CN1232955A

CN1232955A - 一种利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦、液氢的方法

Info

Publication number: CN1232955A
Application number: CN 98101572
Authority: CN
Inventors: 罗二仓; 周远
Original assignee: Cryogenic Laboratory of CAS
Current assignee: Key Laboratory of Cryogenics of CAS
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 1999-10-27
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: CN1094586C

Abstract

本发明涉及利用多元混合物工质和通过内复叠节流制冷获得4K—50K低温的方法。本发明利用摩尔含量为50%—80%的液氮温区的混合物工质A与余量Ne、H₂、He或者它们的混合物B做成多元混合物C。其流程为多元混合物工质C经压缩机压缩为高压气体,经冷却器放热,再进入逆流热交换器冷却到80K—100K,然后在气液分离器中分离出液态的物质A,节流物质A产生制冷并预冷第二类物质B,物质B在逆流热交换器中冷却通过节流可获得液氖、液氢及液氦。

Description

一种利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦、液氢的方法

本发明涉及低温气体液化和制冷技术领域，特别涉及到一种利用多元混合物工质通过内复叠节流制冷获得液氖(或者液氢、液氦)温度的方法。

传统的通过节流制冷来获得液氖或者液氢、液氦的方法需要采用多级预冷或者多级外部复叠的措施，例如，为获得液氖，则需要用液氮预冷；为获得液氦，则需要用液氮及液氢来预冷。这种传统的方法需要多套独立的制冷系统，因此，传统的系统流程复杂，效率不高，可靠性较差。

目前，利用混合物工质来获得低温的方法主要局限在液氮温区以上。例如，在天然气液化工程采用的混合物工质多级分凝节流的方法主要是获得110K左右的温区。此外，还有针对获得液氮温区(65K-80K)的多元混合物工质节流制冷方法(如美国专利US5,441,658)。但这一方法还无法获得4K-50K的低温，即不可能获得液氖、液氢或者液氦。

综上所述，传统的节流制冷方法或者多元混合物工质节流制冷方法存在系统复杂，效率不高，可靠性差，或者是不能达到获得液氖、液氢或者液氦的目的。

本发明的目的在于克服传统节流制冷法复杂的系统及其低效率和进一步扩展多元混合物工质节流制冷法获得4K-50K的低温，从而提供一种采用单一的压缩气源，通过采用液氮温区具有高效率的混合物制冷工质，预冷具有低转化温度的氖气(或者氢气、氦气)，再进一步节流氖气(或者氢气、氦气)的利用多元混合物工质内复叠节流制冷获得液氖(或者液氢、液氦)的新方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的一种利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氢及液氦的方法是利用多元混合物工质C和内复叠节流制冷工艺。其中多元混合物工质C由两类物质A、B组成，第一类物质A为通常的混合物工质，如美国专利US5,441,658，在液氮温区具有较高的效率，一般由N2、Ar及5个碳原子以下的烃类、烯烃或者其衍生物的混合物组成；第二类物质B由单一的Ne气、H2气、He气或者由它们组成的混合物，其组成取决于最终所要求得到的温度。如果需要获得液氖温度，则Ne的摩尔含量至少占60％；如果需要获得液氢温度，则氖气摩尔含量在30％-40％,H2的摩尔含量至少在30％；如果需要获得液氦温度，则He的摩尔含量在20％-40％，氢的摩尔含量在20-40％，余量为氖气。将第一类物质A与第二类物质B进一步混合，得到新的多元混合物C。其中，第一类混合物的摩尔含量为50％-80％，余量为第二类物质。其中内复叠节流制冷工艺过程是把混合物工质C放入图1所示的系统中，多元混合物工质C通过压缩机1压缩后成为高温高压的气体，进入冷却器2中冷却为环境温度左右的高压低温气体，该气体流过逆流热交换器3受到冷却，冷却到80K-100K时在气液分离器4中进行汽液分离，分离出完全处于液态的第一类物质A和完全处于气态的第二类物质B，然后通过节流阀5节流处于液态的第一类物质A，此时，产生制冷并预冷第二类物质B。第二类物质进一步在逆流热交换器6中冷却。如果是为了获得液氖，则通过节流来自逆流热交换器6中的气体，即可获得液氖；如果要获得液氢或者液氦，则可以使逆流热交换器中的混合气B冷却到30K-20K左右，在气液分离器7中进行气液分离，可分离出处于液态的氖及完全处于气态的氢气或者氦气。处于液态的氖通过节流阀8节流产生制冷效应预冷氢气或者氦气，被预冷的氢气或者氦气继续在逆流热交换器9中受到冷却，通过节流阀10节流制冷后可在蒸发器11中获得液氢或者液氦，节流后的流体依次汇合，最终返回压缩机，进行下一次循环。

