TW202314176A - 氫液化系統和方法 - Google Patents

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拉維庫馬爾 維佩拉
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Abstract

一種用於液化氫氣進給流的系統和方法，使用混合製冷劑預冷卻進給流，其中混合製冷劑被壓縮、冷卻，然後分離以提供高壓混合製冷劑蒸汽和液體流。高壓蒸汽流被冷卻並被引導至冷蒸汽分離器，在此形成冷分離器液體和蒸汽流。冷分離器蒸汽流被冷卻和膨脹，以在熱交換器系統中提供預冷製冷流。高壓混合製冷劑液體和冷分離器液體流被冷卻和膨脹，並被引導至預冷製冷流。在壓縮和冷卻之後，高壓主製冷劑流在熱交換器系統中進一步冷卻，然後使用暖膨脹器和冷膨脹器膨脹，得到的膨脹主製冷劑流用於通過熱交換器系統中的熱交換液化預冷卻的氫氣進給流。

Description

氫液化系統和方法
相關申請的交叉引用 本申請要求2021年6月8日提交的美國臨時申請第63/208245號的權益，其內容通過引用結合於此。
本發明總體涉及用於液化氫氣的系統和方法，更具體地，涉及用於液化氫氣的系統和方法，其包括使用主製冷劑的主冷卻回路和使用預冷製冷劑的預冷回路。
隨著燃料電池技術的進步，氫作為替代能源的重要性日益增加。此外，燃料電池技術的使用，例如在燃料電池驅動的車輛中，正在增長。
與其他低溫流體(比如液態天然氣)一樣，氫以液體形式更有效地運輸和儲存。
氫在非常低的溫度(約-253℃/20.3K)下液化，因此，氫液化系統消耗大量的能量，這增加了生產成本。此外，氫或氦或兩者的混合物通常用作製冷劑來液化氫。從能量使用的角度來看，這種製冷劑使用起來很昂貴，因為它們的分子尺寸很小，並且需要相關的能量來處理。
氫液化中效率的提高和能量使用的相應降低是所希望的。
本主題的多個方面可以在下面描述和要求保護的設備和系統中單獨或一起實施。這些方面可以單獨使用或者與本文所述主題的其他方面結合使用，並且對這些方面的描述並不旨在排除這些方面的單獨使用或者這些方面的單獨請求項或者如所附請求項中闡述的不同組合。
在一方面，一種用於液化氫氣進給流的系統包括熱交換器系統，該熱交換器系統具有構造成接收氫氣進給流的進給氣體入口、產品出口、與進給氣體入口和產品出口流體連通的冷卻通道、主製冷劑進給通道、主製冷通道、預冷卻製冷通道、高壓蒸汽冷卻通道、冷分離器蒸汽冷卻通道、冷分離器液體冷卻通道和高壓液體冷卻通道。主製冷劑壓縮系統構造成將經調節的主製冷劑引導至主製冷劑進給通道。暖膨脹器與主製冷劑進給通道流體連通，所述暖膨脹器具有與主製冷劑壓縮系統流體連通的暖膨脹器出口。冷膨脹器與主製冷劑進給通道流體連通，所述冷膨脹器具有與主製冷通道流體連通的冷膨脹器出口。冷卻通道構造成使得其中的氫通過與主製冷通道中的主製冷劑進行逆流熱交換而被冷卻和液化。主製冷劑壓縮系統構造成接收、壓縮和冷卻來自主製冷通道的蒸發的主製冷劑，從而提供經調節的主製冷劑。預冷卻混合製冷劑壓縮系統包括預冷卻壓縮機，該預冷卻壓縮機構造成接收和壓縮混合製冷劑流，並將壓縮的混合製冷劑流引導至預冷卻後冷卻器。預冷卻後冷卻器具有與高壓分離裝置流體連通的後冷卻器出口，該高壓分離裝置具有構造成將混合製冷劑蒸汽引導至高壓蒸汽冷卻通道的混合製冷劑蒸汽出口和構造成將混合製冷劑液體引導至高壓液體冷卻通道的混合製冷劑液體出口。冷蒸汽分離器具有構造成接收來自高壓蒸汽冷卻通道的流體的入口。冷蒸汽分離器具有冷蒸汽分離器蒸汽出口和冷蒸汽分離器液體出口，冷蒸汽分離器蒸汽出口構造成將蒸汽引導至冷分離器蒸汽冷卻通道，冷蒸汽分離器液體出口構造成將液體引導至冷分離器液體冷卻通道。第一膨脹裝置構造成接收來自冷分離器蒸汽冷卻通道的流體並使其膨脹，並將膨脹的流體引導至預冷卻製冷劑通道。高壓液體冷卻通道和冷分離器液體冷卻通道均與預冷卻製冷通道流體連通。冷卻通道構造成使得其中的氫通過與預冷卻製冷通道中的預冷卻混合製冷劑進行逆流熱交換而被冷卻。
在另一方面，一種用於液化氫氣進給流的方法包括以下步驟：通過壓縮和冷卻混合製冷劑流以形成高壓混合製冷劑流，使用混合製冷劑預冷卻氫氣進給流，分離高壓混合製冷劑流以形成高壓混合製冷劑蒸汽流和高壓混合製冷劑液體流，在熱交換器中冷卻高壓混合製冷劑蒸汽流，以形成混合相流，用冷蒸汽分離器分離混合相流，以形成冷分離器蒸汽流和冷分離器液體流，冷凝冷分離器蒸汽流並閃蒸，以形成冷溫製冷劑流，在熱交換器中冷卻高壓混合製冷劑液體流，以形成冷卻的高壓混合製冷劑液體流，冷卻冷分離器液體流以形成冷卻的冷分離器液體流，並將冷卻的冷分離器液體流與冷卻的高壓混合製冷劑液體流合併，以形成中溫製冷劑流，合併中溫製冷劑流和冷溫製冷劑流以形成合併的預冷製冷劑流，在熱交換器中使氫氣進給流與合併的預冷製冷劑流熱接觸以形成預冷卻的氫氣進給流。該方法還包括以下步驟：通過壓縮和冷卻第一蒸發的主製冷劑和第二蒸發的主製冷劑，使用主製冷劑液化預冷卻的氫氣進給流，以形成高壓主製冷劑，在暖膨脹器中膨脹高壓主製冷劑，以形成第一膨脹的主製冷劑，在冷膨脹器中膨脹高壓主製冷劑，以形成第二膨脹的主製冷劑，使預冷卻的氫氣進給流與第一和第二膨脹製冷劑熱接觸，以形成第一和第二蒸發的主製冷劑和液化氫氣流。
