CN113503691B - 一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法 - Google Patents

一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113503691B
CN113503691B CN202110783569.XA CN202110783569A CN113503691B CN 113503691 B CN113503691 B CN 113503691B CN 202110783569 A CN202110783569 A CN 202110783569A CN 113503691 B CN113503691 B CN 113503691B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
nitrogen
low
heat exchanger
liquefaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110783569.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113503691A (zh
Inventor
熊联友
徐鹏
邵东方
王爱林
王广海
杨坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Zhongke Fu Hai Low Temperature Technology Co ltd
Original Assignee
Beijing Zhongke Fu Hai Low Temperature Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Zhongke Fu Hai Low Temperature Technology Co ltd filed Critical Beijing Zhongke Fu Hai Low Temperature Technology Co ltd
Priority to CN202110783569.XA priority Critical patent/CN113503691B/zh
Publication of CN113503691A publication Critical patent/CN113503691A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113503691B publication Critical patent/CN113503691B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F25J1/0015—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/0035—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work
    • F25J1/0037—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work of a return stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0205—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level SCR refrigeration cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0208—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle in combination with an internal quasi-closed refrigeration loop, e.g. with deep flash recycle loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0275—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines adapted for special use of the liquefaction unit, e.g. portable or transportable devices
    • F25J1/0276—Laboratory or other miniature devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

