CN115371357A - 氢气循环制冷液化系统及工艺 - Google Patents

氢气循环制冷液化系统及工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN115371357A
CN115371357A CN202210996955.1A CN202210996955A CN115371357A CN 115371357 A CN115371357 A CN 115371357A CN 202210996955 A CN202210996955 A CN 202210996955A CN 115371357 A CN115371357 A CN 115371357A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen
heat exchanger
pipeline
unit
compressor
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.)
Granted
Application number
CN202210996955.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115371357B (zh
Inventor
朱凯
赵立前
罗文倩
李国辉
李洪涛
尹倩
刘春枝
张宁
党富华
蔡金洋
汪青鑫
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.)
China National Petroleum Corp
China Petroleum Pipeline Engineering Corp
Original Assignee
China National Petroleum Corp
China Petroleum Pipeline Engineering Corp
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 China National Petroleum Corp, China Petroleum Pipeline Engineering Corp filed Critical China National Petroleum Corp
Priority to CN202210996955.1A priority Critical patent/CN115371357B/zh
Publication of CN115371357A publication Critical patent/CN115371357A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115371357B publication Critical patent/CN115371357B/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
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/001—Hydrogen
    • 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
    • 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
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F25J1/0067—Hydrogen
    • 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
    • F25J1/0221—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 the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop
    • F25J1/0224—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 the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop in combination with an internal quasi-closed refrigeration 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
    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
    • F25J1/0235—Heat exchange integration
    • 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
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0292—Refrigerant compression by cold or cryogenic suction of the refrigerant gas
    • 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
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/62—Liquefied natural gas [LNG]; Natural gas liquids [NGL]; Liquefied petroleum gas [LPG]
    • 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
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/10—Hydrogen
    • 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
    • F25J2270/04—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/06—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop with multiple gas expansion loops

Landscapes

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

Abstract

本发明涉及一种氢气循环制冷液化系统及工艺。所述氢气循环制冷液化系统包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元，若干个循环制冷液化单元依次连接，利用LNG冷能，实现对原料氢气预冷。所述氢气循环制冷液化工艺基于所述氢气循环制冷液化系统。本发明有效利用了LNG冷能的同时，降低了氢气液化的能耗；氢气同时作为制冷介质和液化产物，充分利用液化过程的冷能，降低了因冷却介质间传热而引起的熵损失。

