā)的流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中烴混合物由飽和C2、C3及C5烴，和將上述C2，C3和C5烴液化餾分分別在約0℃～-10℃，-40℃～-50℃及-110℃～-120℃的溫度下膨脹以形成適于蒸發(fā)的冷凍液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在上述循環(huán)中在高循環(huán)壓力下壓縮臨近室溫的循環(huán)流體餾分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中至少一種液化餾分被分成兩股膨脹成至少兩種不同的壓力以在每個壓力下能形成冷凍流體的流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在稍高于C2、C3烴的凝固溫度的溫度下用液體丙烷洗滌混合氣，隨后在于相同溫度下通過吸收除了H2以外的其它所有組分進(jìn)行純化混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中洗滌用液態(tài)丙烷由至少一部分冷凍循環(huán)中被過冷至洗滌柱溫度的補充丙烷形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中液氮冷凍設(shè)備包括另一個封閉冷凍循環(huán)系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中液氮冷凍設(shè)備包括液氮外源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中從冷凍設(shè)備中來的氣態(tài)氮被返回到液氮外源中。
10.氫氣液化設(shè)備，包括其中循環(huán)流體主要包括氫的冷凍循環(huán)、液氮冷凍裝置及具有待處理氫氣的冷卻通道及幾種冷凍流體的再加熱通道的熱交換管線；該設(shè)備的改進(jìn)在于所述循環(huán)流體由H2及主要是C2烴的混合物組成，并包括分離壓縮烴的裝置、及膨脹這些分離后的壓縮烴并將其分別引入上述再加熱通道的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中烴混合物由飽和的C2、C3及C5烴構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，進(jìn)一步包括在循環(huán)高壓及近室溫溫度下壓縮循環(huán)流體餾分的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中再加熱通道處于至少兩種不同的壓力下。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，它進(jìn)一步包括在稍高于C2及C3烴的凝固溫度的溫度下混合物的液態(tài)丙烷洗滌柱，隨后是一個通過在同樣溫度下吸收而純化混合物的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，進(jìn)一步包括離心或軸流式冷凍循環(huán)壓縮機。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中液氮冷凍裝置包括另一氮氣封閉冷凍循環(huán)系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中液氮冷凍裝置包括一液氮外源。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，它進(jìn)一步包括將氣態(tài)氮從冷凍裝置中返回到液氮外源的裝置。
全文摘要
一種用于H
文檔編號F25J1/02GK1119732SQ95108700
公開日1996年4月3日 申請日期1995年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月29日
發(fā)明者M·格爾尼爾 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司