CN1004374B

CN1004374B - 气体液化方法及所用的液化器

Info

Publication number: CN1004374B
Application number: CN85102117.4A
Authority: CN
Inventors: 哈默
Original assignee: Philips Light Manufacturing Plant NV
Current assignee: Philips Light Manufacturing Plant NV
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1989-05-31
Also published as: CN85102117A

Abstract

通过一个预冷却的热交换器，将超大气压力的气体送入低温发生器，在低温发生器中气体冷凝成液体，然后，通过液体分离器将冷凝液送入第二个热交换器，在第二个热交换器中，分别进行冷却和过冷却，第二个热交换器位于绝热贮气器已生成的液体中。通过与第二个热交换器相连接的压力调节器使冷凝液达到过冷却，通过调节用户压力（第二级压力）来控制过冷程度。由第二个热交换器中的气体冷却。本方法可用于液化氮气、氢气、氩气甲烷等的液化器。

Description

气体液化方法及所用的液化器

本发明是有关气体液化方法及所用的液化器。具体地说，将供气装置供给的气体（其第一级压力为超大气压）送入低温发生器，然后使生成的液体达第二级压力，第二级压力等于或低于第一级压力。

在已发表的短评中提到了一种公知的方法（即在1979年11月，在美国休斯敦召开的气体讨论会上，Dr、A、M、Feibush等人发表了题为“加压振动吸附用于液化天然气/液化丙烷气设备的氮气”的评论）在低温发生器中冷凝的氮气以液体状态被收集在贮气容器中。为了使贮气容器中液氮量保持不变，将贮气容器中由于冷渗漏而蒸发的氮气回送到低温发生器，并再使其冷凝。当气体分离装置损坏时，将液氮从贮气容器送入蒸发器，然后以气体状态供给用户。当然，也可直接从贮气容器中取出液氮（不过，现在还没有设计出相应的装置）。

这种公知的方法有如下缺点：从贮气容器排出的液氮流经贮气容器和用户之间的管道时，会因冷渗漏和/或压力下降而变成氮气，这对用户来说就没有什么价值，因为用户要的是液氮。生成的氮气（表示冷却程度）是无用的。此外，低温发生器的安装位置只限于贮气容器的顶部以免回流的冷凝液充满低温发生器。

本发明的目的是提供气体液化的新方法，该方法可避免在用户供给管线中形成气体，并可防止气体冷凝液返回到低温发生器。

本发明的另一个目的是提供进行本发明方法所用的液化器。

本发明方法的特征为：由供气装置流出的气体经第一个气/气热交换器冷却后，再送入低温发生器，气体在低温发生器中经冷凝而生成饱和液体，然后，将饱和液体和湿蒸气送入液体分离器，从液体分离器中排出的饱和液体及经液体分离器以后因膨胀而生成的湿蒸气送入第二个热交换器，第二个热交换器位于绝热贮气器已生成的液体中，在第二个热交换器分别使气体冷凝并过度冷却，通过与第二个热交换器相连的压力调节器使冷凝液达到过冷程度，此后，通过调节第二级压力来控制过冷程度，第二级压力的数值处于低温发生器的压力和贮气器压力之间，（即第二级压力的最大值等于低温发生器的压力，第二级压力的最小值等于贮气器的压力），而且，在冷凝和过冷过程中放出的冷凝热和过冷热可使绝热贮气器中的部分液体蒸发，将贮气器中生成的蒸气送入第一个热交换器以冷却供气装置供给的气体，贮气器中蒸出的液体可通过与液体分离器出口相连接的供液管进行补充。

本发明的液化器的特征为：供气装置的出口与第一个绝热的热交换器相连接，第一个热交换器与第二个热交换器以及液体分离器一起位于绝热贮气器中，并与低温发生器相连。安装在绝热贮气器外面的低温发生器的输液管与液体分离器相连接，液体分离器的排液管与第二个热交换器相连接，第二个热交换器通过压力调节器与用户相连压力调节器的敞开压力与用户压力无关。贮气器装有液面控制器，液面控制器与液体分离器的排液管相连接。

应该注意，本来从供气装置输送给用户的应是过冷的低温液体，以免因冷渗漏和/或压力下降而蒸发（参看美国专利说明书4296610），但是，这样会使冷凝和过冷过程中放出的冷凝热和过冷热损失，甚至会使低温液体的温度和压力增加，而增加的温度和压力还必须设法消除。

还应该注意的是，在气体供入低温发生器进行液化之前，先使其在一个热交换气中冷却，这也是公知的技术（参见美国专利3，354，664和4，432，216）。没有任何先有技术叙述过被配有第二热交换器的保温贮气罐，在该贮气罐中液化了的气体过冷至一定程度，过冷程度可通过连接到所述的第二热交换器上的压力控制器来调节。

