CN115142080A - 一种用于在离心式压缩机中压缩氢气的工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生压缩氢气的工艺，所述工艺包括电解水以生产氢气，以及在多级压缩系统中压缩所述氢气以产生压缩氢气。多级压缩系统包括至少一个离心压缩级，并且氢气在预定的进料温度和压力并具有预定的相对湿度下被进料到离心压缩级。工艺进一步包括根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以将氢气加湿至预定的相对湿度。

Description

一种用于在离心式压缩机中压缩氢气的工艺和装置
技术领域
本发明涉及使用离心式压缩机压缩氢气。本发明特别涉及提高被进料到多级压缩系统的离心压缩级的氢气中的水蒸汽水平的方法。
背景技术
正排量压缩机(诸如往复式压缩机)通常用于工业过程中以压缩氢气。这种类型的压缩机通过将连续体积的气体限制在封闭的空间内来工作，诸如通过使用由曲轴驱动的活塞来输送处于高压的气体。
对于非常低分子量和高分子量的气体介质，正排量压缩机(诸如往复式压缩机)的性能通常是均匀的。因此，这种类型的压缩机适合于一系列气体，并且特别是适合于氢气的压缩。然而，这些类型的压缩机对于处理大量气体不是优选的。为了做到这一点，由于这些类型压缩机的结构，必须并行使用大量压缩机。这导致相当大的资本支出和操作成本。
相比之下，离心式压缩机是一种动态压缩机，在这种压缩机中，气体通过旋转叶片或叶轮的机械作用被压缩，这些旋转叶片或叶轮赋予气体速度。气体通常在叶轮的中心处进入，并在旋转运动下被推出至径向边缘，从而以高的速度输送气体，其撞击外壳。气体的速度被转化为静态压力，以输送高压气体。这些类型的压缩机通常更适合以较低的成本处理大量气体。
然而，这些压缩机通常不适合用于压缩低分子量气体诸如氢气。这是因为由于较低的气体密度，更难建立足够的离心力，从而使高压压缩更加困难。
因此，对于离心压缩，压力比(对于特定的压缩级，排放压力除以入口压力)对被压缩的气体的分子量高度敏感，并且取决于该分子量。也就是说，具有低分子量的气体的离心压缩可能导致出口处的排放压力低于规定的压力，除非使用额外的叶轮。
通常，为了在离心压缩系统中压缩低分子量气体，这种系统必须被设计有更多串联的叶轮，以适应降低的气体密度。这种设计显著地增加了压缩系统的成本，并且由于这种系统固有的机械约束而是不期望的。
因此，在本领域中期望提供一种解决方案，当与低分子量气体一起使用时，该解决方案将允许离心压缩系统以高效的方式维持压力比，而不会显著增加成本。
目前，发明人不知道在离心式压缩机中压缩湿氢气的背景下有解决该问题的任何现有技术。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生压缩氢气的工艺，所述工艺包括：
电解水以产生氢气；和
在多级压缩系统中压缩所述氢气以产生压缩氢气，
其中所述多级压缩系统包括至少一个离心压缩级，并且所述氢气在预定的进料温度和压力并且具有预定的相对湿度下被进料到所述离心压缩级，并且
其中所述工艺包括根据需要向所述离心压缩级上游的所述氢气中添加水和热量，以将所述氢气加湿至所述预定的相对湿度。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于产生压缩氢气的装置，所述装置包括：
并联布置的多个电解槽，用于电解水以提供氢气；
电力生成系统，用于生成电力以给所述多个电解槽供电，所述电力生成系统与所述多个电解槽导电连通；
多级压缩系统，用于压缩所述氢气以提供压缩氢气，所述多级压缩系统包括进料端、出口端和至少一个离心压缩级，所述离心压缩级具有预定的进料温度和压力以及预定的相对湿度，所述进料端经由进料集管与所述多个电解槽流体流动连通；
饱和器，用于根据需要向所述离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以用于在所述预定的进料温度和压力下将所述氢气加湿至所述预定的相对湿度；和
分离器，用于从所述离心压缩级上游的所述氢气中去除过量的液态水。
附图说明
现在将仅通过实例并参考附图来描述本发明，其中：
图1是涉及液态水注入的本发明的实施例的简化的流程图；
图2是涉及去过热蒸汽的注入的本发明的另外的实施例的简化的流程图；
图3是涉及使用饱和塔的本发明的又一实施例的简化的流程图；
图4是涉及使用直接接触式冷却器的本发明的另外的实施例的简化的流程图；和
图5是水的饱和蒸汽压随温度变化的图。
具体实施方式
术语“氢气”在本文中可以用来指在已经向其中添加水和热量之前和/或之后(即在加湿之前或之后)的氢气。
本发明的工艺包含根据需要添加热量和水，以将氢气加湿至预定的相对湿度(在预定的进料温度和压力下)。相对湿度可以由氢气的绝对湿度(即水蒸汽的质量浓度)确定。氢气的绝对湿度与其温度或压力无关。然而，氢气的相对湿度将取决于其温度和压力。术语“预定的”当关于压缩级的进料温度和压力使用时旨在是指当氢气被进料到特定的压缩级时，为氢气选择的进料条件。例如，这些条件将根据该级是压缩的初始、中间还是最终级而变化。举例来说，具有四个级的多级压缩系统在每个级的入口处可以具有分别为1.1巴、2.5巴、6巴和13.6巴的预定的进料压力，并且在每个级的入口处的预定的进料温度可以为40℃。
可以针对多级压缩系统的特定设计、进入系统的气体的压力和/或多级压缩系统的出口的所需的排放压力来选择每一级的预定的进料条件，例如其中下游工艺需要规定压力的气体。
因此，对于本文中对用于压缩级的氢气的“预定的相对湿度”、“预定的进料温度”和“预定的进料压力”的任何提及，应当理解，这些是指所述氢气在其被进料到离心压缩级的点(即，不在该点之前)处的条件。
这是因为在氢气被进料到压缩级之前，在系统中的不同点处，所述氢气的条件可能还没有达到预定的条件(温度、压力和相对湿度)。如本文所述的本发明的工艺用于在这些预定的进料条件下提供氢气，因此，特别是当讨论相对湿度时，总是将其描述为(除非另有明确说明)好像是在进料温度和压力下测量的，所述进料温度和压力是针对压缩的该级预先确定的。术语“预定的进料条件”或简称“进料条件”或“入口条件”在本文中可以用来指预定的进料温度和预定的进料压力。
由于预定的进料条件根据所涉及的压缩级而变化，应当理解，本发明可以在各种多级压缩系统中实施，而与每个级的预定的进料温度和压力无关。
术语“绝对湿度”用于指在单位体积的气体中存在的水蒸汽的质量，通常以每立方米气体的水克数(g m-3)为单位测量。绝对湿度的值与温度和压力无关，并且对应于氢气的体积中水蒸汽的质量浓度。
在本发明的上下文中，术语“水的摩尔分数”或“水摩尔分数”用于指存在于氢气中的水蒸汽的摩尔量除以氢气中所有组分的总摩尔量，其被表示为无量纲量(mol/mol)。
术语“相对湿度”在本文中用于指在给定的温度和压力下氢气与水蒸汽的相对饱和水平，并且表示相对于完全水饱和的氢气，在气相中存在的水的浓度。
可以确定氢气的相对湿度的一种方法是通过测量绝对湿度(单位体积的氢气中存在的水蒸汽的质量)，然后根据标准水饱和度曲线(例如蒸汽表)计算相对湿度。绝对湿度可以使用本领域中已知的方法测量，例如诸如通过使用红外光谱仪或露点计。
作为背景，气体的相对湿度可以使用下面的等式来描述：
Figure BDA0003545918630000041
例如，如果水的实际蒸汽压为0.5巴，与当在特定的温度和压力下与氢气混合时1.0巴的水的饱和蒸汽压相比，则相对湿度将为50％。
水的“实际蒸汽压”是由水蒸汽贡献的总压力的一部分，其通常以Pa或巴为单位表示。水的“饱和蒸汽压”是可以在给定的温度下存在的气态水的最大压力，其通常以Pa或巴为单位表示。
应当理解，水的实际蒸汽压和饱和蒸汽压取决于进料的条件。例如，饱和蒸汽压取决于温度，而实际的水蒸汽压取决于压力(以及气体中水的摩尔分数)。因此，饱和蒸汽压对应于可以在给定温度的气体中存在的水蒸汽的最大浓度，而实际蒸汽压对应于在给定的压力下在气体中水的测量的摩尔分数。
通常，温度越高，水的饱和蒸汽压就越高，并且反之亦然。举例来说，在接近室温时，温度每升高10℃，空气“容纳”水蒸汽的能力就会加倍。这种变化的陡度在整个温度范围内逐渐变化(参见图5)。
应当理解，氢气中水蒸汽的饱和蒸汽压将与空气中水蒸汽的饱和蒸汽压略微不同，但是本领域技术人员将理解为遵循相同的一般趋势。
此外，通常总压力(或水的摩尔分数)越高，水的实际蒸汽压就越高，并且反之亦然。例如，总压力加倍产生水的实际蒸汽压的类似加倍，因此如果饱和蒸汽压维持不变(即如果温度不变)，则40％的相对湿度将加倍至80％。
如从上述等式可以看出，当气体中水的实际蒸汽压等于水的饱和蒸汽压时，气相的相对湿度将等于100％，即气体将完全被水蒸汽饱和。在这种状态下，水的蒸发速率和凝结速率将大致处于平衡。
如果气体逐渐被冷却，其中气体中水的摩尔分数维持不变，饱和蒸汽压将降低，并且在该降低的温度下的相对湿度将升高，直到其达到100％。发生这种情况的温度有时被称为“露点”。如果气体被进一步冷却，一些水蒸汽将开始凝结(即实际蒸汽压降低)，以便对于降低的温度将相对湿度维持在100％。当这种情况发生时，凝结速率超过了水的蒸发速度。
应当理解，在气体的温度和压力跨过级变化的多级压缩系统的情况下，即使气体中水的摩尔分数相同，系统中特定点处的相对湿度(％)也可能不同。这是因为气体条件的变化会导致水的实际蒸汽压或饱和蒸汽压的相应变化。其结果是，在一个温度和压力下的气体的露点和相对湿度对于在不同温度和压力下的气体来说将不会相同，尽管每种气体都具有相同的水的摩尔分数。
由于相对湿度的值对温度和压力高度敏感，因此如本文所使用的术语“相对湿度”总是用来指当对于在多级压缩系统中的特定压缩级在预定的进料温度和压力下测量时的氢气的相对湿度，除非另有明确说明。
在本发明的上下文中的术语“表观分子量”旨在表示具有低分子量组分和高分子量组分的混合物的气体介质的分子量。气体混合物的表观分子量可以被测量，或者另选地可以通过计算每种组分的摩尔分数乘以该组分的分子量的乘积之和来估算，即对于气体A+B+……的混合物，
Mapp＝∑(MA×yA+MB×yB+…)
其中MX是组分气体X的分子量，并且yX是组分气体X的摩尔分数。
在减压的上下文中的术语“适当”旨在意指考虑到向其进料减压氢气的多级压缩系统的级的入口压力，将氢气的压力降到适当的程度。
在下面对本发明实施例的讨论中，除非另有说明，否则给出的压力是绝对压力。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生压缩氢气的工艺。
工艺中的第一步涉及电解水以产生氢气。工艺中的第二步涉及在多级压缩系统中压缩氢气以产生压缩氢气。
在本发明的工艺中，多级压缩系统包括至少一个离心压缩级，并且氢气在预定的进料温度和压力并且具有预定的相对湿度下被进料到离心压缩级。
因此，本发明涉及使用离心式压缩机来压缩通过电解产生的氢气。由水的电解产生的氢气将含有杂质。特别是，由电解产生的氢气将被水饱和。以这种方式产生的氢气通常被称为“湿”氢气。
纯氢气具有2.016的分子量(以g/mol计)。然而，由水的电解生成的湿氢气通常将被水饱和。水具有18.015的分子量，其明显高于氢气的分子量。因此，“湿”氢气比纯氢气具有更高的“表观”分子量，通常为约3，但必须介于纯氢气和纯水的分子量(分别为2.016和18.015)之间，这取决于气体中水的摩尔分数。因此，在一些实施例中，通过水的电解生成的氢气将具有约2.5至约4，或约2.5至约3.5的表观分子量。
当水饱和的压缩氢气穿过多级压缩系统的中间冷却器和后冷却器时，将通过气态水的凝结和液态水的相分离从氢气中去除水。这种从氢气中去除水反过来会导致氢气的表观分子量随着较重的水分子被提取和氢气被干燥而降低。随着水被去除，氢气的表观分子量接近纯氢的表观分子量2.016。
如上所述，在离心式压缩机中，压力比(排放压力除以压缩级的入口压力)对被压缩的气体的分子量高度敏感，并且取决于该分子量。
由于在多级压缩系统中的级之间干燥湿氢气而引起的表观分子量的这种变化可能导致随后可能将干燥氢气进料到其中的离心式压缩机的性能低于最佳性能，从而导致排放压力低于规定的压力。
例如，常规的离心式压缩机可以包含再循环系统，再循环系统将一部分氢气从出口端的冷却器再循环到压缩级的进料端。在其中源氢气质量流量低于用于正常压缩机操作的最小阈值期间，再循环系统可用于防止压缩机喘振。
与入口端的氢气相比，从出口端排放的压缩氢气处于更高的温度和压力。压缩氢气在冷却器中被冷却并降低温度，这导致水的饱和蒸汽压降低。其结果是，为了将相对湿度维持在约100％以用于降低的温度，使水蒸汽凝结并从压缩氢气中去除。冷却的氢气中水的摩尔分数因此被降低。
因此，在氢气以这种方式被再循环的情况下，再循环氢气具有降低的表观分子量，其一旦添加到新鲜的湿氢气进料中，将降低被进料到压缩级的氢气的总表观分子量。如上所述，气体的表观分子量的降低可能导致离心式压缩机的性能低于最佳性能。
下表1显示了这种效果。特别是，可以看出，级之间水蒸汽的去除以及因此表观分子量的降低会导致在再循环时压力比的降低。
Figure BDA0003545918630000061
Figure BDA0003545918630000071
例如，氢气在级1中被压缩至2.5巴的规定的排放压力(在级2的入口处)。在级1与级2之间，气体失去水(0.067至0.030水摩尔分数)，因此具有降低的表观分子量(3.089mol.wt.至2.488mol.wt.)。然后将该气体从级2的入口去除，并通过具有这些特性的级1再循环回来，并且级1的再循环的气体的排放压力为2.167巴。这远低于2.5巴的规定压力。
表1还表明，气体在一个温度和压力下的相对湿度对于该气体在不同温度和压力下的相对湿度将如何不同，但是水的摩尔分数是相同的。
例如，对于级2入口处的预定的进料温度和压力(其中氢气具有0.030的水摩尔分数)，这些条件下的相对湿度为100％。然而，对于在级1的入口处的预定的进料温度和压力下的该相同进料，在这些条件下的相对湿度为44％，即使水摩尔分数维持不变。