Description

氢气循环制冷液化系统及工艺
技术领域
本发明涉及一种氢气循环制冷液化系统及工艺。
背景技术
氢气作为一种优良的能源载体，具有高效、清洁、无污染和可持续等优势，是当前最有前景的清洁能源之一。与气态储氢和固态储氢相比，液氢储运具有纯度高、远距离输运成本低、加注效率高等优点，是氢储运的重要研究方向，也是氢能经济发展的重要方向。
氢气的液化温度很低，其经过压缩之后，深冷到～-250℃以下可使氢气变为液氢。因此，氢气的液化过程能耗非常高。
发明内容
为降低氢气液化能耗，本发明的目的在于提供一种氢气循环制冷液化系统及工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
氢气循环制冷液化系统，包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元；其中：
所述氢气预冷单元包括氢气制冷管路和预冷管路；所述氢气制冷管路上依次设有第一换热器、第一膨胀机、第一压缩机、第二换热器、第一转换器；所述预冷管路用于对第一换热器和第二换热器进行换热预冷；
若干个循环制冷液化单元依次连接，每个循环制冷液化单元均包括第二膨胀机、第二压缩机、第三换热器和第二转换器；所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接，或与上一个循环制冷液化单元中的第二转换器连接；从第二膨胀机中出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第三换热器并作为制冷工质管路，另一个管路经第二压缩机连接第三换热器并作为氢气产品降温管路；从第三换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接第二转换器，另外一个管路中的氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机或回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机；
所述终端制冷单元包括第三膨胀机、第三压缩机和第四换热器；所述第三膨胀机与末端循环制冷液化单元中的第二转换器连接，从第三膨胀机出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第四换热器并作为制冷工质管路，另外一个管路经第三压缩机连接第四换热器并作为氢气产品降温管路；从第四换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接气液分离单元，另一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机；
所述气液分离单元包括节流阀和气液分离器；所述节流阀与终端制冷单元中的第四换热器连接，所述气液分离器连接节流阀，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。
进一步的，当循环制冷液化单元设有多个时，按照氢气的流动方向分为最上游循环制冷液化单元和其他循环制冷液化单元；
最上游循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机；
其他循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与上一个循环制冷液化单元中的的第二转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机。
进一步的，所述预冷管路采用LNG为制冷工质。
进一步的，所述氢气预冷单元中，预冷管路在第一换热器和第二换热器处均设有LNG输入管路和天然气输出管路。
进一步的，所述气液分离器内部设有第三转换器。
进一步的，利用LNG冷能通过第一换热器将氢气预冷至-150℃以下。
进一步的，各转换器内均填充有催化剂。
进一步的，所述气液分离单元在节流阀前设有第五换热器，从所述气液分离器分离出来的氢气回流至第五换热器，所述第五换热器与终端制冷单元中的第四换热器连接，从第五换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路经节流阀连接至所述气液分离器。
进一步的，所述循环制冷液化单元为2-7个。
进一步的，所述循环制冷液化单元为3个。
进一步的，第一压缩机和第二压缩机的入口前分别设有混合器，用于第三换热器、第四换热器或第五换热器的回流氢气与第一膨胀机或第二膨胀机入流氢气的混合。
采用所述的氢气循环制冷液化系统进行氢气液化的工艺，包括：
步骤1，利用LNG冷能通过第一换热器将氢气预冷，通过第一膨胀机对外做功使氢气温度进一步降低；
步骤2，经过第一膨胀机后的氢气进入第一压缩机进行升压，再经过第二换热器冷却，在第一转换器完成正仲氢转换后进入最上游的循环制冷液化单元中第二膨胀机；
步骤3，通过所述第二膨胀机的对外做功使氢气温度进一步降低，从第二膨胀机出来的氢气分为两股，一股进入第三换热器作为制冷工质，另外一股经第二压缩机压缩升压再进入第三换热器进行冷却；
步骤4，从第三换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至第一压缩机，另外一个管路连接至第二转换器完成正仲氢转换并进入下一个循环制冷液化单元中的第二膨胀机；
步骤5，重复步骤3和步骤4，其中重复步骤4时，从第三换热器出来的氢气沿其中一个管路回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机，直至完成若干个循环制冷液化单元的循环；
步骤6，氢气从末端循环制冷液化单元的第二转换器进入第三膨胀机，从第三膨胀机出来的氢气分为两股，一股进入第四换热器作为制冷工质，另外一股经第三压缩机压缩升压再进入第四换热器进行冷却；
步骤7，从第四换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路连接至第五换热器；
步骤8，从第五换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路经节流阀连接至所述气液分离器；从所述气液分离器分离出来的氢气回流至第五换热器，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。
本发明的有益效果为：
本发明利用LNG冷能，实现对原料氢气预冷，有效利用了LNG冷能的同时，降低了氢气液化的能耗，能够将氢气液化的能耗降低到15～20kWh/kg。氢气同时作为制冷介质和液化产物，充分利用液化过程的冷能，降低了因冷却介质间传热而引起的熵损失；采用多个循环制冷液化单元循环，有效降低氢气液化系统的工作压力，降低对管道系统、换热设备等的要求；采用换热器回流氢气温度控制技术，保证回流氢气状态与汇入流股的氢气状态相同，有效降低了因氢气混合产生的
Figure BDA0003805971930000041
损失，提高系统的液化效率。采用多级正仲氢转化技术，实现在不同温度下正仲氢的充分转化，实现氢液化系统冷能的梯级有效利用。
附图说明
图1为本发明所述氢气循环制冷液化系统结构示意图；
其中，1-第一换热器，2-第一膨胀机，3-第一压缩机，4-第二换热器，5- 第一转换器，6-第二膨胀机，7-第二压缩机，8-第三换热器，9-第二转换器， 10-第三膨胀机，11-第三压缩机，12-第四换热器，13-第五换热器，14-节流阀， 15-第三转换器，16-气液分离器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
液氢是由氢液化而成的无色无臭的透明液体，是仲氢(p-H2)和正氢(o-H2) 的混合物。正氢和仲氢是分子氢的两种自旋异构体，仲氢与正氢的化学性质完全相同，而物理性质有所差异。在室温或高于室温时，正、仲氢的平衡组分比为75:25，称为标准氢(n-H2)或正常氢。低于常温时，正、仲氢的平衡组分比将发生变化，仲氢所占的百分比增加。气态氢的正仲态转化在存在催化剂的情况下才能发生，而液态氢则在没有催化剂的情况下自会自发地发生正仲转化，但转化速率较慢。氢的正仲转化是一放热反应，转化过程中放出的热量和转化时的温度有关。
