CN115142081A - 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，工艺包含：电解水以产生氢气，以及在多级压缩系统中压缩氢气，所述多级压缩系统包含：离心压缩级和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的再循环系统，其中氢气进料在预定的进料温度和压力以及水的摩尔分数下被进料到进料端，其中一部分氢气从产品端去除，在再循环系统中减压至预定的进料压力，然后再循环以形成至少一部分进入离心压缩级的氢气进料；并且进一步包含冷却包括减压氢气的氢气，使得氢气进料中的水摩尔分数为预定的水摩尔分数。

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。本发明特别涉及在当氢气被再循环时的时段期间维持被进料到多级压缩系统的离心压缩级的氢气中的水的摩尔分数的方法。
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；
所述多级压缩系统包括：
具有进料端和产品端的离心压缩级，和
再循环系统，用于将一部分所述氢气从所述离心压缩级的所述产品端再循环到所述进料端，
其中氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下被进料到所述离心压缩级的所述进料端；
其中根据需要从所述产品端去除一部分所述氢气，在任何冷却步骤之前在所述再循环系统中减压至所述预定的进料压力，以提供减压氢气，然后将所述减压氢气再循环以形成至少一部分进入所述离心压缩级的氢气进料；和
其中所述工艺包括冷却包括所述减压氢气的氢气，使得所述氢气进料中的水的摩尔分数处于所述预定的水的摩尔分数。
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，用于压缩氢气以提供压缩氢气，所述多级压缩系统包括：
入口端、出口端和离心压缩级，所述离心压缩级具有进料端和产品端，所述入口端经由进料集管与所述多个电解槽流体流动连通；和
再循环系统，与所述离心压缩级的所述产品端和所述进料端流体流动连通，所述再循环系统包括：阀，用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低至预定的进料压力以提供减压氢气；
冷却器，用于冷却所述再循环系统中和/或所述离心压缩级的进料集管中的包括所述减压氢气的氢气。
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是本发明的第一实例的简化流程图；
图2是本发明的第二实例的简化流程图；
图3是本发明的第三实例的简化流程图。
具体实施方式
本发明涉及维持被进料到离心压缩级的氢气中的水的摩尔分数。
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)。该术语是指水蒸汽(即气相中的水)的摩尔分数，并且不包括液态水，除非另有明确说明。
术语“绝对湿度”在本文中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。
根据氢气的绝对湿度可以确定水的摩尔分数。氢气中水的摩尔分数与其温度或压力无关，除非氢气的温度降低到低于露点温度(在这种情况下，凝结开始以从气相中去除水)。
当关于压缩级的进料温度和压力使用时，术语“预定的”旨在指由用户为被进料到该特定压缩级的氢气进料选择的条件，通常针对该特定级的最佳操作条件。这些条件将根据该级是压缩的初始、中间还是最后级而变化。
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。
由于所选择的预定的进料条件可以根据所涉及的压缩级而变化，因此应当理解，本发明可以在各种多级压缩系统中实施，而与每一级的特定的预定的进料温度和压力无关。
作为背景，气体混合物中水的摩尔分数可以使用以下方程来描述：
Figure BDA0003545926410000041
其中
Figure BDA0003545926410000042
是水的摩尔分数，
Figure BDA0003545926410000043
是气体混合物中水的摩尔量，并且n总是气体混合物中所有组分的总摩尔量。
在给定的温度下可以处于气体中的水的最大摩尔分数取决于水的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压强烈地依赖于温度，并且描述了在给定的温度下可能存在的水蒸汽的最大压力，其通常以Pa为单位表示。通常，温度越高，水的饱和蒸汽压就越高，并且反之亦然。
如果气体被逐渐冷却，同时维持恒定的压力和水的摩尔分数，存在对于该温度气体将完全被水饱和的点。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，则水蒸汽将开始凝结，以形成液态水，并且气体中水的摩尔分数降低。在水的摩尔分数降低的情况下，这表明凝结的速率超过蒸发的速率。
在其中对于每个后续级的入口气体的压力增加的多级压缩系统的背景下，每个后续级的露点将高于前一级。换句话说，在较高的压力下，氢气“容纳”水蒸汽的能力减弱，因此，在此类较高的压力下，如果将气体冷却到与前一级相同的温度，水蒸汽将从气体中凝结出来。
量化氢气中水蒸汽的浓度的另一种方法是参考“相对湿度”，这是一种表示对于给定的温度和压力氢气与水的饱和水平的方法。其相当于水的实际蒸汽压除以饱和蒸汽压，用百分比表示。
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，然后根据标准饱和度曲线(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来测量，例如如通过使用红外光谱仪或露点计。
氢气中水的摩尔分数可以通过直接测量或通过测量绝对湿度并进行相应计算来确定(如果需要)。
在本发明的上下文中的术语“表观分子量”旨在指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，多级压缩系统包括具有进料端和产品端的离心压缩级，其中氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水摩尔分数下被进料到离心压缩级的进料端。
压缩级的“进料端”是接收用于压缩氢气的压缩机的端部，并且“产品端”是排放压缩氢气的压缩机的端部。
应当理解，尽管氢气供应总是在开始时通过电解产生，但是被进料到特定压缩级的氢气进料可能来自各种来源(即，不是直接来自电解槽，而是来自从多级压缩系统中去除并储存在任选的储存系统中的氢气，或者如果离心压缩级是中间或最后级，则为来自从上游级进料的氢气)。术语“氢气供应”在本文中将用于指被供应到压缩级的氢气。
