FR3126481A1 - Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte et son procédé d'utilisation - Google Patents

Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte et son procédé d'utilisation Download PDF

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Yisong Han
Yan Qin
Kuan Zhang
Zhongmin Ji
Zhiming Xu
Pei Hu
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Hangzhou Oxygen Plant Group Co Ltd
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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte pour atteindre l'objectif de réduction de la consommation d'énergie. Le procédé comprend une boîte froide de prérefroidissement II à pression normale, une boîte froide cryogénique III sous vide, une unité de compresseur du cycle de réfrigération de l'hydrogène, une unité de réfrigération à cycle d'azote et une unité de réfrigération à cycle de réfrigérant mixte. La section de prérefroidissement utilise un processus à réfrigérant mixte et un procédé de réfrigération à cycle d'azote comme principales sources d'énergie froide. Le cycle de réfrigération du réfrigérant est la principale source d'énergie froide dans la gamme de température de 303 °K à 113 °K. Le cycle de réfrigération de l'azote liquide est la principale source d'énergie froide dans la plage de température de 130 °K à 80 °K. Le cycle de réfrigération de l'hydrogène fournit de l'énergie froide pour une plage de températures allant de 80 °K à 20 ° K. La majeure partie du bog généré dans une partie de stockage est récupérée par un éjecteur. Un échangeur de chaleur à ailettes en plaque est rempli des catalyseurs de conversion orthohydrogène-parahydrogène pour réaliser la teneur en parahydrogène de l'hydrogène liquéfié ≥98 %. Le processus de liquéfaction de l'hydrogène présente une faible consommation d'énergie et la boîte froide de prérefroidissement et la boîte froide cryogénique utilisent des schémas de conception différents, ce qui permet de réduire le coût du dispositif et le coût de fabrication. [Fig. 1]

Description

DISPOSITIF DE LIQUÉFACTION DE L'HYDROGÈNE À RÉFRIGÉRANT MIXTE ET SON PROCÉDÉ D'UTILISATION
La présente invention concerne le domaine de la liquéfaction de gaz à basse température, en particulier un dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte et un procédé d'utilisation de celui-ci.
En tant qu'importante énergie propre, l'hydrogène liquide est principalement nécessaire dans les secteurs de l'aérospatiale et des automobiles à énergie nouvelle. L'utilisation de l'hydrogène liquide dans l'aérospatiale devient de plus en plus mature et la croissance de sa demande est relativement stable. Principal moyen de transport de l'hydrogène à grande échelle, l'hydrogène liquide prend de plus en plus d'importance. La consommation d'énergie élevée de la production d'hydrogène liquide limite le développement de l'hydrogène liquide. La consommation d'énergie du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène existant est de 4,86 kW/kgLH2 dans la section de prérefroidissement, de 8,65 kW/kgLH2 dans la section cryogénique et de 13,5 kW/kgLH2 dans l'ensemble. Il est impératif de réduire la consommation d'énergie du processus de liquéfaction de l'hydrogène en optimisant le processus.
La présente invention vise à fournir un dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte, qui réduit considérablement la consommation d'énergie dans le processus de liquéfaction de l'hydrogène. Selon la présente invention, la consommation d'énergie de la section de prérefroidissement peut être réduite à 3,2 kW/kgLH2 et la consommation d'énergie de la section cryogénique peut réduite à 6,78 kW/kgLH2 et la consommation d'énergie globale est de 10 kW/kgLH2, qui sont des valeurs nettement inférieures à celles du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène classique.
Afin d'atteindre l'objectif ci-dessus, la présente invention peut utiliser le schéma technique suivant : un dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte, dans lequel le dispositif comprend une unité de compression du réfrigérant, une boîte froide de prérefroidissement et une boîte froide cryogénique qui sont reliées l'une à l'autre au moyen des canalisations, dans lequel l'unité de compression du réfrigérant est pourvue d'un adsorbeur à tamis moléculaire de déshydratation, d'une unité de compresseur d'hydrogène, d'une unité de compresseur d'azote et d'une unité de réfrigération du réfrigérant mixte, la boîte froide de prérefroidissement est pourvue d'un échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire, d'un échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire et d'un adsorbeur à tamis moléculaire à basse température et la boîte froide cryogénique est pourvue d'un échangeur de chaleur cryogénique, d'un éjecteur, d'un échangeur de chaleur de surrefroidissement, d'un séparateur gaz-liquide, d'un détendeur d'hydrogène primaire et d'un détendeur d'hydrogène secondaire.