如下文更详细地阐述的，可能存在由电解产生的氢气的量可变的情况，因此供应到离心式压缩机的氢气中的至少一些或可能全部将是从存储器获得的干燥氢气。在这些情况下，进入离心式压缩机的氢气的表观分子量将低于最佳性能所需的表观分子量。
因此，在本领域中需要解决当在离心式压缩机中压缩由电解产生的氢气时表观分子量降低的问题的解决方案。
本发明通过根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量以将氢气加湿到预定的相对湿度来解决该问题。换句话说，被加湿使得被进料到离心压缩级的氢气在压缩级入口条件(即，预定的进料温度和压力)下处于预定的相对湿度。
电解
根据本发明的方法包括电解水以产生氢气。可以使用任何适当形式的水电解，包含碱性水电解和聚合物电解质膜(PEM)水电解。
用于电解的水可以是海水，其可能通过反渗透进行脱盐和脱矿质。
电解所需的电力可以由一种或多种合适的能源生成，合适的能源包含但不限于可再生能源、现场汽油、柴油或氢动力发电机、燃料电池，或从当地或国家电网中获取，或这些来源的组合。
优选地，电解所需的至少一些电力由可再生能源生成，可再生能源包含风能、太阳能、潮汐能和水电能，或这些来源的组合，特别是风能和太阳能。使用从这些来源生成的电力来为电解槽供电。
优选地，工艺在电解的电力生成方面是独立包含的。因此，优选地，电解的全部电力需求使用可再生能源来满足。
然而，设想到由一种或多种可再生能源生成的电力可以在对下游工艺的产品的需求特别高的时段和/或在可再生能源仅在低于满足需求所需的阈值时可用或根本不可用的时段由其他来源补充。在这些情况下，额外的电力可以从现场电池存储中获取和/或从一个或多个现场汽油、柴油或氢动力发电机(包含燃料电池)中生成和/或从当地或国家电网中获取。
电解可以在任何合适的规模下进行。然而，在一些实施例中，电解可以具有至少1吉瓦(GW)的总容量。电解的最大总容量仅受实际考虑的限制，例如从再生能源生成足够的电力来为多个电解槽供电。因此，电解可以具有大约10GW或更大的最大总容量。电解的总容量可以从1GW到约5GW，例如从约1.5GW到约3GW。
氢气通常通过在略高于大气压的压力，例如约1.3巴下电解生成。然而，在一些实施例中，电解在稍高的压力例如至多约3巴下生产氢气。
因此，氢气通常在从大气压到约3巴的压力范围内，优选在从大气压到约1.5巴的压力范围内例如在约1.1巴下被进料到多级压缩系统。
纯化
应当理解，由水的电解产生的氢气将含有杂质。因此，当在本发明的上下文中使用时，术语“氢气”旨在是指具有此类杂质的氢气，除非并且直到氢气被纯化。
特别地，该术语包含由电解产生的氢气，其通常在40℃下被水饱和，并且通常含有一些残余氧气，通常为约500ppm至约1000ppm(v)。根据任何下游工艺的容差，这些杂质通常将必须被去除。
例如，氧是在哈伯工艺中使用的常规催化剂的毒药。因此，如果压缩氢气旨在被用于作为氨合成的下游工艺，则催化剂的进料将含有小于约10ppm，通常小于约5ppm的总氧，即来自任何杂质源的氧原子，诸如氧气(O2)、水(H2O)、一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)。因此，进料也将是干的，即不超过1ppm的水。
使用常规“灰色”氢(即源自烃或含碳进料流的氢气，不捕获二氧化碳，例如通过重整天然气的下游工艺)或“蓝色”氢(即以与“灰色”氢相同方式得到的氢气，但与生产相关的一些或全部二氧化碳被捕获)，诸如炼油厂，对氧和水有类似的容差。
在一些实施例中，压缩氢气可以在被进料到下游工艺之前在上游被纯化。
例如，压缩氢气中的残余氧气可以通过一些氢气的催化燃烧转化为水，以生产贫氧压缩氢气(含有不超过1ppm O2)，然后可以干燥氢气以生产干燥的压缩氢气(含有不超过1ppm水)，用于下游工艺。
压缩
根据本发明的方法包括在多级压缩系统中压缩氢气以产生压缩氢气的步骤。多级压缩系统负责将氢气从电解生成氢气的压力压缩到通常至少稍高于任何下游工艺的进料压力的高压。
如下文更详细地阐述的，在一个或多个压缩级，但优选地所有压缩级的上游的某个点处，将根据需要向氢气中添加水和热量以加湿氢气。因此，在本节中，“氢气”可以指在已经被加湿之前或之后的氢气。
将容易理解，“多级”压缩系统具有多个压缩级，压缩级可以在并联和/或串联的压缩机之间分开。每一级的总压力比通常在约1.5至约2.5(例如约2至约2.5)的范围内，以限制压缩气体的温度升高。
在多级压缩系统中，相邻级之间通常需要冷却器(“中间冷却器”)，且在最后级之后通常需要冷却器(“后冷却器”)，以从压缩气体中去除压缩热量。因此，在本发明的上下文中，压缩“级”是指冷却器之间的压缩系统部分。在本文所述的一些实施例中，直接接触式冷却器作为中间冷却器和/或后冷却器操作。
多级压缩系统包括一个或多个压缩区段。本上下文中压缩“区段”是指进料和产品之间的压缩系统部分。每个区段可包括一个或多个压缩级以及相关的冷却器。
在本发明中，多级压缩系统包括至少一个离心压缩级。也就是说，在一个、一些或所有级中使用的压缩机是离心式压缩机。多级压缩系统可以包括多个离心压缩级。优选地，多级压缩系统中至少第一或初始压缩级包括离心压缩级。
应当理解，在一些实施例中，多级压缩系统可以具有与至少一个往复压缩级组合的至少一个离心压缩级，即包括往复式压缩机的级。
可以设想，在一些优选的实施例中，多级压缩系统的所有级都是离心压缩级。
在本发明中，氢气在预定的进料温度和压力并具有预定的相对湿度下被进料到离心压缩级。
如上所述，进料温度和压力是根据特定压缩级的设计预先确定的。该特定级的进料温度和压力将转而决定“露点”和氢气被认为具有100％相对湿度的条件。如上所述，这是因为水的饱和蒸汽压取决于温度，而水的实际蒸汽压取决于压力(和水的摩尔分数)。因此，压力越高，达到对于该压力100％相对湿度所需的水的摩尔分数越低，并且反之亦然(其中温度维持不变)。类似地，温度越高，达到对于该温度100％相对湿度所需的水的摩尔分数越高，并且反之亦然(其中压力维持不变)。
因此，将被进料到离心压缩级的氢气完全饱和至100％相对湿度所需的水的摩尔分数将取决于该特定级的预定的进料温度和压力。
在本文的一些实施例中，对于任何给定的预定的进料温度和压力的预定的相对湿度为约50％至100％，约70％至100％，约80％至100％，优选地约90％至100％，更优选地约95％至100％。
在一些实施例中，预定的进料温度为约10℃至约80℃，优选地约20℃至约60℃，更优选地约30℃至约50℃。
在本文的一些实施例中，对于多级压缩系统的每一级，预定的进料温度可以相同。
在一些实施例中，预定的进料温度为约20℃至约60℃，并且预定的相对湿度为约70％至100％。在一些优选的实施例中，预定的进料温度为约30℃至约50℃，并且预定的相对湿度为约80％至100％。
在本文的其他实施例中，对于多级压缩系统的每个后续下游级，预定的进料温度较高，诸如比前一级高约5℃至30℃，优选地比前一级高约5℃至15℃。
例如，在一些实施例中，预定的进料温度在第一压缩级中为约20℃至约60℃，并且在第二压缩级中为约30℃至约70℃，以此类推。在本文的其他更优选的实施例中，预定的进料温度在第一压缩级中为约30℃至约50℃，并且在第二压缩级中为约40℃至约60℃，以此类推。
在一些其他优选的实施例中，对于多级压缩系统的每个后续下游级，预定的进料温度高出约5℃至15℃，并且预定的相对湿度约80％至100％。
通过允许每个后续级的预定的进料温度增加，这意味着压缩级之间(即在“中间冷却器”中)需要较少的冷却。这又意味着在所述冷却级期间从压缩氢气中去除(凝结)的水蒸汽更少。其结果是，与已经被冷却回与前一级相同的进料温度的氢气相比，进入每个后续级的氢气的表观分子量更高。
优选地，压缩级的入口处的预定的相对湿度不超过100％，因为这将导致来自气相的水蒸汽凝结以在氢气进料中产生液态水。液态水的存在对于进入压缩机的进料是不期望的。通常，相分离器(或饱和塔或直接接触式冷却器，如下所述)可以存在于离心式压缩机的上游，以确保从进入离心式压缩机的氢气进料中去除任何液态水。
由多级压缩系统生产的压缩氢气通常具有约10巴至约50巴的压力。在一些实施例中，压缩氢气的压力为约25巴至约35巴，优选地约30巴。在其他实施例中，压缩氢气的压力为约10巴至约12巴，优选地约11巴。
在一些实施例中，多级压缩系统仅具有单个区段来将氢气压缩至期望的高压。在其他实施例中，多级压缩系统包括第一区段和第一区段下游的至少一个进一步区段。
在特定实施例中，多级压缩系统具有两个区段，第一(低压或“LP”)区段，在该区段中氢气从多级压缩系统的进料压力压缩至约2巴至约6巴范围内的第一高压；以及第二(中压或“MP”)区段，在该区段中氢气从第一高压压缩至最终高压。例如，最终高压可以是任何下游工艺所需的高压。
在一些实施例中，氢气在第一区段中压缩后的第一高压可以在约2巴至约3巴的范围内，例如2.5巴。在其他实施例中，第一高压可以在约4巴至约6巴的范围内，例如5巴。
添加水和热量
如上所述，存在被进料到压缩级的氢气的表观分子量可能下降到低于最佳水平的各种情况，例如诸如当来自存储器的干燥氢气被添加到进料中时或当使用再循环系统时。
为了改善离心压缩级(其中氢气将被压缩)的性能，本发明的工艺包括根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量以加湿氢气，使得被进料到离心压缩级的氢气处于预定的相对湿度(对于预定的进料温度和压力)。
通过将被进料到离心压缩级的氢气的相对湿度维持在预定水平，进入离心压缩级的气体进料中的水的摩尔分数(以及由此的表观分子量)维持在适于提供最佳压缩机性能的水平。
下面的表2含有与表1相同的数据，但仅作为实例，包含为了维持规定的压力比必须添加的水的量的计算。
Figure BDA0003545918630000111
Figure BDA0003545918630000121
对于特定的预定的进料温度和压力，为了恢复进料的100％相对湿度而添加的水的量可以使用本领域中已知的方法来计算。
例如，水的摩尔流量是总流量(例如H2+H2O)乘以水摩尔分数，因此100％相对湿度下的水流量与实际湿度下的水流量之间的差值就是需要添加的。上表未显示氢气流量，但这可以根据水流量进行反算。应当注意，表中的流量为质量流量，因此摩尔流量将需要通过乘以分子量转换为质量流量。
在本发明中，氢气在“预定的进料温度”下被进料到离心压缩级。本发明还涉及向离心压缩级上游的氢气添加热量。该热量的至少一部分将用于液态水的蒸发，以便增加氢气中水的摩尔分数，直到其完全被水饱和。一旦完全饱和，任何剩余的热量都会提高氢气的温度，这反过来又允许更多的水蒸发。因此，本领域技术人员将容易地理解，在本发明中，添加到该级上游的氢气中的热量应当使得被进料到离心压缩级的氢气基本上维持在预定的进料温度。在一些实施例中，通过测量离心压缩级上游的氢气中的水的摩尔分数，并将水以一定的流动速率和/或温度注入到氢气中，将氢气加湿到预定的相对湿度，其中基于所测量的水的摩尔分数根据需要控制被注入的水的流动速率和/或温度。也就是说，如果所测量的水的摩尔分数使得被进料到离心压缩级的氢气的相对湿度低于预定的相对湿度，则所添加的水的流动速率和/或温度可以增加，直到达到预定的相对湿度，并且反之亦然。
另选地，在一些实施例中，通过测量被进料到离心压缩级的氢气的相对湿度(在预定的进料温度和压力下)，并且以一定的流动速率和/或温度将水注入到氢气中，将氢气加湿到预定的相对湿度，其中基于测量的相对湿度根据需要控制被注入的水的流动速率和/或温度。也就是说，如果测量的相对湿度低于预定的相对湿度，则可以增加被添加的水的流动速率和/或温度，直到达到预定的相对湿度，并且反之亦然。
被进料到离心压缩级的氢气的相对湿度(在预定的进料温度和压力下)可以使用本领域中已知的方法来确定。可以确定氢气的相对湿度的一种方法是通过测量绝对湿度(单位体积的氢气中存在的水蒸汽的质量)，然后根据标准水饱和度曲线(例如蒸汽表)计算相对湿度。绝对湿度可以使用本领域中已知的方法测量，例如诸如通过使用红外光谱仪或露点计。
在一些情况下，如果预定的相对湿度接近100％，则可以不需要测量被进料到离心压缩级的氢气中的水的摩尔分数或氢气的相对湿度，因为这可以通过以下来获得：将过量的水添加到氢气中以用于加湿直到过量的液态水在下游相分离器中被回收，从而指示例如已经达到约100％的相对湿度。在这种情况下，水的温度应足够高以允许水蒸发，但不要高到使氢气的温度升高到远远超过预定的进料温度。在特定的实施例中，因此通过添加过量的水并将氢气的温度控制到基本上预定的进料温度来加湿氢气。这种方法在无需测量的情况下提供完全水饱和的氢气(即，水的最大摩尔分数和100％的相对湿度)。
可以使用任何合适的手段将水注入到氢气中。在一些实施例中，含有注入的水的氢气可以穿过静态混合器以均化水和氢气并增加相之间的传热和传质。
被注入的水的流动速率和/或温度可以根据需要多少氢气加湿来控制。更高的流动速率和/或更高的温度将导致氢气中水的摩尔分数增加。因此，例如，如果水摩尔分数使得氢气的相对湿度(当在预定的进料条件下时)低于预定的相对湿度，则水的流动速率和/或温度可以被增加以影响氢气的水摩尔分数的增加。
现在将在下面阐述两种说明性的方式，其中可以使用被添加的水的流动速率或温度来操纵氢气的条件，以确保被进料到离心压缩级的氢气处于预定的相对湿度。
例如，如果氢气在被进料到离心压缩级之前处于正确的预定的进料温度，但是在该所述温度下的相对湿度小于预定的相对湿度，则氢气将具有低于所需水平的水摩尔分数。在这种情况下，本发明的工艺允许通过增加被添加的水的流动速率和/或温度来增加水的摩尔分数(以不增加氢气的温度的方式)来加湿氢气。这允许被进料到离心压缩级的氢气在其处于预定的进料条件时具有预定的相对湿度。
作为另外的实例，如果氢气在被进料到离心压缩级之前处于低于预定的进料温度的温度，则氢气具有的水摩尔分数可以使得对于该所述较低的温度氢气处于100％相对湿度。然而，一旦氢气被加热到预定的进料温度以准备进料到压缩级，在预定的进料温度下的相对湿度将低于所需水平。因此，在这些情况下，本发明的工艺允许通过添加更高温度的水来加湿氢气，以将氢气的温度升高到预定的进料温度。一旦氢气处于预定的进料温度，这允许被进料到压缩级的氢气具有正确的预定的相对湿度。
