CN1009859B - 永久气体液化方法 - Google Patents

Abstract

一种液化永久气体流例如氮的方法，包含如下步骤：将加压的氟永久气体流温度降低至低于其临界温度，而该温度之降低至少一部分是与经作功膨胀的氮工作流体流进行逆流热交换而达到的，至少有一部分氮工作流体当与该氮永久气体流呈热交换关系时是处在低于所述氮永久气体的临界温度；

将低于临界温度的氮永久气体流进行至少三次相继等焓膨胀；

在各次等焓膨胀后从所得液体中分离产生的闪蒸气体，来自各次等焓膨胀的液体(末次除外)恰是在下一次膨胀中的流体；

令至少一部分所述闪蒸气体与所述加压氮永久气体流进行热交换。

Description

本发明涉及一种冷冻方法及装置，更具体讲是涉及永久气体例如氮的液化。

永久气体的性质是不能仅靠升高压力而液化，必须在加压条件下将气体冷却至该气体可与其液态平衡存在的温度方可液化。

液化氮永久气体并将之冷却至或低于临界点的常规方法一般需将气体压缩（除非已经以升压条件，通常超过30大气压而供应的气体），并于一个或多个热交换器中与至少一个较低压力工作流体流进行热交换。至少有一些工作流体是以低于该永久气体的临界温度供应的;至少部分工作流体流或每个工作流体流是由压缩该工作流体而形成，并于前述热交换器中将之冷却，然后使之膨胀并作外功（“作功膨胀”）。工作流体本身可取自高压的该氮永久气体流，或者，氮永久气体可与该工作流体保持分开，而该工作流体可以和该永久气体是相同组成。

典型情况下，液化的永久气体在贮存或使用时的压力是远低于等压冷却至其临界温度之下所用的压力;如此，在此等压冷却完成后，处在低于其临界温度的永久气体经过膨胀或节流阀而使其压力显著减低，产生相当大体积的所谓“闪蒸气体”。该膨胀实质是等焓的过程，并使液体温度降低。一般进行一次或两次此种膨胀以产生闪蒸气体和在贮存压力下与其汽相成平衡的液化永久气体。概括言之，液化永久气体的工业过程的热力学效率相当低，尚有很大改进余地。本技术领域对于通过改进过程中热交换效率而改善过程的总效率，给予相当重视;因此，本 技术领域先前的提议都是以尽量减小永久气体流和与之进行热交换的工作流体流间的温差为重点。

美国专利3677019涉及低沸点气体液化的方法和设备。从该文献图6所示的循环可知，透平70向热交换器65所提供的工作流体（氮）的温度是低于其临界温度，压力超过10大气压。但是，透平70还不是唯一的以低于氮临界温度提供氮工作流体的透平。另外，透平37提供温度85°K的氮，压力为低于2大气压（26磅/平方英寸绝对压）。据介绍，透平70是一台较小的透平。此外，来自透平70的氮工作流体提供温度范围85°K至120°K的净致冷作用。因此很明显，所产生的氮工作流体大部分是来自在透平37的作功膨胀，并达到低于氮临界温度，而不是来自透平70。

由此可看到，上述文献是与本发明不同的，在本发明中，每一股氮工作流体在完成作功膨胀后的压力是至少10大气压，其中各低于临界温度的氮工作流体循环在作功膨胀后的温度在100°K以上。

本发明的目的是提供一种新的永久气体例如氮的液化方法，该方法的特征是氮永久气体升压条件下降温时，不必达到常规技术降温所达到的那样低温，然后进行至少三级等焓膨胀，作为工作流体的氮在作功膨胀后不必达到常规技术中工作流体作功膨胀后那样的低压和低温，从而可在较高等压比热（Cp）条件下工作，本发明的总效果是提高热力学效率。

本发明包含如下各步骤：在高压条件下降低氮永久气体流的温度至低于其临界温度，而该温度之降低至少有部分是经过与作功膨胀后的氮工作流体进行逆流热交换而达到的，并且至少有部分此种氮工作流体当处于与该氮永久气体流呈热交换关系时的温度是低于所述氮永久气体的临界温度;

将低于该临界温度的氮永久气体进行至少三次相继的等焓膨胀;

在每次等焓膨胀后，从所得的液体中分离所产生的闪蒸气体，除末次外，来自每次等焓膨胀的液体恰是在下一级膨胀过程中要膨胀的流体;

