NO310163B1

NO310163B1 - Fremgangsmåte og apparat for kondensering av hydrogen

Info

Publication number: NO310163B1
Application number: NO19952990A
Authority: NO
Inventors: Maurice Grenier
Original assignee: Air Liquide
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 2001-05-28
Also published as: NO952990L; NO952990D0; CN1119732A; CN1077274C; US5579655A; JPH08178520A; FR2723183A1; FR2723183B1; CA2154985A1

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for kondensering av hydrogen, hvor det benyttes et kuldemedium som hovedsakelig omfatter hydrogen, og en lukket kjølekrets med flytende nitrogen.

Dessuten vedrører oppfinnelsen et apparat for ut-førelse av fremgangsmåten omfattende en kjølekrets hvis kuldemedium omfatter hovedsakelig hydrogen, og en lukket kjølekrets med flytende nitrogen, samt en varmeveksler som er utstyrt med kjølekanaler for hydrogen som skal behandles, og gjenoppvarmingskanaler for flere kuldemedier.

I teksten er de angitte trykk absolutte trykk.

Det er velkjent at hydrogen er en gass som er for lett til å bli komprimert effektivt ved hjelp av kompressorer av sentrifugal- eller aksialtype, som er økonomiske å frem-stille og å anvende. Dette er årsaken til at hydrogen nå overføres til flytende form under anvendelse av kjølesyklus som er rent nitrogen, vanligvis under anvendelse av kompressorer med frem- og tilbakegående stempel for kompri-mering av syklushydrogenet, med høye investerings- og driftskostnader som er desto høyere jo mer størrelsen på installasjonen øker. F.eks. er det for en installasjon som produserer 3.000 tonn per dag flytende hydrogen nødvendig å anvende 23 alternative kompressorer i parallell.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte for kondensering av hydrogen under anvendelse av en kompressor av sentrifugal- eller aksialtype for kompre-sjonen av syklusfluidet, mens det brukes relativt lite energi totalt samt lav driftskostnad.

For dette formål kjennetegnes fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved at kuldemediet i tillegg til hydrogen omfatter en blanding som hovedsakelig består av mettede C2-, C3- og C5-hydrokarboner, og at hydrokarbonene kondenseres og ekspanderes, hvorved de kondenserte fraksjoner av C2-, C3- og C5-hydrokarbonene ekspanderes ved respektive temperaturer på henholdsvis 0 til -10°C, fra -40 til -50°C samt fra -110 til -120°C for å danne kuldemedier som er beregnet på å fordampes.

Fremgangsmåten kan omfatte ett eller flere av følgende karakteristika: Hydrokarbonblandingen består av mettede hydrokarboner som er C2,<C>3og C5, og om ønskelig C4,

en fraksjon av kuldemediet i kjølekretsen nær omgivelsestemperatur ved syklusens høye trykk og om ønskelig ved minst ett mellomtrykk,

minst én kondensert fraksjon deles i to strømmer som ekspanderes ved minst to forskjellige trykk til for å danne kuldemedier ved hvert av disse trykk,

hydrokarbonblandingen vaskes med flytende propan ved en temperatur som er litt høyere enn størkningstempera-turen for C2- og C3~hydrokarbonene, før det ved samme temperaturnivå utføres en rensing av blandingen ved adsorpsjon av alle andre bestanddeler enn hydrogen,

den flytende vaskepropan dannes av i det minste en del av kjølekretsens påfyllingspropan, avkjølt til vaske-kolonnens temperatur,

nitrogenkjølekretsen omfatter en andre, lukket nitro-genkjølesyklus,

nitrogenkjølekretsen omfatter en ekstern kilde for flytende nitrogen, særlig et luftsepareringsapparat.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det har et kuldemedium som i tillegg til hydrogen omfatter en blanding som hovedsakelig består av mettede C2-, C3- og Cj-hydrokarboner, en anordning for separering av kondenserte hydrokarboner, samt en anordning for ekspansjon av de derved separerte hydrokarboner og separat innføring av dem i gjenoppvarmingskanalene.

Fortrinnsvis omfatter apparatet en kjølesykluskom-pressor av sentrifugal- eller aksialtype.

Et eksempel på utførelse av oppfinnelsen vil bli be-skrevet i det etterfølgende under henvisning til den med-følgende tegning, hvor: Figuren viser skjematisk en del av apparatet ifølge oppfinnelsen for kondensering av hydrogen.

Tegningen viser skjematisk et apparat for overføring av hydrogen, bortsett fra den kaldeste del av apparatet som er konvensjonell og hvor forhåndsavkjølt syklushydrogen blir avkjølt, overført til flytende form og ekspandert for å frembringe den kulde som er nødvendig for å overføre det behandlete hydrogen eller "prosesshydrogen" til flytende form.