术语“氢气进料”在本文中用于指根据需要，在添加再循环的氢气之前或之后，并且任选地在被进料通过相分离器之后，被进料到离心压缩级的进料端的氢气。
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，并且通常含有一些残余的氧气。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(g/mol)。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，这取决于水蒸汽含量。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水的摩尔分数以及因此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约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，通常已知这样的再循环系统，该再循环系统将一部分氢气从产品端的冷却器再循环到压缩级的进料端。例如，再循环系统可以用于在其中氢气供应的质量流量低于所要求的时段期间防止压缩机喘振。
从产品端排出的压缩氢气的温度和压力高于进料端的氢气。在较高的压力下，氢气中水的最大可能摩尔分数较低，这是因为气体“容纳”水蒸汽的能力降低。因此，如果在气体被冷却回到预定的进料温度的同时维持这种较高的压力，则过量的水蒸汽凝结并从压缩氢气中去除。一旦该气体膨胀并被再循环至压缩级的进料端，其水的摩尔分数与未再循环的氢气相比已经被降低。
因此，一旦添加到新鲜的湿的氢进料中，该再循环的氢将降低被进料到压缩级的氢气的总表观分子量。因此，当压缩湿的氢气时，这种再循环氢气的方法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，在各级之间去除的水的量以及因此表观分子量的降低导致在再循环时压力比的降低。
例如，氢气在级1中被压缩至2.5巴的规定的排放压力。在各级之间，气体在冷却器中温度降低，并且失去水(0.067至0.030的水摩尔分数)，因此具有降低的表观分子量(3.089mol.wt.至2.488mol.wt.)。在下面的实例中，所有这些气体随后被减压至级1的进料压力，并通过级1再循环回来。结果是1级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。
Figure BDA0003545926410000061
Figure BDA0003545926410000071
表1还表明，对于处于不同的温度和压力、但具有相同的水的摩尔分数的气体，在一个温度和压力下该气体被完全水饱和(相对湿度为100％)的点将是如何不同的。
例如，对于在级2的入口处的预定的进料温度和压力，其中正常进料氢气具有0.030的水摩尔分数，相对湿度为100％(即其完全水饱和)。然而，对于在级1的入口处的预定的进料温度和压力下的相同进料气体(在完全再循环期间)，相对湿度仅为44％(即，其仅部分水饱和)，尽管具有相同的水的摩尔分数。
如下文更详细阐述的，可能存在从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来自再循环系统。
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。
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。
在一些实施例中，从电解槽供应的氢气的质量流量处于初始级的预定的进料温度和压力。
在一些实施例中，来自电解槽的氢气是可变的，因此氢气可以从如下所述的存储系统或从再循环系统被添加到其中。
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。
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，冷却器同时从压缩气体中去除压缩的热量，并且还从由下游压缩级的产品端进料的减压的再循环的氢气中去除压缩的热量。
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具有进料端和产品端的离心压缩级。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式压缩机。优选地，多级压缩系统中至少压缩的第一或初始级包括离心式压缩机。
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。
由多级压缩系统产生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以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在第一区段下游的至少一个另外的区段。
在特定的实施例中，多级压缩系统具有两个区段，第一(低压或“LP”)区段，其中氢气从多级压缩系统的进料压力被压缩至在约2巴至约6巴的范围内的第一高压；以及第二(中压或“MP”)区段，其中氢气从第一高压被压缩至最后高压。例如，最后高压可以是任何下游工艺期望的压力。
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。
在下文中，为了简明起见，至少一个离心压缩级有时可以被简称为“级”或“压缩级”。应当理解，除非另有说明，否则提及至少一个离心压缩级可以适用于压缩的初始、中间或最后级中的任何一个。
压缩进料条件
在本发明中，氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下被进料到离心压缩级的进料端。
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”和氢气被认为完全水饱和(即具有100％相对湿度)的条件。这是因为可以存在于气相中的水蒸汽的最大量取决于温度和压力。
因此，压力越高，对于给定的温度达到氢气的完全水饱和所需的水的摩尔分数越低，并且反之亦然。类似地，温度越高，在给定的压力下达到氢气的完全水饱和所需的水的摩尔分数越高，并且反之亦然。
因此，用水完全饱和氢气所需的水的摩尔分数也将取决于该特定级的预定的进料温度和压力。因此，在其中每个后续级增加压力(但其中进料温度维持相同)的多级压缩系统中，氢气中水的最大可能摩尔分数对于每个后续级将更低。