De préférence, l'adsorbeur à tamis moléculaire de déshydratation dans l'unité de compression du réfrigérant est relié à un canal d'hydrogène comme matière première de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire et à l'adsorbeur à tamis moléculaire à basse température dans la boîte froide de prérefroidissement au moyen d'une deuxième canalisation, d'une troisième canalisation et d'une quatrième canalisation, puis est relié à un canal d'hydrogène comme matière première de l'échangeur de chaleur cryogénique, à l'éjecteur et à un canal d'hydrogène comme matière première de l'échangeur de chaleur de surrefroidissement dans la boîte froide cryogénique, en séquence, au moyen d'une cinquième canalisation, d'une sixième canalisation et d'une septième canalisation pour former un canal de circulation dans l'ensemble du processus allant de l'hydrogène brut à l'hydrogène liquide.
De préférence, la sortie de l'unité de compresseur d'hydrogène dans l'unité de compression du réfrigérant est reliée aux extrémités de suralimentation du détendeur d'hydrogène primaire et du détendeur d'hydrogène secondaire et aux canaux d'hydrogène circulant à haute pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire dans la boîte froide de prérefroidissement en séquence au moyen d'une onzième canalisation, d'une douzième canalisation et d'une treizième canalisation, puis est reliée à un canal d'hydrogène circulant à haute pression de l'échangeur de chaleur cryogénique dans la boîte froide cryogénique au moyen d'une quatorzième canalisation et est reliée au détendeur d'hydrogène primaire, au détendeur d'hydrogène secondaire et à une vanne d'étranglement au moyen d'une cinquième canalisation, d'une dix-septième canalisation et d'une dix-neuvième canalisation parmi trois canalisations de dérivation, respectivement, la vanne d'étranglement est reliée aux canaux d'hydrogène circulant à basse température du séparateur gaz-liquide et de l'échangeur de chaleur de surrefroidissement en séquence au moyen d'une vingtième canalisation, d'une vingt-et-unième canalisation et d'une vingt-deuxième canalisation, le séparateur gaz-liquide est relié à un premier canal d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur de chaleur cryogénique, aux premiers canaux d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire et de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et à une section à basse pression de l'unité de compresseur d'hydrogène en séquence au moyen d'une vingt-troisième canalisation, d'une vingt-quatrième canalisation, d'une vingt-cinquième canalisation et d'une vingt-sixième canalisation, le détendeur d'hydrogène primaire et le détendeur d'hydrogène secondaire sont reliés à un second canal d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur de chaleur cryogénique au moyen d'une seizième canalisation et d'une dix-huitième canalisation, respectivement, puis est relié aux seconds canaux d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur thermique secondaire de prérefroidissement et de l'échangeur thermique primaire de prérefroidissement et à une section à haute pression de l'unité de compresseur d'hydrogène au moyen d'une vingt-septième canalisation, d'une vingt-huitième canalisation et d'une vingt-neuvième canalisation, afin de former un canal de circulation de réfrigération de l'hydrogène.
De préférence, la sortie de l'unité de compresseur d'azote est reliée à un canal d'azote à haute pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et à une vanne d'étranglement dans la boîte froide de prérefroidissement en séquence au moyen d'une trentième canalisation et d'une trente et unième canalisation, puis est reliée aux entrées de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire, de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et de l'unité de compresseur d'azote au moyen d'une trente-deuxième canalisation, d'une trente-troisième canalisation et d'une trente-quatrième canalisation en séquence pour former un canal de circulation de réfrigération de l'azote et la sortie de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte est reliée à un canal de réfrigérant à haute pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et à une vanne d'étranglement dans la boîte froide de prérefroidissement au moyen d'une trente-cinquième canalisation et d'une trente-sixième canalisation en séquence, puis est reliée aux entrées de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire et de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte au moyen d'une trente-septième canalisation et d'une trente-huitième canalisation en séquence pour former un canal de circulation de réfrigération du réfrigérant mixte.