将至少部分所述闪蒸气体与所述氮永久体流进行热交换。

本发明还提供液化氮永久气体流所用的装置，该装置包含热交换设备，其中有一个通道供氮永久气体流过，使该高压的氮永久气体流与所流过的至少一股作功膨胀后氮工作流体流以及所流过的至少一股闪蒸气体流呈热交换关系;至少一组作功膨胀设备，提供至少部分处于低于氮永久气体流临界温度的作功膨胀后氮工作流体，因而使该氮永久气体流的温度可冷却至低于其临界温度;至少三个呈串联的膨胀阀，供所述氮永久气体流进行至少三次相继等焓膨胀;每个阀下游侧与一个适于将所得闪蒸气体与所得液化气体分离的分离器相通，而每个分离器（最下游者除外）的液化气体出口又与下游次一级膨胀阀的上游侧相通。

从本质上讲，在给定起始温度与给定最终温度间进行三级或三级以上的相继等焓膨胀（亦即等焓降压），较比经历同一温度范围只进行一级或两级等焓膨胀的热力学效率更高。获得较高效率的理由可参照附图举例说明如下：

一般情况下，闪蒸气体在离开与永久气体流的热交换关系后，与进料永久气体一起进行再压缩使之液化。

一般情况下，所述作功膨胀工作流体的形成及所述逆流热交换作用是在至少一个工作流体循环中实现的;在该循环中，该工作流体经压缩、用该永久气体流冷却、在至少一个膨胀透平机（或其它作功膨胀装置）中作功膨胀，经与该永久气体流逆流热交换而升温，同时该气体流被冷却，最后送回进行再度压缩。

若需要，在一个工作流体循环中可以有两个或多个作功膨胀阶段;如此，介于冷却阶段与升温阶段间的工作流体可以作功膨胀至中间压 力，一部分再加热及作功膨胀至较低压力，但一般是达到与第一次作功膨胀所达到的温度相同。

优选方式是采用至少两次工作流体循环，一次循环中工作流体与永久气体流呈逆流热交换关系的温度比其他次循环中工作流体的温度要更低。

在这些方法中，相信可使用三次或更多次等焓膨胀来实现氮工作流体之降温，所降温的温度幅度较可比的已知常规液化法所达到的幅度更广。代此方式，可减低最低温氮工作流体循环的冷冻任务，由此得以在此循环中采用较高的膨胀透平机出口温度以及因此可用较高出口压力。至少在最低温的氮工作流体循环中，特别优选方式是一俟作功膨胀完成时，氮工作流体压力至少为10大气压，通常在12在20大气压范围（亦即，膨胀透平机之出口压力至少10大气压，通常由12至20大气压）;这样的出口压力远较常规透平机膨胀循环所用的压力为高。当采用如此高压时，作功膨胀后氮工作流体的比热要高得多，因而至少可以提高最低温度氮工作流体循环的热力学效率，从而改进其比动力消耗量。较好方式，若膨胀透平机的出口压力是在12至20大气压范围，则一俟作功膨胀完成，氮工作流体就在其饱和温度或比其饱和温度更高达2°K的温度。在饱和温度或接近饱和温度时，氮工作流体的比热随温度下降而迅速增大。

因此，优选方式是使氮工作流体作功膨胀至其饱和温度（或接近该温度），于是就有可能借助于采用至少10大气压的膨胀透平机出口压力，而在增进热力学效率方面取得效益。实际上，一俟氮工作流体作功膨胀完成，即可有利地使之达到饱和或湿润。在氮工作流体循环中采用两个或多个膨胀透平机的情况下，最低压力透平机的出口温度是该氮工作流体的饱和温度或高于该温度不超过2°K。

优选方式是将至少部分，较好是全部该闪蒸气体与该氮永久气体处 于热交换关系，该氮永久气体流的温度是低于作功膨胀后氮工作流体与该氮永久气体流呈热交换关系时的温度。在一典型实例中，相信可将该氮永久气体流的温度降低约3°K，就是说，所述氮永久气体较低温度可以比非此情况下所需的温度更高3°K，从而可以把最低温度氮工作流体循环中膨胀透平机出口压力提高幅度增大至较高压力（可以达到饱和压力）。

借助于将氮永久气体流在较先有技术中所用温度更高的温度条件下进行等焓膨胀，从而能有利地利用此法提高效率。

依据本发明，若永久气体流是由氮组成，则较好是将氮温度降至107至117°K（典型为110°K）然后将之进行前述的相继等焓膨胀过程。110°K温度可用于很广的氮永久气体流压力范围。

