專利名稱:氣體液化方法和裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種致冷方法和裝置，特別是關(guān)于諸如氮和甲烷這一類永久氣體的液化。
氮和甲烷是永久氣體，只用降低氣體溫度的方法是不能使這類氣體液化的，必需使它冷卻(在壓力下)至少達到一個“臨界溫度”，在這溫度下，氣體與它的液態(tài)相平衡。
使氮液化或把氮冷卻到臨界點以下的慣用方法一般要求將氣體進行壓縮(除非可能適當(dāng)提高壓力，通常在30大氣壓以上)，并且在一個或多個熱交換器中對至少一個相對低壓的工作流體的液流進行熱量交換，至少一部分工作流體的溫度要求維持在氮的臨界溫度以下。至少有部分工作流體的液流或各個工作流體的液流是通過壓縮工作流體，并且在前面所說的一個或多個熱交換器中冷卻，然后膨脹，對外作功(作功膨脹)予以形成。這種工作流體最好取自高壓的氮的液流，或者這種液流保持與工作流體分開，而工作流體仍然由氮組成。
實際上，液態(tài)氮基本上是在一個比較低的壓力下被貯存或使用的，這個壓力比把氮等壓地冷卻到它的臨界溫度以下時氣態(tài)氮所處的壓力還要低。因此，在完成這種等壓冷卻后，處在臨界溫度以下的氮通過膨脹或減壓閥，從而使它所受的壓力大大地減小了。因此，液態(tài)氮和大量的被稱之為“閃蒸氣體”的氣體一起產(chǎn)生，這種膨脹基本上是等焓的，其結(jié)果導(dǎo)致氮的溫度的降低。
通常，工業(yè)上慣用的使氮液化的方法的熱力學(xué)效率是比較低的，要提高這一效率有足夠大的余地。在現(xiàn)有技術(shù)中都比較強調(diào)通過增進熱交換的效率來提高方法的總效率。為此，對熱交換氣中許多點上的各個氣流之間的溫度差異已做了許多分析，以確定熱交換器的總的熱力學(xué)效率。
我們的方法不僅僅包括增進熱交換的效率，而且進一步地使熱交換器的總的熱負荷顯著地減小，同時還進一步改善工作流體循環(huán)的性能。眾所周知，在氮液化器中采用二個或多個這種工作流體循環(huán)，對互相相鄰但又不重疊的溫度范圍進行致冷，稱之謂“序列結(jié)構(gòu)”，例如，見英國專利申請2162298A和2162299。因此在一種序列結(jié)構(gòu)中，一個“熱渦輪工作流體循環(huán)”可包括對從200K到160K范圍所生成的液流進行致冷，一個“中間渦輪工作流體循環(huán)”可以對從160K到130K范圍所生成的液流進行致冷，還有一個“冷渦輪工作流體循環(huán)”可以再對從130K到100K的流液冷卻。在一種序列中，只使用二個渦輪也是可能的，一個渦輪是“熱渦輪工作流體循環(huán)”的一部分，另一個渦輪是“冷渦輪工作流體循環(huán)”的一部分。這里對渦輪所說的“冷”、“中間”和“熱”的區(qū)別是指相應(yīng)渦輪的入口的溫度。
按照本發(fā)明，提供了一種液化由氮和甲烷組成的永久氣體流的方法，包括在提高壓力時把永久氣體流的溫度降到它的臨界溫度以下，并且至少執(zhí)行兩個氮工作流體循環(huán)，以提供至少將永久氣體的溫度降到它的臨界溫度以下所需要的部分致冷的步驟，每一個這樣的氮工作流體循環(huán)包括壓縮氮工作流體，使作功膨脹的氮工作流體通過與所說的氮的氣流進行逆向的熱交換而加熱，從而導(dǎo)致對永久氣體流致冷。其中，在至少一個氮工作流體循環(huán)中，作功膨脹要在一個比較高的溫度時開始，該溫度比在至少一個其它的氮工作流體循環(huán)中開始作功膨脹時的溫度要高。而且，在每一個工作流體循環(huán)中，在作功膨脹結(jié)束時氮工作流體的溫度與在其它工作流體循環(huán)中作功膨脹結(jié)束時氮工作流體的溫度相同或基本相同。