CN116697686A - 一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用，包含：预冷单元，深冷单元，循环单元；预冷单元包含至少一预冷换热器；深冷单元包含深冷换热器、气液分离器；气液分离器气相记为第一返流流股；循环单元包含至少1台低温压缩机组和若干膨胀机，所述低温压缩机组的运行温度为80~200K；第一返流流股从深冷换热器流出后，均通向所述压缩单元，压缩后记为循环氢气流股；循环氢气流股预冷后，分为膨胀流股和补充流股。本发明通过设置低温压缩机组，使得相同压力下，氢气的体积大大降低，从而减少了压缩机消耗的压缩功，降低了氢气制冷系统的能耗。

Description

一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用
技术领域
本发明涉及气体制冷技术领域，具体涉及一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用。
背景技术
在高压氢气和液氢的制备过程中，氢气的降温制冷都是必不可少的步骤。制冷过程涉及到膨胀-压缩循环。根据操作规范，压缩机的气体温度不得超过135℃，故对于常温压缩机而言，压比超过2.5都需要至少分为两级压缩，这大大增加了压缩机的占地。
在制冷系统能耗方面，一个很重要的部分是压缩机的能耗。现有的氢气制冷系统采用的是常温氢压缩机对氢气进行压缩，由于氢在常温下的密度较小，体积大，导致压缩机对其压缩的能耗较高。但是随着近几年来，由于耐低温材料不断取得突破，低温压缩机的技术逐渐成熟，在低温下对于循环氢进行压缩就成为了一种可能的方案。
发明内容
本发明的目的是通过在低温下对于氢气进行压缩，降低氢气制冷系统能耗，而且减少压缩机使用级数，从而减少占地面积。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用低温压缩的氢气制冷系统，包含：预冷单元，深冷单元，循环单元；
所述预冷单元包含至少一预冷换热器，用于给原料氢流股预冷；
所述深冷单元包含深冷换热器、气液分离器、过冷器；所述原料氢流股离开所述预冷单元后，经过所述深冷换热器形成气液两相后，到达气液分离器，其中气相记为第一返流流股，作为冷流股回流到深冷换热器；而液相进入过冷器冷却到18K±5K后，分流为产品流股和第二返流流股；所述产品流股通往产品收集容器；所述第二返流流股节流降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器；
所述循环单元包含至少1台低温压缩机组和若干膨胀机，所述低温压缩机组的运行温度为80~200K；所述第一、第二返流流股从深冷换热器流出后，均通向所述低温压缩机组且合并，合并后的流股记为循环氢气流股；所述循环氢气流股通过所述预冷换热器预冷后，分为膨胀流股和补充流股，所述补充流股经过所述深冷换热器后，到达所述气液分离器；所述膨胀流股经过所述深冷换热器和膨胀机降温降压后，又作为冷流股依次流向所述深冷换热器、预冷换热器，最终回到低温压缩机组且并入所述循环氢气流股；
所述膨胀机均包含压缩端，其利用膨胀功给气体加压；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，流经所述膨胀机的压缩端加压后，再通向所述低温压缩机组；所述膨胀机选用气体轴承膨胀机；轴承气为氢气，由所述压缩机组或所述膨胀机压缩端的氢气分出一股提供；所述轴承气在进入轴承前，先通过一减压阀减压至0.6~0.8MPa。
较佳地，所述深冷单元还设有第一J-T阀、第二J-T阀、第三J-T阀；所述原料氢流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第一J-T阀降温降压，形成气液两相；所述补充流股，经过所述深冷换热器后，还经过所述第二J-T阀降温降压，形成气液两相；所述第二返流流股经过所述第三J-T阀降温降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器。
较佳地，所述深冷换热器的原料氢通道内设有正仲氢催化剂，用于对所述原料氢进行连续的正仲转化。