本发明的优点：与传统的逐级预冷节流的方法相比，本发明克服了传统逐级预冷的复叠节流制冷系统的复杂性，因而本发明的流程简单得多，此外，由于采用了在80K温区具有高效率的混合工质，因此，本方法比传统逐级节流的效率要高得多，其效率能提高3-5倍。与现有混合物工质节流制冷方法相比，本发明能获得更低的温度(4K-50K)。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明利用多元混合物工质节流获得液氖、液氢、液氦的工艺流

程图；

图2是本发明的实施例1的工艺流程图；

图3是本发明的实施例2的工艺流程图；

图面说明如下：

1、压缩机；2、冷却器；3、逆流热交换器；4、汽液分离器；5、节流阀；6、逆流热交换器；7、气液分离器；8、节流阀；9、逆流热交换器；10、节流阀；11、低温蒸发器；12、油分离器；13、纯化器；14、回油阀；15、高压气瓶

实施例1：采用一单级油润滑空调压缩机用本发明的方法获得液氖

其工艺流程图参见图2。压缩机1为0.5kW的单级油润滑滚动转子式压缩机，逆流热交换器为管套管的盘管热交换器，逆流热交换器3的高压管为直径3mm、壁厚0.5mm的紫铜管；低压管为直径10mm、壁厚1mm。逆流热交换器6的高压管为直径1mm、壁厚0.1mm的紫铜管；低压管为直径3mm、壁厚0.5mm的紫铜管。多元混合物C由第一类物质A及第二类物质B组成。第一类物质由N2、Ar、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10按正常比例组成，其摩尔含量为70％。第二类物质为氖气，摩尔含量为30％。节流阀及回油阀5、7、14均为不锈钢毛细管。单级压缩机提供的高低压力分别为2.0MPa、0.2MPa。多元混合物工质由在温度80K温区具有高效率的工质A及氖气B组成。具体的工作过程是这样的：首先，包括所有组分的多元混合物工质在压缩机1内压缩，经冷却器2冷却至室温后进入油分离器12，分离出的油由回油阀13返回压缩机，以保证压缩机的润滑。从油分离器出来的混合气经纯化器14进行干燥、纯化，进入逆流热交换器3，通过逆流回热器3混合器冷却到80K-90K的温区，在此条件下，除氖气外的所有高沸点组元将全部液化，故在分离器4中进行汽液分离，对分离出的液体物质A进行节流，节流后逆流热交换器3的低压侧。分离出的低温气体氖继续在逆流热交换器6中冷却，冷却到一定温度后通过节流阀7节流，最终可在低温蒸发器11中获得液氖。液氖在蒸发器11中受热首先返回逆流热交器6的低压侧，并进一步返回逆流热交换器3的低压侧，汇同其它工质最终返回到压缩机1，完成一次循环。采用此法获得了30K低温的液氖。

实施例2：采用单一高压气源用本发明的方法获得液氦

流程图参见图3。高压气源压力在3MPa-10MPa以上，包含有第一类物质及第二类物质。第一类物质摩尔含量为60％，其中它由N2、Ar、CH4、R14、R13组成(采用通常使用的相对摩尔含量比例，30％、20％、13％、15％及25％)。第二类物质摩尔含量为40％，为Ne、H2、He(相对摩尔含量为40％、30％及30％)。逆流热交换器为管套管的盘管热交换器。其具体的工作过程是这样的：首先，来自高压气瓶15的包括所有组分的多元混合物工质C进入逆流热交换器3，逆流回热器3可使汽液分离器达到80K-90K的温区，在此条件下，除氖气、氢气及氦气外的所有高沸点组元将在气液分离器4中全部液化，故在此温度下进行汽液分离，对分离出的液体物质A通过节流阀5进行节流，节流后返回逆流热交换器3。分离出的低温气体氖、氢及氦的混合气B继续在逆流热交换器6中流过，冷却到30K左右的温度后在气液分离器7中进行第二次汽液分离，此时，氖气全部变成液态，而氢及氦则仍为气态。通过节流阀8节流液氖并返回逆流热交换器6的低压侧。气态的氢及氦气则继续在逆流热交换器9中受到冷却，冷却到一定温度后，通过节流阀10进一步节流，最终可在低温蒸发器11中获得液氦温度。液氦在低温蒸发器11中受热并依次返回各级逆流换热器。采用此法可获得4.5K左右低温的液氦。

