RU2779805C1

RU2779805C1 - Способ сжижения водорода и установка для его осуществления (варианты)

Info

Publication number: RU2779805C1
Application number: RU2022112305A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Кротов; Маргарита Петровна Крикунова; Софья Владимировна Масликова; Татьяна Геннадьевна Устюгова; Ярослав Владимирович Самохвалов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "КРИОИНЖИНИРИНГ" (ООО "КРИОИНЖИНИРИНГ")
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2022-09-13

Abstract

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для создания мобильных модульных комплексов для сжижения водорода. Способ сжижения водорода включает предварительное охлаждение потока водорода, осуществление орто-пара конверсии водорода, дальнейшее охлаждение и сжижение водорода обратным потоком хладагента низкотемпературного контура сжижения, расширение и направление жидкого водорода в хранилище водорода. Предварительное охлаждение потока водорода осуществляют обратным потоком смесевого хладагента высокотемпературного контура предварительного охлаждения (ВТ ПО) и обратным потоком смесевого хладагента низкотемпературного контура предварительного охлаждения (НТ ПО) в первом и втором теплообменных аппаратах ВТ ПО и далее обратным потоком смесевого хладагента НТ ПО в первом и втором теплообменных аппаратах НТ ПО. Обратный поток хладагента ВТ ПО сжимают, охлаждают и частично конденсируют, разделяют на газообразную и жидкостную фазу, которые охлаждают, дросселируют и направляют обратным потоком. Обратный поток хладагента НТ ПО после выхода из первого теплообменного аппарата ВТ ПО сжимают, охлаждают, конденсируют в первом теплообменном аппарате ВТ ПО и разделяют на газообразную и жидкостную фазу, которые охлаждают, дросселируют и направляют обратным потоком. Техническим результатом является снижение энергозатрат и вероятности сбоев при сжижении водорода. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу и устройствам для сжижения газа, и может быть использовано в местах получения водорода для создания мобильных модульных комплексов для сжижения водорода.

Из уровня техники известны технические решения с применением холодильных установок с различным количеством ступеней охлаждения для промышленного сжижения водорода. Например, из патента US 5579655, 03.12.1996, известны способ сжижения водорода, включающий использование смесевого хладагента в контуре предварительного охлаждения, проведение орто-пара конверсии при переменной температуре и разделение смесевого хладагента в фазовых сепараторах, и установка для его осуществления, содержащая компрессор хладагента, теплообменные аппараты, в том числе с полостью, засыпанной катализатором, дроссельные расширительные устройства и фазовые сепараторы.

Вместе с тем, при проведении сжижения по известному способу хладагенты разделяют в большом количестве фазовых сепараторов, в том числе в сепараторе для отделения хладагента низкотемпературного контура от смесевого хладагента, что усложняет процесс управления циклом.

При этом в установке для реализации этого способа хладагент низкотемпературной ступени смешивается со смесевым хладагентом высокотемпературной ступени и отделяется от него в сепараторе после понижения температуры до температуры предварительного охлаждения, при этом в установку включен азотный контур охлаждения и компрессоры для сжатия хладагентов до высокого давления, что усложняет конструкцию и понижает надежность установки, ввиду использования большего количества машин и аппаратов, в том числе нестандартной конструкции. Также требуется более длительное обслуживание, ввиду наличия адсорбера, расположенного после разделения хладагентов на линии низкотемпературного хладагента.

Из патента RU 2718378 С1, 02.04.2020 известен способ сжижения водорода, включающий предварительное охлаждение потока водорода, осуществление орто-пара конверсии водорода, дальнейшее охлаждение и сжижение водорода обратным потоком хладагента низкотемпературного контура сжижения, расширение и направление жидкого водорода в хранилище водорода, а также установка для его осуществления, содержащая холодильную машину, осуществляющую предварительное охлаждение и включающую компрессор хладагента, теплообменные аппараты, первая полость которых предназначена для прохождения продукционного потока водорода, причем один из теплообменных аппаратов выполнен с полостью, засыпанной катализатором, дроссельные расширительные устройства и фазовые сепараторы.

Однако, известный способ не предусматривает возможность попадания высокотемпературного хладагента в низкотемпературную часть контура предварительного охлаждения, что может привести к некорректной работе и потере эффективности предварительного охлаждения.

