CN113286977A - 用于液化原料气的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液化原料气的冷却方法，该冷却方法包括以下步骤：为冷却循环(20)提供制冷剂流(28)；将该制冷剂流(28)分成第一部分流(32)和第二部分流(36)；在第一膨胀装置(40)中使该第一部分流(32)膨胀；并且将来自该膨胀的第一部分流(42)的冷却能量传递到待冷却的原料气流(12)，该原料气流具体地包含氢气和/或氦气。另外，该方法还包括以下步骤：将该膨胀的第一部分流(42)引导至喷射器(48)的抽吸入口；并且将该第二部分流(36)引导至所述喷射器(48)的推进剂入口，使得在该喷射器(48)中使该第二部分流(36)膨胀时，该膨胀的第一部分流(42)被压缩并与该膨胀的第二部分流合并。

Description

用于液化原料气的冷却方法
技术领域
本发明涉及一种用于液化原料气例如氢气的冷却方法和冷却系统。
背景技术
一般来讲，例如由EP 3 163 236A1已知工业氢气液化设备，其中借助于多个闭环冷却循环将氢气流冷却至低于氢气冷凝点的温度，以便提供液态氢气流。
已知的工业氢气液化设备通常包括氢气冷却和液化单元，待冷却的氢气原料气流以介于15巴和30巴之间的典型进料压力供应到该氢气冷却和液化单元。氢气原料气流通常在设备的界区之外产生，例如借助于甲烷蒸汽重整器或电解槽。
在流经氢气冷却和液化单元时，氢气流被冷却至低于其冷凝点的温度，从而在排放到储罐中之前液化。为了提供用于冷却和液化氢气流的冷却能量，将氢气冷却和液化单元通过多个热交换器热耦接到若干冷却循环。
具体地，在预冷却循环中，使用通常在78K(这是1,1巴的环境压力下的氮饱和温度)下的液氮流蒸发，以将氢气进料流从环境温度预冷却至约80K。这通过引导预冷却循环的氮气流和氢气原料气流通过热交换器以便传递冷却能量来实现。然后，氢气进料通常通过纯化器进行，以在吸附器容器中去除残余杂质，主要是氮气。在80K下纯化后，使氢气进料通过填充有催化剂(通常为水合氧化铁)的附加热交换器通道，以用于邻位至对位的氢转化。就氘气液化而言，对位“异构体”被转化成邻位。然后借助于预冷却循环的液氮将原料气流再次冷却至约80K。
借助于闭合的主冷却循环例如Claude回路来提供氢气进料从约80K最终冷却和液化成饱和或过冷液体状态，所述回路通常具有一个或多个冷却串，所述冷却串具有将气体从高压膨胀至中压以在不同温度水平下提供制冷的涡轮。具体地，冷却串的数量可取决于设备的输出容量。因此，生成中压流。一旦在等焓膨胀中氢气的膨胀将导致显著的温度降低，喷射器或焦耳汤姆逊阀的应用就变得有意义。最后或最冷的高压制冷流在焦耳-汤姆逊阀中膨胀至低压和最低温度水平。这样，生成两相气体液体流以提供能够将氢气流冷却至低于冷凝点的冷却能量。出于热回收的目的，高压流逆着串联的多个热交换器(例如，最多十个或更多个热交换器)的中压流和低压流逆流运行，具体取决于设备尺寸和涡轮数量。
对于再循环中压流和低压流，主冷却循环通常包括低压压缩机，该低压压缩机收集低压流并将低压流压缩至中压。另外，提供了中压压缩机，该中压压缩机收集总中压流并将其压缩至高压，然后再引入闭合循环中。通常，这些压缩机是机械驱动的或电驱动的。
然而，使用机械驱动或电驱动的压缩机将低压料流的压力水平提升至中压水平对此类工业氢气液化设备的操作和资本支出具有影响。
发明内容
本发明的目的是提供用于液化原料气的优化冷却方法，特别是在工业氢气液化设备中，其可成本有效地实现。另外，本发明的一个目的是提供相应的冷却系统。
这些目的利用具有权利要求1的特征的冷却系统和具有权利要求9的特征的方法来解决。
本发明提供了一种用于液化原料气的冷却方法。该冷却方法包括以下步骤：为冷却循环提供制冷剂流；将制冷剂流分成第一部分流和第二部分流；使第一部分流在第一膨胀装置中膨胀，并且将冷却能从膨胀的第一部分流传递到待冷却的原料气流。冷却方法的特征在于包括以下另外的步骤：将膨胀的第一部分流引导至喷射器的抽吸入口，以及将第二部分流引导至喷射器的推进剂入口，使得在喷射器中使第二部分流膨胀时，膨胀的第一部分流被压缩并与膨胀的第二部分流合并。
待冷却的原料气流可包含一种或多种低温气体。具体地，待冷却的原料气流可包含氢气。另选地或除此之外，原料气流可包含氦气。另外，原料气流可包含氧气和/或其他低温气体。
制冷剂流还可包含一种或多种低温气体。具体地，制冷剂流可包含氢气或氦气或氖气。另选地或除此之外，制冷剂流可包含气体的混合物，即前述气体的混合物，例如氖气和氦气的混合物。
所提出的方法可用于工业低温气体液化设备，即氢气液化设备。另外，所提出的方法可用于冷却循环，即预冷却循环，例如用于此类气体液化设备中。
根据本公开，术语“喷射器”是指泵送装置，即，流体射流喷射器，其中由于动力或推进剂介质到抽吸介质的诱导动量传递而产生泵送效应，从而加速和/或压缩抽吸介质。换句话讲，脉冲在推进剂介质(即，高速气体射流)和抽吸介质之间交换。优选地，喷射器(即，流体射流喷射器)包括用于接收加压推进剂流体的推进剂入口，所述加压推进剂流体被供应至喷嘴(即，拉伐尔喷嘴)，该喷嘴与喷射器的抽吸室连通，该抽吸室被构造成在其中生成低于喷射器排放压力的抽吸压力。喷射器还包括抽吸入口，该抽吸入口通向抽吸室中并且被构造成将抽吸流体供应到抽吸室中，其中抽吸流体的压力低于供应给推进剂入口的推进剂流体的压力。抽吸室经由会聚-发散扩散器与喷射器的流体出口连通。