本公開的氫液化系統的第一實施例在圖1中示出。該系統在一個或多個熱交換器中液化氫氣進給流10，所述熱交換器使用總體以12表示的主冷卻回路和總圖以14表示的預冷卻回路。主冷卻回路12使用氫作為製冷劑，但也可以替代地使用氦或氫和氦的混合物。預冷卻回路14使用混合製冷劑，但如下面將要描述的，本發明的替代實施例可以使用氮作為預冷卻製冷劑。
預冷卻回路14將氫進給流10冷卻到約80-90K，並且可以使用在授予Gushanas等人的美國專利第9441877號或授予Ducote等人的美國專利第10480851號中公開的混合製冷劑製冷系統和方法，這些專利的內容在此引入作為參考。主冷卻回路12進一步將氫冷卻到約20K。
參考圖1，氫氣進給流10在暖熱交換器16的冷卻通道30a的第一部分中被冷卻，該熱交換器16僅作為示例，可以是釺焊的鋁熱交換器，例如可從喬治亞州Ball Ground的Chart Energy & Chemicals公司獲得。
這裡應該注意的是，通道（熱交換器的內部和外部）和流有時都用圖中所示的相同元件編號表示。此外，如本文所用，並且如本領域所知，熱交換器是這樣的裝置或裝置中的區域，其中在不同溫度的兩個或更多個流之間，或者在流和環境之間發生間接熱交換。如本文所用，除非另有說明，術語“連通”等通常指流體連通。此外，儘管連通的兩種流體可以在混合時交換熱量，但這種交換不會被認為與熱交換器中的熱交換相同。如本文所用，術語“降低壓力”(或其變體)不涉及相變，而術語“閃蒸”(或其變體)涉及相變，甚至包括部分相變。如本文所用，術語“高”、“中”、“暖”等是相對於可比較的流而言的，這是本領域的慣例。
離開暖熱交換器16的冷卻流18可被引導至吸附容器22和24中的任一個。優選地，一次操作一個容器，使得所有的流體流過一個容器，並且當它被耗盡時，流動被重新引導到另一個容器。當正在操作的容器耗盡時，耗盡的容器然後被再生並準備使用。僅作為示例，吸附劑容器22和24可以是或類似於分子篩容器，或者它們可以是矽膠容器。容器22和24被設計用來除去少量在氫液化的冷步驟中會凍結的污染物。污染物在百萬分之幾的範圍內（通常小於20ppm）。這些污染物可能包括氮、氬、氧、碳氫化合物、二氧化碳等。離開容器22和24的流被重新結合並被引導至催化劑容器26。催化劑用於將氫從氫的正態轉化為氫的對位態。合適的催化劑在本領域中是眾所周知的。如圖1所示，催化劑可以安裝在與熱交換器分開的容器中，或者催化劑可以放置在熱交換器16中，或者在氫冷卻時放置在沿著熱交換器的多個容器中，或者放置在本領域中已知的許多其他位置。
在替代實施例中，催化劑可以位於暖熱交換器16和/或冷熱交換器32的通道內，氫流體流過這些通道，使得氫從正態到對位態的轉化可以在氫被冷卻和液化的同時完成。
繼續圖1，離開催化劑容器26的流28隨著其分別通過暖熱交換器16和冷熱交換器32的冷卻通道30b的第二部分而被進一步冷卻和液化，液態氫流34離開冷熱交換器32。僅作為示例，暖熱交換器16可用於處理高於80K的流，而冷熱交換器32可用於處理低於/冷於80K的流。
流34通過膨脹裝置36膨脹或閃蒸，膨脹裝置36可以是焦耳-湯姆遜(JT)閥或其他膨脹裝置，所得混合相流38進入分離裝置42。所得液體流44離開分離裝置42，並被導出系統用於儲存、運輸。蒸汽流46離開分離裝置42，並被引導返回通過冷和暖熱交換器，以恢復製冷並幫助製冷氫進給流。
類似於催化劑容器26，分離裝置42可以包含催化劑材料。
應該注意的是，雖然兩個熱交換器(暖熱交換器16和冷熱交換器32)被圖示為熱交換器系統，但具有暖端和冷端的單個熱交換器可替代地可以用作熱交換器系統，或者多於兩個的熱交換器可替代地可以用作熱交換器系統。
主冷卻回路12將已被壓縮到高壓（例如約400至800psig）的氫製冷劑氣體流52（在替代實施例中可以使用氦或氦和氫的混合物）提供給其在其中被冷卻的暖熱交換器16和冷熱交換器32。在進入冷熱交換器32之後，該流被分流，使得第一部分54被引導至一系列暖膨脹器56a、56b和56c，而第二部分在冷熱交換器32中進一步冷卻之後作為流62被引導至一系列冷膨脹器64a和64b(暖和冷膨脹器分別示出為3和2個膨脹器，但可以少於或多於這些數目)。雖然在圖1的實施例中示出了一系列暖膨脹器和一系列冷膨脹器，但也可以用單個暖膨脹器或其他膨脹裝置代替一系列暖膨脹器56a-56c，用單個冷膨脹器或其他膨脹裝置代替一系列冷膨脹器64a和64b。這同樣適用於其餘附圖的實施例。此外，在存在多個暖膨脹裝置的實施例中，暖膨脹裝置可以並聯佈置。類似地，在有多個冷膨脹裝置的實施例中，冷膨脹裝置可以並聯佈置。
