DE102022121949A1 - Eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung und deren Verwendungsmethode - Google Patents

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Yisong Han
Yan Qin
Kuan Zhang
Zhongmin Ji
Zhiming Xu
Pei Hu
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Abstract

Die Erfindung entwirft eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung, um den Zweck der Verringerung des Energieverbrauchs zu erreichen. Das Verfahren umfasst: atmosphärische Vorkühlungskasten II, Vakuum-Kryogenkasten III, Wasserstoff-Kühlkreislaufkompressoreinheit, Stickstoffkreislaufkühleinheit, gemischte Kältemittelkreislaufkühleinheit und gemischte Kältemittelkreiskühleinheit. Gemischte Kältemittelverfahren und Stickstoffkreislaufkühlverfahren werden als Hauptquelle der Kühlleistung in der Vorkühlung verwendet. Der Kältemittelkältezyklus ist die Hauptquelle der Kühlleistung im Temperaturbereich von 303K bis 113K, der Flüssigstickstoff-Kältezyklus ist die Hauptquelle der Kühlleistung im Temperaturbereich von 130K bis 80K, und der Wasserstoff-Kältezyklus liefert Kühlleistung im Temperaturbereich von 80K bis 20K. Der größte Teil des Moors, das im Speicherteil erzeugt wird, wird durch den Ejektor zurückgewonnen. Der Plattenlamellenwärmetauscher ist mit dem richtigen gefüllt? Der sekundäre Wasserstoffumwandlungskatalysator erreicht den sekundären Wasserstoffgehalt von verflüssigtem Wasserstoff ≥ 98%. Der Wasserstoffverflüssigungsprozess hat einen niedrigen Energieverbrauch, und verschiedene Entwurfsschemata werden für denVorkühlkasten und Kryogenkasten angenommen, was Ausrüstungskosten und Herstellungskosten spart.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Niedertemperatur-Gasverflüssigung, hauptsächlich eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung und das Verfahren zur Verwendung.
  • Technologie im Hintergrund
  • Als wichtige saubere Energie ist die wichtigste Marktnachfrage von flüssigem Wasserstoff die Luft- und Raumfahrt und die neue Energie-Automobilindustrie. Die Nutzung von flüssigem Wasserstoff in der Luft- und Raumfahrt wird immer ausgereifter, und sein Nachfragewachstum ist relativ stabil. Flüssiger Wasserstoff gewinnt als Hauptmittel des großflächigen Wasserstofftransports immer mehr an Bedeutung. Was die Entwicklung von flüssigem Wasserstoff einschränkt, ist der hohe Energieverbrauch der Flüssigwasserstoffproduktion. Der Energieverbrauch der vorhandenen Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung beträgt 4,86kw/kgLH2 im Vorkühlungsabschnitt, 8,65kw/kgLH2 im Tiefkühlbereich und 13,5kw/kgLH2 im Ganzen. Es ist unerlässlich, den Energieverbrauch des Wasserstoffverflüssigungsprozesses durch Prozessoptimierung zu reduzieren.
  • Inhalt der Erfindung
  • Die Erfindung zielt darauf ab, eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung bereitzustellen, die den Energieverbrauch im Wasserstoffverflüssigungsprozess erheblich reduziert. Die vorliegende Erfindung kann den Energieverbrauch des Vorkühlabschnitts auf 3,2kw/kgLH2, den Energieverbrauch des Tiefkühlabschnitts auf 6,78kw/kgLH2 reduzieren, und der Gesamtenergieverbrauch beträgt 10kW/kgLH2, der deutlich niedriger ist als der der konventionellen Wasserstoffverflüssigungseinheit.
  • Um das oben genannten Zweck zu erreichen, kann die vorliegende Erfindung die folgenden technischen Lösungen annehmen: eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung, die Ausrüstung umfasst drei Teile: eine Kältemittelverdichtungseinheit, eine Vorkühlungskühleinheit und eine Kryogenkasteneinheit, die durch Rohre miteinander verbunden sind, wobei die Kältemittelverdichtungseinheit mit einem Dehydrierungsmolekularsiebadsorber, einer Wasserstoffverdichtereinheit, einer Stickstoffverdichtereinheit und einer Mischkühlmittelverdichtereinheit versehen ist. Die Vorkühlboxeneinheit ist mit primärem Vorkühlwärmetauscher, sekundärem Vorkühlwärmetauscher und Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber ausgestattet. Die Kryogenkasteneinheit ist mit kryogenem Wärmetauscher, Ejektor, Unterkühlwärmetauscher, Gas-Flüssig-Separator, primärem Wasserstoff-Expander und sekundärem Wasserstoff-Expander versehen.
  • Bevorzugt wird der dehydrierte Molekularsiebadsorber in der Kältemittelkompressionseinheit mit dem Rohstoffwasserstoffkanal und dem Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber der primären und sekundären Vorkühlwärmetauscher im Vorkühlkasten durch das zweite Rohr, das dritte Rohr und das vierte Rohr verbunden. Dann werden das fünfte Rohr, das sechste Rohr und das siebte Rohr mit dem Rohwasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers, dem Ejektor und dem Rohwasserstoffkanal des unterkühlten Wärmetauschers im Kryogenkasten verbunden, um einen Strömungskanal für den gesamten Prozess von Rohwasserstoff zu flüssigem Wasserstoff zu bilden.