De préférence, l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire, l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire, l'échangeur de chaleur cryogénique et l'échangeur de chaleur de surrefroidissement sont tous des échangeurs de chaleur à ailettes en plaque à haut rendement, le détendeur d'hydrogène primaire et le détendeur d'hydrogène secondaire sont tous deux des détendeurs centrifuges freinés par un compresseur de suralimentation, la section à basse pression de l'unité de compresseur d'hydrogène est un compresseur alternatif, la section à haute pression de l'unité de compresseur d'hydrogène est un compresseur centrifuge et l'unité de compresseur d'azote et l'unité de compresseur de réfrigérant mixte sont des compresseurs centrifuges.
Un procédé d'utilisation du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte comprend les étapes suivantes :
1) l'hydrogène brut est mis en communication avec une canalisation d'entrée de l'adsorbeur à tamis moléculaire de déshydratation, élimine l'eau à 0,1 ppm, puis entre dans l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire dans la boîte froide de prérefroidissement au moyen de la deuxième canalisation pour être refroidi à 113 °K, puis entre dans l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire rempli par des catalyseurs de conversion orthohydrogène-parahydrogène au moyen de la troisième canalisation pour la conversion orthohydrogène-parahydrogène pour être refroidi à 80 °K ; puis entre dans l'adsorbeur à tamis moléculaire à basse température au moyen de la quatrième canalisation pour éliminer les traces d'oxygène, d'azote, d'argon et de méthane, le flux de matière provenant de l'adsorbeur à basse température communique avec la cinquième canalisation de la boîte froide cryogénique et entre dans l'échangeur de chaleur cryogénique rempli par des catalyseurs de conversion orthohydrogène et parahydrogène pour être refroidi à 25 °K, le flux de matière provenant de HX3 est mis en communication avec l'éjecteur au moyen de la sixième canalisation pour réduire la pression à 0,57 MPa, en même temps, le gaz bog (tourbière) est introduit et entre dans l'échangeur de chaleur de surrefroidissement rempli des catalyseurs de conversion orthohydrogène et parahydrogène au moyen de la septième canalisation pour être refroidi à 22 °K, puis la vanne d'étranglement transfère l'hydrogène liquide vers un système de stockage et le bog dans le système de stockage est reliquéfié au moyen de l'éjecteur ;
2) la sortie de l'unité de compresseur d'hydrogène est mise en communication avec les extrémités de suralimentation du détendeur d'hydrogène primaire et du détendeur d'hydrogène secondaire au moyen de la onzième canalisation en séquence et l'hydrogène à haute pression est suralimenté en séquence, puis passe au moyen de la douzième canalisation et de la treizième canalisation en séquence et est refroidi à 80 °K dans la boîte froide de prérefroidissement ; l'hydrogène à haute pression est mis en communication avec l'échangeur de chaleur cryogénique dans la boîte froide cryogénique au moyen de la quatorzième canalisation, après que l'hydrogène à haute pression a été refroidi à 70 °K, un flux séparé entre dans le détendeur d'hydrogène primaire au moyen de la quinzième canalisation pour être refroidi à 44,3 °K, puis retourne à l'échangeur de chaleur cryogénique au moyen de la seizième canalisation, après qu'un autre flux séparé a été refroidi à 50 °K, un autre flux séparé entre dans le détendeur d'hydrogène secondaire au moyen de la dix-septième canalisation pour être refroidi à 28,8 °K, retourne à l'échangeur de chaleur cryogénique au moyen de la dix-huitième canalisation, puis est combiné avec le flux à la sortie du détendeur d'hydrogène primaire après avoir été réchauffé et passe à travers l'échangeur de chaleur cryogénique, puis est mis en communication avec l'échangeur de chaleur de prérefroidissement et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement au moyen d'une vingt-septième canalisation et d'une vingt-huitième canalisation en séquence, le milieu hydrogène retourne à l'entrée de la section à haute pression de l'unité de compression d'hydrogène au moyen d'une vingt-neuvième canalisation après avoir été réchauffé ; le flux restant est refroidi en outre à 25 °K et est relié à la vanne d'étranglement au moyen de la dix-neuvième canalisation et est mis en communication avec le séparateur gaz-liquide au moyen de la vingtième canalisation après que la vanne d'étranglement a été refroidie à 20 °K ; après la séparation gaz-liquide, la