在喷射器的操作中，加压推进剂流体进入喷射器的推进剂入口，然后通过喷嘴被加速至高速，这将流体的高速射流通过抽吸室排放到会聚发散扩散器中。加压推进剂流体通过喷嘴进入抽吸室内的加速度在室中产生降低的压力，所述压力将抽吸流体从抽吸入口馈送到抽吸室内。由此进入抽吸室的抽吸流体被高速流体流夹带并抽吸到会聚-发散扩散器中。组合的流体在其穿过扩散器的会聚入口部分时经受加速和压缩，然后在其穿过扩散器的发散出口部分时经受减速和膨胀。根据喷射器、具体地会聚-发散扩散器的几何构型，可设定由喷射器经由输出管线输出的组合流体的速度和压力。
优选地，第二部分流构成供应到推进剂入口的加压推进剂流体，并且膨胀的第一部分流构成供应到喷射器的抽吸入口的抽吸流体。这样，在流经喷射器时，可通过将压缩的第一部分流与膨胀的第二部分流在喷射器中合并来提供膨胀的制冷剂流。优选地，喷射器被设计和构造成使得由喷射器输出的膨胀的制冷剂流具有中压，该中压高于膨胀的第一部分流中普遍的低压，并且低于第二部分流或制冷剂流中普遍的中压或高压。
一般来讲，在冷却循环中，膨胀的第一部分流具有足够低的温度，以便提供足够的冷却能量以用于液化原料气流。因此，第一部分流经受从高压到低压的高压降以充分降低其温度。为了将膨胀的第一部分流(即，制冷剂流)重新引入冷却循环中，使其经受压缩。
根据本发明，膨胀的第一部分流的压缩(即，从低压到中压)借助于喷射器进行。与用于将低压制冷剂流压缩至中压和高压的常规使用的压缩装置相比，喷射器的特征在于不含可移动部件的简单且可靠的设计。具体地，在用于液化氢气的已知方法和系统中，使用机械驱动或电驱动的压缩机，例如旋转或往复驱动的压缩机。然而，此类压缩机是昂贵的并且需要昂贵且耗时的维护。这尤其适用于使用氢气作为冷却循环中的制冷剂介质时，这可能需要相应压缩机的无油操作。另外，此类压缩机通常在环境温度条件下操作，即在所谓的气体液化设备冷箱的外部，从而需要额外的通道管线，诸如热交换器中的返回管线或通道管线。
因此，通过使用用于压缩低压膨胀的第一部分流的喷射器，本发明提供了一种成本优化的冷却方法。具体地，由于喷射器便于购买和维护，因此本发明有助于解决在设计工业氢气液化设备时在操作和资本支出之间的折衷。
具体地，所提出的冷却方法可用于在工业氢气液化设备中液化氢气。此类工业氢气液化设备优选地包括氢气冷却和液化单元，氢气原料气流以介于15巴和30巴之间的典型进料压力供应到该氢气冷却和液化单元。在流经氢气冷却和液化单元时，氢气原料气流优选地被冷却并由此液化以便生成液体产物流。然后，可将液态产物流引向储罐，以用于在期望的储存压力(例如1,1巴)和期望的储存温度(例如20K)下储存液化氢。
另外，工业氢气液化设备优选地包括具有冷却循环的冷却系统，在该冷却系统中执行所提出的冷却方法，并且该冷却系统热耦合到氢气冷却和液化单元以用于提供冷却能量，从而液化流经氢气冷却和液化单元的原料气流。该热耦合优选地借助于至少第一热交换器来实现，该第一热交换器被构造成将冷却能量从循环通过冷却循环的膨胀的第一部分流传递到待冷却的原料气流，该原料气流流经氢气冷却和液化单元。具体地，通过将来自膨胀的第一部分流的冷却能量传递到待冷却的原料气流，特别是借助于第一热交换器，冷却方法旨在将原料气流冷却至低于氢气的临界温度的温度，以便提供包含氢的液体产物流。
用于为氢气冷却和液化单元生成冷却能量的冷却循环优选地以具有包含氢的制冷剂流的冷却循环的形式提供。冷却循环优选地作为制冷剂在其中循环的闭合冷却循环提供。为了提供闭合冷却循环，通过在喷射器中将压缩的第一部分流与膨胀的第二部分流合并而提供的膨胀的制冷剂流可被引导通过压缩机单元，以便将膨胀的制冷剂流压缩至高压水平，从而提供制冷剂流。压缩机单元可包括一个或多个压缩机装置，例如活塞式压缩机，以用于根据预期的压力变化来压缩膨胀的制冷剂流。例如，压缩机单元可包括至少一个、优选地两个活塞式压缩机。然而，所提出的方法并不限于此。相反，冷却循环也可作为开放式冷却循环提供。
该方法还可包括引导膨胀的制冷剂流和第一部分流的步骤，使得热量在膨胀的制冷剂流和第一部分流之间传递。这可通过第二热交换器来实现，该第二热交换器被构造成将冷却能量从膨胀的制冷剂流传递到第一部分流。在另一种改进中，可引导膨胀的制冷剂流和第一部分流，使得冷却能量从膨胀的制冷剂流和/或第一部分流进一步传递到流经氢气冷却和液化单元的原料气流。具体地，这可通过将原料气流热耦合到膨胀的制冷剂流和/或第一部分流、具体地借助于第二热交换器来实现。换句话讲，可提供第二热交换器，使得第一部分流、膨胀的制冷剂流和原料气流中的每一者均流经其中。这样，冷却方法提供不同温度水平下的制冷，从而改善冷却方法的总体效率，因为可提供原料气流的连续冷却。