僅作為示例，暖膨脹器56a、56b和56c以及冷膨脹器64a和64b可以是渦輪機、焦耳-湯姆遜(JT)閥和/或本領域中用作膨脹器或膨脹裝置的其他裝置。術語“膨脹器”和“膨脹裝置”在本文中可互換使用，並被視為具有相同的含義。一系列暖膨脹器和/或一系列冷膨脹器中的每個或兩者也可以是膨脹器或膨脹裝置類型的混合（例如串聯有JT閥的渦輪機等）。一系列“暖”氫膨脹器步驟(在暖膨脹器56a、56b和56c中)優選發生在低於80K的溫度下，產生的流58低於第一暖膨脹器(56a)的入口溫度。一系列“冷”氫膨脹器步驟(在冷膨脹器64a和64b中)優選發生在從“冷”氫膨脹器系列排出的液體流66接近20K的溫度下。
氫流58和66被引導通過相應的第一主製冷通道70a和70b(分別在冷熱交換器32和熱熱交換器16中)和第二主製冷通道72a和72b(分別在冷和暖熱交換器32、16中),以通過逆流熱交換(熱接觸)冷卻和液化冷卻通道30a和30b中的氫進給流10。在替代實施例中，第一和第二主製冷通道可以合併成單個主製冷通道，其穿過冷熱交換器和暖熱交換器。
蒸發的氫製冷劑流74和76離開暖熱交換器併合並成單個流78，其進入使用第一壓縮機級82a和第一後冷卻器84a（其可以使用環境空氣或替代流體用於冷卻）完成的第一壓縮和冷卻級。在82b和84b、82c和84c以及82d和84d處進行進一步的壓縮和冷卻級，前述高壓氫製冷劑蒸汽流52離開最後一級後冷卻器84d。壓縮和冷卻級的數量可以不同於圖示的數量。實際上，在圖1的實施例和所有附圖的實施例中，可以只有單個壓縮級。此外，在存在多個壓縮級的實施例中，壓縮級可由單個壓縮機的級或由多個單獨的壓縮機來執行。
通過在兩個膨脹器設備（暖膨脹器56a-56c和冷膨脹器64a-64b）之間分流氫製冷劑的質量流率，與單個膨脹循環相比消耗更少的功率。雖然基於比焓差，四個串聯的暖膨脹器是優選的，並且兩個串聯的冷膨脹器是優選的，但暖膨脹器和冷膨脹器系列中的每個都可以使用替代數量的膨脹器。
從兩個膨脹器設備離開暖熱交換器16的暖氣流74和76以相同的壓力離開。可替代地，暖膨脹器排出物可以與冷膨脹器排出物混合（在加熱到與暖膨脹器排出物相同的溫度之後),以便簡化熱交換器層佈置。
轉向圖1的預冷卻回路14，所用的混合製冷劑(MR)優選由氮、甲烷、乙烯、丙烷和正丁烷構成。異丁烷可以用來代替正丁烷，以提供額外的凍結裕度（由於操作需要，乙烷也可以用來代替乙烯）。僅作為示例，MR流92的壓力可以是28psig或2barg。
流92進入使用第一壓縮機級94a和第一後冷卻器96a(其可以使用環境空氣或替代流體用於冷卻)完成的第一壓縮和冷卻級。在94b和96b以及94c和96c處執行進一步的壓縮和冷卻級。壓縮和冷卻級的數量可以不同於圖示的數量。實際上，在圖1的實施例和所有附圖的實施例中，預冷卻回路14中可能只有單個壓縮級。此外，在存在多個壓縮級的實施例中，壓縮級可由單個壓縮機的級或由多個單獨的壓縮機來執行。抽吸分離裝置98a設置在壓縮機94a的入口處，以防止液體進入壓縮機，類似的抽吸分離裝置98b和98c設置在隨後的壓縮和冷卻級之間。
在優選實施例中，通過在壓縮期間保持在MR流的露點以上，在抽吸分離裝置中不產生液體。因此，液體不需要泵送或處理，從而降低了過程的複雜性和成本。
由最後一個排放冷卻器96c提供的冷卻足以液化部分MR流102。流102中存在的蒸汽和液體在進入冷熱熱交換器16之前被分離。流102離開最後的壓縮和冷卻級，並為此目的行進到高壓分離裝置104。
僅作為示例，離開高壓分離裝置104的MR液體和蒸汽流106和108分別可以處於約640psig的壓力下。
暖熱交換器16包括高壓蒸汽冷卻通道112，其冷卻高壓MR蒸汽流108以形成混合相冷分離器MR供給流114。混合相冷分離器MR進給流114被引導至冷蒸汽分離器116。冷蒸汽分離器116將冷分離器進給流114分離成冷分離器MR蒸汽流118和冷分離器MR液體流122。
暖熱交換器16還包括冷分離器蒸汽冷卻通道124，其具有與冷蒸汽分離器116連通的入口，以便接收冷分離器MR蒸汽流118。冷分離器MR蒸汽流在通道124中被冷卻，以形成冷凝的冷溫度MR流126，其用膨脹裝置128閃蒸，以形成膨脹的冷溫度MR流132，其被引導至預冷卻製冷通道134。流過暖熱交換器16的預冷卻製冷通道134的MR流通過逆流熱交換為冷卻通道30a的第一部分內的氫氣進給流10提供預冷卻。
作為非限制性示例，膨脹裝置128(和這裡公開的所有“膨脹裝置”或“膨脹器”的情況一樣)可以是閥（例如焦耳湯普森閥）、渦輪機或節流孔。
冷分離器MR液體流122在冷分離器液體冷卻通道136中被冷卻，以形成過冷的冷分離器MR液體流，其在膨脹裝置138中被閃蒸。
高壓液體冷卻通道142冷卻高壓MR液體流106以形成過冷的高壓MR液體流，其在膨脹裝置144中閃蒸。離開膨脹裝置138和144的流被合併以形成中溫流146，其被引導至預冷卻製冷通道134。在替代實施例中，膨脹裝置138和144可以取消，並用用於流146的單個膨脹裝置代替，使得合併的流136和142膨脹。
在圖2所示的本發明系統的第二實施例中，在圖1系統的改進版本中，氫製冷劑膨脹以形成具有兩種不同壓力的氫製冷劑流258和266，流258和266分別在單獨的通道270a、270b和272a、272b中通過暖和冷熱交換器216、232。如圖2所示，產生的蒸汽流274和276被引導至壓縮級中的兩個不同位置。這可能會略微提高過程效率，並降低通過暖膨脹器的比焓差。膨脹器之間較低的比焓差將有助於提高膨脹器的效率。