若永久气体为氮，例如每日产量至少数百吨氧的空气分离装置所得的氮流，则闪蒸气体典型产生速率约为液态氮产物生成速率的一半左右，而氮流可于所述110°K温度进行该等焓膨胀过程。在使用离心压缩机的小厂及在膨胀透平机出口温度接近工作流体临界温度的情况下，一般采用高的闪蒸气体产生速率（如高达液体产物生成速率100%）以增加循环气体量与保持循环压缩机效率。若透平机出口温度接近临界温度，则一般不可能将膨胀透平机出口温度保持在饱和温度的2°K以内，除非同时采用格外高的出口压力（亦即以氮作工作流体为例，超过20大气压）。

一般情况下，永久气体流亦可与至少一股冷冻剂流进行热交换而冷却;所述冷冻剂流是在高于作功膨胀后工作流体与永久气体流热交换的温度，使之与永久气体流呈逆流热交换关系。

在氮液化的实例中，优选方式是利用所述冷冻剂流将氮永久气体流由环境温度冷却至约210°K;这样作的优点是可以减少在高温作功膨胀阶段的冷冻负荷，因而可以比不如此而可能达到的水平更为高效地操 作。

典型冷冻剂为“氟利昂（Freon）”或其他用于这类冷冻的非永久气体，典型工作流体是一种永久气体，为便利起见，通常是取自准备液化的气体，亦可将之重行归并以供压缩。

一般言之，要求与永久气体流和工作流体的温度-焓曲线间保持密切吻合关系，特别是在高于临界温度并且永久气体比热变化率为最大时的温度范围尤其重要（例如对50大气压的氮而言，约在130-180°K之间）。

精密选择作功膨胀后工作流体与永久气体流呈逆流热交换关时的温度和所用工作流体循环数目，即可提供此种吻合关系。

在液化以45大气压或更低的压力供应的氮永久气体时，为达此目的以用三次工作流体循环较好;借助于采用三次循环，可将最低温度循环的冷冻负荷保持在这样的水平，使之与该循环中的透平机出口压力在至少12大气压操作相适配。以在45大气压液化氮为例，较好是采用一个最低温度或“冷”工作流体循环，膨胀透平机出口压力为16大气压及出口温度约112°K;一个中间工作流体循环使用二台膨胀透平机，其出口温都是约136°K;还有一个“温”工作流体循环，膨胀透平机出口温度约160°K。氮永久气体压力愈高，则其温度-焓曲线愈不弯曲，于是其温度-焓曲线与工作流体的曲线之间愈易保持密切吻合;因此，在氮永久气体高于45大气压时，较好是只用二次工作流体循环;举例言之，对50大气压的氮而言，较好是采用“冷”工作流体循环，其膨胀透平机出口压力为14大气压及出口温度约110至112°K;还有“温”工作流体循环，其膨胀透平机出口温度约150°K。

除非能供应适当高压的永久气体，较好是用合宜压缩机或压缩机列升压至高压。在一实例中，氮永久气体是用多级式压缩机分若干级提升至中间压力，继而利用至少一台旋转式增压压缩机，提升至最终规定压 力;此增压压缩机的转子是安装在工作流体作功膨胀时所用膨胀透平机转子的同一根轴上。一般情况下，每一种压力不同的闪蒸气体流都是送回到多级式压缩机中压力相应的不同的级。

为了减少流经热交换装置的流路数目，较好方式是工作流体循环中，经热交换器后使用一条共用管路回到压缩机。

下面参照附图举例说明本发明，图中：

图1    为按本发明的氮液化装置的部分流程图。

图2    为氮的温度-熵图。

图3    为按本发明的氮液化装置流程图。

图4    为图3所示装置的示意图。

图5    为另一氮液化装置的示意图。

图6    显示在不同压力下氮的比热-温度曲线图。

参照附图1，温度113°K及压力45大气压的液态氮流2流经热交换器4，在其中温度降至100°K，然后，此氮液流经过等焓膨胀或节流阀6，将其压力降至8大气压;压力降低使得相当大体积气态氮从经过阀6的流体中闪蒸而出，留下液态氮，压力为8大气压。然后闪蒸气体于相分离器10中与液态氮分开，闪蒸气体经过热交换器4，与进料的液态氮流2呈逆流关系送回，对该液流提供部分冷却。