Кроме того, установка для осуществления указанного способа имеет один контур предварительного охлаждения, то есть предварительное охлаждение проводится одним хладагентом на всем температурном диапазоне предварительного охлаждения (от ~300 К до 120 К - 80 К). При данной схеме установки для достижения наилучших показателей эффективности необходимо наличие высокотемпературных веществ в составе смесевого хладагента (изопентан и др.). Данные вещества поднимают эффективность охлаждения на высоком температурном уровне (до ~220 К), но их наличие на нижнем температурном уровне, даже в небольших количествах приведет к попаданию твердой фазы углеводородов в арматуру, вымерзанию в полости теплообменного аппарата и как следствие - к неэффективной работе установки, либо неисправностям. Соответственно данное технологическое решение требует наличия систем очистки на линии смесевого хладагента или подбор смеси таким образом, чтобы не происходило вымерзание высокотемпературных компонентов. При этом некорректная работа установки и попадание высокотемпературных компонентов в низкотемпературную часть контура предварительного охлаждения может сопровождаться выходом из строя оборудования или необходимостью отогрева и продувки контура.

Технической проблемой, на решение которой направлена предложенная группа изобретений, является устранение указанных недостатков, т.е. обеспечение высокой эффективности сжижения водорода при повышении надежности работы оборудования установки для его реализации.

Техническим результатом, который обеспечивается предложенной группой изобретений, является снижение вероятности сбоев процесса сжижения водорода за счет применения двух контуров предварительного охлаждения, что позволяет также избежать добавления высококипящих компонентов в хладагент низкотемпературного контура предварительного охлаждения и снизить энергозатраты на сжижение водорода за счет расширения возможностей регулирования режимов работы оборудования установки в зависимости от параметров окружающей среды благодаря регулированию верхнего контура смесевого хладагента.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе сжижения водорода, включающем предварительное охлаждение потока водорода, осуществление орто-пара конверсии водорода, дальнейшее охлаждение и сжижение водорода обратным потоком хладагента низкотемпературного контура сжижения, расширение и направление жидкого водорода в хранилище водорода, согласно изобретению, предварительное охлаждение потока водорода осуществляют обратным потоком смесевого хладагента высокотемпературного контура предварительного охлаждения (ВТ ПО) и обратным потоком смесевого хладагента низкотемпературного контура предварительного охлаждения (НТ ПО) в первом и втором теплообменных аппаратах ВТ ПО и далее обратным потоком смесевого хладагента НТ ПО в первом и втором теплообменных аппаратах НТ ПО, при этом обратный поток хладагента ВТ ПО предварительного охлаждения после выхода из первого теплообменного аппарата ВТ ПО сжимают, охлаждают и частично конденсируют, разделяют на газообразную и жидкостную фазу, причем газообразную фазу в качестве прямого потока последовательно охлаждают в первом и втором теплообменные аппаратах ВТ ПО, дросселируют и в качестве обратного потока направляют на испарение последовательно во второй и первый теплообменные аппараты ВТ ПО, а жидкостную фазу в качестве прямого потока охлаждают в первом теплообменном аппарате ВТ ПО, дросселируют и объединяют с обратным потоком перед входом в первый теплообменный аппарат ВТ ПО, причем испаренный обратный поток после первого теплообменного аппарата ВТ ПО направляют на сжатие, а обратный поток хладагента НТ ПО после выхода из первого теплообменного аппарата ВТ ПО сжимают, охлаждают и в качестве прямого потока направляют на частичную конденсацию в первом теплообменном аппарате ВТ ПО, разделяют на газообразную и жидкостную фазу, причем газообразную фазу в качестве прямого потока последовательно охлаждают во втором теплообменном аппарате ВТ ПО и первом и втором теплообменных аппаратах НТ ПО, дросселируют и в качестве обратного потока направляют на испарение последовательно во втором и первом теплообменных аппаратах НТ ПО, а жидкостную фазу в качестве прямого потока охлаждают во втором теплообменном аппарате ВТ ПО, дросселируют и объединяют с обратным потоком, причем испаренный обратный поток после первого теплообменного аппарата ВТ ПО направляют на сжатие.