如图1所示，氢气循环制冷液化系统，包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元；其中：
所述氢气预冷单元包括氢气制冷管路和预冷管路；所述氢气制冷管路上依次设有第一换热器1、第一膨胀机2、第一压缩机3、第二换热器4、第一转换器5；所述预冷管路用于对第一换热器1和第二换热器4进行换热预冷。
若干个循环制冷液化单元依次连接，每个循环制冷液化单元均包括第二膨胀机6、第二压缩机7、第三换热器8和第二转换器9；所述第二膨胀机6 与氢气预冷单元中的第一转换器5连接，或与上一个循环制冷液化单元中的第二转换器9连接；从第二膨胀机6中出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第三换热器8并作为制冷工质管路，另一个管路经第二压缩机7 连接第三换热器8并作为氢气产品降温管路；从第三换热器8出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接第二转换器9，另外一个管路中的氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机3或回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机7。
所述终端制冷单元包括第三膨胀机10、第三压缩机11和第四换热器12；所述第三膨胀机10与末端循环制冷液化单元中的第二转换器9连接，从第三膨胀机10出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第四换热器12 并作为制冷工质管路，另外一个管路经第三压缩机11连接第四换热器12并作为氢气产品降温管路；从第四换热器12出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接气液分离单元，另一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机7。
所述气液分离单元包括节流阀14和气液分离器16；所述节流阀14与终端制冷单元中的第四换热器12连接，所述气液分离器16连接节流阀14，从所述气液分离器16分离出来的液氢输出。
一种可选的实施方式，所述气液分离单元在节流阀14前设有第五换热器 13，从所述气液分离器16分离出来的氢气回流至第五换热器13作为冷却介质。这是因为经节流阀14减压降温及气液分离器16分离，此处氢气温度接近液氢温度，可以充分利用该低温氢气作为冷却介质。所述第五换热器13与终端制冷单元中的第四换热器12连接，从第五换热器13出来的氢气分为两个管路，其中一个管路中的氢气作为冷却介质回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机7，另外一个管路经节流阀14连接至所述气液分离器16。
一种可选的实施方式，当循环制冷液化单元设有多个时，按照氢气的流动方向分为最上游循环制冷液化单元和其他循环制冷液化单元；
最上游循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机6与氢气预冷单元中的第一转换器5连接；第三换热器8出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机3；
其他循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机6与上一个循环制冷液化单元中的的第二转换器9连接；第三换热器8出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机7。
一种可选的实施方式，所述预冷管路采用LNG为制冷工质。所述氢气预冷单元中，预冷管路在第一换热器1和第二换热器4处均设有LNG输入管路和天然气输出管路。利用LNG冷能通过第一换热器1将氢气预冷至-150℃以下。
一种可选的实施方式，所述气液分离器16内部设有第三转换器15，可以在气液分离器内部进一步完成正仲氢转换。
一种可选的实施方式，各转换器内均填充有催化剂，促进正仲态转化。
一种可选的实施方式，所述循环制冷液化单元为2-7个。
一种可选的实施方式，所述循环制冷液化单元为3个。
一种可选的实施方式，第一压缩机和第二压缩机的入口前分别设有混合器，用于第三换热器8、第四换热器12或第五换热器13的回流氢气与第一膨胀机2或第二膨胀机6入流氢气的混合，用于保证回流氢气状态与汇入流股的氢气状态相同，降低因氢气混合产生的
Figure BDA0003805971930000061
损失，从而提高系统的液化效率。
采用所述的氢气循环制冷液化系统进行氢气液化的工艺，包括：
步骤1，利用LNG冷能通过第一换热器1将氢气预冷到-150℃，充分利用气源压力，通过第一膨胀机2对外做功使氢气温度进一步降低。
步骤2，经过第一膨胀机2后的低温氢气与从最上游循环制冷液化单元中第三换热器8回流的低温氢气混合后，保证回流氢气状态与汇入流股的氢气状态相同，降低因氢气混合产生的
Figure BDA0003805971930000062
损失，进入第一压缩机3进行升温升压，再经过第二换热器4被LNG冷能冷却到-150℃，后在第一转换器5完成正仲氢转换后进入最上游的循环制冷液化单元中第二膨胀机6。
步骤3，通过所述第二膨胀机6的对外做功使氢气温度进一步降低，从第二膨胀机6出来的氢气分为两股，一股进入第三换热器8作为制冷工质与从第一膨胀机2出来的低温氢气混合，回流至第一压缩机3，保证回流氢气状态与汇入流股的氢气状态相同，降低因氢气混合产生的
Figure BDA0003805971930000071
损失，从而提高系统的液化效率；另外一股与下一个循环制冷液化单元中第三换热器8出来的部分氢气混合，后经第二压缩机7压缩升压再进入第三换热器8进行冷却。
步骤4，即从第三换热器8出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至第一压缩机3，另外一个管路连接至第二转换器9完成正仲氢转换并进入下一个循环制冷液化单元中的第二膨胀机6。
步骤5，重复步骤3和步骤4，其中重复步骤3和步骤4时，从第三换热器8出来的氢气，沿其中一个管路与上一个循环制冷液化单元中第二膨胀机6 出来部分氢气混合，后回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机7；沿另外一个管路进入第二转换器9完成正仲氢转换，并进入下一个循环制冷液化单元中的第二膨胀机6，直至完成若干个循环制冷液化单元的循环。
一种可选的实施方式，该循环可进行2-8次。
步骤6，氢气从末端循环制冷液化单元的第二转换器9进入第三膨胀机 10，从第三膨胀机10出来的氢气分为两股，一股进入第四换热器12作为制冷工质，与末端循环制冷液化单元中第二膨胀机6出来的部分氢气混合，后回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机7，保证回流氢气状态与汇入流股的氢气状态相同，降低因氢气混合产生的
Figure BDA0003805971930000072
损失，从而提高系统的液化效率；另外一股经第三压缩机11压缩升压再进入第四换热器12进行冷却。
步骤7，从第四换热器12出来的氢气分为两个管路，其中一个管路中氢气与末端循环制冷液化单元中第二膨胀机6出来的部分氢气混合，回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机7，另外一个管路连接至第五换热器13。