无论温度或相对湿度(在预定的进料温度下)低于如上所述的所需水平，都可以通过控制被添加到离心压缩级上游的氢气中的水的流动速率和/或温度来解决。
例如，可以使用控制系统来控制被注入的水的流动速率和温度。
因此，工艺包括根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以将被进料到离心压缩级的氢气加湿到预定的相对湿度(在该级的预定的进料温度和压力下)。
在一个实例中，工艺可以包括简单地添加水和热量，直到过量的水不再开始蒸发，使得进一步添加水仅增加进料中的液态水，从而指示已经达到在入口条件下的约100％的相对湿度(尽管在这种情况下液态水应当在进入压缩机之前使用相分离器去除)。例如，下游相分离器中过量液态水的存在可以用于指示已经达到在入口条件下的约100％的相对湿度。
因此，在预定的相对湿度为约100％的特别优选的实施例中，本发明的工艺包括添加过量的水(和添加热量，使得被进料到离心压缩级的氢气处于预定的进料温度)。这导致到离心压缩级的氢气进料在预定的进料温度下完全水饱和(即具有约100％的相对湿度)。
这基于以下原理工作：如果向氢气中添加了过量的水，水只会蒸发到其维持100％相对湿度(对于氢气的温度)的程度。在本实例中，水的温度应使得只有足够的热量来蒸发所需量的水，并且不会使氢气过热。如果氢气达到100％相对湿度(在预定的进料温度和压力下)，任何过量的热量将会增加温度和水的摩尔分数，同时维持100％相对湿度。如果没有足够的热量，则温度将下降到维持约100％相对湿度。因此，一旦入口条件下的期望的相对湿度达到约100％，则应相应地调节所添加的水的温度，以防止氢气过热。因此，水的温度被调节以确保氢气在其被进料到压缩级的点处处于预定的进料温度。
通过加湿氢气，水的摩尔分数和氢气的表观分子量增加。
结果是表观分子量因此不会下降到离心式压缩机的性能低于最佳的水平，诸如通过提供降低的排放压力。因此，本发明消除了诉诸于减轻离心式压缩机的压力比下降的常规方法的需要。例如，增加压力比的常规方法通常包含在操作期间增加叶轮速度，这受到叶轮的最大速度的限制。另选地，另一种方法是设计具有更多串联叶轮的多级压缩系统。一旦已经实施了本发明，这些方法都不是必需的。
如本文所使用的，表述“根据需要”是指控制被添加以加湿氢气的水的流动速率和温度，使得被进料到离心压缩级的氢气处于预定的相对湿度和进料温度。换句话说，只有当氢气的湿度或温度低于某一点时，才会添加热量和水。这将被进料到离心压缩级的氢气的相对湿度维持在预定的相对湿度(对于预定的进料温度和压力)，如上所述，这允许接收气体的离心式压缩机具有改进的性能。
氢气的表观分子量可以使用常规的方法来测量或计算。在一些实施例中，添加水和热量，使得被进料到离心压缩级的氢气的表观分子量(以g/mol计)为约2.05至约7，例如约2.1至约4，或优选地约2.2至约3.5。
在一些实施例中，根据需要向氢气中添加水和热量，使得被进料到离心压缩级的氢气的表观分子量(以g/mol计)增加了在约0.05至约5，例如约0.1至约2，或优选地约0.2至约1.5范围内的量(与加湿前的氢气相比)。
可以根据需要在多级压缩系统中任何离心压缩级的上游将水和热量添加到氢气中。在一些实施例中，离心压缩级是多级压缩系统中的第一或初始级。
在一些实施例中，根据需要在多级压缩系统中的每个离心压缩级的上游将水和热量添加到氢气中，即在多级压缩系统中的所有级都是离心压缩级的实施例中，可以根据需要在每个级的上游将水和热量添加到氢气中(因此在初始级之前和在后续级之间添加)。
如上所述，将一部分氢气从出口端的冷却器循环到压缩级的进料端的再循环系统可以被包含在离心式压缩机中。例如，在源氢气质量流量低于所需期间，可以使用再循环系统来防止压缩机喘振。
特别地，在通过水的电解产生氢气并且对于电解生成的电力来自可再生能源的情况下，来自电解槽的氢气流量可以是固有可变的。因此，在这些情况下，在正常操作期间也可以使用再循环系统，以防止当流量被降低到低于最低阈值时出现喘振。
因此，在一些实施例中，离心压缩级包括出口端和进料端，并且被进料到进料端的氢气含有在适当的减压之后从出口端取出的再循环氢气。“进料端”是压缩机接收氢气用于(进一步)压缩的一端，并且“出口端”是压缩机排出压缩氢气的一端。
如本文中所使用的，在减压的上下文中的术语“适当”旨在意指考虑到向其进料再循环氢气的多级压缩系统的级的入口压力(即在进料端)，将再循环氢气的压力降到适当的程度。
添加到氢气中的水的流动速率和温度可以基于氢气中水的摩尔分数来确定。
因此，在一些实施例中，通过控制被添加的水的温度和/或流动速率，在预定的进料温度下将氢气进料到离心压缩级。
应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，氢气的温度可以在预定的进料温度的误差范围内波动。例如，水的温度(和流动速率)可以将被进料到离心压缩级的氢气的温度维持在预定值的约±10℃，优选地约±5℃，更优选地约±2℃的误差范围内。
因此，水在被添加到氢气中之前被加热到的温度可以取决于预定的进料温度。例如，如果预定的进料温度为40℃，则可以在约65℃下添加水，但其摩尔流动速率比氢气的摩尔流动速率高得多，以加湿氢气，而不会将温度升高到超过预定的进料温度。另选地，如果预定的进料温度相对较高，诸如60℃，则可以在85℃下添加水，但以甚至更高的摩尔流动速率，以加湿氢气。
优选地选择所添加的水的温度和流量，使得刚好有足够的热量和流动速率来帮助加湿，而不会将被进料到压缩级的氢气的温度升高到远远超过预定的进料温度。
在一些实施例中，在预定的进料温度的约60℃、约50℃或优选地约30℃内的温度下添加水。
在各种实施例中，根据需要水和热量作为蒸汽、去过热的蒸汽、液态水、补充水、减压再循环水或其组合被添加。
在一些实施例中，根据需要将水和热量直接添加到氢气中。
在另外的实施例中，根据需要将水和热量作为液态水添加到饱和塔中，饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区，并且其中将加湿的氢气从顶部去除并进料到离心压缩级。
在又一些另外的实施例中，根据需要将水和热量作为液态水添加到直接接触式冷却器中，直接接触式冷却器具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区，并且其中将加湿的氢气从直接接触式冷却器的顶部去除并进料到离心压缩级。
在各种实施例中，工艺包括在氢气被进料到离心压缩级之前，使用相分离器从氢气中去除过量的液态水。仅作为实例，相分离器可以是容器，由此两相混合物通过喷嘴进入，液体下落到底部并通过液体出口喷嘴，并且蒸汽上升到顶部并通过蒸汽出口喷嘴离开。容器将被设计为具有足够低的蒸汽速度，以确保液滴下落。也可能存在“除雾器”，即一种用于去除可能随蒸汽被去除的细小液滴的装置。例如，在相分离器的入口上方也可以存在挡板，以避免液体飞溅。
蒸汽注入
用于实施本发明的一种工艺包含将热量和水以蒸汽的形式添加到氢气中。因此，在本发明的一些实施例中，水和热量作为蒸汽被添加以形成组合的蒸汽/氢气流。
通过根据需要以蒸汽的形式添加水和热量，氢气中水的摩尔分数被更直接地增加。这是因为需要更少的液态水，因此需要显著更少的液态水蒸发来增加气相中的水含量的水平。此外，通过添加蒸汽，可以降低成本，因为不涉及水泵。
优选地，蒸汽在添加时不热到显著地增加组合流中氢气的温度。因此，在一些优选的实施例中，蒸汽是去过热蒸汽。
去过热是自然地或通过设计将过热蒸汽的温度降低以恢复到饱和蒸汽温度或略高于饱和蒸汽温度的过程。去过热蒸汽可能是由于管道中的热量损失产生的，或者是由减温器装置故意诱发的。
减温器装置将受控量的水注入到过热蒸汽中以冷却过热蒸汽。因此，在一些实施例中，将液态水添加到过热蒸汽中以提供去过热蒸汽。去过热蒸汽可以包括小部分液态水，诸如约1重量％至约15重量％，优选地约5重量％至约10重量％的液态水。
通过对注入到过热蒸汽中的水进行蒸发冷却来降低蒸汽温度，从而降低温度。大多数用于恢复饱和状态的减温器产生接近饱和的排放温度(通常至少在饱和温度的3℃以内)。
在一些实施例中，阀用于控制蒸汽或去过热蒸汽的流量，以便将被进料到离心压缩级的氢气的温度维持在基本上预定的进料温度。
在一些实施例中，组合的蒸汽/氢气流任选地穿过静态混合器，然后组合的蒸汽/氢气流任选地穿过相分离器以从氢气中去除液态水，然后将氢气进料到离心压缩级。在使用静态混合器的实施例中，这允许蒸汽和氢气被完全均化，以增加相之间的传热和传质。通过使用相分离器，从被进料到离心压缩级的氢气中去除液态水。
在一些实施例中，去除的液态水被再利用，使得其至少形成被添加到氢气以形成组合的蒸汽/氢气流的蒸汽或去过热蒸汽的一部分。例如，去除的液态水可以被进料到产生蒸汽或去过热蒸汽的蒸汽生成系统。这允许使用更少的水和总体上产生更少废水的工艺，从而降低用户和环境的成本。
水注入
用于实施本发明的另一种工艺包含注入液态水以将水和热量添加到氢气。因此，在一些实施例中，水和热量作为液态水被添加以产生两相组合流。
优选地，在一些实施例中，两相流在被进料到相分离器之前穿过静态混合器以从氢气中去除过量的液态水，然后氢气被进料到离心压缩级。
通过使用静态混合器，气相和液相被充分混合，增加流中两相之间的接触，以确保更高效的传热/传质。相分离器是一种从组合流中分离液相材料和气相材料的装置。在本发明中，可以使用相分离器来确保在将流进料到离心式压缩机之前将液体从流中去除。
在一些实施例中，将液态水添加到氢气中，然后使用相分离器去除过量的液态水(在加湿之后)。去除的过量液态水可以被处置掉，但优选的是，其至少部分地作为被添加到氢气中以形成用于加湿的两相组合流的液态水的一部分被再利用。这减少了实施本发明所需的水的量，并且也减少了由整个工艺产生的废水的量。
因此，在一些实施例中，本发明的工艺包括使用来自相分离器的液态水作为被添加到氢气中以形成两相组合流的液态水的至少一部分。在这些实施例中，控制来自相分离器的被再利用的液态水的温度和/或流动速率，使得被进料到离心压缩级的氢气的温度基本上处于预定的进料温度。
优选地，控制被添加以形成两相组合流的液态水的温度和/或流动速率，以便在预定的进料温度下将氢气加湿至预定的相对湿度。换句话说，使得被进料到离心压缩级的氢气在预定的进料条件下处于预定的相对湿度。
在一些实施例中，工艺包括确定离心压缩级上游的氢气中的水的摩尔分数，以及以一定的流动速率和温度添加液态水，其中根据需要基于所确定的水的摩尔分数来控制液态水的流动速率和温度。
在其他实施例中，工艺包括确定被进料到离心压缩级的氢气中的相对湿度，以及以一定的流动速率和温度添加液态水，其中根据需要基于所确定的相对湿度来控制液态水的流动速率和温度。
在优选的实施例中，预定的相对湿度为约100％，并且通过添加过量的水并将氢气的温度控制到基本上预定的进料温度来加湿氢气。
饱和塔
另选地，工艺可以包括使用饱和塔用于加湿氢气，而不是将液态水添加到氢气中以形成两相组合流。
因此，在一些实施例中，工艺包括在饱和塔中用液态水加湿氢气，饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区。
“饱和塔”用于增加氢气流中的气相和液相可以接触的表面积。这提高了气相与液相之间的传热和/或传质的效率，以进一步帮助加湿。
传热和/或传质区可以使用传热和/或传质元件的规整填料或无归填料。传热和/或传质区优选地包括传热和/或传质元件，包含但不限于，例如，包装成块(由塑料或金属诸如铝制成)的波纹片，或在其间具有填充环或卵石的纱网板，或蒸馏塔板。
在这样的实施例中，工艺还包括从饱和塔的顶部去除加湿的氢气并将加湿的氢气进料到离心压缩级。工艺还包括从饱和塔的底部去除过量的液态水。因此，在这些实施例中，饱和塔还充当相分离器(并且没有额外的相分离器位于离心压缩级的上游)。优选地，用于加湿的液态水被添加到饱和塔附近或顶部，以使气相和液相接触的塔的长度最大化。
去除的过量液态水可以被处置掉，但优选的是，其至少部分地作为被添加到饱和塔中的氢气中用于加湿的液态水的一部分被再利用。这减少了实施本发明所需的水的量，并且也减少了由整个工艺产生的废水的量。
因此，在一些实施例中，本发明的工艺包括使用从饱和塔的底部去除的过量液态水作为被用于加湿饱和塔中的氢气的液态水的至少一部分。优选地，控制从饱和塔的底部去除的被再利用的过量液态水的温度和/或流动速率，使得被进料到离心压缩级的氢气的温度基本上处于预定的进料温度。
优选地，控制被添加到饱和塔中用于加湿的液态水的温度和/或流动速率，以便在预定的进料温度下将氢气加湿到预定的相对湿度。换句话说，使得被进料到离心压缩级的氢气在预定的进料条件下处于预定的相对湿度。
在一些实施例中，工艺包括确定离心压缩级上游的氢气中的水的摩尔分数，以及将液态水以一定的流动速率和温度添加到饱和塔中，其中根据需要基于水的摩尔分数来控制液态水的流动速率和温度。
在其他实施例中，工艺包括确定被进料到离心压缩级的氢气中的相对湿度，以及将液态水以一定的流动速率和温度添加到饱和塔中，其中根据需要基于所确定的相对湿度来控制液态水的流动速率和温度。
在优选的实施例中，预定的相对湿度为约100％，并且通过向饱和塔中添加过量的水并将氢气的温度控制到基本上预定的进料温度来加湿氢气。
水再循环步骤
无论添加液态水以形成两相组合流还是使用饱和塔用于加湿，已经被去除的过量的液态水将比压缩氢气更冷，因此在一些实施例中，过量的液态水也可以用于冷却压缩氢气。
因此，在一些实施例中，本发明的工艺包括从相分离器或饱和塔泵送液态水以产生泵送的液态水，并且进一步包括通过在冷却器中与泵送的液态水进行间接热交换来冷却压缩氢气以产生冷却的压缩氢气和加热的液态水。由于需要更少的额外冷却，这导致使用较少的能量并且因此总体上更节能的工艺。
过量的液态水的泵送可以使用任何合适的水泵(包含但不限于离心泵)进行。优选地，过量的液态水被泵送至刚好足以克服系统中的任何压降(由于摩擦和/或由于来自液位变化的静压)的压力。