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在作功膨脹結(jié)束時，有一個亞臨界狀態(tài)的溫度會使熱的和中間的渦輪工作流體循環(huán)的效率得到驚人的提高。而且還發(fā)現(xiàn)在一個熱的或中間的工作流體循環(huán)中(以及在一個冷工作流體循環(huán)中)在膨脹結(jié)束時，使工作流體處于飽和或接近飽和狀態(tài)，則具有顯著的益處。此外，試驗表明可用保持高的渦輪輸出口的壓力來提高這些循環(huán)的效率。我們還進一步發(fā)現(xiàn)，熱渦輪工作流體循環(huán)的效率有隨著作功膨脹開始時的溫度減小而增加的趨勢。在所述的被選擇的氮工作循環(huán)中，氮開始膨脹所處的最佳溫度取決于由工作流體循環(huán)提供的純冷卻，及外界溫度與上界溫度之間致冷是如何來實現(xiàn)的(上界溫度與氮工作流體作功膨脹時所處的最高溫度相等)。在常用的氮液化器中，在HanKine致冷循環(huán)中，常用氟利昂致冷劑(注冊商標)來實現(xiàn)外界溫度與210K之間的冷卻。同時還發(fā)現(xiàn)，在210K以下，這樣一種致冷循環(huán)的效率隨著溫度的降低迅速下降。我們認為用一種混合的致冷劑的致冷循環(huán)來代替氟利昂致冷劑的致冷循環(huán)可以擴大氟利昂致冷循環(huán)工作的溫度范圍。這種混合致冷劑可以由碳氫化合物的混合物或者氟利昂的混合物(或二者)組成。因此，典型地，當(dāng)采用一種混合的致冷劑時，可以實現(xiàn)在外界溫度和溫度在175K至190K范圍之間的氮液流的致冷。例如，這溫度可以是185K或者是175K。這樣，在熱渦輪工作流體循環(huán)中的作功膨脹也可以在175K到190K范圍內(nèi)的某一個溫度開始。此外，為了造成在熱工作流體循環(huán)中由作功膨脹引起的必需的溫度下降，我們建議至少在75大氣壓力下來開始作功膨脹，如果是在80至90大氣壓下，則更可取。
我們的研究表明，如果氮工作流體在每次作功膨脹結(jié)束時處在相同的亞臨界溫度時，范圍從110K到126K，而且最好在同一壓力下。尤其，如果流體是飽和的，則采用本發(fā)明的這些研究結(jié)果對整個液化器的效率最得益，雖然溫度可能因為飽和溫度限制在它的較低一端，有2度絕對溫度范圍差。這樣一種配置與“序列”結(jié)構(gòu)不同，雖然每一個渦輪工作流體循環(huán)所提供的使產(chǎn)品液流致冷的最高溫度與每個和其它循環(huán)中最高溫度是不同的，但致冷提供的最低溫度對所有循環(huán)基本上是相同的。
研究表明，渦輪工作流體循環(huán)的這樣一種優(yōu)選的配置，我們稱之為“平行”配置，結(jié)果與類似的“序列”狀況相比較，使得液化器內(nèi)的主熱交換器的熱負荷顯著減少。用按照本發(fā)明運行的熱渦輪工作流體循環(huán)，根本上減小了用于提供用較冷的工作流體循環(huán)來液化液流所需的致冷。這種根本的減少反過來也減小了為了較冷的工作流體循環(huán)而供給渦輪入口的工作流體所需的這類致冷，所述的致冷要求的減小明顯地降低了較熱的熱交換器的熱負荷。
最好，根據(jù)要液化的永久氣體氣流的壓力，采用二個或者三個氮工作流體循環(huán)。使欲液化的氣流中的氮最好被壓縮到大于它的臨界壓力，在這種臨界壓力狀態(tài)下，在用所述的氮工作流體循環(huán)而冷卻的下游，就會產(chǎn)生至少三次連續(xù)的等焓膨脹，所生成的閃蒸氣體在每一等焓膨脹后從所生成的流體中被分離出來。最后一次除外。這些來自每次等焓膨脹的液體都是在緊接著出現(xiàn)的等焓膨脹中的流體，而且至少有一部分(一般是全部)所述的閃蒸氣體與欲液化的氮氣流進行了逆向熱量交換。一般，在欲液化的氮氣流進行熱交換以后，出來的閃蒸氣體與新的進入的欲液化的氮又被重新壓縮。所以，除了流體等焓膨脹階段之外，永久氣體在所述的氮工作流體循環(huán)冷卻的下游，借助于一個或多個膨脹渦輪，其壓力會減少。
