专利名称：一种氢液化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢液化工艺。
背景技术：
液氢是一种无色、透明的低温液体，正常沸点是20. 38K，密度约为水的1/14。Im3的 液氢全部气化可生成788Nm3的气体氢。液氢是一种优良的火箭推动剂，同时也是一种优良 的制冷剂，是低温电缆、某些超导元件、红外探测器、低温物理实验所必需的制冷剂；此外， 在提炼纯半导体材料、医药加工和食品加工等工业部门中，可应用液氢作超纯氢的气源；在 高能物理探测基本粒子研究中，用液氢充填的气泡室是一种先进的科学实验装置。氢是一 种理想的清洁能源，燃烧放出大量的热能，且无任何污染，因为氢气燃烧后只会产生水，在 不久的将来，氢将成为飞机、汽车甚至家用燃料；氢还是一种能量转换和能量储存的重要载 体，氢作为燃料或作为能量载体，较好的使用和储存方式之一是液氢。因此液氢的生产是氢 能开发应用的重要环节之一。不论是美国、欧洲、还是日本，对液氢的需求量都是随宇航事业的发展而增加的， 但普遍存在生产成本高，价格也相应很高。目前，由于我国的工业尚欠发达，为数不多的 液氢生产装置相对较小，且普遍存在工艺流程落后、生产设备陈旧，液氢价格异常昂贵的问 题。虽然液氢的生产及应用尚有许多困难，但氢具有其独特的优势，它是最洁净，最理想的 能量载体。随着我国工业的发展和技术进步，氢在许多部门。如航天、航空、运输、电子、冶 金、化工、食品、玻璃，甚至民用燃料部门必将得到广泛采用。由于市场的扩大，液氢的生产 规模必将随之扩大，工艺水平不断提高，因而液氢生产成本会大大降低，从而使我国的液氢 生产及应用走向良性循环。正常氢气是由正氢和仲氢分子组成，所谓“正氢”是指在氢分子内两个氢原子核自 旋方向相同，所谓“仲氢”是指在氢原子内两个氢原子核自旋方向相反。标准液氢是在没有 催化剂的情况下，即会自动发生正一仲氢的转化反应，这种转化反应生成的反应热会导致 液氢的挥发损失，标准液氢在1小时内会由于“正一仲氢”转化反应使液氢蒸发1%，即标准 液氢储存的第一天，在无漏热的条件下，就会蒸发掉18%。因此，在液氢生产过程中，必须重 视“正一仲氢”的转化，采用适当的催化剂可加速转化反应趋向平衡状态，最终使液氢浓度 达到92-99%，转化热应尽可能在较高的温度下释放并排到环境中去。然而，由于氢的临界温度和转化温度低，汽化潜热小，其理论最小液化功在所有气 体当中是最高的，所以生产液氢比较困难。在液化过程中进行正一仲氢催化转化是一个放 热反应，反应温度不同，所放热量不同；使用不同的催化剂，转化效率也不相同。因此，在液 化工艺流程当中使用何种催化剂，如何安排催化剂温度级，对液氢生产和储存是十分重要 的。在液氢温度下，除氦气以外，所有其他气体杂质均已固化，有可能堵塞液化系统管路，尤 其固氧堵塞节流部位，极易引起爆炸，所以，对原料氢必须进行严格纯化。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用液氦和空气分离装置产生的液氮作为制冷工质，由 氦制冷循环提供氢冷凝液化所需的冷量，从而得到液氢的一种工艺，在该工艺中液氦和液 氮在提供冷量复温为氦气和氮气后，经过相应处理能再次成为液氦和液氮进行循环使用。本发明的技术方案是这样实现的一种氢液化工艺，其特征在于包括氮制冷循 环、氦制冷循环和氢制冷循环；
所述氮制冷循环包括以下步骤
a)、空气通过空气分离装置生成液氮；
b)、将所述生成的液氮输入到冷箱内的第二热交换器中，液氮在第二热交换器中提供 冷量后蒸发成为低压、低温的氮气；
C)、所述氮气再通过管道进入第一热交换器中，在第一热交换器内继续提供冷量后排 出冷箱；
d)、所述排出冷箱的氮气通过管道回到空气分离装置的压缩机进口处，被压缩机吸入， 重新经过空气分离装置成为液氮，然后重复步骤a)，形成氮制冷循环过程； 所述氦制冷循环包括以下步骤
a)、氦气储罐内的氦气首先进入冷箱内的第一热交换器中，氦气在经过第一热交换器 后温度被降到95 97K ；
b)、由第一热交换器降温后的氦气再依次通过冷箱中的第二热交换器、低温吸附器和 第三热交换器后，氦气温度被进一步降至50 52K ；
