專利名稱：生產(chǎn)低溫液體的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于液化低沸點(diǎn)氣體的液化器，并尤其適用于日產(chǎn)量少于200噸的液體的生產(chǎn)。
低沸點(diǎn)氣體，如氧氣或氮?dú)獾囊夯?，費(fèi)資金又費(fèi)能。早期的液化器系統(tǒng)采用一臺壓縮機(jī)，一臺換熱器和一臺透平膨脹機(jī)來提供致冷。這樣的早期液化器機(jī)效率很低。
根據(jù)熱力學(xué)，當(dāng)一個(gè)過程的驅(qū)動(dòng)力增加時(shí)，該過程所需的能量需求也增加。液化過程的驅(qū)動(dòng)力是熱流和冷流之間的溫度差。這些大的溫差是造成早期液化器需要高能量和使其較低效率特性的原因。
可以通過增加一臺第二膨脹機(jī)，使一些致冷在較高溫度下發(fā)生，一些致冷在較低溫度下發(fā)生，來提高液化器的效率。可以控制這兩臺膨脹機(jī)之間的流動(dòng)以及這些膨脹機(jī)的運(yùn)行溫度，來減小溫差，從而減少該循環(huán)的總液化能源。還可以用在高壓下運(yùn)行來提高液化器的效率。
Hanson等人的美國專利U.S4778497中公開的液化器采用的改進(jìn)包括兩個(gè)方面該液化器在較高壓力下運(yùn)行，且用了兩臺膨脹機(jī)。但是，第二臺膨脹機(jī)的使用及所引起的系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，顯著地增加了成本費(fèi)。由于資金需求高，該系統(tǒng)可有效地用于日產(chǎn)量(TPD)等于或大于200噸的液體的生產(chǎn)，但在生產(chǎn)少量的液體時(shí)一般不具有吸引力。
使這些液化器按比例縮小在技術(shù)上很困難。當(dāng)容量降低時(shí)，用于所有膨脹機(jī)部件的葉片尺寸和間隙減小，而轉(zhuǎn)速增加。高速與小尺寸的結(jié)合對設(shè)備可靠性和效率產(chǎn)生了不利影響。最終結(jié)果是，隨著容量降低，單位生產(chǎn)成本顯著上升。因此，以可比成本生產(chǎn)少噸量(少于200TPD)的液體產(chǎn)品的能力體現(xiàn)了一種對當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的液化低沸點(diǎn)氣體的液化器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一具目的是提供一種改進(jìn)的液化低沸點(diǎn)氣體的液化器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以少于約200ton的較低的液體日生產(chǎn)量有效運(yùn)行。
通過閱讀說明書，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，上述和其它目的將會變得更清楚，這些目的可以通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)方面是一種生產(chǎn)低溫液體的方法，包括(A)將致冷劑氣體壓縮到第一壓力；(B)向該已壓縮的致冷劑氣體加入原料氣體，生產(chǎn)一種工作氣體混合物；(C)將該工作氣體混合物壓縮到一個(gè)高于第一壓力的第二壓力，生產(chǎn)高壓工作氣體混合物；(D)使高壓工作氣體混合物的第一部分用透平機(jī)膨脹，生產(chǎn)冷的致冷劑氣體；(E)將高壓工作氣體混合物的第二部分進(jìn)一步壓縮到超臨界壓力，生產(chǎn)超臨界流體；和(F)通過與冷的致冷劑氣體間接換熱，使超臨界流體冷卻，生產(chǎn)低溫液體。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是一種生產(chǎn)低溫液體的方法，包括(A)將原料氣體加入到致冷劑氣體中，以生產(chǎn)工作氣體混合物；(B)將該工作氣體混合物壓縮到第一壓力；(C)將該工作氣體混合物壓縮到一個(gè)高于該第一壓力的第二壓力，生產(chǎn)高壓工作氣體氣體混合物；(D)使該高壓工作氣體混合物的第一部分用透平機(jī)膨脹，生產(chǎn)冷的致冷劑氣體；(E)將該高壓工作氣體混合物的第二部分進(jìn)一步壓縮到超臨界壓力，生產(chǎn)超臨界流體；及(F)通過與冷的致冷劑氣體間接換熱來冷卻該超臨界流體，并生產(chǎn)低溫液體。
