CN216868943U - 一种氢气液化装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种氢气液化装置，目的是解决现有氢气液化装置适用范围小、能耗高的技术问题。包括：多级换热单元、多级正仲转换单元、预冷压缩制冷循环单元、压缩膨胀制冷循环单元及相应的连接管道；多级换热单元至少包括第一换热器、第二换热器及第三换热器；多级正仲转换单元与多级换热单元相适配，至少包括第一正仲转化器、第二正仲转化器、第三正仲转化器以及第四正仲转化器；预冷压缩制冷循环单元采用混合冷剂压缩制冷循环；第四正仲转化器内气化的氢气和节流降压后闪蒸的氢气汇合依次经第三换热器、第二换热器及第一换热器换热至常温后进入氢气压缩机后与原料氢气混合。本实用新型不使用液氮，适用范围广，且更加节能，仲氢含量高。

Description

一种氢气液化装置
技术领域
本实用新型涉及氢气液化技术领域，尤其是涉及一种氢气液化装置。
背景技术
氢气液化装置是液氢生产的主要设备，用于将氢气制冷液化为液体，并进行正仲氢转化，是航空航天、氢能储运等高技术产业的核心技术设备。氢气的液化温度很低，所以只有将氢气冷却到一定温度以下，才能将其液化。现有技术中，通常采用液氮对高温区进行氢气预冷，而在一些偏远地区，无法保证液氮的持续供应，导致氢气液化装置适用范围小，以及能耗较高的问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种氢气液化装置，解决了现有氢气液化装置适用范围小、能耗高的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种氢气液化装置，包括：多级换热单元、多级正仲转换单元、预冷压缩制冷循环单元、压缩膨胀制冷循环单元及相应的连接管道；所述多级换热单元至少包括第一换热器、第二换热器及第三换热器；所述多级正仲转换单元与所述多级换热单元相适配，至少包括第一正仲转化器、第二正仲转化器、第三正仲转化器以及第四正仲转化器；所述预冷压缩制冷循环单元采用混合冷剂压缩制冷循环；其中，原料氢气经第一换热器冷却后，依次经低温净化器、第一正仲转化器、和第二换热器后与第二正仲转化器的进口连接；所述第二正仲转化器的出口依次经第二换热器和第三换热器后与所述第三正仲转化器的入口连接；所述第三正仲转化器的出口经第三换热器后与第四正仲转化器连接；所述第三换热器和所述第四正仲转化器之间设置有节流阀；所述第四正仲转化器内气化的氢气和节流降压后闪蒸的氢气汇合依次经第三换热器、第二换热器及第一换热器换热至常温后进入氢气压缩机后与原料氢气混合。
本实用新型在高温区采用混合冷剂压缩制冷循环，不使用液氮，避免了常规工艺对液氮的依赖，适用于无法保证持续液氮供应的偏远地区，适用范围广。同时，通过多级正仲转化，使得每级尽可能的达到平衡，降低了低温区正仲转换对冷量的需求，更加节能，且最后得到的液态氢中的仲氢含量更高。
可选的，原料氢气通过第一原料氢气管输送至第一换热器，第一换热器通过第二原料氢气管与低温净化器连接，低温净化器通过第三原料氢气管与第一正仲转化器连接，第一正仲转化器通过第四原料氢气管与第二换热器连接，第二换热器通过第五原料氢气管与第二正仲转化器连接，第二正仲转化器通过第六原料氢气管和第二换热器连接，第二换热器通过第七原料氢气管与第三换热器连接，第三换热器通过第八原料氢气管与第三正仲转化器连接，第三正仲转化器通过第九原料氢气管与第三换热器连接，第三换热器通过第十原料氢气管与第四正仲转化器连接，节流阀安装于所述第十原料氢气管上。
可选的，所述第四正仲转化器通过第一反流管与第三换热器连接，第三换热器通过第二反流管与第二换热器连接，第二换热器通过第三反流管与第一换热器连接，第一换热器通过第四反流管与氢气压缩机进口连接，氢气压缩机出口通过第五反流管与原料氢气混合。
可选的，所述预冷压缩制冷循环单元采用混合冷剂压缩制冷循环。
可选的，预冷压缩制冷循环单元包括预冷压缩机，所述预冷压缩机、第一换热器及第一正仲转化器通过相应的制冷管道连接构成闭式制冷循环。
可选的，所述预冷压缩机出口通过第一制冷管道与第一换热器连接，第一换热器通过第二制冷管道与第一正仲转化器连接，第一正仲转化器通过第三制冷管道与第一换热器连接，第一换热器再通过第四制冷管道与预冷压缩机进口连接。