此外，在圖2的實施例中，暖膨脹器256a、256b和256c以及冷膨脹器264a和264b可以某種方式制動。可替代地，參考圖3，在流366在進入第一壓縮機級382a之前經由調節壓縮機302a、302b、302c和304a和304b在暖和冷熱交換器316和332中提供製冷之後，來自暖膨脹器356a、356b和356c以及冷膨脹器364a和364b的功率用於再壓縮來自冷膨脹器364a和364b的氫製冷劑流366。圖3系統的其餘部分與圖2相同。
在圖4的實施例中，在冷熱交換器432中提供製冷之後，兩個氫製冷劑流402和404被合併，然後在作為蒸汽離開冷熱交換器432之後經由壓縮機405壓縮，從而實現冷溫壓縮。壓縮流被引導至後冷卻器407，所得流409被導入暖熱交換器416進行冷卻。
氫製冷劑流402和404在MR冷端溫度（僅作為示例，其可以是約120K）下提取，並且可以經由壓縮機406壓縮至700至1200psig，僅作為示例，這取決於壓縮機405的壓縮機類型和吸入溫度。溫度和壓力的這種選擇允許氫流409與  流410以及高壓MR液體和蒸汽流406和408一起被進給到暖熱交換器416。
在圖5的系統中，雖然主冷卻回路512與圖1的主冷卻回路12相同，但氮被用作預冷卻514中的製冷劑。離開最後壓縮和冷卻級(壓縮機594和後冷卻器596)的氮製冷劑流502被分成流504和506。流506在膨脹器508a中膨脹，然後作為流512被引導到預冷卻製冷通道509。流504在暖熱交換器516內的預冷卻製冷劑調節通道511a中進一步冷卻，得到的流分成流518和522。流518在膨脹器508b中膨脹，然後作為流524被引導到預冷卻製冷通道509。流522在暖熱交換器516中的預冷卻製冷劑調節通道511b中被進一步冷卻，得到的流526在膨脹器508c中膨脹，然後作為流528被引導到預冷卻製冷通道509。
膨脹器508a-508c可以是渦輪機或本領域中用作膨脹器或膨脹裝置的其他裝置。
因此，圖5的系統使用氮膨脹來預冷卻氫氣進給流510，而不是圖1-4的混合製冷劑。氮膨脹過程通常比液氮過程更有效。
在圖6的系統中，主冷卻回路612向在其中冷卻的暖熱交換器616和冷交換器632提供氫製冷劑氣體的流652（在替代實施例中可以使用氦或氦和氫的混合物）。在進入冷的熱交換器632之後，該流的一部分654被分流並被引導至熱的膨脹器656。所得的膨脹製冷劑流被引導通過冷熱交換器632的中間冷卻通道661。所得的冷卻流被引導至冷膨脹器664。進一步冷卻和膨脹的氫流669被引導通過主製冷通道672a和672b（分別在冷熱交換器632和熱熱交換器616中）,以通過逆流熱交換冷卻和液化冷卻通道630a和630b中的氫氣進給流610。
氫製冷劑流的剩餘部分682在冷熱交換器中被進一步冷卻，然後在離開熱交換器後，通過膨脹裝置比如JT閥684膨脹。所得的膨脹流體685與來自冷膨脹器664的流669結合，然後通過冷和暖熱交換器的主製冷通道返回，以在其中提供製冷。在替代實施例中，流685可被引導通過冷熱交換器632和暖熱交換器616的第二主製冷通道，它們獨立於主製冷通道672a和672b。
暖膨脹器656和冷膨脹器664分別通過驅動壓縮機657和665做功。在壓縮機657中壓縮之後，工作流體在後冷卻器658中冷卻，然後在膨脹裝置中膨脹，比如JT閥660，所得的流返回到壓縮機。類似地，在壓縮機665中壓縮之後，工作流體在後冷卻器667中冷卻，然後在膨脹裝置中膨脹，比如JT閥668，所得的流返回到壓縮機。圖6的系統的其餘部分與圖1的系統相同。
圖7的系統向冷熱交換器732添加了補充中間冷卻通道700，並向圖6的系統添加了補充冷膨脹裝置702。結果，氫製冷劑流769經歷了進一步的冷卻和膨脹級（與圖6的流669相比）。圖7的系統的其餘部分與圖6的系統相同。
圖8中示出了主冷卻回路的暖和冷膨脹器的另一替代佈置。在圖8的系統中，主冷卻回路812向在其中冷卻的暖熱交換器816和冷交換器832提供氫製冷劑氣體的流852（在替代實施例中可以使用氦或氦和氫的混合物）。在進入冷熱交換器832之後，流的一部分854被分流並被引導至第一暖膨脹器856a。離開暖膨脹器856a的膨脹的製冷劑流的第一部分被引導至第二暖膨脹器856b。離開第二暖膨脹器856b的膨脹的製冷劑流858被引導至冷熱交換器832的主製冷通道872a。
如圖8所示，離開暖膨脹器856a的膨脹的製冷劑流的第二部分被引導通過冷熱交換器832的中間冷卻通道861。所得的冷卻流被引導至冷膨脹器864。進一步冷卻和膨脹的氫流869被引導通過主製冷通道872a和872b(分別在冷和暖熱交換器832、816中),以通過逆流熱交換冷卻和液化冷卻通道830a和830b中的氫氣進給流810。圖8的系統的其餘部分與圖6和7的系統相同。