在本发明中，“预定的水的摩尔分数”对应于在再循环期间待维持在离心压缩级的氢气进料中的水的期望摩尔分数，并且由用户选择。优选地，预定的水的摩尔分数是在没有任何再循环的情况下氢气进料中水的摩尔分数，即优选地，水的摩尔分数被维持在没有任何再循环发生的情况下的初始水平。
可以设想，如果氢气进料中的氢气已经用水饱和，例如通过注入水，则预定的水的摩尔分数可以等于所述饱和后氢气进料中的水的摩尔分数(但是没有任何再循环)。
关于用水饱和氢气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 FOR COMPRESSINGHYDROGEN GAS IN A CENTRIFUGAL COMPRESSOR)”提交，其内部参考编号为“08231USA”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。
在本文的一些优选实施例中，预定的水的摩尔分数等于对于相关级的进料条件(即，在预定的进料温度和压力下)，氢气被认为基本上完全被水蒸汽饱和的水的摩尔分数。换句话说，优选的是预定的摩尔分数是在预定的进料温度和压力下水的最大可能摩尔分数。这又提供了高的表观分子量，其导致离心式压缩机的最佳性能。
例如，如果预定的进料温度为40℃，并且预定的进料压力为1.1巴，那么预定的水的摩尔分数可以为约0.067，这是在该温度和压力下氢气完全被水蒸汽饱和时的水摩尔分数。作为另外的实例，如果预定的进料温度是40℃，并且预定的进料压力是6巴，那么预定的水的摩尔分数可以是约0.012，这是在该温度和压力下氢气完全被水蒸汽饱和时的水摩尔分数。
在一些实施例中，预定的水的摩尔分数可以是在进料条件下氢气被认为具有约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％的相对湿度时的摩尔分数。在一些实施例中，预定的水的摩尔分数(mol/mol)为约0.0005或更多、约0.002或更多，优选地约0.005或更多，和约0.12或更少、0.10或更少，优选地0.08或更少。在一些特定的实施例中，预定的水的摩尔分数(mol/mol尔)为约0.0005至约0.12、约0.002至约0.10，优选地约0.005至约0.08。
在其中离心压缩级为初始或中间级的一些实施例中，预定的水的摩尔分数(mol/mol)为约0.01或更多、约0.02或更多，优选地约0.025或更多，和约0.12或更少、0.10或更少，优选地0.08或更少。在一些特定的实施例中，预定的水的摩尔分数(mol/mol)为约0.01至约0.12、约0.02至约0.10，优选地约0.025至约0.08。
在本发明中，将氢气进料在预定的进料温度下进料到离心压缩级。如果从上游级供应氢气，则氢气在中间冷却器中被冷却至预定的进料温度。
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℃。
在一些实施例中，预定的进料温度为约20℃至约60℃，并且预定的水的摩尔分数为约0.002至约0.12。在一些优选的实施例中，预定的进料温度为约30℃至约50℃，并且预定的水的摩尔分数为0.005至约0.08。
优选地，对于多级压缩系统的每一级，预定的进料温度是相同的。然而，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，预定的进料温度可以较高，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℃，并且预定的水的摩尔分数为约0.002至约0.10。
液态水的存在对于进入压缩机的进料是不期望的。因此，在一些实施例中，相分离器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中去除任何液态水。例如，合适的相分离器可以包含压缩洗涤器。
再循环系统
多级压缩系统包括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的再循环系统。
如上所述，使来自在压缩级的产品端的冷却器的一部分氢气循环并将其传送到进料端的再循环系统是公知的。例如，在其中氢气供应的质量流量低于压缩机的稳定操作所需的时段期间，可以使用再循环系统来防止压缩机喘振。
相反，本发明的发明人设计了一种工艺，该工艺避免了当气体在高压下冷却时发生的水的凝结。在该工艺中，根据需要，从离心压缩级的产品端去除一部分氢气，在任何冷却步骤之前，在再循环系统中减压至预定的进料压力(使得不发生水蒸汽的凝结)，以提供减压氢气。然后将减压氢气再循环以形成至少部分进入离心压缩级的氢气进料。
通过在任何冷却步骤之前降低再循环的氢气的压力，不会发生水的凝结，并且水的摩尔分数不会显著降低。因此，一旦加入到离心压缩级的进料端，氢气进料中水的摩尔分数也不会显著降低。
在氢气的再循环部分被减压后，其在下文中也可以被简称为“再循环的氢气”。压力可以通过任何常规的方式被降低，特别是通过让气体通过阀。
氢气的冷却
在本发明中，在任何冷却步骤之前，氢气的再循环部分被减压到预定的进料压力，即减压氢气在离心压缩级中经历压缩后仍然是热的。以这种方式，本发明的工艺再循环氢气而不降低其水的摩尔分数(因此不降低其表观分子量)。
然而，可以预期，在没有任何冷却步骤的情况下，热的再循环的氢气一旦被添加到湿的氢气中，将不利地增加被进料到离心压缩级的氢气进料的温度。不期望的是，被进料到离心式压缩机的氢气的温度高于预定的进料温度。这是因为较高的入口压力将会导致较高的压缩机功率，增加操作成本。
因此，本发明的工艺还包括冷却包括减压氢气的氢气。将明显的是，当氢气被再循环时，氢气仅包括减压氢气，并且因此将仅在有氢气被再循环的情况下(即，当存在减压氢气可用于冷却时)被冷却。
这允许减压氢气中的压缩的热量被至少部分地、但优选地完全地被去除。此外，通过在预定的进料压力下冷却再循环的减压氢气，基本上没有发生水的凝结，因此其水的摩尔分数基本上没有降低。
如下文更详细阐述的，包括减压氢气的氢气的冷却可以在再循环系统中进行，或另选地可以在氢气进料被进料到压缩级之前在氢气进料内进行。
在一些实施例中，将包括减压氢气的氢气冷却至处于或高于减压氢气的露点温度的温度。换句话说，减压氢气不会被冷却到低于水蒸汽将开始从中凝结的温度。可以使用本领域中已知的方法来测量露点温度，诸如露点型阻抗传感器、凝结传感器或饱和氯化锂探针。
然而，在其中包括减压氢气的氢气被冷却至处于预定的进料温度或高于预定的进料温度的温度的实施例中，不需要露点温度传感器。这是因为预定的进料温度始终等于或高于减压氢气的露点温度。