  • Es ist vorzuziehen, dass der Ausgang der Wasserstoffkompressoreinheit in der Kältemittelkompressionseinheit mit dem Druckende des primärem Wasserstoff-Expanders und des sekundärem Wasserstoff-Expanders im Vorkühlkasten, dem Hochdruckzirkulierenden Wasserstoffkanal desprimärem Vorkühlwärmetauschers und des sekundären Vorkühlwärmetauschers durch das elfte Rohr, das zwölfte Rohr und das dreizehnte Rohr verbunden ist und dann mit dem Hochdruckzirkulierenden Wasserstoffkanal des Tiefkühlwärmetauschers im tiefen Kühlkasten durch das vierzehnte Rohr verbunden ist. Das fünfzehnte, siebzehnte und neunzehnte Rohr unter den drei Zweigleitungen sind jeweils mit dem Wasserstoffexpander der ersten Stufe, dem Wasserstoffexpander der zweiten Stufe und dem Drosselventil verbunden.Das Drosselventil ist mit dem Niederdruck zirkulierenden Wasserstoffkanal des Gas-Flüssig-Separators und dem Unterkühlwärmetauscher durch das20ste, 21ste und 22ste Rohr der Reihe nach verbunden. Der Gas-Flüssig-Abscheider ist mit dem ersten Niederdruck-Umlaufwasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers, dem ersten Niederdruck-Umlaufwasserstoffkanal des Vorkühlwärmetauschers der zweiten Stufe und dem ersten Niederdruck-Umlaufwasserstoffkanal des Vorkühlwärmetauschers der ersten Stufe und dem Niederdruckabschnitt des Wasserstoffkompressors durch das 23ste, 24ste, 25ste und 26steRohr verbunden. Das achtzehnte Rohr ist mit dem zweiten Niederdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers verbunden und dann mit dem zweiten Niederdruckzirkulierenden Wasserstoffkanal des Vorkühlwärmetauschers der zweiten Stufe und dem Vorkühlwärmetauscher der ersten Stufe und dem Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit durch das 27ste Rohr, das 28ste Rohr und das 29ste Rohr verbunden, um den Wasserstoffkühlzykluskanal zu bilden.
  • Es ist vorzuziehen, dass der Ausgang der Stickstoffkompressoreinheit mit dem Hochdruck-Stickstoffkanal und dem Drosselventil des primären Vorkühlwärmetauschers im Vorkühlkasten durch das dreißigste Rohr verbunden ist und dann mit dem Einlass des sekundären Vorkühlwärmetauschers, des primären Vorkühlwärmetauschers und des Stickstoffkompressors durch das 32ste Rohr, das 33ste Rohr und das 34ste Rohr verbunden ist, um einen Stickstoffkühlungszykluskanal zu bilden. Der Ausgang der Mischkältemittelkompressoreinheit ist mit dem Hochdruck-Kältemittelkanal und dem Drosselventil des primären Vorkühlwärmetauschers im Vorkühlkasten durch das 35ste Rohr verbunden, das 36ste Rohr wiederum, und dann mit dem primären Vorkühlwärmetauscher und dem Einlass des gemischten Kältemittelkompressors durch das 37ste Rohr und das 38ste Rohr wiederum verbunden und bildet einen gemischten Kältemittelkältezykluskanal.
  • Bevorzugt sind der primäre Vorkühlwärmetauscher, der sekundäre Vorkühlwärmetauscher, der Kryogenwärmetauscher und der unterkühlende Wärmetauscher alle hocheffiziente Plattenflossenwärmetauscher, der primäre Wasserstoffexpander und der sekundäre Wasserstoffexpander sind alle zentrifugale Expander, die durch einen Booster gebremst werden, der Niederdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit ist ein Kolbenkompressor, der Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit ist ein zentrifugaler Kompressor, und die Stickstoffkompressoreinheit ist ein zentrifugaler Kompressor, Die Mischkühlmittelkompressoreinheit ist ein Kreiselkühlverdichter.
  • Ein Verfahren zur Verwendung einer Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung ist wie folgt:
    • 1) Der rohe Wasserstoff ist mit dem Einlassrohr des Dehydrierungsmolekularsiebadsorbers verbunden, um das Wasser zu 0,1ppm zu entfernen, tritt in den primären Vorkühlwärmetauscher in den Vorkühlkasten durch das zweite Rohr, um bis 113K abzukühlen, und tritt in den sekundären Vorkühlwärmetauscher, der mit dem n-sekundären Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestattet ist, durch das dritte Rohr, um die n-sekundäre Wasserstoffumwandlung durchzuführen und bis 80K abzukühlen. Dann tritt es durch das vierte Rohr in den Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber ein, um Spurensäure, Stickstoff, Argon, Methan usw. zu entfernen. Der Strom aus dem Niedertemperatur-Adsorber ist mit dem fünften Rohr des Kryogenkastens verbunden, tritt in den kryogenen Wärmetauscher ein, der mit positivem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestattet ist, um auf 25K abzukühlen, und der Strom von HX3 wird mit dem Auswerfer durch das sechste Rohr verbunden, um den Druck auf 0,57mpa zu reduzieren. Es tritt durch das siebte Rohr in den subgekühlten Wärmetauscher ein, der mit positivem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoffümwandlungskatalysator ausgestattet ist, und wird dann gedrosselt und an das flüssige Wasserstoffspeichersystem gesendet.Das Moor im Speichersystem wird durch den Ejektor wieder verflüssigt.
