[其他]气体冷冻方法与装置

说明书

本发明有关冷冻法及装置，尤其有关永久气体，如氮或甲烷之液化。

永久气体之性质为无法仅藉升压而液化，须将气体（在加压下）冷却达气体可与其液态平衡存在之温度方可。

液化永久气体或冷却至或低于临界点之习知方法典型地需将气体压缩（除非已以合宜升压，通常超过30大气压而供应）并于一个或一个以上热交换器中对著至少一道相当低压工作流体流而行热交换。至少有些工作流体系以低于永气体临界温度之温度而供应;至少部份工作流体流或各流典型地系由压缩工作流体而形成者，于前述热交换器中冷却，继以执行外功而膨胀之（“功膨胀”）。工作流体本身可取自高压永久气体流，或者，永久气体可与可与工作流体保持分开虽言如此，后者组成可与永久气体相同。

典型上，液化之永久气体贮于或用于实质较供等压冷却至低于其临界温度之压力为低之压力下;如此，此等压冷却完成后，在低于其临界温度下之永久气体通经膨胀或节流阀而使其所置身其中之压力实质减低，产生实质体积之所谓“闪蒸气体”。膨胀实质为等焓的，造成液体温度降低。一般进行一两次此种膨胀以产生在贮藏压力下与其气相平衡之液化永久气体。

概括言之，液化永久气体之商用方法其热力学效率相当低，尚待改进。技艺界大大强调藉改进制程中热交换效率而改善制程之总效率;因此，技艺界先前提议皆以尽量减少永久气体流与行热交换之工作流体流间之温度差异为重心。

唯本发明有关用以冷冻永久气体流之次临界温度工作流体循环之改进。

依据本发明提供永久气体液化法，包含如下各步骤：于升压下降低永久气体流温度至低于其临界温度，并进行至少两次工作流体循环以提供将永久气体温度降至低于其临界温度所需之至少部份冷冻;各次此工作流体循环包含：压缩工作流体，冷却之，功膨胀经冷却之工作流体，在与永久气体流及与待冷却之工作流体行逆流热交换中温热经功膨胀之工作流体，因而对永久气体流提供冷冻;其中在至少一次工作流体循环中，经功膨胀之工作流体带至在低于永久气体临界温度下，与永久气体流呈逆流热交换关系;而在该次循环或各该循环中，当功膨胀完成时工作流体压力至少为10大气压。

较好，所述压力系在12至20大气压范围。工作流体循环中，采用膨胀叶轮机以执行工作流体之功膨胀，至少10大气压之压力为膨胀叶输机之出口压力;如此出口压远较习用于可比拟液化法中者为高。藉采用至少十大气压之出口压，可提高与永久气体流呈热交换关系之工作流体比热，可以提高次临界温度工作流体循环之热力学效率，因而降低其比动力消耗。

较好，若膨胀叶轮机之出口压系在12至20大气压范围，则一俟功膨胀完成，工作流体系在其饱和温度或在较其饱和温度为高2K之温度。在或接近饱和温度时，工作流体之比热随温度之下降，相当快速升高。吾人偏好令工作流体功膨胀至其饱和温度（或接近之），就采用至少十大气压膨胀叶轮机出口压所得热力效率增高而言，即可优异地为全然饱和蒸气或湿润。

在次临界温度工作流体循环中，采用至少十大气压之膨胀叶轮机出口压范围其结果为：循环所造成之冷冻及如此加诸其上之冷冻负荷皆有限。如此，典型地须取相当高温（如对氮而言，在107至117K范围，较好约110K）之永久气体流供膨胀（亦即压力减低）至藏压压力（如1大气压级位之压力）。习知地，液化永久气体流膨胀至贮藏压力系藉永久气体流通经一或二膨胀而等焓地进行;咸信此乃一种相当无效率的膨胀方法，消耗相当量不可逆功;且若采行此种方式，则由本发明所得动力消耗方面之大半（即令非全部）效益将漏失。然而，吾人咸便可能以较一或二等焓膨胀为更有效率地膨胀至贮藏压;举例言之，在升压及低于永久气体流可进行至少三次依序等焓膨胀，在各等膨胀所得液体（未次者除外）系恰在下一次等焓膨胀的流体，且至少部份（典型地全部）该闪蒸气体与该永久气体流行热交换。典型上，在适温与永久气体流之热交换关系后，闪蒸气体以喂进供液化用之永久气体重行压缩;除一次或多次闪蒸分离阶段外，流体可利用一或多个膨胀叶轮机而降低压力。

吾人偏好将至少部份，较好全部该闪蒸气体与该永久气体流在永久气体流温度（较功膨胀工作流体与该永久气体流呈热交换关系时之温度为低）下，呈热交换关系。在一典型例中，咸信吾人可将永久气体流温度降低约3K，此意味著取供膨胀用之永久气体流温度可较其它情况下所需为高3K，藉此加大如下各范围：提升在该次临界工作流体循环中之膨胀叶轮机出口压超过12大气压，因而提升进入与该永久气体流呈热交换关系之工作流体的比热。