CN216204684U - 基于双回路循环氢气制冷的氢气液化*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，氢气液化***包括氢气液化单元以及循环氢气制冷剂制冷循环回路单元，氢气液化单元包括依次连接的原料氢气增压模块、液化冷箱模块、液化氢气储存模块，用于对原料氢气液化综合处理并储存；循环氢气制冷剂制冷循环回路单元包括循环氢气制冷剂压缩模块以及所述液化冷箱模块，用于冷却并液化所述原料氢气，本实用新型采用双回路循环氢制冷的氢液化结构，根据不同的温度区间提供相应的冷量，制冷剂的流量分配经过优化，在最小总流量下达到设计要求，性能好、能耗低、液化率高、产品液氢的纯度高、液氢蒸发损失小、安全性较高。

Description

基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***

技术领域

本实用新型涉及化工与低温工程技术领域，具体地，涉及一种基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***。

背景技术

氢气作为一种优质的清洁能源已经在全世界范围内引起越来越多关注，有望成为主要的能源载体。氢气的利用需要解决氢的生产、储存、运输和应用等问题，其中氢能的长距离储存是关键。

高压缩氢、金属氢化物、氨、甲基环己烷、液态氢等都可以用于氢能的储存，但是目前只有液态氢可以满足质量、体积储氢密度和储氢温度的要求，因此液化氢气是实现长距离存储和运输大量氢气的一种经济高效的方法，可为各种应用提供低压、高能量密度的燃料，将在清洁能源产业链中发挥重要作用。

氢液化循环主要分为两大类：林德-汉普森液化循环和克劳德液化循环。这两个循环的主要区别在于膨胀过程：第一个膨胀过程是使用膨胀阀，第二个加入了膨胀机。另一方面，氢液化的基本循环还包括简单克劳德、卡皮查、双压克劳德、预冷林德-汉普森、预冷双压林德-汉普森、预冷简单克劳德、预冷双压克劳德、氦预冷克劳德和预冷混合制冷剂循环。氢液化过程中，预冷和制冷部分常用的制冷剂是氢、氦、氮以及不同成分的混合制冷剂。采用氢气制冷循环的优点包括不需要额外的制冷剂和相变制冷且效率更高，但是目前对于氢气制冷液化工艺流程的研究较少。因此，有必要对氢制冷循环进行更深入的研究。

专利文献CN108759301B公开了一种结合正仲氢转化的回收低温气态氢用于液化工艺中的氢气液化工艺，该工艺采用氢气作为制冷剂冷却液化氢，对液氢储罐中气化的低温气态氢进行回收利用，避免直接排放的能源浪费的同时为氢气液化提供冷量、降低能耗，但该设计在回收利用氢时未考虑制冷剂与气化氢的组分差异，结构设计不合理。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***。

根据本实用新型提供的一种基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，包括：

氢气液化单元，包括依次连接的原料氢气增压模块、液化冷箱模块、液化氢气储存模块，用于对原料氢气液化综合处理并储存；

循环氢气制冷剂制冷循环回路单元，包括循环氢气制冷剂压缩模块以及所述液化冷箱模块，用于冷却并液化所述原料氢气。

优选地，所述原料氢气增压模块包括依次相连的原料氢气第一级压缩机、原料氢气第一级冷却器、原料氢气第二级压缩机、原料氢气第二级冷却器。

优选地，所述液化冷箱模块包括第一级换热器、第二级换热器、第一级正仲氢转化器、第三级换热器、循环氢气分配器、第四级换热器、第五级换热器、第六级换热器、第一级氢节流装置、第七级换热器、第二级正仲氢转化器、第二级氢节流装置、第一级制冷剂节流装置、第二级制冷剂节流装置、制冷剂混合器以及第三级制冷剂节流装置；

从所述原料氢气增压模块输出的氢气经第一级换热器、第二级换热器、第一级正仲氢转化器后再通过第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器、第五级换热器、第六级换热器、第一级氢节流装置、第七级换热器、第二级正仲氢转化器后再经第七级换热器、第二级氢节流装置后运送至液化氢气储存模块中储存。