下面，參考附圖用例子來說明本發(fā)明的方法，其中圖1是工藝流程示意圖，表示按本發(fā)明的方法運行的一套設(shè)備。
圖2是熱量有效利用率圖表，表示了二種溫度-焓分布之間的比較，一種是被冷卻的氮的液流與在工作流體循環(huán)中供給氮工作流體的液流結(jié)合在一起時的溫度-焓的分布，另一種是在工作流體循環(huán)中返回的氮工作流體與返回的閃蒸氣體結(jié)合在一起時的溫度-焓分布。
圖3也是熱量有效利用率圖表，表示了各別的工作流體循環(huán)對上面提到的工作流體循環(huán)的組合冷卻曲線和被冷卻的產(chǎn)品的溫度-焓分布的貢獻。
圖4是熱量有效利用率的示意圖，表示熱交換器負荷對熱量交換的熱力學(xué)損耗的影響。
參照附圖1，輸入的氮氣流2通過多級循環(huán)壓縮機4，達到最低的壓力級，當(dāng)?shù)鬟^壓縮機時，氮的壓力逐級提高。壓縮機4的主出口與管道10相連，處在大約50個絕對大氣壓下的氮依次流過熱交換器16，18，20，22和24。這個欲液化的氮氣流逐漸被冷卻到氮的臨界溫度以下的某一個溫度(一般約為122-110K)。在離開交換器24的冷端以后，氮被輸入到一個膨脹渦輪52內(nèi)，在這里，氮被膨脹到氮的臨界壓力下的某一壓力，所得到的液體和蒸氣的混合物從膨脹渦輪的出口通過管道54進入第一分離器26，混合物在分離器中被分離成流體和蒸汽流28，流體收集在分離器26內(nèi)。然后，從分離器26來的液體流經(jīng)第一個減壓閥或焦耳-湯姆遜閥30，形成流體和閃蒸氣體的混合物，然后流進第二級分離器36內(nèi)，在這里，混合物又被分離成閃蒸氣體流38和液體，液體收集在分離器36內(nèi)。從分離器36出來的液體流經(jīng)第二個減壓閥或焦耳-湯姆遜閥40，所產(chǎn)生的液體和閃蒸氣體的混合物依次進入第三級分離器46，在這里，它又被分離成閃蒸氣體流48和大量的液體，這些液體收集在分離器46內(nèi)。液體從分離器46出來通過一個出口閥門流出，此時壓力為1.3個絕對大氣壓。
離開各個分離器26，36和46的蒸氣流28，38和48都與管道10中氮氣流的流動方向逆向而行，依次經(jīng)過熱交換器24，22，20，18和16返回。在離開熱交換器16的暖端以后，這些氮氣流又都返回到壓縮機4的不同的級，從而與正在進入的氣體2再結(jié)合。
從圖1我們看到，熱交換器24的所有的冷卻是由蒸氣流28，38和48來實現(xiàn)的，這些蒸氣流分別是從分離器26，36和46返回來的。而對熱交換器22，20，18和16還有另外的冷卻是通過三個氮工作液體循環(huán)62，72和82來實現(xiàn)的。
氮壓縮機4有一個出口8，用于把壓力為43個絕對大氣壓的第一支氮的流體提供給循環(huán)62和膨脹渦輪64作為工作流體。增壓壓縮機66直接與膨脹渦輪64連接，吸收由工作流體膨脹所產(chǎn)生的功。增壓壓縮機66與循環(huán)82相連(為了清楚起見，在圖1中略去互相連接的管道布置)。
對于工作流體循環(huán)72，氮是由管道12供給的，壓力為50個絕對大氣壓，在進入膨脹渦輪74以前，它的壓力在增壓器76內(nèi)被增壓。
對于循環(huán)82，工作流體是從壓縮機4的有50個絕對大氣壓的出口出來，通過管道14來供給的，為了使到膨脹渦輪84入口的工作流體達到最大壓力，圖上給出了三個增壓器裝置，一個是如前面所述直接連接的增壓器66，一個是來自渦輪84的增壓器86。此外，還有一個電驅(qū)動橋式壓縮機級6。