因此，换句话说，只要减压氢气被冷却回到在没有任何再循环的情况下氢气进料所处的温度，即预定的进料温度，或更高，那么在减压氢气中将没有水蒸汽的凝结或水的摩尔分数的减少。在这种情况下，只需要监控或测量温度。
在一些实施例中，将包括减压氢气的氢气冷却至预定的进料温度的约±5℃以内，或优选地约±2℃以内，更优选地约±1℃以内的温度。在一些优选的实施例中，将包括减压氢气的氢气冷却至基本上预定的进料温度。
在一些实施例中，工艺包括测量离心压缩级的氢气进料的温度，并且基于测量的温度进行冷却。换句话说，工艺可以包括冷却，直到氢气进料的测量温度基本上达到预定的进料温度。
例如，可以使用控制系统来确定和执行包括减压氢气的氢气被冷却的程度。
在其中在没有任何再循环的情况下氢气进料完全水饱和的实施例中，进料的露点温度可以等于预定的进料温度。在这样的实施例中，所述工艺可以包括冷却包括减压氢气的氢气，直到可忽略量的过量水开始从减压氢气凝结。例如，进料中液态水的形成速率的增加可能表明已经达到露点温度(和预定的进料温度)。例如，检测液态水的形成速率可以通过测量通过离心压缩级上游的相分离器去除液态水的速率来实现(这也可以用于确保没有液态水进入压缩机)。
如上所述，在一些实施例中，包括减压氢气的氢气在再循环系统中冷却。换句话说，减压的再循环的氢气可以在其在离心压缩级的进料端被加入到氢气中之前被冷却。在这些实施例中，减压氢气被冷却以部分地、但优选地完全地去除通过压缩添加的热量。
如上所述，在其他实施例中，在包括减压氢气的氢气被进料到压缩级之前，在氢气进料中将其冷却。换句话说，通过冷却未再循环的氢气和再循环的减压氢气的组合流。在该实施例中，工艺包括冷却组合流，使得氢气进料中水的摩尔分数为预定的水的摩尔分数。
在其中包括减压氢气的氢气在氢气进料中被冷却的这些实施例中，氢气被冷却以部分地、但优选地全部去除通过压缩添加的热量。如果离心压缩级是初始级，则压缩的热量仅从减压氢气中去除。然而，如果离心压缩级是中间或最后级，则压缩的热量也从由上游压缩级的产品端接收的氢气中去除。
在氢气进料中冷却的特别的优点是，实施本发明只需要一个冷却器，因为级之间的单个冷却器既充当(i)冷却在上游级中压缩的氢气的中间冷却器，又充当(ii)冷却被再循环用于当前级的减压氢气的冷却器。
在一些不太优选的实施例中，减压氢气在再循环系统中被部分冷却，然后一旦其被添加到氢气进料中就被进一步冷却。
换句话说，减压氢气被冷却而没有显著降低其表观分子量。这也意味着，当减压氢气形成氢气进料的一部分时，其基本上不会降低被进料到离心压缩级的氢气进料的表观分子量。
优选地，冷却减压氢气，使得氢气进料的表观分子量基本上根本不降低。
在一些实施例中，冷却包括减压氢气的氢气，使得被进料到离心压缩级的氢气进料的表观分子量(以g/mol计)为约2.05至约5，例如约2.1至约4，或优选地约2.2至约3.5。
包括减压氢气的氢气可以使用任何合适的手段冷却，包含但不限于使用中间冷却器或外部冷却单元。例如，其他手段可能包含使用与空气、冷却水、工艺流或其他制冷剂流体的间接热交换，或用水直接接触冷却。
本发明提供了一种在级周围再循环氢气而基本上不降低被进料到离心压缩级的氢气中的水的摩尔分数的方法，如上所述，这允许接收气体的离心压缩级维持最佳性能。
此外，这允许被进料到离心压缩级的氢气的表观分子量维持在离心式压缩机的性能几乎没有或没有下降的水平。这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。
第二温度控制
在本发明方法的一些实施例中，多级压缩系统包括：
在离心压缩级下游的第二离心压缩级，所述第二离心压缩级包括进料端和产品端，
用于将一部分氢气从第二离心压缩级的产品端再循环到进料端的第二再循环系统，
其中将氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下进料到第二离心压缩级的进料端：
其中根据需要从第二离心压缩级的产品端去除一部分氢气，在任何冷却步骤之前在第二再循环系统中减压至预定的进料压力，以提供减压氢气，该减压氢气然后被再循环以形成至少一部分进入第二离心压缩级的氢气进料；和
其中工艺包括冷却第二级的氢气进料中的包括减压氢气的氢气，使得第二级的氢气进料中的水的摩尔分数为预定的水的摩尔分数。
在下面的描述中，为了简洁起见，第一离心压缩级和第二离心压缩级有时可以分别被称为“第一级”和“第二级”。本文中提及“级”或“该级”可以指任何特定的级，这取决于所使用的上下文。
应当理解，第二级的预定的进料压力将不同于第一级的预定的进料压力，因为氢气在每个下游级被进一步压缩。
在一些优选的实施例中，第二预定的进料温度可以与第一预定的进料温度相同。在替代的实施例中，如上所述，第二预定的进料温度可以高于第一预定的进料温度，诸如高出约5℃至约30℃，优选地高出约5℃至约15℃。在一些实施例中，第二预定的进料温度为约20℃至约90℃，优选地约30℃至约70℃，更优选地约35℃至约60℃。
应当理解，关于第二级的预定的水的摩尔分数可以不同于第一级。例如，如果预定的水的摩尔分数是级进料条件下的最大可能摩尔分数，则在第二级的入口处的较高压力条件下(并且假设进料温度相同)，水的最大摩尔分数将较低。
在本发明中，“预定的水的摩尔分数”对应于在再循环期间待维持在第二级的氢气进料中的期望的水的摩尔分数，并且由用户选择。优选地，预定的水的摩尔分数是在没有任何再循环的情况下第二级的氢气进料中的水的摩尔分数-即优选地，水的摩尔分数维持在没有任何再循环发生的情况下的原始水平。
在更进一步的优选实施例中，用于第二级的预定的水的摩尔分数是第二级的进料条件的最大可能摩尔分数-即第二级的氢气进料优选地完全被水蒸汽饱和。
在一些实施例中，用于第二级的预定的水的摩尔分数(mol/mol)为约0.0005或更多、约0.002或更多，优选地约0.005或更多，和约0.12或更少、0.10或更少，优选地0.08或更少，或约0.0005至约0.12、约0.002至约0.10，优选地约0.005至约0.08。
在其中离心压缩级为中间或最后级的一些实施例中，预定的水的摩尔分数(mol/mol)为约0.001或更多、约0.0015或更多，优选地约0.004或更多，和约0.10或更少、0.08或更少，优选地0.07或更少，或约0.001至约0.10、约0.0015至约0.08，优选地约0.004至约0.07。
因此，还应理解，被进料到第二级的氢气的表观分子量可能与被进料到第一级的氢气不同。
在一些实施例中，第二再循环系统可以与第一再循环系统相同。因此，以上关于第一再循环系统的讨论适用于第二再循环系统。在第二再循环系统中，根据需要，从第二离心压缩级的产品端去除一部分氢气，在任何冷却步骤之前，在第二再循环系统中减压到预定的进料压力，以提供减压氢气，然后将该减压氢气再循环以形成至少一部分进入第二离心压缩级的氢气进料。