    • 2) Der Ausgang der Wasserstoffkompressoreinheit ist mit dem Wasserstoffexpander der ersten Stufe und dem Booster-Ende des Wasserstoffexpanders der zweiten Stufe durch das elfte Rohr der Reihe nach verbunden. Der Hochdruckwasserstoff wird unter Druck gesetzt und geht dann wiederum durch das zwölfte Rohr. Das dreizehnte Rohr wird in der Vorkühlkasteneinheit auf 80K gekühlt. Es ist mit dem kryogenen Wärmetauscher imKryogenkasten durch das vierzehnte Rohr verbunden. Nachdem die Temperatur auf 70K gesenkt ist, wird ein Strom durch das fünfzehnte Rohr in den primären Wasserstoffexpander getrennt, um auf 44,3K abzukühlen, und dann durch das sechzehnte Rohr in den kryogenen Wärmetauscher zurückgeführt. Nachdem der andere Strom weiter auf 50K abgekühlt wird, wird ein anderer Strom durch das siebzehnte Rohr in den sekundären Wasserstoffexpander getrennt, um auf 28,8K zu kühlen. Es wird durch das achtzehnte Rohr in den kryogenen Wärmetauscher zurückgeführt, und nachdem es wieder erwärmt wurde, verschmilzt es mit dem Strom am Ausgang des primären Wasserstoffexpanders, geht durch den kryogenen Wärmetauscher und führt dann wiederum durch das 27ste Rohr. Das 28ste Rohr ist mit dem Vorkühlwärmetauscher verbunden. Nachdem das Wasserstoffmedium erwärmt ist, kehrt es durch das 29ste Rohrzum Einlass des Hochdruckabschnitts der Wasserstoffkompressoreinheit zurück. Der verbleibende Strom wird weiter auf 25K gekühlt, durch die 19te Rohr mit dem Drosselventil verbunden, auf 20K gedrosselt und dann durch das 20ste Rohr mit dem Gas-Flüssig-Separator verbunden. Nach der Gas-Flüssig-Trennung wird die flüssige Phase mit dem Unterkühlwärmetauscher durch das 21ste Rohr verbunden. Nach teilweiser Verdampfung im Unterkühlwärmetauscher wird der flüssige Wasserstoff durch das 22ste Rohr zum Gas-Flüssig-Trenner zurückgeführt, um einen Thermosiphonkreislauf zu bilden. Die Gasphase des Gas-Flüssig-Separators ist mit dem kryogenen Wärmetauscher, dem sekundärenVorkühlswärmetauscher und dem primären Vorkühlswärmetauscher durch das 23ste Rohr, das 24ste Rohr und das 25ste Rohr verbunden. Nachdem er auf Normaltemperatur erwärmt wurde, tritt er durch das 26ste Rohr in den Niederdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit ein. Nachdem er durch den Niederdruckabschnitt des Wasserstoffkompressors unter Druck gesetzt wurde, verschmilzt er mit dem Mitteldruckwasserstoff in den Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit, um einen Wasserstoffkühlzyklus zu bilden.
    • 3) Der Stickstoff am Ausgang der Stickstoffkompressoreinheit tritt durch das30ste Rohr in die Vorkühlkasteneinheit ein, wird durch den primärem Vorkühlwärmetauscher auf 113K gekühlt, wird durch das 31ste Rohr mit dem Drosselventil verbunden und wird auf 80K gedrosselt. Danach wird er mit dem sekundären Vorkühlwärmetauscher und dem primären Vorkühlwärmetauscher durch das 32ste Rohr und das 33ste Rohr wiederum verbunden und kehrt dann durch das 34ste Rohr zum Einlass der Stickstoffkompressoreinheit zurück und ein Stickstoffkühlzyklus bildet, um für 113K-80K-Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen.
    • 4) Das gemischte Kältemittel am Ausgang der gemischten Kältemittelkompressoreinheit tritt in den Vorkühlkasten durch das 35ste Rohr. Der primäre Vorkühlwärmetauscher wird auf 113K gekühlt und ist mit dem Drosselventil durch das 36ste Rohr verbunden. Nach Drosseln und Abkühlen kehrt er zum primären Vorkühlwärmetauscher durch das 37ste Rohr zurück und verlässt dann den Vorkühlkasten durch das 38ste Rohr und kehrt zum Einlass des gemischten Kältemittelkompressors zurück und bildet einen Satz von gemischten Kältemittelkältezyklus, um die Kühlkapazität für den Temperaturbereich von 303K- 113K zu liefern.
  • Vorzugsweise liegen die Anteile von normalem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoff in Schritt 1) bei 2,2% bzw. 97,8% und die Anteile von normalem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoff im Speichersystem bei 1% bzw. 99% bei.
  • Es ist vorzuziehen, dass das Medium des Stickstoffkühlzyklus in Schritt 3) reiner Stickstoff ist. Vorzugsweise besteht das Mischkältemittel in Schritt 4) aus Methan, Ethylen, Propan, Isopentan und Stickstoff.