步骤8，从第五换热器13出来的氢气分为两个管路，其中一个管路中氢气与末端循环制冷液化单元中第二膨胀机6出来的部分氢气混合，回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机7，另外一个管路经节流阀14连接至所述气液分离器16；从所述气液分离器16分离出来的氢气回流至第五换热器 13，从所述气液分离器16分离出来的液氢输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.氢气循环制冷液化系统，其特征在于，包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元；其中：
所述氢气预冷单元包括氢气制冷管路和预冷管路；所述氢气制冷管路上依次设有第一换热器、第一膨胀机、第一压缩机、第二换热器、第一转换器；所述预冷管路用于对第一换热器和第二换热器进行换热预冷；
若干个循环制冷液化单元依次连接，每个循环制冷液化单元均包括第二膨胀机、第二压缩机、第三换热器和第二转换器；所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接，或与上一个循环制冷液化单元中的第二转换器连接；从第二膨胀机中出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第三换热器并作为制冷工质管路，另一个管路经第二压缩机连接第三换热器并作为氢气产品降温管路；从第三换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接第二转换器，另外一个管路中的氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机或回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机；
所述终端制冷单元包括第三膨胀机、第三压缩机和第四换热器；所述第三膨胀机与末端循环制冷液化单元中的第二转换器连接，从第三膨胀机出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第四换热器并作为制冷工质管路，另外一个管路经第三压缩机连接第四换热器并作为氢气产品降温管路；从第四换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接气液分离单元，另一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机；
所述气液分离单元包括节流阀和气液分离器；所述节流阀与终端制冷单元中的第四换热器连接，所述气液分离器连接节流阀，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。
2.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，当循环制冷液化单元设有多个时，按照氢气的流动方向分为最上游循环制冷液化单元和其他循环制冷液化单元；
最上游循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机；
其他循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与上一个循环制冷液化单元中的的第二转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机。
3.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述预冷管路采用LNG为制冷工质。
4.根据权利要求3所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述氢气预冷单元中，预冷管路在第一换热器和第二换热器处均设有LNG输入管路和天然气输出管路。
5.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述气液分离器内部设有第三转换器；各转换器内均填充有催化剂。
6.根据权利要求3所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，利用LNG冷能通过第一换热器将氢气预冷至-150℃以下。
7.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述气液分离单元在节流阀前设有第五换热器，从所述气液分离器分离出来的氢气回流至第五换热器，所述第五换热器与终端制冷单元中的第四换热器连接，从第五换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路经节流阀连接至所述气液分离器。
8.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述循环制冷液化单元为2-7个。
9.根据权利要求1或7所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，第一压缩机和第二压缩机的入口前分别设有混合器，用于第三换热器、第四换热器或第五换热器的回流氢气与第一膨胀机或第二膨胀机入流氢气的混合。
10.采用权利要求1～9任一项所述的氢气循环制冷液化系统进行氢气液化的工艺，其特征在于，包括：
步骤1，利用LNG冷能通过第一换热器将氢气预冷，通过第一膨胀机对外做功使氢气温度进一步降低；
步骤2，经过第一膨胀机后的氢气进入第一压缩机进行升压，再经过第二换热器冷却，在第一转换器完成正仲氢转换后进入最上游的循环制冷液化单元中第二膨胀机；
步骤3，通过所述第二膨胀机的对外做功使氢气温度进一步降低，从第二膨胀机出来的氢气分为两股，一股进入第三换热器作为制冷工质，另外一股经第二压缩机压缩升压再进入第三换热器进行冷却；
步骤4，从第三换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至第一压缩机，另外一个管路连接至第二转换器完成正仲氢转换并进入下一个循环制冷液化单元中的第二膨胀机；
步骤5，重复步骤3和步骤4，其中重复步骤4时，从第三换热器出来的氢气沿其中一个管路回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机，沿另外一个管路进入第二转换器完成正仲氢转换，并进入下一个循环制冷液化单元中的第二膨胀机，直至完成若干个循环制冷液化单元的循环；
步骤6，氢气从末端循环制冷液化单元的第二转换器进入第三膨胀机，从第三膨胀机出来的氢气分为两股，一股进入第四换热器作为制冷工质，另外一股经第三压缩机压缩升压再进入第四换热器进行冷却；
步骤7，从第四换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路连接至第五换热器；
步骤8，从第五换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路经节流阀连接至所述气液分离器；从所述气液分离器分离出来的氢气回流至第五换热器，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。
CN202210996955.1A 2022-08-19 2022-08-19 氢气循环制冷液化系统及工艺 Active CN115371357B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210996955.1A CN115371357B (zh) 2022-08-19 2022-08-19 氢气循环制冷液化系统及工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210996955.1A CN115371357B (zh) 2022-08-19 2022-08-19 氢气循环制冷液化系统及工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115371357A true CN115371357A (zh) 2022-11-22
CN115371357B CN115371357B (zh) 2024-05-14

