专利名称：生产低温液体的系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于液化低沸点气体的液化器，并尤其适用于日产量少于200吨的液体的生产。
低沸点气体，如氧气或氮气的液化，费资金又费能。早期的液化器系统采用一台压缩机，一台换热器和一台透平膨胀机来提供致冷。这样的早期液化器机效率很低。
根据热力学，当一个过程的驱动力增加时，该过程所需的能量需求也增加。液化过程的驱动力是热流和冷流之间的温度差。这些大的温差是造成早期液化器需要高能量和使其较低效率特性的原因。
可以通过增加一台第二膨胀机，使一些致冷在较高温度下发生，一些致冷在较低温度下发生，来提高液化器的效率。可以控制这两台膨胀机之间的流动以及这些膨胀机的运行温度，来减小温差，从而减少该循环的总液化能源。还可以用在高压下运行来提高液化器的效率。
Hanson等人的美国专利U.S4778497中公开的液化器采用的改进包括两个方面该液化器在较高压力下运行，且用了两台膨胀机。但是，第二台膨胀机的使用及所引起的系统复杂性的增加，显著地增加了成本费。由于资金需求高，该系统可有效地用于日产量(TPD)等于或大于200吨的液体的生产，但在生产少量的液体时一般不具有吸引力。
使这些液化器按比例缩小在技术上很困难。当容量降低时，用于所有膨胀机部件的叶片尺寸和间隙减小，而转速增加。高速与小尺寸的结合对设备可靠性和效率产生了不利影响。最终结果是，随着容量降低，单位生产成本显著上升。因此，以可比成本生产少吨量(少于200TPD)的液体产品的能力体现了一种对当前现有技术和经验的一个重大挑战。
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的液化低沸点气体的液化器系统。
本发明的另一具目的是提供一种改进的液化低沸点气体的液化器系统，该系统能够以少于约200ton的较低的液体日生产量有效运行。
通过阅读说明书，对本领域的技术人员来说，上述和其它目的将会变得更清楚，这些目的可以通过本发明实现，其中一个方面是一种生产低温液体的方法，包括(A)将致冷剂气体压缩到第一压力；(B)向该已压缩的致冷剂气体加入原料气体，生产一种工作气体混合物；(C)将该工作气体混合物压缩到一个高于第一压力的第二压力，生产高压工作气体混合物；(D)使高压工作气体混合物的第一部分用透平机膨胀，生产冷的致冷剂气体；(E)将高压工作气体混合物的第二部分进一步压缩到超临界压力，生产超临界流体；和(F)通过与冷的致冷剂气体间接换热，使超临界流体冷却，生产低温液体。
本发明的另一个方面是一种生产低温液体的方法，包括(A)将原料气体加入到致冷剂气体中，以生产工作气体混合物；(B)将该工作气体混合物压缩到第一压力；(C)将该工作气体混合物压缩到一个高于该第一压力的第二压力，生产高压工作气体气体混合物；(D)使该高压工作气体混合物的第一部分用透平机膨胀，生产冷的致冷剂气体；(E)将该高压工作气体混合物的第二部分进一步压缩到超临界压力，生产超临界流体；及(F)通过与冷的致冷剂气体间接换热来冷却该超临界流体，并生产低温液体。
本发明再一个方面是生产低温液体的装置，包括(A)一台循环压缩机，一台增压压缩机及使致冷剂气体从该循环压缩机流到增压压缩机的装置；(B)使原料气体流到该增压压缩机的装置；(C)一台透平膨胀机及使流体从该增压压缩机流到该透平膨胀机的装置；
(D)一台容积式压缩机，及使流体从所述增压压缩机流到该容积式压缩机的装置；(E)一台换热器，使流体从透平膨胀机流到该换热器的装置，及使流体从容积式压缩机流到换热器的装置及(F)从由换热器提取的流体中回收低温液体产品的装置。
这里所用的术语“间接换热器”指两种流体流相互之间不发生任何直接接触或混合的热交换关系。
这里所用的术语“低温液体”指常压下温度等于或低于200K的液体。
这里所用的术语“透平膨胀”和“透平膨胀机”分别指高压气体流通过透平机，以便降低该气体的压力和温度，从而产生致冷的方法和装置。
这里所用的术语“压缩机”指在一个压力下接收气态流体，并在一个较高压力下排出气态流体的装置。
这里所用的术语“循环压缩机”指一台从一种生产气流中接收气体，而将其排向另一种生产气流的压缩机，其中至少一部分排出气流是来自该过程的循环气体，而不是原料气体。