泵送的液态水然后被进料到冷却器，在冷却器中，在热压缩氢气与泵送的液态水之间可能发生间接热交换。该冷却器可以是氢冷却器或水加热器，或热交换器。因此，在泵送的液态水与压缩氢气之间没有直接接触，而是各自与在水和气体之间高效地传递热能的导热材料接触。例如，冷却器可以是壳管式冷却器，其中水在“管”中，并且气体穿过“壳”。管通常在气体侧具有翅片(每个管周围的圆盘间隔较短，以增加传热面积)。热量的传递将是从压缩氢气到泵送的水。
这将加热泵送的液态水，以提供加热的液态水，该加热的液态水适合作为在工艺的加湿步骤中添加的液态水的一部分被再利用。这也至少部分地将压缩氢气冷却到预定的进料温度，以用于后续级(或者如果其是最后级，则可能是下游工艺)。在一些实施例中，还可以使用额外的冷却器来将压缩氢气进一步冷却到第二预定的进料温度以用于后续级(或者如果其是最后级，则可能是下游工艺)。例如，额外的冷却可以由冷却水流提供。
在一些实施例中，用于间接热交换的冷却器和额外的冷却器是单个冷却单元的一部分，即，它们可以作为壳管式冷却单元的一部分被提供，由此包含两个单独的“管”束，一个具有泵送的过量的液态水，一个具有额外的冷却水。
在一些实施例中，用于间接热交换的冷却器或额外的冷却器(或两者，如果它们是单个单元的话)也作为去除过量的液态水的相分离器操作。在此类实施例中，这提供了更简单的布置，并且可以消除对单独的相分离器的任何需要。
在将液态水添加到氢气中以形成两相组合流的实施例中，从相分离器去除的过量的液态水将处于与被进料到离心压缩级的氢气基本上相同的温度(即，预定的进料温度)。
在饱和塔中加湿氢气的实施例中，从饱和塔的底部去除的过量的液态水的温度将低于被进料到离心压缩级的氢气的温度(即，预定的进料温度)。这是由于在饱和塔中发生的传热和传质，即由于水蒸发造成的水流的热量和质量的损失。因此，在此类实施例中，用于间接热交换的冷却器由于泵送的液态水与压缩氢气之间的增加的温差而需要更少的传热面积，因此成本更低。
泵送的液态水一旦被间接热交换冷却器加热，将优选地被减压以产生减压的再循环水。只有在需要控制水流的情况下，才可以降低压力。然后，该减压的再循环水被用作被添加到氢气中用于加湿的液态水的至少一部分。
在一些实施例中，工艺包括根据需要向氢气或减压的再循环水添加补充水。也就是说，仅添加补充水以“补足”待添加到氢气中的水的总量，以便使其被充分加湿。在一些优选的实施例中，至少部分补充水来自分配过量的液态水的多级压缩系统的另一部分，例如来自相分离器、饱和塔或直接接触式冷却器。
在产生两相组合流并将其进料到相分离器的实施例中，可以将至少部分但优选地全部的减压的再循环水添加到相分离器上游的氢气中。另选地，减压的再循环水可以通过喷雾被直接添加到相分离器中。
在使用饱和塔的实施例中，至少部分但优选地全部的减压的再循环水可以用作用于加湿饱和塔中的氢气的液态水的至少一部分。
补充水可以被添加到减压的再循环水中，或另选地被直接添加到相分离器或饱和塔中。
控制被添加到氢气中的减压的再循环水(以及如果使用的话，补充水)的流动速率，使得存在足够的被添加到氢气中用于加湿的水。在一些实施例中，可以控制减压的再循环水的流动速率，以便帮助将被进料到离心压缩级的氢气的温度维持在约预定的进料温度。也就是说，调节流动速率的量可以取决于被进料到该级的氢气的温度和预定的进料温度。这使得被进料到离心压缩级的氢气的温度基本上不偏离预定的进料温度。
在优选的实施例中，通过完全再循环减压的再循环水和控制减压的再循环水的温度来添加水和热量。然后根据需要，通过控制补充水的流动速率添加额外的水，以提供加湿氢气所需的总水量。在该实施例中，基本上在预定的进料温度下添加补充水。换句话说，补充水仅是旨在“补足”损失的水，而不是增加任何所需的热量。
在一些实施例中，还通过使用外部加热器来控制减压的再循环水(以及任选地，如果使用的话，补充水)的温度以及流动速率。这确保了有足够的热量被添加，以允许添加的液态水蒸发，以充分地加湿氢气。
在一些实施例中，可以通过允许减压的再循环水绕过间接热交换冷却器来控制减压的再循环水的温度，使得再循环水较少地(或根本不)被压缩氢气加热。例如，当需要向氢气中添加更少的热量或不需要添加热量时可能是这种情况，因为氢气的水的摩尔分数使得被进料到离心压缩级的氢气已经处于预定的相对湿度。此类实施例还将包括使用额外的冷却器来冷却压缩氢气。
在一些实施例中，从相分离器或饱和塔的底部去除的过量液态水的至少一部分被用作补充水的至少一部分。
应当理解，由于上述步骤可以应用于离心压缩的任何级，因此如在本上下文中使用的术语“冷却器”可以指在任何特定级之后的冷却步骤，无论其是压缩的中间(“中间冷却器”)还是最后级(“后冷却器”)。
直接接触式冷却器
如上所述，多级压缩系统可以包含再循环系统，再循环系统循环来自压缩级的出口端处的冷却器的一部分氢气，并将其传送到压缩级的进料端。例如，在源氢气质量流量低于进料到压缩机所需的期间，可以使用再循环系统来防止压缩机喘振。
出口端处的压缩氢气的温度和压力高于进口端的氢气。一旦其在冷却器中冷却并且温度降低，水的饱和蒸汽压也会降低。其结果是，为了将降低温度的相对湿度维持在约100％，水蒸汽在压缩氢气被冷却时从压缩氢气中凝结出来。水蒸汽的这种损失导致水的摩尔分数和冷却的压缩氢气的表观分子量降低。
当再循环系统采用该冷却的压缩氢气的一部分用于再循环并降低其压力以匹配压缩级的预定的进料条件时，与湿的非再循环氢气相比，水的摩尔分数将降低(参见上面的表1，其证明了这一效果)。
因此，在氢气以这种方式被再循环的情况期间，再循环氢气具有降低的表观分子量，一旦被添加到湿氢气中，其将降低被进料到压缩级的氢气的总表观分子量。因此，以这种方式再循环氢气将对离心式压缩机的性能有害。
本发明的发明人已经发现了一种用于使用再循环流的方法，由此在任何冷却步骤的上游(因此在发生水蒸汽的任何凝结之前)去除再循环氢气，以解决当再循环时表观分子量降低的这一问题。
然而，尽管这种布置排除了具有较低表观分子量的氢气的再循环，但是在没有任何冷却步骤的情况下，再循环氢气将是热的，因此将不利地增加被进料到离心压缩级的氢气的温度，即超过预定的进料温度。
为了解决这一问题，本发明的发明人已经发现，通过将氢气进料通过离心压缩级上游的直接接触式冷却器，温度的升高可以被逆转，同时还提供了用于加湿氢气的手段。
因此，用于实施本发明的另一种工艺包括使用第一直接接触式冷却器。在这种工艺中，水作为液态水被添加。
在此类实施例中，工艺包括在第一直接接触式冷却器中用液态水加湿氢气，第一直接接触式冷却器具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区。工艺还包括从第一直接接触式冷却器的顶部去除加湿的氢气，并将加湿的氢气进料到离心压缩级(用于压缩以产生压缩氢气)和从第一直接接触式冷却器的底部去除过量的液态水。优选地，用于加湿氢气的液态水被添加到直接接触式冷却器的顶部，以最大化液相和气相接触的塔的长度。
“直接接触式冷却器”可以由与饱和塔基本上相同的材料和部件组成。因此，传热和/或传质区可以包括与上文关于饱和塔所讨论的相同的元件，并且为简洁起见，不再重复这些元件。直接接触式冷却器与饱和塔之间的区别仅在于它们的操作方式。在某些条件下，如本文所述的直接接触式冷却器将以与饱和塔相同的方式操作。
在这些实施例中，工艺还包括根据需要，在适当的减压之后，并且在没有任何冷却的情况下，将在离心压缩级中产生的压缩氢气的一部分再循环到第一直接接触式冷却器。
因此，换句话说，来自离心压缩级的压缩氢气被分成再循环流和进料流，其中再循环流被减压并被再次进料到第一直接接触式冷却器；且进料流被进料到下游级或工艺中。
氢气的再循环部分(来自再循环流)在被进料到第一直接接触式冷却器之前没有被冷却，因此当氢气被再循环时，被进料到第一直接接触式冷却器的组合氢气的温度将根据添加的再循环氢气的量而增加。由于再循环氢气未被冷却，因此这特别的优点是再循环氢气没有从其中去除任何水。也就是说，由于再循环氢气的添加，被添加到第一直接接触式冷却器中的组合氢气中的表观分子量没有损失。
涉及湿氢气的再循环的相应申请已经由同一申请人在与本申请同一天以标题“用于在离心式压缩机中压缩氢气的工艺和装置(A PROCESS AND APPARATUS FORCOMPRESSING HYDROGEN GAS IN A CENTRIFUGAL COMPRESSOR)”提交，其内部参考编号为“08231A USA”和美国专利申请号为[待定]。该申请据此通过引用以其整体并入本文。
直接接触式冷却器可以以两种方式被有效使用：
i.作为饱和塔以维持氢气中水的摩尔分数，特别是当氢气源具有低的水的摩尔分数时(诸如当氢气含有来自存储器的干燥氢气时)，和/或
ii.作为冷却器以冷却氢气，使得被进料到离心压缩级的氢气的温度基本上维持在预定的进料温度，特别是当氢气处于高温时(诸如当其含有热的再循环氢气时)。
因此，使用一个或多个直接接触式冷却器的工艺的特别优点是不需要单独的饱和塔或冷却器，因此降低了总成本并简化了装置设计。
在一些实施例中，控制第一直接接触式冷却器中的液态水的温度和/或流动速率，使得被进料到离心压缩级的氢气的温度和相对湿度基本上维持在预定的进料温度和预定的相对湿度。在这些实施例中，预定的进料温度和预定的相对湿度优选地在上面已经讨论的范围内。但在一些特别优选的实施例中，预定的进料温度为约30℃至约50℃，并且预定的相对湿度(在入口条件下)为约80％至100％。
例如，如果被进料到直接接触式冷却器的氢气具有太低的温度或水的摩尔分数(使得被进料到离心压缩级的氢气具有低于预定水平的温度和/或相对湿度)，则可以根据需要增加第一直接接触式冷却器中的液态水的温度和/或流动速率，使得被进料到离心压缩级的氢气的温度和相对湿度与预定的进料温度和相对湿度匹配。
现在下面将描述一些实例，以证明在不同的情况下，如何可以操纵第一直接接触式冷却器中的液态水的条件，以根据需要加湿或加热/冷却氢气。
如果被进料到第一直接接触式冷却器的氢气被水的摩尔分数饱和，该水的摩尔分数是足够的(使得如果在预定的入口条件下测量，其将具有预定的相对湿度)，但是具有高于预定的进料温度的温度(诸如由于添加热的再循环氢气)，则不需要加湿，仅需要冷却。在这种情况下，可以相应地调节第一直接接触式冷却器中的液态水的温度和流动速率，以将被进料到离心压缩级的氢气的温度维持在基本上预定的进料温度。一旦氢气已经被冷却到基本上预定的进料温度，水的正确摩尔分数就产生正确的预定的相对湿度。
如果被进料到第一直接接触式冷却器的氢气具有太低(例如太干)的水的摩尔分数并且还具有高于预定的进料温度的温度，则氢气已经具有加湿所需的热量，但是需要冷却。在这种情况下，液态水的温度足够低，使得其将氢气冷却到预定的进料温度，但同时利用氢气中的热量来蒸发水并加湿氢气。
如果被进料到第一直接接触式冷却器的氢气具有太低(例如太干)的水的摩尔分数并且还具有低于预定的进料温度的温度，则氢气需要待添加的用于加湿的热量。在这种情况下，液态水的温度足够高，使得其蒸发液态水以加湿氢气并增加水的摩尔分数，但同时又足够低，以将氢气冷却到基本上预定的进料温度。
在离心压缩级不是多级压缩系统的初始级的实施例中，被进料到第一直接接触式冷却器的氢气将在上游级被压缩，因此将处于高于预定的进料温度的温度。在这种情况下，液态水的温度足够低，使得其将氢气冷却到预定的进料温度。如果氢气也具有太低的水的摩尔分数，则可以选择液态水的温度，使得该热量的至少一部分用于氢气的加湿。
在第一直接接触式冷却器中的液态水的温度可以通过将其与已经从用于实施本发明的装置中的其他地方再循环的去除的过量液态水的一部分混合来调节。另选地，可以根据需要通过外部冷却器或加热器来调节液态水的温度。
应当理解，被进料到离心压缩级的氢气的温度将被维持在预定的进料温度的合理误差范围内，通常在约±10℃，优选地约±5℃，更优选地约±2℃之内。
如上所述，工艺可以包括将来自离心压缩级的压缩氢气分成再循环流和用于下游级的进料流。
在一些实施例中可以使用第二直接接触式冷却器。在这些情况下，离心压缩级是多级压缩系统的初始或中间级，并且来自离心压缩级的压缩氢气(在进料流中)被进料到第二直接接触式冷却器。
在此类实施例中，工艺包括在第二直接接触式冷却器中用液态水加湿压缩氢气，第二直接接触式冷却器具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区。工艺还包括从第二直接接触式冷却器的顶部去除加湿的氢气，并将加湿的氢气进料到另外的离心压缩级，并从第二直接接触式冷却器的底部去除过量的液态水。
第二直接接触式冷却器以与上述第一直接接触式冷却器基本上相同的方式操作。然而，由于被进料到第二直接接触式冷却器的氢气已经被压缩，因此其处于高于用于另外的离心压缩级的预定的进料温度的温度，因此需要在第二直接接触式冷却器中冷却。
在第二直接接触式冷却器中用于加湿的液态水的温度和流动速率将基于被进料到第二直接接触式冷却器的氢气中的水的温度和摩尔分数来确定，或者另选地，基于被进料到另外的离心压缩级的氢气的温度和相对湿度来确定。被进料到第二直接接触式冷却器的水的温度和/或流动速率也将基于用于另外的离心压缩级的预定的进料温度和预定的相对湿度来确定。
在一些实施例中，用于第一直接接触式冷却器和第二直接接触式冷却器的液态水流从相同的液态水流中获得，该相同的液态水流在被进料到相应的直接接触式冷却器之前被分成两部分。
在一些实施例中，被添加到第一直接接触式冷却器和第二直接接触式冷却器的液态水的温度和/或流动速率对于每个直接接触式冷却器被单独控制，并且根据分别被进料到离心压缩级和另外的离心压缩级的氢气中的水的温度和/或摩尔分数来调节。
例如，被添加到每个直接接触式冷却器的水的温度和/或流动速率可以由合适的控制系统控制。这种控制系统可以确定氢气的温度或水摩尔分数是否偏离期望值以及偏离多少，并且相应地调节液态水的温度和/或流量。
在一些实施例中，从第一直接接触式冷却器和第二直接接触式冷却器的底部去除的过量液态水被收集并组合以被返回，任选地被加热或冷却(根据需要)，并且作为液态水的至少一部分被再利用以用于在第一直接接触式冷却器和/或第二直接接触式冷却器中加湿。
在一些实施例中，根据需要，来自存储器的氢气被添加到第二直接接触式冷却器的进料流中。来自存储器的氢气通常被纯化，因此具有非常低(或完全不存在)的水的摩尔分数。优选地，在此类实施例中，用于第二直接接触式冷却器的液态水的温度和/或流动速率基于从存储器添加的氢气的量来控制，或者另选地，基于被进料到第二直接接触式冷却器的组合氢气中的水的摩尔分数来控制。这确保了被进料到另外的压缩级的氢气中水的摩尔分数使得其被充分加湿，以在另外的压缩级入口条件下提供预定的相对湿度。