本发明涉及一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法，所述两级压缩循环氮气液化装置具有透平膨胀制冷回路和J‑T节流液化回路，所述透平膨胀制冷回路采用低压循环，所述J‑T节流液化回路采用高压循环，通过采用两级压缩的方式，将用于膨胀制冷的循环氮气压力和用J‑T节流液化的压力区别开来，能够有效提高换热效率和氮气的液化率，减少装置能耗。

Description

一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法
技术领域
本发明涉及氮气液化制冷技术领域，特别是涉及一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法。
背景技术
液氮是一种较为方便的冷源，具有资源丰富、安全性较好、不易燃易爆等优点，在医疗、食品、电子、冶金、航天、机械制造等领域得到越来越普遍的应用。液氮通常是空气液化分离的最大宗产品、工业制氧的副产品，在需求用量大的场合大宗购置液氮的成本较低，而对于如科研实验室、学校等液氮用量小的场合，长期直接零散购买液氮成本较高；在偏远地区、野外或特殊场合等液氮槽车不方便到达的地方，往往需要配置现场氮气液化/制冷装置。目前氮气液化装置主要采用带预冷的克劳德制冷循环来实现氮气液化，根据循环压力，可分为低压液化循环流程及高压液化循环流程。低压循环液化流程一般适用于液氮产量小于60t/d的中小型液化装置；而高压循环液化流程则适用于液氮产量大于60t/d的大型液化装置。因此科研实验室、学校等液氮用量小的场合往往采用如图1所示低压循环液化流程。对于小型装置，如果透平膨胀机的轴功较小，可以不回收透平轴功，从而简化流程。
如图1所示，现有的一种低压循环氮气液化装置100P的具体结构被阐明，所述低压循环氮气液化装置100P包括压缩机1P、精密滤油器2P、第一换热器3P、预冷换热器4P、透平膨胀机5P、第二换热器6P、第三换热器7P、J-T节流阀8P、液氮储存罐9P、冷箱10P以及水冷器13P,所述低压循环氮气液化装置100P的液化流程为：低压氮气经所述压缩机1P压缩形成中压氮气，中压氮气经由所述水冷器13P冷却和所述精密滤油器2P除油后依次流经所述第一换热器3P和所述预冷换热器4P中进行换热处理，换热后的一部分氮气输入所述透平膨胀机5P中膨胀制冷，膨胀制冷后的低压氮气依次返流经所述第二换热器6P和所述第一换热器3P换热处理后，重新进入所述压缩机1P中循环；换热后的另一部分氮气依次经过所述第二换热器6P、所述第三换热器7P换热处理，换热后的氮气经由所述J-T节流阀8P节流降温后形成低压氮气和液氮，低压氮气和液氮输入所述液氮储存罐9P中，低压氮气经由所述液氮储存罐9P的气体出口进入所述第三换热器7P换热，换热后的低压氮气和所述透平膨胀机5P输出的低压氮气汇合，汇合后的低压氮气依次经所述第二换热器6P、所述第一换热器3P换热后，重新进入所述压缩机1P中循环。
可以理解的是，在液化装置中透平膨胀机是提供冷量的关键低温动设备，而压缩机是为透平膨胀机提供绝热膨胀所需压力气体的核心室温动设备，压缩机和膨胀机的性能参数对整体流程的能耗有很大的影响，此外，换热器的换热效率对整体流程的能耗也至关重要。对于图1所示的低压循环氮气液化装置100P来讲，由于所述透平膨胀机5P的膨胀比较大，理论焓差较大，因而所述透平膨胀机5P的效率相对不易提高；而且，所述低压循环氮气液化装置100P所采用的所述压缩机1P的压缩也比较大，因此压缩机1P的效率也相对较低。另外，对于液化所需的J-T节流而言，节流前的压力对循环性能影响较大，一方面是氮气的临界压力为33.98bara，临界温度为126.2K，在所述低压循环氮气液化装置100P中，低压循环的J-T氮气流在三级低温换热器内出现两相等温液化段，不利于提高换热器的换热效率。
总的来讲，现有低压循环氮气液化装置100P的透平膨胀效率、压缩机的效率以及换热效率均较低，能耗较高，不适用于液氮用量小的场合。
发明内容
基于此，本发明的一目的是，提供一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法，能够有效提高换热效率和氮气的液化率，减少装置能耗。
为实现前述发明目的，本发明提供了一种两级压缩循环氮气液化装置，所述两级压缩循环氮气液化装置具有透平膨胀制冷回路和J-T节流液化回路，所述透平膨胀制冷回路采用低压循环，所述J-T节流液化回路采用高压循环，所述两级压缩循环氮气液化装置包括低压压缩机，连接于所述低压压缩机的氮气出口的低压循环滤油器和中压压缩机，连接于所述中压压缩机的氮气出口的中压循环滤油器，连接于所述低压循环滤油器和所述中压循环滤油器的氮气出口以及所述低压压缩机的氮气进口的冷箱，设置于所述冷箱的一级换热器、预冷换热器、透平膨胀机、二级换热器以及三级换热器，连接于所述三级换热器的高压出口和液氮储存罐的气液两相进口的J-T节流阀，所述液氮储存罐的气体出口连接于所述冷箱；