圖9示出了主冷卻回路的暖和冷膨脹器的另一替代佈置。在圖9的系統中，主冷卻回路912向在其中冷卻的熱交換器916和冷交換器932提供氫製冷劑氣體的流952（在替代實施例中可以使用氦或氦和氫的混合物）。在進入冷熱交換器932之後，該流的第一部分954a被分流並被引導至暖膨脹器956。所得的膨脹製冷劑流被分別引導至冷和暖熱交換器932、916的第一主製冷通道970a和970b。
如圖9所示，冷卻的氫製冷劑流的第二部分954b分流並被引導通過第一冷膨脹器964a，其引導膨脹的製冷劑流通過冷熱交換器932的中間冷卻通道961。所得的冷卻流被引導至第二冷膨脹器964b。進一步冷卻和膨脹的氫流969被分別引導通過冷和暖熱交換器832、816中的第二主製冷通道972a和972b，以通過逆流熱交換冷卻和液化冷卻通道930a和930b中的氫氣進給流910。圖9的系統的其餘部分與圖6至圖8的系統相同。
圖10示出了主冷卻回路的暖和冷膨脹器的另一替代佈置。在圖10的系統中，主冷卻回路1012向在其中冷卻的暖熱交換器1016和冷熱交換器1032提供氫製冷劑氣體的流1052（在替代實施例中可以使用氦或氦和氫的混合物）。在進入冷熱交換器1032之後，該流的第一部分1054a被分流並被引導至暖膨脹器1056。所得的膨脹製冷劑流被引導通過冷熱交換器1032的中間冷卻通道1061。所得的冷卻流被引導至冷膨脹器1064。進一步冷卻和膨脹的氫流1069被引導分別通過冷和暖熱交換器1032、1016中的第二主製冷通道1072a和1072b，以通過逆流熱交換冷卻和液化冷卻通道1030a和1030b中的氫氣進給流1010。
如圖10中進一步所示，冷卻氫製冷劑流的第二部分1054b分流並被引導通過中間膨脹器1066。所得的膨脹製冷劑流被分別引導至冷和暖熱交換器1032、1016的第一主製冷通道1070a和1070b。
圖10的系統的其餘部分與圖6至9的系統相同。
圖11示出了主冷卻回路的暖和冷膨脹器的另一替代佈置。在圖11的系統中，主冷卻回路1112向在其中冷卻的暖熱交換器1116和冷熱交換器1132提供氫製冷劑氣體流1052（在替代實施例中可以使用氦或氦和氫的混合物）。在進入冷熱交換器1132之後，該流的第一部分1154a被分流並被引導至第一暖膨脹器1156a。所得的膨脹製冷劑流被引導通過冷熱交換器1132的中間冷卻通道1161。所得的冷卻流被引導至第二暖膨脹器1156b。進一步冷卻和膨脹的氫流1158被引導分別通過冷和暖熱交換器1132、1116中的第一主製冷通道1170a和1070b，以通過逆流熱交換冷卻和液化冷卻通道1130a和1130b中的氫氣進給流1110。
如圖11中進一步所示，冷卻的氫製冷劑流的第二部分1154b分流並被引導通過冷膨脹器1164。所得的膨脹製冷劑流1169被分別引導至冷和暖熱交換器1132、1116的第二主製冷通道1172a和1172b。
圖11的系統的其餘部分與圖6至10的系統相同。
雖然已經示出和描述了本發明的優選實施例，但對於本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的精神的情況下，可以對其進行改變和修改。
10、410、510、610、810、910、1010、1110:液化氫氣進給流 12、512、612、812、912、1012、1112:主冷卻回路 14、514:預冷卻回路 16、216、316、416、516、616、816、916、1016、1116:暖熱交換器 18:冷卻流 22、24:吸附容器 26:催化劑容器 28、58、62、78、409、685、669、869、969、1069:氫流 30a、30b、630a、630b、661、700、830a、830b、861、930a、930b、961、1030a、1030b、1130a、1130b、1061、1161:冷卻通道 32、232、332、432、632、732、832、932、1032、1132:冷熱交換器 34:液態氫流 36、128、138、144、508a、508b、508c、660、668、684:膨脹裝置 38:混合相流 42:分離裝置 44、66:液體流 46、108、274、276、408:蒸汽流 52:氫製冷劑氣體流 56a、56b、56c、256a、256b、256c、356a、356b、356c、656、856a、856b、956、1056、1156a、1156b、1066、1064:暖膨脹器 64a、64b、264a、264b、364a、364b、664、702、864、964a、964b、1164:冷膨脹器 82a、82b、82c、82d、94a、94b、94c、405、406、594、657、665:壓縮機 84a、84b、84c、84、96a、96b、96c、407、596、658、667:後冷卻器 70a、70b、72a、72b、270a、270b、272a、272b、672a、672b、872a、872b、970a、970b、972a、972b、1070a、1070b、1072a、1072b主製冷通道 