压缩和分离设备以及压缩方法与流程

压缩和分离设备以及压缩方法
1.本发明涉及一种压缩和分离设备、尤其是用于氢气的压缩和分离设备，并且涉及一种压缩方法、尤其是用于氢气的压缩方法。
2.氢气是分子量非常低的气体。因此，使用的大多数氢气压缩机是正排量压缩机，而不是动态压缩机。
3.为了压缩大容量氢气液化器所需的大体积流量的氢气，正排量压缩是有问题的，因为它需要多个并联的压缩机。这是因为这种压缩机的立方容量有限。
4.动态压缩机(例如，离心式)具有大得多的立方容量且将更适合压缩期望的大体积流量。然而，为了实现高压力比，需要大量串联的压缩级。
5.使用单轴离心式压缩机将氢气(摩尔质量为2g/mol)压缩到在6巴与25巴之间需要8个串联的压缩级。作为比较，压缩空气气体(例如，氮气，摩尔质量为28g/mol)将需要3个级来实现相同的压缩比。
6.可以通过与较重气体混合来增加待压缩气体的摩尔质量，从而压缩轻气体(比如氢气)。然而，这种与氢气端对端压缩的镇重气体(ballast gas)显著地增加压缩相同量氢气所需的功率。
7.例如，氢气(2g/mol)可以与co2(44g/mol)混合。60％co2 40％h2的混合物具有的摩尔质量将与氮气的摩尔质量相似，且因此将同样需要3个压缩级。
8.然而，消耗将是不添加镇重气体时压缩的1/0.4＝2.5倍。
9.使用比co2甚至更重的化合物、比如也是已知的(jp h0275882)。这种化合物从吸入压力到最后一级的排放完全与轻气体一起压缩，但是它们的高分子量使要添加的量最小化，并因此使额外的能量成本最小化。
10.所提出的发明使得可以使用动态压缩机来压缩氢气，同时使与使用重气体相关联的能量损耗最小化。
11.根据本发明的一个目的，提供了一种压缩和分离设备，该压缩和分离设备包括具有第一和第二压缩级的动态压缩机，以用于压缩第一气体，该第一气体具有小于10g/mol、或甚至小于7.5g/mol、或甚至小于5g/mol的第一分子量，该压缩和分离设备包括：
12.i.用于该第一气体的入口，
13.ii.用于将至少一种第二流体与该第一气体混合以形成待压缩的第三气体的装置，该至少一种第二流体具有大于50g/mol的第二分子量，该第三气体具有大于10g/mol的分子量，
14.iii.用于将该第三气体输送到该第一压缩级的装置，用于冷却该第一压缩级下游的该第三气体以便部分地冷凝该第三气体的第一热交换器，第一相分离器，用于将经部分冷凝的第三气体输送到该第一相分离器以形成第四气体和第一冷凝液体的装置，相比该第三气体该第四气体具有更低的分子量，相比该第三气体该第一冷凝液体具有更高的分子量，
15.iv.用于将该第四气体从该第一相分离器输送到该第二压缩级的装置，该第二压缩级下游的第二热交换器，用于将经压缩的第四气体输送到该第二压缩级并且在该第二热
交换器中冷却该经压缩的第四气体以便部分地冷凝该经压缩的第四气体的装置，第二相分离器，以及用于将经部分冷凝的第四气体输送到该第二相分离器以产生第五气体和第二冷凝液体的装置，相比该第四气体该第五气体具有更低的分子量，相比该第四气体该第二冷凝液体具有更高的分子量，以及
16.v.分离设备，以及用于将该第五气体或衍生自该第五气体的气体输送到该分离设备以在该分离设备中进行分离而产生气态产物的装置，该气态产物的分子量小于10g/mol、或甚至小于7.5g/mol、或甚至小于5g/mol并且其成分中分子量大于50g/mol的任何组分小于10ppm、或甚至小于5ppm、或甚至小于1ppm。
17.根据其他可选的方面：
18.·
该设备包括：用于回收该第一冷凝液体和/或该第二冷凝液体的装置，这些装置可选地包括共用储器；以及用于可选地在蒸发之后将该第一冷凝液体和/或该第二冷凝液体与该第一气体混合的装置。
19.·
该设备包括：用于使该第一和/或第二冷凝液体至少部分地蒸发的装置，以及用于使经蒸发的部分作为第二流体至少部分地再循环的装置。
20.·
该设备包括用于利用压缩产生的一些热量使该第一和/或第二冷凝液体蒸发的装置。
21.·
该第一和/或第二相分离器未与周围空气隔热。
