專利名稱：使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫制冷技術(shù)及氣體液化領(lǐng)域，特別涉及到一種利用多元混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷循環(huán)使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法。
在上述技術(shù)當(dāng)中，預(yù)冷級采用的是蒸汽壓縮制冷循環(huán)，工質(zhì)可以采用純工質(zhì)，如丙烷，也可以采用混合工質(zhì)，預(yù)冷溫度一般在235K左右。而多級內(nèi)復(fù)疊制冷循環(huán)被用作主要冷卻方式，完成被液化氣體從預(yù)冷溫度開始到液化溫度的冷卻，對LNG工藝來說，要實現(xiàn)從235K到120K左右的大的冷卻溫度范圍。多級內(nèi)復(fù)疊制冷循環(huán)主要特點是通過多元混合物在制冷流程中不同溫度發(fā)生部分冷凝，而將冷凝的液體工質(zhì)分離出來，在相應(yīng)較高的溫度進(jìn)行節(jié)流實現(xiàn)中間溫度的制冷，冷卻被液化氣體和來流高壓制冷工質(zhì)；而分離后的氣體被繼續(xù)冷卻，又出現(xiàn)汽液兩相，再進(jìn)行分離，重復(fù)上述過程，直到最低制冷溫度。這樣在制冷流程當(dāng)中通常要有2～5級分離和節(jié)流等措施，在采用多元混合物工質(zhì)后，這樣的制冷流程無論是在理論設(shè)計計算，還是實際制作控制，都非常復(fù)雜，而且制冷系統(tǒng)的可靠性也隨著系統(tǒng)設(shè)施種類的增加而降低。降低液化系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率具有非常重要的意義，是目前氣體液化領(lǐng)域中正在研究的新循環(huán)的主要目標(biāo)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，步驟如下1.配制多元混合物工質(zhì)A，該多元混合工質(zhì)A包括5組物質(zhì)，這5組物質(zhì)分別為第1組物質(zhì)甲烷、氪或者是二者的混合物；有效工作溫區(qū)為110-150K；第2組物質(zhì)四氟甲烷、三氟化氮或者是二者的混合物；有效工作溫區(qū)為145-180K；第3組物質(zhì)乙烯、乙烷、三氟甲烷或者是該組物質(zhì)中的任兩種物質(zhì)或三種物質(zhì)的混合物；有效工作溫區(qū)為170-230K；第4組物質(zhì)丙稀、丙烷、全氟丙烷或者是該組物質(zhì)中的任二種物質(zhì)或三種物質(zhì)的混合物；有效工作溫區(qū)為230-270K；第5組物質(zhì)1-丁烯、異丁烷、2-甲基丁烷、1-戊烯、3-甲基-1-丁烯、2-甲基戊烷或者為該組物質(zhì)中的任二種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；有效工作溫區(qū)為260-350K；各組物質(zhì)在多元混合工質(zhì)中的摩爾濃度的確定與具體負(fù)荷分布形式密切相關(guān)，各組物質(zhì)摩爾濃度的確定原則在確保實現(xiàn)最低液化溫度的同時，所選的多元混合工質(zhì)各組物質(zhì)的濃度具有這樣的特征，即當(dāng)某一溫區(qū)的分布熱負(fù)荷增大時，多元混合工質(zhì)對應(yīng)在該溫區(qū)發(fā)揮作用的物質(zhì)的摩爾濃度增大；上述多元混合工質(zhì)A中各組物質(zhì)的總摩爾濃度之和為100％，其中，每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；2.將上述所述多元混合工質(zhì)A經(jīng)過壓縮機1壓縮成高溫高壓多元混合工質(zhì)B；3.將步驟2得到的高溫高壓多元混合工質(zhì)B進(jìn)入與壓縮機相連的冷卻器2冷卻至環(huán)境溫度的高壓多元混合工質(zhì)C；4.將冷卻至環(huán)境溫度的高壓多元混合工質(zhì)C進(jìn)入換熱器3進(jìn)行進(jìn)一步冷卻成高壓多元混合工質(zhì)D；然后將高壓多元混合工質(zhì)D進(jìn)入節(jié)流元件4，進(jìn)行節(jié)流成為多元混合工質(zhì)E；5.將步驟4得到的多元混合工質(zhì)E直接返流至換熱器3，復(fù)溫至多元混合工質(zhì)A，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入進(jìn)入換熱器3的被液化氣體由狀態(tài)G冷卻至狀態(tài)H，被液化氣體得到液化；或者將步驟4得到的多元混合工質(zhì)E進(jìn)入蒸發(fā)器5，部分蒸發(fā)成多元混合工質(zhì)F，返流至換熱器3，復(fù)溫至多元混合工質(zhì)A，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入換熱器3的被液化氣體由狀態(tài)G冷卻至狀態(tài)H，再經(jīng)蒸發(fā)器5使被液化氣體得到液化；不同的液化場合具有不同的分布熱負(fù)荷形式，并對應(yīng)著不同的制冷流程，如

圖1和圖2所示，相應(yīng)多元混合工質(zhì)也發(fā)生變化。
本發(fā)明所述多元混合工質(zhì)A還可包括第6組物質(zhì)氮氣、氬氣或者是二者的混合物；多元混合工質(zhì)A中各組物質(zhì)總摩爾濃度之和為100％，其中，每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～45％；