可选的，压缩膨胀制冷循环单元包括氦氖压缩机、第一膨胀机和第二膨胀机，氦氖压缩机、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀机及第二膨胀机通过相应的循环制冷管连接构成闭式制冷循环。
可选的，氦氖压缩机出口依次经第一换热器和第二换热器后分两路，其中一路经由第一膨胀机进行膨胀制冷，另一路经由第二换热器和第三换热器后进入第二膨胀机，第二膨胀机进行膨胀制冷后再依次经由第三换热器、第二换热器、第一换热器进入氦氖压缩机，第一膨胀机进行膨胀后通过循环制冷管汇合至第三换热器通往第二换热器的循环制冷管中。
可选的，所述氦氖压缩机出口通过第一循环制冷管与第一换热器相连，第一换热器通过第二循环制冷管与第二换热器相连，第二换热器通过第三循环制冷管与第一膨胀机入口连接，第三循环制冷管上分支有第四循环制冷管，第四循环制冷管与第二换热器连接，第二换热器再通过第五循环制冷管与第三换热器连接，第三换热器通过第六循环制冷管与第二膨胀机的入口相连，第二膨胀机的出口通过第七循环制冷管、第八循环制冷管、第九循环制冷管、第十循环制冷管依次经第三换热器、第二换热器、第一换热器后与氦氖压缩机进口相连，第一膨胀机的出口通过第十一循环制冷管与第八循环制冷管相连。
本实用新型有益效果为：
本实用新型在高温区采用混合冷剂压缩制冷循环，不使用液氮，避免了常规工艺对液氮的依赖，适用于无法保证持续液氮供应的偏远地区，适用范围广。同时，通过多级正仲转化，使得每级尽可能的达到平衡，降低了低温区正仲转换对冷量的需求，更加节能，且最后得到的液态氢中的仲氢含量更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
附图标记：11、第一换热器；12、第二换热器；13、第三换热器；21、第一正仲转化器；22、第二正仲转化器；23、第三正仲转化器；24、第四正仲转化器；241、第一反流管；242、第二反流管；243、第三反流管；244、第四反流管；245、第五反流管；31、低温净化器；41、氢气压缩机；51、预冷压缩机；510、第一制冷管道；511、第二制冷管道；512、第三制冷管道；513、第四制冷管道；61、氦氖压缩机；610、第一循环制冷管；611、第二循环制冷管；612、第三循环制冷管；613、第四循环制冷管；614、第五循环制冷管；615、第六循环制冷管；616、第七循环制冷管；617、第八循环制冷管；618、第九循环制冷管；619、第十循环制冷管；620、第十一循环制冷管；71、第一膨胀机；72、第二膨胀机；81、节流阀；91、冷剂节流阀；1、第一原料氢气管；2、第二原料氢气管；3、第三原料氢气管；4、第四原料氢气管；5、第五原料氢气管；6、第六原料氢气管；7、第七原料氢气管；8、第八原料氢气管；9、第九原料氢气管；10、第十原料氢气管。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型申请实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本实用新型申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“端”、“侧”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实用新型申请实施例和简化描述，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实用新型申请实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型申请实施例中的具体含义。
在本实用新型申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型申请实施例的不同结构。为了简化本实用新型申请实施例的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型申请实施例。此外，本实用新型申请实施例可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
