专利名称：工业气体的单回路低温液化的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及工业气体的液化，其中使气体从环境温度降至低温以实现所述的液化。
工业气体的液化是用于加工几乎所有工业气体的分离及提纯操作中的一个重要步骤。通常工业气体是通过与制冷剂进行间接热交换而得以液化的。这样的系统虽然在从环境温度开始的较小温度范围内提供制冷方面能运作良好，但当需要在较大的温度范围内，如从环境温度至低温实现制冷时却效率不高。人们提出一种改进这种低效的方法是使用一种具有多流回路的液化方法，其中每一个回路起着将工业气体的温度降低一定范围的作用直至达到所需的低温冷凝温度为止。然而这种多回路工业气体液化器操作起来可能较为复杂。
因此，本发明的目标之一是提供一种单回路液化装置，籍此可将工业气体从环境温度降至低温液化温度，该装置操作起来比以往的各种单回路系统要有效得多。
本领域技术人员在阅读该公开的内容后将显而易见以上以及其他目标可通过以下的本发明来得以实现一种用于液化工业气体的方法，它包括(A)压缩包含至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物(hydrofluorocarbon)和氟代醚的组分以及至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物、氟代醚和大气气体的组分的多组分制冷剂流体；(B)冷却压缩后的多组分制冷剂流体以便至少部分冷凝该多组分制冷剂流体；(C)膨胀冷却后的压缩多组分制冷剂流体以产生制冷作用；(D)通过与压缩后的多组分制冷剂流体进行间接热交换加热膨胀后的多组分制冷剂流体以实现所述压缩后的多组分制冷剂流体的冷却；和(E)使膨胀后的多组分制冷剂流体与工业气体之间建立热交换关系，并通过与所述工业气体进行间接热交换来加热膨胀后的多组分制冷剂流体以便液化该工业气体。
此处所用的术语“无毒的”意指当根据可接受的暴露极限进行处理时不会发生急性或慢性中毒的危险。
此处所用的术语“不易燃的”意指没有闪点或至少600°K的很高闪点。
此处所用的术语“无臭氧消耗的”意指具有零臭氧消耗的可能性，即没有氯或溴原子。
此处所用的术语“标准沸点”意指在1个标准大气压即14.696磅/英寸2(绝对)下的沸点温度。
此处所用的术语“间接热交换”意指各种流体之间在没有任何物理接触或混合的情况下将各种流体带入热交换关系。
此处所用的术语“膨胀”意指进行减压。
此处所用的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”分别意指高压流体流经涡轮机以降低流体的压力和温度籍此产生制冷作用的方法与装置。
此处所用的术语“可变载荷制冷剂”意指两种或两种以上成比例的组分的混合物，这些组分的液相经历在混合物的始沸点和露点之间连续和递增的温度变化。混合物的始沸点是在给定压力下的温度，此时混合物全部处于液相，但如加入热量将开始形成与该液相平衡的汽相。混合物的露点是在给定压力下的温度，此时混合物全部处于汽相，但如从中取出热量将开始形成与该汽相平衡的液相。因此，混合物在始沸点和露点之间的温度区即为液相与汽相共存平衡的区域。在本发明的实施中，对于可变载荷制冷剂而言其始沸点和露点之间的温度差至少为10°K、优选至少为20°K、最优选至少为50°K。
此处所用的术语“碳氟化合物”意指以下化合物中的一种四氟甲烷(CF4)、全氟乙烷(C2F6)、全氟丙烷(C3F8)、全氟丁烷(C4F10)、全氟戊烷(C5F12)、全氟乙烯(C2F4)、全氟丙烯(C3F6)、全氟丁烯(C4F8)、全氟戊烯(C5F10)、六氟环丙烷(环-C3F6)和八氟环丁烷(环-C4F8)。
此处所用的术语“氢碳氟化合物”意指以下化合物中的一种氟仿(CHF3)、五氟乙烷(C2HF5)、四氟乙烷(C2H2F4)、七氟丙烷(C3HF7)、六氟丙烷(C3H2F6)、五氟丙烷(C3H3F5)、四氟丙烷(C3H4F4)、九氟丁烷(C4HF9)、八氟丁烷(C4H2F8)、十一氟戊烷(C5HF11)、氟代甲烷(CH3F)、二氟甲烷(CH2F2)、氟代乙烷(C2H5F)、二氟乙烷(C2H4F2)、三氟乙烷(C2H3F3)、二氟乙烯(C2H2F2)、三氟乙烯(C2HF3)、氟代乙烯(C2H3F)、五氟丙烯(C3HF5)、四氟丙烯(C3H2F4)、三氟丙烯(C3H3F3)、二氟丙烯(C3H4F2)、七氟丁烯(C4HF7)、六氟丁烯(C4H2F6)和九氟戊烯(C5HF9)。