其中低压氮气在所述低压压缩机中被压缩形成中压氮气，一部分中压氮气经由所述低压循环滤油器精密除油处理后，进入所述冷箱，依次经所述一级换热器、所述预冷换热器换热处理后进入所述透平膨胀机中膨胀制冷，形成低温低压氮气，低温低压氮气返流经过所述二级换热器、所述一级换热器换热处理后，重新回到所述低压压缩机中进行循环，构成所述透平膨胀制冷回路；
其中从所述低压压缩机中出来的另一部分中压氮气经所述中压压缩机压缩形成高压氮气，高压氮气经由所述中压循环滤油器精密除油处理后，进入所述冷箱，依次经所述一级换热器、所述预冷换热器、所述二级换热器、所述三级换热器换热处理后，进入所述J-T节流阀中节流降压，得到低压氮气和液氮，低压氮气和液氮进入所述液氮储存罐中，其中液氮储存在所述液氮储存罐中，低压氮气经由所述液氮储存罐的气体出口进入所述冷箱，经所述三级换热器换热处理后与所述透平膨胀机出口输出的低压氮气汇合，汇合的低压氮气依次返流经过所述二级换热器、所述一级换热器回收冷量后，重新回到所述低压循环压缩机中进行循环，构成所述J-T节流液化回路。
在本发明的一实施例中，所述透平膨胀制冷回路采用的低压循环的典型循环压力范围为：0.8～1.2MPaG；所述J-T节流液化回路采用的高压循环的典型循环压力范围为：2.0～3.5MpaG。
在本发明的一实施例中，所述透平膨胀制冷回路的氮气流量大于所述J-T节流液化回路的氮气流量。
在本发明的一实施例中，所述两级压缩循环氮气液化装置还包括设置在所述低压压缩机和所述低压循环滤油器之间的第一水冷器，其中中压氮气经由所述第一水冷器冷却后进入所述低压循环滤油器中进行精密除油处理。
在本发明的一实施例中，所述两级压缩循环氮气液化装置还包括设置在所述中压压缩机和所述中压循环滤油器之间的第二水冷器，其中高压氮气经由所述第二水冷器冷却后进入所述中压循环滤油器中进行精密除油处理。
本发明在另一方面还提供了所述两级压缩循环氮气液化装置的液化方法，包括步骤：
S1、采用低压循环进行透平膨胀制冷：
将低压氮气通入低压压缩机中增压形成中压氮气；
将一部分中压氮气输入低压循环滤油器中进行精密除油处理；
将除油处理后的中压氮气依次输入一级换热器、预冷换热器中进行换热处理；
将换热后的中压氮气输入透平膨胀机中进行膨胀制冷，形成低温低压氮气；
将低温低压氮气返流经过二级换热器和所述一级换热器进行换热处理，换热后的低压氮气重新回到所述低压压缩机中进行循环；
S2、采用高压循环进行J-T节流液化：
将所述低压压缩机中的另一部分中压氮气输入中压压缩机中压缩形成高压氮气；
将高压氮气输入中压循环滤油器中进行精密除油处理；
将除油后的高压氮气依次输入所述一级换热器、所述预冷换热器、所述二级换热器、三级换热器中进行换热处理；
将换热后的高压氮气输出至J-T节流阀中进行节流降压，输出低压氮气和液氮至液氮储存罐，其中液氮储存在所述液氮储存罐中；
将低压氮气经由所述液氮储存罐的气体出口输出至所述冷箱中的所述三级换热器中换热处理，换热后的低压氮气与所述透平膨胀机出口输出的低压氮气汇合；
将汇合后的低压氮气依次返流经过所述二级换热器、所述一级换热器回收冷量，回收冷量后的低压氮气重新回到所述低压压缩机中进行循环。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S1中，低压循环的典型循环压力范围为：0.8～1.2MPaG；在所述步骤S2中，高压循环的典型循环压力范围为：2.0～3.5MpaG。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1中的氮气流量大于所述步骤S2中的氮气流量。
本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置的透平膨胀制冷回路采用低压循环，因此所述透平膨胀机的膨胀比较小，容易提高所述透平膨胀机的绝热膨胀效率；J-T节流液化回路采用较高循环压力，如把高压压力提高到临界压力以上,可以保证J-T节流液化回路的正流气体在被冷却时不出现或不会过早出现等温液化段，从而有利于换热布置,减低传热温差；另外，由于采用两级压缩，节流前后压降增加，等温节流效应增加，有利于提高液化率。
本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置通过采用两级压缩，中间冷却的方式，使得所述低压压缩机和高压压缩机的压缩比较小，压缩机效率容易提高；而且仅用于J-T节流液化的氮气才通过所述高压压缩机压缩，J-T节流液化的流量与透平制冷循环的流量相比仅占小部分，因此可以有效减少装置能耗。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为现有的一种低压循环氮气液化装置的结构示意图。
图2为本发明的一优选实施例的所述两级压缩循环氮气液化装置的结构示意图。