Tegningen viser en hydrogensykluskompressor 1 av sentrifugal- eller aksialtype, en nitrogensykluskompressor 2, som også er av sentrifugal- eller aksialtype, en varme-vekslerlinje som er vist i form av to varmevekslere, en "varm" 3 og en "kald" 4, som begge er av typen med indi-rekte varmeveksling og med motstrøm av væskene i varme-vekslerforhold, og fortrinnsvis av typen med slagloddet aluminiumplate, en kolonne 5 for vasking med flytende propan, en anordning 6 for rensing ved adsorpsjon, en turbo-kompressorgruppe 7 som omfatter en vifte 8 og en ekspan-sjonsturbin 9 hvis rotorer er anbrakt på samme aksel, faseseparatorer 10-13, kjølere 14-17 for luft eller vann, som er forbundet med strømmer av komprimerte fluider fra henholdsvis kompressorene 1 og 2 og fra viften 8, samt ekspansjonsventiler 18-25.

Hydrogen som skal kondenseres ankommer under et trykk på 20 bar via en ledning 26, forhåndskjøles i ledninger 27 i varmeveksleren 3 til ca. -178°C og avkjøles ytterligere til ca. -192°C i varmevekslerens 4 kanaler 28, hvorfra det strømmer ut via en ledning 29 for å sendes til den kalde del av apparatet. Som vist er den kaldeste del av kanalene 27 og 28 utstyrt med en katalysator for orto-paraomfor-mingen av hydrogen, slik at denne omforming, som er meget eksoterm, vil bli utført før hydrogenet kondenseres.

I det etterfølgende vil nitrogenkjølesyklusen bli be-skrevet .

Nitrogen under høyt trykk, som forlater kompressoren 2 under et trykk på 30 bar bringes i 16 på omtrent omgivelsestemperatur, komprimeres ytterligere til 50 bar i 8, bringes i 17 til i nærheten av omgivelsestemperatur og innføres i den varme ende av varmeveksleren 3 i kanaler 31 i denne. Ved en mellomtemperatur i størrelsesorden -120°C forlater en del av dette høytrykksnitrogen varmeveksleren og ekspanderes til 5 bar i turbinen 8. Resten av høytrykks-nitrogenet fortsetter avkjølingen, omdannes til flytende form og kjøles i den kalde ende av varmeveksleren 3, hvoretter det ekspanderes til 5 bar i 24 og innføres i separatoren 13. Nitrogenet fra turbinen 9 sendes til separatoren 13 hvis dampfase gjenoppvarmes fra den kalde til den varme ende av varmeveksleren 3 i kanaler 32 og tilbakeføres deretter via en ledning 33 til innløpet av et mellomtrinn i kompressoren 2.

Væskefasen som oppsamles i separatoren 13 kjøles i kanaler 34 i varmeveksleren 4, ekspanderes til ca. atmos-færestrykk i 25, fordampes i kanaler 35 i samme varmeveksler og oppvarmes deretter igjen fra den kalde ende til den varme ende av varmeveksleren 3 i kanaler 36 før den sendes via en ledning 37 til innløpet til det første trinn i kompressoren 2.

I det etterfølgende vil hydrogensyklusen bli beskre-vet .

Det første trinn i kompressoren 1 tilføres ved ca. 1 bar følgende blanding:H2= 66,8%

C2Hg = 14,2%

C3H8= 11,5%

C5H12= 7,5%

hvortil det ved inntaket av det første mellomtrinn tilsettes ved 6 bar følgende blanding: H2= 83,2%

C2H6= 5,0%

C3H8= 4,6%

C5H12= 7,5%

Blandingen har derved følgende gjennomsnittlige sam-mensetning: H2= 81,5%

C2H6= 6%

C3HQ= 5,3%

C5H12= 7,2%

Denne blanding uttas ved 20 bar fra utløpet av et

andre mellomtrinn i kompressoren 2, bringes til i nærheten av omgivelsestemperatur i 14 og innføres i separatoren 10. Dampfasen for denne separator sendes via en ledning 38 til innløpet av det etterfølgende trinn i kompressoren, mens væskefasen, som hovedsakelig består av de tyngste hydrokarboner, avkjøles til ca. -5°C , ekspanderes til ca. 6 bar i 18, fordampes under dette trykk i den varme del av kanaler 39 i varmeveksleren 3 og føres via en ledning 40 tilbake til innløpet av kompressorens 1 første mellomtrinn.

Høytrykksblandingen fra siste trinn i kompressoren 1 bringes til nærheten av omgivelsestemperatur i 15 og inn-føres i separatoren 11.

Væskefasen som oppsamles i sistnevnte avkjøles til ca.