Достижение указанного технического результата первым вариантом установки обеспечивается тем, что, согласно изобретению, установка для сжижения водорода содержит холодильную машину для высокотемпературного предварительного охлаждения (ВТ ПО), смесевую холодильную машину для низкотемпературного охлаждения (НТ ПО), низкотемпературный контур сжижения водорода и орто-пара конвертор водорода, при этом:

- холодильная машина для ВТ ПО включает контур, содержащий последовательно соединенные компрессорный блок ВТ ПО, фазовый сепаратор ВТ ПО, первый теплообменный аппарат ВТ ПО, первый дроссель ВТ ПО, второй теплообменный аппарат ВТ ПО и второй дроссель ВТ ПО, и систему регулирования давления и температуры;

- холодильная машина для НТ ПО включает контур, содержащий последовательно соединенные компрессорный блок НТ ПО смесевого холодильного агента (СХА), первый теплообменный аппарат ВТ ПО, фазовый сепаратор НТ ПО, второй теплообменный аппарат ВТ ПО, первый дроссель НТ ПО, первый теплообменный аппарат НТ ПО, второй теплообменный аппарат НТ ПО и второй дроссель НТ ПО, и систему регулирования давления и температуры;

- компрессорный блок ВТ ПО включает компрессор, аппарат воздушного охлаждения и систему маслоочистки ВТ ПО, соединен трубопроводами выходом со входом фазового сепаратора ВТ ПО, а входом с выходом обратного потока СХА ВТ ПО первого теплообменного аппарата ВТ ПО;

- компрессорный блок НТ ПО включает компрессор, аппарат воздушного охлаждения и систему маслоочистки НТ ПО, соединен трубопроводами выходом со входом прямого потока НТ СХА и входом с выходом обратного потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата ВТ ПО;

- первая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с трубопроводом входа продукционного потока водорода, а выходом соединена со входом второго теплообменного аппарата ВТ ПО; вторая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом компрессорного блока НТ ПО, а выходом соединена со входом фазового сепаратора НТ ПО; третья полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции газообразной фазы прямого потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом газообразной фазы фазового сепаратора ВТ ПО, а выходом со входом второго теплообменного аппарата ВТ ПО; четвертая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом жидкостной фазы фазового сепаратора ВТ ПО, а выходом - со входом первого дроссельного устройства ВТ ПО; пятая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА ВТ ПО и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом второго теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства ВТ ПО, а выходом соединена со входом компрессорного блока ВТ ПО; шестая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом обратного потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО. а выходом соединена со входом компрессорного блока НТ ПО,

- первая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока из первого теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом первого теплообменного аппарата НТ ПО; вторая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции газообразной фазы прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом газообразной фазы фазового сепаратора НТ ПО, а выходом со входом первого теплообменного аппарата НТ ПО; третья полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом жидкостной фазы фазового сепаратора НТ ПО, а выходом со входом первого дроссельного устройства НТ ПО; четвертая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции парожидкостной фазы прямого потока СХА ВТ и соединена входом с выходом СХА ВТ первого теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом со входом второго дроссельного устройства ВТ ПО; пятая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом второго дроссельного устройства ВТ ПО, а выходом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока СХА ВТ ПО первого теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства ВТ ПО; шестая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом обратного потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата НТ ПО и выходом первого дроссельного устройства НТ ПО, а выходом соединена со входом обратного потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата ВТ ПО;

- первая полость первого теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока из второго теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом второго теплообменного аппарата НТ ПО; вторая полость первого теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом парожидкостной фазы СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом прямого потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата НТ ПО; третья полость первого теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом обратного потока второго теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом - с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства НТ ПО;

- первая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена с входом в низкотемпературный контур сжижения водорода, вторая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом прямого потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена со входом второго дроссельного устройства НТ ПО; третья полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом второго дроссельного устройства НТ ПО, а выходом соединена со входом обратного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО; четвертая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока хладагента низкотемпературного контура сжижения водорода и соединена входом и выходом с трубопроводами низкотемпературного контура.

Орто-пара конвертор может располагаться вне второго теплообменного аппарата НТ ПО, его вход соединен с выходом первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выход соединен со входом продукционного потока второго теплообменного аппарата НТ ПО.

Орто-пара конвертор может располагаться в первой полости второго теплообменного аппарата НТ ПО, выполненной с возможностью ее заполнения катализатором.

Продукционный поток перед подачей в установку сжижения водорода может сжиматься в водородном компрессорном блоке.