phase liquide est mise en communication avec l'échangeur de chaleur de surrefroidissement au moyen de la vingt-et-unième canalisation, l'hydrogène liquide retourne au séparateur gaz-liquide au moyen de la vingt-deuxième canalisation après avoir été partiellement évaporé dans l'échangeur de chaleur de surrefroidissement pour former une boucle de thermosiphon ; la phase gazeuse du séparateur gaz-liquide est mise en communication avec l'échangeur de chaleur cryogénique, l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire au moyen de la vingt-troisième canalisation, de la vingt-quatrième canalisation et de la vingt-cinquième canalisation en séquence et entre ensuite dans la section à basse pression de l'unité de compresseur d'hydrogène au moyen de la vingt-sixième canalisation après avoir été réchauffée à la température normale, puis est combinée avec l'hydrogène à moyenne pression dans la section à haute pression de l'unité de compression d'hydrogène après avoir été suralimentée au moyen de la section à basse pression de l'unité de compression d'hydrogène, de manière à former un ensemble de cycle de réfrigération de l'hydrogène ;
3) l'azote à la sortie de l'unité de compresseur d'azote entre dans la boîte froide de prérefroidissement au moyen d'une trentième canalisation, est refroidi à 113 °K au moyen de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire, est mis en communication avec la vanne d'étranglement au moyen de la trente et unième canalisation et est mis en communication avec l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire au moyen d'une trente-deuxième canalisation et d'une trente-troisième canalisation en séquence après que la vanne d'étranglement a été refroidie à 80 °K, puis retourne à l'entrée de l'unité de compresseur d'azote au moyen d'une trente-quatrième canalisation, de manière à former un ensemble de cycle de réfrigération de l'azote et fournir de l'énergie froide pour la plage de température de 113 °K à 80 °K.
4) le réfrigérant mixte à la sortie de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte entre dans la boîte froide de prérefroidissement et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire au moyen d'une trente-cinquième canalisation pour être refroidi à 113 °K et est mis en communication avec la vanne d'étranglement au moyen de la trente-sixième canalisation, retourne à l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire au moyen d'une trente-septième canalisation après le refroidissement de la vanne d'étranglement, quitte la boîte froide de prérefroidissement au moyen d'une trente-huitième canalisation et retourne à l'entrée de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte, de manière à former un ensemble de cycles de réfrigération du réfrigérant mixte et à fournir de l'énergie de refroidissement pour la plage de température de 303 °K à 113 °K.
De préférence, les proportions d'orthohydrogène et de parahydrogène dans l'étape 1) sont respectivement de 2,2 % et de 97,8 % et les proportions d'orthohydrogène et de parahydrogène dans le système de stockage sont respectivement de 1 % et 99 %.
De préférence, le milieu du cycle de réfrigération de l'azote de l'étape 3) est de l'azote pur.
De préférence, le réfrigérant mixte de l'étape 4) est constitué de méthane, d'éthylène, de propane, d'isopentane et d'azote.
La présente invention a pour effet positif que le schéma ci-dessus réduit autant que possible les pertes des processus de purification, de conversion et de liquéfaction au moyen de la conversion et de l'échange de chaleur continus des catalyseurs de conversion orthohydrogène-parahydrogène dans l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire, l'échangeur de chaleur cryogénique et l'échangeur de chaleur de surrefroidissement, l'élimination des impuretés par adsorption à basse température et la récupération du bog par l'éjecteur, réduisant ainsi la consommation d'énergie. La consommation d'énergie de la section cryogénique est réduite à 6,78 kW/kgLH2 au moyen de deux ensembles de réfrigération du détendeur à deux étages et de réfrigération de l'étrangleur d'hydrogène liquide. La consommation d'énergie de la section de prérefroidissement est réduite à 3,2 kW/kgLH2 à l'aide de la réfrigération à cycle d'azote et la réfrigération à cycle de réfrigérant mixte. La consommation d'énergie globale du processus de liquéfaction de l'hydrogène est de 10 kW/kgLH2 ce qui est nettement inférieur à celle du procédé de liquéfaction de l'hydrogène classique.
est un diagramme structural schématique de la présente invention.