下面将参照附图来进一步说明本发明：

图1是本发明液化器结构的示意图;

图2是图1中所示的液化器的绝热贮气器的剖面详图;

图3是图2中所示的压力调节器的剖面详图;

图4是与本发明方法相对应的压力一烩图;

图5是与本发明方法相对应的温度一熵图;

图1中所示的液化器由供气装置构成，供气装置为普通的气体分离装置12，它由两个分子筛14和16构成。气体分离装置12本身是一种普通的供气装置。例如，在“燃料”杂志1981年9月（60卷）817-822页中已作了介绍。空气经进气管18送入压缩器20，经压缩的空气（压力为6.5千帕）进入排气管22，排气管通过阀24和26分别与分子筛14和16相连接。分子筛14和16又通过阀28、30和32与排气管34相连，在排气管34中装有真空泵36。若由压缩器20排出的气体压力比较高，如6.5千帕，可不加真空泵36。分子筛14和16可使氮气与氧气分离，氧气留在分子筛中，氮气通过阀38、40和42送入供气管44。当交替打开和关闭阀24、26、28、30、32、38、40和42时，分子筛14和16中，总是有一个分子筛将氮气送入供气管44，而另一个分子筛进行清扫，将吸收的氧气吹入大气。供气管44中的氮气流的平均压力为6.5千帕，通过供气管44将氮气送入绝热贮气器，具体地说，使氮气进入装在该贮气器中的气/气热交换器50中，氮气在1处进入热交换器50，在2处离开热交换器50，应该注意，参考数字1-10是用来说明本方法的热力学过程的，也可参照图4和图5，在图4和图5中标有相应的参考数字1-10。在1处的氮气温度为288K。288K的氧气在热交换器50中，由进口9的温度为78K、出口10的温度为288K的冷氮气预冷到243K。在热交换器50中可用两根同心管进行冷量交换，内管中氮气温度较高，在外管和内管之间氮气的温度比较低。在贮气器48内由于有绝热材料51（图2），如聚氨基甲酸乙酯泡沫体，因此热交换器50与贮气器48之间是绝热的。下面将更详细说明热交换器50的冷却氮气是如何得到的。

预冷至243°K的氮气离开热交换器50后，经管道52送入低温发生器54，低温发生器本身是普通的设备，例如，J、W、L、Kohler和C、O、Jonkers在“菲利着技术评论”1954年10月16卷105-115页中作了介绍，低温发生器中装有热交换器56，热交换器56使从3处进入的氮气（温度为243°K，压力为6.5千帕）冷凝，温度96°K，压力为6.5千帕的。液氮在4处离开热交换器56，低温发生器54通过管58与液体分离器相连接，呈液体分离器60形状的液体分离器装在绝热贮气器48中（也可参见图3），将液氮62收集在液体分离器60的底部。液氮上面有氮气64，这氮气是由低温发生器54产生的，在液化开始阶段，通过压力平衡管65（以虚线表示），将氮气吹入管52，以防止管58中的液氮回流到低温发生器54。只要液氮的液面66达到预定的高度，可通过浮体67将阀68打开，将液氮送入管70，管70将液体分离器60与液/液气体热交换器72（第二个热交换器）相连接，第二个热交换器也装在贮气器48中。热交换器72位于液氮74中（液氮74的温度为78°K，它是在液化过程开始阶段生成的）。液氮在5处进入热交换器，其温度为91°K，在热交换器72中分别使液氮冷却并过度冷却，在7处液氮温度达78K，此外，通过液体分离器60而引起压力下降的氮气沿着参考数字5-6表示的通道再冷凝，然后沿参考数字6-7表示的通道再过度冷却。在热交换器72出口处装有T形支管76。在该支管中，通过管78使热交换器72与压力调节器80相连接，供液管82使热交换器72与液面控制器84相连接（下面将进一步说明）。

图3是压力调节器80的详图，为了清楚起见，图2只是示意图，压力调节器80安装在贮气器48中。压力调节器80中有一个阀，该阀由一个片状阀元件88构成，通过连杆90将盘状阀元件88固定在盘形支架92上。盘状阀元件88的面积和液氮在盘形支架92上流过的面积最好相等，在压力低于敞开压力时，阀元件88与环状阀座94相连接，而环状阀座94固定在管78中。波纹松弛的波纹管96一端固定在支架92上，另一端固定在套管98中，而套管98固定在管78中。套管98带有螺纹，可用以控制调节螺杆100。调节螺杆100和支架92之间装有螺旋形弹簧102，螺旋形弹簧102相对于波纹管96的位置是固定的。当阀元件88打开时，通过阀座94中的通道使管78与管106接通。管106与贮气器108相连，贮气器108有一个排气管110，排气管110中的阀112与用户相通。应注意：若弹簧102的预应力等于V，支架92和阀88元件的表面积等于A，则敞开压力P₁＝V/A。这意味着敞开压力P₁与管106和贮气器108中的用户压力P₂（即第二级压力）无关。因此，通过调节预应力V，可控制液体分离器60中压力的下降。