Установка для сжижения водорода может содержать аппарат для низкотемпературной очистки продукционного потока водорода, соединенный по продукционному потоку входом с выходом первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом - со входом второго теплообменного аппарата НТ ПО.

Достижение указанного технического результата вторым вариантом установки обеспечивается тем, что, согласно изобретению, установка для сжижения водорода содержит холодильную машину для высокотемпературного предварительного охлаждения (ВТ ПО), смесевую холодильную машину для низкотемпературного охлаждения (НТ ПО), низкотемпературный контур сжижения водорода и орто-пара конвертор водорода, при этом:

- первая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с трубопроводом входа продукционного потока водорода, а выходом соединена со входом второго теплообменного аппарата ВТ ПО; вторая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом компрессорного блока НТ ПО, а выходом соединена со входом фазового сепаратора НТ ПО; третья полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции газообразной фазы прямого потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом газообразной фазы фазового сепаратора ВТ ПО, а выходом - со входом второго теплообменного аппарата ВТ ПО; четвертая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом жидкостной фазы фазового сепаратора ВТ ПО, а выходом - со входом первого дроссельного устройства ВТ ПО; пятая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА ВТ ПО и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом второго теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства ВТ ПО, а выходом соединена со входом компрессорного блока ВТ ПО; шестая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом обратного потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом компрессорного блока НТ ПО;

- первая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока из первого теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом первого теплообменного аппарата НТ ПО; вторая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции газообразной фазы прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом газообразной фазы фазового сепаратора НТ ПО, а выходом - со входом первого теплообменного аппарата НТ ПО; третья полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом жидкостной фазы фазового сепаратора НТ ПО, а выходом - со входом первого дроссельного устройства НТ ПО, четвертая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции парожидкостной фазы прямого потока СХА ВТ и соединена входом с выходом СХА ВТ первого теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом - со входом второго дроссельного устройства ВТ ПО; пятая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом второго дроссельного устройства ВТ ПО, а выходом - с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока СХА ВТ ПО первого теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства ВТ ПО; шестая полость второго теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом обратного потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата НТ ПО и выходом первого дроссельного устройства НТ ПО, а выходом соединена со входом обратного потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата ВТ ПО;

- первая полость первого теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока из второго теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом второго теплообменного аппарата НТ ПО; вторая полость первого теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом парожидкостной фазы СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом прямого потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата НТ ПО; третья полость первого теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом обратного потока второго теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства НТ ПО;

- первая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена с входом в низкотемпературный контур сжижения водорода, вторая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом прямого потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена со входом второго дроссельного устройства НТ ПО; третья полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом второго дроссельного устройства НТ ПО, а выходом - со входом обратного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО.

Первый и второй теплообменные аппараты НТ ПО могут быть размещены в одном корпусе.

Компрессорный блок низкотемпературного контура выходом и входом может быть последовательно связан соответственно с полостями прямого и обратного потока низкотемпературного хладагента первого теплообменного аппарата ВТ ПО, второго теплообменного аппарата ВТ ПО, первого теплообменного аппарата НТ ПО и/или второго теплообменного аппарата НТ ПО, причем полости низкотемпературного хладагента последнего теплообменного аппарата НТ ПО связаны трубопроводами с низкотемпературным контуром.

Группа изобретений поясняется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 представлена схема установки сжижения водорода по первому варианту изобретения.

На фиг. 2 представлена схема установки сжижения водорода по второму варианту изобретения.

На фиг. 3 представлена схема установки сжижения водорода по второму варианту, в которой трубопроводы низкотемпературного хладагента высокого и низкого давления проходят через теплообменные аппараты.

Установка для сжижения водорода включает холодильную машину для осуществления высокотемпературного (ВТ) предварительного охлаждения (ПО), смесевую холодильную машину для осуществления низкотемпературного (НТ) ПО, низкотемпературный контур сжижения водорода 18 и аппарат для проведения орто-пара конверсии водорода 14.

Холодильная машина для осуществления ВТ ПО содержит последовательно соединенные компрессорный блок ВТ СХА 16, фазовый сепаратор ВТ ПО 3, первый теплообменный аппарат ВТ ПО 11, первый дроссель ВТ ПО 4, второй теплообменный аппарат ВТ ПО 12 и второй дроссель ВТ ПО 5, и снабжена системой регулирования давления и температуры.