第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度2％～45％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
本發(fā)明所述多元混合工質(zhì)A還可進(jìn)一步包括第7組物質(zhì)氦氣、氫氣、氖氣或者為該組物質(zhì)中的任二種或三種物質(zhì)的混合物；多元混合工質(zhì)A中各組物質(zhì)總摩爾濃度之和為100％，其中，每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～35％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～20％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～45％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度1％～10％第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
本發(fā)明的方法，采用三股流或四股流換熱器實現(xiàn)氣體液化形式分布溫度熱負(fù)荷的冷卻以及實現(xiàn)制冷工質(zhì)自身回?zé)釗Q熱過程；本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，非常簡單，其關(guān)鍵技術(shù)在于換熱器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)制冷系統(tǒng)本身的回?zé)幔€可有足夠富裕冷量使被液化氣體得到冷卻液化；為確保換熱器內(nèi)實現(xiàn)混合工質(zhì)自身的回?zé)徇^程，并且能夠提供隨溫度變化的冷量來完成諸如氣體液化形式的分布負(fù)荷，必須保證換熱器正常工作，不能出現(xiàn)“負(fù)”換熱溫差。進(jìn)一步分析，如果將循環(huán)中換熱器在運行溫區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行分割，則每一個小換熱器端面的高低壓兩股流體之間的焓差(即制冷量)應(yīng)該大于或等于(理想情況)該溫度所對應(yīng)的分布熱負(fù)荷(如圖3所示)，同時換熱器內(nèi)不能存在負(fù)傳熱溫差。這里要注意，此時兩股流體的溫度通常并不相等，這主要由高低壓工質(zhì)的熱當(dāng)量(流量相同時，由比熱決定)及換熱器進(jìn)出口端面溫差設(shè)定值決定。
下面進(jìn)一步用公式來表達(dá)；對非等溫的分布熱負(fù)荷，其冷量火用為EQ=∫QcQ0(T0T-1)dQ(T)=∫TcT0G′cp′(T)(T0T-1)dT---(1)]]>上式中，Q(T)是分布熱負(fù)荷，T0是環(huán)境溫度，G’表示分布負(fù)荷的當(dāng)量流量，c'p(T)＝dq(T)/dT是分布負(fù)荷的當(dāng)量比熱。
要完成冷卻分布負(fù)荷的任務(wù)，換熱器沿程端面上工質(zhì)焓差Δh(T)應(yīng)滿足如下條件GΔh(T)-Q(T)≥0 (2)式中G是循環(huán)工質(zhì)流量。下面分析換熱器如何防止出現(xiàn)“負(fù)傳熱溫差”。從換熱器能量平衡的角度，假設(shè)起始溫度均為T，在一個足夠小的換熱負(fù)荷范圍內(nèi)(即在一個換熱器微元段內(nèi))，有GLcpL(T)ΔTL＝(GHcpH(T)+G`cp｀(T))ΔTH(3)ΔTL＝TL-T，ΔTH＝TH-TTH、TL分別為高低壓工質(zhì)的溫度，由上式進(jìn)一步TL-TTH-T=(Gcp(T)+G′cp′(T))H(Gcp(T))L---(4)]]>由上式可得，若TH＞TL，則需(Gcp(T))L＞(Gcp(T)+G'c'p(T))H(5)式中G'c'p(T)為分布熱負(fù)荷的熱當(dāng)量。若起始已經(jīng)有一定溫差，式(5)可以適當(dāng)放寬，只要在一個小的局部范圍內(nèi)滿足就可以，此時比熱為該溫度范圍內(nèi)的平均值。
若要滿足這個不等關(guān)系式，有兩個方法，一是調(diào)節(jié)工質(zhì)流量，另外就是調(diào)整工質(zhì)的當(dāng)量比熱。調(diào)整工質(zhì)流量可以采用分離循環(huán)方式，逐漸減小高壓工質(zhì)流量，這就是傳統(tǒng)技術(shù)，這種方式已經(jīng)成為現(xiàn)有LNG工業(yè)中主要液化流程之一，這種措施就如上面提到的，由于多級分離造成制冷系統(tǒng)非常復(fù)雜。本發(fā)明的思想是從調(diào)節(jié)工質(zhì)當(dāng)量比熱入手來滿足式(5)，主要措施是通過調(diào)整工質(zhì)組元、濃度配比來改變高低壓工質(zhì)的當(dāng)量比熱，這樣可以最大程度降低制冷系統(tǒng)硬件設(shè)備的復(fù)雜程度，與傳統(tǒng)技術(shù)相比得到大大簡化。根據(jù)多元體系熱力學(xué)理論，對于多元多相體系，導(dǎo)給系統(tǒng)的熱量不僅用來提高系統(tǒng)的溫度，還部分用來調(diào)整物質(zhì)在相間的重新分配上，這說明相變潛熱對系統(tǒng)比熱有一個很大的貢獻(xiàn)，同時對于同一種工質(zhì)，其相變潛熱具有這樣的特征即低壓相變潛熱大于高壓相變潛熱。由此可以期望在工質(zhì)相變區(qū)間內(nèi)，低壓工質(zhì)的當(dāng)量比熱大于高壓工質(zhì)的當(dāng)量比熱，并滿足式(5)。因此，理論上完全存在通過調(diào)整循環(huán)工質(zhì)組元及其配比的方式來滿足公式(5)，這樣就可以用一次節(jié)流循環(huán)來實現(xiàn)氣體液化這樣的分布溫度熱負(fù)荷。