在渦輪64，74和84內(nèi)作功膨脹以后，處在飽和狀態(tài)或接近飽和狀態(tài)的工作流體分別通過管道68，78和88流到一個防護分離器56，通過分離器56的工作流體的蒸氣經(jīng)過管道60依次流經(jīng)熱交換器22，20，18和16，在那里，在它返回到氮壓縮機4的中間級之前中止冷卻，提高了溫度。設(shè)置防護分離器56是使每一個渦輪64，74和84或者它們中任何一個可以在接近飽和情況下工作，但在實際中，可能有若干流體在出口處，所述的流體收集在保護分離器56內(nèi)，通過閥門58流入一組分離器26，36，46內(nèi)。
由圖1可見，渦輪64的入口在熱交換器16，18和20中被冷卻，渦輪74的入口在熱交換器16和18中被冷卻，而渦輪84的入口在熱交換器90中被冷卻，后者在工作流體的回路82中須經(jīng)受最大的壓力，并且一個混合致冷劑系統(tǒng)92向由熱交換器16和90組成的熱交換器系統(tǒng)的熱端提供所要求的額外的冷卻，調(diào)節(jié)通過管道94的流量來平衡熱交換器16。
前面的介紹中已提到本發(fā)明與常用的液化器序列配置相比較，能使較熱的熱交換器的熱負荷達到明顯的減小，這一減小可以由圖2的熱有效利用率曲線來說明，它表示了在液化器的熱交換器中，焓作為經(jīng)受等壓加熱或冷卻的全部液流的溫度的函數(shù)變化，曲線(a)和(b)是本發(fā)明的曲線，在本發(fā)明中，工作流體循環(huán)是平行配置的，曲線(c)和(d)是屬于序列配置的。對于平行配置，曲線(a)表示了對溫度被減少的全部液流其焓相對于溫度變化之和，這一和是由要被液化的氣體的液流中焓的變化和輸入到每一個渦輪工作流體循環(huán)中的液流中焓的變化而組成的。這些輸入的液流一旦進入到它們相連接的渦輪中，就不再包括在圖表所示的焓-溫度曲線(a)中。曲線(b)也是關(guān)于本行配置的，它給出了全部溫度增加的液流其焓相對于溫度的和的關(guān)系，這個和包括了在每一個工作流體循環(huán)中從渦輪返回的每一個氣流的焓的變化以及在所有的返回的“閃蒸氣體”氣流內(nèi)的焓的變化。
為方便起見，選定圖中某點的焓為零，在該點所表示的溫度最低。
同樣，曲線(c)表示了在序列配置中所有溫度被降低的液流其焓變化之和。曲線(d)表示在序列配置中所有溫度增加的氣流的焓變化之和。圖中也給出了在圖1中所示的各個熱交換器的焓的范圍。交換器的溫度范圍，對于熱交換器16(圖1)為300-200K，交換器18其溫度范圍為200-150K，交換器20其溫度范圍為150-110K。溫度范圍可以任意選定，這對序列配置和平行配置都相等，因而并不反映我們這種選擇是必要的。
圖2所示的序列配置和平行配置兩組曲線都是用近似的比例繪制的，都是有關(guān)于具有同樣的液化產(chǎn)品輸出率的液化器，但是曲線有很大的不同，對于序列配置的曲線(c)和(d)，從它們的0值到圖2上300K那一點，所設(shè)的該點(h)表明了總的焓的變化明顯大于在平行配置中相應(yīng)點(h′)的總的焓的變化，圖中這一點(h′)也在300K。眾所周知，焓值，即點h和h′的橫座標，它們是圖2所示的交換器的總的熱負荷。在平行配置的情況下，所表示的交換器的總的熱負荷明顯地小于相應(yīng)的序列配置情況下交換器的總的熱負荷。
在交換器16(見圖1)中所受到的總的熱負荷的減少甚至更為明顯。在圖2中，在序列配置情況下，交換器16的負荷為圖中g(shù)點和h點之間焓的差，而在平行配置情況下，這個負荷為g′點和h′點之間焓的差?？梢钥闯?，在序列配置情況下，熱交換器的負荷是比在平行配置情況下要高得多。