在进一步的改进中，在被引导或供应到喷射器(即，其推进剂入口)之前，第二部分流可在第二膨胀装置中被部分地膨胀并从而冷却。这样，可生成具有高于中等压力的中间压力的膨胀的第二部分流。具体地，第二膨胀装置可包括焦耳-汤姆逊阀和/或膨胀涡轮。膨胀涡轮能够或被设计成在第二部分流膨胀时例如借助于制动轮生成机械能或电能，以便提供能量回收。例如，膨胀涡轮可被设计成驱动压缩机单元以用于压缩膨胀的制冷剂流。为此，所生成的电能可被供应到电力网或可在别处使用。另外，出于控制目的，可提供旁路管线，第二部分流的至少一部分被引导通过该旁路管线，并且该旁路管线被构造用于绕过第二膨胀装置并引导流经其中的第二部分流进入喷射器中，即，直接进入喷射器中。
除此之外或另选地，制冷剂流可被进一步分成至少一个第三部分流。具体地，制冷剂流在通过分别具有不同温度水平的不同热交换器之后可被分成第一部分流、第二部分流和至少一个第三部分流。换句话讲，形成相应部分流的制冷剂在制冷剂具有不同温度的不同位置处从制冷剂流支化。因此，第一部分流、第二部分流和至少一个第三部分流分别具有不同的温度水平。这样，可提供不同温度水平下的多级制冷，从而进一步有助于改善冷却方法的总体效率。这可通过所述方法来实现，该方法还包括以下步骤：在至少一个第三膨胀装置中使至少一个第三部分流膨胀，并且引导所述至少一个膨胀的第三部分流、第一部分流和第二部分流，使得热量在所述至少一个膨胀的第三部分流、第一部分流和第二部分流之间传递，具体地借助于至少一个第三热交换器传递。
在另一种改进中，可引导第一部分流、第二部分流和至少一个膨胀的第三部分流，使得冷却能量进一步从第一部分流、第二部分流和/或至少一个膨胀的第三部分流传递到流经氢气冷却和液化单元的原料气流。具体地，这可通过将原料气流通过热耦合到第一部分流、第二部分流和/或至少一个膨胀的第三部分流来实现，具体地借助于至少一个第三热交换器来实现。换句话讲，可提供至少一个第三热交换器，使得至少一个膨胀的第三部分流、第一部分流和原料气流中的每一个均流经其中。具体地，至少一个膨胀的第三部分流可例如在至少一个第三热交换器的下游进料至膨胀的制冷剂流。根据本公开，术语“下游”和“上游”是指通过冷却循环或氢气冷却和液化单元的通道的相应流的流动方向。
另外，至少一个第三膨胀装置可以至少一个另外的膨胀涡轮的形式提供。根据上述膨胀涡轮，至少一个另外的膨胀涡轮也能够或被设计成在至少一个第三部分流膨胀时例如借助于制动轮生成机械能或电能，以便提供能量回收。
除此之外或另选地，膨胀的第一部分流被引导至布置在第一膨胀装置下游并且被构造成储存液相和气相的制冷剂的气液分离器中，其中液相的膨胀的第一部分流从分离器被引导至喷射器的抽吸入口。
在另一种改进中，工业氢气液化设备的冷却系统还可包括被构造成预冷却制冷剂流和/或原料气流的闭合预冷却循环。因此，冷却方法可包括借助于闭合预冷却循环来预冷却制冷剂流的步骤，所述闭合预冷却循环具有包含氮或由氮组成的另外的制冷剂流，其中具体地，所述另外的制冷剂流在被供应到第四热交换器之前在第四膨胀装置中膨胀，以用于将冷却能量传递到制冷剂流，并且具体地传递到原料气流。
此外，提供了用于液化原料气流的冷却系统，其可用于上述工业氢气液化设备中。具体地，可提供冷却系统以执行上述冷却方法。因此，先前结合该方法所述的技术特征也可适用于冷却系统。换句话讲，这些特征也结合冷却系统公开。
冷却系统具有冷却回路，其中制冷剂流循环通过制冷剂管线。具体地，冷却回路还包括膨胀装置和热交换器，该膨胀装置被构造成使流经从制冷剂管线分支的第一接合管线的第一部分流膨胀，该热交换器用于将来自膨胀的第一部分流的冷却能量传递到待冷却的原料气流。换句话讲，在热交换器中，热量从待冷却的原料气流传递到膨胀的第一部分流。冷却系统的特征在于，冷却回路还包括喷射器，该喷射器具有连接到第一接合管线以用于接收膨胀的第一部分流的抽吸入口和连接到从制冷剂管线分支的第二接合管线以用于接收第二部分流的推进剂入口，其中喷射器被构造成，在使喷射器中的第二部分流膨胀时，压缩膨胀的第一部分流并使其与膨胀的第二部分流合并。
如上所述，待冷却的原料气流可包含一种或多种低温气体。具体地，待冷却的原料气流可包含氢气。另选地或除此之外，原料气流可包含氦气。另外，原料气流可包含氧气和/或其他低温气体。另外，制冷剂流还可包含一种或多种低温气体。具体地，制冷剂流可包含氢气或氦气或氖气。另选地或除此之外，制冷剂流可包含气体的混合物，即前述气体的混合物，例如氖气和氦气的混合物。
热交换器可被构造成将来自膨胀的第一部分流的冷却能量传递到待冷却的原料气流，使得原料气流被冷却至低于其临界温度的温度，以便提供液态产物流。冷却可以使得通过等焓膨胀达到两相区域的方式进行。更具体地，冷却可以这样的方式进行，使得原料气流在等焓膨胀到产物储罐中之后可以过冷或至少饱和液体的形式提供。例如，在原料气流包含氢气的情况下，原料气流可被冷却到至少33K的温度。33K的温度可以是包含氢气的原料气流的临界点。因此，为了进行相分离，可将原料气流冷却至低于33K的温度。
冷却系统还可包括压缩机和/或喷射器单元，所述压缩机和/或喷射器单元被构造成压缩膨胀的制冷剂流，该膨胀的制冷剂流由喷射器输出并且通过将压缩的第一部分流与膨胀的第二部分流合并以便提供制冷剂流而形成，并且其中在冷却循环为闭合冷却循环的情况下，压缩机和/或喷射器单元将两种流带回到至少一个压缩机装置，例如活塞式压缩机。
可提供第二热交换器，该第二热交换器被构造成在膨胀的制冷剂流与第一部分流、以及具体地原料气流之间传递热。