较佳地，所述预冷单元还包含第一净化器和第一正仲氢转化器；原料氢流股经过所述预冷换热器预冷；然后依次经过所述第一净化器和第一正仲氢转化器，转化到正仲氢含量处于平衡态后，再次经过所述预冷换热器，冷却至制冷剂设计温区。
较佳地，所述氢气制冷系统还设有第二净化器，所述循环氢气流股通过所述第二净化器除去杂质，所述第一净化器和所述第二净化器用于吸附杂质气体。
所述氢气制冷系统还设有第二正仲氢转化器；所述补充流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第二正仲氢转化器。
较佳地，所述预冷换热器包含换热温度依次降低的第一预冷换热器和第二预冷换热器，进一步地，所述第一预冷换热器中，原料氢气从常温被制冷至130K±10K，所述第二预冷换热器中，原料氢气从130K±10K被制冷至90K±10K；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，作为冷流股经过所述第二预冷换热器，再通向所述低温压缩机组。
进一步地，所述第一预冷换热器中，制冷剂为液态甲烷和液氮；所述第二预冷换热器中，制冷剂为液氮。
较佳地，所述膨胀机包含第一膨胀机和第二膨胀机，所述第一膨胀机、第二膨胀机数量均为0~3台；所述第一返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第一膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组；所述第二返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第二膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组。
本发明还公开了上述利用低温压缩的氢气制冷系统的应用，其可用于陆地或海上的氢气制冷。
本发明的有益效果包含：
压缩机组为运行温度在80~200K的低温压缩机组，使得相同压力下，氢气的体积大大降低，从而减少了压缩机消耗的压缩功，降低了氢气制冷系统的能耗。
低温压缩的情况下，实际上使得压缩机的工作温度范围更大，从而减少压缩机使用级数，并减少占地面积。
本发明通过设置过冷器，减少了液氢的闪蒸，使液氢蒸发损失小，安全隐患小。
本发明的膨胀机选用气体轴承膨胀机，可以利用氢膨胀冷却，对氢气制冷，并且再用气氢去回收膨胀过程中产生的膨胀功对气氢进行压缩，从而回收所述膨胀功；轴承气为氢气，不会对氢液化系统造成污染。
本发明的氢气制冷系统中，通过在预冷单元设置两级换热，并采用至少两种制冷剂对系统进行换热，充分利用其汽化潜热减少制冷剂的使用量；使用液态甲烷和液氮能满足不同温区的换热要求。
附图说明
图1为本发明的利用低温压缩的氢气制冷系统实施例2示意图。
附图标记：11-第一预冷换热器；12-第二预冷换热器；13-第一净化器；14-第一正仲氢转化器；15-第二净化器；
21-深冷换热器；22-第一J-T阀；23-气液分离器；24-第二正仲氢转化器；25-第二J-T阀；26-过冷器；27-第三J-T阀；
31-低温压缩机组；41-第一膨胀机；42-第二膨胀机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。
除非清楚地指出相斥的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。
如图1所示，本发明公开了一种利用低温压缩的氢气制冷系统，其包含预冷单元、深冷单元、循环单元；一些实施例中，所述预冷单元包含第一预冷换热器11、第二预冷换热器12、第一净化器13和第一正仲氢转化器14；原料氢流股经过所述第一预冷换热器11冷却至130K±10K、后经过第二预冷换热器12预冷至90K±10K；然后依次经过所述第一净化器13和第一正仲氢转化器14，第一净化器13用于除去原料氢中的杂质气体，第一正仲氢转化器14用于对原料氢正仲转化，转化到正仲氢含量处于平衡态后，再次经过第二预冷换热器12，冷却至制冷剂设计温区。