c)、最后氦气再通过透平膨胀机获得低温冷量，从而形成液氦，从膨胀机中出来的液氦 温度降至M 25K，压力为0. 13Mpa ；
d)、所述液氦依次通过第四热交换器、第三热交换器、第二热交换器和第一热交换器为 高压氦气和氢气提供冷量，最后复温为氦气排出冷箱；
e)、由冷箱排出的氦气经过压缩机增压至1.2 1. 3Mpa后，依次经过粗油分离器、水冷 器、残油分离器处理后进入氦气储罐，然后重复步骤a)，形成氦制冷循环过程；
所述氢制冷循环包括以下步骤
a)、经压缩、过滤和净化后压力大于1.IMpa的氢气依次通过第一热交换器和第二热交 换器进行热交换降温处理；
b)、经过了第二热交换器的氢气进入低温纯化器中，经过低温纯化器处理后的氢气再 次进入第二热交换器中，并进入沉浸在第二热交换器中的第一正-仲氢反应器中，氢气在 经过第一正-仲氢反应器处理后，温度降至77 79K，此时仲氢浓度为47 48% ；
c)、然后再依次经过第三热交换器和第四热交换器进一步降温后，进入第二正-仲氢 反应器中，经过第二级正-仲氢转化后，再次经过第四热交换器，从而制得仲氢浓度为95 96%的液态氢产品。本发明所述的氢液化工艺，其所述空气分离装置包括过滤器、压缩机、纯化器、换 热器和液氮冷却器，空气依次经过过滤、压缩、纯化、换热和冷却后制得液氮及其他产物。本发明利用液氦和空气分离装置产生的液氮作为制冷工质，由液氦提供氢冷凝液 化所需的冷量，在液氦和液氮为氢液化提供冷量后，复温的氦气和氮气分别被回收并经过 相应处理后能够再次成为液氦和液氮，从而形成氦制冷循环和氮制冷循环为氢制冷循环源源不断的提供冷量，这样也避免了氦气或氮气被直接排放的浪费，节约了能源。本发明在工艺上实现了三种制冷循环中的任意一个循环相对于其余两种循环的 独立，且有互相之间进行热量交换，完成了最终的液氢生产。氢制冷循环正是依次利用液 氮、液氦的冷量，从而实现了氢气的液化。
图1是本发明所述的工艺流程图。图2是本发明中氮制冷循环的工艺流程图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代 特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图1所示，一种氢液化工艺，包括氮制冷循环、氦制冷循环和氢制冷循环；
所述氮制冷循环包括以下步骤a)、空气通过空气分离装置生成液氮；b)、将所述生成 的液氮输入到冷箱内的第二热交换器中，第二热交换器即成为液氮槽，液氮在第二热交换 器中提供冷量后蒸发成为低压、低温的氮气；C)、所述氮气再通过管道进入第一热交换器 中，在第一热交换器内继续提供冷量后排出冷箱；d)、所述排出冷箱的氮气通过管道回到空 气分离装置的压缩机进口处，被压缩机吸入，重新经过空气分离装置成为液氮，然后重复步 骤a)，形成氮制冷循环过程；
所述氦制冷循环包括以下步骤a)、氦气储罐内的氦气首先进入冷箱内的第一热交换 器中，氦气在经过第一热交换器后温度被降到97K ；b)、由第一热交换器降温后的氦气再 依次通过冷箱中的第二热交换器、低温吸附器和第三热交换器后，氦气温度被进一步降至 52K ；C)、最后氦气再通过透平膨胀机获得低温冷量，从而形成液氦，从膨胀机中出来的液氦 温度降至25K，压力为0. 13Mpa ；d)、所述液氦依次通过第四热交换器、第三热交换器、第二 热交换器和第一热交换器为高压氦气和氢气提供冷量，最后复温为氦气排出冷箱；e)、由冷 箱排出的氦气经过压缩机增压至约1.3Mpa后，经过粗油分离器将氦气中大部分油分离出 去后，氦气在水冷器中被冷却，最后经过残油分离器将氦气中微量残油彻底清除后，进入氦 气储罐，然后重复步骤a)，形成氦制冷循环过程；
所述氢制冷循环包括以下步骤a)、经压缩、过滤和净化后压力大于1. IMpa的氢气依 次通过第一热交换器和第二热交换器进行热交换降温处理；b)、经过了第二热交换器的氢 气进入低温纯化器中，将氢中的微量杂质进行吸附，经过低温纯化器处理后的氢气再次进 入第二热交换器中，并进入沉浸在第二热交换器中的第一正-仲氢反应器中，氢气在经过 第一正-仲氢反应器处理后，温度降至约79K，此时仲氢浓度为48%左右；C)、然后再依次经 过第三热交换器和第四热交换器进一步降温后，进入第二正-仲氢反应器中，经过第二级 正-仲氢转化后，再次经过第四热交换器，从而制得仲氢浓度约为95%的液态氢产品。其中，冷箱是将所述三种制冷循环中的第一热交换器、第二热交换器、第三热交换 器、第四热交换器、低温吸附器、低温纯化器、第一正-仲氢反应器、第二正-仲氢反应器、膨胀机整合在一起的特殊设备。如图2所示，在氮制冷循环中，所述空气分离装置包括过滤器、压缩机、纯化器、换 热器和液氮冷却器，空气依次经过过滤、压缩、纯化后，脱除了水分、二氧化碳、油分及其它 机械杂质后，经换热达到一定温度，再经过液氮冷却器后得到液氮及其他产物，如氧气、氩 气等，制得的液氮则进入冷箱内的第二热交换器中，为氢的液化提供冷量。本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
1.一种氢液化工艺，其特征在于包括氮制冷循环、氦制冷循环和氢制冷循环；所述氮制冷循环包括以下步骤a)、空气通过空气分离装置生成液氮；b)、将所述生成的液氮输入到冷箱内的第二热交换器中，液氮在第二热交换器中提供 冷量后蒸发成为低压、低温的氮气；C)、所述氮气再通过管道进入第一热交换器中，在第一热交换器内继续提供冷量后排 出冷箱；d)、所述排出冷箱的氮气通过管道回到空气分离装置的压缩机进口处，被压缩机吸入， 重新经过空气分离装置成为液氮，然后重复步骤a)，形成氮制冷循环过程；所述氦制冷循环包括以下步骤a)、氦气储罐内的氦气首先进入冷箱内的第一热交换器中，氦气在经过第一热交换器 后温度被降到95 97K ；b)、由第一热交换器降温后的氦气再依次通过冷箱中的第二热交换器、低温吸附器和 第三热交换器后，氦气温度被进一步降至50 52K ；c)、最后氦气再通过透平膨胀机获得低温冷量，从而形成液氦，从膨胀机中出来的液氦 温度降至M 25K，压力为0. 13Mpa ；d)、所述液氦依次通过第四热交换器、第三热交换器、第二热交换器和第一热交换器为 高压氦气和氢气提供冷量，最后复温为氦气排出冷箱；e)、由冷箱排出的氦气经过压缩机增压至1.2 1. 3Mpa后，依次经过粗油分离器、水冷 器、残油分离器处理后进入氦气储罐，然后重复步骤a)，形成氦制冷循环过程；所述氢制冷循环包括以下步骤a)、经压缩、过滤和净化后压力大于1.IMpa的氢气依次通过第一热交换器和第二热交 换器进行热交换降温处理；b)、经过了第二热交换器的氢气进入低温纯化器中，经过低温纯化器处理后的氢气再 次进入第二热交换器中，并进入沉浸在第二热交换器中的第一正-仲氢反应器中，氢气在 经过第一正-仲氢反应器处理后，温度降至77 79K，此时仲氢浓度为47 48% ；c)、然后再依次经过第三热交换器和第四热交换器进一步降温后，进入第二正-仲氢 反应器中，经过第二级正-仲氢转化后，再次经过第四热交换器，从而制得仲氢浓度为95 96%的液态氢产品。
2.根据权利要求1所述的氢液化工艺，其特征在于所述空气分离装置包括过滤器、压 缩机、纯化器、换热器和液氮冷却器，空气依次经过过滤、压缩、纯化、换热和冷却后制得液 氮及其他产物。
全文摘要
本发明公开了一种氢液化工艺，包括氮制冷循环、氦制冷循环和氢制冷循环。本发明利用液氦和空气分离装置产生的液氮作为制冷工质，由液氦提供氢冷凝液化所需的冷量，在液氦和液氮为氢液化提供冷量后，复温的氦气和氮气分别被回收并经过相应处理后能够再次成为液氦和液氮，从而形成氦制冷循环和氮制冷循环为氢制冷循环源源不断的提供冷量，这样也避免了氦气或氮气被直接排放的浪费，节约了能源。本发明在工艺上实现了三种制冷循环中的任意一个循环相对于其余两种循环的独立，且有互相之间进行热量交换，完成了最终的液氢生产，氢制冷循环正是依次利用液氮、液氦的冷量，从而实现了氢气的液化。
文档编号F25J1/02GK102080919SQ201110020520
公开日2011年6月1日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者杜雯雯, 王业勤, 陈志国 申请人:四川亚联高科技股份有限公司