74、76、258、266、366、402、404、652、654、674、682、769、852、854、858、874、952、954a 、954b、1052、1054a、1054b、1152、1154a、1154b、1158、1169、1170a、1170b、1172a、1172b、1174:氫製冷劑流 98a、98b、98c:抽吸分離裝置 92、 102 、106、118、126:MR流 104:高壓分離裝置 112:高壓蒸汽冷卻通道 116:冷蒸汽分離器 114:冷分離器進給流 118:冷分離器MR蒸汽流 122:冷分離器MR液體流 124:冷分離器蒸汽冷卻通道 132:冷溫度MR流 134、509:預冷卻製冷通道 136:冷分離器液體冷卻通道 142:高壓液體冷卻通道 146:中溫流 302a、302b、302c、304a、304b:調節壓縮機 511a、511b:預冷卻製冷劑調節通道 502、504、506、518、522、524、526、528:氮製冷劑流
圖1是說明本公開的氫液化過程和系統的第一實施例的過程流程圖和示意圖；
圖2是說明本公開的氫液化過程和系統的第二實施例的過程流程圖和示意圖；
圖3是說明本公開的氫液化過程和系統的第三實施例的過程流程圖和示意圖；
圖4是說明本公開的氫液化過程和系統的第四實施例的過程流程圖和示意圖；
圖5是說明本公開的氫液化過程和系統的第五實施例的過程流程圖和示意圖；
圖6是說明本公開的氫液化過程和系統的第六實施例的過程流程圖和示意圖；
圖7是說明本公開的氫液化過程和系統的第七實施例的過程流程圖和示意圖；
圖8是說明本公開的氫液化過程和系統的第八實施例的過程流程圖和示意圖；
圖9是說明本公開的氫液化過程和系統的第九實施例的過程流程圖和示意圖；
圖10是說明本公開的氫液化過程和系統的第十實施例的過程流程圖和示意圖；
圖11是說明本公開的氫液化過程和系統的第十一實施例的過程流程圖和示意圖。
10:液化氫氣進給流
12:主冷卻回路
14:預冷卻回路
16:暖熱交換器
18:冷卻流
22、24:吸附容器
26:催化劑容器
28、58、62、78:氫流
30a、30b:冷卻通道
32:冷熱交換器
34:液態氫流
36、128、138、144:膨脹裝置
38:混合相流
42:分離裝置
44、66:液體流
46、108:蒸汽流
52:氫製冷劑氣體流
56a、56b、56c:暖膨脹器
64a、64b:冷膨脹器
82a、82b、82c、82d、94a、94b、94c:壓縮機
84a、84b、84c、84、96a、96b、96c:後冷卻器
70a、70b:第一主製冷通道
72a、72b:第二主製冷通道
74、76:氫製冷劑流
98a、98b、98c:抽吸分離裝置
92、102、106、118、126:MR流
104:高壓分離裝置
112:高壓蒸汽冷卻通道
116:冷蒸汽分離器
114:冷分離器進給流
118:冷分離器MR蒸汽流
122:冷分離器MR液體流
124:冷分離器蒸汽冷卻通道
132:冷溫度MR流
134:預冷卻製冷通道
136:冷分離器液體冷卻通道
142:高壓液體冷卻通道
146:中溫流

Claims (25)

  1. 一種用於液化氫氣進給流的系統，包括： a. 熱交換器系統，其具有構造成接收氫氣進給流的進給氣體入口、產品出口、與進給氣體入口和產品出口流體連通的冷卻通道、主製冷劑進給通道、主製冷通道、預冷卻製冷通道、高壓蒸汽冷卻通道、冷分離器蒸汽冷卻通道、冷分離器液體冷卻通道和高壓液體冷卻通道； b. 主製冷劑壓縮系統，其構造為將經調節的主製冷劑引導至主製冷劑進給通道； c. 與主製冷劑進給通道流體連通的暖膨脹器，所述暖膨脹器具有與主製冷劑壓縮系統流體連通的暖膨脹器出口； d. 與主製冷劑進給通道流體連通的冷膨脹器，所述冷膨脹器具有與主製冷通道流體連通的冷膨脹器出口； e. 所述冷卻通道構造成使得其中的氫通過與主製冷通道中的主製冷劑進行逆流熱交換而被冷卻和液化； f. 所述主製冷劑壓縮系統構造成接收、壓縮和冷卻來自主製冷通道的蒸發的主製冷劑，從而提供經調節的主製冷劑； g. 預冷卻混合製冷劑壓縮系統，其包括預冷卻壓縮機，該預冷卻壓縮機構造成接收和壓縮混合製冷劑流並將壓縮的混合製冷劑流引導至預冷卻後冷卻器，所述預冷卻後冷卻器具有與高壓分離裝置流體連通的後冷卻器出口，該高壓分離裝置具有構造成將混合製冷劑蒸汽引導至高壓蒸汽冷卻通道的混合製冷劑蒸汽出口和構造成將混合製冷劑液體引導至高壓液體冷卻通道的混合製冷劑液體出口； h. 冷蒸汽分離器，其具有構造成接收來自高壓蒸汽冷卻通道的流體的入口，所述冷蒸汽分離器具有構造成將蒸汽引導至冷分離器蒸汽冷卻通道的冷蒸汽分離器蒸汽出口和構造成將液體引導至冷分離器液體冷卻通道的冷蒸汽分離器液體出口； i. 第一膨脹裝置，其構造成接收來自冷分離器蒸汽冷卻通道的流體並使其膨脹，並將膨脹的流體引導至預冷卻製冷劑通道； j. 所述高壓液體冷卻通道和所述冷分離器液體冷卻通道各自與預冷卻製冷通道流體連通； k. 所述冷卻通道構造成使得其中的氫通過與預冷卻製冷通道中的預冷卻混合製冷劑的逆流熱交換而被冷卻。