在一些实施例中，工艺包括根据需要，在适当的减压且没有任何冷却之后，将在另外的离心压缩级中产生的另外的压缩氢气的一部分再循环到至第二直接接触式冷却器的氢气进料中。
因此，换句话说，根据需要，从另外的离心压缩级再循环的减压的氢气被添加到第二直接接触式冷却器的进料流中。在任何冷却步骤之前再循环该减压氢的情况下，其将是热的，因此导致进料流中氢气的温度升高。因此，用于第二直接接触式冷却器的液态水的温度和/或流动速率可以基于再循环并添加到第二直接接触式冷却器的进料流中的减压的氢气的量来控制，或者另选地，基于被进料到第二直接接触式冷却器的组合氢气的测量温度来控制。这确保了被进料到另外的压缩级的氢气的温度基本上维持在用于另外的压缩级的预定的进料温度，但是在任何情况下都在合理的误差范围内，通常在预定的进料温度的约±10℃内，优选地在约±5℃内，更优选地在约±2℃内。
氢气储存
根据针对电解生成的电力的类型，本发明可以包含在方法中使用氢气储存。
以与本申请人相同的名义的欧洲专利申请第20188259.4号描述了一种用于多级压缩系统的储存氢气的方法，并且该文件通过引用以其整体并入本文。
在针对电解生成的电力可以来自可再生能源的一些实施例中，能源的可用性将固有地波动。这导致由电解产生较少的氢气。解决此问题的一种方式是通过提供一种系统，系统用于收集和存储在生产超过下游工艺的需求的时段生产的至少一些、优选全部过量氢气，并在需求超过生产的时段将所存储的氢气分配到下游工艺。
在一些实施例中，压缩氢气可以在不进一步压缩的情况下存储。在这些实施例中，气体以至多氢气在多级压缩系统中被压缩到的压力的最大压力，例如约下游工艺(在仅存在一个的情况下)的进料压力或约下游工艺(在存在多于一个的情况下)中一个的进料压力的最大值压力存储。在此类实施例中，压缩氢气可能以至多约25巴至约30巴范围内的最大压力存储。
然而，压缩氢气可以在存储之前进一步压缩。在这些实施例中，压缩氢气可以至多约200巴的最大值或至多约150巴的最大值或至多约100巴的最大值或至多约90巴的最大值或至多约80巴的最大值或至多约70巴的最大值或至多约60巴的最大值或至多约50巴的最大值压力存储。
在氢气需求水平超过生产水平的时段，压缩氢气从存储器中取出并减压以生产减压氢气。压力可以以任何常规方式降低，特别是通过使气体通过阀。
减压氢气的压力将取决于多级压缩系统中要添加减压氢气的点的压力。
在一些实施例中，减压氢气可以被进料到多级压缩系统的最后级。在这些实施例中，减压氢气将处于最后级的进料的入口压力下。
在其他实施例中，减压氢气可以被进料到多级压缩系统的最后级。在这些实施例中，减压氢气将处于中间级的进料的入口压力下。
中间级可以是压缩区段内的中间级，或者在多级压缩系统中存在两个或更多个区段的情况下，是第一压缩区段下游的进一步压缩区段内的初始级。在这些实施例中，减压氢气将处于进一步压缩区段的进料的入口压力即“区段间”压力下。
在更进一步的实施例中，减压氢气可以被进料到进料端，即多级压缩系统的初始级。在这些实施例中，减压氢气将是多级压缩系统的进料压力，例如约1.1巴。
在需求超过生产的时段，方法可以包括：
降低从存储器中取出的压缩氢气的压力，以多级压缩系统的第一级的入口压力(第一中间压力)生产减压氢气；和
将减压氢气进料到第一级。
在此类实施例中，一旦存储器中压缩氢气的压力下降到约第一级的入口压力，方法可以包括：
进一步降低从存储器中取出的压缩氢气的压力，以多级压缩系统的第一级上游的第二级的入口压力(第二中间压力)生产减压氢气；和
将减压氢气进料到第二级。
应当理解，本上下文中的术语“第一级”和“第二级”不是指在正常操作期间多级压缩系统中下游方向上的级的相对位置。相反，这些术语仅旨在反映在需求超过生产的时段减压氢气被进料到多级压缩系统的级的顺序。术语“第一中间压力”和“第二中间压力”应该相应地解释为第一中间压力高于第二中间压力。
这些实施例可进一步包括将减压氢气进料到多级压缩系统的第一级和第二级上游的其他级。在这些另外的实施例中，从存储器中取出的压缩氢气的压力降低到相应级的入口压力。
在一些优选实施例中，第二级是多级压缩系统的初始级。
应当理解，在减压氢气在第一级之后被进料到第二级的实施例中，当流向第二级的气流开始时，流向第一级的气流停止。一般来说，当减压氢气开始流向另一个压缩级时，流向给定压缩级的减压氢气停止。
由于氢气可以从存储器返回到多级压缩系统的中间级和/或初始级，因此压缩氢气可以最低约5巴的最小值，或许甚至最低约1.3巴的最小值压力存储。
在其中压缩氢气在存储之前被进一步压缩的实施例中，另一种选项是将从存储器中取出的压缩氢气在适当减压后直接进料到下游工艺，直到存储压力下降到下游工艺的进料压力。此时，从存储器中取出的压缩氢气的压力将进一步降低，并且减压氢气被进料到根据本发明的多级压缩系统的一个级。然而，这些实施例不是优选的，例如由于高压存储系统的额外资本费用。
与仅排放到下游工艺的进料压力的高压氢存储系统相比，这通过使用已经存在于工艺中的多级压缩系统能够减小氢的存储体积，以在存储压力下降到低于该进料压力时，再压缩来自存储器的氢气。因此，氢气可以继续从存储器中取出，直到存储压力下降到多级压缩系统的进料压力的最小值。
在氢气生产因电解槽缺乏电力而受到限制的时段，需要额外的压缩动力，但是在给定特定时间的存储压力的情况下，通过以可能的最高压缩机级间压力供应氢气，可以使额外的压缩动力最小化。其还允许最大氢气存储压力等于或低于下游工艺的进料压力，以消除对氢气存储的任何额外压缩要求。
应当理解，相同体积的气体以相同的最大压力以相同的存储体积存储，并且降低最小存储压力会增加来自存储器的气体的“可释放的”体积，即所存储气体的可用体积。
在氢气被生产出并随后在多级压缩系统中压缩以用于至少一个下游工艺的情况下，可以通过将氢气从存储器返回到多级压缩系统中的一个级而不是直接返回到下游工艺来增加所存储氢的可释放体积-这种布置会减小工艺所需的总存储容器体积。
举例来说，与从最大压力200巴到最小压力30巴的存储相比，对于给定质量的可释放氢，从最大压力200巴到最小压力1.5巴的存储需要减少15％的存储容器体积。
类似地，与从最大压力100巴到最小压力30巴的存储相比，对于给定质量的可释放氢，从最大压力100巴到最小压力1.5巴的存储需要减少30％的存储容器体积。
此外，与从最大压力50巴到最小压力30巴的存储相比，对于给定质量的可释放氢，从最大压力50巴到最小压力1.5巴的存储需要减少60％的存储容器体积。
进一步地，与不允许存储的30巴到30巴相比，从最大压力30巴到最小压力1.5巴的存储是可行的。
此外，尽管总存储容器体积随着最大存储压力的降低而增加，但是较低的设计压力使得容器壁更薄，并且可以降低存储系统的总资本成本。出于诸如可制造性等考虑，容器厚度通常被限制在最大值，并且在这种情况下，较低的设计压力将导致较少的容器(但每个容器将更大)。此外，容器设计的容许应力可以增加到低于特定的容器壁厚，并且如果较低的设计压力允许厚度低于此阈值，则可以降低总的容器金属质量(且因此降低总成本)。
下游工艺
在一些实施例中，压缩氢气一旦被压缩，就可以在下游工艺中被消耗，或者在多于一个并行布置的下游工艺中被消耗。
下游工艺可包含目前将使用“灰色”氢或“蓝色”氢的任何工艺。这些工艺包含炼油和钢铁制造。
举例来说，至少一些，例如所有的压缩氢气可以通过哈伯(或哈伯-博世)工艺用于生产氨。在此工艺中，氨是通过氢气和氮气的混合物在铁基催化剂上在高温下，通常在约400℃至约500℃下以及在高压下，通常在约100巴至200巴范围内的压力下反应而生产的。或者另选地，至少一些，例如全部压缩氢气可以通过低温冷却液化。或者，压缩氢气的第一部分可以用于生产氨，并且压缩氢气的第二部分可以被液化。
装置
根据本发明的第二方面，提供了一种用于产生压缩氢气的装置，装置包括：
并联布置的多个电解槽，用于电解水以提供氢气；
电力生成系统，用于生成电力以给多个电解槽供电，电力生成系统与多个电解槽导电连通；
多级压缩系统，用于压缩氢气以提供压缩氢气，多级压缩系统包括进料端、出口端和至少一个具有预定的进料温度和压力的离心压缩级，其中氢气被进料到具有预定的相对湿度的进料端，进料端通过进料集管与多个电解槽流体流动连通；
饱和器，用于根据需要向离心压缩级上游的氢气添加水和热量，以用于在预定的进料温度和压力下将氢气加湿至预定的相对湿度；和
分离器，用于从离心压缩级上游的氢气中去除过量的液态水。
电解槽
水的电解由多个电解单元或“池”提供。每个单元或池可被称为“电解槽”。
多个电解槽通常具有至少1GW的总容量。电解槽的最大总容量仅受实际考虑的限制，例如从可再生能源生成足够的电力来为多个电解槽供电。因此，电解槽可以具有10GW或更大的最大总容量。进行电解的电解槽的总容量可以从1GW到5GW，例如从约1.5GW到约3GW。
多个电解槽通常由大量，例如数百个组合成“模块”的单独的池组成，这些模块也包含工艺设备，例如泵、冷却器和/或分离器等，并且这些模块的组通常布置在单独的建筑物中。
每个模块通常具有至少10MW例如20MW的最大容量，并且每个建筑物通常具有至少100MW，例如400MW的总容量。
本发明可以使用任何适当类型的电解槽。在这方面，有三种常规类型的电解槽-碱性电解槽、PEM电解槽和固体氧化物电解槽-并且这些类型的电解槽中的每一种在理论上都适用于本发明。
碱性电解槽通过将氢氧离子(OH-)从阴极输送到阳极来操作，在阴极侧生成氢气。使用氢氧化钠或氢氧化钾的液体碱性溶液作为电解质的电解槽是可商购的。商用碱性电解槽通常在约100℃至约150℃范围内的温度下操作。
在PEM电解槽中，电解质是固体塑料材料。水在阳极反应形成氧和带正电荷的氢离子。电子流过外部电路，并且氢离子选择性地移动穿过PEM到达阴极。在阴极，氢离子与来自外部电路的电子结合形成氢气。PEM电解槽通常在约70℃至约90℃范围内的温度下操作。
固体氧化物电解槽使用固体陶瓷材料作为电解质，电解质在高温下选择性地传导带负电荷的氧离子(O2-)。阴极的水与来自外部电路的电子结合，形成氢气和带负电荷的氧离子。氧离子穿过固体陶瓷膜，且在阳极反应形成氧气，并且为外部电路生成电子。固体氧化物电解槽必须在足够高的温度下操作，以使固体氧化物膜正常工作，例如在约700℃到约800℃之间。
由于操作温度较低，通常优选使用碱性电解槽和/或PEM电解槽。
多个电解槽可以布置成至少两个并联的组。在这些实施例中，装置包括：
第一集管，从每组中的每个电解槽收集氢气；和
第二集管，收集来自第一集管的氢气并将氢气进料到多级压缩系统的进料端；
在一些实施例中，其中装置进一步包括用于过量氢的存储系统，装置包括用于在适当的减压后将压缩氢气从存储系统进料到第二集管的导管。
用于电解槽的电力生成系统
用于电解的电力可以由任何合适的能源(包含可再生能源或不可再生能源)生成。优选地，电力可以由至少一种可再生能源(例如风能和/或太阳能)生成。
在风能用于生成电力的实施例中，电力生成系统将包括多个风力涡轮机。在太阳能用于生成电力的实施例中，电力生成系统将包括多个光伏电池或“太阳能电池”。
一些实施例将包括多个风力涡轮机和多个光伏电池。
表述“导电连通”将被理解为意味着将使用适当的线材和/或缆线以及任何其他相关设备，以安全和高效的方式将电力生成系统与电解槽连接。
多级压缩系统
在本发明中，多级压缩系统包括至少一个离心压缩级。如上所述，多级压缩系统可以包括多个级，其通常具有在约1.5至约2.5(例如约2至约2.5)范围内的压缩比。中间冷却器通常设置在相邻级之间，且在最后级之后可能需要后冷却器。
多级压缩系统的级也布置在一个或多个压缩区段中。每个区段可包括一个或多个压缩级以及相关的冷却器。
在特定实施例中，多级压缩系统具有两个区段，第一(低压或“LP”)区段，在区段中氢气从多级压缩系统的进料压力压缩至第一高压；以及第二(中压或“MP”)区段，在区段中氢气从第一高压压缩至下游工艺期望的最终高压。
LP区段可以具有一个或多个例如两个压缩级，并且MP区段可以具有两个或更多个例如3或4个压缩级。在一些实施例中，LP区段和MP区段都可以包括离心压缩级。在其他实施例中，LP区段和/或MP区段可以包括离心式压缩机和往复式压缩机的组合。在一些实施例中，LP区段包括至少一个离心压缩级，并且MP区段包括至少一个往复压缩级。在一些实施例中，LP区段包括至少一个离心压缩级，并且MP区段包括离心压缩级和/或往复压缩级。可以设想，在一些特别优选的实施例中，多级压缩系统的所有级都是离心压缩级。
举例来说，对于具有1GW的总电解槽容量的工艺，多级压缩系统可以具有2至4个压缩机。本领域技术人员将理解，具有更高总容量的工艺将需要更多数量的压缩机，即，对于具有2GW的总电解槽容量的工艺，在多级压缩系统中需要5个压缩机。
LP区段中的压缩机可适当加大尺寸，例如达10％，以适应机器的损失。附加地或另选地，多级压缩系统可以在LP或MP区段中包括备用压缩机，备用压缩机将接入以替换相关区段中已经发生故障的另一台机器。
如上所述，多级压缩系统可以包括单个区段。在这些实施例中，区段通常包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少一个离心压缩级。装置可进一步包括第三集管，以收集来自每个压缩机的压缩氢气，并且将压缩氢气进料到至少一个下游处理单元，或者进料到至少一个下游处理单元上游的纯化系统。
在使用存储系统的一些实施例中，装置可以进一步包括导管，用于在适当的减压后将压缩氢气从存储系统进料到第二集管。
然而，多级压缩系统可以包括：
第一区段，包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少一个级；和
第一区段下游的第二区段，第二区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级。
在这些实施例中，装置可以包括：
第三集管，收集来自第一区段中的每个压缩机的压缩氢气，并将压缩氢气进料到第二区段的压缩机；和