冷却系统还可包括布置在喷射器上游的第二膨胀装置，具体地焦耳-汤姆逊阀和/或膨胀涡轮。第二膨胀装置可被构造成使流经第二接合管线的第二部分流部分地膨胀。在另一种改进中，冷却系统可包括至少一个第三膨胀装置，所述至少一个第三膨胀装置被构造成使流经至少一个第三接合管线的至少一个第三部分流膨胀，所述至少一个第三接合管线在不同温度水平下从制冷剂管线分支。此外，可提供至少一个第三热交换器以用于在至少一个膨胀的第三部分流与第一部分流、以及具体地原料气流之间传递热。另外，至少一个供给管线可布置在至少一个第三热交换器的下游，以用于将至少一股膨胀的第三部分流进料至膨胀的制冷剂流。
另选地或除此之外，冷却系统还可包括气液分离器，该气液分离器被布置在第一膨胀装置的下游并且被构造成接收第一部分流并将第一部分流的制冷剂以液相和气相储存。可提供喷射器供给管线以用于液相的膨胀的第一部分流从分离器引导至喷射器的抽吸入口。在供应到喷射器之前，可蒸发液体原料气流。在进一步的改进中，冷却系统还可包括：用于对冷却循环的制冷剂流进行预冷却的闭合预冷却循环，其中闭合预冷却循环具有包含氮或由氮组成的另外的制冷剂流；用于使另外的制冷剂流膨胀的第四膨胀装置；以及第四热交换器，该第四热交换器被构造成在膨胀的另外的制冷剂流与制冷剂流、以及具体地原料气体流之间传递热量。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，将更容易理解本公开，在附图中：
图1是示出具有冷却系统的工业氢气液化设备的示意性热力学工艺图，该冷却系统使用根据本发明的实施方案的冷却方法；以及
图2是示出具有冷却系统的另一种工业氢气液化设备的示意性热力学工艺图，该冷却系统使用根据本发明的另一个实施方案的冷却方法。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。在附图中，类似的元件由相同的附图标号表示，并且为了避免冗余，可省略对其进行重复描述。
图1示出了用于大规模进行氢气液化的工业氢气液化设备的工艺设计。所示的工业氢气液化设备包括氢气冷却和液化单元10，向其供应包含氢气的原料气流12。在流经氢气冷却和液化单元10时，氢气原料气流12被冷却并由此液化以便生成液体产物流14。
为了提供用于冷却和液化氢气流的冷却能量，工业氢气液化设备热耦合到冷却系统16，该冷却系统包括预冷却循环18和呈闭环制冷循环形式的主冷却循环20。预冷却循环18和主冷却循环20可在一个或两个单独的真空绝热冷箱容器中提供。在图1所示的实施方案中，冷却系统包括预冷却冷箱22和主冷却冷箱24。
首先，更详细地描述了主冷却循环20。在主冷却循环20中，包含低温合适气体(即氢气)的制冷剂循环，从而相继通过压缩机单元26、预冷却冷箱22和主冷却冷箱24。在进入预冷却冷箱22之前，制冷剂被压缩至高压，从而提供流经制冷剂管线30的制冷剂流28，该制冷剂管线的压力通常低于30巴，例如10巴，但也可具有至多70巴或至少25巴的压力，并且具体地具有环境温度例如303K。一般来讲，一旦制冷剂被压缩至允许在进一步的方法中充分去除焓的水平，就可确保适当的操作。在一些构型中，这可在10巴的压力水平下实现。制冷剂的压力水平越高，涡轮中的热量去除越高，但与此同时，热交换器的厚度增加，这可能影响其效率。
然后，制冷剂流28被引导通过预冷却冷箱22，其中它被预冷却到例如至多100K并且优选80K的较低预冷温度。另外，例如，当借助于作为冷却流体的液体天然气(LNG)提供用于预冷却制冷剂流28的冷却能量时，预冷却温度可为115K。如果制冷剂的温度保持在80K以上并且制冷剂包含氢气，则在进入冷箱24之前可能需要额外的努力来纯化氢气，因为杂质可能在热交换器中冻结。
在流经主冷却冷箱24时，制冷剂流28被分成流经第一接合管线34的第一部分流32和流经第二接合管线38的第二部分流36。在第一接合管线34中，第一部分流32在第一膨胀装置40中膨胀，即通过焦耳-汤姆逊阀膨胀，从而冷却。以这种方式，高压第一部分流32被加工以便生成低压膨胀的第一部分流，该低压膨胀的第一部分流具有具体地介于1,1巴至8巴之间的压力和足够低以确保原料气流12的适当冷却的温度，例如介于20K和24K之间。然后，将膨胀的第一部分流供应到气液分离器44，该气液分离器布置在第一膨胀装置40的下游并且被构造成将制冷剂以液相和气相储存。从分离器44，液态膨胀的第一部分流42(即，液相的包含氢气的膨胀的第一部分流32)被引导通过第一热交换器46。
具体地，第一热交换器46以板翅式热交换器的形式提供，原料气流12和膨胀的第一部分流42以其液相被引导通过该板翅式热交换器。因此，第一热交换器46被构造成将冷却能量从膨胀的第一部分流42传递到待冷却的原料气流12。更具体地，将冷却能量从膨胀的第一部分流42传递到原料气流12，使得原料气流12被冷却至低于氢气的临界温度、具体地低于24K的温度，从而确保液体产物流14从氢气冷却和液化单元10输出。同时，优选地在吸收器104之后的液化单元10的每个热交换器通道中去除来自邻位对位转化的反应热。在进一步的改进中，邻位对位转化可集成到吸收器104中。