  2. 根據請求項1所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括暖熱交換器和冷熱交換器。
  3. 根據請求項2所述的系統，其中，流過所述暖熱交換器的流高於約80 K，流過所述冷熱交換器的流低於約80K。
  4. 根據請求項2所述的系統，其中，所述預冷卻製冷通道僅形成在所述暖熱交換器中，並且第一和第二主製冷通道形成在所述冷熱交換器和暖熱交換器中。
  5. 根據請求項1所述的系統，其中，所述主製冷劑選自由氫、氦以及氫和氦的混合物構成的組，並且所述預冷卻製冷劑是混合製冷劑。
  6. 根據請求項5所述的系統，其中，所述混合製冷劑包括氮、甲烷、乙烯、丙烷和正丁烷。
  7. 根據請求項5所述的系統，其中，所述混合製冷劑包括選自由氫、氮、甲烷、乙烯、乙烷、丙烷、包括異丁烷或正丁烷的丁烷混合物、戊烷以及氖和氦的混合物構成的組的組分。
  8. 根據請求項1所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括第一主製冷通道，並且所述主製冷通道是第二主製冷通道，並且所述暖膨脹器構造為接收來自所述主製冷劑進給通道的主製冷劑的第一部分，並且將主製冷劑的膨脹的第一部分引導至第一主製冷通道，並且所述冷膨脹器構造為接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第二部分，並且將主製冷劑的膨脹的第二部分引導至第二主製冷通道。
  9. 根據請求項8所述的系統，其中，所述主製冷劑壓縮系統包括構造成接收來自所述熱交換器系統的第二主製冷通道的蒸汽流的第一壓縮機、構造成接收來自第一壓縮機的流體的第一後冷卻器、構造成接收來自第一後冷卻器的流體的第二壓縮機和構造成接收來自第二壓縮機的流體的第二後冷卻器，所述第二後冷卻器與熱交換器系統的主製冷劑進給通道流體連通，並且其中第二壓縮機構造成接收來自熱交換器系統的第一主製冷通道的蒸汽流。
  10. 根據請求項8所述的系統，其中，所述主壓縮系統構造為在第一壓縮級之前合併來自所述第一和第二主製冷通道的蒸發的主製冷劑流。
  11. 根據請求項8所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括暖熱交換器和冷熱交換器，並且其中，所述第一和第二主製冷通道僅穿過冷熱交換器，離開冷熱交換器並將蒸汽引導至主製冷劑壓縮系統，並且其中，所述預冷卻製冷通道僅穿過暖熱交換器。
  12. 根據請求項8所述的系統，其中，所述暖膨脹器和冷膨脹器是為調節壓縮機提供動力的渦輪機，所述調節壓縮機構造為接收和壓縮來自所述第二主製冷通道的主製冷劑蒸汽流，並將壓縮的蒸汽引導至主製冷劑壓縮系統。
  13. 根據請求項1所述的系統，還包括在所述熱交換器系統的冷卻通道中的催化劑，使得當氫在冷卻通道中被冷卻和/或液化時完成氫從正態到對位態的轉化。
  14. 根據請求項1所述的系統，還包括一系列暖膨脹器，包括與所述主製冷劑進給通道流體連通的暖膨脹器，所述一系列暖膨脹器與主製冷劑壓縮系統流體連通，以及一系列冷膨脹器，包括與主製冷劑進給通道流體連通的冷膨脹器，所述一系列冷膨脹器與主製冷通道流體連通。
  15. 根據請求項14所述的系統，其中，所述一系列暖膨脹器和一系列冷膨脹器包括渦輪機。
  16. 根據請求項1所述的系統，還包括： l. 第二膨脹裝置，其構造為接收來自所述高壓液體冷卻通道的流體並使其膨脹，第二膨脹裝置與所述預冷卻製冷通道流體連通； m. 第三膨脹裝置，其構造為接收和膨脹來自所述冷分離器液體冷卻通道的流體，第三膨脹裝置與預冷卻製冷通道流體連通。
  17. 根據請求項1所述的系統，其中，所述暖膨脹器構造為從所述主製冷劑進給通道接收主製冷劑的第一部分，並且所述暖膨脹器和冷膨脹器是為壓縮機提供動力的渦輪機，並且還包括： l. 所述熱交換器系統內的中間冷卻通道，其構造成接收和冷卻來自暖膨脹器的流體並將流體引導至冷膨脹器，其中，所述冷膨脹器出口構造成將主製冷劑的膨脹的第一部分引導至主製冷通道； m. 第四膨脹裝置，其構造為接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第二部分，並將主製冷劑的膨脹的第二部分引導至熱交換器系統。
  18. 根據請求項17所述的系統，還包括： n. 補充冷膨脹裝置，其構造為將流體引導至主製冷通道； o. 熱交換器系統內的補充中間冷卻通道，其構造為接收和冷卻來自冷膨脹器的流體，並將流體引導至補充冷膨脹裝置。
  19. 根據請求項1所述的系統，其中，所述暖膨脹器是第一暖膨脹器，其構造成接收來自所述主製冷劑進給通道的主製冷劑的第一部分，並且還包括： l. 第二暖膨脹器，其構造為接收來自第一暖膨脹器的流體的第一部分，並且將流體引導至主製冷通道； m. 所述熱交換器系統內的中間冷卻通道，其構造成接收和冷卻來自暖膨脹器的流體的第二部分，並將流體引導至冷膨脹器； n. 第四膨脹裝置，其構造為接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第二部分，並且將主製冷劑的膨脹的第二部分引導至熱交換器系統。