第四集管，收集来自第二区段中的每个压缩机的压缩氢气，并将压缩氢气进料到下游处理单元，或者进料到下游处理单元上游的纯化系统。
在使用存储系统的一些实施例中，装置可以进一步包括导管，用于在适当的减压后将压缩氢气从存储系统进料到第三集管。
多个电解槽可以布置成至少两个组。在这些实施例中，多级压缩系统可以包括：
第一区段，包括并联布置成至少两个组的多个压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级；和
第一区段下游的第二区段，第二区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级。
装置可以进一步包括：
至少两个第一集管，每个第一集管从一组中的每个电解槽收集氢气，并将氢气进料到多级压缩系统的第一区段中的相应组压缩机的进料端；
第二集管，收集来自第一区段中的每组压缩机的压缩氢气，并将压缩氢气进料到所述第二区段的压缩机；和
第三集管，收集来自第二区段中的每个压缩机的压缩氢气，并将压缩氢气进料到下游处理单元，或者进料到下游处理单元上游的纯化系统。
在使用存储系统的一些实施例中，装置可以进一步包括导管，用于在适当的减压后将压缩氢气从存储系统进料到至少一个所述第一集管。附加地或另选地，这些实施例的装置可以包括导管，导管用于在适当减压后将压缩氢气从存储系统进料到第二集管。
多级压缩系统中的每个压缩级都将具有预定的进料温度和压力，用于在该级进行最佳压缩。这些值的优选范围与上面关于用于实施本发明的工艺所述的范围相同。每个压缩级也将具有预定的相对湿度。优选地，用于离心压缩的所有级的预定的相对湿度是相同的。
饱和器
装置包括饱和器，用于根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以用于在预定的进料温度和压力下将氢气加湿至预定的相对湿度。
饱和器可以包括用于控制待添加的水的流动速率的阀。
饱和器还可以包括外部热交换器以控制待添加的水的温度(因此以及热量)，或者饱和器可以包括进料管线和阀，进料管线和阀从外部供应经加热或冷却的水以改变待添加的水的温度。
在一些实施例中，饱和器被配置成注入水和热量作为蒸汽，优选地作为去过热蒸汽。因此，在一些实施例中，饱和器与过热蒸汽生成系统和水进料管线流体流动连通，水进料管线在蒸汽被添加到氢气中之前添加水以使蒸汽去过热。例如，可以使用T形接头注入蒸汽或去过热蒸汽。
分离器
装置包括分离器，用于从离心压缩级上游的氢气中去除过量的液态水。
在一些实施例中，分离器是相分离器，其中加湿的氢气在被进料到离心压缩级之前与任何液态水分离。
在一些实施例中，装置包括返回管线，返回管线输送过量的液态水以用于处理，或者至少部分地作为待添加到氢气中用于加湿或冷却的水被再利用。
饱和器-分离器
在一些实施例中，饱和器和分离器被组合在单个单元中。因此，一个单元用于根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以用于在预定的进料温度和压力下将氢气加湿至预定的相对湿度，同时从离心压缩级上游的氢气中去除过量的液态水。
在一些实施例中，组合的饱和器-分离器是饱和塔，饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的传热和/或传质区。在一些实施例中，传热和/或传质区包括传热和/或传质元件的规整填料或无归填料。传热和/或传质元件可以包括，例如，包含但不限于，包装成块(由塑料或金属诸如铝制成)的波纹片，或在其间带有填充环或卵石的纱网板，或蒸馏塔板。过量的液态水从饱和塔的底部去除。加湿的氢气在被进料到离心压缩级之前从顶部进料。
在另外的实施例中，组合的饱和器-分离器是直接接触式冷却器，其具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区。直接接触式冷却器可以含有与上述饱和塔基本上相同的部件。过量的液态水从直接接触式冷却器的底部去除。加湿的氢气在被进料到离心压缩级之前从直接接触式冷却器的顶部进料。
再循环系统
在一些实施例中，装置包括再循环系统，用于将一部分氢气从离心压缩级的产品端再循环到进料端。氢气的再循环部分被去除，并在进料端由阀降低到预定的进料压力，而没有任何冷却。
通过去除压缩氢气并在没有任何冷却的情况下将其压力降低到预定的进料压力，氢气的再循环部分不会经历任何水蒸汽损失，因此当再循环时表观分子量不会下降。
水再循环系统
在一些实施例中，装置包括水再循环系统，水再循环系统包括：
泵，用于从分离器泵送过量的液态水；
与泵流体流动连通的冷却器，其中冷却器被配置成用于通过与泵送的过量液态水的间接热交换来冷却来自离心压缩级的出口的压缩氢气；和
与冷却器流体流动连通的返回进料管线，返回进料管线包括阀，阀在适当的减压后将过量的液态水进料到饱和器，以形成待添加到氢气中的至少一部分水和热量。
泵可以是本领域中已知的适合用于泵送过量的液态水的任何水泵。冷却器可以是本领域中已知的适合用于进行间接热交换的任何冷却器，包含但不限于例如管壳式热交换器。
纯化系统
在下游工艺不能容忍对水进行电解生产的压缩氢气中固有的水和氧水平的实施例中，装置将包括纯化压缩氢气的纯化系统。
纯化系统通常将包括“脱氧”单元，在该单元中，通过氢气的催化燃烧去除氧，生产水和贫氧的压缩氢气。
贫氧气体然后可以在干燥器例如吸附单元(诸如变温吸附(TSA)单元)中干燥，以为下游工艺生产干燥压缩氢气。
下游处理单元
在一些实施例中，可能存在下游处理单元。下游处理单元可以是利用氢气作为进料的任何单元。
适当的下游处理单元的实例包含炼油厂、钢铁制造厂、氨合成工厂或氢液化工厂。在一些实施例中，存在并联布置的氨合成工厂和氢液化工厂。
存储系统
在一些实施例中，装置包括用于存储压缩氢气的氢气存储系统。在此类实施例中，存储系统与多级压缩系统的出口端和多级压缩系统的至少一个压缩级流体流动连通。
存储系统通常包括连接到公共入口/出口集管的许多压力容器和/或管节段。
压力容器可以是球体，例如直径至多约25m或“子弹”，即具有大L/D比(通常至多约12:1)和直径至多约12m的卧式容器。
如果场地地质允许，也可以使用盐丘。
控制系统
在一些实施例中，装置包括控制系统，用于监测和控制添加到氢气中用于加湿(和/或加热/冷却，视情况而定)的水的温度(和/或流动速率)，其中基于氢气中水的温度和摩尔分数来确定温度(和/或流动速率)。应当理解，关于本发明的方法描述的上述特征可以使用这样的控制系统来实施。
在其中将热的再循环氢气添加到至离心压缩级的氢气进料中的实施例中，控制系统还可以被配置成监测通过再循环系统从(另外的)离心压缩级的产品端再循环至进料端的氢气的量。因此，控制系统随后确定待添加的水的温度(和/或流动速率)，以将被进料到(另外的)离心压缩级的氢气的温度和相对湿度维持在预定的进料温度和预定的相对湿度。
在一些实施例中，控制系统可以实施反馈回路，反馈回路考虑关于被进料到(另外的)离心压缩级的氢气的温度和/或相对湿度的信息。
在预定的相对湿度约为100％的实施例中，可以以过量添加水，并且控制系统仅改变其温度。可以控制水的温度，使得被进料到(另外的)离心压缩级的氢气处于基本上预定的进料温度。以过量添加水导致氢气中水的摩尔分数在该温度下最大，从而在预定的进料温度下为氢气进料提供约100％的预定的相对湿度。
这有利地允许被进料到(另外的)离心压缩级的氢气的温度和相对湿度被维持在预定的水平。这是尽管氢气源的湿度有变化(由于氢气含有来自存储器的再循环的冷却氢气或干燥氢气)并且尽管氢气的温度有变化(由于氢气含有热的再循环氢气)。
在其中使用存储系统的实施例中，装置可以包括控制系统，控制系统不仅控制例如在当氢气生产超过需求时的时段期间压缩氢气从多级压缩系统到存储系统的压力和流量，而且还控制例如在当氢气需求超过生产时的时段期间压缩氢气从存储系统到多级压缩系统的压力和流量。
在一些实施例中，控制系统将简单地寻求维持通向下游工艺的下游集管中的氢气的压力。因此，为了连续地向下游工艺提供给定量的氢气，在进料到下游工艺的排放集管上维持压力控制器。
如果排放集管中的压力超过所需的进料压力(例如因为可用的氢气比下游工艺消耗的多)，将通过打开通向存储器的进料管线中的阀来释放压力。
一旦排放集管中的压力降至所需的进料压力，通向存储器的进料管线中的阀将关闭。
如果排放集管中的压力降至低于所需的进料压力(例如因为可用的氢气比下游工艺消耗的少)，将通过打开多级压缩系统中从存储器到第一级的第一返回管线中的阀来增加压力。
第一返回管线中的阀将维持打开，直到排放集管中的压力超过所需的进料压力，表明氢气生产水平已经回到所需水平，此时阀将关闭，或者直到存储容器中的压力下降到约通过第一返回管线进料的多级压缩系统的第一级的入口压力。
在后一种情况下，不仅第一返回管线中的阀将被关闭，而且从存储器到多级压缩系统中的第二级(第一级的上游)的第二返回管线中的阀将被打开，以便继续将氢气从存储器进料回到下游工艺。
这种控制系统可以被称为“分程”控制系统。
水源
本发明可以使用任何适当的水源。然而，在使用海水来生产用于电解的水的实施例中，装置将进一步包括至少一个用于海水脱盐和脱矿质的单元(或设备)。
方面
#1.一种用于产生压缩氢气的工艺，所述工艺包括：
电解水以产生氢气；和
在多级压缩系统中压缩所述氢气以产生压缩氢气，
其中多级压缩系统包括至少一个离心压缩级，并且氢气在预定的进料温度和压力并且具有预定的相对湿度下被进料到离心压缩级，并且
其中工艺包括根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以将氢气加湿至预定的相对湿度。
#2.根据方面#1所述的工艺，其中预定的相对湿度为约70％至100％。
#3.根据方面#1-2中任一个所述的工艺，其中以过量添加水以加湿氢气，并且预定的相对湿度为约100％。
#4.根据方面#1-3中任一个所述的工艺，其中氢气通过以下来加湿：
测量离心压缩级上游的氢气中水的摩尔分数；和
以一定的流动速率和温度将水注入到氢气中，
其中基于测量的水的摩尔分数，根据需要控制被注入的水的流动速率和温度。
#5.根据方面#1-4中任一个所述的工艺，其中预定的进料温度为约20℃至约60℃。
#6.根据方面#1-5中任一个所述的工艺，其中被进料到离心压缩级的氢气具有在约2.2至约3.5的范围内的表观分子量。
#7.根据方面#1-6中任一个所述的工艺，其中离心压缩级是多级压缩系统中的第一或初始级。
#8.根据方面#1-7中任一个所述的工艺，其中压缩氢气在至少一个下游工艺中被消耗，并且其中在当由电解产生的氢气比下游工艺所需的氢气多时的时段期间，工艺包括任选地在另外的压缩之后将过量的压缩氢气进料到存储器中；和
其中在当下游工艺需要的氢气比由电解产生的氢气多时的时段期间，工艺包括从存储器中取出压缩氢气，并在适当的减压后，将减压的氢气进料到多级压缩系统的级。
#9.根据方面#1-8中任一个所述的工艺，其中离心压缩级包括出口端和进料端，并且被进料到进料端的氢气含有在适当的减压后从出口端获取的再循环氢气。
#10.根据方面#1-9中任一个所述的工艺，其中通过控制被添加的水的温度和/或流动速率，在预定的进料温度下将氢气进料到离心压缩级。
#11.根据方面#1-10中任一个所述的工艺，其中多级压缩系统包括第一区段和在第一区段下游的至少一个另外的区段。
#12.根据方面#1-11中任一个所述的工艺，其中多级压缩系统的所有级都是离心压缩级。
#13.根据方面#1-12中任一个所述的工艺，其中水和热量作为蒸汽被添加以形成组合的蒸汽/氢气流。
#14.根据方面#13所述的工艺，其中蒸汽是去过热蒸汽。
#15.根据方面#14所述的工艺，其中将液态水添加到过热蒸汽中以提供去过热蒸汽。
#16.根据方面#13-15中任一个所述的工艺，其中组合的蒸汽/氢气流穿过相分离器以从氢气中去除液态水，然后将氢气进料到离心压缩级。
#17.根据方面#1-12中任一个所述的工艺，其中水和热量作为液态水添加以产生两相组合流。
#18.根据方面#17所述的工艺，其中两相组合流在被进料到相分离器之前穿过静态混合器，以从氢气中去除过量的液态水，然后氢气被进料到离心压缩级。
#19.根据方面#18所述的工艺，包括：
从相分离器泵送液态水以产生泵送的液态水；
通过在冷却器中与泵送的液态水的间接热交换来冷却压缩氢气，以产生冷却的压缩氢气和加热的液态水；
降低加热的液态水的压力以产生减压的再循环水；和
使用所述减压的再循环水作为被添加到氢气中以形成两相组合流的液态水的至少一部分。
#20.根据方面#19所述的工艺，包括根据需要向减压的再循环水中添加补充水。
#21.根据方面#1-12中任一个所述的工艺，其中水是液态水的形式，所述工艺包括：
在饱和塔中用液态水加湿氢气，饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区；
从饱和塔的顶部去除加湿的氢气，并将加湿的氢气进料到离心压缩级；和
从饱和塔的底部去除过量的液态水。
#22.根据方面#21所述的工艺，包括：
从饱和塔泵送液态水以产生泵送的液态水；
通过在冷却器中与泵送的液态水的间接热交换来冷却压缩氢气，以产生冷却的压缩氢气和加热的液态水；
降低加热的液态水的压力以产生减压的再循环水；和
使用所述减压的再循环水作为用于加湿饱和塔中氢气的液态水的至少一部分。
#23.根据方面#22所述的工艺，包括根据需要向氢气或减压的再循环水中添加补充水。
#24.根据方面#1-12中任一个所述的工艺，其中水是液态水的形式，所述工艺包括：
在具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区的第一直接接触式冷却器中用液态水加湿氢气；
从第一直接接触式冷却器的顶部去除加湿的氢气，并将加湿的氢气进料到离心压缩级用于压缩以产生压缩氢气；和
从第一直接接触式冷却器的底部去除过量的液态水；
在适当的减压且没有任何冷却后，根据需要将在离心压缩级中产生的压缩氢气的一部分再循环至第一直接接触式冷却器。
#25.根据方面#24所述的工艺，其中离心压缩级是多级压缩系统的初始级或中间级，所述工艺包括：