此处所用的术语“氟代醚”意指以下化合物中的一种三氟甲氧基-全氟甲烷(CF3-O-CF3)、二氟甲氧基-全氟甲烷(CHF2-O-CF3)、一氟甲氧基-全氟甲烷(CH2F-O-CF3)、二氟甲氧基-二氟甲烷(CHF2-O-CHF2)、二氟甲氧基-全氟乙烷(CHF2-O-C2F5)、二氟甲氧基-1，2，2，2-四氟乙烷(CHF2-O-C2HF4)、二氟甲氧基-1，1，2，2-四氟乙烷(CHF2-O-C2HF4)、全氟乙氧基-一氟甲烷(C2F5-O-CH2F)、全氟甲氧基-1，1，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)、全氟甲氧基-1，2，2-三氟乙烷(CF3O-C2H2F3)、环-1，1，2，2-四氟丙基醚(环-C3H2F4-O-)、环-1，1，3，3-四氟丙基醚(环-C3H2F4-O-)、全氟甲氧基-1，1，2，2-四氟乙烷(CF3-O-C2HF4)、环-1，1，2，3，3-五氟丙基醚(环-C3H5-O-)、全氟甲氧基-全氟丙酮(CF3-O-CF2-O-CF3)、全氟甲氧基-全氟乙烷(CF3-O-C2F5)、全氟甲氧基-1，2，2，2-四氟乙烷(CF3-O-C2HF4)、全氟甲氧基-2，2，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)、环-全氟甲氧基-全氟丙酮(环-CF2-O-CF2-O-CF2-)和环-全氟丙基醚(环-C3F6-O)。
此处所用的术语“大气气体”意指以下化合物中的一种氮(N2)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)和氦(He)。
此处所用的术语“低臭氧消耗的”意指臭氧消耗的可能性小于0.15(由Montreal Protocol大会所定义，其中二氯氟甲烷(CCl2F2)的臭氧消耗可能性为1.0)。
此处所用的术语“工业气体”意指氮气、氧气、氢气、氦气、二氧化碳、氩气、甲烷、一氧化碳以及含有两种或两种以上上述气体的流体混合物。
此处所用的术语“低温”意指不高于150°K的温度。
此处所用的术语“制冷作用”意指排斥热从低温系统到周围大气的能力。
图1是本发明单回路工业气体液化系统的一个优选实施方案的示意流程图。
图2是本发明单回路工业气体液化系统的另一个优选实施方案的示意流程图。
总的来说，本发明包括使用一种定义的混合制冷剂以在很大的温度范围内，如从环境温度至低温的范围内有效地提供制冷作用。这种制冷作用可有效地用来液化温度范围需求较广的各种工业气体，而无须采用复杂的多制冷回路。本发明的单回路系统包括一个包含单级或多级压缩机的单一压缩系列，它将整个多组分制冷剂混合物作为一个单一的混合物来处理，此混合物随后经J/T阀或液体涡轮机进行膨胀以产生制冷作用。
本发明将参照附图进行更详细的描述。现参照图1，多组分制冷剂流体60通过压缩机30而被压缩至绝对压力通常为100-800磅/英寸2(psia)的范围内。该压缩机可以有单级，或也可以有多级。优选压缩比(即压缩后的多组分制冷剂流体61与流体60的压力比)为2-15、最优选超过5。在特别优选的实施方案中，压缩机30包括三个压缩级，每一级的压缩比为2.5-3.0。在压缩机30为油润滑的压缩机的情况中，如虚线68所示，可将来自该压缩机的流出物送往分离器10，在其中流出物中的任何油被分离并经管线70再循环到压缩机中，而干净的制冷剂流体则经管线69送回制冷剂回路中。