  20. 根據請求項1所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括第一主製冷通道，並且所述主製冷通道是第二主製冷通道，所述暖膨脹器構造為接收來自所述主製冷劑進給通道的主製冷劑的第一部分，並且將流體引導至第一主製冷通道，並且所述冷膨脹器是第一冷膨脹器，並且還包括： l. 第二冷膨脹器，其構造為將流體引導至第二主製冷通道； m. 熱交換器系統內的中間冷卻通道，其構造成接收和冷卻來自第一冷膨脹器的流體，並且將流體引導至第二冷膨脹器； n. 第四膨脹裝置，其構造為接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第三部分，並且將主製冷劑的膨脹的第三部分引導至熱交換器系統。
  21. 根據請求項1所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括第一主製冷通道，並且所述主製冷通道是第二主製冷通道，並且所述暖膨脹器構造為從所述主製冷劑進給通道接收主製冷劑的第一部分，並且還包括： l. 中間膨脹器，其構造為從主製冷劑進給通道接收主製冷劑的第二部分，並且將主製冷劑的膨脹的第二部分引導至第一主製冷通道； m. 熱交換器系統內的中間冷卻通道，其構造成接收和冷卻來自暖膨脹器的流體並將流體引導至冷膨脹器，其中，所述冷膨脹器出口構造成將主製冷劑的膨脹的第一部分引導至第二主製冷通道； n. 第四膨脹裝置，其構造為接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第三部分，並且將主製冷劑的膨脹的第三部分引導至熱交換器系統。
  22. 根據請求項1所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括第一主製冷通道，並且所述主製冷通道是第二主製冷通道，所述暖膨脹器是構造為從所述主製冷劑進給通道接收主製冷劑的第一部分的第一暖膨脹器，並且所述冷膨脹器構造為從主製冷劑進給通道接收主製冷劑的第二部分，並且將主製冷劑的膨脹的第二部分引導至第一主製冷通道，並且還包括： l. 第二暖膨脹器，其構造為將流體引導至第一主製冷通道； m. 熱交換器系統內的中間冷卻通道，其構造成接收和冷卻來自第一暖膨脹器的流體，並且將流體引導至第二暖膨脹器； n. 第四膨脹裝置，其構造為接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第三部分，並且將主製冷劑的膨脹的第三部分引導至熱交換器系統。
  23. 根據請求項1所述的系統，其中，所述熱交換器系統包括暖熱交換器和冷熱交換器，並且其中，所述熱交換器系統包括僅在冷熱交換器中的第一主製冷通道，並且所述主製冷通道是僅在冷熱交換器中的第二主製冷通道，並且所述暖膨脹器構造為從所述主製冷劑進給通道接收主製冷劑的第一部分並且將主製冷劑的膨脹的第一部分引導到第一主製冷通道，並且冷膨脹器構造成接收和膨脹已經在主製冷劑進給通道中被進一步冷卻的主製冷劑的第二部分，並且將主製冷劑的膨脹的第二部分引導到第二主製冷通道，並且其中，所述主製冷劑壓縮系統構造成接收、冷壓縮和冷卻來自第一和第二主製冷通道的蒸發的主製冷劑，從而提供經調節的主製冷劑。
  24. 一種用於液化氫氣進給流的方法，包括以下步驟： a. 通過以下使用混合製冷劑預冷卻氫氣進給流： i) 壓縮和冷卻混合製冷劑流以形成高壓混合製冷劑流； ii) 分離高壓混合製冷劑流以形成高壓混合製冷劑蒸汽流和高壓混合製冷劑液體流； iii) 在熱交換器中冷卻高壓混合製冷劑蒸汽流，以形成混合相流； iv) 用冷蒸汽分離器分離混合相流，以形成冷分離器蒸汽流和冷分離器液體流； v) 冷凝冷分離器蒸汽流並閃蒸，以形成冷溫製冷劑流； vi) 在熱交換器中冷卻高壓混合製冷劑液體流，以形成冷卻的高壓混合製冷劑液體流； vii) 冷卻冷分離器液體流以形成冷卻的冷分離器液體流，並將冷卻的冷分離器液體流與冷卻的高壓混合製冷劑液體流合併，以形成中溫製冷劑流； viii) 合併中溫製冷劑流和冷溫製冷劑流以形成合併的預冷製冷劑流； ix) 使氫氣進給流與合併的預冷卻製冷劑流在熱交換器中熱接觸，以形成預冷卻的氫氣進給流； b. 通過以下使用主製冷劑液化預冷卻的氫氣進給流： i) 壓縮和冷卻第一蒸發的主製冷劑和第二蒸發的主製冷劑，以形成高壓主製冷劑； ii) 在暖膨脹器中膨脹高壓主製冷劑，以形成第一膨脹的主製冷劑； iii) 在冷膨脹器中膨脹高壓主製冷劑，以形成第二膨脹的主製冷劑； iv) 使預冷卻的氫氣進給流與第一和第二膨脹的製冷劑熱接觸，以形成第一和第二蒸發的主製冷劑和液化氫氣流。
  25. 根據請求項 24所述的方法，其中，所述主製冷劑選自由氫、氦以及氫和氦的混合物構成的組。
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