再參見圖2的示意曲線，在曲線(a)和(b)之間以及曲線(c)和(d)之間各有一個陰影線區(qū)，這個區(qū)按圖的比例表示了由圖中所表示的總的熱交換而產(chǎn)生的熱力學(xué)損耗。由已有技術(shù)可知，為了減小這些損耗，應(yīng)該改變我們所談到的液流中焓變化之和，以使這些曲線盡可能互相靠近，但也不是接近到在圖所表示的交換器中任何一點上。在圖中一條垂直線上所測量的兩條曲線之間的溫度差小于某一預(yù)定的值，這個預(yù)定值是由交換器的設(shè)計給定的，一般在溫度150K左右時，這個預(yù)定值為2K或小于2K。
關(guān)于在一個液化器內(nèi)由熱交換而產(chǎn)生的這個熱力學(xué)損耗，可以認為，在本發(fā)明的情況下，由于有關(guān)的特征的結(jié)合，這些損耗可以減小到至今尚未達到的程度。這些特征是(a)和(b)，特征(a)可用來實現(xiàn)對圖2中所示的總和曲線的溫度一焓的關(guān)系的調(diào)節(jié)，而特征(b)是由前面已提到過的交換器16和18的低的總熱負荷。這些特征現(xiàn)將予以詳細說明。
參見圖3，對于本發(fā)明的平行配置的溫度一焓曲線的示意圖，非常像圖2中曲線(a)和(b)，現(xiàn)在圖的比例不同，它們作了一定比例的放大，以使所要說明的特征顯示得更清楚些。曲線(a′)是只對于提供產(chǎn)品的液流和“閃蒸氣體”返回液流的“冷卻曲線”，曲線(b′)，如前所述，是表示作為溫度函數(shù)的總的焓的變化的“加熱曲線”。這些變化是在渦輪中返回的氣流內(nèi)和閃蒸氣體流內(nèi)的焓的變化之和，因為在本發(fā)明的最佳實施例中，由每一個以及各個工作流體循環(huán)渦輪出來的液流具有相同的溫度和壓力，這些液流可以組合成一個返回流，如圖3(b)所示。通常，可以對出口壓力和溫度的一致性允許有一些小的偏差，但這只是以效率損耗為代價，尤其當(dāng)采用許多返回的液流，而這些液流仍是互相分離的時候。這樣一種液流的流量在總體上可以進行調(diào)節(jié)，表示它是各個工作流體循環(huán)流量的和。這一種調(diào)節(jié)要首先進行，以使圖3中曲線(b)的上升率將是這樣的，即這條曲線(b)在可以看到的二條曲線最接近的地方(點(p)處)盡可能靠近曲線(a′)，但也不是接近到以致于破壞前面所提到的條件，即在每一個以及各個交換器的所有部分仍然保持最小的溫度差。曲線(a′)和(b)的最接近的這一點稱為“低溫收縮”點。
可見，溫度處在低溫收縮點的溫度以上時，曲線(a′)和(b)是互相分離開來的。但曲線(a′)不包括輸入到工作流體循環(huán)的液流的溫度一焓分布。必須對這些液流進行選擇，致使所形成的曲線在低溫收縮點以上盡可能接近曲線(b)。當(dāng)然，要受到如前面所述的最小溫度差條件的約束。
本發(fā)明方法所提供的一個優(yōu)點是在每一個工作流體循環(huán)中的流量可以獨立于在其它工作流體循環(huán)中的流量進行選取，只受下述條件的約束即這些流量的總和要與已經(jīng)按照使曲線(a′)和(b)在低溫收縮點適當(dāng)接近的要求而確定的流量相等。另一個優(yōu)點是進入每一個渦輪的工作流體的溫度可以獨立于所有其它工作流體進行選擇。在包含有三個工作流體循環(huán)的本發(fā)明最佳實施例中，有五個自由度可以用來使上述所形成的曲線調(diào)節(jié)到非常接近曲線(b)，以使熱交換的熱力學(xué)損耗限于非常低的程度。使每一個渦輪出口具有同樣的壓力和溫度，則這種調(diào)節(jié)就容易做到。