在具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区的第二直接接触式冷却器中用液态水加湿来自离心压缩级的压缩氢气；
从第二直接接触式冷却器的顶部去除加湿的氢气，并将加湿的氢气作为进料流进料到另外的离心压缩级用于压缩，以产生另外的压缩氢气；和
从第二直接接触式冷却器的底部去除过量的液态水。
#26.根据方面#25所述的工艺，包括在适当的减压且没有任何冷却之后，根据需要将在另外的离心压缩级产生的另外的压缩氢气的一部分再循环到第二直接接触式冷却器的氢气进料中。
#27.根据方面#24-26中任一个所述的工艺，其中来自存储器的氢气根据需要被添加到第一直接接触式冷却器和/或第二直接接触式冷却器中。
#28.根据方面#24-26中任一个所述的工艺，其中添加到第一直接接触式冷却器和/或第二直接接触式冷却器中的液态水的温度和/或流动速率基于被进料到(另外的)离心压缩级的氢气的温度和/或相对湿度来确定。
#29.一种用于产生压缩氢气的装置，装置包括：
并联布置的多个电解槽，用于电解水以提供氢气；
电力生成系统，用于生成电力以给多个电解槽供电，电力生成系统与多个电解槽导电连通；
多级压缩系统，用于压缩氢气以提供压缩氢气，多级压缩系统包括进料端、出口端和至少一个具有预定的进料温度和压力的离心压缩级，其中氢气被进料到具有预定的相对湿度的进料端，进料端通过进料集管与多个电解槽流体流动连通；
饱和器，用于根据需要向离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以用于在预定的进料温度和压力下将氢气加湿至预定的相对湿度；和
分离器，用于从离心压缩级上游的氢气中去除过量的液态水。
#30.根据方面#29所述的装置，其中分离器是相分离器。
#31.根据方面#29所述的装置，其中饱和器和分离器以饱和塔的形式被组合成单个单元，饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区。
#32.根据方面#29所述的装置，其中饱和器和分离器以直接接触式冷却器的形式被组合成单个单元，直接接触式冷却器具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区，并且装置包括：
再循环系统，用于将一部分氢气从产品端再循环到离心压缩级的进料端，其中氢气的再循环部分从产品端去除，并通过阀在进料端被降低到预定的进料压力，而没有任何冷却。
#33.根据方面#29-31中任一个所述的装置，包括：
水再循环系统，水再循环系统包括：
泵，用于从分离器泵送过量的液态水；
与泵流体流动连通的冷却器，其中冷却器被配置成用于通过与泵送的过量液态水的间接热交换来冷却来自离心压缩级的出口的压缩氢气；和
与冷却器流体流动连通的返回管线，返回管线包括阀，阀在适当的减压后将过量的液态水进料到饱和器，以形成待添加到氢气中的水和热量的至少一部分。
实例
根据示出本发明的第一实例的图1，氢气进料1可以是干燥的、用水部分饱和的或完全饱和的，这取决于其来源和期望的操作模式。
再循环的进料(17、V110和19)在流17中收集来自级的末端的氢气，并将其在级的周围再循环，并且在阀V110中适当的减压后，作为流19与至级的进料1混合。再循环的进料(17、V110和19)根据操作条件间歇使用，例如诸如当进入压缩机K102的氢气流量低于规定的水平时。
尽管在冷却单元E104和E106中损失了水含量，但再循环流17在级排放条件下(即在排放温度和压力下)具有100％的相对湿度。然而，一旦再循环流在阀V110处减压以匹配级进料条件(即预定的进料温度和压力)，相对湿度将低于100％。
因此，混合流3具有可变的湿度，并且图1中描绘的系统确保当混合流进入压缩机级K102时，其总是在恒定的温度下在100％相对湿度下饱和。
再循环的热水58与混合流3以及补充水50(如果需要的话)混合，并作为流5被进料到相分离器S100。静态混合装置(未示出)可以被用于含有流5的管道中，以确保气体与液体之间的良好接触。另选地，再循环的热水58可以被直接喷射到分离器S100(未示出)中。流7离开分离器S100，并含有用水饱和的氢气，即在级入口条件下相对湿度为100％。流7然后被进料到压缩机级K102。过量的液态水流52从相分离器S100中去除，并且现在处于与流7相同的温度。流52通过泵P112再循环，在间接热交换冷却器E104中逆着来自压缩机K102的热压缩氢气流9加热，以提供加热的液态水流56。在作为再循环的热水流58添加到混合流3中之前，流56的流量由阀V114控制。
调节再循环水流58的流量和/或温度，以维持流7中正确的温度和湿度。流58的温度可以通过绕过间接热交换冷却器E104周围的至少一部分流来调节。
来自级K102的流9中的压缩氢气在间接热交换冷却器E104中被冷却，抵抗再循环水流54的加热，以提供流10。然后，流10在额外的冷却单元E106中靠冷却水被进一步冷却。冷却器E104和E106可以被组合在单个壳体内(未示出)。同样，流54可以由外部热源(未示出)而不是流9加热。
最后，含有一些凝结水的冷却的压缩氢气流11具有在相分离器S108中分离的过量液态水60，以提供压缩氢气流13，其在级排放条件(即，排放温度和压力)下饱和。然后将流13分成来自级的产品作为流15和再循环流17(用于根据需要在级周围再循环)。再循环阀V110控制级周围的再循环流量。
现在将参考含有模拟数据的三个实例1A、1B和1C更详细地阐述图1中描绘的系统。该数据是使用计算机模拟包Aspen Plus(版本号为10)生成的。
实例1A
Figure BDA0003545918630000411
Figure BDA0003545918630000421
实例1A显示了具有完全干燥的氢进料1(相对湿度为0％)的实例。不存在再循环(来自流17和19)，因为进料1中的氢气处于1000kmol/h的全摩尔流量。补充水50提供了在级入口条件(40℃，1.1巴)下将氢气饱和至100％的预定的相对湿度所需的所有水，而在85℃下的再循环水58提供了用于加湿的热量。
从该实例中可以看出，水和热量的注入增加了表观分子量，从而增加了至压缩级的氢气进料的相对湿度。这达到了离心压缩级的最佳性能。
实例1B
Figure BDA0003545918630000422
实例1B与实例1A相同，除了氢气进料是水饱和的进料，在级入口条件(40℃，1.1巴)下相对湿度为100％。该实例使用与实例1A相同的再循环水流，但是温度没有升高，因为间接热交换冷却器E104被旁路。此外，不需要补充水50。该实例给出了进入压缩机K102的流7的温度可以如何随着进料湿度的变化维持恒定的指示-可能存在E104的可变旁路。
从该实例可以看出，通过将压缩机K102的进料7的温度维持在预定的温度，湿度也维持恒定。这导致最佳的压缩机性能。
在实例1C中，进料1仍然饱和，相对湿度为100％。但是进料1的氢气流量是全流量的30％(321.6kmol/h)。为了将通过压缩机K102的摩尔流量维持在100％(假设其不会下降超过这个值)，在再循环回路(17和19)中存在显著的摩尔流量。
再循环水58的流动速率与实例1A和1B相同，但是来自间接热交换冷却器E104的流56和58的温度被改变，以在到压缩级的流7中达到预定的进料温度(40℃)。
实例1C
Figure BDA0003545918630000431
再循环进料17和19中的氢气已经在额外的冷却单元E106中被冷却，因此与进料1中的饱和氢气相比，具有降低的水摩尔分数(0.0296)和降低的表观分子量(2.490)。结果是混合进料3，其在级入口条件(40℃，1.1巴)下的相对湿度低于仅61％的预定的相对湿度(此处其是100％)。因此，在这种情况下，补充水50的流动提供水以加湿混合流3中的氢气，以增加水的摩尔分数并提高表观分子量。当氢气流7被进料到离心压缩级K102时，这将该氢气流的相对湿度维持在预定的相对湿度(100％)。然后，流60的至少一部分可以任选地作为流50中的补充水的一部分被再循环。这节省了成本，因为流60已经处于增加的压力，并且减少了浪费。
从该实例中可以看出，水和热量的注入增加了混合进料3的表观分子量，该分子量可能由于使用再循环而下降。因此，维持了被进料到压缩级的氢气的相对湿度，这达到了离心压缩级的最佳性能。
图2中与图1相同的特征没有被进一步讨论。
根据示出本发明的第二实例的图2，氢气进料1和再循环流19如前混合以形成混合流3。然而，在这种情况下，代替热水，蒸汽作为流74被添加。在该实例中，蒸汽被去过热，并通过将水50与过热蒸汽72混合而形成。还期望的是流74含有一小部分(例如5-10％)液态水。用阀V112调节流74的流量，以控制流7中水的温度和摩尔分数，从而确保当其被进料到压缩机K102时，维持在预定的进料温度和预定的相对湿度。过量的水(52和60)在相分离器S100和S108中被分离，并且可以被合并并且作为流62返回用于处理和/或返回到蒸汽生成系统(未示出)。
现在将参考下面含有模拟数据的实例2更详细地阐述图2中描绘的系统。该数据是使用计算机模拟包Aspen Plus(版本号为10)生成的。
实例2
Figure BDA0003545918630000441
在实例2中，氢气进料1是水饱和的进料，在级入口条件(40℃，1.1巴)下相对湿度为100％，但摩尔流量为30％全流量。因此，在流17和19中存在再循环流，以使流7中的压缩机流量达到100％。像实例1C一样，添加来自再循环流19的氢气导致混合流3的表观分子量降低，该混合流具有61％的相对湿度，其低于100％的预定的相对湿度。
在这种情况下，流70中处于200℃和4巴的蒸汽作为流72被减压，并与水50混合，以在流74中提供去过热蒸汽。添加额外的水50，使得流74为5％的液体-这确保了压缩级的入口7的温度不会升高到高于40℃的预定的进料温度。
由流74添加的总水与在实例1C中添加的补充水相同，以在级入口条件(40℃，1.1巴)下将被进料到压缩机K102的氢气流7加湿至100％的预定的相对湿度。
从该实例可以看出，蒸汽的注入增加了混合进料3的表观分子量，该分子量可能由于使用再循环而下降。因此，到压缩级的氢气进料的相对湿度被维持，这达到了离心压缩级的最佳性能。
图3中与图1和2相同的特征没有被进一步讨论。
根据示出本发明的第三实例的图3，描述了一种类似于热水注入系统(图1)的系统，除了相分离器S100被饱和塔C100代替，该饱和塔具有顶部、底部和在它们之间的含有传热和传质元件(诸如塔板或填料)的传热和/或传质区。再循环的加热的水流58与补充水流50(其根据需要添加)结合，并作为流64被进料到饱和塔C100的顶部。调节流64的温度和/或流量，以确保进入压缩机级的流7在预定的进料温度下被加湿至预定的相对湿度。在这种情况下，由于在塔C100内发生的传热和传质，从饱和塔C100的底部去除的过量液态水52处于比流7低的温度。然后，流60的至少一部分可以任选地作为流50中的补充水的一部分被再循环。这节省了成本，因为流60已经处于增加的压力，并且减少了浪费。
现在将参考下面含有模拟数据的实例3更详细地阐述图3中描绘的系统。该数据是使用计算机模拟包Aspen Plus(版本号为10)生成的。
Figure BDA0003545918630000451
实例3与实例1C相同，但是分离器S100被饱和塔C100代替。因此，进料1在级入口条件(40℃，1.1巴)下仍然以100％的相对湿度饱和，但是进料1也具有为全流量的30％(321.6kmol/h)的氢气流量。为了将通过压缩机K102的摩尔流量维持在100％(假设其不会下降超过这个值)，在再循环回路(17和19)中存在显著的摩尔流量。
在这种情况下，C100含有5个理论级。在塔C100的顶部进料再循环的水流58和补充水流50的组合流64。与实例1C相比，流58的温度降低，因为塔允许离开底部的水比离开顶部的气体更冷，所以入口水不需要那么热就能向气体提供相同量的热量。由于在塔C100中发生的传热和传质，来自饱和塔的底部的流52的温度也降低。
从该实例中可以看出，饱和塔的使用增加了混合进料3的表观分子量，该分子量可能由于使用再循环而下降。因此，到压缩级的氢气进料的相对湿度被维持，这达到了离心压缩级的最佳性能。
图4中与图1至3相同的特征没有被进一步讨论。
根据示出本发明的第四实例的图4，描述了一种系统，其中图1-3的间接热交换器和/或冷却器被含有传热和传质元件的直接接触式冷却器代替。
在图4所示的系统中，在某些情况下，直接接触式冷却器也可以作为饱和塔操作。在这种配置中，当需要时，将氢气进料1与流19中的再循环氢气混合。再循环流作为流17从压缩机级K102的排放部获取，并使用阀V110减压至压缩机K102的预定进料压力，以提供再循环流19。在该实例中，再循环流17和19在任何冷却步骤已经发生之前去除并再循环氢气。因此，再循环流19含有热的再循环氢气。
因此，进入直接接触式冷却器C100的混合流3的温度根据再循环程度而变化。在该实例中，冷却水进料流80在两个冷却器C100和C108之间分流，其中流82被进料到塔C100的顶部，并且流84被进料到塔C108的顶部。
如果混合流3低于某一温度(该温度根据饱和程度和再循环程度而变化)，塔顶流7和冷却水返回流52将比冷却水流82更冷。如果混合流3高于某一温度，则流7和52将比冷却水进料82更热。
通过选择适当的水流量和/或水蒸汽82的温度，温度的变化可以被维持在窄的温度范围内。这些可以实时调节，以将塔顶流7中的温度维持在预定的进料温度下基本恒定。
水流80、82和84的温度调节可以通过将来自系统的另一部分的热冷却水返回流(未示出)与冷却水流82和/或84混合来实现，或者通过在单独的热交换器单元(未示出)中加热水流80、82和84来实现。
在压缩机K102中压缩之后，部分热的压缩氢气流9可以作为流17被再循环，在必要时，当流1具有降低的流动速率时，用于压缩机的稳定操作。在剩余的氢作为流11进入第二冷却器C108之前，可以向剩余的氢中添加另外的流。这些流可以是来自下一级的再循环(流23)或来自氢存储器的干燥氢气进料(流21)。取决于进料流11的温度，冷却器C108以与冷却器C100相同的方式运行。来自冷却器C108的冷却水返回流60与来自冷却器C100的流52混合，并作为流62进入冷却水返回系统。