一些实施例中，所述深冷单元包含深冷换热器21、第一J-T阀22、气液分离器23、过冷器26和第二J-T阀25、第三J-T阀27；所述原料氢流股在离开所述预冷单元后，依次经过所述深冷换热器21、第一J-T阀22和气液分离器23；所述深冷换热器21的原料氢通道内设有正仲氢催化剂，使原料氢冷却到30K±10K的同时，还进行连续的正仲转化；所述原料氢经过所述第一J-T阀22后分为气液两相，并在所述气液分离器23中分离；气相作为冷流股回流到深冷换热器21；液相进入过冷器26冷却到18K±5K后，分流为产品流股和第二返流流股；所述产品流股通往产品收集容器，第二返流流股经过所述第三J-T阀27后，作为冷流股依次回流至所述过冷器26和深冷换热器21。
一些实施例中，所述循环单元包含至少1台低温压缩机组31及若干膨胀机；现有的低温压缩机组31能在不低于80K的温度下对氢气进行压缩；例如，在大约120K的温度下，相同压力的氢气体积仅为常温下的约1/5，这就大大节省了压缩功。所述第一返流流股及第二返流流股从深冷换热器21流出后，均通向所述低温压缩机组31并汇合，汇合后的流股记为循环氢气流股。所述循环氢气流股通过所述预冷换热器预冷后，分为膨胀流股和补充流股，所述补充流股依次经过所述深冷换热器21、第二正仲氢转化器24、第二J-T阀25后，到达所述气液分离器23。一些实施例中，所述膨胀流股交替经过所述深冷换热器21和膨胀机降温降压后，又作为冷流股依次流向所述深冷换热器21、第二预冷换热器12，最终回到低温压缩机组31且并入所述循环氢气流股。
一些实施例中，所述第一、第二返流流股离开所述深冷换热器21后，温度达到80K±10K，所述第一返流流股通向所述第一膨胀机41的压缩端，第一膨胀机41的压缩端充分利用其膨胀端的膨胀功对其进行压缩；类似地，所述第二返流流股通向所述第二膨胀机42的压缩端，第二膨胀机42的压缩端充分利用其膨胀端的膨胀功对其进行压缩。所述膨胀机选取气体轴承膨胀机，轴承气为氢气，由所述压缩机组或所述膨胀机压缩端的氢气分出一股提供；所述轴承气在进入轴承前，先通过一减压阀（图中未示）减压至0.6~0.8MPa，使轴承气的压力符合要求；以氢气为轴承气，不会对氢液化系统造成污染，无需考虑除油等事项，可选用动压气体轴承或静压气体轴承。
一些实施例中，本发明公开的氢气制冷系统中还设有第二净化器15，所述循环氢气流股通过所述第二净化器15除去杂质。
所述第一净化器13和所述第二净化器15用于吸附杂质气体。
以下结合具体实施例加以说明。
实施例1
S1，以液氮和液态甲烷作为制冷剂，通过第一预冷换热器11将原料氢气一次预冷到130K±10K，然后，以液氮为制冷剂，再通过第二预冷换热器12将原料氢气二次预冷到90K±10K；其中，液氮从第二预冷换热器12流向第一预冷换热器11；二次预冷后的气氢通过第一净化器13将气氢中氧含量降到0.1ppm以下；净化后的氢气通过第一正仲氢转化器14，将其中的正氢部分转化为仲氢，转化后正仲氢的含量大致处于90K的平衡态；由于正仲转化，导致气氢温度升高，所以将转化后的气氢通过第二预冷换热器12进行预冷，记为三次预冷，使气氢达到液氮预冷的最低温度；
S2，预冷后的气氢进入深冷换热器21，该换热器的原料氢通道中装有正仲氢催化剂；深冷换热器21对气氢进行制冷的同时还会对其进行连续的正仲转化；制冷后的气氢通过第一J-T阀22节流降压后分配，形成第一返流流股，依次回流到深冷换热器21；
S3，所述第一返流流股离开所述第二预冷换热器12后，温度达到120K±10K，然后进入所述低温压缩机组31并混合，所述低温压缩机组31对于所述第一返流流股进行压缩，压缩到6.5MPa(A)±1.5MPa；
S4，通过低温压缩机组31压缩的气氢先依次通过所述第一、第二预冷换热器12进行预冷；预冷后的气氢分为所述膨胀流股和补充流股，所述补充流股通过所述深冷换热器21冷却至30K±10K后，依次进入第二正仲氢转化器24和第二J-T阀25节流降压并分配以补充产品，保持产品和原料氢气量的平衡；所述膨胀流股通过所述深冷换热器21和若干膨胀机，从而连续降温到30K±10K后，回到深冷换热器21为所有的热流股提供冷量；最后经过第二预冷换热器12，充分利用其冷量后进入低温压缩机组31，并汇入所述循环氢气流股。所述第二正仲氢转化器24用于在低温下催化正仲转化反应，使仲氢转化率更高。
实施例2
