[其他]气体液化方法和装置

说明书

本发明涉及一种致冷方法和装置，特别是关于诸如氮和甲烷这一类永久气体的液化。

氮和甲烷是永久气体，只用降低气体温度的方法是不能使这类气体液化的，必需使它冷却（在压力下）至少达到一个“临界温度”，在这温度下，气体与它的液态相平衡。

使氮液化或把氮冷却到临界点以下的惯用方法一般要求将气体进行压缩（除非可能适当提高压力，通常在30大气压以上），并且在一个或多个热交换器中对至少一个相对低压的工作流体的液流进行热量交换，至少一部分工作流体的温度要求维持在氮的临界温度以下。至少有部分工作流体的液流或各个工作流体的液流是通过压缩工作流体，并且在前面所说的一个或多个热交换器中冷却，然后膨胀，对外作功（作功膨胀）予以形成。这种工作流体最好取自高压的氮的液流，或者这种液流保持与工作流体分开，而工作流体仍然由氮组成。

实际上，液态氮基本上是在一个比较低的压力下被贮存或使用的，这个压力比把氮等压地冷却到它的临界温度以下时气态氮所处的压力还要低。因此，在完成这种等压冷却后，处在临界温度以下的氮通过膨胀或减压阀，从而使它所受的压力大大地减小了。因此，液态氮和大量的被称之为“闪蒸气体”的气体一起产生，这种膨胀基本上是等焓的，其结果导致氮的温度的降低。

通常，工业上惯用的使氮液化的方法的热力学效率是比较低的，要提高这一效率有足够大的余地。在现有技术中都比较强调通过增进热交换的效率来提高方法的总效率。为此，对热交换气中许多点上的各个气流之间的温度差异已做了许多分析，以确定热交换器的总的热力学效率。

我们的方法不仅仅包括增进热交换的效率，而且进一步地使热交换器的总的热负荷显著地减小，同时还进一步改善工作流体循环的性能。众所周知，在氮液化器中采用二个或多个这种工作流体循环，对互相相邻但又不重叠的温度范围进行致冷，称之谓“序列结构”，例如，见英国专利申请2162298A和2162299。因此在一种序列结构中，一个“热涡轮工作流体循环”可包括对从200K到160K范围所生成的液流进行致冷，一个“中间涡轮工作流体循环”可以对从160K到130K范围所生成的液流进行致冷，还有一个“冷涡轮工作流体循环”可以再对从130K到100K的流液冷却。在一种序列中，只使用二个涡轮也是可能的，一个涡轮是“热涡轮工作流体循环”的一部分，另一个涡轮是“冷涡轮工作流体循环”的一部分。这里对涡轮所说的“冷”、“中间”和“热”的区别是指相应涡轮的入口的温度。

按照本发明，提供了一种液化由氮和甲烷组成的永久气体流的方法，包括在提高压力时把永久气体流的温度降到它的临界温度以下，并且至少执行两个氮工作流体循环，以提供至少将永久气体的温度降到它的临界温度以下所需要的部分致冷的步骤，每一个这样的氮工作流体循环包括压缩氮工作流体，使作功膨胀的氮工作流体通过与所说的氮的气流进行逆向的热交换而加热，从而导致对永久气体流致冷。其中，在至少一个氮工作流体循环中，作功膨胀要在一个比较高的温度时开始，该温度比在至少一个其它的氮工作流体循环中开始作功膨胀时的温度要高。而且，在每一个工作流体循环中，在作功膨胀结束时氮工作流体的温度与在其它工作流体循环中作功膨胀结束时氮工作流体的温度相同或基本相同。