在氢气的再循环部分在第二再循环系统中被减压后，其在下文中可以被称为“减压氢气”或“再循环的氢气”。压力可以通过任何常规的方式降低，特别是通过让气体通过阀。
在具有第二再循环的实施例中，工艺包括冷却第二离心压缩级的氢气进料中的包括减压氢气的氢气，使得第二级的所述氢气进料中的水的摩尔分数为预定的水的摩尔分数。
因此，在这些实施例中，工艺包括在氢气进料被进料到第二离心压缩级之前冷却氢气进料。因此，该进料中被冷却的气体包括：
(i)来自第一离心压缩级的产品端的氢气，和
(ii)来自第二再循环系统的减压的再循环的氢气。
换句话说，冷却将第一级(i)中的压缩的热量去除，同时将从第二级再循环的(ii)中的压缩的热量去除。
因此，在该实施例中，来自第一级的产品端的氢气和来自第二再循环系统的减压氢气作为第二级上游的组合流被冷却。这与用于压缩机的再循环系统的已知布置相反，因为第二减压氢气与来自第一级的产品端的氢气在冷却发生的位置的上游而不是下游(即，中间冷却器的上游而不是其下游)结合。
当来自第一级的产品端的氢气被冷却时，应当理解，这是压缩气体在级之间的有效“中间冷却”。如上所述，在第二级的进料压力下，氢气中水的最大可能摩尔分数将低于第一级。因此，来自第一压缩级的产品端的氢气的冷却必然导致在准备第二级进料条件时从该气体中损失一些水蒸汽。换句话说，对于第二级的进料条件，未再循环的气体中的水的摩尔分数将在“中间冷却”期间降低，但所述氢气仍将被水蒸汽完全饱和。
应当注意的是，尽管当冷却来自第一级的产品端的氢气时可能会有一些水蒸汽损失，但当冷却来自第二再循环系统的减压氢气时仍将基本上没有水蒸汽损失-因为该气体已被“中间冷却”，在其被再循环前为第二级做准备。
该实施例的特别优点在于，除了中间冷却器之外，不需要额外的冷却单元来实施该工艺。在该实施例中，工艺从第二级的产品端去除部分再循环的氢气，并在任何冷却步骤之前降低其压力。然后将其进料到第一级和第二级之间的中间冷却器上游的第二离心压缩级的进料端。然后，中间冷却器相应地调节组合流的温度，以冷却(i)来自第一离心压缩级的产品端的氢气，和(ii)来自第二再循环系统的减压的再循环的氢气。
以这种方式，(i)来自第一级的产品端的氢气被中间冷却，和(ii)来自再循环系统的减压氢气被冷却，而基本上不降低其水的摩尔分数，由此为第二离心压缩级的氢气进料提供预定的水的摩尔分数。
来自第一级的产品端的氢气和第二减压氢气的温度可以以与上述具有第一离心压缩级和第一再循环系统的工艺相同的方式降低。
然而，应当理解，由于来自第一级的产品端的氢气将总是包含来自压缩的热量，因此无论氢气的再循环的量如何，都将需要至少部分地、但优选地全部去除这种热量。如上所述，这实际上是“中间冷却”，因此可能必然导致来自该气体的一些水蒸汽的凝结。很明显，由于添加了来自再循环系统的热的减压氢气，因此只需要进一步冷却。
通过在减压下冷却再循环的氢气，基本上不发生来自所述再循环的氢气的水的凝结，因此其水的摩尔分数基本上没有降低。这导致氢气进料中的水的摩尔分数被进料到第二级，其为预定的水的摩尔分数。这反过来又允许接收气体的离心式压缩机维持最佳性能。
在一些实施例中，将第二离心压缩级的氢气进料中的减压氢气冷却至处于或高于其露点温度的温度。换句话说，减压氢气不会被冷却到低于水蒸汽将开始从中凝结的温度。可以使用本领域中已知的方法(诸如露点型阻抗传感器、凝结传感器或饱和氯化锂探针)来测量露点温度。
然而，在其中包括减压氢气的氢气被冷却到处于或高于第二预定的进料温度的温度的实施例中，不需要露点温度传感器。这是因为第二预定进料温度始终等于或高于再循环的减压氢气的露点温度。
因此，换句话说，只要减压氢气被冷却回到在没有任何再循环的情况下氢气进料所处的温度，即第二预定的进料温度，或更高，那么在减压氢气中将没有水蒸汽的凝结或水的摩尔分数的减少。在这种情况下，只需要监控或测量温度。
在一些实施例中，将包括减压氢气的氢气在第二离心压缩级的氢气进料中冷却至第二预定进料温度的约±5℃以内或约±2℃以内或优选地约±1℃以内。在一些优选的实施例中，将包括减压氢气的氢气在第二离心压缩级的氢气进料中冷却至基本上第二预定的进料温度。
在一些实施例中，工艺包括测量第二离心压缩级的氢气进料的温度，并基于测量的温度进行冷却。换句话说，工艺可以包括冷却氢气进料中包括减压氢气的氢气，直到第二级的氢气进料的测量温度达到第二预定的进料温度。
例如，可以使用控制系统来确定和执行第二级的氢气进料中包括减压氢气的氢气被冷却的程度。
在一些实施例中，通过从来自第一级的产品端的氢气中去除压缩的热量并从来自第二再循环系统的减压氢气中去除压缩的热量来冷却包括减压氢气的氢气。
在其中在没有任何再循环的情况下第二级的氢气进料完全水饱和的实施例中，其露点温度等于第二预定的进料温度，并且工艺可以包括冷却包括减压氢气的氢气，直到可忽略量的过量水开始从减压氢气中凝结。例如，进料中液态水的形成速率的增加可能表明已经达到露点温度(和预定的进料温度)。例如，检测液态水的形成速率可以通过测量经由第二离心压缩级上游的相分离器(其也可以用于确保没有液态水进入压缩机)去除液态水的速率来实现。
换句话说，减压氢气被冷却而没有显著降低其表观分子量。这也意味着，当减压氢气形成第二级的氢气进料的一部分时，其基本上不会降低被进料到第二离心压缩级的氢气进料的表观分子量。优选地，减压氢气被冷却，使得减压氢气的表观分子量基本上根本不降低。在一些实施例中，冷却包括减压氢气的氢气，使得被进料到第二离心压缩级的氢气进料的表观分子量(以g/mol计)为约2.05至约5，例如约2.1至约4，或优选地约2.2至约3.5。
包括减压氢气的氢气可以使用任何合适的手段冷却，该手段可以是上面已经确定的任何手段。
这提供了一种在第二级周围再循环氢气而基本上不降低第二级的氢气进料中的水的摩尔分数的方式，如上所述，这允许接收气体的压缩机第二级维持最佳性能。此外，这允许被进料到第二级的氢气进料的表观分子量维持在第二离心式压缩机的性能不受负面影响的水平。这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。这种布置的特别的优点是，其还允许在不使用任何附加冷却器的情况下实现这些效果。
氢储存
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来自存储器的减压氢气。压力可以通过任何常规的方式被降低，特别是通过让气体通过阀。本节中提到的“减压氢气”是指来自存储器的氢气(因此与再循环系统中的减压氢气不同)。
来自存储器的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。优选地，来自存储器的减压氢气的压力是用于特定压缩级的预定的进料压力，该减压氢气将被进料到该特定压缩级。