压力8大气压之液态氮自分离器10中流出，经过第二等焓膨胀或节流阀12，使其压力降至3.1大气压;由于此压力下降又有一些量的气体自流经阀12的液体中闪蒸而出，留下压力3.1大气压的液态氮。然后，此闪蒸气体在第二相分离器14中与液态氮分开;此闪蒸气体与8大气压闪蒸气体流呈并流的关系并与进料液态氮流2呈逆流关系而经过热交换器4送回，对该液态氮流提供部分冷却。

液态氮自分离器14中流出，其中一部分流经第三等焓膨胀或节流阀16，使其压力降至1.3大气压;由于此压力下降又有一些量的气态氮从 流经阀16的液体中闪蒸而出，留下压力1.3大气压的液态氮。然后，此闪蒸气体在第三相分离器18中与液态氮分开;此闪蒸气体与8大气压及3.1大气压的闪蒸气体流呈并流的关系并与进料液态氮流2呈逆流关系，经热交换器4送回，对该液态氮流提供部分冷却。

自分离器14所得另一部分液态氮从第二相分离器14送出至贮存容器，这些液态氮借助流经浸没于第三相分离器18内的热交换盘管22而冷却至过冷，然后通至贮存容器顶部（未示出）。由此使第三分离器中的液态氮沸腾，所得气态氮与闪蒸气体合并，再与氮永久气体流4呈逆流热交换后送回。

参照图2，线AB等为等压线，在氮液化过程中是沿此线而冷却;B点代表液态氮离开热交换器36（参见图3）时的温度（即110°K）;由曲线DEF规定一个“界限”，在其内氮呈气液“两相”存在;线BGHI，JKL及MNO为恒焓线;线PQ，RS及TU是气态氮的等压线。

现考虑图1中经过阀6的第一等焓膨胀，氮沿着恒焓线BGHI到达界限DEF内的H点;氮呈气液“两相”由其中送出，相分离器10将气相与液相分开，如此分离结果在J点得液态氮（闪蒸气体在P点）。第二等焓膨胀是氮沿着恒焓线JKL至K点;经第二相分离得M点的液体（闪蒸气体在R点）。第三等焓膨胀是氮沿着线MNO至N点，从而第三相分离得V点的液体（闪蒸气体在T点）。第三分离器中的液体借助于来自第二分离器的液体而蒸发，该液体本身被过冷;过冷液体在相当于M点压力，及在M与V点间并且靠近V点的温度而送至贮存容器。

现假定V点液体只是由一次等焓膨胀所产生;这样氮将沿路径BGHI到达W点为止，此步骤涉及的总熵增加比沿路径GH，JK及MN所涉及的熵增加总和更大，这是因为线GH，JK及MN相当陡而路径HI不限陡之故〔实际上，各恒焓线的（负）斜率随温度之下降而减小〕。因此，进行一次等焓膨胀的不可逆功比相继三次等焓膨胀更多，故后法（依据本发明） 较前法的热力学效率更高。此外，使用至少三次等焓膨胀时，在第一次以后的各次等焓膨胀中，作不可逆功的工作流体量更少。

亦可了解到，若V点是经过4或5或更多次相继等焓膨胀而达到时，则可进一步提高效率。然而实际上采用超过五次等焓膨胀，其额外效益已减低到不明显程度。

还须了解到，第一等焓膨胀（图上BGH）的效率比第二及第三等焓膨胀相对更低，因为BG一般涉及熵大量增加。可看到，低于B点温度的等压线AB朝向界限DEF靠扰;因此，可以考虑到等压冷却至相当于J点的温度，然后进行少于三次的等焓膨胀可能有好处。但这样作的缺点是：必须将氮冷却至开始进行等焓膨胀的温度，在工作流体作功膨胀中产生过大的热力学效率损失，另外J′J的熵增加也大于沿恒焓线BG的熵增加。

再参照图1，有多种方法可用以产生温度约113°K及压力45大气压的氮流2。图3所示的装置包括有产生此种氮流的设备。

现参照图3，环境温度（如300°K）及超临界压力（如45大气压）的主氮流30经过热交换系统32，其热端为34，冷端为36，并包含一系列热交换器38，40，42，44，46，48及50，各在较其上游（就氮流30之流向而言）的热交换器为按序低温范围操作。离开热交换器50时，氮流30之温度约110°K;然后经节流阀54等焓膨胀而产生8大气压的液态氮及一定体积的8大气压闪蒸气体;然后，8大气压的闪蒸气体及液态氮在相分离器56中彼此分离。来自分离器56的闪蒸气体流58，与氮流30呈逆流热交换关系，送回热交换系统32的冷凝36，到达温端34。

