液化永久气体的方法技术

永久气体流液化法，包含如下各步骤：于升压下降低永久气体流温度至低于其临界温度，并进行至少两次工作流体循环以提供将永久气体温度降至低于其临界温度所需之至少部分冷冻，其中在至少一次工作流体循环中，经功膨胀之工作流体带至在低于永久气体临界温度之温度下，与永久气体流呈逆流热交换关系，而在该次循环或各该循环中，当功膨胀完成时工作流体压力至少为１０大气压．（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术有关冷冻法及装置，尤其有关永久气体，如氮或甲烷之液化。永久气体之性质为无法仅藉升压而液化，须将气体(在加压下)冷却达气体可与其液态平衡存在之温度方可。液化永久气体或冷却至或低于临界点之习知方法典型地需将气体压缩(除非已以合宜升压，通常超过30大气压而供应)并于一个或一个以上热交换器中对著至少一道相当低压工作流体流而行热交换。至少有些工作流体系以低于永气体临界温度之温度而供应;至少部份工作流体流或各流典型地系由压缩工作流体而形成者，于前述热交换器中冷却，继以执行外功而膨胀之(“功膨胀”)。工作流体本身可取自高压永久气体流，或者，永久气体可与可与工作流体保持分开虽言如此，后者组成可与永久气体相同。典型上，液化之永久气体贮于或用于实质较供等压冷却至低于其临界温度之压力为低之压力下;如此，此等压冷却完成后，在低于其临界温度下之永久气体通经膨胀或节流阀而使其所置身其中之压力实质减低，产生实质体积之所谓“闪蒸气体”。膨胀实质为等焓的，造成液体温度降低。一般进行一两次此种膨胀以产生在贮藏压力下与其气相平衡之液化永久气体。概括言之，液化永久气体之商用方法其热力学效率相当低，尚待改进。技艺界大大强调藉改进制程中热交换效率而改善制程之总效率;因此，技艺界先前提议皆以尽量减少永久气体流与行热交换之工作流体流间之温度差异为重心。唯本专利技术有关用以冷冻永久气体流之次临界温度工作流体循环之改进。依据本专利技术提供永久气体液化法，包含如下各步骤于升压下降低永久气体流温度至低于其临界温度，并进行至少两次工作流体循环以提供将永久气体温度降至低于其临界温度所需之至少部份冷冻;各次此工作流体循环包含压缩工作流体，冷却之，功膨胀经冷却之工作流体，在与永久气体流及与待冷却之工作流体行逆流热交换中温热经功膨胀之工作流体，因而对永久气体流提供冷冻;其中在至少一次工作流体循环中，经功膨胀之工作流体带至在低于永久气体临界温度下，与永久气体流呈逆流热交换关系;而在该次循环或各该循环中，当功膨胀完成时工作流体压力至少为10大气压。较好，所述压力系在12至20大气压范围。工作流体循环中，采用膨胀叶轮机以执行工作流体之功膨胀，至少10大气压之压力为膨胀叶输机之出口压力;如此出口压远较习用于可比拟液化法中者为高。藉采用至少十大气压之出口压，可提高与永久气体流呈热交换关系之工作流体比热，可以提高次临界温度工作流体循环之热力学效率，因而降低其比动力消耗。较好，若膨胀叶轮机之出口压系在12至20大气压范围，则一俟功膨胀完成，工作流体系在其饱和温度或在较其饱和温度为高2K之温度。在或接近饱和温度时，工作流体之比热随温度之下降，相当快速升高。吾人偏好令工作流体功膨胀至其饱和温度(或接近之)，就采用至少十大气压膨胀叶轮机出口压所得热力效率增高而言，即可优异地为全然饱和蒸气或湿润。在次临界温度工作流体循环中，采用至少十大气压之膨胀叶轮机出口压范围其结果为循环所造成之冷冻及如此加诸其上之冷冻负荷皆有限。如此，典型地须取相当高温(如对氮而言，在107至117K范围，较好约110K)之永久气体流供膨胀(亦即压力减低)至藏压压力(如1大气压级位之压力)。习知地，液化永久气体流膨胀至贮藏压力系藉永久气体流通经一或二膨胀而等焓地进行;咸信此乃一种相当无效率的膨胀方法，消耗相当量不可逆功;且若采行此种方式，则由本专利技术所得动力消耗方面之大半(即令非全部)效益将漏失。然而，吾人咸便可能以较一或二等焓膨胀为更有效率地膨胀至贮藏压;举例言之，在升压及低于永久气体流可进行至少三次依序等焓膨胀，在各等膨胀所得液体(未次者除外)系恰在下一次等焓膨胀的流体，且至少部份(典型地全部)该闪蒸气体与该永久气体流行热交换。典型上，在适温与永久气体流之热交换关系后，闪蒸气体以喂进供液化用之永久气体重行压缩;除一次或多次闪蒸分离阶段外，流体可利用一或多个膨胀叶轮机而降低压力。吾人偏好将至少部份，较好全部该闪蒸气体与该永久气体流在永久气体流温度(较功膨胀工作流体与该永久气体流呈热交换关系时之温度为低)下，呈热交换关系。在一典型例中，咸信吾人可将永久气体流温度降低约3K，此意味著取供膨胀用之永久气体流温度可较其它情况下所需为高3K，藉此加大如下各范围提升在该次临界工作流体循环中之膨胀叶轮机出口压超过12大气压，因而提升进入与该永久气体流呈热交换关系之工作流体的比热。以氮永久气体流为例，在置于前述依序等焓膨胀前，偏好将氮温降至107-117K;如此，闪蒸气体可供永久气体流由在或近周温冷却至107-117K温度。110K温度可用于广泛范围之永久气体流压力。典型上，次临界温度工作流体循环中，功膨胀工作流体供将永久气体流由在或近周温冷却至110-118K范围之温度。若永久气体为，例如每日至少产制数百吨氧之低温空气分离厂所产生之氮流，则闪蒸气体典型产率为约产物液态氮生成速率之一半左右，而氮流可于该110K温度取供该等焓膨胀，在使用离心压缩机的小厂及在膨胀叶轮机出口温接近工作流体之临界温度下，则典型地嗜用高速闪蒸气体生成速率(如高达产物液体生成率之100%)以增加循环气体体积与保持循环压缩机效率。若叶轮机出口温确实接近临界温度，则一般不可能将出口温保持在饱和温度2K以内，除非亦采格外高之出口压(亦即以氮作工作流体为例，超过20大气压)。若有所需，两个或多个功膨胀阶段可用于工作流体循环;例如，在高于永久气体流临界温度下操作之工作流体循环中，介于冷却与温热阶段间之工作流体可经功膨胀至中等压力，部份重行加热及功膨胀至低压，但典型地如第一次功膨胀所产生之相等温度。较好，至少提供一工作流体循环，其中工作流体在高于气体流临界温度下，带至与永久气体流呈热交换关系。使用此种工作流体循环亦有助于减少次临界温度工作流体循环之冷冻负荷。典型地，在此种工作流体循环中，功膨胀工作流体供将永久气体流由在或近周温冷却至135-180K范围之温度。典型地，永久气体流亦藉与至少一道冷冻剂流行热交换而冷却;所述冷冻剂流在高于功膨胀工作流体与永久气体流之温度下，带至与永久气体流呈逆流热交换关系。以氮之液化为例，吾人偏好利用所述冷冻剂流供将永久气体流由周温冷却至约210K;如此之优点为可减少在高温功膨胀阶段之冷冻负荷，因而得较其它可能为更有效地操作。典型冷冻剂为“氟利昂(Frcon)”或冷冻所用此等非永久气体典型工作流体为永久气体，为便利起见，通常取自待液化气体，亦可重行归并供应压缩。一般言之，需在永久气体流与工作流体之温度-焓曲线间保持密切吻合关系，以在高于临界温度-永久气体比热变化率为最大时一之温度温度范围尤为然(如对45大气压氮而言，约135至180K间)。功膨胀工作流体带至与永久气体流呈逆流热交换关系时之精确温度，及所用工作流体循环数可经选择而提供此种吻合关系。在液化以45大气压或以下之压力供应之永久气体时，欲达此目的，嗜用三次工作流体循环;藉采行三循环，可将次临界温度循环之冷冻负荷保持在一位準，有助于将次临界温度工作循环中之叶轮机出口压固定在至少10大气压位準。以在45大气压液化氮为例;较好采用一个次临界温度或“冷”工作流体循环，膨胀叶轮机出口压约16大气压及出口温约112K;一个居中工作流体循环，有二膨胀叶轮机出口温皆约为136K;及一个“温本文档来自技高网...