Смесевая холодильная машина для осуществления НТ ПО содержит последовательно соединенные компрессорный блок НТ СХА 17, первый теплообменный аппарат ВТ ПО 11, фазовый сепаратор НТ ПО 8, второй теплообменный аппарат ВТ ПО 12, первый дроссель НТ ПО 9, первый теплообменный аппарат НТ ПО 13, второй теплообменный аппарат НТ ПО 15 и второй дроссель НТ ПО 10, и снабжена системой регулирования давления и температуры.

Низкотемпературный контур сжижения водорода 18 включает в себя компрессорный блок низкотемпературного хладагента и замкнутый контур охлаждения и сжижения продукционного потока водорода.

Компрессорный блок ВТ СХА 16 включает компрессор 1, аппарат воздушного охлаждения 2 и систему маслоочистки ВТ СХА (не показана) и соединен трубопроводами выходом со входом фазового сепаратора ВТ ПО 3, а входом - с выходом обратного потока ВТ СХА первого теплообменного аппарата ВТ ПО 11.

Компрессорный блок НТ СХА 17 включает компрессор 6, аппарат воздушного охлаждения 7 и систему маслоочистки НТ СХА (не показана), соединен трубопроводами выходом со входом прямого потока НТ СХА и входом - с выходом обратного потока НТ СХА первого теплообменного аппарата ВТ ПО 11.

Трубопровод входа продукционного потока водорода соединен с теплообменным аппаратом 11. Трубопроводы потока водорода последовательно соединяют теплообменные аппараты 11, 12, 13, 15, а также конвертор 14, который может располагаться внутри теплообменного аппарата 15 или вне его, между теплообменными аппаратами 13 и 15. Теплообменный аппарат 15 соединен трубопроводом с низкотемпературным контуром 18.

Трубопроводы НТ СХА высокого давления последовательно соединяют выход компрессорного блока 17, теплообменный аппарат 11 и сепаратор 8. Трубопроводы НТ СХА высокого давления последовательно соединяют выход потока жидкости из сепаратора 8, теплообменный аппарат 12 и дроссельное устройство 9. Выход дроссельного устройства 9 соединен трубопроводом с трубопроводом низкого давления НТ СХА между теплообменными аппаратами 13 и 12. Трубопроводы НТ СХА высокого давления последовательно соединяют выход потока пара из сепаратора 8, теплообменные аппараты 12, 13, 15 и дроссельное устройство 10. Трубопроводы НТ СХА низкого давления соединяют последовательно выход дроссельного устройства 10 и теплообменные аппараты 15, 13. Выход теплообменного аппарата 13 соединен трубопроводом НТ СХА низкого давления с трубопроводом, соединенным с выходом дроссельного устройства 9, и соединен с теплообменным аппаратом 12. Трубопроводы НТ СХА низкого давления последовательно соединяют теплообменные аппараты 12, 11 и вход компрессорного блока 17.

Трубопроводы ВТ СХА высокого давления последовательно соединяют выход компрессорного блока 16 и сепаратор 3. Трубопроводы ВТ СХА высокого давления последовательно соединяют выход потока жидкости из сепаратора 3, теплообменный аппарат 11 и дроссельное устройство 4. Выход дроссельного устройства 4 соединен трубопроводом с трубопроводом низкого давления ВТ СХА между теплообменными аппаратами 12 и 11. Трубопроводы ВТ СХА высокого давления последовательно соединяют выход потока пара из сепаратора 3, теплообменный аппарат 12 и дроссельное устройство 5. Трубопроводы ВТ СХА низкого давления соединяют последовательно выход дроссельного устройства 5 и теплообменный аппарат 12. Выход теплообменного аппарата 12 соединен трубопроводом низкого давления ВТ СХА с трубопроводом, соединенным с выходом дроссельного устройства 4 и соединен с теплообменным аппаратом 11. Теплообменный аппарат 11 соединен трубопроводом ВТ СХА низкого давления со входом компрессорного блока 16.

Согласно первому варианту установки низкотемпературный контур 18 соединен трубопроводом высокого давления и трубопроводом низкого давления с выходом и входом компрессорного блока низкотемпературного хладагента 18А. Теплообменный аппарат 15 соединен трубопроводами с выходом и входом низкотемпературного хладагента высокого давления из низкотемпературного контура 18.