附图标号说明：低压循环氮气液化装置100P；压缩机1P；精密滤油器2P；第一换热器3P；预冷换热器4P；透平膨胀机5P；第二换热器6P；第三换热器7P；J-T节流阀8P；液氮储存罐9P；冷箱10P；水冷器13P；两级压缩循环氮气液化装置100；低压压缩机1；中压循环滤油器2；一级换热器3；预冷换热器4；透平膨胀机5；二级换热器6；三级换热器7；J-T节流阀8；液氮储存罐9；冷箱10；中压压缩机11；低压循环滤油器12；第一水冷器13；第二水冷器14。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明将用于膨胀制冷的循环氮气压力和用J-T节流液化的压力区别开来，采用两级压缩，其中用于制冷的氮气制冷循环采用低压循环压力，典型循环压力一般在0.8～1.2MPaG左右，而用于J-T节流的节流回路压力采用高压压力，典型循环压力一般为2.0～3.5MPaG。
如图2所示，根据本发明的一优选实施例的所述两级压缩循环氮气液化装置100的具体结构被阐明。具体地，所述两级压缩循环氮气液化装置100具有透平膨胀制冷回路和J-T节流液化回路，所述透平膨胀制冷回路采用低压循环，所述J-T节流液化回路采用高压循环，所述两级压缩循环氮气液化装置100包括低压压缩机1，连接于所述低压压缩机1的氮气出口的低压循环滤油器12和中压压缩机11，连接于所述中压压缩机11的氮气出口的中压循环滤油器2，连接于所述低压循环滤油器12和所述中压循环滤油器2的氮气出口以及所述低压压缩机1的氮气进口的冷箱10，设置于所述冷箱10的一级换热器3、预冷换热器4、透平膨胀机5、二级换热器6以及三级换热器7，连接于所述三级换热器7的高压出口和液氮储存罐9的气液两相进口的J-T节流阀8，所述液氮储存罐9的气体出口连接于所述冷箱10；
其中低压氮气在所述低压压缩机1中被压缩形成中压氮气，一部分中压氮气经由所述低压循环滤油器12精密除油处理后，进入所述冷箱10，依次经所述一级换热器3、所述预冷换热器4换热处理后进入所述透平膨胀机5中膨胀制冷，形成低温低压氮气，低温低压氮气返流经过所述二级换热器6、所述一级换热器3换热处理后，重新回到所述低压压缩机1中进行循环，构成所述透平膨胀制冷回路；
其中从所述低压压缩机1中出来的另一部分中压氮气经所述中压压缩机11压缩形成高压氮气，高压氮气经由所述中压循环滤油器2精密除油处理后，进入所述冷箱10，依次经所述一级换热器3、所述预冷换热器4、所述二级换热器6、所述三级换热器7换热处理后，进入所述J-T节流阀8中节流降压，得到低压氮气和液氮，低压氮气和液氮进入所述液氮储存罐9中，其中液氮储存在所述液氮储存罐9中，低压氮气经由所述液氮储存罐9的气体出口进入所述冷箱10，经所述三级换热器7换热处理后与所述透平膨胀机5出口输出的低压氮气汇合，汇合的低压氮气依次返流经过所述二级换热器6、所述一级换热器3回收冷量后，重新回到所述低压循环压缩机中进行循环，构成所述J-T节流液化回路。
可以理解的是，本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置100的透平膨胀制冷回路采用低压循环，所述透平膨胀机5的膨胀比较小，容易提高其绝热膨胀效率；所述J-T节流液化回路采用较高循环压力，如把高压压力提高到临界压力以上,可以保证所述J-T节流液化回路的正流气体在被冷却时不出现或不会过早出现等温液化段，从而有利于换热布置,减低传热温差；另外，由于采用两级压缩，节流前后压降增加，等温节流效应增加，有利于提高液化率。
特别地，所述透平膨胀制冷回路的氮气流量大于所述J-T节流液化回路的氮气流量。
可以理解的是，本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置100通过采用两级压缩，中间冷却的方式，使得低压循环压缩机和高压循环压缩机的压缩比较小，压缩机效率容易提高；而且仅用于J-T节流液化的氮气才通过高压压缩机压缩，J-T节流液化的流量与透平制冷循环的流量相比仅占小部分，因此可以有效减少装置能耗。
具体地，在本发明的这一优选实施例中，所述低压压缩机1的进气压力为0.005MPaG，排气压力为0.9MPaG,流量为204g/s；所述中压压缩机11的进气压力为0.9MPaG，排气压力为2.4MPaG,流量为51g/s。
值得一提的是，在本发明的一些实施例中，所述两级压缩循环氮气液化装置100还包括设置在所述低压压缩机1和所述低压循环滤油器12之间的第一水冷器13，其中中压氮气经由所述第一水冷器13冷却后进入所述低压循环滤油器12中进行精密除油处理。
此外，还值得一提的是，所述两级压缩循环氮气液化装置100还包括设置在所述中压压缩机11和所述中压循环滤油器2之间的第二水冷器14，其中高压氮气经由所述第二水冷器14冷却后进入所述中压循环滤油器2中进行精密除油处理。
以下为图1所示的所述低压循环氮气液化装置对应的一个实施例的工作参数：
1)氮气液化率：100L/h；
