[发明专利]工业气体场所与液氢生产的一体化

说明书

用于生产液氢的方法(346)可以包括以下步骤：将来自高压天然气管道(300)的加压天然气(302)引入处于有效产生经纯化氢流(315)的条件下的气体处理单元；并且将该经纯化氢流引入处于有效产生液氢流的条件下的氢液化单元(346)，其中，该氢液化单元对该经纯化氢流提供暖温冷却和冷温冷却，其中，该暖温冷却是通过利用选自下组的加压流的泄放能量来提供的，该组由以下组成：源自氮管道的氮流(320)、源自该高压天然气管道(300)的天然气流(2)、源自空气分离单元(ASU)的空气气体(86)、及其组合，其中，通过利用该经纯化氢流的泄放能量来提供该冷温。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年8月5日提交的美国临时申请号62/371,497和2017年1月24日提交的美国专利申请号15/414,155的非临时申请的权益，这些申请的全部内容通过援引并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于氢的液化的设备和方法。更具体地，本发明的实施例涉及通过使用各种高压流的压力泄放(letdown)进行组合制冷来液化氢气流。

背景技术

在典型的氢液化设施中，将高压氢气(例如，15-70bara)纯化和干燥并送至冷箱，在冷箱中将其冷却至约-190℃。这种冷却水平的制冷典型地通过闭环氮制冷循环提供。除了利用氨或其他制冷剂的机械制冷单元之外，氮制冷循环可以包括单一涡轮机、多个涡轮机、具有增压器的涡轮机。另外，氮制冷循环典型地采用多级氮再循环压缩机来完成闭环。

替代性地，对于一些应用，通过将液氮(LIN)流注入约-190℃的交换器中来提供这种制冷水平(至-190℃)。当氮流与正在冷却的氢流交换冷时，该氮流汽化并升温至接近环境温度。该替代方案的热动力效率较低，并且需要源自单独的氮液化器的液氮，这仍需要循环压缩机和涡轮机增压器。

通过第二制冷循环将冷却的气态氢进一步冷却并在约-252℃下液化。可以通过具有多个涡轮机和氢(或氦)再循环压缩机的氢(或氦)制冷封闭循环来提供用于这种冷却水平的制冷。由于低分子量(MW)或更具体地因为这些分子太小，氢(或氦)压缩非常困难且昂贵。

本领域普通技术人员还将认识到，产生液氢需要其他步骤(例如，吸附系统、邻位-对位转换)，这些步骤在本文中未描述，因为它们不受本发明实施例的影响。

美国专利号2,983,585(史密斯)披露了一种部分氧化过程，在该过程中，用氧将甲烷部分氧化以产生一氧化碳和氢气。该部分氧化过程与氢液化过程集成，在该氢液化过程中通过与液态甲烷的间接热交换来将氢气预冷却、并且随后使用液氮(“LIN”)作为制冷剂在封闭的外部制冷循环中将其进一步冷却。所得甲烷在该液化过程的暖端被压缩、然后被送到部分氧化过程。所得的气态氮在闭合循环的暖端被压缩、然后通过与液态甲烷的间接热交换而冷凝、并再循环。披露了可以用液化天然气(“LNG”)来代替液态甲烷。然而，对于此方案，暖端的制冷负荷简单地从氢液化单元转移到天然气液化单元。在氮与LNG之间需要额外的热交换系统，这将导致额外的热力学损失。并且，由于LNG的液化温度，氢流仅被冷却到约-150℃。

美国专利号3,347,055(布兰卡德等人)披露了一种过程，在该过程中使气态烃原料反应以产生氢气，然后将氢气在一体化的液化循环中液化。在一个实施例中，该液化循环包括两个制冷剂封闭循环，第一个使用氢气作为制冷剂，而第二个使用氮。这两个制冷循环的压缩发生在循环的暖端。还通过与经液化的烃原料气体的间接热交换来冷却待液化的氢，由此产生1atm(例如，约0.1MPa)的气态原料，用于在氢生产设施中使用。披露了烃原料可以是天然气。该方案还将部分制冷负荷从氢液化器转移到天然气液化器。