Возможен вариант реализации установки, в котором продукционный поток перед подачей в установку сжижения водорода сжимается в водородном компрессорном блоке (не показан).

Возможен вариант реализации установки, в котором установка сжижения водорода содержит аппарат для низкотемпературной очистки продукционного потока водорода, соединенный по продукционному потоку входом с выходом теплообменного аппарата 13, а выходом - со входом теплообменного аппарата 15 (не показан).

Возможен вариант реализации установки, представленный на фиг. 2, в котором теплообменный аппарат 13 размещен с теплообменным аппаратом 15 в одном корпусе 13А. При этом орто-пара конвертор 14 расположен в первой полости второго теплообменного аппарата 15.

Возможен вариант реализации установки, представленный на фиг. 3, в котором трубопроводы низкотемпературного хладагента высокого давления последовательно соединяют выход компрессорного блока низкотемпературного хладагента 18А, теплообменные аппараты 11, 12, а также 13 и 15, расположенные в корпусе (13А), и вход низкотемпературного контура 18. Трубопроводы низкотемпературного хладагента низкого давления последовательно соединяют выход низкотемпературного контура 18, теплообменные аппараты 15 и 13, расположенные в корпусе (13А), 12, 11 и вход компрессорного блока низкотемпературного хладагента 18 А.

Предложенный способ ожижения водорода осуществляют следующим образом.

Водород поступает в установку сжижения водорода с давлением не менее 20 бар и температурой не более 300 К и подается на охлаждение в первый теплообменный аппарат ВТ ПО 11, где охлаждается потоками смесевого хладагента ВТ ПО до температуры ~230 К, состоящего из азота, метана, этана, пропана, изобутана, изопентана или других компонентов. Затем продукционный поток подается во второй теплообменный аппарат ВТ ПО 12, где охлаждается обратными потоками СХА ВТ ПО и смесевого хладагента НТ ПО, достигая температуры -125 К. Далее поток последовательно охлаждается в первом теплообменном аппарате НТ ПО 13 и втором теплообменном аппарате НТ ПО 15 обратным потоком СХА НТ ПО, состоящего из гелия, азота, метана, этана, пропана или других компонентов, до температур ~85 К и ~80 К соответственно, при этом полость второго теплообменного аппарата НТ ПО 15 содержит конвертор 14, в котором происходит орто-пара конверсия до ~40% содержания пара - формы.

Затем поток водорода поступает в низкотемпературный контур 18, где охлаждается и сжижается обратным потоком хладагента низкотемпературного контура, и также производится орто-пара конверсия не менее, чем до 98% содержания пара - формы. Затем давление потока понижается в расширительном устройстве и жидкий водород с давлением ~3 бара и температурой ~24 К поступает в хранилище водорода.

СХА ВТ ПО подается в компрессорный блок ВТ ПО 16, где происходит его сжатие с последующим сбросом теплоты в окружающую среду. Частично сконденсированный поток СХА ВТ ПО после компрессорного блока 16 поступает на разделение в фазовый сепаратор 3. Поток жидкости из фазового сепаратора 3 переохлаждается в первом теплообменном аппарате ВТ ПО 11 и дросселируется в первом дроссельном устройстве ВТ ПО 4. Затем парожидкостной поток смешивается с обратным потоком СХА ВТ ПО. Поток пара из фазового сепаратора 3 охлаждается и частично сжижается последовательно в первом теплообменном аппарате ВТ ПО 11 и во втором теплообменном аппарате ВТ ПО 12. Далее поток СХА ВТ ПО дросселируется во втором дроссельном устройстве ВТ ПО 5. Затем поток СХА ВТ ПО подается в теплообменный аппарат ВТ ПО 12 в качестве обратного потока, где происходит испарение и нагрев хладагента. Далее обратный поток СХА ВТ ПО смешивается с обратным потоком после первого дроссельного устройства ВТ ПО 4 и подается на испарение и нагрев в первый теплообменный аппарат ВТ ПО 11. Далее поток СХА ВТ ПО поступает в компрессорный блок 16.