Claims (9)

  1. Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte, dans lequel le dispositif comprend une unité de compression du réfrigérant (I), une boîte froide de prérefroidissement (II) et une boîte froide cryogénique (III) qui sont reliées l'une à l'autre au moyen des canalisations, dans lequel l'unité de compression du réfrigérant (I) est pourvue d'un adsorbeur à tamis moléculaire de déshydratation (S1), d'une unité de compresseur d'hydrogène (C1), d'une unité de compresseur d'azote (C2) et d'une unité de réfrigération du réfrigérant mixte (C3), la boîte froide de prérefroidissement (II) est pourvue d'un échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1), d'un échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) et d'un adsorbeur à tamis moléculaire à basse température (S2) et la boîte froide cryogénique (III) est pourvue d'un échangeur de chaleur cryogénique (HX3), d'un éjecteur (E1), d'un échangeur de chaleur de surrefroidissement (HX4), d'un séparateur gaz-liquide (D2), d'un détendeur d'hydrogène primaire (X1) et d'un détendeur d'hydrogène secondaire (X2).
  2. Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 1, dans lequel l'adsorbeur à tamis moléculaire de déshydratation (S1) dans l'unité de compression du réfrigérant (I) est relié à un canal d'hydrogène comme matière première de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) et à l'adsorbeur à tamis moléculaire à basse température (S2) dans la boîte froide de prérefroidissement (II) au moyen d'une deuxième canalisation (2), d'une troisième canalisation (3) et d'une quatrième canalisation (4), puis est relié à un canal d'hydrogène comme matière première de l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3), à l'éjecteur (E1) et à un canal d'hydrogène comme matière première de l'échangeur de chaleur de surrefroidissement (HX4) dans la boîte froide cryogénique (III), en séquence, au moyen d'une cinquième canalisation (5), d'une sixième canalisation (6) et d'une septième canalisation (7) pour former un canal de circulation dans l'ensemble du processus allant de l'hydrogène brut à l'hydrogène liquide.
  3. Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 1, dans lequel la sortie de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) dans l'unité de compression du réfrigérant (I) est reliée aux extrémités de suralimentation du détendeur d'hydrogène primaire (X1) et du détendeur d'hydrogène secondaire (X2) et aux canaux d'hydrogène circulant à haute pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) dans la boîte froide de prérefroidissement (II) en séquence au moyen d'une onzième canalisation (11), d'une douzième canalisation (12) et d'une treizième canalisation (13), puis est reliée à un canal d'hydrogène circulant à haute pression de l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) dans la boîte froide cryogénique (III) au moyen d'une quatorzième canalisation (14) et est reliée au détendeur d'hydrogène primaire (X1), au détendeur d'hydrogène secondaire (X2) et à une vanne d'étranglement (V1) au moyen d'une quinzième canalisation (15), d'une dix-septième canalisation (17) et d'une dix-neuvième canalisation (19) parmi trois canalisations de dérivation, respectivement, la vanne d'étranglement (V1) est reliée aux canaux d'hydrogène circulant à basse température du séparateur gaz-liquide (D2) et de l'échangeur de chaleur de surrefroidissement en séquence (HX4) au moyen d'une vingtième canalisation (20), d'une vingt-et-unième canalisation (21) et d'une vingt-deuxième canalisation (22), le séparateur gaz-liquide (D2) est relié à un premier canal d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3), aux premiers canaux d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) et de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et à une section à basse pression de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) en séquence au moyen d'une vingt-troisième canalisation (23), d'une vingt-quatrième canalisation (24), d'une vingt-cinquième canalisation (25) et d'une vingt-sixième canalisation (26), le détendeur d'hydrogène primaire (X1) et le détendeur d'hydrogène secondaire (X2) sont reliés à un second canal d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) au moyen d'une seizième canalisation (16) et d'une dix-huitième canalisation (18), respectivement, puis est relié aux seconds canaux d'hydrogène circulant à basse pression de l'échangeur thermique secondaire de prérefroidissement (HX2) et de l'échangeur thermique primaire de prérefroidissement (HX1) et à une section à haute pression de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) au moyen d'une vingt-septième canalisation (27), d'une vingt-huitième canalisation (28) et d'une vingt-neuvième canalisation (29), afin de former un canal de circulation de réfrigération de l'hydrogène.