实施例3：采用一两级无油润滑压缩机用本发明方法获得液氢

其流程如图1所示。多元混合物工质由在温度80K温区具有高效率的工质A及氖气与氢气的混合气B组成，其中，第一类物质摩尔含量为70％，其中工质A由N2、Ar、CH4、R14、C2H6、C3H8按30％、10％、10％、10％、15％及25％的摩尔含量相对比例组成。第二类物质摩尔含量为30％，其中工质B由Ne、H2按相对比例40％、60％组成。逆流热交换器为毛细管盘管热交换器，节流阀均采用毛细管。具体的工作过程是这样的：首先，包括所有组分的多元混合物工质C在压缩机1内压缩，经冷却器2冷却至室温后进入逆流热交换器3，逆流回热器可使汽液分离器达到80K-90K的温区，在此条件下，除氖气与氢气外的所有高沸点组元将全部在气液分离器4中液化，故在此温度下进行汽液分离，对分离出的液体物质A进行节流，节流后由汽液分离器4返回逆流热交换器3的低压侧。分离出的低温气体氖及氢的混合气B继续在逆流热交换器6中流过，冷却到30K左右的温度后在气液分离器7中进行第二次汽液分离，此时，氖全部变成液态，而氢则仍为气态。通过节流阀8节流液氖并返回逆流热交换器6的低压侧。气态的氢气则继续流过逆流热交换器9，冷却到一定温度后节流后，最终可在低温蒸发器11中获得液氢温度。液氢在蒸发器11中受热并依次返回各级逆流换热器而回到压缩机1。采用1kW的压缩机，获得了20K的液氢。

实施例4：按图1的工艺流程利用本发明的方法制备液氖，液氢及液氦

多元混合物工质中第一类物质A的摩尔含量为50％；

第二类物质B的摩尔含量为50％；其中它们组成按实施例3，和具体工艺同实施例1。部

实施例5：按图1的工艺流程利用本发明的方法制备液氖，液氢及液氦

制备方法完全按实施例4，但是改变多元混合物工质配比，其多元混合物工质中第一类物质A的摩尔含量为80％，第二类物质B的摩尔含量为20％。物质A与B各自组成和工序也同实施例4相同。

Claims

1、一种利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦液氢的方法，其特征在于：

(1)、采用摩尔含量为50％-80％的第一类物质A，以及余量为第二类物质B混合组成的多元混合物工质C。其中，第一类物质A是通常的混合物工质；第二类物质B包括Ne、H2、He或者由它们组成的混合物。

(2)、多元混合物工质C通过压缩机1压缩后成为高温高压的气体，进入冷却器2中冷却为环境温度左右的高压低温气体，该气体流过逆流热交换器3受到冷却，冷却到80K-100K时在气液分离器4中进行汽液分离，分离出完全处于液态的第一类物质A和完全处于气态的第二类物质B，然后通过节流阀5节流处于液态的第一类物质A，此时，产生制冷并预冷第二类物质B；第二类物质B进一步在逆流热交换器6中冷却，为了获得液氖，则通过节流来自逆流热交换器6中的气体，即可获得液氖；要获得液氢或者液氦，使逆流热交换器中的混合气B冷却到30K-20K左右，在气液分离器7中进行气液分离，可分离出处于液态的氖及完全处于气态的氢气或者氦气。处于液态的氖通过节流阀8节流产生制冷效应预冷氢气或者氦气，被预冷的氢气或者氦气继续在逆流热交换器9中受到冷却，通过节流阀10节流制冷后可在蒸发器11中获得液氢或者液氦，节流后的流体依次汇合，最终返回压缩机，进行下一次循环。

2、按权利要求1所述的利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦、液氢的方法，其特征在于：所述的第一类物质A是由通常的混合物工质N2,Ar及5个碳原子以下的碳氢化合物组成。

3、按权利要求1,2所述的利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦、液氢的方法，其特征在于：所述的第二类物质B包括Ne,H2,He或者它们组成的混合物，其中Ne的摩尔含量至少为60％。

4、按权利要求1所述的利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦、液氢的方法，其特征在于：所述的第二类物质B包括Ne,H2,He或者它们组成的混合物，其中氦气的摩尔含量在20％～40％，氢气的摩尔含量在20％～40％，余量为氖气。

5、按权利要求1所述的利用多元混合物工质节流制冷获得液氖、液氦、液氢的方法，其特征在于所述的第二类物质B包括Ne,H2,He或者它们组成的混合物，其中氖的摩尔含量在30％～40％，氢的摩尔含量至少30％。