来自相分离器56的液态氮经第二节流阀60等焓膨胀，产生3.1大气压的液态氮及闪蒸气体;该液态氮于第二相分离器62中与闪蒸气体分开;来自分离器62的闪蒸气体流64，与氮流30呈逆流热交换关系，送回热交换系统32的冷端36，到达温端34。在相分离器62中收集的一部分液 体经第三节流阀66等焓膨胀，产生1.3大气压的液态氮及闪蒸气体;液态氮在第三相分离器68中与闪蒸气体分开，来自第三相分离器68的闪蒸气体流70与氮流30呈逆流热交换关系，送回热交换装置32的冷端36，到达温端34。从相分离器62中取液态氮，通过浸于第三相分离器68的液态氮中的盘管70过度冷却之后送至贮存容器;由此使第三相分离器68中的液态氮沸腾，而所得气体与闪蒸气体流70合并。

闪蒸气体流58、64及70对热交换器50提供全部冷却作用，可将氮流30的温度由113°K有效地降至110°K。一般情况下，闪蒸气体产生量是送去贮存的液态氮的50%;闪蒸气体产生时的压力取决于将闪蒸气体从热交换系统32的温端34送回的压缩机的相应各级压力。

第一工作流体循环77中的压力34.5大气压及温度约300°K的氮工作流体76与氮流30并流经过热交换系统32，并相继流经热交换器38，40，42，44及46，离开热交换器46时的温度为138°K。然后，此氮流在“冷”膨胀透平机78中膨胀至16大气压;在此压力条件下，工作流体的比热相当大，因而可以更有效地冷却该永久气体流;工作流体以温度112°K的氮流80离开透平机78，并与氮流30呈逆流经过热交换器48，而被加热，并符合热交换器48的冷冻要求，然后，按顺序流经热交换器46，44，42，40及38。

在第二工作流体循环81中，氮流30的一部分于温度163°K，在介于热交换器44冷端与热交换器46温端之间的位置排出，作为工作流体而通入第一中间膨胀透平机82，在其中进行作功膨胀，然后以温度136°K及压力23大气压的氮流84离开透平机82。氮流84与氮流30呈逆流而经过热交换器46，从而再被加热，并以150°K温度自热交换器中间位置排出，然后通入第二中间膨胀透平机86并在其中进行作功膨胀。并以压力16大气压及温度136°K的氮流88离开透平机86;然后在介于热交换器46冷端与热交换器48温端之间的位置与氮流80合并，从而有助于符合热 交换器46的冷冻需求。

在第三工作流体循环89中，另一部分氮流30作为工作流体在介于热交换器42冷端与热交换器44温端之间的位置排出，于温度210°K进入“温”膨胀透平机90，在其中进行作功膨胀。氮流92以压力约16大气压及温度160.5°K离开膨胀透平机。然后在介于热交换器46温端和热交换器44冷端之间的位置，使氮流92与80合并;这样，氮流92有助于符合热交换器44的冷冻需求。

常规式氟利昂冷冻机94，96及98分别用以冷却热交换器38，40及42;由此使氮流30的温度从热交换系统32温端的300°K降至热交换器42冷端的210°K。

图3所示装置所用的压缩机系统未详细示出，以便图3清晰易读。然而其中包括一台多级压缩机，第一级操作时的入口压力为1大气压，最末级出口压力为34.5大气压。1大气压的氮与闪蒸气体流70一起进入第一级入口，接下来各级分别与已离开热交换装置32温端34的闪蒸气体流64及58合并。在压缩机的下一级还与经过作功膨胀而送回的工作流体流80合并。58、64、70及80各氮流分别送至压缩机中不同的级。

离开多级压缩机之气体取一部分作为氮流76，其余的利用四台增压压缩机（分别由膨胀透平机驱动）进一步压缩至45大气压，用作为氮流30。

多级压缩机的各级及各增压压缩机一般均设有自己的冷却器，以从压缩气体中除去压缩热。

将图3所示装置以图解方式示于图4。适于以超过45大气压（如50大气压）液化氮流所用的另一装置示于图5。图5与4装置间的主要差异在于前者采用四台作功膨胀透平机，而后者仅采用两台此种透平机：一台透平机（“冷透平机”）用150°K的压缩氮，利用作功膨胀将其温度降至约110°K（在50大气压氮的实例中是降至约14大气压）;另 一台透平机（“温透平机”）用210°K的压缩氮，将其温度降至约150°K。虽然只用两个作功膨胀的工作流体流将产品氮流冷却至其临界温度以下，但因这个氮流的压力较高，所以它的温度-焓曲线不太弯曲，从而能使回返流体流的温度-焓变化情况能合理地与产品氮流的温度-焓曲线相吻合。