如图1所示，所述预冷换热器包含换热温度依次降低的第一预冷换热器11和第二预冷换热器12，所述膨胀机选取气体轴承膨胀机，包含第一膨胀机41和第二膨胀机42，气源均为氢气，由所述压缩机组提供；第一膨胀机41与第二膨胀机42数量均为0~3台；所述膨胀机均包含压缩端，其利用膨胀机的膨胀功给气体加压；其制冷工艺包含：
S1，与实施例1中的S1相同；
S2，预冷后的气氢进入深冷换热器21，该换热器的原料氢通道中装有正仲氢催化剂；深冷换热器21对气氢进行制冷的同时还会对其进行连续的正仲转化，直到温度达到30K±10K；制冷后的气氢通过第一J-T阀22节流降压，得到气液两相氢，然后到达气液分离器23，分离后的气相形成第一返流流股，依次回流到深冷换热器21和第二预冷换热器12；液氢进入过冷器26，作为热流股被制冷到18K±5k，其目的是为了使生成的液氢减少闪蒸现象，降低蒸发损失和安全隐患；过冷后的液氢分流为产品流股和第二返流流股；大部分的液氢通过产品流股进入液氢储罐，小部分的液氢进入第二返流流股，将通过第三J-T阀27进一步降压，降压后得到气液两相氢作为冷流股进入过冷器26，其中，液相在过冷器26中蒸发后，作为冷流股回流到深冷换热器21，蒸发过程为过冷器26提供冷量；
S3，所述第一、第二返流流股离开所述深冷换热器21后，温度达到80K±10K，所述第一返流流股通向所述第一膨胀机41的压缩端，第一膨胀机41的压缩端充分利用其膨胀端的膨胀功对其进行压缩；类似地，所述第二返流流股通向所述第二膨胀机42的压缩端，第二膨胀机42的压缩端充分利用其膨胀端的膨胀功对其进行压缩；所述第一、第二返流流股汇合后，进入所述低温压缩机组31压缩，压缩到6.5MPa(A)±1.5MPa；
S4，通过压缩机组压缩的气氢依次通过所述第一预冷换热器11、第二预冷换热器12进行预冷；预冷后的气氢分为所述膨胀流股和补充流股，所述补充流股通过深冷换热器21冷却至30K±10K后，依次进入第二正仲氢转化器24和第二J-T阀25节流降压，得到气液两相氢，然后通过气液分离器23进行分离以补充产品液氢，保持产品液氢和原料氢气量的平衡；所述膨胀流股分别通过深冷换热器21、第二膨胀机42、深冷换热器21、第一膨胀机41连续降温到30K±10K后，回到深冷换热器21为所有的热流股提供冷量；最后经过第二预冷换热器12充分利用其冷量后进入压缩机组，并汇入所述循环氢气流股。
综上所述，本发明公开的一种利用低温压缩的氢气制冷系统，压缩机组为运行温度在80~200K的低温压缩机组31，使得相同压力下，氢气的体积大大降低，从而减少了压缩机消耗的压缩功，降低了氢气制冷系统的能耗。低温压缩的情况下，实际上使得压缩机的工作温度范围更大，从而减少压缩机使用级数，并减少占地面积。
本发明通过设置过冷器，减少了液氢的闪蒸，使液氢蒸发损失小，安全隐患小。
本发明的膨胀机选用气体轴承膨胀机，可以利用氢膨胀冷却为氢气提供冷量，并且再用气氢去回收膨胀过程中产生的膨胀功对气氢进行压缩，从而回收所述膨胀功；轴承气为氢气，不会对氢液化系统造成污染。
本发明的氢气制冷系统中，通过在预冷单元设置两级换热，并采用至少两种制冷剂对系统进行换热，充分利用其汽化潜热减少制冷剂的使用量；使用液态甲烷和液氮能满足不同温区的换热要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，包含：预冷单元，深冷单元，循环单元；
所述预冷单元包含至少一预冷换热器，用于给原料氢流股预冷；
所述深冷单元包含深冷换热器、气液分离器、过冷器；所述原料氢流股离开所述预冷单元后，经过所述深冷换热器形成气液两相后，到达气液分离器，其中气相记为第一返流流股，作为冷流股回流到深冷换热器；而液相进入过冷器冷却后，分流为产品流股和第二返流流股；所述产品流股通往产品收集容器；所述第二返流流股节流降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器；
所述循环单元包含至少1台低温压缩机组和若干膨胀机，所述低温压缩机组的运行温度为80~200K；所述第一、第二返流流股从深冷换热器流出后，均通向所述低温压缩机组且合并，合并后的流股记为循环氢气流股；所述循环氢气流股通过所述预冷换热器预冷后，分为膨胀流股和补充流股，所述补充流股经过所述深冷换热器后，到达所述气液分离器；所述膨胀流股经过所述深冷换热器和膨胀机制冷后，又作为冷流股依次流向所述深冷换热器、预冷换热器，最终回到低温压缩机组且并入所述循环氢气流股；