【技术保护点】
永久气体流之液化方法，包含如下各步骤：于升压下降低永久气体流温度至低于其临界温度，并进行至少两次工作流体循环以提供将永久气体温度降至低于其临界温度所需之至少部分冷冻；各次此工作流体循环包含：压缩工作流体，冷却之，功膨胀经冷却之工作流体，在与永久气体流及与待冷却之工作流体行逆流热交换中温热经功膨胀之工作流体，因而对永久气体流提供冷冻；其中在至少一次工作流体循环中，经功膨胀之工作流体带至，在低于永久气体临界温度之温度下，与永久气体流呈逆流热交关系；而在该次循环或各该循环中，当功膨胀完成时工作流体压力至少为１０大气压。

【技术特征摘要】
1.永久气体流之液化方法，包含如下各步骤于升压下降低永久气体流温度至低于其临界温度，并进行至少两次工作流体循环以提供将永久气体温度降至低于其临界温度所需之至少部分冷冻；各次此工作流体循环包含压缩工作流体，冷却之，功膨胀经冷却之工作流体，在与永久气体流及与待冷却之工作流体行逆流热交换中温热经功膨胀之工作流体，因而对永久气体流提供冷冻；其中在至少一次工作流体循环中，经功膨胀之工作流体带至，在低于永久气体临界温度之温度下，与永久气体流呈逆流热交关系；而在该次循环或各该循环中，当功膨胀完成时工作流体压力至少为10大气压。2.根据上述请求专利部份第1项之方法，其中所述压力系在12至20大气压之范围内。3.根据上述请求专利部份第2项之方法，其中所述工作流体完成其功膨胀时之温度系在该压力之饱和温度或较该饱和温度为高不超过2K之温度。4.根据上述请求专利部份第1或2项之方法，其中在低于其临界温度下之永之气体流进行至少三次依序等焓膨胀，在各等膨胀后，所得闪蒸气体自结果所形成之液体中分开;各等焓膨胀所得液体(末次者除外)系恰在下一次等焓膨胀中膨胀的流体，且至少部份该闪蒸气体与该永久气体流行热交换。5.根据上述请求专利部份第3项之方法，其中执行三，四或五次依序等焓膨胀。6.根据上述请求专利部份第3或4项之方法，其中至少部份该闪蒸气体与该永久气体流温度(较功膨胀工作流体与该永久气体流呈热交换关系时之温度为低)下，呈热交换关系。7.根据上述请求专利部份第3-5项中任一项之方法，其中该第一等焓膨胀系在107至...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰马歇尔，约翰道格拉斯奥凯，
申请(专利权)人：英国氧气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]