Family

ID=84064736

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210996955.1A Active CN115371357B (zh) 2022-08-19 2022-08-19 氢气循环制冷液化系统及工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115371357B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108036582A (zh) * 2017-12-29 2018-05-15 上海启元空分技术发展股份有限公司 一种生产液氢的方法及其装置
CN108759301A (zh) * 2018-05-28 2018-11-06 张家港富瑞氢能装备有限公司 一种氢气液化工艺
KR20210064902A (ko) * 2019-11-26 2021-06-03 고등기술연구원연구조합 수소 액화 시스템 및 방법
KR20210072985A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 오성연료전지 주식회사 수소 액화 장치
CN113446815A (zh) * 2021-09-01 2021-09-28 杭州制氧机集团股份有限公司 一种采用混合制冷氢气液化设备及其使用方法
KR20210122922A (ko) * 2020-03-31 2021-10-13 주식회사 패리티 수소 재액화시스템
CN113776275A (zh) * 2021-10-08 2021-12-10 杨兆铭 Lng冷能预冷下的氢气液化方法
CN114034159A (zh) * 2021-10-28 2022-02-11 上海交通大学 基于双回路循环氢气制冷的氢气液化系统及使用方法
CN216384787U (zh) * 2021-11-19 2022-04-26 北京大臻科技有限公司 一种氢气液化设备及系统
US20220221220A1 (en) * 2021-01-10 2022-07-14 JTurbo Engineering & Technology, LLC Methods and systems for hydrogen liquefaction
CN114812096A (zh) * 2022-05-23 2022-07-29 中国石油大学(北京) 一种氢气与天然气联合液化系统与工艺
WO2022171485A1 (fr) * 2021-02-10 2022-08-18 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Dispositif et procédé de liquéfaction d'un fluide tel que l'hydrogène et/ou de l'hélium

