[其他]氣體冷凍方法與裝置

無效

• 申請號: 85106303
• 申請日: 1985-08-22
• 公開（公告）號: CN85106303A
• 公開（公告）日: 1987-02-18
• 發明（設計）人: 約翰·馬歇爾;約翰·道格拉斯·奧凱
• 申請（專利權）人: 英商BOC集團公司
• 主分類號: F25J3/00
• 分類號: F25J3/00
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 劉元金,羅宏

本發明有關冷凍法及裝置，尤其有關永久氣體，如氮或甲烷之液化。

永久氣體之性質為無法僅藉升壓而液化，須將氣體（在加壓下）冷卻達氣體可與其液態平衡存在之溫度方可。

液化永久氣體或冷卻至或低于臨界點之習知方法典型地需將氣體壓縮（除非已以合宜升壓，通常超過30大氣壓而供應）并于一個或一個以上熱交換器中對著至少一道相當低壓工作流體流而行熱交換。至少有些工作流體系以低于永氣體臨界溫度之溫度而供應;至少部份工作流體流或各流典型地系由壓縮工作流體而形成者，于前述熱交換器中冷卻，繼以執行外功而膨脹之（“功膨脹”）。工作流體本身可取自高壓永久氣體流，或者，永久氣體可與可與工作流體保持分開雖言如此，后者組成可與永久氣體相同。

典型上，液化之永久氣體貯于或用于實質較供等壓冷卻至低于其臨界溫度之壓力為低之壓力下;如此，此等壓冷卻完成后，在低于其臨界溫度下之永久氣體通經膨脹或節流閥而使其所置身其中之壓力實質減低，產生實質體積之所謂“閃蒸氣體”。膨脹實質為等焓的，造成液體溫度降低。一般進行一兩次此種膨脹以產生在貯藏壓力下與其氣相平衡之液化永久氣體。

概括言之，液化永久氣體之商用方法其熱力學效率相當低，尚待改進。技藝界大大強調藉改進制程中熱交換效率而改善制程之總效率;因此，技藝界先前提議皆以盡量減少永久氣體流與行熱交換之工作流體流間之溫度差異為重心。

唯本發明有關用以冷凍永久氣體流之次臨界溫度工作流體循環之改進。

依據本發明提供永久氣體液化法，包含如下各步驟：于升壓下降低永久氣體流溫度至低于其臨界溫度，并進行至少兩次工作流體循環以提供將永久氣體溫度降至低于其臨界溫度所需之至少部份冷凍;各次此工作流體循環包含：壓縮工作流體，冷卻之，功膨脹經冷卻之工作流體，在與永久氣體流及與待冷卻之工作流體行逆流熱交換中溫熱經功膨脹之工作流體，因而對永久氣體流提供冷凍;其中在至少一次工作流體循環中，經功膨脹之工作流體帶至在低于永久氣體臨界溫度下，與永久氣體流呈逆流熱交換關系;而在該次循環或各該循環中，當功膨脹完成時工作流體壓力至少為10大氣壓。

較好，所述壓力系在12至20大氣壓范圍。工作流體循環中，采用膨脹葉輪機以執行工作流體之功膨脹，至少10大氣壓之壓力為膨脹葉輸機之出口壓力;如此出口壓遠較習用于可比擬液化法中者為高。藉采用至少十大氣壓之出口壓，可提高與永久氣體流呈熱交換關系之工作流體比熱，可以提高次臨界溫度工作流體循環之熱力學效率，因而降低其比動力消耗。

較好，若膨脹葉輪機之出口壓系在12至20大氣壓范圍，則一俟功膨脹完成，工作流體系在其飽和溫度或在較其飽和溫度為高2K之溫度。在或接近飽和溫度時，工作流體之比熱隨溫度之下降，相當快速升高。吾人偏好令工作流體功膨脹至其飽和溫度（或接近之），就采用至少十大氣壓膨脹葉輪機出口壓所得熱力效率增高而言，即可優異地為全然飽和蒸氣或濕潤。

在次臨界溫度工作流體循環中，采用至少十大氣壓之膨脹葉輪機出口壓范圍其結果為：循環所造成之冷凍及如此加諸其上之冷凍負荷皆有限。如此，典型地須取相當高溫（如對氮而言，在107至117K范圍，較好約110K）之永久氣體流供膨脹（亦即壓力減低）至藏壓壓力（如1大氣壓級位之壓力）。習知地，液化永久氣體流膨脹至貯藏壓力系藉永久氣體流通經一或二膨脹而等焓地進行;咸信此乃一種相當無效率的膨脹方法，消耗相當量不可逆功;且若采行此種方式，則由本發明所得動力消耗方面之大半（即令非全部）效益將漏失。然而，吾人咸便可能以較一或二等焓膨脹為更有效率地膨脹至貯藏壓;舉例言之，在升壓及低于永久氣體流可進行至少三次依序等焓膨脹，在各等膨脹所得液體（未次者除外）系恰在下一次等焓膨脹的流體，且至少部份（典型地全部）該閃蒸氣體與該永久氣體流行熱交換。典型上，在適溫與永久氣體流之熱交換關系后，閃蒸氣體以喂進供液化用之永久氣體重行壓縮;除一次或多次閃蒸分離階段外，流體可利用一或多個膨脹葉輪機而降低壓力。

吾人偏好將至少部份，較好全部該閃蒸氣體與該永久氣體流在永久氣體流溫度（較功膨脹工作流體與該永久氣體流呈熱交換關系時之溫度為低）下，呈熱交換關系。在一典型例中，咸信吾人可將永久氣體流溫度降低約3K，此意味著取供膨脹用之永久氣體流溫度可較其它情況下所需為高3K，藉此加大如下各范圍：提升在該次臨界工作流體循環中之膨脹葉輪機出口壓超過12大氣壓，因而提升進入與該永久氣體流呈熱交換關系之工作流體的比熱。