在一些实施例中，来自存储器的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，来自存储器的减压氢气将处于最后级的进料的入口压力(即最后级的预定的进料压力)下。
在其他实施例中，来自存储器的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，来自存储器的减压氢气将处于中间级的进料的入口压力(即最后级的预定的进料压力)下。
优选地，来自存储器的减压氢气也在预定的进料温度下被进料到离心压缩级。
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，来自存储器的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，来自存储器的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，来自存储器的减压氢气将是多级压缩系统的预定的进料压力，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来自存储器的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，在来自存储器的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，并且来自存储器的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)。
在优选的实施例中，来自存储器的减压氢气可以通过将其进料到用于所述级的中间冷却器的上游而被进料到任何上述离心压缩级。这样做的特别的优点是，在减压氢气是干燥的(例如已经被纯化)的情况下，将其加入到湿的氢气中会将组合流中水的总摩尔分数降低到低于中间冷却器通过凝结从湿的氢气中去除水蒸汽的水平。因此，通过在中间冷却步骤之前添加减压氢气，可以减少在所述步骤期间去除的水蒸汽的总量。
可以设想，在将来自储存器的减压氢气添加到氢气进料中的情况下，这将降低氢气进料中的水的摩尔分数，即使在没有任何再循环的情况下。
在这些情况下，将选择该级的预定的水的摩尔分数，使得其等于含有来自存储器的减压氢气的氢气进料中的水的摩尔分数，因为其在没有任何再循环的情况下被进料到离心压缩级。根据本发明，在从该级的进料端循环来自产品端的氢气期间，水的该预定摩尔分数随后被维持在氢气进料中。
另选地，在对于级需要水的更高的预定摩尔分数的情况下，例如，可以采用增加来自存储器的包括减压氢气的氢气中的水的摩尔分数的方法，诸如通过注入水。
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：
入口端、出口端以及离心压缩级，离心压缩级具有进料端和产品端，入口端经由进料集管与多个电解槽流体流动连通；和
再循环系统，其与离心压缩级的产品端和进料端流体流动连通，再循环系统包括：阀，用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低至预定的进料压力以提供减压氢气；
冷却器，用于冷却再循环系统中和/或离心压缩级的进料集管中的包括减压氢气的氢气。
在一些实施例中，多级压缩系统包括：
在第一离心压缩级下游的第二离心压缩级，第二级包括进料端和产品端，并且进料端经由进料集管与第一离心压缩级的产品端流体流动连通；和
与第二级的产品端和进料端流体流动连通的第二再循环系统，第二再循环系统包括：阀，用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低至第二级的预定进料压力，以提供减压氢气；
第二冷却器，用于冷却第二离心压缩级的进料集管中的包括减压氢气的氢气。
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，多级压缩系统包括具有进料端和产品端的离心压缩级。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任何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，优选在第三集管中的任何中间冷却的上游。
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，优选在第二集管中的中间冷却器的上游。
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水的摩尔分数。
再循环系统
装置包括一个或多个再循环系统。再循环系统与离心压缩级的产品端和进料端流体流动连通。再循环系统包括用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低至预定的进料压力以提供减压氢气的阀。
阀根据需要多少再循环的氢气来控制再循环的氢气的量，即根据流向压缩机的进料端的氢气流量的变化来控制。
冷却器
装置包括冷却器。冷却器用于根据需要冷却包括减压氢气的氢气。冷却器可以位于再循环系统中和/或离心压缩级的进料集管中。
合适的冷却器的类型在本领域中是已知的，诸如例如能够使用与空气、冷却水、工艺流或其他制冷剂流体的间接热交换，或者与水的直接接触冷却的冷却器。在一个特定的实例中，冷却器可以是“壳管式”冷却器，其使用冷却水流来调节气体的温度。
控制系统
在一些实施例中，装置包括用于监控和冷却包括减压氢气的氢气的控制系统，使得氢气进料中水的摩尔分数处于预定的水的摩尔分数。应当理解，可以使用这样的控制系统来实施与本发明的方法相关的上述特征。
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离心压缩级的进料端的氢气进料的温度的信息。在其中在再循环系统中发生冷却的一些实施例中，控制系统可以考虑减压氢气的温度，以便控制冷却的程度。
通过将包括减压氢气的氢气冷却至预定的进料温度来控制该氢气的温度，氢气进料中水的摩尔分数被维持在预定的水的摩尔分数。
可以控制冷却程度的一种方式是通过使用旁路，例如，在将减压氢气与冷却的减压氢气重新组合之前，该旁路将不同量的减压氢气引导到冷却器周围。
在其中使用存储系统的实施例中，装置可以包括控制系统，控制系统不仅控制压缩氢气从多级压缩系统到存储系统的流动速率，例如在氢气生产超过需求的时段期间，而且还控制压缩氢气从存储系统到多级压缩系统的流动速率，例如在氢气需求超过生产的时段期间。