具有分布溫度熱負(fù)荷系統(tǒng)的熱力性能評價方法CEF=ΣEQIW---(6)]]>上式中，CEF為系統(tǒng)火用效率，分子包括由式(1)描述的分布溫度熱負(fù)荷的冷量火用和在蒸發(fā)器(圖1)所獲得的冷量火用之和，分母為系統(tǒng)耗功。利用式(6)可以與固定溫度負(fù)荷的制冷系統(tǒng)進(jìn)行性能比較。
由此可知，本發(fā)明最關(guān)鍵的創(chuàng)新點在于一種多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑的應(yīng)用，能夠在很大的溫度范圍內(nèi)，如從環(huán)境溫度至氣體獲得液化的深冷溫度范圍內(nèi)有效實現(xiàn)制冷，這種制冷作用可以有效實現(xiàn)工業(yè)氣體的液化，而保持制冷系統(tǒng)獲得最大程度的簡化，從而無論是在理論設(shè)計，還是在實際制作、運行維護(hù)方面均得到根本性的簡化。
制冷流程中采用三股流或四股流換熱器實現(xiàn)分布溫度熱負(fù)荷的冷卻以及實現(xiàn)制冷工質(zhì)自身回?zé)釗Q熱過程。并且對于不同分布溫度熱負(fù)荷的場合，制冷流程具有如下變化形式對臨界壓力以內(nèi)的氣體液化場合，制冷流程中設(shè)置有蒸發(fā)器，主要為低溫氣體的液化潛熱提供冷量；對于超臨界氣體的液化場合，在低溫下不存在液化潛熱問題，制冷流程中不再設(shè)置蒸發(fā)器。
本發(fā)明提出的方法主要是應(yīng)用在冷卻如氮氣(氧氣、空氣)、天然氣(甲烷)和乙烯等液化場合所對應(yīng)的分布溫度熱負(fù)荷。下面就分別針對上述工業(yè)氣體液化的應(yīng)用場合，給出每種情況所對應(yīng)的混合物中各組元的細(xì)分濃度范圍1、采用圖1所示制冷流程應(yīng)用于液化氮氣、空氣和氧氣場合，被液化氣體壓力范圍在(一般工業(yè)系統(tǒng)常用的壓力范圍，0.1～2.0MPa)，對應(yīng)最低制冷溫度在77.4～120K(要對帶壓氣體實現(xiàn)過冷)時，混合物工質(zhì)由上述第1至第5組物質(zhì)以及第6、第7組物質(zhì)組成，該多元混合工質(zhì)總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求在壓力0.1～0.5MPa時第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～25％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～20％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度30％～45％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度2％～10％ ；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；在壓力0.5～2.0MPa時第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～35％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～20％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～45％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度1％～5％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；2、采用圖1所示制冷流程應(yīng)用于液化甲烷、天然氣等場合，被液化氣體壓力范圍在0.1～2.0MPa之間，對應(yīng)最低制冷溫度在111～135K(要對帶壓氣體實現(xiàn)過冷)左右，多元混合物工質(zhì)A由上述第1至第5組物質(zhì)以及第6組物質(zhì)組成，混合物總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度如下在壓力0.1～0.5MPa時第1組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；
第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；在壓力在0.5～2.0MPa時，同時對應(yīng)于冷卻超臨界壓力的氮氣、氧氣或空氣的場合(參用圖2所示的流程)第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～40％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～35％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；3、采用圖2所示制冷流程應(yīng)用于超臨界甲烷或天然氣的液化場合，對應(yīng)最低制冷溫度在120～145K之間，混合物工質(zhì)由上述第1至第5組物質(zhì)以及第6組物質(zhì)組成，多元混合物工質(zhì)A的總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別如下第