22.根据本发明的另一目的，提供了一种至少具有一个第一压缩级和一个第二压缩级的动态压缩机中的压缩方法，其中，压缩第一气体，该第一气体具有小于10g/mol、或甚至小于7.5g/mol、或甚至小于5g/mol的第一分子量；将至少一种第二流体与该第一气体混合以形成待压缩的第三气体，该至少一种第二流体具有大于50g/mol的第二分子量，该第三气体具有大于10g/mol的分子量；将该第三气体输送到该第一压缩级；将该第三气体在该第一压缩级下游的第一热交换器中冷却，在该第一热交换器处该第三气体被部分地冷凝；将经部分冷凝的第三气体输送到在高于-50℃的温度下操作的第一相分离器以形成第四气体和第一冷凝液体，相比该第三气体该第四气体具有更低的分子量，相比该第三气体该第一冷凝液体具有更高的分子量；将该第四气体从该第一相分离器输送到该第二压缩级；将在该第二压缩级中压缩的该第四气体输送入第二热交换器中冷却，在该第二热交换器处该第四气体部分地冷凝；将经部分冷凝的第四气体输送到在高于-50℃的温度下操作的第二相分离器以产生第五气体和第二冷凝液体，相比该第四气体该第五气体具有更低的分子量，相比该第四气体该第二冷凝液体具有更高的分子量。
23.通过将气体分离成具有相同成分的两部分，通过蒸馏、吸附或渗透将其分离，一种气体可以衍生自另一种气体。
24.根据其他可选的方面：
25.·
将该第一冷凝液体和/或该第二冷凝液体回收、可选地回收在共用储器中，并且可选地在蒸发之后将该第一冷凝液体和/或该第二冷凝液体与该第一气体混合。
26.·
使该第一和/或第二冷凝液体至少部分地蒸发，并且使经蒸发的部分作为第二流体至少部分地再循环。
27.·
在包括如上所述的压缩方法的压缩和分离方法中，将该第五气体或衍生自该第五气体的气体输送到分离设备以在该分离设备中进行分离而产生气态产物，该气态产物的
分子量小于10g/mol、或甚至小于7.5g/mol、或甚至小于5g/mol并且其成分中分子量大于50g/mol的任何组分小于10ppm、或甚至小于5ppm、或甚至小于1ppm。
28.·
该分离设备还产生以下气体：该气体的分子量大于10g/mol、或甚至大于7.5g/mol、或甚至大于5g/mol并且其成分中分子量大于50g/mol的任何组分大于10ppm、或甚至大于5ppm、或甚至大于1ppm，并且该气体被输送到该压缩机的上游以在该压缩机中与该第一气体一起被压缩。
29.在此，提出了低分子量气体(《10g/mol；7.5g/mol；5g/mol)的多级压缩，其特征在于：
30.·
压缩前与高分子量组分或组分混合物(》25g/mol；》35g/mol；》50g/mol)混合以形成具有的分子量》10g/mol的待压缩的气体。
31.·
该气体在动态压缩机中的多级压缩包括至少一个中间冷却步骤。
32.·
在中间冷却步骤过程中形成富含高分子量组分的冷凝相和贫高分子量组分的气相。
33.·
回收冷凝物并且在富含低分子量组分的气相的后续级中压缩。
34.·
汇集冷凝物并且再循环到压缩机的上游。
35.·
在最后一个压缩级的出口处且在最终冷却和冷凝后，气相被输送到分离单元，其中：
36.·
低分子量气体在压力下产生，其中高分子量组分的含量《10ppm(《5ppm；《1ppm)。
37.·
回收高分子量组分并将其再循环到压缩机的上游。
38.根据压缩机的操作条件(p
入口
、p
出口
)等，明智地选择添加高分子量组分，使得与现有技术相比，能量损耗显著降低。
39.示例：氢气在8个级中从1巴压缩到25巴，通过并入ch2cl2，损失降低到26％，而co2循环(不可冷凝的)的损失为150％。
40.为了将100,000nm3/h的氢气从6巴压缩到大约51巴，可以通过对所有压缩级采用相同的假设来计算最终压力值，即：
41.·
绝热效率＝85％
42.·
每个压缩级之间的压降＝0.1巴
43.·
多变压头：100kj/kg
44.·
再冷凝温度：40℃。
45.可以看出，与现有技术的正排量压缩机中的压缩相比：
46.·
用于纯氢气的离心式压缩机将具有非常多的级数(大约35个)，因此将非常昂贵并且占用空间非常大。
47.·
用不可冷凝的第二流体(44g/mol的co2)增加重量以形成12g/mol的混合物使得有可能在五个级中压缩，但是具有明显的能量损失。
48.·
用第二流体增加重量以(在压缩级入口处)获得12g/mol的混合物(该混合物根据本发明被部分地冷凝)使得可以使能量损耗最小化，同时保持在合理数量的压缩级内。
49.·