在主冷却循环20中，冷却系统16包括具有推进剂入口和抽吸入口的喷射器48。在经过第一热交换器46之后，膨胀的第一部分流42被引导至喷射器48的抽吸入口。另外，在包括节流阀和膨胀涡轮的第二膨胀装置50中部分膨胀之后，第二部分流36被引导至喷射器48的推进剂入口。因此，喷射器48的抽吸入口连接到第一接合管线34以用于接收膨胀的第一部分流42，并且喷射器48的推进剂入口连接到第二接合管线38以用于接收部分膨胀的第二部分流52。另外，出于控制目的，可通过绕过第二膨胀装置50至少部分地将第二部分流36直接引导至喷射器48中。与膨胀的第一部分流42相比，部分膨胀的第二部分流52具有高于膨胀的第一部分流42的低压水平的中间压力水平。
在该构型中，喷射器48用作泵送装置，该泵送装置由部分膨胀的第二部分流52驱动并且被构造成压缩膨胀的第一部分流42。更具体地，部分膨胀的第二部分流52构成推进剂介质，该推进剂介质在流经喷射器48时并且由于喷射器48的几何构型所引起的动量传递而压缩膨胀的第一部分流42，该膨胀的第一部分流构成抽吸介质。
在下文中，更详细地描述了喷射器48的配置和操作。喷射器48包括用于接收加压推进剂的推进剂入口，所述加压推进剂被供应至与喷射器48的抽吸室连通的喷嘴，即拉伐尔喷嘴。喷射器还包括抽吸入口，该抽吸入口通向抽吸室中并且被构造成将抽吸流体供应到抽吸室中，其中抽吸流体的压力低于供应给推进剂入口的推进剂流体的压力。抽吸室经由会聚-发散扩散器与喷射器48的流体出口连通。
在喷射器48的操作中，加压推进剂流体(即，部分膨胀的第二部分流52)进入喷射器48的推进剂入口，然后通过喷嘴加速至高速，这将流体的高速射流通过抽吸室排放到会聚-发散扩散器中。因此，生成室中的降低的压力，从而导致膨胀的第一部分流42的抽吸，所述膨胀的第一部分流被高速流体流夹带并被抽吸到会聚-发散扩散器中。由此组合的流体在其穿过扩散器的会聚入口部分时经历压缩，然后在其穿过扩散器的发散出口部分时经历减速和膨胀。
这样，在喷射器48中使部分膨胀的第二部分流膨胀时，膨胀的第一部分流42被压缩并与膨胀的第二部分流合并，从而生成由喷射器48输出到再循环管线56中的膨胀的制冷剂流54。在该构型中，喷射器48被设置成使得由喷射器48输出的膨胀的制冷剂流54具有高于膨胀的第一部分流42的低压水平且低于部分膨胀的第二部分流52的中间压力水平的中压水平。
另外，膨胀的制冷剂流54、第一部分流32和原料气流12被引导通过第二热交换器58，使得热量在其间传递。具体地，冷却系统16包括板翅式热交换器形式的第二热交换器58，膨胀的制冷剂流54、第一部分流32和原料气流12被引导通过该第二热交换器，并且该第二热交换器被构造成将冷却能量从膨胀的制冷剂流54传递到第一部分流32和原料气流12两者。
在主冷却循环20中，制冷剂流28在不同的温度水平下被进一步分成流经第三接合管线62的第三部分流60和流经第四接合管线65的第四部分流64。在第三接合管线62中，布置了第三膨胀装置66，该第三膨胀装置被构造成使第三部分流60膨胀以便生成膨胀的第三部分流68。具体地，第三膨胀装置66包括例如串联连接在第三接合管线62中的两个膨胀涡轮。在另选的实施方案中，第三膨胀装置还可包括串联和/或并联连接的一个或多个膨胀涡轮。
膨胀的第三部分流68与膨胀的制冷剂流54一起、第一部分流32与第二部分流36一起，以及原料气流12被引导通过第三热交换器70，使得冷却能量从膨胀的制冷剂流54和膨胀的第一部分流68传递到第一部分流32、第二部分流36和原料气流12。具体地，膨胀的第三气体流68经由第一供给管线72从第三膨胀装置66供应到第三热交换器70下游的再循环管线56。换句话讲，第一供给管线72被构造成将膨胀的第三部分流68进料到第三热交换器70下游的膨胀的制冷剂流54。
在第四接合管线65中，布置了第四膨胀装置74，该第四膨胀装置被构造成使第四部分流64膨胀以便提供膨胀的第四部分流76。在一个另选的实施方案中，液化装置10还可包括多于或少于四个接合管线，即，具体取决于设备容量。具体地，第四膨胀装置74包括例如串联连接在第四接合管线65中的两个膨胀涡轮。膨胀装置50、66、74中的每一者被构造用于或具有执行气体膨胀的功能，使得从相应的气流中去除机械劳动。为此，每个膨胀装置50、66、74的设计可适于设备10的容量。因此，当然，根据具体应用，这些部件的构型可与本设计不同。例如，每个膨胀装置可包括可串联和/或并联布置的一个或多个膨胀涡轮机或其他膨胀单元。
膨胀的第四部分流76、第一部分流32、第二部分流36、第三部分流60、膨胀的制冷剂流54和原料气流12被引导通过第四热交换器78。第四热交换器78被构造成将冷却能量从膨胀的第四部分流76、膨胀的第三部分流68和膨胀的制冷剂流54传递到第一至第三部分流32、36、60和原料气流12。具体地，这通过经由第二供给管线80将膨胀的第四部分流76从第四膨胀装置74供应到第四热交换器78下游的再循环管线56来实现。换句话讲，第二供给管线80被构造成将膨胀的第四部分流76进料到第四热交换器78下游的膨胀的制冷剂流54。
再循环管线56被构造成将膨胀的制冷剂流54以及膨胀的第三和第四部分流68、76引导至压缩机单元26。压缩机单元26包括活塞式压缩机系统82，该活塞式压缩机系统被构造成在流体流流过再循环管线56时，将膨胀的制冷剂流与膨胀的第三和第四部分流68、76压缩在一起，从而提供制冷剂流28。这样，提供了闭合的冷却循环。具体地，如图1所示，活塞式压缩机系统82包括两个活塞式压缩机。另选地，活塞式压缩机系统82可包括一个或多个活塞式压缩机。