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～40％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度2％～10％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；4、采用圖1所示制冷流程應(yīng)用于液化常壓乙烯(C2H6)，壓力范圍在0.1～1.0MPa，最低制冷溫度在169.3～180K(對帶壓氣體要進(jìn)行過冷)，混合物工質(zhì)由上述第1至第5組物質(zhì)組成，多元混合物工質(zhì)A的總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別如下第1組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度35％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～35％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；上述濃度配比所對應(yīng)的壓縮機運行范圍為高壓1.2～2.5MPa，低壓在0.1～0.7MPa范圍內(nèi)，壓比在3～10內(nèi)。現(xiàn)有的單級壓縮機在上述工況下具有較好的效率，從而保證本發(fā)明所提出的制冷系統(tǒng)能夠獲得高的性能。另外，每組中各組元的濃度比例是任意的，只要該組物質(zhì)的總濃度范圍滿足上述給出的范圍即可。
圖2為用于上述氣體在本身壓力較高時，一般要超過臨界壓力時的液化場合等所對應(yīng)的分布溫度熱負(fù)荷情況，參見圖7、圖8給出的分布熱負(fù)荷情況，這種情況的特點是在最低溫度不需要很大冷量來補償液化過程的潛熱。
其具體工作過程是1.首先配制多元混合工質(zhì)A；2.將所配制多元混合工質(zhì)A經(jīng)過壓縮機1壓縮成高溫高壓多元混合工質(zhì)B；3.將該高溫高壓多元混合工質(zhì)B進(jìn)入與壓縮機相連的冷卻器2冷卻至環(huán)境溫度的高壓多元混合工質(zhì)C；4.卻至環(huán)境溫度的高壓多元混合工質(zhì)C進(jìn)入換熱器3進(jìn)行進(jìn)一步冷卻成高壓多元混合工質(zhì)D；然后將高壓多元混合工質(zhì)D進(jìn)入節(jié)流元件4，進(jìn)行節(jié)流成為多元混合工質(zhì)E；5.將步驟4得到的多元混合工質(zhì)E直接返流至換熱器3，復(fù)溫至多元混合工質(zhì)A，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入進(jìn)入換熱器3的被液化氣體由狀態(tài)G冷卻至狀態(tài)H；此時已經(jīng)成為高壓狀態(tài)下的過冷液體，然后通過節(jié)流元件6節(jié)流，進(jìn)入汽液分離器7獲得低壓液體I和部分氣體V。這種方式一般不容易實現(xiàn)氣體的完全液化，但是由于利用了被液化氣體本身具有的部分壓力火用，其液化率還是較高的，分離后的低溫氣體V還可以經(jīng)過回?zé)釗Q熱器提供部分冷量，自身溫度恢復(fù)后進(jìn)入壓縮機8，壓縮后重新回到被液化的原料氣中(圖2中虛線部分)。
下面結(jié)合附圖及具體實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明實施例1采用圖1所示制冷流程，環(huán)境溫度為300K，混合物摩爾濃度、液化系統(tǒng)的工作參數(shù)及熱力性能見下表實施例1 液化系統(tǒng)中混合物濃度配比及熱力參數(shù)表
實施例2(較優(yōu)化的結(jié)果)采用圖1所示制冷流程液化300K，0.1MPa的氮氣，壓縮機高壓為2.0MPa，低壓為0.2MPa，壓比為10；所用的多元混合工質(zhì)A包括第1至第7組物質(zhì)，該多元混合工質(zhì)A的總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，甲烷(CH4)10％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，四氟甲烷(CF4)5％、三氟化氮(F3N)5％第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為8％，其中，乙烯(C2H4)2％、乙烷(C2H6)2％、三氟甲烷(CHF3)4％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為12％，其中，丙烷(C3H8)為6％、全氟丙烷(C3F8)6％，其余為0％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，1-丁烯(1-C4H8)3％、異丁烷(C4H10)3％、2-甲基丁烷(C5H12)2％、2-甲基戊烷(C6H14)2％，其余為0％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度為45％，其中，氮氣30％、氬氣(Ar)15％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度為5％，其中，氖氣(Ne)5％，其余為0％；制冷系統(tǒng)實現(xiàn)該分布溫度熱負(fù)荷的火用效率CEF為40％，比功耗為2.8升液氮/度電(狀態(tài)77.4K，0.1MPa)；圖4給出了制冷量與分布溫度負(fù)荷對應(yīng)變化關(guān)系。