СХА НТ ПО подается в компрессорный блок НТ ПО 17, где происходит его сжатие с последующим сбросом теплоты в окружающую среду. Затем СХА НТ ПО охлаждается и частично сжижается в первом теплообменном аппарате ВТ ПО 11, после чего СХА НТ ПО поступает в фазовый сепаратор 8. Поток жидкости из фазового сепаратора 8 переохлаждается во втором теплообменном аппарате ВТ ПО 12 и дросселируется в первом дроссельном устройстве НТ ПО 9. Затем парожидкостной поток смешивается с обратным потоком СХА НТ ПО. Поток пара из фазового сепаратора 8 охлаждается и частично сжижается во втором теплообменном аппарате ВТ ПО 12, первом теплообменном аппарате НТ ПО 13 и втором теплообменном аппарате НТ ПО 15. Далее СХА НТ ПО дросселируется во втором дроссельном устройстве НТ ПО 10. Затем поток СХА НТ ПО подается последовательно во второй теплообменный аппарат НТ ПО 15 и первый теплообменный аппарат НТ ПО 13 в качестве обратного потока, где происходит испарение и нагрев хладагента. Далее обратный поток СХА НТ ПО смешивается с обратным потоком после первого дроссельного устройства НТ ПО 9 и подается последовательно на испарение и нагрев во второй теплообменный аппарат ВТ ПО 12 и первый теплообменный аппарат ВТ ПО 11. Далее поток СХА НТ ПО поступает в компрессорный блок НТ ПО 17.

При реализации способа в установке по первому варианту (фиг. 1) хладагент низкотемпературного контура 18 подается на охлаждение во второй теплообменный аппарат НТ ПО 15, после чего подается в низкотемпературный контур 18.

В результате использования изобретения достигается создание надежных и высокоэффективных способа сжижения водорода и установок для его реализации.

Claims

1. Способ сжижения водорода, включающий предварительное охлаждение потока водорода, осуществление орто-пара конверсии водорода, дальнейшее охлаждение и сжижение водорода обратным потоком хладагента низкотемпературного контура сжижения, расширение и направление жидкого водорода в хранилище водорода, отличающийся тем, что предварительное охлаждение потока водорода осуществляют обратным потоком смесевого хладагента высокотемпературного контура предварительного охлаждения (ВТ ПО) и обратным потоком смесевого хладагента низкотемпературного контура предварительного охлаждения (НТ ПО) в первом и втором теплообменных аппаратах ВТ ПО и далее обратным потоком смесевого хладагента НТ ПО в первом и втором теплообменных аппаратах НТ ПО, при этом обратный поток хладагента ВТ ПО после выхода из первого теплообменного аппарата ВТ ПО сжимают, охлаждают и частично конденсируют, разделяют на газообразную и жидкостную фазы, причем газообразную фазу в качестве прямого потока последовательно охлаждают в первом и втором теплообменных аппаратах ВТ ПО, дросселируют и в качестве обратного потока направляют на испарение последовательно во второй и первый теплообменные аппараты ВТ ПО, а жидкостную фазу в качестве прямого потока охлаждают в первом теплообменном аппарате ВТ ПО, дросселируют и объединяют с обратным потоком перед входом в первый теплообменный аппарат ВТ ПО, при этом испаренный обратный поток после первого теплообменного аппарата ВТ ПО направляют на сжатие, а обратный поток хладагента НТ ПО после выхода из первого теплообменного аппарата ВТ ПО сжимают, охлаждают и в качестве прямого потока направляют на частичную конденсацию в первом теплообменном аппарате ВТ ПО, разделяют на газообразную и жидкостную фазы, причем газообразную фазу в качестве прямого потока последовательно охлаждают во втором теплообменном аппарате ВТ ПО и первом и втором теплообменных аппаратах НТ ПО, дросселируют и в качестве обратного потока направляют на испарение последовательно во втором и первом теплообменных аппаратах НТ ПО, а жидкостную фазу в качестве прямого потока охлаждают во втором теплообменном аппарате ВТ ПО, дросселируют и объединяют с обратным потоком, при этом испаренный обратный поток после первого теплообменного аппарата ВТ ПО направляют на сжатие.