从循环氢气制冷剂压缩模块中输出的氢气制冷剂经第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器后进入循环氢气分配器，其中，所述循环氢气分配器包括第一出口支路以及第二出口支路，其中：

所述第一出口支路依次连接第四级换热器、第五级换热器、第六级换热器、第三级制冷剂节流装置、第七级换热器后再经第六级换热器、第五级换热器、第四级换热器、第三级换热器、第二级换热器、第一级换热器后连接所述制冷剂混合器所具有的第一混合器进口支路；

所述第二出口支路依次连接第一级制冷剂节流装置、第五级换热器、第二级制冷剂节流装置、第六级换热器、第五级换热器、第四级换热器、第三级换热器、第二级换热器、第一级换热器后连接所述制冷剂混合器所具有的第二混合器进口支路；

所述制冷剂混合器的出口连接所述循环氢气制冷剂压缩模块。

优选地，所述循环氢气制冷剂压缩模块包括依次连接的第一级循环氢气压缩机、第一级循环氢气冷却器、第二级循环氢气压缩机、第二级循环氢气冷却器。

优选地，所述第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器、第五级换热器、第六级换热器、第七级换热器均为多股流换热器。

优选地，所述换热器形式为板翅式换热器或绕管式换热器。

优选地，所述第一级氢节流装置、第二级氢节流装置、第一级制冷剂节流装置、第二级制冷剂节流装置、第三级制冷剂节流装置均采用节流阀或膨胀机。

优选地，还包括氮气液化单元以及制氮模块；

所述制氮模块连接所述氮气液化单元，制氮模块用于制氮且制取的氮气通过所述氮气液化单元液化。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型采用双回路循环氢制冷的氢液化结构，根据不同的温度区间提供相应的冷量，制冷剂的流量分配经过优化，在最小总流量下达到设计要求，性能好、能耗低。

2、本实用新型液化工艺能耗低，对不同气源适应性较强，适合氢气液化装置的液化流程，实用性强。

3、本实用新型液化率高、产品液氢的纯度高、液氢蒸发损失小、安全性较高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***的结构简图。

图中示出：

1-原料氢气第一级压缩机 15-第二级正仲氢转化器

2-原料氢气第一级冷却器 16-第二级氢节流装置

3-原料氢气第二级压缩机 17-第一级制冷剂节流装置

4-原料氢气第二级冷却器 18-第二级制冷剂节流装置

5-第一级换热器 19-制冷剂混合器

6-第二级换热器 20-第一级循环氢气压缩机

7-第一级正仲氢转化器 21-第一级循环氢气冷却器

8-第三级换热器 22-第二级循环氢气压缩机

9-循环氢气分配器 23-第二级循环氢气冷却器

10-第四级换热器 24-第三级制冷剂节流装置

11-第五级换热器 25-液化氢气储存模块

12-第六级换热器 26-原料氢气增压模块

13-第一级氢节流装置 27-液化冷箱模块

14-第七级换热器 28-循环氢气制冷剂压缩模块

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型提供了一种基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，包括氢气液化单元以及循环氢气制冷剂制冷循环回路单元，氢气液化单元包括依次连接的原料氢气增压模块26、液化冷箱模块27、液化氢气储存模块25，用于对原料氢气液化综合处理并储存，具体地，用于将原料氢气经过脱水、净化、压缩、冷却液化、正仲氢转化并降压后储存；循环氢气制冷剂制冷循环回路单元包括循环氢气制冷剂压缩模块28以及液化冷箱模块27，用于合理分配、循环利用氢制冷剂冷却并液化原料氢气。

具体地，如图1所示，原料氢气增压模块26包括依次相连的原料氢气第一级压缩机1、原料氢气第一级冷却器2、原料氢气第二级压缩机3、原料氢气第二级冷却器4。

进一步地，液化冷箱模块27包括第一级换热器5、第二级换热器6、第一级正仲氢转化器7、第三级换热器8、循环氢气分配器9、第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12、第一级氢节流装置13、第七级换热器14、第二级正仲氢转化器15、第二级氢节流装置16、第一级制冷剂节流装置17、第二级制冷剂节流装置18、制冷剂混合器19以及第三级制冷剂节流装置24。