这里所用的术语“增压压缩机”指由一个共轴透平膨胀机提供所有压缩功的压缩机。
这里所用的术语“容积式压缩机”指一台压缩机，它允许气态流体进入定义容积，防止在压缩期间流体流进或流出定义容积，然后做功，以使减少容积和增加压力，再将气体排放至一个较高压力出口。
这里所用的术语“超临界压力”指一个等于或高于流体的最低压力的压力，在该压力下液相和气相变得不可区分。
这里所用的术语“超临界流体”指在超临界压力下的流体。
图1是本发明的一个优选实施例的示意图。
图2是本发明的另一个优选实施例的示意图。
图中相同的附图标记代表相同的部件。
本发明可以用来液化低沸点气体或气体混合物。这样的低沸点气体有氧气、氮气、氩气、氦气、氢气、二氧化碳，许多碳氢化合物气体，如甲烷和乙烷，及它们的混合物，如空气和天然气。
现在将参照附图并结合氮气的液化来详细描述本发明。参见图1，绝对压力通常为每平方英寸15至23磅(psia)的致冷剂气体28流到循环压缩机13，在其中压缩到75至120psia的第一压力。该第一压力大致是入口气体压力的5至6倍。该比值将取决于冷却水温度和预定功率。关闭时较低压力。通过冷却器3除去压缩热后所产生的已压缩致冷剂气体24得到冷却，产生冷却的已压缩的致冷剂气体30。
将原料气体20，即这个实施例中的低沸点气体氮气，加入已压缩的致冷剂气体中，产生工作气体混合物21。原料气体的组成一般与致冷剂气体相同。然后使工作气体混合物21进入增压压缩机10。
此外，除了图1所示的方案之外，还可以将原料气体加入循环压缩机13上游的致冷剂气体中。这样一种可选择的方案表示在图2中。现在参考图2，将原料气体100加入致冷剂气体28，产生工作气体混合物101。混合物101通过循环压缩机13后得到压缩，产生压力为75至120psia的第一压力下的已压缩的工作气体混合物102。混合物102通过冷却器3除去混合物102的压缩热，使所产生的已冷却的工作气体混合物103流入增压压缩机10。
从循环的观点看，图1和图2所示的两个实施例是相同的。下面将参照图1和图2描述本发明。
在增压压缩机10内，工作气体混合物被压缩到高于第一压力的，在115至180psia范围内的第二压力。该第二压力一般约为循环压缩机排气压力的1.5至1.6倍。最好使第二压力小于工作气体的超临界压力。混合物通过冷却器4后除去所产生的高压工作气体混合物的压缩热，所产生的已冷却的高压工作气体混合物23分为第一部分24和第二部分40。
第一部分24包括该高压工作气体混合物的60％至90％，优选为78％至85％。第一部分24流过部分换热器1得到冷却，所产生的已冷却的第一部分25从换热器1流到透平膨胀机11，在透平膨胀机11内径透平膨胀，达到17至26psia的压力，产生冷的致冷剂气体26。如图所示，透平膨胀机11最好直接与增压压缩机10相结合，以便使透平膨胀机11中的膨胀可直接用来驱动增压压缩机10。本发明的一个重要方面是工作气体混合物通过单个透平膨胀机膨胀，即只有一个透平膨胀机，用以产生连续液化的致冷。
冷的致冷剂气体流到换热器1。附图所示的这些实施例是优选实施例，正如下面将要详细描述的那样，其中循环蒸汽50与气流26合并，形成冷的致冷剂气流27，该气流流到换热器1。
第二部分40括高压工作气体混合物的10％至40％，优选为15％至22％。第二部分40通过阀41，并作为气流42流到容积式压缩机12，容积式压缩机通常是一个活塞式压缩机，但也可以是螺旋压缩机。在容积式压缩机12内，高压工作气体混合物的第二部分被压缩到超临界压力，产生超临界流43。该超临界压力将根据供入容积式压缩机的流体成分而变化。例如，氮气的超临界压力为高于493psia的压力；氧气的超临界压力是高于737psia的压力；氩气的超临界压力是高于710psia的压力。当氮气为预期产品时，本发明中实用的超临界压力优选为小于1000psia。
超临界流体43过后冷却器5通后得到冷却，并使所产生的超临界流体44流入换热器1，在该换热器中通过与冷的致冷剂气体间接换热而冷却。如图所示，最好使通过换热器1的冷的致冷剂气体流与通过换热器1的超临界流体逆向流动。在通过换热器1之后，所产生的致冷剂气体28如前述的那样流到循环压缩机13。