實施例3采用圖1所示制冷流程，環(huán)境溫度為300K，混合物摩爾濃度、液化系統(tǒng)的工作參數(shù)及熱力性能見下表實施例3 液化系統(tǒng)中混合物濃度配比及熱力參數(shù)表
實施例4采用圖1所示制冷流程液化300K，0.5MPa的氮氣，壓縮機高壓為2.0MPa，低壓為0.2MPa，壓比為10，本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第6組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為20％，其中，甲烷(CH4)20％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，四氟甲烷(CF4)10％、三氟化氮(F3N)5％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，乙烯(C2H4)3％、乙烷(C2H6)3％、三氟甲烷(CHF3)4％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為5％，其中，全氟丙烷(C3F8)5％，其余為0％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，1-丁烯(1-C4H8)5％、異丁烷(C4H10)3％、2-甲基丁烷(C5H12)5％、2-甲基戊烷(C6H14)2％，其余為0％。
第6組物質(zhì)的總摩爾濃度為35％，其中，氮氣20％、氬氣(Ar)15％；制冷系統(tǒng)實現(xiàn)該分布溫度熱負(fù)荷的火用效率CEF為50％，比功耗為3.6升液氮/度電(液體壓力0.5MPa)。
實施例5采用圖1所示制冷流程液化300K，0.1MPa的甲烷，壓縮機高壓為1.8MPa，低壓為0.6MPa，壓比為3，本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第6組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為25％，其中，甲烷25％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為5％，其中，四氟甲烷(CF4)5％，其余為0％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為15，其中，乙烷15％，其余為0％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，全氟丙烷10％，其余為0％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，2-甲基丁烷10％，其余為0％；
第6組物質(zhì)的總摩爾濃度為35％，其中，氮氣35％，其余為0％；系統(tǒng)火用效率CEF為57.4％，比功耗為4.5升液體甲烷/度電(111.6K，0.1MPa)；圖5給出了制冷量與分布溫度負(fù)荷對應(yīng)變化關(guān)系。
實施例6采用圖1所示制冷流程液化300K，0.5MPa的甲烷，壓縮機高壓為2.0MPa，低壓為0.3MPa，壓比為5，本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第6組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為30％，其中，甲烷30％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，四氟甲烷(CF4)15％，其余為0％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)各為5％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為5％，其中，全氟丙烷5％，其余為0％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，異丁烷(C4H10)5％、2-甲基丁烷(C5H12)10％，其余為0％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度為25％，其中，氮氣25％，其余為0％。
系統(tǒng)火用效率CEF為55％，比功耗5.5升液體甲烷/度電(液體壓力，0.5MPa)。
實施例7采用圖1所示制冷流程，環(huán)境溫度為300K，混合物摩爾濃度、液化系統(tǒng)的工作參數(shù)及熱力性能見下表實施例7 液化系統(tǒng)中混合物濃度配比及熱力參數(shù)表
實施例8采用圖1所示制冷流程，環(huán)境溫度為300K，混合物摩爾濃度、液化系統(tǒng)的工作參數(shù)及熱力性能見下表實施例8 液化系統(tǒng)中混合物濃度配比及熱力參數(shù)表
實施例9采用圖1所示制冷流程液化300K，0.12MPa的某種天然氣(組成為N2～0.7％，CH4～82％，C2H6～11.2％，C3H8～4.0％，nC4H10～0.9％，C4H10～1.2％)，壓縮機高壓為1.8MPa，低壓為0.6MPa，壓比為3；本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第6組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾度為35％，其中，甲烷35％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，四氟甲烷(CF4)6％、三氟化氮(F3N)為4％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為20％，其中，乙烯(C2H4)6％、乙烷(C2H6)6％、三氟甲烷(CHF3)8％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，丙稀(C3H6)3％、丙烷(C3H8)3％、全氟丙烷(C3F8)4％；
