[發明專利]生產液化氫的方法

在審

• 申請號: 202180074434.4
• 申請日: 2021-10-13
• 公開（公告）號: CN116507870A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 杰弗里·弗雷德里克·斯金納
• 申請（專利權）人: 蓋斯康薩特有限公司
• 主分類號: F25J1/00
• 分類號: F25J1/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 孟媛;陳鑫

用于液化氫氣的工藝包括：通過與在設置有高溫膨脹器和低溫膨脹器的制冷回路中循環的制冷劑進行熱交換，將氫氣冷卻至中間溫度，來自低溫膨脹器的出口流含有一些冷凝制冷劑；提供從循環制冷劑中分離冷凝物的裝置；通過與冷凝物的蒸發和再加熱進行熱交換來進一步冷卻氫氣。制冷回路中的流體通常是甲烷(諸如去除二氧化碳、水蒸氣和其他雜質后的天然氣)、氮，或其混合物。

技術領域

本發明涉及一種用于液化氫氣的方法，特別是一種在液化之前將待液化的氫冷卻至中間溫度的方法。

背景技術

液化氫是含碳燃料的潛在替代品。除了目前在太空應用中的用途外，未來還需要大量的液態氫作為航空和航運的燃料。隨著氫作為燃料的使用增加，對以液體形式的氫的大規模儲存和運輸的需求將會發展。

現有的和提出的氫液化工藝主要包括：

-通過與蒸發流體(“第一制冷劑”)的熱交換將進入的氫冷卻(在下文中稱為“預冷卻”)至中間溫度(在下文中稱為“中間溫度”)的第一步驟；最廣泛建議的第一制冷劑流體是液態氮和液態甲烷(LNG)，并且還建議混合制冷劑，以及

-通過部分預冷卻氫或第二制冷劑(諸如氦)的功膨脹進一步冷卻和液化預冷卻氫的第二步驟。

盡管不進行任何預冷卻并且僅包括前述第二步驟(通過氫或第二制冷劑的膨脹的制冷)的氫液化工藝是可行的并且可能已經實踐過，但由于兩個因素：(a)整個液化工藝的總壓縮功率的降低，以及(b)由于第二制冷劑系統的循環速率和壓縮功率的降低而導致的可感知的較低的投資和生產成本，因此優選地是加入預冷卻的第一步驟。

關于因素(b)，在第一預冷卻步驟的出口處使用氫的最低實際溫度(通常使用液態氮作為第一制冷劑時未為-190℃左右)將使所需的循環速率最小化，從而使第二步驟中的制冷劑的壓縮功率最小化。然而，當考慮到預冷卻系統的壓縮功率需求時，最低實際預冷卻溫度不一定會導致整個液化工藝的最低總壓縮功率。

發明內容

本發明的主要方面涉及氫的液化，并且公開了將待液化的氫流預冷卻至通常介于-150℃至-200℃之間的中間溫度的改進方法。

壓力在本申請中以“巴”表示，這些壓力是巴的絕對值。

所公開的預冷卻裝置是包含流體(諸如但不限于甲烷或氮或其混合物)的封閉循環，該封閉循環包括：

-高溫氣體膨脹器機器，該高溫氣體膨脹器機器具有氣體出口流；

-低溫氣體膨脹器機器，該低溫氣體膨脹器機器具有部分液化的出口流；

-從低溫氣體膨脹器機器的出口流中分離液體；

-將分離的液體減壓至接近大氣壓力；

-從接近環境溫度連續冷卻進料氫(以及第二制冷劑，如果使用的話)，首先通過與來自所述高溫氣體膨脹器的出口流進行熱交換；其次通過在液體分離后與來自所述低溫氣體膨脹器的出口流進行熱交換；最后通過與減壓的所述液態制冷劑的蒸發進行熱交換而達到-150℃至-200℃的典型中間溫度；

-將得到的低壓制冷劑流進行再壓縮。

上述預冷卻循環的布置，特別是在低溫氣體膨脹器中形成液體，隨后將液體從低溫氣體膨脹器出口流中分離類似于GB2486036中描述的用于甲烷液化(LNG生產)的工藝。雖然在該參考情況下，在低溫氣體膨脹器中形成的液體貢獻了該工藝的總液體(LNG)輸出的一部分，但在該申請中，液體被減壓，然后通過熱交換器與待液化的氫一起蒸發，以在氫液化過程中將氫冷卻到通常為-150℃至-200℃的中間溫度。

本發明包括在高溫氣體膨脹器機器中使用甲烷作為制冷劑，而在低溫氣體膨脹器機器中使用氮作為制冷劑。