气体液化方法技术

受压缩的氮（或甲烷）的气流在临界压力以上沿着管道１０依次通过热交换器１６，１８．２０，２２和２４，使其冷却到它的临界温度以下，然后生成的流体经历膨胀，产生的液体被收集起来．热交换器的致冷是通过氮工作流体循环６２，７２和８２，分别使用膨胀涡轮６４，７４和８４来提供的，涡轮有不同的入口温度，但出口温度基本上相同．（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种致冷方法和装置，特别是关于诸如氮和甲烷这一类永久气体的液化。氮和甲烷是永久气体，只用降低气体温度的方法是不能使这类气体液化的，必需使它冷却(在压力下)至少达到一个“临界温度”，在这温度下，气体与它的液态相平衡。使氮液化或把氮冷却到临界点以下的惯用方法一般要求将气体进行压缩(除非可能适当提高压力，通常在30大气压以上)，并且在一个或多个热交换器中对至少一个相对低压的工作流体的液流进行热量交换，至少一部分工作流体的温度要求维持在氮的临界温度以下。至少有部分工作流体的液流或各个工作流体的液流是通过压缩工作流体，并且在前面所说的一个或多个热交换器中冷却，然后膨胀，对外作功(作功膨胀)予以形成。这种工作流体最好取自高压的氮的液流，或者这种液流保持与工作流体分开，而工作流体仍然由氮组成。实际上，液态氮基本上是在一个比较低的压力下被贮存或使用的，这个压力比把氮等压地冷却到它的临界温度以下时气态氮所处的压力还要低。因此，在完成这种等压冷却后，处在临界温度以下的氮通过膨胀或减压阀，从而使它所受的压力大大地减小了。因此，液态氮和大量的被称之为“闪蒸气体”的气体一起产生，这种膨胀基本上是等焓的，其结果导致氮的温度的降低。通常，工业上惯用的使氮液化的方法的热力学效率是比较低的，要提高这一效率有足够大的余地。在现有技术中都比较强调通过增进热交换的效率来提高方法的总效率。为此，对热交换气中许多点上的各个气流之间的温度差异已做了许多分析，以确定热交换器的总的热力学效率。我们的方法不仅仅包括增进热交换的效率，而且进一步地使热交换器的总的热负荷显著地减小，同时还进一步改善工作流体循环的性能。众所周知，在氮液化器中采用二个或多个这种工作流体循环，对互相相邻但又不重叠的温度范围进行致冷，称之谓“序列结构”，例如，见英国专利申请2162298A和2162299。因此在一种序列结构中，一个“热涡轮工作流体循环”可包括对从200K到160K范围所生成的液流进行致冷，一个“中间涡轮工作流体循环”可以对从160K到130K范围所生成的液流进行致冷，还有一个“冷涡轮工作流体循环”可以再对从130K到100K的流液冷却。在一种序列中，只使用二个涡轮也是可能的，一个涡轮是“热涡轮工作流体循环”的一部分，另一个涡轮是“冷涡轮工作流体循环”的一部分。这里对涡轮所说的“冷”、“中间”和“热”的区别是指相应涡轮的入口的温度。按照本专利技术，提供了一种液化由氮和甲烷组成的永久气体流的方法，包括在提高压力时把永久气体流的温度降到它的临界温度以下，并且至少执行两个氮工作流体循环，以提供至少将永久气体的温度降到它的临界温度以下所需要的部分致冷的步骤，每一个这样的氮工作流体循环包括压缩氮工作流体，使作功膨胀的氮工作流体通过与所说的氮的气流进行逆向的热交换而加热，从而导致对永久气体流致冷。其中，在至少一个氮工作流体循环中，作功膨胀要在一个比较高的温度时开始，该温度比在至少一个其它的氮工作流体循环中开始作功膨胀时的温度要高。而且，在每一个工作流体循环中，在作功膨胀结束时氮工作流体的温度与在其它工作流体循环中作功膨胀结束时氮工作流体的温度相同或基本相同。我们已经发现，在作功膨胀结束时，有一个亚临界状态的温度会使热的和中间的涡轮工作流体循环的效率得到惊人的提高。而且还发现在一个热的或中间的工作流体循环中(以及在一个冷工作流体循环中)在膨胀结束时，使工作流体处于饱和或接近饱和状态，则具有显著的益处。此外，试验表明可用保持高的涡轮输出口的压力来提高这些循环的效率。我们还进一步发现，热涡轮工作流体循环的效率有随着作功膨胀开始时的温度减小而增加的趋势。在所述的被选择的氮工作循环中，氮开始膨胀所处的最佳温度取决于由工作流体循环提供的纯冷却，及外界温度与上界温度之间致冷是如何来实现的(上界温度与氮工作流体作功膨胀时所处的最高温度相等)。在常用的氮液化器中，在HanKine致冷循环中，常用氟利昂致冷剂(注册商标)来实现外界温度与210K之间的冷却。同时还发现，在210K以下，这样一种致冷循环的效率随着温度的降低迅速下降。我们认为用一种混合的致冷剂的致冷循环来代替氟利昂致冷剂的致冷循环可以扩大氟利昂致冷循环工作的温度范围。这种混合致冷剂可以由碳氢化合物的混合物或者氟利昂的混合物(或二者)组成。因此，典型地，当采用一种混合的致冷剂时，可以实现在外界温度和温度在175K至190K范围之间的氮液流的致冷。例如，这温度可以是185K或者是175K。这样，在热涡轮工作流体循环中的作功膨胀也可以在175K到190K范围内的某一个温度开始。