管线62中的压缩后多组分制冷剂流体在后冷却器2中其压缩热被冷却(优选在其中被部分冷凝)，所得的多组分制冷剂流体63流经换热器1，在其中被进一步冷却(优选完全被冷凝)。所得多组分制冷剂液体64经阀65进行节流，在其中被膨胀至压力通常为15-100psia，因而产生制冷作用。该流体经阀65发生的压力膨胀，通过Joule-Thomson效应提供了制冷作用，即由于压力以恒定焓减少而降低了流体的温度。通常膨胀后的多组分制冷剂流体66的温度将在70-200°K、优选在80-120°K的范围内。多组分制冷剂流体经阀65进行膨胀也会引起一部分该流体蒸发。
然后，在流66中具有制冷作用的多组分两相制冷剂流体流经换热器1，在其中被加热并完全蒸发，因而通过间接热交换用来冷却压缩后的多组分制冷剂流体63。如将在下面更加详细加以描述的那样，流体66的加热也起着液化工业气体的作用。将蒸汽流67中所得的加热后的多组分制冷剂流体(温度范围通常为260-330°K)再循环至压缩机30中，又重新开始制冷循环。
流80中的工业气体，如氮气通过流经压缩机32被压缩至压力通常为30-800psia，所得工业气体流81通过后冷却器4其压缩热被冷却。然后压缩后的工业气体流82流经换热器1，在其中通过与上述加热的具有制冷作用的多组分制冷剂流体进行间接热交换被冷却和冷凝、优选被低温冷却。然后，流83中的所得液化后的工业气体流经阀84，并作为流85流往使用点和/或储罐。
应注意的是，虽然本发明描述的是在环境温度下的各种工业气体的液化，但本发明也可用来液化各种预冷却的工业气体。在一些情况下工业气体可通过另一种制冷方法先进行预冷却，然后采用本发明的多组分制冷系统进行进一步的冷却和液化。
在本发明的实施中，所述多组分制冷剂流体相当高效地提供了所需的制冷作用以将工业气体液化至所需的程度，结果使冷却曲线和加热曲线靠近并尽可能地彼此平行以将液化操作的不可逆性减少至实际最低的程度。正在冷凝的多组分制冷剂流体恒定改变其组成，因而使得其冷凝温度可用来改进工业气体液化的效率。这种改进来自使用制冷剂流体中所定义的多种组分，每一种皆具有其自己的标准沸点及相关的蒸发潜热。适当选择各种制冷剂组分、其在混合物中的各种最佳浓度以及操作压力、制冷剂循环等，使得在所需的温度范围内可以产生可变量的制冷作用。以温度作为函数提供可变的制冷作用使得我们可以实现对液化系统内的热交换温度差进行最佳控制，籍此降低系统对能量的需求。
图2说明了本发明工业气体液化方法的另一个优选实施方案。图2中表示各公共单元的数字与图1中所示的那些数字相同，因此这些公共单元在下面将不再加以详述。
现参照图2，液化后的工业气体83流经阀84引起一部分工业气体蒸发。然后所得的两相流95进入相分离器96，在其中工业气体被分离成以流86中从分离器96流出并进入使用点和/或储罐的液体以及以流87中从相分离器96流出进入换热器1的蒸汽。或者如虚线所示，液化后的工业气体83可经涡轮膨胀器97进行涡轮膨胀，产生两相流95以及额外的制冷作用。将在流87中的工业气体蒸汽送入换热器1，在其中通过与冷凝的工业气体82进行间接热交换而被加热，因而进一步增强了液化作用。所得加热后的工业气体蒸汽88与流80组合，形成流89，然后进入压缩机32。
为了在每一个温度下能提供所需的制冷作用，可用于实施本发明的多组分制冷剂流体含有至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚的组分以及至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物、氟代醚和大气气体的组分。各种制冷剂组分的选择将取决于具体应用过程中制冷载荷与温度的关系。各种适宜的组分将根据其标准沸点、潜热、易燃性、毒性和臭氧消耗可能性进行选择。
可用于实施本发明的多组分制冷剂流体的一个优选实施方案包含至少两种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚的组分以及至少一种大气气体。
可用于实施本发明的多组分制冷剂流体的另一个优选实施方案包含至少两种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚的组分以及至少两种大气气体。
可用于实施本发明的多组分制冷剂流体的再一个优选实施方案包含至少一种氟代醚和至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物、氟代醚以及大气气体的组分。