液面控制器84中有阀114（见图2），通过浮球116可使阀114打开或关闭，浮球随贮气器48中的液氮118的液面而浮动。当阀114打开时，液氮通过管120加到贮气器48的液氮74中。在开始液化阶段，低温发生器54将液氮送入贮气器48、直到液面118达到使阀114关闭的高度。由于液氮和热交换器72中的氮气不断地向液氮74供热，因此，部份液氮将连续不断地蒸发。蒸出的氮气（温度为78°K）在9处送入气/气热交换器50，以使气体分离装置12供给的氮气预冷却。贮气罐48中被热交换器72蒸发掉的氮气可以由液面控制器84连续不断地进行补充。应该注意，液面控制器84也可与液体分离器60的排液管70相连。

图4和图5将更充分地说明本发明的方法及采用该方法的可能性。若本方法中（如图4和图5中以连续的参考数字1-10表示）的预应力V增加，则敞开压力P₁将增加，例如增加到用参考数字5′、6′和7′表示的数量。结果过冷程度增加，过冷程度增加的量由直线6-7和6′-7′之间长度差确定。然后，改变过冷焓△H₀和冷凝焓△H₀之间的比率，而使过冷焓的和保持不变，因此，由热交换器72中的液氮和氮气传给贮气器48中液氮74的总的热量（以直线8-9表示）是相等的，这正如热交换器50的冷却容量一样。用户压力P₂位于P₀和P_最大之间，因此，压力变化值为△P。这样，当用户压力P₂增加或减少时，得到的液氮的过冷程度也相应地增加或减少。

应该注意，当第二级压力或用户压力P₂小于敞开压力P₁，而大于或等于贮气器的压力P₀时（P₀≤P₂＜P₁），用户得到的过冷焓小于热交换器72得到的过冷焓△H₀，液体分离器60和压力调节器80之间的压力是常数P₁，因为当压力调节器80的压力大于P₁时，压力调节器80是关闭的。若用户压力P₂小于或等于P_最大，而大于敞开压力P₁（P₁＜P₂＜P_max）时，则用户得到的过冷焓大于第二个热交换器72得到的过冷焓△H₀。液体分离器60和压力调节器80之间的压力是常数P₁。若用户压力P₂等于敞开压力P₁，则用户得到的过冷焓等于热交换器72得到的过冷焓△H₀，液体分离器60和压力调节器80之间的压力P₁＝P₂。因此，用户可改变过冷程度，而且用户压力可达到所要的压力。通过阀112，用户可取出液氮。通过减压阀113和蒸发器115可调节用户压力P₂，通过管117使气氮回流到贮气器108中，这时温度为室温。这是很重要的，因为用户这边总有压力损失，因此不会因压力下降而生成氮气。事实上，用户得到的过冷程度（这过冷程度与压力的下降是相一致的）是通过用户压力P₂和贮气器48的压力P₀之间的压力差测定的（见图4）。若用户需要过冷的液氮，用户压力P₂必须高于贮气器48中压力P₀，这样，就达不到压力P₀（参考数字8）。贮气器48中的压力P₀常常等于大气压。由于采用压力调节器80可以确定经过液体分离器60后的压力下降，从而确定图4中线路5-7的位置，因此通过调节压力调节器（见图5）也可确定热交换器72在热交换时沿线路5-7产生的温度差。

图2所示的贮气器48的具体设备中，热交换器50由两个同心管（看不见）构成。气体分离装置12的氮气通过管44在1处进入热交换器50，再在2处通过管52离开热交换器（在图2中，管52位于管58的后面），管52与低温发生器54相连，在贮气器48中蒸发的低温氮气在9处进入热交换器50，在10处离开热交换器，根据对流原理发生热交换，由于经热交换器50加热的氮气从贮气器48流出后可排入周围空气中，所以在贮气器48中为大气压（0.98千帕）。当压力调节器装在暴露于周围空气的导管中时，在贮气器48中可得到大于大气压的压力。在图4的压力-焓图中，路线8-9-10位于较高压力处。因此，不仅冷凝焓和过冷焓之间的比率沿路线5-6-7（冷凝焓为常数）发生变化，而且，两个焓的和也发生变化，从贮气器48中蒸发的氮气量（可用于预冷）也发生变化。因此预冷程度是可调的。