2)压缩机：进气:0.005MPaG，排气:1.15MPaG，流量：240g/s；
3)透平膨胀机：绝热效率80％；
4)预冷换热器44预冷温度：-4℃；
5)预冷换热器44换热量：1kW(按COP＝2.5折合能耗0.4kW)；
6)装置总耗功：96.15kW(压缩机绝热效率按80％估取)；
7)单位液化功：0.962kW.h/L(LN2)。
以下为本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置100对应的一个实施例的工作参数：
1)氮气液化率：100L/h；
2)低压循环压缩机1：进气0.005MPaG，排气0.9MPaG,流量：204g/s；
3)中压压循环压缩机11：进气0.9MPaG，排气2.4MPaG,流量：51g/s；
4)透平膨胀机：绝热效率80％；
5)预冷换热器44预冷温度：-7℃；
6)预冷换热器44换热量：1.52kW(按COP＝2.5折合能耗0.6kW)；
7)装置总耗功：84.9kW(压缩机绝热效率按80％估取)；
8)单位液化功：0.85kW.h/L(LN2)。
对比上述参数可以看出，即使按照同等绝热压缩效率及绝热膨胀效率保守估算，与图1所示的所述低压循环氮气液化装置相比，本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置100的能耗减少了11.7％，节能效果明显。由于本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置100采用两级压缩，压缩机绝热效率、透平膨胀机绝热效率、第三级换热器换热效率都有所提高，也就是说，本发明的所述两级压缩循环氮气液化装置100的透平膨胀效率、压缩机效率、换热效率均比图1所示的所述低压循环氮气液化装置要高，因此能耗减少量应该比保守估算的11.7％的能耗减少量更高，两级压缩循环氮气液化的效率更高。
可以理解的是，本发明在另一方面还提供了所述两级压缩循环氮气液化装置100的液化方法，包括步骤：
S1、采用低压循环进行透平膨胀制冷：
将低压氮气通入低压压缩机1中增压形成中压氮气；
将一部分中压氮气输入低压循环滤油器12中进行精密除油处理；
将除油处理后的中压氮气依次输入一级换热器3、预冷换热器4中进行换热处理；
将换热后的中压氮气输入透平膨胀机5中进行膨胀制冷，形成低温低压氮气；
将低温低压氮气返流经过二级换热器6和所述一级换热器3进行换热处理，换热后的低压氮气重新回到所述低压压缩机1中进行循环；
S2、采用高压循环进行J-T节流液化：
将所述低压压缩机1中的另一部分中压氮气输入中压压缩机11中压缩形成高压氮气；
将高压氮气输入中压循环滤油器2中进行精密除油处理；
将除油后的高压氮气依次输入所述一级换热器3、所述预冷换热器4、所述二级换热器6、三级换热器7中进行换热处理；
将换热后的高压氮气输出至J-T节流阀8中进行节流降压，输出低压氮气和液氮至液氮储存罐9，其中液氮储存在所述液氮储存罐9中；
将低压氮气经由所述液氮储存罐9的气体出口输出至所述冷箱10中的所述三级换热器7中换热处理，换热后的低压氮气与所述透平膨胀机5出口输出的低压氮气汇合；
将汇合后的低压氮气依次返流经过所述二级换热器6、所述一级换热器3回收冷量，回收冷量后的低压氮气重新回到所述低压压缩机1中进行循环。
值得一提的是，在所述步骤S1中，低压循环的典型循环压力范围为：0.8～1.2MPaG；在所述步骤S2中，高压循环的典型循环压力范围为：2.0～3.5MpaG。
此外，还值得一提的是，所述步骤S1中的氮气流量大于所述步骤S2中的氮气流量。
总的来讲，本发明提供了一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法，通过采用两级压缩的方式，将用于膨胀制冷的循环氮气压力和用J-T节流液化的压力区别开来，能够有效提高换热效率和氮气的液化率，减少装置能耗，所述两级压缩循环氮气液化装置100适用于液氮用量小的场合。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种两级压缩循环氮气液化装置，其特征在于，所述两级压缩循环氮气液化装置具有透平膨胀制冷回路和J-T节流液化回路，所述透平膨胀制冷回路采用低压循环，所述J-T节流液化回路采用高压循环，所述两级压缩循环氮气液化装置包括低压压缩机，连接于所述低压压缩机的氮气出口的低压循环滤油器和中压压缩机，连接于所述中压压缩机的氮气出口的中压循环滤油器，连接于所述低压循环滤油器和所述中压循环滤油器的氮气出口以及所述低压压缩机的氮气进口的冷箱，设置于所述冷箱的一级换热器、预冷换热器、透平膨胀机、二级换热器以及三级换热器，连接于所述三级换热器的高压出口和液氮储存罐的气液两相进口的J-T节流阀，所述液氮储存罐的气体出口连接于所述冷箱；