第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，1-丁烯(1-C4H8)3％、異丁烷(C4H10)3％，其余2一甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)各1％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，氮氣15％，其余為0％；系統(tǒng)熱效率CEF為50％，比功耗4.2升/度電的LNG(狀態(tài)116K，0.12MPa)。圖6給出了制冷量與分布溫度負(fù)荷對應(yīng)變化關(guān)系。
實施例10采用圖1所示制冷流程，環(huán)境溫度為300K，混合物摩爾濃度、液化系統(tǒng)的工作參數(shù)及熱力性能見下表實施例10 液化系統(tǒng)中混合物濃度配比及熱力參數(shù)表
實施例11采用圖2所示制冷流程液化300K，5.0MPa的氮氣，壓縮機高壓為2.0MPa，低壓為0.2MPa，壓比為10；本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第6組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為35％，其中，甲烷30％，氪(Kr)為5％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，四氟甲烷(CF4)5％、三氟化氮(F3N)為5％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，乙烷10％，其余為0％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度20％，其中，全氟丙烷20％，其余為0％；
第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為20％，其中，1-丁烯(1-C4H8)6％、異丁烷(C4H10)6％，其余2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)各2％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度為5％，其中，氮氣5％，其余為0％。
制冷系統(tǒng)完成分布溫度熱負(fù)荷的效率CEF為60％，高壓氮氣完全成為過冷液體(120K，5.0MPa)，然后經(jīng)節(jié)流閥6節(jié)流后產(chǎn)生低壓液氮，比功耗為5.8升液氮/度電(狀態(tài)77.4K，0.1MPa)。圖7給出制冷量與分布溫度負(fù)荷對應(yīng)變化關(guān)系。
實施例12采用圖1所示制冷流程，環(huán)境溫度為300K，混合物摩爾濃度、液化系統(tǒng)的工作參數(shù)及熱力性能見下表實施例12 液化系統(tǒng)中混合物濃度配比及熱力參數(shù)表
實施例13采用圖2所示制冷流程液化300K，5.0MPa的甲烷，壓縮機高壓為2.0MPa，低壓為0.2MPa，壓比為10，本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第5組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，甲烷15％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為20％，其中，四氟甲烷(CF4)20％，其余0％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為30％，其中，乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)各10％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，全氟丙烷15％，其余為0％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為20％，其中，1-丁烯(1-C4H8)6％、異丁烷(C4H10)6％，其余2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)各2％。
高壓甲烷通過制冷系統(tǒng)冷卻，完成成為過冷液體(130K，5.0MPa)，然后通過節(jié)流閥6節(jié)流獲得低壓液體甲烷(111.6K，0.1MPa)，制冷系統(tǒng)火用效率CEF為57％，比功耗為10升液體甲烷/度電(狀態(tài)111.6K，0.1MPa)。圖8給出了制冷量與分布溫度負(fù)荷對應(yīng)變化關(guān)系。
實施例14采用圖1所示制冷流程液化300K，0.1MPa的乙烯，壓縮機高壓為2.0MPa，低壓為0.4MPa，壓比為5，本實施例的多元混合工質(zhì)A包括第1至第5組物質(zhì)，其總摩爾濃度為100％，其中，各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度為10％，其中，甲烷10％，其余為0％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度為25％，其中，四氟甲烷(CF4)20％，三氟化氮(F3N)為5％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度為30％，其中，乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)各10％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度為15％，其中，全氟丙烷15％，其余為0％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度為20％，其中，1-丁烯(1-C4H8)6％、異丁烷(C4H10)6％，其余2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)各2％。
制冷系統(tǒng)火用效率CEF為50％，比功耗為6.5升液體乙烯/度電(狀態(tài)169.3K，0.1MPa)。
上述液化場合是工業(yè)氣體液化領(lǐng)域中具有典型代表意義的，基本覆蓋了工業(yè)氣體液化的場合。通過上述公開內(nèi)容完整地描述了本發(fā)明的基本特征，上述闡述完全是以氣體液化為例，而氣體液化場合是分布溫度熱負(fù)荷的極致，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過這些內(nèi)容理解本發(fā)明的基本思想，并且會承認(rèn)，其他分布溫度熱負(fù)荷場合的應(yīng)用，如其他本發(fā)明中未提及的工業(yè)氣體液化場合、或在若干個不同溫度點獲取冷量等，也是在本發(fā)明精神和權(quán)利要求范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，步驟如下(1)配制多元混合物工質(zhì)(A)，該多元混合工質(zhì)(A)包括5組物質(zhì)，這5組物質(zhì)分別為第1組物質(zhì)甲烷、氪或者是二者的混合物；第2組物質(zhì)四氟甲烷、三氟化氮或者是二者的混合物；第3組物質(zhì)乙烯、乙烷、三氟甲烷或者為該組物質(zhì)中的任兩種或三種物質(zhì)的混物；第4組物質(zhì)丙稀、丙烷、全氟丙烷或者為該組物質(zhì)中的任兩種或三種物質(zhì)的混合物；第5組物質(zhì)1-丁烯、異丁烷、2-甲基丁烷、1-戊烯、3-甲基-1-丁烯、2-甲基戊烷或者為該組物質(zhì)中的任二種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；上述多元混合工質(zhì)A中各組物質(zhì)的總摩爾濃度之和為100％，其中，每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；(2)將上述所述多元混合工質(zhì)(A)經(jīng)過壓縮機(1)壓縮成高溫高壓多元混合工質(zhì)(B)；(3)將該高溫高壓多元混合工質(zhì)(B)進(jìn)入與壓縮機相連的冷卻器(2)冷卻至環(huán)境溫度的高壓多元混合工質(zhì)(C)；(4)將冷卻至環(huán)境溫度的高壓多元混合工質(zhì)(C)進(jìn)入換熱器(3)進(jìn)行進(jìn)一步冷卻成高壓多元混合工質(zhì)(D)；然后將高壓多元混合工質(zhì)(D)進(jìn)入節(jié)流元件(4)，進(jìn)行節(jié)流成為多元混合工質(zhì)(E)；(5)將步驟(4)得到的多元混合工質(zhì)(E)直接返流至換熱器(3)，復(fù)溫至多元混合工質(zhì)(A)，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入進(jìn)入換熱器(3)的被液化氣體由狀態(tài)(G)冷卻至狀態(tài)(H)，被液化氣體得到液化；或者將步驟(4)得到的多元混合工質(zhì)(E)進(jìn)入蒸發(fā)器(5)，部分蒸發(fā)成多元混合工質(zhì)(F)，返流至換熱器(3)，復(fù)溫至多元混合工質(zhì)(A)，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入進(jìn)入換熱器(3)的被液化氣體由狀態(tài)(G)冷卻至狀態(tài)(H)，被液化氣體得到液化。
2.按權(quán)利要求1所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于所述多元混合工質(zhì)(A)還包括第6組物質(zhì)氮氣、氬氣或者是二者的混合物；每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度2％～45％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
3.按權(quán)利要求2所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，所述多元混合工質(zhì)(A)還進(jìn)一步包括第7組物質(zhì)氦氣、氫氣、氖氣，或者為該組物質(zhì)中的任兩種或三種物質(zhì)的混合物；所述多元混合工質(zhì)(A)中每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～35％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～20％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～45％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度1％～10％第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
4.按權(quán)利要求1所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于所述各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度35％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～35％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
5.按權(quán)利要求2所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，所述各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
6.按權(quán)利要求2使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，所述各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～40％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～35％第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
7.按權(quán)利要求2所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，所述各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～40％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～30％第6組物質(zhì)的總摩爾濃度2％～10％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
8.按權(quán)利要求3所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，所述各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～25％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～20％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度30％～45％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度2％～10％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
9.按權(quán)利要求3所述的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法，其特征在于，所述各組物質(zhì)的總摩爾濃度分別為第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～35％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～25％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第5組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～20％；第6組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～45％；第7組物質(zhì)的總摩爾濃度1％～5％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
全文摘要
本發(fā)明的使工業(yè)氣體從環(huán)境溫度冷卻至深冷溫度并得到液化的方法配制多元混合物工質(zhì)A經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓混合工質(zhì)B；進(jìn)入冷卻器冷卻至環(huán)境溫度的高壓混合工質(zhì)C；進(jìn)入換熱器3進(jìn)一步冷卻成高壓混合工質(zhì)D；進(jìn)入節(jié)流元件節(jié)流成混合工質(zhì)E；之后，或直接返流至換熱器，復(fù)溫至混合工質(zhì)A，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入換熱器的被液化氣體由狀態(tài)G冷卻至狀態(tài)H，被液化氣體得到液化；或?qū)⒒旌瞎べ|(zhì)E進(jìn)入蒸發(fā)器，部分蒸發(fā)成混合工質(zhì)F，返流至換熱器，復(fù)溫至混合工質(zhì)A，參加下一次循環(huán)制冷；并同時將進(jìn)入換熱器的被液化氣體由狀態(tài)G冷卻至狀態(tài)H，并經(jīng)蒸發(fā)器使被液化氣體得到液化；該方法簡化制冷系統(tǒng)，制冷效率高。
文檔編號F25J3/02GK1462861SQ0312142
公開日2003年12月24日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月27日
發(fā)明者公茂瓊, 羅二倉, 吳劍峰, 周遠(yuǎn) 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所