在被活塞式压缩机82压缩后，将制冷剂流28引导通过第五热交换器84，向该第五热交换器进料冷却水流86。具体地，第五热交换器84被构造成将来自冷却水流86的冷却能量传递到制冷剂流28。在第五热交换器84的下游，冷却水通过阀88。
在流经预冷却冷箱22时，制冷剂流28借助于闭合预冷却循环18预冷却，该闭合预冷却循环具有另外的制冷剂流90，该制冷剂流包含氮气或液化天然气(LNG)或由氮气或LNG组成。具体地，另外的制冷剂流90在以节流阀形式提供的第五膨胀装置92中膨胀，然后被连续供应到另外的气液分离器94和第六热交换器96。具体地，第六热交换器96被构造成将冷却能量从另外的制冷剂流90和流经再循环管线56的流体传递到制冷剂流28和原料气流12。借助于另外的分离器94，另外的制冷剂流90被分离成主要气相和许多液相，其中主要液相被单独引导通过第六热交换器96。第三至第六热交换器70、78、84和96以板翅式热交换器的形式提供。
在第六热交换器96的出口处，制冷剂流28被引导通过吸附器98以去除制冷剂流28中存在的杂质。在制冷剂流28包含LNG或由LNG组成的情况下，吸附器104可位于更下游。另外，在第五热交换器84的出口处，提供了包括阀102的第三供给管线100，可将例如来自储罐、具体地高压储罐和/或移动储罐的气态制冷剂例如氢气经由所述阀供应到制冷剂管线30中。
在下文中，更详细地描述了氢气冷却和液化单元10的构型。在进入氢气冷却和液化单元10之后，原料气流12被引导通过第六热交换器96，以便被预冷却至较低预冷却温度，例如100K，具体地通过预冷却循环18预冷却。在第六热交换器96的出口处，借助于吸附器容器104从预冷却的氢气原料气12中去除残余杂质。在借助于吸附器容器104进行该原料气纯化之后，将预冷却原料气流12通过填充有催化剂的通道106引导回到第六热交换器96。以这种方式，使预冷却原料气流12与能够催化邻位氢转化成对位氢的催化剂接触。然后，原料气流12在被供应到包括节流阀108和另一个喷射器110的第六膨胀装置之前，相继通过具有集成催化剂的第四热交换器78、第三热交换器70和第二热交换器58。在通过第六膨胀装置之后，原料气流12被引导通过第一热交换器46和第七膨胀装置112，以便生成具有在1巴至3.5巴范围内的储存压力的液体产物流14。由此生成的液态产物流14被引导至被构造成将氢气以其液相和气相储存的储罐。
具体地，另外的喷射器110具有用于接收原料气流12的推进剂入口和用于接收气态氢流114的抽吸入口。优选地，气态氢流114从储罐中排出并供应到另一个喷射器110的抽吸入口。
此外，在吸附器容器104的下游，提供了具有节流阀118的分支管线116，原料气流12的至少一部分可经由该分支管线分支并供应到主冷却循环20的再循环管线56。
图2示出了根据另一个实施方案的用于大规模进行氢气液化的工业氢气液化设备的工艺设计。液化设备的以下描述具体地涉及与图1所示的前述实施方案的差异，以便省略重复的描述并避免冗余。
如图2所示，在流经主冷却冷箱24时，制冷剂流28被分成流经第一接合管线34的第一部分流32和流经第二接合管线38的第二部分流36。在被分支之前，制冷剂流28被引导通过第七热交换器120。提供第七热交换器120，使得原料气流12被引导穿过第六热交换器96的上游和第四热交换器78的下游，以便将热量从原料气流12传递到膨胀的制冷剂流56。
在从制冷剂流28分支之后，第一部分流32被相继引导通过第四热交换器78、第三热交换器70和第二热交换器58，并且然后通过第八热交换器122，然后被供应到分离器44。提供第八热交换器122，使得原料气流12被引导通过第二热交换器58的上游和另一个喷射器110的下游，以便将热量从原料气流12传递到膨胀的制冷剂流56。
在第二膨胀装置50中部分膨胀之后，第二部分流36被引导通过第三热交换器70，然后到达喷射器48的推进剂入口。在另一种改进中，出于控制目的，可通过绕过第二膨胀装置50至少部分地将第二部分流36直接引导至喷射器48和/或第三热交换器70中。
另外，与用于将液态膨胀的第一部分流42从分离器44供应到喷射器48的抽吸入口的第一抽吸管线分开，提供了第二抽吸管线124，以用于将气态膨胀的第一部分流126(即，包含气相的氢的膨胀的第一部分流32的一部分)从分离器44供应到喷射器48的另外的抽吸入口。与液态膨胀的第一部分流42相比，气态膨胀的第一部分流126绕过第一热交换器46。第二抽吸管线也可以图1所示的构型提供。
在另外的喷射器110的上游和第一热交换器46的下游，提供了具有节流阀130的另外的分支管线128，原料气流12的至少一部分可经由该分支管线分支并供应到分离器44。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些实施方案和项目仅描绘了多种可能性的示例。因此，不应将此处所示的实施方案理解为对这些特征和构造进行限制。可以根据本发明的范围来选择所述特征的任何可能的组合和构造。