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，压力控制器将被维持在进料到下游工艺的排放集管上。
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被关闭。
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，表明氢气产生的水平已经返回到所需的水平，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也将被打开，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。
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。
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，工艺包括：
电解水以产生氢气，和
在多级压缩系统中压缩氢气以产生压缩氢气；
多级压缩系统包括：
具有进料端和产品端的离心压缩级，和
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，
其中氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下被进料到离心压缩级的进料端；
其中根据需要，从产品端去除一部分氢气，在任何冷却步骤之前，在再循环系统中减压至预定的进料压力，以提供减压氢气，然后将其再循环以形成至少一部分进入离心压缩级的氢气进料；和
其中工艺包括冷却包括减压氢气的氢气，使得氢气进料中水的摩尔分数为预定的水的摩尔分数。
#2.根据方面#1所述的工艺，其中包括减压氢气的氢气被冷却至预定进料温度的约±2℃内的温度。
#3.根据任何前述方面所述的工艺，其中预定的进料温度为约20℃至约60℃。
#4.根据任何前述方面所述的工艺，其中离心压缩级的氢气进料具有在约2.2至约3.5的范围内的表观分子量。
#5.根据任何前述方面所述的工艺，其中冷却后包括减压氢气的氢气的表观分子量等于氢气进料的表观分子量。
#6.根据任何前述方面所述的工艺，其中离心压缩级是多级压缩系统的初始级。
#7.根据任何前述方面所述的工艺，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。
#8.根据任何前述方面所述的工艺，其中压缩氢气在至少一个下游工艺中被消耗，并且其中在由电解产生的氢气比下游工艺所需的氢气多的时段期间，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至存储器；和
其中在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，并且在适当的减压之后，将所述氢气从存储器进料到多级压缩系统的级。
#9.根据方面#8所述的工艺，其中来自存储器的所述氢气通过将其进料到所述级的上游的中间冷却器而被进料到多级压缩系统的级。
#10.根据任何前述方面所述的工艺，其中在再循环系统中冷却包括减压氢气的氢气。
#11.根据任何前述方面所述的工艺，其中在氢气进料中冷却包括减压氢气的氢气。
#12.根据任何前述方面所述的工艺，其中多级压缩系统包括：
在离心压缩级下游的第二离心压缩级，所述第二级包括进料端和产品端，
用于将一部分氢气从第二级的产品端再循环到进料端的第二再循环系统，
其中氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下被进料到第二级的进料端：
其中根据需要从第二级的产品端去除一部分氢气，在任何冷却步骤之前，在第二再循环系统中减压至预定的进料压力，以提供减压氢气，然后将该减压氢气再循环以形成至少一部分进入第二级的氢气进料；和
其中工艺包括冷却第二级的氢气进料中的包括减压氢气的氢气，使得第二级的所述氢气进料中的水的摩尔分数为预定的水的摩尔分数。
#13.一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：
入口端、出口端和离心压缩级，离心压缩级具有进料端和产品端，入口端经由进料集管与多个电解槽流体流动连通；和
再循环系统，其与离心压缩级的产品端和进料端流体流动连通，再循环系统包括：阀，阀用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低到预定的进料压力，以提供减压氢气；
冷却器，用于冷却再循环系统中和/或离心压缩级的进料集管中的包括减压氢气的氢气。
#14.根据方面#13所述的装置，其中多级压缩系统包括：
在第一离心压缩级下游的第二离心压缩级，第二级包括进料端和产品端，并且进料端经由进料集管与第一离心压缩级的产品端流体流动连通；和
与第二级的产品端和进料端流体流动连通的第二再循环系统，第二再循环系统包括：阀，用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低至第二级的预定进料压力，以提供减压氢气；
第二冷却器，用于冷却第二离心压缩级的进料集管中的包括减压氢气的氢气。
实例
根据图1，进料1含有从电解槽(和/或从存储器)供应的氢气，并在被进料至相分离器S100之前与来自流19的再循环的氢气混合。相分离器S100从氢气中去除液态水以提供氢气进料7，该氢气进料被进料到压缩机级K102以用于压缩。
再循环系统(17、V110和19)在压缩机K102的产品端从流9中收集热的压缩氢气作为流17。在该系统中，热的压缩氢气再循环流17在再循环冷却器E116中被冷却到压缩级K102的预定的进料温度之前，通过再循环阀V110被减压到压缩级K102的预定进料压力，以提供冷却的减压氢气流19。流19的温度也可以通过绕过冷却器E116周围的一部分流并以不同程度将其与冷却的流重新组合(未示出)来控制。
这意味着在冷却期间没有液态水被凝结，并且在流19中不存在液态水。然后将流19与进料1混合以提供混合流3。因此，当与进料1相比时，混合流3和压缩机7的进料的水含量没有变化。
图2描述了本发明的布置，其是图1的流程图中所示的布置的替代。
相同的附图标记用于表示图2中流程图的特征，这些特征与图1中的流程图相同。下面是将图2的实施例与图1所示的工艺区分开来的特征的讨论。
与图1相反，在图2中，在再循环系统中没有冷却器，而是位于氢气进料中，以冷却混合进料3。因此，在该实例中，在流19中的减压的再循环的氢气不被冷却，直到其与进料1混合作为组合流3之后。该实例特别适于离心压缩级，该离心压缩级是压缩的中间或最后级，其中冷却器既可以充当“中间冷却器”，又可以充当流19中热的再循环的氢气的冷却器。