所述膨胀机均包含压缩端，其利用膨胀功给气体加压；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，流经所述膨胀机的压缩端加压后，再通向所述低温压缩机组；所述膨胀机选用气体轴承膨胀机；轴承气为氢气，由所述压缩机组或所述膨胀机压缩端的氢气分出一股提供；所述轴承气在进入轴承前，先通过一减压阀减压至0.6~0.8MPa。
2.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述深冷单元还设有第一J-T阀、第二J-T阀、第三J-T阀；所述原料氢流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第一J-T阀降温降压，形成气液两相；所述补充流股，经过所述深冷换热器后，还经过所述第二J-T阀降温降压，形成气液两相；所述第二返流流股经过所述第三J-T阀降温降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器。
3.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述预冷换热器包含换热温度依次降低的第一预冷换热器和第二预冷换热器。
4.如权利要求3所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述第一预冷换热器中，原料氢气从常温被冷却至130K±10K，所述第二预冷换热器中，原料氢气从130K±10K被冷却至90K±10K；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，作为冷流股经过所述第二预冷换热器，再通向所述低温压缩机组。
5.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述膨胀机分为第一膨胀机和第二膨胀机，所述第一膨胀机、第二膨胀机数量均为0~3台；所述第一返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第一膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组；所述第二返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第二膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组。
6.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述深冷换热器的原料氢通道内设有正仲氢催化剂，用于对所述原料氢进行连续的正仲转化。
7.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述预冷单元还包含第一净化器和第一正仲氢转化器；原料氢流股经过所述预冷换热器预冷；然后依次经过所述第一净化器和第一正仲氢转化器，转化到正仲氢含量处于平衡态后，再次经过所述预冷换热器，冷却至制冷剂设计温区。
8.如权利要求7所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，还设有第二净化器，所述循环氢气流股通过所述第二净化器除去杂质，所述第一净化器和所述第二净化器用于吸附杂质气体。
9.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，还设有第二正仲氢转化器；所述补充流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第二正仲氢转化器。
10.一种如权利要求1~9中任意一项所述的利用低温压缩的氢气制冷系统的应用，其特征在于，用于陆地或海上的氢气制冷。
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