本發(fā)明再一個(gè)方面是生產(chǎn)低溫液體的裝置，包括(A)一臺循環(huán)壓縮機(jī)，一臺增壓壓縮機(jī)及使致冷劑氣體從該循環(huán)壓縮機(jī)流到增壓壓縮機(jī)的裝置；(B)使原料氣體流到該增壓壓縮機(jī)的裝置；(C)一臺透平膨脹機(jī)及使流體從該增壓壓縮機(jī)流到該透平膨脹機(jī)的裝置；
(D)一臺容積式壓縮機(jī)，及使流體從所述增壓壓縮機(jī)流到該容積式壓縮機(jī)的裝置；(E)一臺換熱器，使流體從透平膨脹機(jī)流到該換熱器的裝置，及使流體從容積式壓縮機(jī)流到換熱器的裝置及(F)從由換熱器提取的流體中回收低溫液體產(chǎn)品的裝置。
這里所用的術(shù)語“間接換熱器”指兩種流體流相互之間不發(fā)生任何直接接觸或混合的熱交換關(guān)系。
這里所用的術(shù)語“低溫液體”指常壓下溫度等于或低于200K的液體。
這里所用的術(shù)語“透平膨脹”和“透平膨脹機(jī)”分別指高壓氣體流通過透平機(jī)，以便降低該氣體的壓力和溫度，從而產(chǎn)生致冷的方法和裝置。
這里所用的術(shù)語“壓縮機(jī)”指在一個(gè)壓力下接收氣態(tài)流體，并在一個(gè)較高壓力下排出氣態(tài)流體的裝置。
這里所用的術(shù)語“循環(huán)壓縮機(jī)”指一臺從一種生產(chǎn)氣流中接收氣體，而將其排向另一種生產(chǎn)氣流的壓縮機(jī)，其中至少一部分排出氣流是來自該過程的循環(huán)氣體，而不是原料氣體。
這里所用的術(shù)語“增壓壓縮機(jī)”指由一個(gè)共軸透平膨脹機(jī)提供所有壓縮功的壓縮機(jī)。
這里所用的術(shù)語“容積式壓縮機(jī)”指一臺壓縮機(jī)，它允許氣態(tài)流體進(jìn)入定義容積，防止在壓縮期間流體流進(jìn)或流出定義容積，然后做功，以使減少容積和增加壓力，再將氣體排放至一個(gè)較高壓力出口。
這里所用的術(shù)語“超臨界壓力”指一個(gè)等于或高于流體的最低壓力的壓力，在該壓力下液相和氣相變得不可區(qū)分。
這里所用的術(shù)語“超臨界流體”指在超臨界壓力下的流體。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。
圖2是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。
圖中相同的附圖標(biāo)記代表相同的部件。
本發(fā)明可以用來液化低沸點(diǎn)氣體或氣體混合物。這樣的低沸點(diǎn)氣體有氧氣、氮?dú)狻鍤?、氦氣、氫氣、二氧化碳，許多碳?xì)浠衔餁怏w，如甲烷和乙烷，及它們的混合物，如空氣和天然氣。
現(xiàn)在將參照附圖并結(jié)合氮?dú)獾囊夯瘉碓敿?xì)描述本發(fā)明。參見圖1，絕對壓力通常為每平方英寸15至23磅(psia)的致冷劑氣體28流到循環(huán)壓縮機(jī)13，在其中壓縮到75至120psia的第一壓力。該第一壓力大致是入口氣體壓力的5至6倍。該比值將取決于冷卻水溫度和預(yù)定功率。關(guān)閉時(shí)較低壓力。通過冷卻器3除去壓縮熱后所產(chǎn)生的已壓縮致冷劑氣體24得到冷卻，產(chǎn)生冷卻的已壓縮的致冷劑氣體30。
將原料氣體20，即這個(gè)實(shí)施例中的低沸點(diǎn)氣體氮?dú)猓尤胍褖嚎s的致冷劑氣體中，產(chǎn)生工作氣體混合物21。原料氣體的組成一般與致冷劑氣體相同。然后使工作氣體混合物21進(jìn)入增壓壓縮機(jī)10。
此外，除了圖1所示的方案之外，還可以將原料氣體加入循環(huán)壓縮機(jī)13上游的致冷劑氣體中。這樣一種可選擇的方案表示在圖2中?，F(xiàn)在參考圖2，將原料氣體100加入致冷劑氣體28，產(chǎn)生工作氣體混合物101。混合物101通過循環(huán)壓縮機(jī)13后得到壓縮，產(chǎn)生壓力為75至120psia的第一壓力下的已壓縮的工作氣體混合物102。混合物102通過冷卻器3除去混合物102的壓縮熱，使所產(chǎn)生的已冷卻的工作氣體混合物103流入增壓壓縮機(jī)10。
從循環(huán)的觀點(diǎn)看，圖1和圖2所示的兩個(gè)實(shí)施例是相同的。下面將參照圖1和圖2描述本發(fā)明。