氢气的液化温度很低，所以只有将氢气冷却到一定温度以下，才能将其液化。现有技术中，通常采用液氮气化吸热实现对高温区（第一换热器11）进行氢气预冷，而在一些偏远地区，无法保证液氮的持续供应，导致氢气液化装置适用范围小，以及能耗较高的问题。
如图1所示，本实用新型申请实施例提供了一种氢气液化装置，以解决上述问题。该装置包括：多级换热单元、多级正仲转换单元、预冷压缩制冷循环单元、压缩膨胀制冷循环单元及相应的连接管道。
多级换热单元至少包括第一换热器11、第二换热器12及第三换热器13，即换热器可采用更多个。换热器可以采用铝制板翅式换热器或者绕管式换热器。
多级正仲转换单元与多级换热单元相适配，至少包括第一正仲转化器21、第二正仲转化器22、第三正仲转化器23以及第四正仲转化器24。
第一换热器11与第一正仲转化器21之间设置有低温净化器31。第一换热器11出口依次经低温净化器31、第一正仲转化器21、和第二换热器12后与第二正仲转化器22的进口连接。氢气经过第一换热器11冷却后在低温净化器31内脱除杂质后进入第一正仲转化器21，然后再进入第二换热器12冷却，冷却后进入第二正仲转化器22。第二正仲转化器22的出口依次经第二换热器12和第三换热器13后与第三正仲转化器23的入口连接。第三正仲转化器23的出口经第三换热器13后与第四正仲转化器24连接。第三换热器13和第四正仲转化器24之间设置有节流阀81。
氢气经过第一换热器11冷却后在低温净化器31内脱除杂质后进入第一正仲转化器21；然后再进入第二换热器12冷却，冷却后进入第二正仲转化器22，再依次经第二换热器12、第三换热器13冷却后进入第三正仲转化器23；然后在第三换热器13进一步冷却后经节流阀81降压进入第四正仲转化器24，第四正仲转化器24底部得到液态氢，在第四正仲转化器24内气化的氢气和节流阀降压后闪蒸的氢气依次经第三换热器13、第二换热器12、第一换热器11换热至常温后进入氢气压缩机41后与原料氢气混合。
具体的，原料氢气通过第一原料氢气管1输送至第一换热器11；经第一换热器11冷却后的氢气经第二原料氢气管2输送至低温净化器31内；氢气在低温净化器31内脱除杂质后通过第三原料氢气管3输送至第一正仲转化器21内，氢气在被冷却的同时进行正-仲转化；转化后的氢被第四原料氢气管4输送至第二换热器12再次冷却，冷却后再由第五原料氢气管5送至第二正仲转化器22内转化，转化后依次经第六原料氢气管6和第七原料氢气管7送至第二换热器12和第三换热器13依次冷却，冷却后的氢由第八原料氢气管8送至第三正仲转化器23内转化，然后通过第九原料氢气管9将其送至第三换热器13进一步冷却，冷却后的氢再通过第十原料氢气管10送至第四正仲转化器24内得到液态氢，第四正仲转化器24底部出口的液氢作为产品被输送至液氢贮槽。而第四正仲转化器24顶部气化的氢气和节流阀降压后闪蒸的氢气依次通过第一反流管241、第二反流管242、第三反流管243进入第三换热器13、第二换热器12、第一换热器11换热至常温，然后再通过第四反流管244输送至氢气压缩机41，最后再通过第五反流管245与第一原料氢气管1连接，以将其与原料氢气混合。
预冷压缩制冷循环单元用于对高温区提供冷量，即预冷压缩制冷循环单元主要用于对第一换热器11提供冷量。预冷压缩制冷循环单元包括预冷压缩机51，预冷压缩机51、第一换热器11及第一正仲转化器21通过相应的制冷管道连接构成闭式制冷循环。具体的，预冷压缩机51出口通过第一制冷管道510与第一换热器11相连，第一换热器11通过第二制冷管道511与第一正仲转化器21连接，第一正仲转化器21通过第三制冷管道512与第一换热器11相连，第一换热器11再通过第四制冷管道513与预冷压缩机51进口连接，第一换热器11与第一正仲转化器21之间设置有冷剂节流阀91。通过预冷压缩机51和冷剂节流阀91组成的闭式循环，为第一正仲转化提供冷量。此循环冷剂可以采用N2/C1/C2/C3C4/C5/NH3中的一种或者多种组成，此循环可以为1级制冷，也可以根据冷剂的配比分为2级或者3级制冷；相应的第一换热器11可以分成1个、2个或者3个换热模块。
压缩膨胀制冷循环单元主要用于对中、低温区提供冷量。具体的，压缩膨胀制冷循环单元包括氦氖压缩机61、第一膨胀机71和第二膨胀机72，氦氖压缩机61、第一换热器11、第二换热器12、第三换热器13、第一膨胀机71及第二膨胀机72通过相应的循环制冷管连接构成闭式制冷循环。此循环可以为He/Ne中的一种或者两种混合组成。低温区采用氦气或者氖气的压缩膨胀制冷，分两级或者更多级制冷，能耗低。