附图标号列表
10 氢气冷却液化单元
12 原料气流
14 液体产物流
16 冷却系统
18 预冷却循环
20 主冷却循环
22 预冷却冷箱
24 主冷却冷箱
26 压缩机单元
28 制冷剂流
30 制冷剂管线
32 第一部分流
34 第一接合管线
36 第二部分流
38 第二接合管线
40 第一膨胀装置
42 液态膨胀的第一部分流
44 气液分离器
46 第一热交换器
48 喷射器
50 第二膨胀装置
52 部分膨胀的第二部分流
54 膨胀的制冷剂流
56 再循环管线
58 第二热交换器
60 第三部分流
62 第三接合管线
64 第四部分流
65 第四接合管线
66 第三膨胀装置
68 膨胀的第三部分流
70 第三热交换器
72 第一供给管线
74 第二膨胀装置
76 膨胀的第四部分流
78 第四热交换器
80 第二供给管线
82 活塞式压缩机系统
84 第五热交换器
86 冷却水流
88 节流阀
90 另外的制冷剂流
92 节流阀
94 另外的气液分离器
96 第六热交换器
98 吸附器
100 第三供给管线
102 节流阀
104 吸附器容器
106 热交换器通道
108 节流阀
110 另外的喷射器
112 第七膨胀装置
114 气态氢流
116 分支管线
118 节流阀
120 第七热交换器
122 第八热交换器
124 第二抽吸管线
126 气态膨胀的第一部分流
128 另外的分支管线
130 另外的节流阀

Claims (15)

1.一种用于液化原料气的冷却方法，所述方法包括以下步骤：
-为冷却循环(20)提供制冷剂流(28)，
-将所述制冷剂流(28)分成第一部分流(32)和第二部分流(36)，
-在第一膨胀装置(40)中使所述第一部分流(32)膨胀，以及
-将来自所述膨胀的第一部分流(42)的冷却能量传递到待冷却的原料气流(12)，
其特征在于
所述方法还包括以下步骤：
-将所述膨胀的第一部分流(42)引导至喷射器(48)的抽吸入口，并且
-将所述第二部分流(36)引导至所述喷射器(48)的推进剂入口，使得在所述喷射器(48)中使所述第二部分流(36)膨胀时，所述膨胀的第一部分流(42)被压缩并与所述膨胀的第二部分流合并。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过将来自所述膨胀的第一部分流(42)的冷却能量传递到待冷却的所述原料气流(12)，具体地借助于第一热交换器(46)传递，将所述原料气流(12)冷却至低于氢气的临界温度、具体地低于24K的温度，以便提供包含氢的液体产物流(14)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过将所述压缩的第一部分流与所述膨胀的第二部分流在所述喷射器(48)中合并来提供膨胀的制冷剂流(54)，并且其中
所述方法还包括将所述膨胀的制冷剂流(54)引导通过压缩机单元(26)的步骤，所述压缩机单元具体地包括至少一个活塞式压缩机(82)或由至少一个活塞式压缩机组成，以便压缩所述膨胀的制冷剂流(54)，从而提供所述制冷剂流(28)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法还包括引导所述膨胀的制冷剂流(54)和所述第一部分流(32)的步骤，使得热量在所述膨胀的制冷剂流(54)与所述第一部分流(32)、以及具体地所述原料气流(12)之间具体地借助于第二热交换器(58)传递。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法还包括在被引导至所述喷射器(48)之前在第二膨胀装置(50)、具体地焦耳-汤姆逊阀和/或膨胀涡轮中使所述第二部分流(36)部分地膨胀的步骤，和/或具体地通过绕过所述第二膨胀装置(50)将所述第二部分流(36)引导至所述喷射器(48)中的步骤。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述制冷剂流(28)具体地在不同的温度水平下被进一步分离成至少一个第三部分流(60,64)，并且所述方法还包括以下步骤：
-使所述至少一个第三部分流(60,64)在至少一个第三膨胀装置(66,74)中膨胀，具体地在至少一个膨胀涡轮中膨胀，以及
-引导所述至少一个膨胀的第三部分流(68,76)和所述第一部分流(32)，使得热量在所述至少一个膨胀的第三部分流(60,64)与所述第一部分流(32)、以及具体地所述原料气流(12)之间具体地借助于至少一个第三热交换器(70,78)传递，以及
-将所述至少一个膨胀的第三部分流(60,64)进料到所述膨胀的制冷剂流(54)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中将所述膨胀的第一部分流(42)引导至气液分离器(44)中，所述气液分离器布置在所述第一膨胀装置(40)的下游并且被构造成将所述制冷剂以液相和气相储存，并且其中液相的所述膨胀的第一部分流(42)从所述分离器(44)具体地通过充当蒸发器的所述第一热交换器(46)被引导至所述喷射器(48)的所述抽吸入口。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述制冷剂流(28)借助于具有另外的制冷剂流(90)的闭合预冷却循环(18)进行预冷却，所述另外的制冷剂流包含氮或由氮组成，其中具体地，所述另外的制冷剂流(90)在被供应到第四热交换器(96)之前在第四膨胀装置(92)中膨胀，以用于将冷却能量传递到所述制冷剂流(28)，并且具体地传递到所述原料气流(12)。