将该超临界流体作为低温液体产品回收。附图表示了该产品回收装置的一个优选实施例，其中如果流体温度低于临界点温度，则已经冷却到液体温度的超临界流体通过阀46节流到一个低得足以产生低温液体的压力。所产生的含有低温液体的流体47流通入相分离器2。或者，流体45可以通过一个代替阀46的密相膨胀机，来降低流体的压力和产生低温液体。低温液体从相分离器2中作为流体51提取出来，并流到使用点或贮存器。流体51的流量一般比200TPD低温液体要低，通常在30至150TPD低温液体的范围内。提取来自相分离器2的蒸汽作为流过阀49的流体48，并如前述流体50那样，与流体26合并，形成冷的致冷剂气体流27。
表1记录了根据图1所示的实施例对氮气进行液化的本发明的一个实例的计算机模拟结果。这个实例只提供说明，而不作限定。表中所列举的流体标号与图1中的相对应。
表1
尽管已参照某些优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会认识到，在本发明的权利要求书的精神和范围内还可以有其它实施例。例如，可在各组循环压缩机之间将原料气体加入致冷剂气体。可在增压压缩机下游和容积式压缩机上游加入致冷剂气体。可在循环的不同点加入低温原料气体。本发明可以用其它设备来实施，而不特别局限于上述实施例中所列举的设备。此外，讨论的比压和所述的压力范围是用于液化氮气的；要液化其它气体时，优选的压力将不同于所列举的那些氮气液化的压力。
权利要求
1.一种生产低温液体的方法，包括(A)将致冷剂气体压缩到第一压力；(B)向该已压缩的致冷剂气体加入原料气体，生产一种工作气体混合物；(C)将该工作气体混合物压缩到一个高于第一压力的第二压力，生产高压工作气体混合物；(D)使高压工作气体混合物的第一部分用透平机膨胀，生产冷的致冷剂气体；(E)将高压工作气体混合物的第二部分进一步压缩到超临界压力，生产超临界流体；和(F)通过与冷的致冷剂气体间接换热，使超临界流体冷却，生产低温液体。
2.如权利要求1所述的方法，其中使高压工作气体混合物的第一部分在用透平机膨胀之前进行冷却。
3.如权利要求1所述的方法，其中一部分低温液体蒸发，并在与超临界流体换热之前和冷的致冷剂气体合并。
4.如权利要求1所述的方法，其中第二压力小于工作气体混合物的超临界压力。
5.如权利要求1所述的方法，其中在单个透平膨胀机中使第一部分高压工作气体混合物进行膨胀，以产生冷的制冷剂气体。
6.如权利要求1所述的方法，其中低温液体产品为氮，且超临界压力小于1000psia。
7.一种生产低温液体的方法，包括(A)将原料气体加入到致冷剂气体中，以生产工作气体混合物；(B)将该工作气体混合物压缩到第一压力；(C)将该工作气体混合物压缩到一个高于该第一压力的第二压力，生产高压工作气体混合物；(D)使该高压工作气体混合物的第一部分用透平机膨胀，生产冷的致冷剂气体；(E)将该高压工作气体混合物的第二部分进一步压缩到超临界压力，生产超临界流体；及(F)通过与冷的致冷剂气体间接换热来冷却该超临界流体，并生产低温液体。
8.生产低温液体的装置，包括(A)一台循环压缩机，一台增压压缩机及使致冷剂气体从该循环压缩机流通到增压压缩机的装置；(B)使原料气体流到该增压压缩机的装置；(C)一台透平膨胀机及使流体从该增压压缩机流到该透平膨胀机的装置；(D)一台容积式压缩机，及使流体从所述增压压缩机流到该容积式压缩机的装置；(E)一台换热器，使流体从透平膨胀机流到该换热器的装置，及使流体从容积式压缩机流到换热器的装置；及(F)从由换热器提取的流体中回收低温液体产品的装置。
9.如权利要求8所述的装置，其中使流体以增压压缩机流到透平膨胀机的装置穿过换热器。
10.如权利要求8所述的装置，还包括一台相分离器，使流体以换热器流到相分离器的装置，及使流体从相分离器流到换热器的装置。
全文摘要
一种液化低沸点气体的系统,其中原料气体和再循环制冷剂气体的混合物受到压缩,使第一部分用透平机进行膨胀,使第二部分压缩到一个超临界压力,用透平膨胀后的流体冷却超临界流体生产低温气体。
文档编号F25J1/00GK1201132SQ9810974
公开日1998年12月9日 申请日期1998年4月29日 优先权日1997年5月1日
发明者N·J·利奇, D·P·波纳奎斯特, P·A·亨赖 申请人:普拉塞尔技术有限公司