氢气进料1中水的摩尔分数可以变化，因此通过在直接接触式冷却器C100和C108中通过流82和84向氢气中添加水来维持到压缩机的氢气进料7和15的预定的相对湿度。水与氢气之间的接触(连同足够的热量)提供了加湿。
现在将参考含有模拟数据的三个实例4A、4B和4C更详细地阐述图4中描绘的系统。该数据是使用计算机模拟包Aspen Plus(版本号为10)生成的。
实例4A
Figure BDA0003545918630000471
在实例4A中，进料1中的氢气处于100％流量，但在级入口条件(40℃，1.1巴)下是干燥的，相对湿度为0％。因为进料1的流量已经是100％，所以没有添加再循环流(17和19)。因此，进料1与进入直接接触式冷却器C100的进料3相同。
由于不存在其他热量源，被进料到冷却器C100的顶部的水流82必须在热交换器(未示出)中被加热或从另一个热水源(未示出)获取。在该实例中，流82被加热到45℃。
从冷却器C100去除的过量液态水52已经被冷却到23.6℃，其低于流7的温度和预定的进料温度(40℃)。因此，在这种情况下，直接接触式冷却器C100以与饱和塔相同的方式运行，即加热的水在级入口条件(40℃，1.1巴)下将氢气加湿至预定的相对湿度(100％)。第二直接接触式冷却器C108为压缩级K102提供后冷却。被进料到冷却器C108的顶部的液态水流84处于低于预定的进料温度(40℃)的温度(35℃)。
来自压缩氢气流11的热量从流84被传递到冷却水，并且液态水流60离开已经被加热到65.2℃的冷却器的底部。水流60的一部分可以被再循环以将热水流82提供给第一直接接触式冷却器C100用于加湿。
从该实例可以看出，直接接触式冷却器的使用增加了进料7中氢气的表观分子量。因此，到压缩级的氢气进料的相对湿度被维持，这达到了离心压缩级的最佳性能。
实例4B
Figure BDA0003545918630000481
实例4B说明了当进料1中的氢气已经在级入口条件(40℃，1.1巴)下以100％的相对湿度被饱和时会发生的情况。在这种情况下，第一直接接触式冷却器C100不需要做任何事情，并且水流量可以停止(如流82的流量被降低到0.5kmol/h所示)，或者其可以在预定的进料温度下被再循环。第二直接接触式冷却器C108周围的条件与实例4A中的相同。
从这个实例可以看出，直接接触式冷却器用于维持到压缩机的氢气进料7的温度和相对湿度，因此当这些已经处于最佳水平时，不需要添加热量。水仍被添加到直接接触式冷却器中，但由于条件，其不会加湿氢气进料，因为氢气进料已经完全被水饱和。这维持了离心压缩级的最佳性能。
实例4C
Figure BDA0003545918630000482
Figure BDA0003545918630000491
实例4C说明了其中进料1中的氢气在级入口条件(40℃，1.1巴)下以100％的相对湿度被饱和，但具有30％全流量的减少的流量的情况。再循环流17和19提供再循环的热氢气，以维持通过压缩级K102的流量与之前一样为100％。结果是混合进料3中的氢气具有110.4℃的温度，该温度远高于40℃的预定的进料温度。
因此，在该实例中，第一直接接触式冷却器C100作为用于混合进料3的冷却器操作，该混合进料含有从流19添加的热的再循环氢气。当来自混合流3的氢气沿冷却器C100的塔向下移动时，来自流82的冷却水被该氢气加热。在流7被进料到压缩机K102之前，来自混合流3的氢气被冷却水流82冷却到流7中的40℃的预定的进料温度。
应当注意，不需要直接接触式冷却器C100加湿氢气进料，因为在级入口条件(40℃，1.1巴)下混合流3的相对湿度为100％，因为对于40℃的预定的进料温度，混合流3(来自进料1和来自再循环流19)中的所有氢气均处于100％的相对湿度。这是因为再循环流17在其被冷却之前压力被降低，因此在其被添加以形成混合流3之前没有发生水蒸汽的凝结。
该实例还包含来自下游压缩级(未示出)的热的再循环流23，该热的再循环流作为流11的一部分被添加到压缩氢气流9中，以用于进料到第二直接接触式冷却器C108。
第二直接接触式冷却器C108为压缩级K102提供后冷却，以及为来自下游压缩级(未示出)的再循环蒸汽23提供冷却。如在实例4A和4B中，冷却器C108加热被进料到塔的顶部的冷却水蒸汽84。
从该实例可以看出，直接接触式冷却器的使用允许被热的再循环加热的混合进料3被冷却回到压缩级的进料温度。因此，进料7中氢气的表观分子量不变，并且一旦冷却至级入口条件，氢气进料的相对湿度就维持在100％。这达到了离心压缩级的最佳性能。
尽管已经参照附图中描绘的优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在如以下权利要求所限定的本发明的精神或范围内，各种修改是可能的。
在本说明书中，除非另外明确说明，否则词“或”是以当满足所述条件中的一个或两个时返回真值的运算符的意义使用，而不是只要求满足其中一个条件的运算符“异或”。词“包括”是以“包含”的意义使用，而不是指“由……组成”。
以上所有先前的教导均通过引用并入本文中。本文对任何先前出版的文件的承认不应被视为承认或表示其教导在当时是澳大利亚或其他地方的常识。

Claims (33)

1. 一种用于产生压缩氢气的工艺，所述工艺包括：
电解水以产生氢气；和
在多级压缩系统中压缩所述氢气以产生压缩氢气，
其中所述多级压缩系统包括至少一个离心压缩级，并且所述氢气在预定的进料温度和压力并且具有预定的相对湿度下被进料到所述离心压缩级，并且
其中所述工艺包括根据需要向所述离心压缩级上游的所述氢气中添加水和热量，以将所述氢气加湿至所述预定的相对湿度。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述预定的相对湿度为约70%至100%。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中水以过量被添加以加湿所述氢气，并且所述预定的相对湿度为约100%。
4. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述氢气通过以下加湿：
确定所述离心压缩级上游的所述氢气中水的摩尔分数；和
以一定的流动速率和温度将水注入到所述氢气中，
其中根据需要基于水的所述摩尔分数控制所述被注入的水的所述流动速率和温度。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述预定的进料温度为约20℃至约60℃。
6.根据权利要求1所述的工艺，其中被进料到所述离心压缩级的所述氢气具有约2.2至约3.5的表观分子量。
7. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述离心压缩级是所述多级压缩系统中的第一或初始级。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中所述压缩氢气在至少一个下游工艺中被消耗，并且其中在当由电解产生的氢气比所述下游工艺所需的氢气多时的时段期间，所述工艺包括任选地在另外的压缩之后将过量的压缩氢气进料到存储器中；和
其中在当所述下游工艺需要的氢气比由所述电解产生的氢气多时的时段期间，所述工艺包括从存储器中取出压缩氢气，并在适当的减压后，将减压的氢气进料到所述多级压缩系统的级。
9.根据权利要求1所述的工艺，其中所述离心压缩级包括出口端和进料端，并且被进料到所述进料端的所述氢气含有在适当的减压后从所述出口端获取的再循环氢气。
10.根据权利要求1所述的工艺，其中通过控制被添加的水的温度和/或流动速率，在所述预定的进料温度下将所述氢气进料到所述离心压缩级。
11.根据权利要求1所述的工艺，其中所述多级压缩系统包括第一区段和在所述第一区段的下游的至少一个另外的区段。
12.根据权利要求1所述的工艺，其中所述多级压缩系统的所有级都是离心压缩级。
13.根据权利要求1所述的工艺，其中所述水和热量作为蒸汽被添加以形成组合的蒸汽/氢气流。
14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述蒸汽是去过热蒸汽。
15.根据权利要求14所述的工艺，其中将液态水添加到去过热蒸汽中以提供所述去过热蒸汽。
16.根据权利要求13所述的工艺，其中所述组合的蒸汽/氢气流穿过相分离器以从所述氢气中去除液态水，然后将所述氢气进料到所述离心压缩级。
17.根据权利要求1所述的工艺，其中水和热量作为液态水被添加以产生两相组合流。
18.根据权利要求17所述的工艺，其中所述两相组合流在被进料到相分离器之前穿过静态混合器，以从所述氢气中去除过量的液态水，然后将所述氢气进料到所述离心压缩级。
19.根据权利要求18所述的工艺，包括：
从所述相分离器泵送所述液态水以产生泵送的液态水；
通过在冷却器中与所述泵送的液态水的间接热交换来冷却压缩氢气，以产生冷却的压缩氢气和加热的液态水；
降低所述加热的液态水的压力以产生减压的再循环水；和
使用所述减压的再循环水作为被添加到所述氢气中以形成两相组合流的所述液态水的至少一部分。
20.根据权利要求19所述的工艺，包括根据需要向所述减压的再循环水中添加补充水。
21.根据权利要求1所述的工艺，其中所述水是液态水的形式，所述工艺包括：
在饱和塔中用所述液态水加湿所述氢气，所述饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区；
从所述饱和塔的所述顶部去除加湿的氢气，并将所述加湿的氢气进料到所述离心压缩级；和
从所述饱和塔的所述底部去除过量的液态水。
22.根据权利要求21所述的工艺，包括：
从所述饱和塔泵送所述液态水以产生泵送的液态水；
通过在冷却器中与所述泵送的液态水的间接热交换来冷却压缩氢气，以产生冷却的压缩氢气和加热的液态水；
降低所述加热的液态水的压力以产生减压的再循环水；和
使用所述减压的再循环水作为用于加湿所述饱和塔中的所述氢气的所述液态水的至少一部分。
23.根据权利要求22所述的工艺，包括根据需要向所述氢气或减压的再循环水中添加补充水。
24.根据权利要求1所述的工艺，其中所述水是液态水的形式，所述工艺包括：
在具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区的第一直接接触式冷却器中用所述液态水加湿所述氢气；
从所述第一直接接触式冷却器的所述顶部去除加湿的氢气，并将所述加湿的氢气进料到所述离心压缩级用于压缩以产生压缩氢气；和
从所述第一直接接触式冷却器的所述底部去除过量的液态水；
在适当的减压且没有任何冷却后，根据需要将在所述离心压缩级中产生的所述压缩氢气的一部分再循环至所述第一直接接触式冷却器。
25.根据权利要求24所述的工艺，其中所述离心压缩级是所述多级压缩系统的初始级或中间级，所述工艺包括：
在具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区的第二直接接触式冷却器中用液态水加湿来自所述离心压缩级的压缩氢气；
从所述第二直接接触式冷却器的所述顶部去除加湿的氢气，并将所述加湿的氢气进料到另外的离心压缩级用于压缩，以产生另外的压缩氢气；和
从所述第二直接接触式冷却器的所述底部去除过量的液态水。
26.根据权利要求25所述的工艺，包括在适当的减压且没有任何冷却之后，根据需要将在所述另外的离心压缩级中产生的所述另外的压缩氢气的一部分再循环到所述第二直接接触式冷却器的所述氢气进料中。
27.根据权利要求26所述的工艺，其中来自存储器的氢气根据需要被添加到所述第一直接接触式冷却器和/或第二直接接触式冷却器。
28.根据权利要求26所述的工艺，其中被添加到所述第一直接接触式冷却器和/或第二直接接触式冷却器中的所述液态水的温度和/或流动速率基于被进料到所述(另外的)离心压缩级的所述氢气的温度和/或相对湿度来确定。
29.一种用于产生压缩氢气的装置，所述装置包括：
并联布置的多个电解槽，用于电解水以提供氢气；
电力生成系统，用于生成电力以给所述多个电解槽供电，所述电力生成系统与所述多个电解槽导电连通；
多级压缩系统，用于压缩所述氢气以提供压缩氢气，所述多级压缩系统包括进料端、出口端和至少一个具有预定的进料温度和压力的离心压缩级，其中氢气被进料到具有预定的相对湿度的所述进料端，所述进料端通过进料集管与所述多个电解槽流体流动连通；
饱和器，用于根据需要向所述离心压缩级上游的氢气中添加水和热量，以用于在所述预定的进料温度和压力下将所述氢气加湿至所述预定的相对湿度；和
分离器，用于从所述离心压缩级上游的所述氢气中去除过量的液态水。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述分离器是相分离器。
31.根据权利要求29所述的装置，其中所述饱和器和分离器以饱和塔的形式被组合成单个单元，所述饱和塔具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区。
32.根据权利要求29所述的装置，其中所述饱和器和分离器以直接接触式冷却器的形式被组合成单个单元，所述直接接触式冷却器具有顶部、底部和位于它们之间的至少一个传热和/或传质区，并且所述装置包括：
再循环系统，用于将一部分所述氢气从产品端再循环到所述离心压缩级的进料端，其中所述氢气的所述再循环部分从所述产品端去除，并且通过阀在所述进料端被降低到所述预定的进料压力，而没有任何冷却。
33.根据权利要求29所述的装置，包括：
水再循环系统，所述水再循环系统包括：
泵，用于从所述分离器泵送所述过量的液态水；
与所述泵流体流动连通的冷却器，其中所述冷却器配置成用于通过与所述泵送的过量液态水的间接热交换来冷却来自所述离心压缩级的出口的压缩氢气；和
与所述冷却器流体流动连通的返回管线，所述返回管线包括阀，所述阀在适当的减压后将所述过量的液态水进料到所述饱和器，以形成待被添加到所述氢气中的所述水和热量的至少一部分。
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