-45°C og deles i to fraksjoner. Den første fraksjon fordampes etter ekspansjon til 6 bar i 19, fordampes i

kanalene 39 og forenes deretter med blandingen fra ekspan-sjonsventilen 18. Den andre fraksjon fordampes etter ekspansjon til ca. 1 bar i 20 og gjenoppvarmes i kanaler 41 i varmeveksleren 3 og føres deretter tilbake til inntaket til kompressorens 1 første trinn via en ledning 42.

Dampfasen fra separatoren 11 avkjøles til ca. -120°C mens den delvis omdannes til flytende form i kanaler 43 i varmeveksleren 3 hvoretter den innføres i separatoren 12. Væskefasen som oppsamles i sistnevnte deles i sin tur i to fraksjoner, som etter ekspansjon til henholdsvis ca. 6 bar og ca. 1 bar i 21 og 22 fordampes i henholdsvis kanalen 39 og kanalen 41 og forenes deretter igjen med de ovennevnte fraksjoner som innføres i kanalene ved høyere temperatur-nivåer.

Dampfasen fra separatoren 12, som består av hydrogen som inneholder ca. 1 ppm propan og 0,3% etan, innføres igjen i varmeveksleren 3, avkjøles til den kalde ende av denne i kanaler 44 og innføres deretter ved bunnen av kolonnen 5, som oventil, via en ledning 45 tilføres av-kjølt, flytende propan fra reservoaret av påfyllingspropan fra hydrogensyklusen. Kolonnen 5 arbeider ved en temperatur som er atskillige grader, f.eks. fra 3 til 5°C, høyere enn størkningstemperaturen for etan og propan.

Væsken ved bunnen av kolonnen 5, som består av etan og propan samt spor av hydrogen, ekspanderes til ca. 1 bar i 23 og innføres deretter nær den kalde ende av kanalene 41. Denne væske representerer en liten fraksjon, f.eks. i størrelsesorden under 1%, av strømmen av blandingen i syk-lusen .

Dampen ved toppen av kolonnen 5, som består av hydrogen som typisk inneholder mindre enn 5 ppm hydrokarboner, underkastes sluttrensing ved adsorpsjon i 6 og avkjøles deretter i kanalene 46 i varmeveksleren 4 og sendes til apparatets kalde del. På tegningen er det antydet kanaler 47 og 48, som befinner seg henholdsvis ved ca. 6 bar og ca.

1 bar, for gjenoppvarming av syklusnitrogenet som føres

tilbake fra denne kalde del, hvorved disse kanaler er forbundet med den kalde ende av kanalene 39 og 41 i varmeveksleren 3. Det oppnås derved en kvasikontinuerlig fordampning av væsker over hele temperaturområdet mellom -120°C og omgivelsestemperatur, noe som i samme grad avlaster nitrogen-syklusen i dette temperaturområde og gjør det mulig å ute-late enhver ekstra kjølesyklus, f.eks. ved +5°C og ved -40°C. Nitrogensyklusens kjølebelastning kan derved redu-seres praktisk talt med halvparten i forhold til et apparat som i tillegg til denne syklus omfatter en ren nitro-gensyklus.

Det skal bemerkes at fraværet av metan og nitrogen i syklusblandingen gjør det mulig å fjerne nesten alle andre bestanddeler enn hydrogen ved enkel kondensasjon og å opp-nå, i den kalde ende av varmeveksleren 3, en tilstrekkelig renset blanding til at adsorpsjonsanordningen 6 bare behøver å regenereres med lange tidsintervaller, f.eks. en gang per uke, ved omgivelsestemperatur. Denne fordel for-sterkes ved nærværet av vaskekolonnen 5 med flytende propan, slik som forklart ovenfor.

Det skal imidlertid bemerkes at syklusblandingen dersom det er ønskelig kan inneholde meget små mengder metan og/eller nitrogen, i ethvert tilfelle i mengder på under 1%, samt C6-hydrokarboner.

Som en modifikasjon kan det flytende kjølenitrogen tilføres fra en ekstern kilde, særlig fra et apparat for separering av luft ved destillasjon, som er anbrakt i nærheten.

Dersom apparatet for kondensering av hydrogen tilføres flytende nitrogen fra et luftdestillasjonsapparat, såsom oksytonne, er det av interesse å føre nitrogenet tilbake til destillasjonsapparatet etter fordampning og delvis gjenoppvarming til -125°C.

Under disse betingelser vil følgelig den kulde som er nødvendig for gjenoppvarming av dette nitrogen fra -125°C til omgivelsestemperatur bli tilført ved hjelp av apparatet for kondensering av hydrogenet og ikke ved hjelp av destillasjonsapparatet. Som resultat er der en økning i hydrokarboninnholdet i syklushydrogenet, noe som er gunstig både for teknologien til syklushydrogenkomprimerings-maskinen (færre trinn) og for den spesifikke energi.