第二换热器12的冷量主要来自于氦氖压缩机61、第一膨胀机71循环提供。
第三换热器13的冷量主要来自于氦氖压缩机61，第二膨胀机72组成的循环提供，此循环可以为He/Ne中的一种或者两种混合组成。以及节流阀81后闪蒸的氢气和第四正仲转化器24中由于正仲转化放热导致的液态氢的蒸发形成的低温氢气返回提供的冷量。第三换热器13可以根据温区分成多个换热模块。氦氖压缩机61为了便于描述或区分，其循环冷剂为He/Ne中的一种或者两种混合组成。
第四正仲转化器24既有气液分离器的功能，也有正仲转化的功能，此设备可以用一台，也可以根据功能分成两台。
具体的，氦氖压缩机61出口依次经第一换热器11和第二换热器12后分两路，其中一路经由第一膨胀机71进行膨胀制冷，另一路经由第二换热器12和第三换热器13后进入第二膨胀机72，第二膨胀机72进行膨胀制冷后再依次经由第三换热器13、第二换热器12、第一换热器11进入氦氖压缩机61，第一膨胀机71进行膨胀后通过循环制冷管汇合至第三换热器13通往第二换热器12的循环制冷管中。
更具体的，氦氖压缩机61的出口通过第一循环制冷管610与第一换热器11连接，第一换热器11又通过第二循环制冷管611与第二换热器12连接，第二换热器12通过第三循环制冷管612与第一膨胀机71入口连接。第三循环制冷管612上分支有第四循环制冷管613，第四循环制冷管613与第二换热器12连接，第二换热器12再通过第五循环制冷管614与第三换热器13连接，第三换热器13通过第六循环制冷管615与第二膨胀机72的入口相连。第二膨胀机72的出口通过第七循环制冷管616与第三换热器13连接，第三换热器13再通过第八循环制冷管617与第二换热器12相连，第二换热器12经第九循环制冷管618与第一换热器11相连，第一换热器11通过第十循环制冷管619与氦氖压缩机61进口相连。第一膨胀机71的出口通过第十一循环制冷管620与第八循环制冷管617相连。
使用时，氢气通过第一原料氢气管1输送至第一换热器11冷却后进入低温净化器31内脱除杂质后进入第一正仲转化器21，同时预冷压缩机51对第一正仲转化器21循环制冷；然后再进入第二换热器12冷却，冷却后进入第二正仲转化器22，转化后依次经第二换热器12、第三换热器13冷却后进入第三正仲转化器23，然后在进入第三换热器13进一步冷却后经节流阀81降压进入第四正仲转化器24，第四正仲转化器24底部得到液态氢，在第四正仲转化器24内气化的氢气和节流阀降压后闪蒸的氢气汇合依次经第三换热器13、第二换热器12、第一换热器11换热至常温后进入氢气压缩机41后与原料氢气混合。高温区（第一换热器11）采用冷剂压缩制冷循环，为闭式循环，无需外供液氮；且也可以采用混合冷剂制冷，各冷剂在不同的制冷温度区域内贡献冷量，更加节能。中、低温区（第二换热器12、第三换热器13）采用氦气或氖气压缩后在不同的温区内膨胀，为液化氢气及氢气的正-仲转换提供冷量，为闭式循环。
本实施例中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种氢气液化装置，其特征在于，包括：
多级换热单元、多级正仲转换单元、预冷压缩制冷循环单元、压缩膨胀制冷循环单元及相应的连接管道；
所述多级换热单元至少包括第一换热器（11）、第二换热器（12）及第三换热器（13）；
所述多级正仲转换单元与所述多级换热单元相适配，至少包括第一正仲转化器（21）、第二正仲转化器（22）、第三正仲转化器（23）以及第四正仲转化器（24）；
所述预冷压缩制冷循环单元采用冷剂压缩制冷循环；
其中，原料氢气经第一换热器（11）冷却后，依次经低温净化器（31）、第一正仲转化器（21）、和第二换热器（12）后与第二正仲转化器（22）的进口连接；所述第二正仲转化器（22）的出口依次经第二换热器（12）和第三换热器（13）后与所述第三正仲转化器（23）的入口连接；所述第三正仲转化器（23）的出口经第三换热器（13）后与第四正仲转化器（24）连接；所述第三换热器（13）和所述第四正仲转化器（24）之间设置有节流阀（81）；所述第四正仲转化器（24）内气化的氢气和节流降压后闪蒸的氢气汇合依次经第三换热器（13）、第二换热器（12）及第一换热器（11）换热至常温后进入氢气压缩机（41）后与原料氢气混合。