再参照附图3，随着作功膨胀工作流体（氮）流80经过热交换系统32流向其温端34，此氮流逐步加热。假定此过程基本上为等压过程，则意味着氮工作流体将遵循附图6所示的等压线之一。图6示出一组曲线，显示在各压力（由1至25大气压）条件下氮的比热随温度的变化。各等压线的左端（如所示）是由气态氮的饱和温度限定，可知等压线（实际上是升温曲线）压力愈高，则在等压线上任何给定温度的氮的比热愈大，因而在该温度的冷冻能力愈大。在较高压力及给定温度氮的比热与在较低压同温度的比热之间的相差是随压力之逐渐升高而增加，当压力高于10大气压此情况尤为显著。

Claims (14)

1、一种液化氮永久气体流的方法，该方法包括以下步骤：

将经过升压的该氮永久气体流降温至低于其临界温度，该降温过程至少一部分是通过氮永久气体流与经作功膨胀的氮工作流体进行热交换，当该氮工作流体与该氮永久气体流进行热交换时，至少一部分该氮工作流体的温度是低于该氮永久气体的临界温度；

将低于所述临界温度的该氮永久气体流进行多级相继的等焓膨胀；

在每一级等焓膨胀后，将产生的闪蒸气体与产生的液体分离，每一级等焓膨胀后的液体(最末级除外)就作为紧接下一级进行等焓膨胀的流体；

将至少一部分所述闪蒸气体与经过升压的该氮永久气体流进行热交换；

该方法的特征在于，采取至少3级相继的等焓膨胀。

2、按权利要求1的方法，其特征在于采取3、4或5级相继的等焓膨胀。

3、按权利要求2的方法，其特征在于至少一部分所述闪蒸气体与该氮永久气体流处于热交换关系时，该氮永久气体流的温度是低于任何经作功膨胀后氮工作流体与所述氮永久气体处于热交换关系时的温度。

4、按权利要求3的方法，其特征在于第一级等焓膨胀的氮永久气体温度为107-117°K。

5、按权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于提供所述经作功膨胀氮工作流体以及进行所述逆流热交换是在至少一个工作流体循环中完成的，在该循环中：将氮工作流体压缩，与该氮永久气体流一同被冷却，在至少一台透平膨胀机或其他作功膨胀装置中进行作功膨胀，通过与该氮永久气体流进行逆流热交换而被加热，同时使该氮永久气体流冷却，最后将氮工作流体送回再压缩。

6、按权利要求5的方法，其特征在于在一个氮工作流体循环中产生高于所述临界温度的氮工作流体，该氮工作流体在介于冷却和加热阶段之间进行作功膨胀达到中间压力，部分再加热后再进行作功膨胀而达到较低压力。

7、按权利要求6的方法，其特征在于该氮工作流体在降至较低压力的作功膨胀过程之后，产生的经过作功膨胀的氮工作流体的温度，是与该氮工作流体降至中间压力的作功膨胀后所产生的经过作功膨胀的氮工作流体的温度相同。

8、按权利要求6或7的方法，其特征在于应用至少两个氮工作流体循环，使其一循环的氮工作流体与温度低于另一循环的氮工作流体温度的该氮永久气体流处于热交换关系。

9、按权利要求8的方法，其特征在于，在其中至少一个氮工作流体循环中，是使经过作功膨胀的氮工作流体与温度高于临界温度的该氮永久气体流处于热交换关系。

10、按权利要求9的方法，其特征在于该氮永久气体流还通过与至少一个致冷剂流进行热交换而被冷却，该或每一致冷剂流是与温度高于经过作功膨胀的氮工作流体与该氮永久气体流进行热交换温度的该氮永久气体流处于热交换关系。

11、权利要求10的方法，其特征在于由至少一个致冷剂流对于温度由环境温度降至210°K的所述氮永久气体流提供冷冻作用。

12、按权利要求1-4、6、7、9-11中任一项的方法，其特征在于提供经过升压的该氮永久气体流是通过用一台多级压缩机进行压缩，并将每一闪蒸气体流送入该多级压缩机的压力相应的级。

13、按权利要求12的方法，其特征在于所述经过升压的压力为45大气压或低于此压力。

14、按权利要求12的方法，其特征在于所述经过升压的压力为高于45大气压。

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