[發明專利]一種混合工質雙循環的低溫液化系統

有效

• 申請號: 201010218055.1
• 申請日: 2010-06-24
• 公開（公告）號: CN101893344A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: 公茂瓊;吳劍峰;董學強
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: F25B7/00
• 分類號: F25B7/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 高宇;楊小蓉

技術領域

本發明涉及一種低溫液化系統，尤其涉及一種混合工質雙循環的低溫液化系統。

背景技術

采用回熱措施的深冷混合工質制冷技術自20世紀70年代以來已經被廣泛應用于天然氣的液化，成為液化天然氣(LNG)領域的主導技術。由于回熱措施和采用不同沸點組元組成的多元混合工質，系統效率提高，并且可以采用單級油潤滑油壓縮機驅動實現低溫制冷。因此該制冷技術發展迅速，已經可以用于小型撬裝LNG液化裝置技術上面，并大大降低了系統成本并提高了可靠性。但是由于液化天然氣/煤層氣的特殊性，通常要求液化裝置中電機等電力設備和器件進行防爆處置，這大大增加了裝置的成本。另外，深冷混合工質制冷技術也可以用于空氣液化分離當中，但是其中混合制冷劑通常含有碳氫類可燃組分，在應用與空氣液化分離時，一旦發生制冷劑泄漏，其中碳氫化合物和液空(液氧)接觸，將會劇烈反應，帶來嚴重安全問題。因此，含可燃成分的多元混合制冷技術直接用于低溫空氣液化分離系統存在嚴重安全隱患。

另一個方面，驅動其他流體實現制冷系統與被冷卻對象進行冷量傳遞的載冷技術已經獲得廣泛應用。傳統載冷循環是使載冷劑先在蒸發器中冷卻降溫，再被泵送到被冷卻對象處，只存在冷量輸送作用，而載冷劑自身無制冷效果。載冷技術經常應用在中央空調和工業制冷領域，低溫下較少應用。

再一個方面，采取雙混合工質制冷循環用于天然氣液化的系統也已經有報道，其中發明專利CN?1330760A(國際申請號PCT/US99/30253)，提供了一種雙混合工質制冷天然氣液化循環，其技術關鍵在于液化循環系統由一個含低沸點較多的低溫級混合工質制冷循環和另一個由高沸點混合工質組元組成的高溫級混合工質制冷循環組成，原料氣和低溫級混合工質系統均有高溫級混合工質制冷系統預冷至某一溫度，然后由低溫級制冷系統繼續提供冷量液化和過冷LNG。其技術核心與丙烷預冷的混合制冷劑流程一致，只不過采用了高沸點組元組成的混合制冷劑預冷代替了丙烷制冷系統。類似的技術方案還可以見美國專利US6269655。上述系統的相同之處在于：預冷和主冷兩個循環系統在一個多股流換熱器內實現冷量的傳遞，其系統非常復雜，例如第一個主換熱器是個5股流換熱器，具體包括主冷循環的高低壓2股流體和預冷循環的高低壓2股流體外加原料氣一股流體，造成系統相當復雜。

還有一個方面，采用兩套完整的制冷系統使其中一個制冷系統冷卻另一制冷系統形成復疊制冷來實現較低溫度的制冷也已經是非常成熟的技術。例如在制取-80℃溫區時經常采用兩個單級蒸汽壓縮制冷系統實現，其中高溫級采用R404A將低溫級預冷至-35℃左右，而低溫級采用R508B或者是R23等制冷劑實現-80℃溫區制冷要求。具體結構可以參見相關教科書或者ASHARE?2002Handbook，第39章有關復疊系統的介紹。實際上有關復疊系統也可以由兩個低溫混合工質制冷系統耦合在一起構成，例如發明專利CN?1330760A，其實質就是兩個帶回熱換熱器的混合工質節流制冷系統復疊在一起。

類似的循環結構還可以見專利申請200580006317.5(公開號：CN?101120218A)所示，其結構可以參見圖1所示，其總體循環是復疊配置的，其中較高溫度級的制冷系統116通過兩股流換熱器108實現對低溫級系統118的預冷。按照其圖中所示技術方案兩股流換熱器108為順流式換熱器，通過節流閥106節流減壓的制冷劑溫度處于制冷系統116中最低點，進入兩股流換熱器108中實現對低溫級系統118處于環境溫度的制冷劑的冷卻，然后溫度上升，再進入可選的換熱器122內對自身節流前的制冷劑進行預冷而自身溫度進一步上升。在換熱器122內部的熱力過程可稱為回熱換熱(recuperation)，回熱換熱原理是低溫混合制冷劑節流制冷機實現高效工作的基本熱力學原理(低溫技術熱力學基礎，機械工業出版社，1988年)。按照其說明書(說明書第13頁)中的闡述，在制冷系統116當中，換熱器122是可選擇的部件；同時根據其權利要求及說明書中的闡述，制冷系統116和制冷系統118必需有一個是采取自動復疊循環結構，根據自動復疊制冷原理，其中必需包含回熱換熱器組件(其中還應包括汽液分離器，例如CN?101120218A申請書中給出的圖4所述的結構)，在制冷系統116中換熱器122是可選的情況下，則制冷系統118中的回熱換熱器124是必需的。