  4. Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 1, dans lequel la sortie de l'unité de compresseur d'azote (C2) est reliée à un canal d'azote à haute pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et à une vanne d'étranglement (V2) dans la boîte froide de prérefroidissement (II) en séquence au moyen d'une trentième canalisation (30) et d'une trente et unième canalisation (31), puis est reliée aux entrées de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2), de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et de l'unité de compresseur d'azote (C2) au moyen d'une trente-deuxième canalisation (32), d'une trente-troisième canalisation (33) et d'une trente-quatrième canalisation (34) en séquence pour former un canal de circulation de réfrigération de l'azote et la sortie de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte (C3) est reliée à un canal de réfrigérant à haute pression de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et à une vanne d'étranglement (V3) dans la boîte froide de prérefroidissement (II) au moyen d'une trente-cinquième canalisation (35) et d'une trente-sixième canalisation (36) en séquence, puis est reliée aux entrées de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) et de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte (C3) au moyen d'une trente-septième canalisation (37) et d'une trente-huitième canalisation (38) en séquence pour former un canal de circulation de réfrigération du réfrigérant mixte.
  5. Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 1, dans lequel l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1), l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2), l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) et l'échangeur de chaleur de surrefroidissement (HX4) sont tous des échangeurs de chaleur à ailettes en plaque à haut rendement, le détendeur d'hydrogène primaire (X1) et le détendeur d'hydrogène secondaire (X2) sont tous deux des détendeurs centrifuges freinés par un compresseur de suralimentation, la section à basse pression de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) est un compresseur alternatif, la section à haute pression de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) est un compresseur centrifuge et l'unité de compresseur d'azote (C2) et l'unité de compresseur de réfrigérant mixte (C3) sont des compresseurs centrifuges.
  6. Procédé d'utilisation du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant les étapes suivantes :
    • l'hydrogène brut est mis en communication avec une canalisation d'entrée (1) de l'adsorbeur à tamis moléculaire de déshydratation (S1), élimine l'eau à 0,1 ppm, puis entre dans l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) dans la boîte froide de prérefroidissement (II) au moyen de la deuxième canalisation (2) pour être refroidi à 113 °K, puis entre dans l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) rempli par des catalyseurs de conversion orthohydrogène-parahydrogène au moyen de la troisième canalisation (3) pour la conversion orthohydrogène-parahydrogène pour être refroidi à 80 °K ; puis entre dans l'adsorbeur à tamis moléculaire à basse température (S2) au moyen de la quatrième canalisation (4) pour éliminer les traces d'oxygène, d'azote, d'argon et de méthane, le flux de matière provenant de l'adsorbeur à basse température communique avec la cinquième canalisation (5) de la boîte froide cryogénique (III) et entre dans l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) rempli par des catalyseurs de conversion orthohydrogène et parahydrogène pour être refroidi à 25 °K, le flux de matière provenant de (HX3) est mis en communication avec l'éjecteur (E1) au moyen de la sixième canalisation (6) pour réduire la pression à 0,57 MPa, en même temps, le gaz bog est introduit et entre dans l'échangeur de chaleur de surrefroidissement (HX4) rempli des catalyseurs de conversion orthohydrogène et parahydrogène au moyen de la septième canalisation (7) pour être refroidi à 22 °K, puis la vanne d'étranglement transfère l'hydrogène liquide vers un système de stockage et le bog dans le système de stockage est reliquéfié au moyen de l'éjecteur (E1) ;
    • la sortie de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) est mise en communication avec les extrémités de suralimentation du détendeur d'hydrogène primaire (X1) et du détendeur d'hydrogène secondaire (X2) au moyen de la onzième canalisation (11) en séquence et l'hydrogène à haute pression est suralimenté en séquence, puis passe au moyen de la douzième canalisation (12) et de la treizième canalisation (13) en séquence et est refroidi à 80 °K dans la boîte froide de prérefroidissement (II) ; l'hydrogène à haute pression est mis en communication avec l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) dans la boîte froide cryogénique (III) au moyen de la quatorzième canalisation (14), après que l'hydrogène à haute pression a été refroidi à 70 °K, un flux séparé entre dans le détendeur d'hydrogène primaire (X1) au moyen de la quinzième canalisation (15) pour être refroidi à 44,3 °K, puis retourne à l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) au moyen de la seizième canalisation (16), après qu'un autre flux séparé a été refroidi à 50 °K, un