在增壓壓縮機(jī)10內(nèi)，工作氣體混合物被壓縮到高于第一壓力的，在115至180psia范圍內(nèi)的第二壓力。該第二壓力一般約為循環(huán)壓縮機(jī)排氣壓力的1.5至1.6倍。最好使第二壓力小于工作氣體的超臨界壓力?；旌衔锿ㄟ^冷卻器4后除去所產(chǎn)生的高壓工作氣體混合物的壓縮熱，所產(chǎn)生的已冷卻的高壓工作氣體混合物23分為第一部分24和第二部分40。
第一部分24包括該高壓工作氣體混合物的60％至90％，優(yōu)選為78％至85％。第一部分24流過部分換熱器1得到冷卻，所產(chǎn)生的已冷卻的第一部分25從換熱器1流到透平膨脹機(jī)11，在透平膨脹機(jī)11內(nèi)徑透平膨脹，達(dá)到17至26psia的壓力，產(chǎn)生冷的致冷劑氣體26。如圖所示，透平膨脹機(jī)11最好直接與增壓壓縮機(jī)10相結(jié)合，以便使透平膨脹機(jī)11中的膨脹可直接用來驅(qū)動(dòng)增壓壓縮機(jī)10。本發(fā)明的一個(gè)重要方面是工作氣體混合物通過單個(gè)透平膨脹機(jī)膨脹，即只有一個(gè)透平膨脹機(jī)，用以產(chǎn)生連續(xù)液化的致冷。
冷的致冷劑氣體流到換熱器1。附圖所示的這些實(shí)施例是優(yōu)選實(shí)施例，正如下面將要詳細(xì)描述的那樣，其中循環(huán)蒸汽50與氣流26合并，形成冷的致冷劑氣流27，該氣流流到換熱器1。
第二部分40括高壓工作氣體混合物的10％至40％，優(yōu)選為15％至22％。第二部分40通過閥41，并作為氣流42流到容積式壓縮機(jī)12，容積式壓縮機(jī)通常是一個(gè)活塞式壓縮機(jī)，但也可以是螺旋壓縮機(jī)。在容積式壓縮機(jī)12內(nèi)，高壓工作氣體混合物的第二部分被壓縮到超臨界壓力，產(chǎn)生超臨界流43。該超臨界壓力將根據(jù)供入容積式壓縮機(jī)的流體成分而變化。例如，氮?dú)獾某R界壓力為高于493psia的壓力；氧氣的超臨界壓力是高于737psia的壓力；氬氣的超臨界壓力是高于710psia的壓力。當(dāng)?shù)獨(dú)鉃轭A(yù)期產(chǎn)品時(shí)，本發(fā)明中實(shí)用的超臨界壓力優(yōu)選為小于1000psia。
超臨界流體43過后冷卻器5通后得到冷卻，并使所產(chǎn)生的超臨界流體44流入換熱器1，在該換熱器中通過與冷的致冷劑氣體間接換熱而冷卻。如圖所示，最好使通過換熱器1的冷的致冷劑氣體流與通過換熱器1的超臨界流體逆向流動(dòng)。在通過換熱器1之后，所產(chǎn)生的致冷劑氣體28如前述的那樣流到循環(huán)壓縮機(jī)13。
將該超臨界流體作為低溫液體產(chǎn)品回收。附圖表示了該產(chǎn)品回收裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中如果流體溫度低于臨界點(diǎn)溫度，則已經(jīng)冷卻到液體溫度的超臨界流體通過閥46節(jié)流到一個(gè)低得足以產(chǎn)生低溫液體的壓力。所產(chǎn)生的含有低溫液體的流體47流通入相分離器2?；蛘?，流體45可以通過一個(gè)代替閥46的密相膨脹機(jī)，來降低流體的壓力和產(chǎn)生低溫液體。低溫液體從相分離器2中作為流體51提取出來，并流到使用點(diǎn)或貯存器。流體51的流量一般比200TPD低溫液體要低，通常在30至150TPD低溫液體的范圍內(nèi)。提取來自相分離器2的蒸汽作為流過閥49的流體48，并如前述流體50那樣，與流體26合并，形成冷的致冷劑氣體流27。
表1記錄了根據(jù)圖1所示的實(shí)施例對氮?dú)膺M(jìn)行液化的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。這個(gè)實(shí)例只提供說明，而不作限定。表中所列舉的流體標(biāo)號與圖1中的相對應(yīng)。
表1