2. Установка для сжижения водорода, содержащая холодильную машину для высокотемпературного предварительного охлаждения (ВТ ПО), смесевую холодильную машину для низкотемпературного охлаждения (НТ ПО), низкотемпературный контур сжижения водорода и орто-пара конвертор водорода, при этом:

- первая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с трубопроводом входа продукционного потока водорода, а выходом соединена со входом второго теплообменного аппарата ВТ ПО; вторая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом компрессорного блока НТ ПО, а выходом соединена со входом фазового сепаратора НТ ПО; третья полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции газообразной фазы прямого потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом газообразной фазы фазового сепаратора ВТ ПО, а выходом со входом второго теплообменного аппарата ВТ ПО; четвертая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА ВТ ПО и соединена входом с выходом жидкостной фазы фазового сепаратора ВТ ПО, а выходом со входом первого дроссельного устройства ВТ ПО; пятая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА ВТ ПО и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом второго теплообменного аппарата ВТ ПО и выходом первого дроссельного устройства ВТ ПО, а выходом соединена со входом компрессорного блока ВТ ПО; шестая полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом обратного потока СХА НТ ПО второго теплообменного аппарата ВТ ПО, а выходом соединена со входом компрессорного блока НТ ПО;

- первая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена со входом в низкотемпературный контур сжижения водорода, вторая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом прямого потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена со входом второго дроссельного устройства НТ ПО; третья полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом второго дроссельного устройства НТ ПО, а выходом соединена со входом обратного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО; четвертая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока хладагента низкотемпературного контура сжижения водорода и соединена входом и выходом с трубопроводами низкотемпературного контура.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что орто-пара конвертор расположен вне второго теплообменного аппарата НТ ПО, его вход соединен с выходом первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выход соединен со входом продукционного потока второго теплообменного аппарата НТ ПО.

4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что орто-пара конвертор расположен в первой полости второго теплообменного аппарата НТ ПО, выполненной с возможностью ее заполнения катализатором.

5. Установка по одному из пп. 2-4, отличающаяся тем, что она снабжена водородным компрессорным блоком для сжатия продукционного потока перед подачей в первую полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО.

6. Установка по одному из пп. 2-5, отличающаяся тем, что она снабжена аппаратом для низкотемпературной очистки продукционного потока водорода, соединенным по продукционному потоку входом с выходом первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом со входом второго теплообменного аппарата НТ ПО.

7. Установка для сжижения водорода, содержащая холодильную машину для высокотемпературного предварительного охлаждения (ВТ ПО), смесевую холодильную машину для низкотемпературного охлаждения (НТ ПО), низкотемпературный контур сжижения водорода и орто-пара конвертор водорода, при этом:

- первая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена со входом в низкотемпературный контур сжижения водорода, вторая полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции прямого потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом прямого потока СХА НТ ПО первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом соединена со входом второго дроссельного устройства НТ ПО; третья полость второго теплообменного аппарата НТ ПО предназначена для циркуляции обратного потока СХА НТ ПО и соединена входом с выходом второго дроссельного устройства НТ ПО, а выходом соединена со входом обратного потока первого теплообменного аппарата НТ ПО.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что орто-пара конвертор расположен вне второго теплообменного аппарата НТ ПО, его вход соединен с выходом первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выход соединен со входом продукционного потока второго теплообменного аппарата НТ ПО.

9. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что орто-пара конвертор расположен в первой полости второго теплообменного аппарата НТ ПО, выполненной с возможностью ее заполнения катализатором.

10. Установка по одному из пп. 7-9, отличающаяся тем, что она снабжена водородным компрессорным блоком для сжатия продукционного потока в первую полость первого теплообменного аппарата ВТ ПО.

11. Установка по одному из пп. 7-10, отличающаяся тем, что она снабжена аппаратом для низкотемпературной очистки продукционного потока водорода, соединенным по продукционному потоку входом с выходом первого теплообменного аппарата НТ ПО, а выходом со входом второго теплообменного аппарата НТ ПО.

12. Установка по п. 7 или 9, отличающаяся тем, что первый и второй теплообменные аппараты НТ ПО размещены в одном корпусе.

13. Установка по п. 7 или 12, отличающаяся тем, что компрессорный блок низкотемпературного контура выходом и входом последовательно связан соответственно с полостями прямого и обратного потоков низкотемпературного хладагента первого теплообменного аппарата ВТ ПО, второго теплообменного аппарата ВТ ПО, первого теплообменного аппарата НТ ПО и/или второго теплообменного аппарата НТ ПО, причем полости низкотемпературного хладагента последнего теплообменного аппарата НТ ПО связаны трубопроводами с низкотемпературным контуром.