从原料氢气增压模块26输出的氢气经第一级换热器5、第二级换热器6、第一级正仲氢转化器7后再通过第二级换热器6、第三级换热器8、第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12、第一级氢节流装置13、第七级换热器14、第二级正仲氢转化器15后再经第七级换热器14、第二级氢节流装置16后运送至液化氢气储存模块25中储存。

从循环氢气制冷剂压缩模块28中输出的氢气制冷剂经第一级换热器5、第二级换热器6、第三级换热器8后进入循环氢气分配器9，其中，循环氢气分配器9包括第一出口支路91以及第二出口支路92，其中：

第一出口支路91依次连接第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12、第三级制冷剂节流装置24、第七级换热器14后再经第六级换热器12、第五级换热器11、第四级换热器10、第三级换热器8、第二级换热器6、第一级换热器5后连接制冷剂混合器19所具有的第一混合器进口支路191。

第二出口支路92依次连接第一级制冷剂节流装置17、第五级换热器11、第二级制冷剂节流装置18、第六级换热器12、第五级换热器11、第四级换热器10、第三级换热器8、第二级换热器6、第一级换热器5后连接制冷剂混合器19所具有的第二混合器进口支路192，制冷剂混合器19的出口连接循环氢气制冷剂压缩模块28。

如图1所示，循环氢气制冷剂压缩模块28包括依次连接的第一级循环氢气压缩机20、第一级循环氢气冷却器21、第二级循环氢气压缩机22、第二级循环氢气冷却器23。

需要说明的是，第一级换热器5、第二级换热器6、第三级换热器8、第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12、第七级换热器14均为多股流换热器，换热器形式为板翅式换热器或绕管式换热器，能够充分起到换热的效果，提高换热效率。

第一级氢节流装置13、第二级氢节流装置16、第一级制冷剂节流装置17、第二级制冷剂节流装置18、第三级制冷剂节流装置24可根据实际需求采用节流阀、膨胀机中的任一种。

本实用新型还可以根据***的实际需求设置如氮气液化单元、仪控单元、仪风表及PSA制氮模块以及发电机模块，例如，发电机模块用于在没有供电***时，为再液化流程提供电能，起到备用供电的作用，再例如，制氮模块连接所述氮气液化单元，制氮模块用于制氮且制取的氮气通过所述氮气液化单元液化，第一级换热器5和第二级换热器6的预冷冷量均优选采用液氮。

为更清楚的介绍本实用新型，下面通过一个具体的实施例进一步说明

原料氢气的压力0.1MPa，温度25℃，摩尔组分为25.1％仲氢(para-hydrogen)、74.9％正氢(ortho-hydrogen)，流量为63kmol/h；循环氢气制冷剂流量278.6kmol/h。采用液氮预冷、双回路循环氢气制冷的氢气液化***，液化氢气的具体步骤如下：

M1:原料氢气经净化、脱水至无水分和杂质；

M2:经M1预处理得到的原料氢气经原料氢气两级压缩机(原料氢气第一级压缩机1、原料氢气第二级压缩机3)压缩至2.4Mpa，经原料氢气两级冷却器(原料氢气第一级冷却器2、原料氢气第二级冷却器4)冷却至37℃；

M3:经M2的原料氢气经过第一级换热器5、第二级换热器6冷却至-192℃，经过第一级正仲氢转化器7进行氢的正仲态转化至组分变为49.8％仲氢(para-hydrogen)、50.2％正氢(ortho-hydrogen)；

M4:经M3转化后的原料氢经过第三级换热器8、第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12冷却至-236℃；

M5:经M4冷却后的原料氢经第一级氢节流装置13节流降压至1.4MPa后进入进入第七级换热器14冷却至-245℃，进入第二级正仲氢转化器15中再次进行正仲态转化至组分变为99.1％仲氢(para-hydrogen)、0.9％正氢(ortho-hydrogen)，

M6:经M5转化后的原料氢经第二级氢节流装置16节流降压至0.15MPa后，进入液化氢气存储模块25；

M7:循环氢气制冷剂经两级循环氢气压缩机(第一级循环氢气压缩机20、第二级循环氢气压缩机22)压缩至2.87MPa，经循环氢气两级冷却器(第一级循环氢气冷却器21、第二级循环氢气冷却器23)冷却至37℃；

M8:经M7的循环氢气制冷剂经第一级换热器5、第二级换热器6、第三级换热器8冷却至-204℃；

M9:经M8冷却后的循环氢气进入循环氢气分配器9后分成两股，一股通过第一级制冷剂节流装置17降压至0.69MPa后进入第五级换热器11换热，进入第二级制冷剂节流装置18降压至0.14MPa，降压后的流体进入第六级换热器12、第五级换热器11、第四级换热器10、第三级换热器8、第二级换热器6、第一级换热器5升温至-195℃；

M10:经M9循环氢气分配器分配得到的另一股流体经第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12冷却至-236℃，进入第三级制冷剂节流装置24节流至0.14MPa，降压后的流体经过第七级换热器14、第六级换热器12、第五级换热器11、第四级换热器10、第三级换热器8、第二级换热器6、第一级换热器5升温至-196℃；

M11:经M9、M10升温后的两股循环氢气进入制冷剂混合器19混和后返回第一级循环氢气压缩机20完成制冷循环。

通过油气行业广泛采用的HYSYS软件的模拟计算得出，该基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***的单位能耗为8.978kWh/Nm³。经过两级正仲氢转化器(第一级正仲氢转化器7、第二级正仲氢转化器15)后，原料氢中的仲氢含量为99.1％，液化率达到100％。

本实用新型的操作原理如下：

S1：原料氢气经过脱水、净化装置脱除水分和杂质后，原料氢气经过原料氢气增压模块26增压、冷却后依次进入第一级换热器5、第二级换热器6进一步冷却后进入第一级正仲氢转化器7进行正仲态转化后依次进入第二级换热器6、第三级换热器8、第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12逐级冷却，再经第一级氢节流装置13节流降压后进入第七级换热器14进一步冷却，在进入第二级正仲氢转化器15中再次进行正仲态转化后再经第七级换热器14冷却后进入第二级氢节流装置16节流降压至液化氢气储存压力，从第二级节流装置16降压后出来的液氢进入液化氢气存储模块25；

S2：循环氢气制冷剂经循环氢气制冷剂压缩模块28增压、冷却后进入第一级换热器5、第二级换热器6、第三级换热器8换热降温后经过循环氢气分配器9后分成两股流体，其中，一股流体通过第一级制冷剂节流装置17降压降温后进入第五级换热器11换热后再进入第二级制冷剂节流装置18降压降温后依次进入第六级换热器12、第五级换热器11、第四级换热器10、第三级换热器8、第二级换热器6、第一级换热器5提供冷量；另一股流体经过第四级换热器10、第五级换热器11、第六级换热器12换热降温后进入第三级制冷剂节流装置24节流降温后再经过第七级换热器14换热后再依次经过第六级换热器12、第五级换热器11、第四级换热器10、第三级换热器8、第二级换热器6、第一级换热器5提供冷量，两股流体经第一级换热器5后在制冷剂混合器19混和后返回循环氢气制冷剂压缩模块28完成制冷循环。

需要说明的是，当原料氢气压力高于2.0MPa时，原料氢气增压模块26不启用，液化氢气存储模块25的储存压力优选为不小于0.15MPa。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，包括：

氢气液化单元，包括依次连接的原料氢气增压模块(26)、液化冷箱模块(27)、液化氢气储存模块(25)，用于对原料氢气液化综合处理并储存；

循环氢气制冷剂制冷循环回路单元，包括循环氢气制冷剂压缩模块(28)以及所述液化冷箱模块(27)，用于冷却并液化所述原料氢气。

2.根据权利要求1所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述原料氢气增压模块(26)包括依次相连的原料氢气第一级压缩机(1)、原料氢气第一级冷却器(2)、原料氢气第二级压缩机(3)、原料氢气第二级冷却器(4)。

3.根据权利要求1所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述液化冷箱模块(27)包括第一级换热器(5)、第二级换热器(6)、第一级正仲氢转化器(7)、第三级换热器(8)、循环氢气分配器(9)、第四级换热器(10)、第五级换热器(11)、第六级换热器(12)、第一级氢节流装置(13)、第七级换热器(14)、第二级正仲氢转化器(15)、第二级氢节流装置(16)、第一级制冷剂节流装置(17)、第二级制冷剂节流装置(18)、制冷剂混合器(19)以及第三级制冷剂节流装置(24)；

从所述原料氢气增压模块(26)输出的氢气经第一级换热器(5)、第二级换热器(6)、第一级正仲氢转化器(7)后再通过第二级换热器(6)、第三级换热器(8)、第四级换热器(10)、第五级换热器(11)、第六级换热器(12)、第一级氢节流装置(13)、第七级换热器(14)、第二级正仲氢转化器(15)后再经第七级换热器(14)、第二级氢节流装置(16)后运送至液化氢气储存模块(25)中储存；

从循环氢气制冷剂压缩模块(28)中输出的氢气制冷剂经第一级换热器(5)、第二级换热器(6)、第三级换热器(8)后进入循环氢气分配器(9)，其中，所述循环氢气分配器(9)包括第一出口支路(91)以及第二出口支路(92)，其中：

所述第一出口支路(91)依次连接第四级换热器(10)、第五级换热器(11)、第六级换热器(12)、第三级制冷剂节流装置(24)、第七级换热器(14)后再经第六级换热器(12)、第五级换热器(11)、第四级换热器(10)、第三级换热器(8)、第二级换热器(6)、第一级换热器(5)后连接所述制冷剂混合器(19)所具有的第一混合器进口支路(191)；

所述第二出口支路(92)依次连接第一级制冷剂节流装置(17)、第五级换热器(11)、第二级制冷剂节流装置(18)、第六级换热器(12)、第五级换热器(11)、第四级换热器(10)、第三级换热器(8)、第二级换热器(6)、第一级换热器(5)后连接所述制冷剂混合器(19)所具有的第二混合器进口支路(192)；

所述制冷剂混合器(19)的出口连接所述循环氢气制冷剂压缩模块(28)。

4.根据权利要求1所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述循环氢气制冷剂压缩模块(28)包括依次连接的第一级循环氢气压缩机(20)、第一级循环氢气冷却器(21)、第二级循环氢气压缩机(22)、第二级循环氢气冷却器(23)。

5.根据权利要求3所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述第一级换热器(5)、第二级换热器(6)、第三级换热器(8)、第四级换热器(10)、第五级换热器(11)、第六级换热器(12)、第七级换热器(14)均为多股流换热器。

6.根据权利要求5所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述第一级换热器(5)、第二级换热器(6)、第三级换热器(8)、第四级换热器(10)、第五级换热器(11)、第六级换热器(12)、第七级换热器(14)均为板翅式换热器。

7.根据权利要求5所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述第一级换热器(5)、第二级换热器(6)、第三级换热器(8)、第四级换热器(10)、第五级换热器(11)、第六级换热器(12)、第七级换热器(14)均为绕管式换热器。

8.根据权利要求3所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述第一级氢节流装置(13)、第二级氢节流装置(16)、第一级制冷剂节流装置(17)、第二级制冷剂节流装置(18)、第三级制冷剂节流装置(24)均采用节流阀。

9.根据权利要求3所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，所述第一级氢节流装置(13)、第二级氢节流装置(16)、第一级制冷剂节流装置(17)、第二级制冷剂节流装置(18)、第三级制冷剂节流装置(24)均采用膨胀机。

10.根据权利要求1所述的基于双回路循环氢气制冷的氢气液化***，其特征在于，还包括氮气液化单元以及制氮模块；

所述制氮模块连接所述氮气液化单元，制氮模块用于制氮且制取的氮气通过所述氮气液化单元液化。

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