  • Der positive Effekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Energieverbrauch des kryogenen Abschnitts durch die kontinuierliche Umwandlung und den Wärmeaustausch des n-sekundären Wasserstoffumwandlungskatalysators im zweistufigen Vorkühlwärmetauscher, dem kryogenen Wärmetauscher und dem Unterkühlwärmetauscher sowie die Niedertemperaturadsorption und Verunreinigungsabnahme und die Rückgewinnung von Mooren durch den Ejektor auf 6,78kw/kgLH2 reduziert wird, um den Energieverbrauch im Reinigungs-, Umwandlungs- und Verflüssigungsprozess so weit wie möglich zu reduzieren, Der Energieverbrauch der Vorkühlung wird auf 3,2kw/kgLH2 reduziert, indem Stickstoffkreislaufkühlung und Mischkältekreislaufkühlung verwendet werden. Der Gesamtenergieverbrauch des Wasserstoffverflüssigungsprozesses beträgt 10kW/kg LH2, der deutlich niedriger ist als der der konventionellen Wasserstoffverflüssigungsverfahren.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Strukturdiagramm der vorliegenden Erfindung.
  • Spezifische Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Wie in gezeigt, beschreibt die vorliegende Erfindung eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung. Die Ausrüstung umfasst drei Teile: eine Kältemittelverdichtungseinheit (I), eine Vorkühlkasteneinheit (II) und eine Kryogenkasteneinheit (III) die durch Rohre miteinander verbunden sind, wobei die Kältemittelverdichtungseinheit (I) mit einem Dehydrierungsmolekularsiebadsorber (S1), einer Wasserstoffverdichtereinheit (C1), einer Stickstoffverdichtereinheit (C2) und einer Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) ausgestattet ist, Der primäre Vorkühlwärmetauscher (HX1), der sekundäre Vorkühlwärmetauscher (HX2) und der Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber (S2) sind in der Vorkühlkasteneinheit (II) angeordnet und der kryogene Wärmetauscher (HX3), der Ejektor (E1), der Unterkühlwärmetauscher (HX4), der Gas-Flüssig-Separator (D2), der primäre Wasserstoff-Expander (X1) und der sekundäre Wasserstoff-Expander (X2) sind in der Kryogenkasteneinheit (III) angeordnet, Der dehydrierte Molekularsiebadsorber (S1) in der Kältemittelverdichtungseinheit (I) ist mit dem Rohstoffwasserstoffkanal und dem Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber (S2) der primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) und sekundären Vorkühlwärmetauscher (HX2) in der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das zweite Rohr (2), das dritte Rohr (3) und das vierte Rohr (4) und dann durch das fünfte Rohr (5) und das sechste Rohr (6) verbunden. Das siebte Rohr (7) ist mit dem Rohwasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3), dem Ejektor (E1) und dem Rohwasserstoffkanal des Unterkühlwärmetauschers (HX4) in der Kryogenkasteneinheit (III) verbunden, um einen Strömungskanal für den gesamten Prozess von Rohwasserstoff zu flüssigem Wasserstoff zu bilden. Der Ausgang der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) in der Kältemittelverdichtungseinheit (I) ist mit den drucksteigernden Enden des primären Wasserstoff-Expanders (X1) und des sekundären Wasserstoff-Expanders (X2), des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2) durch das 11te Rohr (11), das 12te Rohr (12) und das 13te Rohr (13) verbunden. Und dann mit dem Hochdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3) in der Kryogenkasteneinheit (III) durch das 14te Rohr (14) verbunden und mit dem primären Wasserstoff-Expander (X1), dem sekundären Wasserstoff-Expander (X2) und dem Drosselventil (V1) durch das 15te Rohr (15), das 17te Rohr (17) und das 19te Rohr (19) zwischen den drei Abzweigrohren verbunden ist. Das Drosselventil (V1) ist mit dem sekundären Wasserstoff-Expander (X2) und dem Drosselventil (V1) durch das 20ste Rohr (20). Das 21ste Rohr (21) und das 22ste Rohr (22) sind wiederum mit dem Niederdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des Gas-Flüssig-Separators (D2) und des unterkühlten Wärmetauschers (HX4) verbunden. Der Gas-Flüssig-Separator (D2) ist mit dem ersten Niederdruck-Umlaufkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3), dem ersten Niederdruck-Umlaufkanal des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2) und dem ersten Niederdruck-Umlaufkanal des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und dem Niederdruckabschnitt derWasserstoffkompressoreinheit (C1) durch das 23ste Rohr (23), das 24ste Rohr (24), das 25ste Rohr (25) und das 26ste Rohr (26) verbunden. Der primäre Wasserstoff-Expander (X1) und der sekundäre Wasserstoff-Expander (X2) sind jeweils über das 16te Rohr (16) und das 18te Rohr (18) mit dem zweiten Niederdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3) verbunden. Und dann verbunden mit dem zweiten Niederdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2) und desprimären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und dem Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) durch das 27ste Rohr (27), das 28ste Rohr (28) und das 29ste Rohr (29), um einen Wasserstoffkühlungskanal zu bilden.