此外，为了造成在热工作流体循环中由作功膨胀引起的必需的温度下降，我们建议至少在75大气压力下来开始作功膨胀，如果是在80至90大气压下，则更可取。我们的研究表明，如果氮工作流体在每次作功膨胀结束时处在相同的亚临界温度时，范围从110K到126K，而且最好在同一压力下。尤其，如果流体是饱和的，则采用本专利技术的这些研究结果对整个液化器的效率最得益，虽然温度可能因为饱和温度限制在它的较低一端，有2度绝对温度范围差。这样一种配置与“序列”结构不同，虽然每一个涡轮工作流体循环所提供的使产品液流致冷的最高温度与每个和其它循环中最高温度是不同的，但致冷提供的最低温度对所有循环基本上是相同的。研究表明，涡轮工作流体循环的这样一种优选的配置，我们称之为“平行”配置，结果与类似的“序列”状况相比较，使得液化器内的主热交换器的热负荷显著减少。用按照本专利技术运行的热涡轮工作流体循环，根本上减小了用于提供用较冷的工作流体循环来液化液流所需的致冷。这种根本的减少反过来也减小了为了较冷的工作流体循环而供给涡轮入口的工作流体所需的这类致冷，所述的致冷要求的减小明显地降低了较热的热交换器的热负荷。最好，根据要液化的永久气体气流的压力，采用二个或者三个氮工作流体循环。使欲液化的气流中的氮最好被压缩到大于它的临界压力，在这种临界压力状态下，在用所述的氮工作流体循环而冷却的下游，就会产生至少三次连续的等焓膨胀，所生成的闪蒸气体在每一等焓膨胀后从所生成的流体中被分离出来。最后一次除外。这些来自每次等焓膨胀的液体都是在紧接着出现的等焓膨胀中的流体，而且至少有一部分(一般是全部)所述的闪蒸气体与欲液化的氮气流进行了逆向热量交换。一般，在欲液化的氮气流进行热交换以后，出来的闪蒸气体与新的进入的欲液化的氮又被重新压缩。所以，除了流体等焓膨胀阶段之外，永久气体在所述的氮工作流体循环冷却的下游，借助于一个或多个膨胀涡轮，其压力会减少。下面，参考附图用例子来说明本专利技术的方法，其中图1是工艺流程示意图，表示按本专利技术的方法运行的一套设备。图2是热量有效利用率图表，表示了二种温度-焓分布之间的比较，一种是被冷却的氮的液流与在工作流体循环中供给氮工作流体的液流结合在一起时的温度-焓的分布，另一种是在工作流体循环中返回的氮工作流体与返回的闪蒸气体结合在一起时的温度-焓分布。图3也是热量有效利用率图表，表示了各别的工作流体循环对上面提到的工作流体循环的组合冷却曲线和被冷却的产品的温度-焓分布的贡献。图4是热量有效利用率的示意图，表示热交换器负荷对热量交换的热力学损耗的影响。参照附图1，输入的氮气流2通过多级循环压缩机4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液化由氮或甲烷组成的永久气体流的方法，包括在提高压力时把永久气体流的温度降到它的临界温度以下，和至少执行两个氮工作流体循环，以提供至少将永久气体的温度降到它的临界温度以下所需要的部分致冷的步骤，每一个这样的氮工作流体循环包括压缩氮工作流体，并使它冷却，使被冷却的氮工作流体作功膨胀，使作功膨胀的氮工作流体与所述的氮气流进行逆向的热交换而加热，从而导致对永久气体流致冷。其中，在至少一个氮工作流体循环中，作功膨胀要在一个比较高的温度开始，该温度比在至少一个其它的氮工作流体循环中开始作功膨胀时的温度要高，而且，在每一个工作流体循环中，在作功膨胀结束时，氮工作流体的温度与在其它工作流体循环中作功膨胀结束时氮工作流体的温度相同或基本相同。

【技术特征摘要】
GB 1986-5-2 86108551.一种液化由氮或甲烷组成的永久气体流的方法，包括在提高压力时把永久气体流的温度降到它的临界温度以下，和至少执行两个氮工作流体循环，以提供至少将永久气体的温度降到它的临界温度以下所需要的部分致冷的步骤，每一个这样的氮工作流体循环包括压缩氮工作流体，并使它冷却，使被冷却的氮工作流体作功膨胀，使作功膨胀的氮工作流体与所述的氮气流进行逆向的热交换而加热，从而导致对永久气体流致冷。其中，在至少一个氮工作流体循环中，作功膨胀要在一个比较高的温度开始，该温度比在至少一个其它的氮工作流体循环中开始作功膨胀时的温度要高，而且，在每一个工作流体循环中，在作功膨胀结束时，氮工作流体的温度与在其它工作流体循环中作功膨胀结束时氮工作流体的温度相同或基本相同。2.按权利要求1所述的方法，其特征是在所述的至少一个工作流体循环中，氮工作流体的温度在作功膨胀开始时要低于200K。3.按权利要求2所述的方法，其特征是使所述的永久气体流从外界温度下降到所述的温度的致冷是直接或间接地用一个混合致冷剂循环来提供。4.按上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征是在每一个工作流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特G盖茨，约翰马歇尔，
申请(专利权)人：英国氧气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]