图3描述了与图1中的级周围相同的再循环系统，但进一步描述了其与图2所示布置串联的下游级结合使用的实例。
相同的附图标记用于表示图3中流程图的特征，这些特征与图1和2中的流程图相同。以下是将图3的实施例与图1和2所示的工艺区分开来的特征的讨论。
在该实例中，其中存在串联的另一下游级，来自下游第二级(未示出)的第二减压再循环氢气流23可以与来自上游第一级K102的热排放流9混合，然后在上游级中间冷却器E106中冷却，作为单独的再循环冷却器的替代。
这种布置避免了在压缩机级的再循环期间水浓度的变化。常规压缩系统的情况并非如此，在常规压缩系统中，级(K102)周围的再循环总是在冷却(E106)和液态水去除(S100)步骤之后进行，这将降低再循环进料中的水浓度。
现在将参考含有模拟数据的以下实例更详细地阐述图3中描绘的系统。该数据是使用计算机模拟包Aspen Plus(版本号10)生成的。
Figure BDA0003545926410000321
以上实例说明了低压再循环冷却器的使用，以避免当气体在高压下冷却时发生的水的凝结。进料1被饱和，相对湿度为100％，但流量为全流量的30％。由于流量减少，再循环系统被激活，因此压缩级以100％流量操作。在冷却器E116中冷却之前阀V110中的压力降低意味着在再循环流19与进料1再混合之前没有水被凝结。该实例还说明了在中间冷却器E106中冷却从下游级进料的再循环流23。
从上述实例可以看出，本发明展示了一种在级周围再循环氢气而基本上不降低离心压缩级的氢气进料中的水的摩尔分数的方法。这又导致氢气进料具有维持离心式压缩机的最佳性能的表观分子量。
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 (14)

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；
所述多级压缩系统包括：
具有进料端和产品端的离心压缩级，和
再循环系统，用于将一部分所述氢气从所述离心压缩级的所述产品端再循环到所述进料端，
其中氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下被进料到所述离心压缩级的所述进料端；
其中根据需要从所述产品端去除一部分所述氢气，在任何冷却步骤之前在所述再循环系统中减压至所述预定的进料压力，以提供减压氢气，然后将所述减压氢气再循环以形成至少一部分进入所述离心压缩级的氢气进料；和
其中所述工艺包括冷却包括所述减压氢气的氢气，使得所述氢气进料中的水的摩尔分数处于所述预定的水的摩尔分数。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中将包括所述减压氢气的氢气冷却至所述预定的进料温度的约±2℃以内的温度。
3.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℃。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述离心压缩级的氢气进料具有在约2.2至约3.5的范围内的表观分子量。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中冷却后包括减压氢气的氢气的表观分子量等于所述氢气进料的表观分子量。
6.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的初始级。
7. 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下游的至少一个另外的区段。
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，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；和
其中在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，所述工艺包括从存储器中取出压缩氢气，并且在适当的减压之后，将所述氢气从存储器进料到所述多级压缩系统的级。
9.根据权利要求8所述的工艺，其中，通过将来自储存器的所述氢气进料到所述多级压缩系统的级上游的中间冷却器，将所述氢气进料到所述级。
10.根据权利要求1所述的工艺，其中包括减压氢气的氢气在所述再循环系统中被冷却。
11.根据权利要求1所述的工艺，其中在氢气进料中冷却包括减压氢气的氢气。
12.根据权利要求1所述的工艺，其中所述多级压缩系统包括：
在所述离心压缩级下游的第二离心压缩级，所述第二级包括进料端和产品端，
用于将一部分所述氢气从所述第二级的所述产品端再循环到所述进料端的第二再循环系统，
其中氢气进料在预定的进料温度和压力并具有预定的水的摩尔分数下被进料到所述第二级的所述进料端：
其中根据需要从所述第二级的所述产品端去除一部分所述氢气，在任何冷却步骤之前，在所述第二再循环系统中减压至所述预定的进料压力，以提供减压氢气，然后将所述减压氢气再循环以形成至少一部分进入所述第二级的氢气进料；和
其中所述工艺包括冷却所述第二级的所述氢气进料中的包括减压氢气的氢气，使得所述第二级的所述氢气进料中的水的摩尔分数为所述预定的水的摩尔分数。
13.一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，用于压缩氢气以提供压缩氢气，所述多级压缩系统包括：
入口端、出口端和离心压缩级，所述离心压缩级具有进料端和产品端，所述入口端经由进料集管与所述多个电解槽流体流动连通；和
再循环系统，所述再循环系统与所述离心压缩级的所述产品端和所述进料端流体流动连通，所述再循环系统包括：阀，用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低到预定的进料压力，以提供减压氢气；
冷却器，用于冷却所述再循环系统中和/或所述离心压缩级的所述进料集管中的包括所述减压氢气的氢气。
14. 根据权利要求13所述的装置，其中所述多级压缩系统包括：
在所述第一离心压缩级下游的第二离心压缩级，所述第二级包括进料端和产品端，并且所述进料端经由进料集管与所述第一离心压缩级的所述产品端流体流动连通；和
与所述第二级的所述产品端和所述进料端流体流动连通的第二再循环系统，所述第二再循环系统包括：阀，用于在任何冷却步骤之前将再循环的氢气的压力降低至所述第二级的预定进料压力，以提供减压氢气；
第二冷却器，用于冷却通向所述第二离心压缩级的进料集管中的包括所述减压氢气的氢气。
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