autre flux séparé entre dans le détendeur d'hydrogène secondaire (X2) au moyen de la dix-septième canalisation (17) pour être refroidi à 28,8 °K, retourne à l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3) au moyen de la dix-huitième canalisation (18), puis est combiné avec le flux à la sortie du détendeur d'hydrogène primaire (X1) après avoir été réchauffé et passe à travers l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3), puis est mis en communication avec l'échangeur de chaleur de prérefroidissement (HX2) et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement (HX1) au moyen d'une vingt-septième canalisation (27) et d'une vingt-huitième canalisation (28) en séquence, le milieu hydrogène retourne à l'entrée de la section à haute pression de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) au moyen d'une vingt-neuvième canalisation (29) après avoir été réchauffé ; le flux restant est refroidi en outre à 25 °K et est relié à la vanne d'étranglement (V1) au moyen de la dix-neuvième canalisation (19) et est mis en communication avec le séparateur gaz-liquide (D2) au moyen de la vingtième canalisation (20) après que la vanne d'étranglement a été refroidie à 20 °K ; après la séparation gaz-liquide, la phase liquide est mise en communication avec l'échangeur de chaleur de surrefroidissement (HX4) au moyen de la vingt-et-unième canalisation (21), l'hydrogène liquide retourne au séparateur gaz-liquide (D2) au moyen de la vingt-deuxième canalisation (22) après avoir été partiellement évaporé dans l'échangeur de chaleur de surrefroidissement (HX4) pour former une boucle de thermosiphon ; la phase gazeuse du séparateur gaz-liquide (D2) est mise en communication avec l'échangeur de chaleur cryogénique (HX3), l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) au moyen de la vingt-troisième canalisation (23), de la vingt-quatrième canalisation (24) et de la vingt-cinquième canalisation (25) en séquence et entre ensuite dans la section à basse pression de l'unité de compresseur d'hydrogène (C1) au moyen de la vingt-sixième canalisation (26) après avoir été réchauffé à la température normale, puis est combiné avec l'hydrogène à moyenne pression dans la section à haute pression de l'unité de compression d'hydrogène (C1) après avoir été suralimenté au moyen de la section à basse pression de l'unité de compression d'hydrogène (C1), de manière à former un ensemble de cycle de réfrigération de l'hydrogène ;
    • l'azote à la sortie de l'unité de compresseur d'azote (C2) entre dans la boîte froide de prérefroidissement (II) au moyen d'une trentième canalisation (30), est refroidi à 113 °K au moyen de l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1), est mis en communication avec la vanne d'étranglement (V2) au moyen de la trente et unième canalisation (31) et est mis en communication avec l'échangeur de chaleur de prérefroidissement secondaire (HX2) et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) au moyen d'une trente-deuxième canalisation (32) et d'une trente-troisième canalisation (33) en séquence après que la vanne d'étranglement a été refroidie à 80 °K, puis retourne à l'entrée de l'unité de compresseur d'azote (C2) au moyen d'une trente-quatrième canalisation (34), de manière à former un ensemble de cycle de réfrigération de l'azote et fournir de l'énergie froide pour la plage de température de 113 °K à 80 °K.
    • le réfrigérant mixte à la sortie de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte (C3) entre dans la boîte froide de prérefroidissement (II) et l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) au moyen d'une trente-cinquième canalisation (35) pour être refroidi à 113 °K et est mis en communication avec la vanne d'étranglement (V3) au moyen de la trente-sixième canalisation (36), retourne à l'échangeur de chaleur de prérefroidissement primaire (HX1) au moyen d'une trente-septième canalisation (37) après le refroidissement de la vanne d'étranglement, quitte la boîte froide de prérefroidissement (II) au moyen d'une trente-huitième canalisation (38) et retourne à l'entrée de l'unité de compresseur de réfrigérant mixte (C3), de manière à former un ensemble de cycles de réfrigération du réfrigérant mixte et à fournir de l'énergie de refroidissement pour la plage de température de 303 °K à 113 °K.
  7. Procédé d'utilisation du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 6, dans lequel les proportions d'orthohydrogène et de parahydrogène dans l'étape 1) sont respectivement de 2,2 % et de 97,8 % et les proportions d'orthohydrogène et de parahydrogène dans le système de stockage sont respectivement de 1 % et 99 %.
  8. Procédé d'utilisation du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 6, dans lequel le milieu du cycle de réfrigération de l'azote de l'étape 3) est de l'azote pur.
  9. Procédé d'utilisation du dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte selon la revendication 6, dans lequel le réfrigérant mixte de l'étape 4) est constitué de méthane, d'éthylène, de propane, d'isopentane et d'azote.
FR2208720A 2021-09-01 2022-08-31 Dispositif de liquéfaction de l'hydrogène à réfrigérant mixte et son procédé d'utilisation Pending FR3126481A1 (fr)

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