在一个优选的实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氟化合物所组成。在另一个优选的实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氟化合物和氢碳氟化合物所组成。在另一个优选的实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氟化合物和大气气体所组成。在另一个优选的实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚所组成。在另一个优选的实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氟化合物、氟代醚和大气气体所组成。
虽然用于实施本发明的多组分制冷剂流体可含有其他组分，如氢氯碳氟化合物(hydrochlorofluorocarbon)和/或烃，但优选该多组分制冷剂流体不含氢氯碳氟化合物。在本发明的另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体不含烃，最优选该多组分制冷剂流体既不含氢氯碳氟化合物，又不含烃。最优选多组分制冷剂流体为无毒、不易燃和无臭氧消耗的，并最优选该多组分制冷剂流体的每一种组分为碳氟化合物、氢碳氟化合物、氟代醚或大气气体。
本发明特别适用于高效地从环境温度中获取低温。表1-5列举了可用于实施本发明的多组分制冷剂流体混合物的优选实施例。表1-5中所给的浓度范围为摩尔百分数。
表1组分 浓度范围C5F125-25C4F100-15C3F810-40C2F60-30CF410-50Ar 0-40N210-80Ne 0-10He 0-10表2组分浓度范围C3H3F55-25C4F100-15C3F810-40CHF30-30CF410-50Ar 0-40N210-80Ne 0-10He 0-10表3组分浓度范围C3H3F55-25C3H2F60-15C2H2F45-20C2HF55-20C2F60-30
CF410-50Ar 0-40N210-80Ne 0-10He 0-10表4组分浓度范围CHF2-O-C2HF45-25C4F100-15CF3-O-CHF210-40CF3-O-CF30-20C2F60-30CF410-50Ar 0-40N210-80Ne 0-10He 0-10表5组分 浓度范围C3H3F55-25C3H2F60-15CF3-O-CHF310-40CHF30-30CF40-25Ar 0.40N210-80Ne 0-10He 0-10
表6列举了一种特别优选用于本发明中的多组分制冷剂流体，它为氮气的液化提供较低水平的制冷作用。
表6组分 摩尔分数全氟戊烷0.11全氟丙烷0.10氟仿0.09四氟甲烷0.13氩气0.22氮气0.29氖 0.06表7列举了另一种特别优选用于本发明中的多组分制冷剂流体，它为氮气的液化提供较低水平的制冷作用。
表7组分摩尔分数全氟戊烷0.15全氟丙烷0.15氟仿0.10四氟甲烷0.24氩气0.15氮气0.21本发明特别适用于在宽的温度范围内、尤其是在包括低温的范围内提供制冷作用。在本发明的一个优选实施方案中，制冷剂混合物的两种或两种以上组分的每一种的标准沸点与该制冷剂混合物中的每一种其他组分的标准沸点相差至少5°K、更优选至少10°K、最优选至少20°K。这样做提高了在宽的温度范围内、特别是在包括低温的范围内提供制冷作用的有效性。在本发明一个特别优选的实施方案中，多组分制冷剂流体的最高沸点组分的标准沸点比该多组分制冷剂流体的最低沸点组分的标准沸点高至少50°K、优选至少100°K、最优选至少200°K。
组成可用于实施本发明的多组分制冷剂流体中的各种组分及其浓度应使得可形成一种可变载荷的多组分制冷剂流体，并优选在本发明方法的整个温度范围内保持这种可变载荷的特性。这样做显著提高了效率，采用该方法可在如此宽的温度范围内产生和利用这种制冷作用。所定义的各种优选组分还有一个好处是，它们可用来形成无毒、不易燃和低或无臭氧消耗的流体混合物。这样做提供了优于常规通常为有毒、易燃和/或臭氧消耗的制冷剂另外的各种优点。