  • Der Ausgang der Stickstoffverdichtereinheit (C2) ist mit dem Hochdruck-Stickstoffkanal und dem Drosselventil (V2) des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) in der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das 30ste Rohr (30) und dann durch das 30ste Rohr (32) und das 33ste Rohr (33) verbunden. Das 34ste Rohr (34) ist mit dem Einlass des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2), des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und des Stickstoffkompressors (C2) verbunden, um einen Stickstoffkühlkreiskanal zu bilden. Der Ausgang der Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) ist mit dem Hochdruck-Kältemittelkanal und dem Drosselventil (V3) des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) in der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das 35ste Rohr (35) und dem 36ste Rohr (36) in der Ordnung verbunden. Und dann durch das 37ste Rohr (37) wird das 38ste Rohr (38) mit dem Einlass des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und der Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) verbunden, um einen gemischten Kältemittelkreislauf zu bilden. Der primäre Vorkühlwärmetauscher (HX1), der sekundäre Vorkühlwärmetauscher (HX2), der kryogene Wärmetauscher (HX3) und der Unterkühlwärmetauscher (HX4) sind alle hocheffiziente Plattenlamellenwärmetauscher und der primäre Wasserstoffexpander (X1) und der sekundäre Wasserstoffexpander (X2) sind alle durch einen Booster gebremste Zentrifugal-Expander sind. Der Niederdruckbereich der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) ist ein Kolbenkompressor, der Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) ist ein Kreiselkompressor, die Stickstoffkompressoreinheit (C2) und die Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) sind Kreiselkompressoren.
  • Ein Verfahren zur Verwendung einer Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung ist wie folgt:
    • 1) Der Rohwasserstoff wird mit dem Einlassrohr 1 des Dehydrierungsmolekularsiebadsorbers S1 verbunden, um das Wasser zu 0,1ppm zu entfernen, tritt in den primären Vorkühlwärmetauscher HX1 in den Vorkühlkasten II durch das zweite Rohr 2, um sich bis 113K abzukühlen, und tritt in den sekundären Vorkühlwärmetauscher HX2, der mit dem n-sekundären Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestattet ist, durch das dritte Rohr 3, um die n-sekundäre Wasserstoffumwandlung durchzuführen und bis 80K abzukühlen. Dann tritt er durch das vierte Rohr 4 in den Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber S2 ein, um Spurensäure, Stickstoff, Argon, Methan usw. zu entfernen. Der Fluss aus dem Niedertemperatur-Adsorber ist mit dem fünften Rohr 5 der Kryogenkasteneinheit III verbunden und tritt in den kryogenen Wärmetauscher HX3, der mit dem n-sekundären Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestattet ist, um auf 25K abzukühlen. Der Anteil von normalem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoff beträgt 2,2% und 97,8% jeweils. Der Fluss von HX3 ist mit dem Ejektor E1 durch das sechste Rohr verbunden, und der Druckabfall ist ein Druckabfall. Gleichzeitig wird das Moorgas durch das siebte Rohr 7 in den mit dem normalen sekundären Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestatteten Kühlwärmetauscher HX4 eingebracht, auf 22K gekühlt und dann in das flüssige Wasserstoffspeichersystem gedrosselt. Das Moor im Speichersystem wird durch den Ejektor E1 wieder verflüssigt. Der positive Wasserstoff und Sekundärwasserstoff im Speichersystem machen jeweils 1% und 99% aus.
    • 2) Der Ausgang der Wasserstoffkompressoreinheit C1 ist mit dem Druckausgang des primären Wasserstoff-Expanders X1 und des sekundären Wasserstoff-Expanders X2 durch das 1 1te Rohr 11 der Reihe nach verbunden. Der Hochdruckwasserstoff wird unter Druck gesetzt und geht dann durch das 12te Rohr 12 der Reihe nach. Das 13te Rohr 13 wird in der Vorkühlkasteneinheit II auf 80K gekühlt. Es ist mit dem kryogenen Wärmetauscher HX3 in der KryogenkasteneinheitIII durch das 14te Rohr 14 verbunden. Nachdem die Temperatur auf 70K gesenkt wird, wird ein Strom an den primären Wasserstoff-Expander X1 durch das 15te Rohr 15 gesendet, um auf 44,3K gesenkt zu werden, und dann an den kryogenen Wärmetauscher HX3 durch das 16te Rohr 16 zurückgegeben wird. Nachdem der andere Strom weiter auf 50K abgesenkt wird, wird ein weiterer Strom an den sekundären Wasserstoff-Expander X2 durch das 17te Rohr 17 gesendet, um auf 28,8K, Es wird durch das 18te Rohr 18 in den kryogenen Wärmetauscher HX3 zurückgegeben, und nachdem es erwärmt wurde, verschmilzt es mit dem Strom am Ausgang des primären Wasserstoffexpanders X1, geht durch den kryogenen Wärmetauscher HX3 und kommuniziert dann mit dem Vorkühlwärmetauscher HX2 und dem Vorkühlwärmetauscher HX1 durch das 27ste Rohr 27 und das 28ste Rohr 28 wiederum. Nachdem das Wasserstoffmedium erwärmt wird, wird es durch das 29ste Rohr 29 zum Einlass des Hochdruckabschnitts der Wasserstoffkompressoreinheit C1 zurückgebracht. Der verbleibende Strom wird weiter auf 25K gekühlt, mit dem Drosselventil V1 durch das 19te Rohr 19 verbunden, gedrosselt und auf 20K gekühlt und dann mit dem Gas-Flüssig-Separator D2 durch das 20ste Rohr 20 kommuniziert. Nach der Gas-Flüssig-Trennung wird die flüssige Phase mit dem Unterkühlwärmetauscher HX4 durch das 21ste Rohr 21 kommuniziert. Nach teilweiser Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs im Unterkühlwärmetauscher HX4 kehrt er durch das 22ste Rohr 22 zum Gas-Flüssig-Separator D2 zurück, um einen Thermosiphonkreislauf zu bilden. Die Gasphase des Gas-Flüssig-Separators D2 ist mit dem kryogenen Wärmetauscher HX3 verbunden, der sekundären VorkühlwärmetauscherHX2 und der primären Vorkühlwärmetauscher HX1 durch das 23ste Rohr 23, das 24ste Rohr 24 und das 25ste Rohr 25. Nachdem die Temperatur auf Normaltemperatur wiederhergestellt ist, gelangt die Gasphase durch das 26ste Rohr 26 in den Niederdruckabschnitt des Wasserstoffkompressors C1. Nachdem sie durch den Niederdruckabschnitt des Wasserstoffkompressors C1 unter Druck gesetzt wurde, verschmilzt sie mit dem Mitteldruck Wasserstoff in den Hochdruckkompressor des Wasserstoffkompressors C1 zu einem Wasserstoffkühlkreislauf.