其中低压氮气在所述低压压缩机中被压缩形成中压氮气，一部分中压氮气经由所述低压循环滤油器精密除油处理后，进入所述冷箱，依次经所述一级换热器、所述预冷换热器换热处理后进入所述透平膨胀机中膨胀制冷，形成低温低压氮气，低温低压氮气返流经过所述二级换热器、所述一级换热器换热处理后，重新回到所述低压压缩机中进行循环，构成所述透平膨胀制冷回路；
其中从所述低压压缩机中出来的另一部分中压氮气经所述中压压缩机压缩形成高压氮气，高压氮气经由所述中压循环滤油器精密除油处理后，进入所述冷箱，依次经所述一级换热器、所述预冷换热器、所述二级换热器、所述三级换热器换热处理后，进入所述J-T节流阀中节流降压，得到低压氮气和液氮共存的气-液两相混合物，低压氮气和液氮进入所述液氮储存罐中，其中液氮储存在所述液氮储存罐中，低压氮气经由所述液氮储存罐的气体出口进入所述冷箱，经所述三级换热器换热处理后与所述透平膨胀机出口输出的低压氮气汇合，汇合的低压氮气依次返流经过所述二级换热器、所述一级换热器回收冷量后，重新回到所述低压循环压缩机中进行循环，构成所述J-T节流液化回路；
所述透平膨胀制冷回路采用的低压循环的典型循环压力范围为：0.8～1.2MPaG；所述J-T节流液化回路采用的高压循环的典型循环压力范围为：2.0～3.5MpaG；
所述透平膨胀制冷回路的氮气流量大于所述J-T节流液化回路的氮气流量。
2.根据权利要求1所述的两级压缩循环氮气液化装置，其特征在于，所述两级压缩循环氮气液化装置还包括设置在所述低压压缩机和所述低压循环滤油器之间的第一水冷器，其中中压氮气经由所述第一水冷器冷却后进入所述低压循环滤油器中进行精密除油处理。
3.根据权利要求1所述的两级压缩循环氮气液化装置，其特征在于，所述两级压缩循环氮气液化装置还包括设置在所述中压压缩机和所述中压循环滤油器之间的第二水冷器，其中高压氮气经由所述第二水冷器冷却后进入所述中压循环滤油器中进行精密除油处理。
4.一种根据权利要求1至3中任一项所述的两级压缩循环氮气液化装置的液化方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采用低压循环进行透平膨胀制冷：
将低压氮气通入低压压缩机中增压形成中压氮气；
将一部分中压氮气输入低压循环滤油器中进行精密除油处理；
将除油处理后的中压氮气依次输入一级换热器、预冷换热器中进行换热处理；
将换热后的中压氮气输入透平膨胀机中进行膨胀制冷，形成低温低压氮气；
将低温低压氮气返流经过二级换热器和所述一级换热器进行换热处理，换热后的低压氮气重新回到所述低压压缩机中进行循环；
在所述步骤S1中，低压循环的典型循环压力范围为：0.8～1.2MPaG；
S2、采用高压循环进行J-T节流液化：
将所述低压压缩机中的另一部分中压氮气输入中压压缩机中压缩形成高压氮气；
将高压氮气输入中压循环滤油器中进行精密除油处理；
将除油后的高压氮气依次输入所述一级换热器、所述预冷换热器、所述二级换热器、三级换热器中进行换热处理；
将换热后的高压氮气输出至J-T节流阀中进行节流降压，输出低压氮气和液氮至液氮储存罐，其中液氮储存在所述液氮储存罐中；
将低压氮气经由所述液氮储存罐的气体出口输出至所述冷箱中的所述三级换热器中换热处理，换热后的低压氮气与所述透平膨胀机出口输出的低压氮气汇合；
将汇合后的低压氮气依次返流经过所述二级换热器、所述一级换热器回收冷量，回收冷量后的低压氮气重新回到所述低压压缩机中进行循环；
在所述步骤S2中，高压循环的典型循环压力范围为：2.0～3.5MpaG；
所述步骤S1中的氮气流量大于所述步骤S2中的氮气流量。
CN202110783569.XA 2021-07-12 2021-07-12 一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法 Active CN113503691B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110783569.XA CN113503691B (zh) 2021-07-12 2021-07-12 一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110783569.XA CN113503691B (zh) 2021-07-12 2021-07-12 一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113503691A CN113503691A (zh) 2021-10-15
CN113503691B true CN113503691B (zh) 2022-11-22

Family