用第二流体增加重量以(在级入口处)形成17g/mol的混合物(该混合物根据本发明被部分地冷凝)使得可以在与具有co2的12g/mol的混合物相同数量的级中压缩，并且还使能量损耗最小化。
50.表1对应于h2/其他分离效率为100％的情况和该效率下降到80％的情况。简单地将注意到“混合物”解决方案的能量消耗受到这种效率的影响。(在此，1/0.8＝125％)。
51.[表1]
[0052][0053]
将参考附图更详细地说明本发明。
[0054]
[图1]表示了根据本发明的方法。
[0055]
[图2]表示了根据本发明的方法。
[0056]
在图1中，具有小于10g/mol、或甚至小于7.5g/mol、或甚至小于5g/mol的第一分子量的第一气体(例如，氢气或氦气1)在压缩级c1中被压缩。第一气体在与具有大于50g/mol的第二分子量的气体21、以及可选地与也具有大于50g/mol的第二分子量的气体25混合之后形成具有大于10g/mol的第三分子量的气体混合物。气体21例如可以是二氯甲烷(ch2cl2)。
[0057]
气体21可以由液体代替。在这种情况下，液体21以气溶胶形式注入第一气体中。
[0058]
第一气体具有第一主要组分，并且第二流体可选地具有第二主要组分，在各自情况下，主要组分优选地包括50mol％、或甚至80mol％、或甚至90mol％、或甚至95mol％的气体。
[0059]
第一气体还可以可选地与气体25混合。具有的分子量大于10g/mol、或甚至大于15g/mol的混合物3在动态压缩级c2中被压缩以形成压缩气体5，并且压缩气体在冷却器r1中被冷却以部分地冷凝该压缩气体。经部分冷凝的流7在相分离器p1中被分离。富含第一主
要组分并且可选地贫第二主要组分的来自相分离器p1的气体9在动态压缩级c3中被压缩，并且被冷却器r2冷却以进行另一部分冷凝步骤。经部分冷凝的流10在相分离器p2中被分离。
[0060]
富含第一主要组分并且可选地贫第二主要组分的来自相分离器p2的气体13被分离以产生具有与第一气体相同的主要组分的产生气体23，该产生气体能够就该组分而言与第一气体一样纯、就该组分而言比第一气体更纯、或就该组分而言不如第一气体纯。与气体13相比和与气体10相比，气体13富含第一主要组分并且可选地贫第二主要组分。
[0061]
第一气体1和产生气体23包含至少80mol％的第一组分、或甚至至少90mol％、或甚至至少95mol％。
[0062]
产生气体23以及优选地气体13、或甚至气体10，具有小于10g/mol、或甚至小于7.5g/mol、或甚至小于5g/mol的分子量。
[0063]
设备1中气体23的分离可以通过任何合适的手段进行，这些手段比如是蒸馏、吸收、吸附、渗透、洗涤、或这些技术中的几种的组合。
[0064]
由设备1产生的气体25包含第一气体和第二流体的混合物，并且可以再循环到压缩级c2的上游，使得两种流体都不会损失。
[0065]
无论什么气体与气体1混合，重要的方面是进入压缩级c2的混合物3具有比气体1更高的分子量。
[0066]
与气体10相比富含第二主要组分而贫第一主要组分的来自相分离器p2的液体15被膨胀并且被输送到储存罐s。该储存罐还接收来自第一相分离器p1的经膨胀的液体11，该液体与气体7相比富含第二主要组分而贫第一主要组分。
[0067]
两个相分离器p1、p2在-50℃以上、或甚至-20℃以上、或甚至0℃以上、或甚至环境温度以上的温度下操作。根据操作温度，这两个相分离器可以暴露而无需隔热。
[0068]
来自储存罐的液体17被膨胀、被加热器h加热而使其蒸发、并且作为气体21输送以改变气体1的分子量。来自储存罐的顶部气体19也可以混合到加热器h的下游。
[0069]
如图2中所示，另一种可能性是将加热器h结合到储存罐s中，以使储存罐s中积聚的液体11、15蒸发，使得只有气体19作为与气体1混合的气体21再循环。
[0070]
优选地，来自第一气体1的至少一些压缩热被回收以加热液体11、15。加热器h和冷却器r1和/或r2因此可以彼此连接或甚至形成单个热交换器的一部分。
[0071]
级c2、c3或甚至c1是动态压缩级、或甚至是离心式压缩级。
[0072]
优选地，这两个图中的储存罐s在-50℃以上、或甚至-20℃以上、或甚至0℃以上、或甚至环境温度以上的温度下操作。根据操作温度，储存罐可以暴露而无需隔热。