    • 3) Der Stickstoff am C2-Ausgang der Stickstoffkompressoreinheit tritt durch das 30ste Rohr 30 in die Vorkühlkasteneinheit II ein, wird durch den primären Vorkühlwärmetauscher HX1 auf 113K gekühlt, wird durch das 31ste Rohr 31 mit dem Drosselventil V2 verbunden und wird auf 80K gedrosselt. Danach wird er mit dem sekundären Vorkühlwärmetauscher HX2 und dem primären Vorkühlwärmetauscher HX1 durch das 32ste Rohr 32 und das 33ste Rohr 33 wiederum verbunden und kehrt dann durch das Stickstoffrohr 33 zum Einlass der Kompressoreinheit C2 zurück. Ein Satz Stickstoffkühlzyklus wird gebildet, um Kühlkapazität für den Temperaturbereich von 113K-80K bereitzustellen.Das Medium des Stickstoffkühlzyklus ist reiner Stickstoff.
    • 4) Das gemischte Kältemittel am Ausgang der Mischkältemittelkompressoreinheit C3 tritt in den Vorkühlkasten II durch das 35ste Rohr 35, der primäre Vorkühlwärmetauscher HX1 wird auf 113k gekühlt und wird mit dem Drosselventil V3 durch das 36ste Rohr 36 verbunden. Nach dem Drosseln und Abkühlen kehrt das gemischte Kältemittel durch das 37ste Rohr 37 zum primären Vorkühlwärmetauscher HX1 zurück und verlässt dann den Vorkühlkasten II durch das 38ste Rohr 38 und kehrt zum Einlass derMischkältemittelkompressoreinheit C3zurück und ein Satz gemischter Kältezyklus bildet, um die Kühlleistung für den Temperaturbereich 303k bis 113K zur Verfügung zu stellen. Das Mischkältemittel besteht aus Methan, Ethylen, Propan, Isopentan und Stickstoff.
  • Die obigen Ausführungsformen sind spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und verschiedene äquivalente Kombinationen oder Änderungen können am Wasserstoffkühlzyklus, Stickstoffkühlzyklus und Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung vorgenommen werden, die zum Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gehören.

Claims (7)

  1. Eine Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrüstung eine Kältemittelverdichtungseinheit (I), eine Vorkühlkasteneinheit (II) und eine Kryogenkasteneinheit (III) umfasst, die durch Rohre miteinander verbunden sind, wobei die Kältemittelverdichtungseinheit (I) mit einem Dehydrierungsmolekularsiebadsorber (S1), einer Wasserstoffverdichtereinheit (C1), einer Stickstoffverdichtereinheit (C2) und einer Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) ausgestattet ist, Der primäre Vorkühlwärmetauscher (HX1), der sekundäre Vorkühlwärmetauscher (HX2) und der Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber (S2) sind in der Vorkühlkasteneinheit (II) angeordnet und der kryogene Wärmetauscher (HX3), der Ejektor (E1), der Unterkühlwärmetauscher (HX4), der Gas-Flüssig-Separator (D2), der primäre Wasserstoff-Expander (X1) und der sekundäre Wasserstoff-Expander (X2) sind in der Kryogenkasteneinheit (III) angeordnet, Der dehydrierte Molekularsiebadsorber (S1) in der Kältemittelverdichtungseinheit (I) ist mit dem Rohstoffwasserstoffkanal und dem Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber (S2) der primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) und sekundären Vorkühlwärmetauscher (HX2) in der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das zweite Rohr (2), das dritte Rohr (3) und das vierte Rohr (4) und dann durch das fünfte Rohr (5) und das sechste Rohr (6) verbunden. Das siebte Rohr (7) ist mit dem Rohwasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3), dem Ejektor (E1) und dem Rohwasserstoffkanal des Unterkühlwärmetauschers (HX4) in der Kryogenkasteneinheit (III) verbunden, um einen Strömungskanal für den gesamten Prozess von Rohwasserstoff zu flüssigem Wasserstoff zu bilden. Der Ausgang der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) in der Kältemittelverdichtungseinheit (I) ist mit den drucksteigernden Enden des primären Wasserstoff-Expanders (X1) und des sekundären Wasserstoff-Expanders (X2), des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2) durch das 11te Rohr (11), das 12te Rohr (12) und das 13te Rohr (13) verbunden. Und dann mit dem Hochdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3) in der Kryogenkasteneinheit(III) durch das 14te Rohr (14) verbunden und mit dem primären Wasserstoff-Expander (X1), dem sekundären Wasserstoff-Expander (X2) und dem Drosselventil (V1) durch das 15te Rohr (15), das17te Rohr (17) und das19te Rohr (19) zwischen den drei Abzweigrohren verbunden ist. Das Drosselventil (V1) ist mit dem sekundären Wasserstoff-Expander (X2) und dem Drosselventil (V1) durch das zwanzigste Rohr (20). Das einundzwanzigste Rohr (21) und das zweiundzwanzigste Rohr (22) sind wiederum mit dem Niederdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des Gas-Flüssig-Separators (D2) und des unterkühlten Wärmetauschers (HX4) verbunden.Der Gas-Flüssig-Separator (D2) ist mit dem ersten Niederdruck-Umlaufkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3), dem ersten Niederdruck-Umlaufkanal des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2) und dem ersten Niederdruck-Umlaufkanal des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und dem Niederdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) durch das 23ste Rohr (23), das 24ste Rohr (24), das 25ste Rohr (25) und das 26ste Rohr (26) verbunden. Der primäre Wasserstoff-Expander (X1) und der sekundäre Wasserstoff-Expander (X2) sind jeweils über das 16te Rohr (16) und das 18te Rohr (18) mit dem zweiten Niederdruck-zirkulierenden Wasserstoffkanal des kryogenen Wärmetauschers (HX3) verbunden. Und dann verbunden mit dem zweiten Niederdruckzirkulierenden Wasserstoffkanal des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2) und desprimären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und dem Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) durch das 27ste Rohr (27), das 28ste Rohr (28) und das 29ste Rohr (29), um einen Wasserstoffkühlungskanal zu bilden.