2.根据权利要求1所述的氢气液化装置，其特征在于，原料氢气通过第一原料氢气管（1）输送至第一换热器（11），第一换热器（11）通过第二原料氢气管（2）与低温净化器（31）连接，低温净化器（31）通过第三原料氢气管（3）与第一正仲转化器（21）连接，第一正仲转化器（21）通过第四原料氢气管（4）与第二换热器（12）连接，第二换热器（12）通过第五原料氢气管（5）与第二正仲转化器（22）连接，第二正仲转化器（22）通过第六原料氢气管（6）和第二换热器（12）连接，第二换热器（12）通过第七原料氢气管（7）与第三换热器（13）连接，第三换热器（13）通过第八原料氢气管（8）与第三正仲转化器（23）连接，第三正仲转化器（23）通过第九原料氢气管（9）与第三换热器（13）连接，第三换热器（13）通过第十原料氢气管（10）与第四正仲转化器（24）连接，节流阀（81）安装于第十原料氢气管（10）上。
3.根据权利要求1所述的氢气液化装置，其特征在于，所述第四正仲转化器（24）通过第一反流管（241）与第三换热器（13）连接，第三换热器（13）通过第二反流管（242）与第二换热器（12）连接，第二换热器（12）通过第三反流管（243）与第一换热器（11）连接，第一换热器（11）通过第四反流管（244）与氢气压缩机（41）进口连接，氢气压缩机（41）出口通过第五反流管（245）与原料氢气混合。
4.根据权利要求1所述的氢气液化装置，其特征在于，所述预冷压缩制冷循环单元采用混合冷剂压缩制冷循环。
5.根据权利要求1或4所述的氢气液化装置，其特征在于，预冷压缩制冷循环单元包括预冷压缩机（51），所述预冷压缩机（51）、第一换热器（11）及第一正仲转化器（21）通过相应的制冷管道连接构成闭式制冷循环。
6.根据权利要求5所述的氢气液化装置，其特征在于，所述预冷压缩机（51）出口通过第一制冷管道（510）与第一换热器（11）连接，第一换热器（11）通过第二制冷管道（511）与第一正仲转化器（21）连接，第一正仲转化器（21）通过第三制冷管道（512）与第一换热器（11）连接，第一换热器（11）再通过第四制冷管道（513）与预冷压缩机（51）进口连接。
7.根据权利要求1所述的氢气液化装置，其特征在于，压缩膨胀制冷循环单元包括氦氖压缩机（61）、第一膨胀机（71）和第二膨胀机（72），氦氖压缩机（61）、第一换热器（11）、第二换热器（12）、第三换热器（13）、第一膨胀机（71）及第二膨胀机（72）通过相应的循环制冷管连接构成闭式制冷循环。
8.根据权利要求7所述的氢气液化装置，其特征在于，氦氖压缩机（61）出口依次经第一换热器（11）和第二换热器（12）后分两路，其中一路经由第一膨胀机（71）进行膨胀制冷，另一路经由第二换热器（12）和第三换热器（13）后进入第二膨胀机（72），第二膨胀机（72）进行膨胀制冷后再依次经由第三换热器（13）、第二换热器（12）、第一换热器（11）进入氦氖压缩机（61），第一膨胀机（71）进行膨胀后通过循环制冷管汇合至第三换热器（13）通往第二换热器（12）的循环制冷管中。
9.根据权利要求8所述的氢气液化装置，其特征在于，所述氦氖压缩机（61）出口通过第一循环制冷管（610）与第一换热器（11）相连，第一换热器（11）通过第二循环制冷管（611）与第二换热器（12）相连，第二换热器（12）通过第三循环制冷管（612）与第一膨胀机（71）入口连接，第三循环制冷管（612）上分支有第四循环制冷管（613），第四循环制冷管（613）与第二换热器（12）连接，第二换热器（12）再通过第五循环制冷管（614）与第三换热器（13）连接，第三换热器（13）通过第六循环制冷管（615）与第二膨胀机（72）的入口相连，第二膨胀机（72）的出口通过第七循环制冷管（616）、第八循环制冷管（617）、第九循环制冷管（618）、第十循环制冷管（619）依次经第三换热器（13）、第二换热器（12）、第一换热器（11）后与氦氖压缩机（61）进口相连，第一膨胀机（71）的出口通过第十一循环制冷管（620）与第八循环制冷管（617）相连。
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