Systemet kan bedres ytterligere i dette tilfelle ved tilførsel av den nødvendige kulde til apparatet for kondensering av hydrogenet delvis ved hjelp av flytende nitrogen som fordampes og gjenoppvarmes ved -125°C og delvis ved hjelp av gassformet nitrogen som skal gjenoppvarmes mellom -190°C og -125°C.

Man ville også i ekstreme tilfeller kunne tilføre all den nødvendige kulde til destillasjonsapparatet mellom omgivelsestemperatur og -125°C fra apparatet for kondensering av hydrogen (ved avkjøling av kjølenitrogenet f.eks. mellom omgivelsestemperatur og -120°C i apparatet for kondensering av hydrogen).

Claims

1. Fremgangsmåte for kondensering av hydrogen, hvor det benyttes et kuldemedium som hovedsakelig omfatter hydrogen, og en lukket kjølekrets med flytende nitrogen,karakterisert vedat kuldemediet i tillegg til hydrogen omfatter en blanding som hovedsakelig består av mettede 0- 2' < c3~°9C5-hydrokarboner, og at hydrokarbonene kondenseres og ekspanderes, hvorved de kondenserte fraksjoner av C2-, C3- og C5-hydrokarbonene ekspanderes ved de respektive temperaturer på henholdsvis 0 til -10°C, fra -40 til -50°C samt fra -110 til -120°C for å danne kuldemedier som er beregnet på å fordampes.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat en fraksjon av kuldemediet i kjølekretsen kondenseres ved en temperatur nær omgivelsestemperatur og ved et høyt kretstrykk.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2,karakterisert vedat minst én kondensert fraksjon deles i to strømmer som ekspanderes til minst to forskjellige trykk for å danne kuldemedier ved hvert av de to forskjellige trykk.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat hydrokarbonblandingen vaskes med flytende propan ved en temperatur som er litt høyere enn størkningstemperaturen for C2- og C3-hydrokarbonene, hvoretter det utføres en rensing av blandingen ved adsorpsjon av alle andre bestanddeler enn hydrogen.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4,karakterisert vedat den flytende vaskepropan dannes av i det minste en del av kjølekretsens påfyllingspropan, avkjølt til en vaskekolonnes (5) temperatur.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat nitrogenkjølekretsen omfatter en andre lukket nitrogenkjølesyklus.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat nitrogenkjølekretsen omfatter en ekstern kilde for flytende nitrogen.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 7,karakterisert vedat gassformet nitrogen fra ni-trogenkretsen tilbakeføres til den eksterne kilde for flytende nitrogen.

9. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende en kjølekrets hvis kuldemedium omfatter hovedsakelig hydrogen, og en lukket kjølekrets med flytende nitrogen, samt en varmeveksler (3, 4) som er utstyrt med kjølekanaler (27, 28, 43, 44, 46) for hydrogen som skal behandles, og gjenoppvarmingskanaler (32, 36, 39, 41, 47, 48) for flere kuldemedier,karakterisert vedat det har et kuldemedium som i tillegg til hydrogen omfatter en blanding som hovedsakelig består av mettede C2-, C3- og C5~hydrokarboner, en anordning (10,11,12) for separering av kondenserte hydrokarboner, samt en anordning (18, 23) for ekspansjon av de derved separerte hydrokarboner og separat innføring av dem i gjenoppvarmingskanalene (39, 41) .

10. Apparat i samsvar med krav 9,karakterisert vedat det omfatter en anordning (14, 15) for kondensering av en fraksjon av kjølekretsens kuldemedium ved en temperatur nær omgivelsestemperatur og et høyt kretstrykk.

11. Apparat i samsvar med krav 9,karakterisert vedat trykket i den ene av gjenoppvarmingskanalene (39, 41) er forskjellig fra trykket i den annen gj enoppvarmingskanal.

12. Apparat i samsvar med krav 10,karakterisert vedat det omfatter en vaskekolonne (5) med flytende propan, som er innrettet til å arbeide ved en temperatur som er litt høyere enn C2- og C3~hydrokarbonenes størkningstemperatur, etterkoplet en innretning (6) for rensing av blandingen ved adsorpsjon ved samme temperatur.

13. Apparat i samsvar med krav 9,karakterisert vedat det omfatter en kjølesykluskompressor (1) av sentrifugal- eller aksialtype.

14. Apparat i samsvar med krav 9,karakterisert vedat nitrogenkjølekretsen omfatter en andre lukket nitrogenkjølekrets.

15. Apparat i samsvar med krav 9,karakterisert vedat nitrogenkjølekretsen omfatter en ekstern kilde for flytende nitrogen.

16. Apparat i samsvar med krav 15,karakterisert veden innretning for tilbakeføring av gassformet nitrogen fra nitrogenkjølekretsen til den eksterne kilde for flytende nitrogen.