  2. Die Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Stickstoffverdichtereinheit (C2) mit dem Hochdruck-Stickstoffkanal und dem Drosselventil (V2) des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) in der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das 30ste Rohr (30) und dann durch das 30ste Rohr (32) und das 33ste Rohr (33) verbunden ist. Das 34ste Rohr (34) ist mit dem Einlass des sekundären Vorkühlwärmetauschers (HX2), des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und des Stickstoffkompressors (C2) verbunden, um einen Stickstoffkühlkreiskanal zu bilden. Der Ausgang der Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) ist mit dem Hochdruck-Kältemittelkanal und dem Drosselventil (V3) des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) in der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das 35ste Rohr (35) und dem 36ste Rohr (36) in der Ordnung verbunden. Und dann durch das 37ste Rohr (37) wird das 38ste Rohr (38) mit dem Einlass des primären Vorkühlwärmetauschers (HX1) und der Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) verbunden, um einen gemischten Kältemittelkreislauf zu bilden.
  3. DieWasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung gemäß Anspruch 1 verwenden, zeichnen sich dadurch aus, dass der primäre Vorkühlwärmetauscher (HX1), der sekundäre Vorkühlwärmetauscher (HX2), der kryogene Wärmetauscher (HX3) und der Unterkühlwärmetauscher (HX4) alle hocheffiziente Plattenlamellenwärmetauscher sind und der primäre Wasserstoffexpander (X1) und der sekundäre Wasserstoffexpander (X2) alle durch einen Booster gebremste Zentrifugal-Expander sind. Der Niederdruckbereich der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) ist ein Kolbenkompressor, der Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) ist ein Kreiselkompressor, die Stickstoffkompressoreinheit (C2) und dieMischkühlmittelverdichtereinheit (C3) sind Kreiselkompressoren.
  4. Ein Verfahren zur Verwendung der Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung nach einem der Ansprüche 1-3 ist: 1) Der Rohwasserstoff wird mit dem Einlassrohr (1) des dehydrierten Molekularsiebadsorbers (S1) kommuniziert, um das Wasser auf 0,1ppm zu entfernen, tritt in den primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) in die Vorkühlkasteneinheit (II) durch das zweite Rohr (2) herunter zu kühlen bis 113K, und tritt in den sekundären Vorkühwärmetauscher (HX2), der mit dem n-sekundären Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestattet ist durch das dritte Rohr (3), um n-sekundäre Wasserstoffumwandlung durchzuführen und auf 80K abzukühlen. Dann tritt er durch das vierte Rohr (4) in den Niedertemperatur-Molekularsiebadsorber (S2) ein, um Spuren von Sauerstoff, Stickstoff, Argon und Methan zu entfernen. Der Strom vom Niedertemperatur-Adsorber ist mit dem fünften Rohr (5) der Kryogenkasteneinheit(III) verbunden, tritt in den kryogenen Wärmetauscher (HX3), der mit positivem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoff-Umwandlungskatalysator ausgestattet ist, und wird auf 25K gekühlt. Der Strom von HX3 wird mit dem Ejektor (E1) durch das sechste Rohr (6) verbunden und der Druck fällt auf 0,57mpa. Gleichzeitig wird das Moorgas durch das siebte Rohr (7), das auf 22K abgekühlt werden soll, in den mit positivem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoffumwandlungskatalysator ausgestatteten Überkühlungswärmetauscher (HX4) eingeführt und dann in das flüssige Wasserstoffspeichersystem gedrosselt. Das Moor im Speichersystem wird durch den Ejektor (E1) wieder verflüssigt. 2) Der Ausgang der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) ist mit dem Druckausgang des primäre Wasserstoffexpanders (X1) und dessekundären Wasserstoff-Expanders (X2) durch das elfte Rohr (11) verbunden. Der Hochdruck-Wasserstoff wird wiederum unter Druck gesetzt und geht dann durch das zwölfte Rohr (12) wiederum. Das dreizehnte Rohr (13) wird in der Vorkühlkasteneinheit (II) auf 80K gekühlt. Es ist mit dem kryogenen Wärmetauscher (HX3) in der Kryogenkasteneinheit (III) durch das vierzehnte Rohr (14) verbunden. Nachdem die Temperatur auf 70K gesenkt ist, wird ein Strom in den primären Wasserstoff-Expander (X1) durch das15te Rohr (15) getrennt, um auf 44,3K abgesenkt zu werden, und dann durch das 16te Rohr (16) an den kryogenen Wärmetauscher (HX3) zurückgeführt. Nachdem der andere Strom weiter auf 50K abgekühlt ist, wird ein anderer Strom im sekundären Wasserstoff-Expander (X2)durch das 17nte Rohr (17) getrennt, um auf 28,8K gekühlt zu werden, und dann durch das achtzehnte Rohr (18) zum kryogenen Wärmetauscher (HX3) zurückgeführt, um wieder erwärmt zu werden, und dann mit dem Strom am Ausgang des primären Wasserstoff-Expanders (X1) verschmolzen, um durch den kryogenen Wärmetauscher (HX3) zu passieren und dann sukzessive durch das 27ste Rohr (27), Das 28ste Rohr (28) kommuniziert mit dem Vorkühlwärmetauscher (HX2) und dem Vorkühlwärmetauscher (HX1) und kehrt nach dem Aufwärmen des Wasserstoffmediums durch das 29ste Rohr (29) zum Einlass des Hochdruckabschnitts der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) zurück. Der verbleibende Strom wird weiter auf 25K gekühlt, mit dem Drosselventil (V1) durch das 19te Rohr (19) verbunden, gedrosselt und auf 20K gekühlt und dann mit dem Gas-Flüssig-Separator (D2) durch das 20ste Rohr (20) kommuniziert. Nach der Gas-Flüssig-Trennung wird die flüssige Phase mit dem Unterkühlwärmetauscher (HX4) durch das 21ste Rohr (21) kommuniziert. Nach teilweiser Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs im Unterkühlwärmetauscher (HX4) kehrt er durch das 22ste Rohr (22) zum Gas-Flüssig-Trenner (D2) zurück, um einen Thermosiphonkreislauf zu bilden. Die Gasphase des Gas-Flüssig-Separators (D2) ist mit dem kryogenen Wärmetauscher (HX3), dem sekundären Vorkühlwärmetauscher (HX2) und dem primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) wiederum durch das 23ste Rohr (23), das 24ste Rohr (24) und das 25ste Rohr (25) verbunden. Nachdem die Temperatur auf Normaltemperatur zurückgestellt ist, gelangt sie durch das 26ste Rohr (26) in den Niederdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1). Nachdem er durch den Niederdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) unter Druck gesetzt wurde, verschmilzt er mit dem Mitteldruckwasserstoff in den Hochdruckabschnitt der Wasserstoffkompressoreinheit (C1) zu einem Satz von Wasserstoffkühlzyklus. 3) Der Stickstoff am Ausgang der Stickstoffkompressoreinheit (C2) tritt durch das 30ste Rohr (30) indie Vorkühlkasteneinheit (II) ein, wird durch den primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) auf 113K gekühlt und durch das 31ste Rohr (31) mit dem Drosselventil (V2) verbunden. Nachdem die Drosseltemperatur auf 80K gesenkt ist, wird er mit dem sekundären Vorkühlwärmetauscher (HX2) und dem primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) durch das 32ste Rohr (32) und das 33ste Rohr (33) umgekehrt verbunden. Dann kehrt es zum Einlass der Stickstoffkompressoreinheit (C2) durch das 34ste Rohr (34) zurück, um einen Satz Stickstoffkühlzyklus zu bilden, um Kühlleistung für den Temperaturbereich von 113K bis 80K bereitzustellen. 4) Das Mischkältemittel am Ausgang der Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) gelangt durch das 35ste Rohr (35) in die Vorkühlkasteneinheit (II), der primäre Vorkühlwärmetauscher (HX1) wird auf 113K gekühlt und durch das 36ste Rohr (36) mit dem Drosselventil (V3) verbunden. Nach Drosseln und Abkühlen kehrt es durch das 37ste Rohr (37) zum primären Vorkühlwärmetauscher (HX1) zurück. Dann geht es aus der Vorkühlkasteneinheit (II) durch das 38ste Rohr (38) und kehrt zum Einlass der Mischkühlmittelverdichtereinheit (C3) zurück, bildet einen Satz gemischter KältemittelKältezyklus, um Kühlleistung für den Temperaturbereich von 303K bis 113K bereitzustellen.
  5. Das Verfahren zur Verwendung der Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung gemäß Anspruch 4, wobei die Anteile von normalem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoff in Schritt 1) jeweils 2,2% und 97,8% betragen und die Anteile von normalem Wasserstoff und sekundärem Wasserstoff im Speichersystem 1% bzw. 99% betragen.
  6. Das Verfahren zur Verwendung der Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung gemäß Anspruch 4, wobei das Medium des Stickstoffkältezyklus in Schritt 3) reiner Stickstoff ist.
  7. Das Verfahren zur Verwendung der Wasserstoffverflüssigungsanlage mit Mischkühlung gemäß Anspruch 4, wobei das gemischte Kältemittel in Schritt 4) aus Methan, Ethylen, Propan, Isopentan und Stickstoff besteht.
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