9.一种用于液化原料气的冷却系统(16)，所述冷却系统具有冷却回路(20)，所述冷却回路具有用于循环制冷剂流(28)的制冷剂管线(30)，其中所述冷却回路(20)还包括：
-膨胀装置(40)，所述膨胀装置被构造成使流经从所述制冷剂管线(30)分支的第一接合管线(34)的第一部分流(32)膨胀，和
-热交换器(46)，所述热交换器用于将来自所述膨胀的第一部分流(42)的冷却能量传递到待冷却的原料气流(12)，
其特征在于
所述冷却回路(20)还包括喷射器(48)，所述喷射器具有连接到所述第一接合管线(34)以用于接收所述膨胀的第一部分流(42)的抽吸入口和连接到从所述制冷剂管线(30)分支的第二接合管线(38)以用于接收第二部分流(36)的推进剂入口，其中所述喷射器(48)被构造成，在使所述喷射器中的所述第二部分流(38)膨胀时，压缩所述膨胀的第一部分流(42)并将其与所述膨胀的第二部分流合并。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其中所述热交换器(46)被构造成将来自所述膨胀的第一部分流(42)的冷却能量传递到待冷却的所述原料气流(12)，使得所述原料气流(12)被冷却至低于氢气的临界温度、具体地低于24K的温度，以便提供包含氢的液体产物流(14)。
11.根据权利要求9或10所述的冷却系统，其中所述冷却系统还包括压缩机单元(26)，所述压缩机单元被构造成压缩膨胀的制冷剂流(28)，所述膨胀的制冷剂流由所述喷射器输出并且通过将所述压缩的第一部分流与所述膨胀的第二部分流合并以便提供所述制冷剂流(28)而形成，并且其中所述压缩机单元(26)包括至少一个活塞式压缩机(82)或由其组成。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的冷却系统，所述冷却系统还包括第二热交换器(58)，所述第二热交换器被构造成在所述膨胀的制冷剂流(54)与所述第一部分流(32)、以及具体地所述原料气流(12)之间传递热量。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的冷却系统，所述冷却系统还包括第二膨胀装置(50)，具体地焦耳-汤姆逊阀和/或膨胀涡轮，所述第二膨胀装置被布置在所述喷射器(48)的上游并且被构造成使流经所述第二接合管线(38)的所述第二部分流(36)部分地膨胀，其中具体地提供旁路管线，所述第二部分流(36)的至少一部分被引导通过所述旁路管线，并且所述旁路管线被构造用于绕过所述第二膨胀装置(50)并将流经所述旁路管线的所述第二部分流(36)引导到所述喷射器(48)中。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的冷却系统，所述冷却系统还包括：
-至少一个第三膨胀装置(66,74)，所述至少一个第三膨胀装置被构造成在不同的温度水平下使流经从所述制冷剂管线(30)分支的至少一个第三接合管线(62,65)的至少一个第三部分流(60,64)膨胀，
-至少一个第三热交换器(70,78)，所述至少一个第三热交换器用于在所述至少一个膨胀的第三部分流(60,64)与所述第一部分流(32)、以及具体地所述原料气流(12)之间传递热量，以及
-至少一个供给管线(72,80)，所述至少一个供给管线布置在所述至少一个第三热交换器(70,78)的下游，以用于将所述至少一个膨胀的第三部分流(60,64)进料至所述膨胀的制冷剂流(54)。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的冷却系统，所述冷却系统还包括：
-气液分离器(44)，所述气液分离器布置在所述第一膨胀装置(40)的下游并且被构造成接收所述膨胀的第一部分流(42)并将所述膨胀的第一部分流(42)的所述制冷剂以液相和气相储存，
-喷射器供给管线，所述喷射器供给管线用于将所述膨胀的第一部分流(42)以液相从所述分离器(44)引导至所述喷射器(48)的所述抽吸入口，具体地在所述第一热交换器(46)蒸发至所述喷射器(48)的所述抽吸入口，和/或
-闭合预冷却循环(18)，所述闭合预冷却循环用于预冷却所述冷却循环(20)的所述制冷剂流(28)，其中所述闭合预冷却循环(18)具有：另外的制冷剂流(90)，所述另外的制冷剂流具体地包含氮或液态天然气或由氮或液态天然气组成；第四膨胀装置(92)，所述第四膨胀装置用于使所述另外的制冷剂流(90)膨胀；以及第四热交换器(96)，所述第四热交换器被构造成在所述膨胀的另外的制冷剂流与所述制冷剂流(28)、以及具体地所述原料气流(12)之间传递热量。
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