关于氮气的液化器已作了说明，这种液化器也可用于其它物质。如：氧气、氢气、甲烷、氩气等。若将该液化器用于液化其它气体时应用与这些物质相匹配的气体分离装置12和低温发生器54，应该注意，供气装置并不只限于由分子筛构成的气体分离装置12，也可采用众所周知的气体分离柱，在气体分离柱中，利用各种气体沸点的不同而使气体彼此分离。在此情况下，最好通过气体压缩器使分离后的气体达到超大气压力，以便提高低温发生器的利用效率。事实上，供给气体的压力较高（即冷凝温度比较高）时，低温发生器产生的冷量会增加，而低温发生器的耗能却保持不变。较高的冷凝温度会使低温发生器的操作介质（如氮气）的压力增加，从而减少低温发生器的负荷，若供给低温发生器的气体压力达超大气压力，就不必用泵设备。由分子筛构成的气体分离装置中已存在由压缩器产生的压力，送入管44的气体可从贮气容器中交替产生。

应该注意，呈液体分离器60形状的液体分离器有双重功能。第一个功能是使饱和液体（由低温发生器54产生的）与湿蒸气（由低温发生器产生的）分离。第二个功能是液体分离器60可用作非回流阀，以便在贮气器48的安装位置高于低温发生器54的情况下，液体也不会回流到低温发生器中。事实上，可用任何一种液体分离器，例如，盛饱和液体和处于热平衡状态的饱和蒸气的容器来代替液体收集器。可用光敏元件代替浮球以控制液体分离器的阀。在液面控制器中也可用光敏元件代替浮球。

虽然，上述说明中提到的温度范围为288°K和78°K，压力为6.5千帕和1千帕，但本发明并不局限于此。本发明允许的操作温度和压力范围是由有关气体的压力-焓和温度-熵图给定的。

Claims

1、将供气装置供给的超大气压气体送入低温发生器，然后使所述气体在低温发生器中生成其压力低于供气装置压力的饱和液体，再将所述饱和液体和蒸汽送入液体分离器的气体液化方法，本方法的特征为：由供气装置流出的气体经第一个气/气热交换器冷却后，再送入低温发生器，气体在低温发生器中经冷凝而生成饱和液体，将饱和液体和湿蒸气送入液体分离器，从液体分离器中排出的饱和液体，及液体分离器中经膨胀而生成的湿蒸气送入第二个热交换器，第二个热交换器位于绝热贮气器已生成的液体中，在第二个热交换器中，分别使气体冷凝和过度冷却，通过与第二个热交换器相连接的压力调节器，使冷凝液达到过冷程度，此后可通过调节第二级压力来控制过冷程度，第二级压力应在低温发生器压力和贮气器压力之间，即第二级压力的最大值等于低温发生器的压力，第二级压力的最小值等于贮气器的压力，而且，在冷凝和过冷过程中放出的冷凝热和过冷热可使绝热贮气器中的部分液体蒸发，将贮气器中所生成的蒸气送入第一个热交换器以用于冷却供气装置供给的气体，贮气器中蒸发的液体可通过与液体分离器出口相连接的供液管进行补充。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征为：通过压缩机使处于大气力下的气体混合物在供气装置和分离装置中，压力升至超大气压，然后，将此气体送入分子筛，在分子筛中允许第一种气体通过，而吸收第二种气体，并将第二种气体排出，然后，将第一种气体送入低温发生器。

3、实施权利要求1的方法所用的液化器，其特征为：供气装置的出口与第一个绝热的热交换器相连接，第一个热交换器与第二个热交换器以及液体分离器一起位于绝热贮气器中，并与低温发生器相接，安装在绝热贮气器外面的低温发生器的输液管与液体分离器相连接，液体分离器有一个排液管，该排液管与第二个热交换器相连接，第二个热交换器通过压力调节器与用户相连接，压力调节器的敞开压力与用户压力无关，贮气器装有液面控制器，液面控制器与液体分离器的排液管相连接。

4、根据权利要求3所述的液化器，其特征为：第二个热交换器也与液面控制器相连，液面控制器有一个阀，当贮气器中液体的液面达到指定位置时，将阀打开，使液体从第二个热交换器流入贮气器。

5、根据权利要求3所述的液化器，其特征为：液体分离器为普通的液体分离器形状。

6、根据权利要求3所述的液化器，其特征为：供气装置为普通的气体分离装置，该气体分离装置至少由两个分子筛构成，用以从供给气体分离装置的气体混合物中分离出所要的那种气体。