可用于实施本发明的一种优选可变载荷多组分制冷剂流体(无毒、不易燃和无臭氧消耗)包含两种或两种以上以下组分C5F12、CHF2-O-C2HF4、C4HF9、C3H3F5、C2F5-O-CH2F、C3H2F6、CHF2-O-CHF2、C4F10、CF3-O-C2H2F3、C3HF7、CH2F-O-CF3、C2H2F4、CHF2-O-CF3、C3F8、C2HF5、CF3-O-CF3、C2F6、CHF3、CF4、O2、Ar、N2、Ne和He。
通过采用本发明，使用单回路液化循环以更有效地提供从环境温度至液化所需的低温，我们可以更高效地液化工业气体。虽然本发明参照某些优选实施方案进行了详述，但本领域技术人员将会认识到在权利要求书的精神和范畴内还有本发明的其他实施方案。例如，类似于图2中所示，在每一个换热器后面液化回路还可包含一个以上在其中进行工业气体析相作用及工业气体蒸汽循环的换热器。
权利要求
1.一种用于液化工业气体的方法，它包括(A)压缩包含至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚的组分以及至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物、氟代醚和大气气体的组分的多组分制冷剂流体；(B)冷却压缩后的多组分制冷剂流体以至少部分冷凝该多组分制冷剂流体；(C)膨胀冷却后的压缩多组分制冷剂流体以产生制冷作用；(D)通过与压缩后的多组分制冷剂流体进行间接热交换来加热膨胀后的多组分制冷剂流体以实现所述压缩后的多组分制冷剂流体的冷却；和(E)使膨胀后的多组分制冷剂流体与工业气体之间建立热交换关系，并通过与所述工业气体进行间接热交换来加热膨胀后的多组分制冷剂流体以液化该工业气体。
2.权利要求1的方法，还包括在工业气体与膨胀后的多组分制冷剂流体进行热交换之前通过压缩机压缩所述工业气体。
3.权利要求2的方法，还包括降低液化后工业气体的压力以将一部分液化后的工业气体闪蒸成工业气体蒸汽，再将所述的工业气体蒸汽送往压缩机。
4.权利要求3的方法，还包括在将工业气体蒸汽送往压缩机之前通过与液化压缩的工业气体进行间接热交换来加热工业气体蒸汽。
5.权利要求1的方法，其中多组分制冷剂流体包含至少两种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚的组分及至少一种大气气体。
6.权利要求1的方法，其中多组分制冷剂流体包含至少两种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物和氟代醚的组分以及至少两种大气气体。
7.权利要求1的方法，其中多组分制冷剂流体包含至少一种氟代醚和至少一种来自碳氟化合物、氢碳氟化合物、氟代醚和大气气体的组分。
8.权利要求1的方法，其中多组分制冷剂流体的每一种组分的标准沸点与该多组分制冷剂流体的每一种其他组分的标准沸点相差至少5°K。
9.权利要求1的方法，其中多组分制冷剂流体最高沸点组分的标准沸点比该多组分制冷剂流体最低沸点组分的标准沸点高至少50°K。
10.权利要求1的方法，其中多组分制冷剂流体包含至少两种以下组分C5F12、CHF2-O-C2HF4、C4HF9、C3H3F5、C2F5-O-CH2F、C3H2F6、CHF2-O-CHF2、C4F10、CF3-O-C2H2F3、C3HF7、CH2F-O-CF3、C2H2F4、CHF2-O-CF3、C3F8、C2HF5、CF3-O-CF3、C2F6、CHF3、CF4、O2、Ar、N2、Ne和He。
全文摘要
一种用于更加有效地液化工业气体的方法,其中采用所定义的多组分制冷剂流体来产生液化所需的制冷作用并通过一种在包括从环境温度至低温的宽的温度范围内的单流回路来提供这种制冷作用。
文档编号F25B9/00GK1258838SQ9912747
公开日2000年7月5日 申请日期1999年12月28日 优先权日1998年12月30日
发明者W·J·奥尔斯泽斯基, B·阿曼, J·A·韦伯, A·阿查里亚 申请人:普拉塞尔技术有限公司