ID=78012338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110783569.XA Active CN113503691B (zh) 2021-07-12 2021-07-12 一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113503691B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114134266B (zh) * 2021-11-30 2022-08-02 北京科技大学 一种氮气管网系统
CN115420062B (zh) * 2022-08-26 2024-03-22 中国舰船研究设计中心 一种船用氮气液化系统及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3657898A (en) * 1968-08-15 1972-04-25 Air Prod & Chem Method and apparatus for producing refrigeration
US5231835A (en) * 1992-06-05 1993-08-03 Praxair Technology, Inc. Liquefier process
US5836173A (en) * 1997-05-01 1998-11-17 Praxair Technology, Inc. System for producing cryogenic liquid
CN201265996Y (zh) * 2008-09-05 2009-07-01 苏州制氧机有限责任公司 双膨胀机中压液化设备
CN109764637B (zh) * 2018-12-28 2020-09-25 中国科学院理化技术研究所 一种氦液化器流程装置
CN110482500A (zh) * 2019-08-07 2019-11-22 江苏新久扬环保设备科技有限公司 一种多级氮气回收系统及回收方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113503691A (zh) 2021-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113503691B (zh) 一种两级压缩循环氮气液化装置及其液化方法
WO2021043182A1 (zh) 一种利用lng冷能的空分装置和方法
CN101413749B (zh) 一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法及装置
EP0171952A1 (en) Gas refrigeration method
JPWO2006051622A1 (ja) 低温液化冷凍方法及び装置
CN204115392U (zh) 带补气压缩机的全液体空分设备
US3203191A (en) Energy derived from expansion of liquefied gas
CN113503692A (zh) 氢液化系统
US4638638A (en) Refrigeration method and apparatus
CN104807287A (zh) 一种小型天然气液化制冷系统及方法
CN102269509B (zh) 与余热驱动制冷相结合的co2压缩液化系统
CN112651140A (zh) 双级压缩制冷系统的*分析方法
CN102620460B (zh) 带丙烯预冷的混合制冷循环系统及方法
CN207674762U (zh) 基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统
Quack et al. Selection of components for the IDEALHY preferred cycle for the large scale liquefaction of hydrogen
US20230408189A1 (en) Plant and method for producing hydrogen at cryogenic temperature
CN113701388B (zh) 多元混合工质节流-超音速两相膨胀复合低温氢液化系统
CN211782276U (zh) 一种提高产量降低能耗的空气分离系统
CN108007068B (zh) 一种lng冷能利用的热集成精馏空分系统
CN209605479U (zh) 一种使用中压精馏塔降低空分能耗装置
CN108036585B (zh) 一种lng冷能利用的热泵空气分离系统
CN207751222U (zh) 一种lng冷能利用的热集成精馏空分系统
CN116857900A (zh) 一种工业尾气提纯液化二氧化碳的方法与装置
CN217654183U (zh) 一种采用氮气膨胀制冷的天然气提粗氦联产lng装置
CN216814804U (zh) 配套于电解制氢的氧气与氮气的液化装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant