RU2804469C1 - Method for hydrogen liquefaction and plant for its implementation - Google Patents
Method for hydrogen liquefaction and plant for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804469C1 RU2804469C1 RU2023107097A RU2023107097A RU2804469C1 RU 2804469 C1 RU2804469 C1 RU 2804469C1 RU 2023107097 A RU2023107097 A RU 2023107097A RU 2023107097 A RU2023107097 A RU 2023107097A RU 2804469 C1 RU2804469 C1 RU 2804469C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- toa
- flow
- hydrogen
- output
- cavity
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу и устройству для сжижения газа, и может быть использовано в местах получения водорода для создания мобильных модульных комплексов для сжижения водорода.The invention relates to cryogenic technology, namely to a method and device for liquefying gas, and can be used in places where hydrogen is produced to create mobile modular complexes for liquefying hydrogen.
Из уровня техники известны технические решения с применением холодильных установок с различным количеством ступеней охлаждения для промышленного сжижения водорода. Например, из патента (US 5579655, F25J 1/00, 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.Technical solutions are known from the prior art using refrigeration units with different numbers of cooling stages for industrial liquefaction of hydrogen. For example, from the patent (US 5579655, F25J 1/00, 03.12.1996) a method for liquefying hydrogen is known, including the use of a mixed refrigerant in a pre-cooling circuit, carrying out ortho-vapor conversion at a variable temperature and separating the mixed refrigerant in phase separators, and an installation for its implementation, containing a refrigerant compressor, heat exchangers, including those with a cavity filled with a catalyst, throttle expansion devices and phase separators.
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.However, when carrying out liquefaction according to a known method, the refrigerants are separated in a large number of phase separators, including in a separator for separating the refrigerant of the low-temperature circuit from the mixed refrigerant, which complicates the process of managing the cycle.
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.Moreover, in the installation for implementing this method, the refrigerant of the low-temperature stage is mixed with the mixed refrigerant of the high-temperature stage and is separated from it in a separator after the temperature is lowered to the pre-cooling temperature, while the installation includes a nitrogen cooling circuit and compressors for compressing the refrigerants to high pressure, which complicates design and reduces the reliability of the installation, due to the use of a larger number of machines and devices, including non-standard designs. It also requires longer maintenance due to the canister located downstream of the refrigerant separation in the low temperature refrigerant line.
Из патента (RU 2718378 C1, F25J 1/00, 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.From the patent (RU 2718378 C1, F25J 1/00, 04/02/2020) a method for liquefying hydrogen is known, including pre-cooling the hydrogen flow, performing ortho-steam conversion of hydrogen, further cooling and liquefying the hydrogen with the reverse flow of the refrigerant of the low-temperature liquefaction circuit, expanding and directing the liquid hydrogen in a hydrogen storage facility, as well as an installation for its implementation, containing a refrigeration machine that performs pre-cooling and includes a refrigerant compressor, heat exchangers, the first cavity of which is intended for the passage of a hydrogen production flow, and one of the heat exchangers is made with a cavity filled with a catalyst, throttle expansion devices and phase separators.
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.However, the known method does not allow for the possibility of high-temperature refrigerant entering the low-temperature part of the pre-cooling circuit, which can lead to incorrect operation and loss of pre-cooling efficiency.
Установка для осуществления указанного способа имеет один контур предварительного охлаждения, то есть предварительное охлаждение проводится одним хладагентом на всем температурном диапазоне предварительного охлаждения (от ~310 K до 120 K - 70 K). При данной схеме установки для достижения наилучших показателей эффективности необходимо наличие высокотемпературных веществ в составе смесевого хладагента (изобутан, изопентан и др.). Данные вещества поднимают эффективность охлаждения на высоком температурном уровне, но их наличие на нижнем температурном уровне (ниже ~140 K), 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.The installation for implementing this method has one pre-cooling circuit, that is, pre-cooling is carried out with one refrigerant over the entire temperature range of pre-cooling (from ~310 K to 120 K - 70 K). With this installation scheme, in order to achieve the best efficiency indicators, the presence of high-temperature substances in the mixed refrigerant (isobutane, isopentane, etc.) is necessary. These substances increase the cooling efficiency at a high temperature level, but their presence at a lower temperature level (below ~140 K), even in small quantities, will lead to the ingress of the solid phase of hydrocarbons into the fittings, freezing in the cavity of the heat exchanger and, as a result, to inefficient operation of the installation , or malfunctions. Accordingly, this technological solution requires the presence of cleaning systems on the mixed refrigerant line or the selection of the mixture in such a way that freezing of high-temperature components does not occur. In this case, incorrect operation of the installation and the entry of high-temperature components into the low-temperature part of the pre-cooling circuit may be accompanied by equipment failure or the need for heating and purging of the circuit.
Из патента (RU 2779805 C1, F25J 1/02, 13.09.2022) известен способ сжижения водорода, включающий предварительное охлаждение потока водорода обратными потоками высокотемпературного хладагента и низкотемпературного смесевого хладагента, осуществление орто-пара конверсии водорода, дальнейшее охлаждение и сжижение водорода обратным потоком хладагента низкотемпературного контура, расширение и направление жидкого водорода в хранилище водорода, при этом хладагент разделяется в сепараторе и обе фазы направляются на охлаждение в теплообменник.From the patent (RU 2779805 C1, F25J 1/02, 09/13/2022) a method of hydrogen liquefaction is known, including preliminary cooling of the hydrogen flow with reverse flows of high-temperature refrigerant and low-temperature mixed refrigerant, implementation of ortho-steam conversion of hydrogen, further cooling and liquefaction of hydrogen with reverse flow of refrigerant agent low-temperature circuit, expansion and direction of liquid hydrogen into the hydrogen storage, while the refrigerant is separated in the separator and both phases are sent to the heat exchanger for cooling.
Недостатком известного способа является необходимость использования двухконтурного предварительного охлаждения, что приводит к усложнению конструкции и увеличению количества машин и как следствие понижает надежность системы, увеличивает её стоимость и габариты.The disadvantage of this known method is the need to use double-circuit pre-cooling, which leads to a more complex design and an increase in the number of machines and, as a result, reduces the reliability of the system, increases its cost and dimensions.
Установка для осуществления известного способа содержит холодильную машину для высокотемпературного предварительного охлаждения, смесевую холодильную машину для низкотемпературного охлаждения, которая включает контур, содержащий последовательно соединенные компрессорный блок смесевого холодильного агента (СХА), теплообменный аппарат, фазовый сепаратор, теплообменный аппарат, первый дроссель, теплообменные аппараты, и второй дроссель, а также низкотемпературный контур сжижения водорода и орто-пара конвертор водорода.The installation for implementing the known method contains a refrigeration machine for high-temperature pre-cooling, a mixed refrigeration machine for low-temperature cooling, which includes a circuit containing a series-connected compressor unit of a mixed refrigerant (MRC), a heat exchanger, a phase separator, a heat exchanger, a first throttle, heat exchangers , and a second choke, as well as a low-temperature hydrogen liquefaction circuit and an ortho-para hydrogen converter.
Технической проблемой, на решение которой направлена предложенная группа изобретений, является устранение указанных недостатков, т.е. упрощение конструкции за счет использования одного контура предварительного охлаждения вместо двух с повешением надежности работы оборудования установки для его реализации и обеспечением высокой эффективности сжижения водорода, обеспечиваемой в том числе использованием предварительного охлаждения с помощью контура на СХА.The technical problem to be solved by the proposed group of inventions is the elimination of these disadvantages, i.e. simplifying the design by using one pre-cooling circuit instead of two, increasing the reliability of the installation equipment for its implementation and ensuring high efficiency of hydrogen liquefaction, which is also ensured by the use of pre-cooling using a circuit on the ACS.
Техническим результатом, который достигается предложенной группой изобретений, является упрощение конструкции при минимизации вероятности сбоев процесса сжижения водорода из-за затвердевания компонентов СХА за счет применения трех фазовых сепараторов на разных температурных уровнях, что позволит добиться высокой степени отделения высококипящих компонентов из смесевого хладагента, поступающего в низкотемпературную часть установки. При этом обеспечивается высокая эффективность сжижения водорода и повышение надежности работы оборудования установки за счет того, что жидкостная фаза после низкотемпературного фазового сепаратора не поступает на переохлаждение, а сразу дросселируется на более низкотемпературный уровень, что дает положительный дроссель - эффект (понижение температуры после дросселирования) и позволяет использовать конструктивно более простой теплообменный аппарат. В случае переохлаждения жидкости после низкотемпературного фазового сепаратора хладагент, содержащий высококипящие вещества на температурном уровне 120-140 K, после расширения в дроссельном устройстве может дать отрицательный дроссель-эффект (повышение температуры после дросселирования) или незначительное понижение температуры.The technical result that is achieved by the proposed group of inventions is to simplify the design while minimizing the likelihood of failures in the hydrogen liquefaction process due to solidification of the components of the ACS through the use of three phase separators at different temperature levels, which will allow achieving a high degree of separation of high-boiling components from the mixed refrigerant entering the low temperature part of the installation. This ensures high efficiency of hydrogen liquefaction and increases the reliability of the installation equipment due to the fact that the liquid phase after the low-temperature phase separator does not go to subcooling, but is immediately throttled to a lower temperature level, which gives a positive throttling effect (temperature decrease after throttling) and allows the use of a structurally simpler heat exchanger. In the case of supercooling of the liquid after a low-temperature phase separator, a refrigerant containing high-boiling substances at a temperature level of 120-140 K, after expansion in a throttling device, can give a negative throttling effect (increase in temperature after throttling) or a slight decrease in temperature.
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, расширение и направление жидкого водорода в хранилище водорода, согласно изобретению, предварительное охлаждение потока водорода осуществляют обратным потоком смесевого хладагента (СХА) контура предварительного охлаждения последовательно в первом, втором, третьем, четвертом и пятом теплообменных аппаратах (ТОА), при этом смесевой хладагент сжимают, охлаждают и частично конденсируют, разделяют на газообразную и жидкостную фазу в первом фазовом сепараторе, причем жидкостную фазу в качестве прямого потока охлаждают в первом ТОА, дросселируют и объединяют с обратным потоком перед входом в первый ТОА, а газообразную фазу в качестве прямого потока охлаждают и частично конденсируют в первом ТОА и разделяют во втором фазовом сепараторе, причем жидкостную фазу в качестве прямого потока охлаждают во втором ТОА, дросселируют и объединяют с обратным потоком перед входом во второй ТОА, а газообразную фазу в качестве прямого потока охлаждают и частично конденсируют во втором ТОА и подают на разделение в третий фазовый сепаратор, причем жидкостную фазу дросселируют и объединяют с обратным потоком перед входом в третий ТОА, а газообразную фазу охлаждают и частично конденсируют последовательно в третьем, четвертом и пятом ТОА, после чего ее дросселируют и подают в качестве обратного потока последовательно в пятый, четвертый, третий, второй и первый ТОА, после чего испаренный обратный поток направляют на сжатие, при этом предварительное охлаждение потока водорода происходит последовательно в первом, втором, третьем, четвертом и пятом ТОА, причем в пятом ТОА происходит орто-пара конверсия водорода.Achieving the specified technical result is ensured by the fact that in the method of hydrogen liquefaction, including preliminary cooling of the hydrogen flow, implementation of ortho-steam conversion of hydrogen, further cooling and liquefaction of hydrogen by the reverse flow of the refrigerant of the low-temperature circuit, expansion and direction of liquid hydrogen into the hydrogen storage, according to the invention, preliminary cooling of the hydrogen flow is carried out by the reverse flow of the mixed refrigerant (MCR) of the pre-cooling circuit sequentially in the first, second, third, fourth and fifth heat exchangers (TOA), while the mixed refrigerant is compressed, cooled and partially condensed, separated into gaseous and liquid phases in the first phase separator, wherein the liquid phase as a direct flow is cooled in the first TOA, throttled and combined with the reverse flow before entering the first TOA, and the gaseous phase as a direct flow is cooled and partially condensed in the first TOA and separated in a second phase separator, wherein the liquid phase the phase as a direct flow is cooled in the second TOA, throttled and combined with the reverse flow before entering the second TOA, and the gaseous phase as a direct flow is cooled and partially condensed in the second TOA and fed for separation into a third phase separator, wherein the liquid phase is throttled and combined with the reverse flow before entering the third TOA, and the gaseous phase is cooled and partially condensed sequentially in the third, fourth and fifth TOA, after which it is throttled and fed as a return flow sequentially into the fifth, fourth, third, second and first TOA, after whereupon the evaporated reverse flow is sent for compression, while pre-cooling of the hydrogen flow occurs sequentially in the first, second, third, fourth and fifth TOA, and in the fifth TOA hydrogen ortho-para conversion occurs.
Достижение указанного технического результата обеспечивается также тем, что, согласно изобретению, установка для сжижения водорода содержит смесевую холодильную машину для предварительного охлаждения, низкотемпературный контур сжижения водорода и орто-пара конвертор водорода, при этом:Achieving the specified technical result is also ensured by the fact that, according to the invention, the installation for liquefying hydrogen contains a mixed refrigeration machine for pre-cooling, a low-temperature hydrogen liquefaction circuit and an ortho-para hydrogen converter, with:
- смесевая холодильная машина включает контур, содержащий последовательно соединенные компрессорный блок смесевого холодильного агента (СХА), первый фазовый сепаратор, первый теплообменный аппарат (ТОА), второй фазовый сепаратор, второй ТОА, третий фазовый сепаратор, третий ТОА, четвертый ТОА, пятый ТОА, а также расположенный на трубопроводе жидкостной фазы из первого сепаратора первый дроссель, расположенный на трубопроводе жидкостной фазы из второго сепаратора второй дроссель, расположенный на трубопроводе жидкостной фазы из третьего сепаратора третий дроссель и расположенный после пятого ТОА четвертый дроссель;- a mixed refrigeration machine includes a circuit containing a series-connected mixed refrigerant compressor unit (MRE), a first phase separator, a first heat exchanger (TOA), a second phase separator, a second TOA, a third phase separator, a third TOA, a fourth TOA, a fifth TOA, and also a first choke located on the liquid phase pipeline from the first separator, a second choke located on the liquid phase pipeline from the second separator, a third choke located on the liquid phase pipeline from the third separator and a fourth choke located after the fifth TOA;
- компрессорный блок включает компрессор, аппарат воздушного охлаждения и систему маслоочистки, соединен трубопроводами выходом со входом первого фазового сепаратора, а входом с выходом обратного потока СХА первого ТОА;- the compressor unit includes a compressor, an air cooling apparatus and an oil purification system, connected by pipelines with an output to the input of the first phase separator, and an input with the return flow output of the ACS of the first TOA;
- первая полость первого ТОА предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с трубопроводом входа продукционного потока водорода, а выходом соединена со входом продукционного потока второго ТОА; вторая полость первого ТОА предназначена для циркуляции прямого потока СХА и соединена входом с выходом газообразной фазы первого фазового сепаратора, а выходом со входом второго фазового сепаратора; третья полость первого ТОА предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА и соединена входом с выходом жидкостной фазы первого фазового сепаратора, а выходом - со входом первого дросселя; четвертая полость первого ТОА предназначена для циркуляции обратного потока СХА и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом обратного потока второго теплообменного аппарата и выходом первого дросселя, а выходом соединена со входом компрессорного блока;- the first cavity of the first TOA is intended for the passage of a hydrogen production flow and is connected by an inlet to the inlet pipeline of the hydrogen production flow, and by an outlet connected to the inlet of the production flow of the second TOA; the second cavity of the first TOA is intended for circulation of the direct flow of the SCA and is connected by the inlet to the outlet of the gaseous phase of the first phase separator, and by the outlet to the inlet of the second phase separator; the third cavity of the first TOA is intended for circulation of the liquid phase of the direct flow of the SCA and is connected by the inlet to the outlet of the liquid phase of the first phase separator, and by the outlet to the inlet of the first throttle; the fourth cavity of the first TOA is intended for circulation of the reverse flow of the SCA and is connected by an inlet to a pipeline, which is connected to pipelines connected to the return flow outlet of the second heat exchanger and the output of the first throttle, and the outlet is connected to the inlet of the compressor unit;
- первая полость второго ТОА предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока из первого ТОА, а выходом соединена со входом продукционного потока третьего ТОА; вторая полость второго ТОА предназначена для циркуляции прямого потока СХА и соединена входом с выходом газообразной фазы второго фазового сепаратора, а выходом - со входом третьего фазового сепаратора; третья полость второго ТОА предназначена для циркуляции жидкостной фазы прямого потока СХА и соединена входом с выходом жидкостной фазы второго фазового сепаратора, а выходом - со входом второго дросселя; четвертая полость второго ТОА предназначена для циркуляции обратного потока СХА и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом обратного потока третьего теплообменного аппарата и выходом второго дросселя, а выходом соединена с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока первого ТОА и выходом первого дросселя;- the first cavity of the second TOA is intended for the passage of the hydrogen production flow and is connected by the input to the output of the production flow from the first TOA, and by the outlet connected to the input of the production flow of the third TOA; the second cavity of the second TOA is intended for circulation of the direct flow of the SCA and is connected by the inlet to the outlet of the gaseous phase of the second phase separator, and by the outlet to the inlet of the third phase separator; the third cavity of the second TOA is intended for circulation of the liquid phase of the direct flow of the SCA and is connected by the input to the output of the liquid phase of the second phase separator, and by the output to the input of the second throttle; the fourth cavity of the second TOA is intended for circulation of the reverse flow of the SCA and is connected by an inlet to a pipeline, which is connected to pipelines connected to the return flow outlet of the third heat exchanger and the output of the second throttle, and by the outlet connected to pipelines connected to the return flow inlet of the first TOA and the output of the first throttle;
- третий фазовый сепаратор входом соединен с выходом второй полости второго ТОА, выходом газообразной части соединен с входом второй полости третьего ТОА, а выходом жидкостной части соединен со входом третьего дросселя;- the third phase separator is connected by its input to the output of the second cavity of the second TOA, the output of the gaseous part is connected to the input of the second cavity of the third TOA, and the output of the liquid part is connected to the input of the third throttle;
- первая полость третьего ТОА предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока из второго ТОА, а выходом соединена со входом продукционного потока четвертого ТОА; вторая полость третьего ТОА предназначена для циркуляции прямого потока СХА и соединена входом с выходом газообразной фазы третьего фазового сепаратора, а выходом со входом четвертого ТОА; третья полость третьего ТОА предназначена для циркуляции обратного потока СХА и соединена входом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными с выходом обратного потока четвертого теплообменного аппарата и выходом третьего дросселя, а выходом соединена с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока второго ТОА и выходом второго дросселя;- the first cavity of the third TOA is intended for the passage of the hydrogen production flow and is connected by the input to the output of the production flow from the second TOA, and by the outlet connected to the input of the production flow of the fourth TOA; the second cavity of the third TOA is intended for circulation of the direct flow of the SCA and is connected by the inlet to the outlet of the gaseous phase of the third phase separator, and by the outlet to the inlet of the fourth TOA; the third cavity of the third TOA is designed for circulation of the reverse flow of the SCA and is connected by an inlet to a pipeline, which is connected to pipelines connected to the return flow outlet of the fourth heat exchanger and the output of the third throttle, and the output is connected to pipelines connected to the return flow inlet of the second TOA and the output of the second throttle;
- первая полость четвертого ТОА предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока третьего ТОА, а выходом соединена со входом продукционного потока пятого ТОА; вторая полость четвертого ТОА предназначена для циркуляции прямого потока СХА и соединена входом с выходом третьего ТОА, а выходом со входом пятого ТОА; третья полость четвертого ТОА предназначена для циркуляции обратного потока СХА и соединена входом с выходом пятого ТОА, а выходом с трубопроводом, который соединен с трубопроводами, соединенными со входом обратного потока третьего теплообменного аппарата и выходом третьего дросселя, а выходом соединена со входом второго ТОА;- the first cavity of the fourth TOA is intended for the passage of the hydrogen production flow and is connected by the input to the output of the production flow of the third TOA, and by the output is connected to the input of the production flow of the fifth TOA; the second cavity of the fourth TOA is intended for circulation of the direct flow of SCN and is connected by the inlet to the output of the third TOA, and by the exit to the input of the fifth TOA; the third cavity of the fourth TOA is intended for circulation of the reverse flow of the SCA and is connected by the inlet to the output of the fifth TOA, and by the output to a pipeline, which is connected to pipelines connected to the return flow inlet of the third heat exchanger and the output of the third throttle, and by the output connected to the input of the second TOA;
- первая полость пятого ТОА предназначена для прохождения продукционного потока водорода и соединена входом с выходом продукционного потока четвертого ТОА, а выходом соединена с входом в низкотемпературный контур сжижения водорода; вторая полость пятого ТОА предназначена для циркуляции прямого потока СХА и соединена входом с выходом четвертого ТОА, а выходом со входом четвертого дросселя; третья полость пятого ТОА предназначена для циркуляции прямого потока хладагента низкотемпературного контура сжижения водорода и соединена входом и выходом с трубопроводами низкотемпературного контура; четвертая полость пятого ТОА предназначена для циркуляции обратного потока СХА и соединена входом с выходом четвертого дросселя, а выходом - со входом четвертого ТОА.- the first cavity of the fifth TOA is intended for the passage of the hydrogen production flow and is connected by the input to the output of the fourth TOA production flow, and the output is connected to the entrance to the low-temperature hydrogen liquefaction circuit; the second cavity of the fifth TOA is intended for circulation of the direct flow of the SCA and is connected by the input to the output of the fourth TOA, and by the output to the input of the fourth throttle; the third cavity of the fifth TOA is intended for circulation of the direct flow of refrigerant of the low-temperature hydrogen liquefaction circuit and is connected by the inlet and outlet to the pipelines of the low-temperature circuit; the fourth cavity of the fifth TOA is intended for circulation of the reverse flow of the SCA and is connected by the input to the output of the fourth throttle, and the output to the input of the fourth TOA.
Орто-пара конвертор может располагаться в первой полости пятого ТОА, выполненной с возможностью ее заполнения катализатором.The ortho-para converter may be located in the first cavity of the fifth TOA, configured to be filled with a catalyst.
Орто-пара конвертор может располагаться в первой полости четвертого и пятого ТОА, выполненными с возможностью их заполнения катализатором.The ortho-para converter can be located in the first cavity of the fourth and fifth TOA, configured to be filled with a catalyst.
Орто-пара конвертор может располагаться вне ТОА контура предварительного охлаждения, его вход соединен с выходом продукционного потока четвертого ТОА, а выход соединен со входом продукционного потока пятого ТОА.The ortho-vapor converter can be located outside the TOA of the pre-cooling circuit, its input is connected to the output of the fourth TOA production stream, and the output is connected to the input of the fifth TOA production stream.
Продукционный поток перед подачей в установку сжижения водорода может сжиматься в водородном компрессорном блоке.The product stream can be compressed in a hydrogen compressor unit before being supplied to the hydrogen liquefaction unit.
Установка для сжижения водорода может содержать аппарат для низкотемпературной очистки продукционного потока водорода, соединенный по продукционному потоку входом с выходом четвертого ТОА, а выходом - со входом пятого ТОА.The installation for liquefying hydrogen may contain an apparatus for low-temperature purification of the hydrogen production stream, connected along the production flow by the inlet to the output of the fourth TOA, and the output to the inlet of the fifth TOA.
Первый и второй ТОА могут быть размещены в одном корпусе.The first and second TOA can be placed in the same housing.
Третий и четвертый ТОА могут быть размещены в одном корпусе.The third and fourth TOA can be placed in the same housing.
На Фигуре представлена схема установки для сжижения водорода.The Figure shows a diagram of a hydrogen liquefaction plant.
Установка для сжижения водорода включает смесевую холодильную машину для осуществления предварительного охлаждения, низкотемпературный контур сжижения водорода 16 и аппараты для проведения орто-пара конверсии водорода (конверторы) 13,14.The installation for liquefying hydrogen includes a mixed refrigeration machine for pre-cooling, a low-temperature hydrogen liquefaction circuit 16 and devices for carrying out ortho-steam conversion of hydrogen (converters) 13,14.
Смесевая холодильная машина для осуществления предварительного охлаждения содержит последовательно соединенные компрессорный блок 1, первый фазовый сепаратор 2, первый ТОА 3, второй фазовый сепаратор 5, второй ТОА 6, и третий фазовый сепаратор 8, третий ТОА 10, четвертый ТОА 11, пятый ТОА 12, а также расположенный на трубопроводе жидкостной фазы из первого сепаратора первый дроссель 4, расположенный на трубопроводе жидкостной фазы из второго сепаратора второй дроссель 7, расположенный на трубопроводе жидкостной фазы из третьего сепаратора третий дроссель 9 и расположенный после пятого ТОА четвертый дроссель 15 и снабжена системой регулирования давления и температуры.The mixed refrigeration machine for pre-cooling contains a series-connected compressor unit 1, a first phase separator 2, a first TOA 3, a second phase separator 5, a second TOA 6, and a third phase separator 8, a third TOA 10, a fourth TOA 11, a fifth TOA 12, as well as a first choke 4 located on the liquid phase pipeline from the first separator, a second choke 7 located on the liquid phase pipeline from the second separator, a third choke 9 located on the liquid phase pipeline from the third separator and a fourth choke 15 located after the fifth TOA and equipped with a pressure control system and temperature.
Низкотемпературный контур сжижения водорода 16 включает в себя компрессорный блок низкотемпературного хладагента и образует замкнутый контур охлаждения и сжижения продукционного потока водорода.The low-temperature hydrogen liquefaction circuit 16 includes a compressor unit for low-temperature refrigerant and forms a closed circuit for cooling and liquefying the hydrogen production stream.
Компрессорный блок СХА 1 включает компрессор 17, аппарат воздушного охлаждения 18 и систему маслоочистки СХА (не показана), соединен трубопроводами выходом - со входом первого фазового сепаратора 2, входом - с выходом обратного потока СХА первого ТОА 3.The compressor block SKhA 1 includes a compressor 17, an air cooling apparatus 18 and an oil purification system SKhA (not shown), connected by pipelines with an output - to the input of the first phase separator 2, an input - with the return flow outlet of the SKhA of the first TOA 3.
Трубопровод входа продукционного потока водорода соединен с теплообменным аппаратом 3. Трубопроводы потока водорода последовательно соединяют теплообменные аппараты 3, 6, 10, 11, 12, а также конверторы 13, 14, которые располагаются внутри ТОА 11 и 12 соответственно. Теплообменный аппарат 12 соединен трубопроводом с низкотемпературным контуром 16.The hydrogen production flow inlet pipeline is connected to heat exchanger 3. The hydrogen flow pipelines sequentially connect heat exchangers 3, 6, 10, 11, 12, as well as converters 13, 14, which are located inside TOA 11 and 12, respectively. The heat exchanger 12 is connected by a pipeline to the low-temperature circuit 16.
Трубопроводы СХА высокого давления последовательно соединяют выход компрессорного блока 1 с сепаратором 2. Трубопроводы высокого давления последовательно соединяют выход потока жидкости из сепаратора 2, теплообменный аппарат 3, дроссель 4. Выход дросселя 4 соединен трубопроводом с трубопроводом низкого давления СХА между теплообменными аппаратами 3 и 6. Трубопроводы высокого давления последовательно соединяют выход потока пара из сепаратора 2, теплообменный аппарат 3, второй фазовый сепаратор 5. Выход жидкостной фазы сепаратора 5 трубопроводом СХА высокого давления последовательно соединен со вторым ТОА 6 и дросселем 7. Выход дросселя 7 соединен трубопроводом с трубопроводом низкого давления СХА между теплообменными аппаратами 6 и 10. Трубопроводы высокого давления последовательно соединяют выход газообразной фазы из сепаратора 5, второй теплообменный аппарат 6, третий фазовый сепаратор 8. Трубопроводы высокого давления соединяют выход жидкостной фазы из сепаратора 8 и дроссель 9. Выход дросселя 9 соединен трубопроводом с трубопроводом низкого давления СХА между теплообменными аппаратами 10 и 11. Трубопроводы высокого давления последовательно соединяют выход потока газообразной фазы из сепаратора 8, теплообменные аппараты 10, 11, 12 и дроссель 15. Трубопроводы СХА низкого давления соединяют последовательно выход дросселя 15 и теплообменные аппараты 12, 11. Выход теплообменного аппарата 12 соединен трубопроводом СХА низкого давления с трубопроводом, соединенным с выходом дросселя 9, и соединен с теплообменным аппаратом 10. Выход теплообменного аппарата 10 соединен трубопроводом СХА низкого давления с трубопроводом, соединенным с выходом дросселя 7, и соединен с теплообменным аппаратом 6. Выход теплообменного аппарата 6 соединен трубопроводом СХА низкого давления с трубопроводом, соединенным с выходом дросселя 4, и соединен с теплообменным аппаратом 3. Трубопровод СХА низкого давления соединяет теплообменный аппарат 3 и вход компрессорного блока 1.The high-pressure ACS pipelines sequentially connect the output of the compressor unit 1 with the separator 2. The high-pressure pipelines sequentially connect the outlet of the liquid flow from the separator 2, the heat exchanger 3, the throttle 4. The outlet of the throttle 4 is connected by a pipeline to the low-pressure ACS pipeline between the heat exchangers 3 and 6. High-pressure pipelines sequentially connect the outlet of the steam flow from separator 2, the heat exchanger 3, the second phase separator 5. The output of the liquid phase of separator 5 is connected in series with the second TOA 6 and throttle 7 by a high-pressure ACS pipeline. The output of the throttle 7 is connected by a pipeline to the low-pressure ACS pipeline between heat exchangers 6 and 10. High-pressure pipelines connect in series the outlet of the gaseous phase from the separator 5, the second heat exchanger 6, the third phase separator 8. High-pressure pipelines connect the outlet of the liquid phase from the separator 8 and the throttle 9. The outlet of the throttle 9 is connected by a pipeline to the pipeline low-pressure ACS between heat exchangers 10 and 11. High-pressure pipelines connect in series the outlet of the gaseous phase flow from separator 8, heat exchangers 10, 11, 12 and choke 15. Low-pressure ACS pipelines connect in series the output of throttle 15 and heat exchangers 12, 11. The output of the heat exchanger 12 is connected by a low-pressure ACS pipeline to a pipeline connected to the output of the throttle 9, and is connected to the heat exchanger 10. The output of the heat exchanger 10 is connected by a low-pressure ACS pipeline to a pipeline connected to the output of the throttle 7, and is connected to the heat exchanger 6. The output of the heat exchanger 6 is connected by a low-pressure CXA pipeline to a pipeline connected to the output of the throttle 4, and is connected to the heat exchanger 3. The low-pressure CXA pipeline connects the heat exchanger 3 and the inlet of the compressor unit 1.
Низкотемпературный контур 16 соединен трубопроводом высокого давления и трубопроводом низкого давления с выходом и входом компрессорного блока низкотемпературного хладагента 16А. Теплообменный аппарат 12 соединен трубопроводами с выходом и входом прямого потока низкотемпературного хладагента высокого давления из низкотемпературного контура 16.The low-temperature circuit 16 is connected by a high-pressure pipeline and a low-pressure pipeline to the outlet and inlet of the low-temperature refrigerant compressor unit 16A. The heat exchanger 12 is connected by pipelines to the output and input of the direct flow of low-temperature high-pressure refrigerant from the low-temperature circuit 16.
Возможен вариант реализации установки, в котором продукционный поток перед подачей в установку сжижения водорода сжимается в водородном компрессорном блоке (не показан).A possible embodiment of the installation is in which the product stream is compressed in a hydrogen compressor unit (not shown) before being supplied to the hydrogen liquefaction unit.
Возможен вариант реализации установки, в котором установка для сжижения водорода содержит аппарат для низкотемпературной очистки продукционного потока водорода, соединенный по продукционному потоку входом с выходом теплообменного аппарата 11, а выходом - со входом теплообменного аппарата 12 (не показан).It is possible to implement an installation in which the installation for liquefying hydrogen contains an apparatus for low-temperature purification of the hydrogen production stream, connected along the production stream by the input to the output of the heat exchanger 11, and by the output to the input of the heat exchanger 12 (not shown).
Возможен вариант реализации установки, в котором отсутствует аппарат для орто-пара конверсии 13 внутри ТОА 11.It is possible to implement the installation in which there is no apparatus for ortho-para conversion 13 inside TOA 11.
Возможен вариант реализации установки, в котором теплообменный аппарат 3 размещен с теплообменным аппаратом 6 в одном корпусе.It is possible to implement the installation in which the heat exchanger 3 is placed with the heat exchanger 6 in the same housing.
Возможен вариант реализации установки, в котором теплообменный аппарат 10 размещен с теплообменным аппаратом 11 в одном корпусе. При этом орто-пара конвертор 13 может быть расположен в низкотемпературной части полости продукционного потока.It is possible to implement the installation in which the heat exchanger 10 is placed with the heat exchanger 11 in the same housing. In this case, the ortho-para converter 13 can be located in the low-temperature part of the product flow cavity.
Предложенный способ сжижения водорода осуществляют следующим образом.The proposed method of hydrogen liquefaction is carried out as follows.
Водород поступает в установку для сжижения водорода с давлением не менее 18 бар и температурой не более 310 K и подается на охлаждение в первый ТОА 3, где охлаждается до температуры ~243 K, затем подается на охлаждение во второй ТОА 6, где охлаждается до температуры ~210 K, после чего подается в третий ТОА 10, где охлаждается до температуры ~174 K. Затем продукционный поток охлаждается в четвертом ТОА 11 до температуры ~78 K, после чего водород подается в пятый ТОА 12, где охлаждается до температуры ~75 K. В ТОА 12 располагается орто-пара конвертор 14, где происходит орто-пара конверсия до ~50% содержания пара-формы.Hydrogen enters the hydrogen liquefaction unit with a pressure of at least 18 bar and a temperature of no more than 310 K and is supplied for cooling to the first TOA 3, where it is cooled to a temperature of ~243 K, then supplied for cooling to the second TOA 6, where it is cooled to a temperature of ~ 210 K, after which it is supplied to the third TOA 10, where it is cooled to a temperature of ~174 K. Then the production flow is cooled in the fourth TOA 11 to a temperature of ~78 K, after which the hydrogen is supplied to the fifth TOA 12, where it is cooled to a temperature of ~75 K. In TOA 12 there is an ortho-para converter 14, where ortho-para conversion occurs up to ~50% of the para-form content.
Затем поток водорода поступает в низкотемпературный контур 16, 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 (не показано) и жидкий водород с давлением ~3 бара и температурой ~24 K поступает в хранилище водорода (не показано).The hydrogen stream then enters the low-temperature circuit 16, where it is cooled and liquefied by the return flow of the low-temperature circuit refrigerant, and ortho-para conversion is also carried out to at least 98% of the para-form content. The flow pressure is then reduced in the expansion device (not shown) and liquid hydrogen with a pressure of ~3 bar and a temperature of ~24 K enters the hydrogen storage facility (not shown).
СХА подается в компрессорный блок 1, где происходит его сжатие с последующим сбросом теплоты в окружающую среду. Частично сконденсированный поток СХА поступает на разделение в первый фазовый сепаратор 2. Поток жидкости из первого фазового сепаратора 2 переохлаждается в первом ТОА 3 и дросселируется в первом дросселе 4. Затем парожидкостный поток смешивается с обратным потоком СХА. Поток пара из фазового сепаратора 2 охлаждается и частично сжижается последовательно в первом теплообменном аппарате 3 и подается на разделение во второй фазовый сепаратор 5. Поток жидкости из второго фазового сепаратора 5 переохлаждается во втором ТОА 6 и дросселируется во втором дросселе 7. Затем парожидкостный поток смешивается с обратным потоком СХА. Поток пара из фазового сепаратора 5 охлаждается и частично сжижается во втором теплообменном аппарате 6 и подается на разделение в третий фазовый сепаратор 8. Поток жидкости из третьего фазового сепаратора 8 дросселируется в третьем дросселе 9, после чего парожидкостной поток смешивается с обратным потоком СХА. Поток пара из фазового сепаратора 8 охлаждается и частично сжижается последовательно в третьем ТОА 10, четвертом ТОА 11 и пятом ТОА 12. Затем поток СХА высокого давления из ТОА 12 дросселируется в четвертом дросселе 15, после чего парожидкостный поток СХА низкого давления поступает последовательно в ТОА 12, 11,10, 6 и 3 в качестве обратного потока на охлаждение прямых потоков. Далее поток СХА низкого давления поступает на сжатие в компрессорный блок 16А.The SCA is supplied to compressor unit 1, where it is compressed and then heat is released into the environment. The partially condensed flow of SCA is supplied for separation into the first phase separator 2. The liquid flow from the first phase separator 2 is supercooled in the first TOA 3 and throttled in the first throttle 4. Then the vapor-liquid flow is mixed with the reverse flow of SCA. The vapor flow from the phase separator 2 is cooled and partially liquefied sequentially in the first heat exchanger 3 and supplied for separation to the second phase separator 5. The liquid flow from the second phase separator 5 is supercooled in the second TOA 6 and throttled in the second throttle 7. Then the vapor-liquid flow is mixed with reverse flow of SCA. The vapor flow from the phase separator 5 is cooled and partially liquefied in the second heat exchanger 6 and supplied for separation to the third phase separator 8. The liquid flow from the third phase separator 8 is throttled in the third throttle 9, after which the vapor-liquid flow is mixed with the reverse flow of the SCA. The vapor flow from the phase separator 8 is cooled and partially liquefied sequentially in the third TOA 10, the fourth TOA 11 and the fifth TOA 12. Then the high-pressure ACS flow from the TOA 12 is throttled in the fourth throttle 15, after which the low-pressure ACS vapor-liquid flow enters sequentially into the TOA 12 , 11,10, 6 and 3 as a return flow for cooling the forward flows. Next, the low-pressure ACS flow is supplied for compression to the compressor unit 16A.
Хладагент низкотемпературного контура 16 подается на охлаждение в пятый ТОА 12, после чего подается в низкотемпературный контур 16 для охлаждения и сжижения водорода.The refrigerant of the low-temperature circuit 16 is supplied for cooling to the fifth TOA 12, after which it is supplied to the low-temperature circuit 16 for cooling and liquefaction of hydrogen.
В результате использования изобретения достигается создание надежных и высокоэффективных способа сжижения водорода и установки для его реализации.As a result of the use of the invention, the creation of a reliable and highly efficient method of hydrogen liquefaction and installation for its implementation is achieved.
Claims (16)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2804469C1 true RU2804469C1 (en) | 2023-10-02 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5579655A (en) * | 1994-07-29 | 1996-12-03 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Process and apparatus for the liquefaction of hydrogen |
| RU2718378C1 (en) * | 2015-10-27 | 2020-04-02 | Линде Акциенгезельшафт | Large-scale liquefaction of hydrogen through high-pressure hydrogen refrigeration cycle combined with new pre-cooling with single mixed refrigerant |
| RU2753342C2 (en) * | 2015-10-27 | 2021-08-13 | Линде Акциенгезельшафт | Low-temperature mixed refrigerant for large-scale pre-cooling of hydrogen |
| RU2779805C1 (en) * | 2022-05-06 | 2022-09-13 | Общество с ограниченной ответственностью "КРИОИНЖИНИРИНГ" (ООО "КРИОИНЖИНИРИНГ") | Method for liquefiting hydrogen and installation for its implementation (options) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5579655A (en) * | 1994-07-29 | 1996-12-03 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Process and apparatus for the liquefaction of hydrogen |
| RU2718378C1 (en) * | 2015-10-27 | 2020-04-02 | Линде Акциенгезельшафт | Large-scale liquefaction of hydrogen through high-pressure hydrogen refrigeration cycle combined with new pre-cooling with single mixed refrigerant |
| RU2753342C2 (en) * | 2015-10-27 | 2021-08-13 | Линде Акциенгезельшафт | Low-temperature mixed refrigerant for large-scale pre-cooling of hydrogen |
| RU2779805C1 (en) * | 2022-05-06 | 2022-09-13 | Общество с ограниченной ответственностью "КРИОИНЖИНИРИНГ" (ООО "КРИОИНЖИНИРИНГ") | Method for liquefiting hydrogen and installation for its implementation (options) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2241181C2 (en) | Method for liquefying gaseous substance (variants) and device for its implementation (variants) | |
| US3364685A (en) | Method and apparatus for the cooling and low temperature liquefaction of gaseous mixtures | |
| US7540171B2 (en) | Cryogenic liquefying/refrigerating method and system | |
| US4539028A (en) | Method and apparatus for cooling and liquefying at least one gas with a low boiling point, such as for example natural gas | |
| US20150204603A1 (en) | System And Method For Natural Gas Liquefaction | |
| EA002617B1 (en) | Plant for liquefying natural gas | |
| RU2645185C1 (en) | Method of natural gas liquefaction by the cycle of high pressure with the precooling of ethane and nitrogen "arctic cascade" and the installation for its implementation | |
| EP2547972A1 (en) | Integrated pre-cooled mixed refrigerant system and method | |
| CN107401885B (en) | Liquefaction process and system | |
| JP6429867B2 (en) | Integrated cascade process for vaporization and recovery of residual LNG in floating tank applications | |
| AU2020213611A1 (en) | Cooling method for liquefying a feed gas | |
| CN217483101U (en) | Coil type heat exchanger unit | |
| CN112368532A (en) | Mixed refrigerant liquefaction system with pre-cooling and method | |
| RU2804469C1 (en) | Method for hydrogen liquefaction and plant for its implementation | |
| RU2719533C1 (en) | Method for production of liquefied natural gas and compressed natural gas at a gas distribution station and a complex (versions) for its implementation | |
| US20230375261A1 (en) | Closed loop lng process for a feed gas with nitrogen | |
| US11162732B2 (en) | Quench system for a refrigeration cycle of a liquefied natural gas facility and method of quenching | |
| RU2656068C1 (en) | Method and unit of natural gas liquefaction at the gas distribution station | |
| RU2779805C1 (en) | Method for liquefiting hydrogen and installation for its implementation (options) | |
| CN117581073A (en) | Facility and method for hydrogen liquefaction | |
| CN108775770A (en) | A kind of brazing plate type heat exchanger natural gas liquefaction system using mixed-refrigerant cycle | |
| CN116507870A (en) | Method for producing liquefied hydrogen | |
| RU2180081C1 (en) | Method of liquefaction of methane, mainly for gas-filling stations of transport facilities | |
| RU2797608C1 (en) | Natural gas liquefaction method “arctic mix” | |
| RU2714088C1 (en) | Natural gas liquefaction complex (versions) |