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108036582A (zh) * 2017-12-29 2018-05-15 上海启元空分技术发展股份有限公司 一种生产液氢的方法及其装置
CN108759301A (zh) * 2018-05-28 2018-11-06 张家港富瑞氢能装备有限公司 一种氢气液化工艺
KR20210064902A (ko) * 2019-11-26 2021-06-03 고등기술연구원연구조합 수소 액화 시스템 및 방법
KR20210072985A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 오성연료전지 주식회사 수소 액화 장치
KR20210122922A (ko) * 2020-03-31 2021-10-13 주식회사 패리티 수소 재액화시스템
US20220221220A1 (en) * 2021-01-10 2022-07-14 JTurbo Engineering & Technology, LLC Methods and systems for hydrogen liquefaction
WO2022171485A1 (fr) * 2021-02-10 2022-08-18 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Dispositif et procédé de liquéfaction d'un fluide tel que l'hydrogène et/ou de l'hélium
CN113446815A (zh) * 2021-09-01 2021-09-28 杭州制氧机集团股份有限公司 一种采用混合制冷氢气液化设备及其使用方法
CN113776275A (zh) * 2021-10-08 2021-12-10 杨兆铭 Lng冷能预冷下的氢气液化方法
CN114034159A (zh) * 2021-10-28 2022-02-11 上海交通大学 基于双回路循环氢气制冷的氢气液化系统及使用方法
CN216384787U (zh) * 2021-11-19 2022-04-26 北京大臻科技有限公司 一种氢气液化设备及系统
CN114812096A (zh) * 2022-05-23 2022-07-29 中国石油大学(北京) 一种氢气与天然气联合液化系统与工艺

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
左然: "《普通高等教育十一五国家级规划教材可再生能源概论第3版》", 机械工业出版社, pages: 305 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115371357B (zh) 2024-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4530744A (en) Method and apparatus for the producing of liquid hydrogen
CN112361712A (zh) 一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备
CN114034158B (zh) 一种氢气液化装置
US20190063824A1 (en) Novel production equipment and production method of liquefied hydrogen and liquefied natural gas
CN113776275A (zh) Lng冷能预冷下的氢气液化方法
EP4365526A1 (en) Hydrogen liquefaction system
CN102538390B (zh) 一种天然气液化系统及其方法
CN216620451U (zh) 一种lng重整制氢和lng冷能液化氢气一体化系统
CN202813975U (zh) 一种基于缠绕管式换热器的非常规天然气液化系统
CN103398545B (zh) 一种原料气多级压缩节流的生产液化天然气的系统
CN214095167U (zh) 一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备
CN114034159A (zh) 基于双回路循环氢气制冷的氢气液化系统及使用方法
CN203310202U (zh) 一种应用于基荷型天然气液化工厂的双混合冷剂液化系统
CN104729233A (zh) 自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统
CN114777412B (zh) 一种具有热虹吸式氢过冷器的氢气液化装置
CN208398489U (zh) 液氮预冷装置
CN216204684U (zh) 基于双回路循环氢气制冷的氢气液化系统
CN115371357B (zh) 氢气循环制冷液化系统及工艺
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
CN101928617B (zh) 含氧煤层气液化分离装置
CN108489194A (zh) 液氮预冷装置
CN117168087A (zh) 模块化氢液化系统
CN114777411A (zh) 一种具再生管路的氢气液化装置
CN211977383U (zh) 氦液化及不同温度等级氦气冷源供给装置
CN108955085B (zh) 一种小型撬装式煤层气液化系统和方法

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