盡管已參照某些優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在本發(fā)明的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)還可以有其它實(shí)施例。例如，可在各組循環(huán)壓縮機(jī)之間將原料氣體加入致冷劑氣體?？稍谠鰤簤嚎s機(jī)下游和容積式壓縮機(jī)上游加入致冷劑氣體。可在循環(huán)的不同點(diǎn)加入低溫原料氣體。本發(fā)明可以用其它設(shè)備來實(shí)施，而不特別局限于上述實(shí)施例中所列舉的設(shè)備。此外，討論的比壓和所述的壓力范圍是用于液化氮?dú)獾模灰夯渌鼩怏w時(shí)，優(yōu)選的壓力將不同于所列舉的那些氮?dú)庖夯膲毫Α?br> 權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)低溫液體的方法，包括(A)將致冷劑氣體壓縮到第一壓力；(B)向該已壓縮的致冷劑氣體加入原料氣體，生產(chǎn)一種工作氣體混合物；(C)將該工作氣體混合物壓縮到一個(gè)高于第一壓力的第二壓力，生產(chǎn)高壓工作氣體混合物；(D)使高壓工作氣體混合物的第一部分用透平機(jī)膨脹，生產(chǎn)冷的致冷劑氣體；(E)將高壓工作氣體混合物的第二部分進(jìn)一步壓縮到超臨界壓力，生產(chǎn)超臨界流體；和(F)通過與冷的致冷劑氣體間接換熱，使超臨界流體冷卻，生產(chǎn)低溫液體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使高壓工作氣體混合物的第一部分在用透平機(jī)膨脹之前進(jìn)行冷卻。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中一部分低溫液體蒸發(fā)，并在與超臨界流體換熱之前和冷的致冷劑氣體合并。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第二壓力小于工作氣體混合物的超臨界壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在單個(gè)透平膨脹機(jī)中使第一部分高壓工作氣體混合物進(jìn)行膨脹，以產(chǎn)生冷的制冷劑氣體。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中低溫液體產(chǎn)品為氮，且超臨界壓力小于1000psia。
7.一種生產(chǎn)低溫液體的方法，包括(A)將原料氣體加入到致冷劑氣體中，以生產(chǎn)工作氣體混合物；(B)將該工作氣體混合物壓縮到第一壓力；(C)將該工作氣體混合物壓縮到一個(gè)高于該第一壓力的第二壓力，生產(chǎn)高壓工作氣體混合物；(D)使該高壓工作氣體混合物的第一部分用透平機(jī)膨脹，生產(chǎn)冷的致冷劑氣體；(E)將該高壓工作氣體混合物的第二部分進(jìn)一步壓縮到超臨界壓力，生產(chǎn)超臨界流體；及(F)通過與冷的致冷劑氣體間接換熱來冷卻該超臨界流體，并生產(chǎn)低溫液體。
8.生產(chǎn)低溫液體的裝置，包括(A)一臺循環(huán)壓縮機(jī)，一臺增壓壓縮機(jī)及使致冷劑氣體從該循環(huán)壓縮機(jī)流通到增壓壓縮機(jī)的裝置；(B)使原料氣體流到該增壓壓縮機(jī)的裝置；(C)一臺透平膨脹機(jī)及使流體從該增壓壓縮機(jī)流到該透平膨脹機(jī)的裝置；(D)一臺容積式壓縮機(jī)，及使流體從所述增壓壓縮機(jī)流到該容積式壓縮機(jī)的裝置；(E)一臺換熱器，使流體從透平膨脹機(jī)流到該換熱器的裝置，及使流體從容積式壓縮機(jī)流到換熱器的裝置；及(F)從由換熱器提取的流體中回收低溫液體產(chǎn)品的裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中使流體以增壓壓縮機(jī)流到透平膨脹機(jī)的裝置穿過換熱器。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括一臺相分離器，使流體以換熱器流到相分離器的裝置，及使流體從相分離器流到換熱器的裝置。
全文摘要
一種液化低沸點(diǎn)氣體的系統(tǒng),其中原料氣體和再循環(huán)制冷劑氣體的混合物受到壓縮,使第一部分用透平機(jī)進(jìn)行膨脹,使第二部分壓縮到一個(gè)超臨界壓力,用透平膨脹后的流體冷卻超臨界流體生產(chǎn)低溫氣體。
文檔編號F25J1/00GK1201132SQ9810974
公開日1998年12月9日 申請日期1998年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月1日
發(fā)明者N·J·利奇, D·P·波納奎斯特, P·A·亨賴 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司