圖3表明這種調(diào)節(jié)是如何實現(xiàn)的，從溫度略高于(p)點的(m)點開始，曲線(i)表示由曲線(a′)所代表的輸入氣流以及提供給冷渦輪工作流體循環(huán)作為流體的液流的焓-溫度關(guān)系。所述的冷渦輪工作流體循環(huán)的入口，即所述的冷渦輪的入口是處在圖上點(m)處的溫度下。對由曲線(i)所表示的流量進行調(diào)節(jié)，使由曲線(i)和(b)之間的垂直距離所表示的溫度差處處都不小于一個預(yù)先給定的值，但是經(jīng)調(diào)節(jié)后，曲線(i)在溫度較高時仍然與曲線(b)輻散開來。因此，從點(n)開始，對一個中間渦輪工作流體輸入液流，把這液流加到由曲線(i)表示的這些流量內(nèi)，中間渦輪工作流體循環(huán)用曲線(j)表示，點(n)位于曲線(i)上，是處于中間渦輪輸入口的溫度，再對流入中間渦輪工作流體循環(huán)的流量進行選擇，使得曲線(j)和(b)總是按至少是預(yù)定的最小溫度差的距離垂直分離開來。最后，曲線(K)從點(O)開始，所述的曲線表示輸入液化器內(nèi)的總流量。因此，圖2中的曲線(a)實際上就是圖3中的曲線(a′)到點(m)，點(m)和(n)之間的曲線(i)，點(n)和點(o)之間的曲線(j)，和從點(o)到由上述的氟利昂或混合致冷劑循環(huán)所提供的致冷的最低溫度的曲線(K)。
至此闡明了一個事實，即本發(fā)明提供了比常用的序列配置方法可得到的更為低的交換器熱負荷，這個事實的本身就是一個使熱交換的熱力學(xué)損耗降到異常低程度的因素。這可以從圖4中看到，圖4也是熱量有效利用率的示意圖，但比例不同，圖中表示了兩個交換器，在這兩個交換器中，在所有的點上兩者的溫度差互相一致，但交換器(b)的熱負荷為交換器(a)的熱負荷的兩倍，很明顯，在(a)情況中曲線之間的面積通過仔細觀察或者通過公知的平面幾何公式計算，可以看出是(b)情況中曲線之間面積的一半。換言之，表明(b)情況中的熱力學(xué)損耗是(a)情況的兩倍。結(jié)果使負荷加于加熱器上。
再參見圖2，在低溫收縮點的下方，曲線(a)和(b)也是互相分離開來的，并且分離的程度比(p)點上方更大。某些人認為，從將熱交換的熱力學(xué)損耗減小到最低程度的觀點來看，使這些曲線在(p)點以下互相靠近是有利的。要做到這一點的方法是向圖上從點(p)向下到點(l)的大致范圍內(nèi)供給附加的致冷。相反，我們認為這不是有利的，因為上述的附加的致冷會加大點(p)以上的熱負荷，也就是增加了熱負荷，這正如我們所表明那樣，即增加了這些熱交換器的熱力學(xué)損耗。我們認為，這個損耗的增加抵消了點(p)以下?lián)p耗的減小，到一定程度可能使這一個熱損耗的減小完全無效。
關(guān)于在本發(fā)明中所使用的工作流體循環(huán)的量，所做的工作已經(jīng)表明，這在很大程度上取決于欲液化的氮氣流的壓力。在50個絕對大氣壓的壓力下和在50個大氣壓以下時，寧可使用三個這種循環(huán)，雖然在一定條件下已表明二個循環(huán)已足夠了。而當(dāng)在50個大氣壓以上時，可以選取二個這樣的循環(huán)。
在本發(fā)明的一個最佳實施例中，冷卻一個具有50個大氣壓的氮流，使用了三個工作流體循環(huán)。所有渦輪的輸出壓力為15至16個大氣壓，輸出口的溫度為117.5K(在16個大氣壓下)。熱渦輪工作流體循環(huán)在渦輪入口的溫度為175K至185K范圍內(nèi)，輸入壓力在80至90個大氣壓范圍內(nèi)變動，中間渦輪工作流體循環(huán)在渦輪入口的溫度為165K至155K范圍內(nèi)，渦輪入口壓力在60至65個大氣壓范圍內(nèi)變動，而冷渦輪工作流體循環(huán)在渦輪入口的溫度為150K至140K范圍內(nèi)，并且渦輪入口壓力在45至48個大氣壓范圍內(nèi)變動。
對圖1所示的液化器可以作各種各樣不偏離本發(fā)明的變化和修改，例如混合致冷劑系統(tǒng)92可以由另外所選擇的致冷系統(tǒng)來取代，如使用一個單一致冷劑的系統(tǒng)，也可以采用由圖1所示的液化器來液化甲烷而不是氮。在本例子中，在所有所述的工作流體循環(huán)中仍用氮作為工作流體。
權(quán)利要求
1.一種液化由氮或甲烷組成的永久氣體流的方法，包括在提高壓力時把永久氣體流的溫度降到它的臨界溫度以下，和至少執(zhí)行兩個氮工作流體循環(huán)，以提供至少將永久氣體的溫度降到它的臨界溫度以下所需要的部分致冷的步驟，每一個這樣的氮工作流體循環(huán)包括壓縮氮工作流體，并使它冷卻，使被冷卻的氮工作流體作功膨脹，使作功膨脹的氮工作流體與所述的氮氣流進行逆向的熱交換而加熱，從而導(dǎo)致對永久氣體流致冷。其中，在至少一個氮工作流體循環(huán)中，作功膨脹要在一個比較高的溫度開始，該溫度比在至少一個其它的氮工作流體循環(huán)中開始作功膨脹時的溫度要高，而且，在每一個工作流體循環(huán)中，在作功膨脹結(jié)束時，氮工作流體的溫度與在其它工作流體循環(huán)中作功膨脹結(jié)束時氮工作流體的溫度相同或基本相同。
2.按權(quán)利要求
1所述的方法，其特征是在所述的至少一個工作流體循環(huán)中，氮工作流體的溫度在作功膨脹開始時要低于200K。
3.按權(quán)利要求
2所述的方法，其特征是使所述的永久氣體流從外界溫度下降到所述的溫度的致冷是直接或間接地用一個混合致冷劑循環(huán)來提供。
4.按上述權(quán)利要求
中任何一項所述的方法，其特征是在每一個工作流體循環(huán)中，工作流體被膨脹后的壓力與在另一個或另幾個循環(huán)中工作流體被膨脹后的壓力一樣。
5.按上述權(quán)利要求
中任何一項所述的方法，其特征是在所述的至少一個工作流體循環(huán)中，作功膨脹開始的壓力至少是75個大氣壓。
6.按權(quán)利要求
5所述的方法，其特征是在壓力低于所述的作功膨脹開始時的壓力時，通過所述的熱交換把所述的永久氣體流的溫度降低到它的臨界溫度以下。
7.按上述權(quán)利要求
中的任何一項所述的方法，其特征是在每一個氮工作流體循環(huán)中，在作功膨脹結(jié)束時氮處于飽和或近飽和狀態(tài)。
8.按權(quán)利要求
7所述的方法，其特征是氮在作功膨脹結(jié)束時的溫度因為飽和溫度限制它處在較低的一端，差2度絕對溫度值。
9.按上述權(quán)利要求
中任何一項所述的方法，其特征是所述的永久氣體流的壓力被提高到大于它的臨界壓力，同時經(jīng)過與所述的氮工作流體進行熱交換后，所述的永久氣體流被膨脹到存貯的壓力，致使產(chǎn)生的液體被收集，同時產(chǎn)生的氣體與所述的永久氣體流進行逆向熱交換。
10.按上述權(quán)利要求
中任何一項所述的方法，其特征是在所述的至少一個氮工作流體循環(huán)中，流到作功膨脹裝置入口處的工作流體中至少有一部分是在一個熱交換器中由于熱交換而冷卻，這一個熱交換器是與冷卻永久氣體的熱交換器分開來的。
專利摘要
受壓縮的氮(或甲烷)的氣流在臨界壓力以上沿著管道10依次通過熱交換器16，18，20，22和24，使其冷卻到它的臨界溫度以下，然后生成的流體經(jīng)歷膨脹，產(chǎn)生的液體被收集起來。熱交換器的致冷是通過氮工作流體循環(huán)62，72和82，分別使用膨脹渦輪64，74和84來提供的，渦輪有不同的入口溫度，但出口溫度基本上相同。
文檔編號F25B9/02GK87103872SQ87103872
公開日1987年11月18日 申請日期1987年5月2日
發(fā)明者羅伯特·G·蓋茨, 約翰·馬歇爾 申請人:英國氧氣集團公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan