專利名稱：一種利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法
技術領域：
本發明涉及低溫氣體液化和制冷技術領域，特別涉及到一種利用多元混合物工質通過內復疊節流制冷獲得液氖(或者液氫、液氦)溫度的方法。
傳統的通過節流制冷來獲得液氖或者液氫、液氦的方法需要采用多級預冷或者多級外部復疊的措施，例如，為獲得液氖，則需要用液氮預冷；為獲得液氦，則需要用液氮及液氫來預冷。這種傳統的方法需要多套獨立的制冷系統，因此，傳統的系統流程復雜，效率不高，可靠性較差。
目前，利用混合物工質來獲得低溫的方法主要局限在液氮溫區以上。例如，在天然氣液化工程采用的混合物工質多級分凝節流的方法主要是獲得110K左右的溫區。此外，還有針對獲得液氮溫區(65K-80K)的多元混合物工質節流制冷方法(如美國專利US5,441,658)。但這一方法還無法獲得4K-50K的低溫，即不可能獲得液氖、液氫或者液氦。
綜上所述，傳統的節流制冷方法或者多元混合物工質節流制冷方法存在系統復雜，效率不高，可靠性差，或者是不能達到獲得液氖、液氫或者液氦的目的。
本發明的目的在于克服傳統節流制冷法復雜的系統及其低效率和進一步擴展多元混合物工質節流制冷法獲得4K-50K的低溫，從而提供一種采用單一的壓縮氣源，通過采用液氮溫區具有高效率的混合物制冷工質，預冷具有低轉化溫度的氖氣(或者氫氣、氦氣)，再進一步節流氖氣(或者氫氣、氦氣)的利用多元混合物工質內復疊節流制冷獲得液氖(或者液氫、液氦)的新方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的一種利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氫及液氦的方法是利用多元混合物工質C和內復疊節流制冷工藝。其中多元混合物工質C由兩類物質A、B組成，第一類物質A為通常的混合物工質，如美國專利US5,441,658，在液氮溫區具有較高的效率，一般由N2、Ar及5個碳原子以下的烴類、烯烴或者其衍生物的混合物組成；第二類物質B由單一的Ne氣、H2氣、He氣或者由它們組成的混合物，其組成取決于最終所要求得到的溫度。如果需要獲得液氖溫度，則Ne的摩爾含量至少占60％；如果需要獲得液氫溫度，則氖氣摩爾含量在30％-40％,H2的摩爾含量至少在30％；如果需要獲得液氦溫度，則He的摩爾含量在20％-40％，氫的摩爾含量在20-40％，余量為氖氣。將第一類物質A與第二類物質B進一步混合，得到新的多元混合物C。其中，第一類混合物的摩爾含量為50％-80％，余量為第二類物質。其中內復疊節流制冷工藝過程是把混合物工質C放入
圖1所示的系統中，多元混合物工質C通過壓縮機1壓縮后成為高溫高壓的氣體，進入冷卻器2中冷卻為環境溫度左右的高壓低溫氣體，該氣體流過逆流熱交換器3受到冷卻，冷卻到80K-100K時在氣液分離器4中進行汽液分離，分離出完全處于液態的第一類物質A和完全處于氣態的第二類物質B，然后通過節流閥5節流處于液態的第一類物質A，此時，產生制冷并預冷第二類物質B。第二類物質進一步在逆流熱交換器6中冷卻。如果是為了獲得液氖，則通過節流來自逆流熱交換器6中的氣體，即可獲得液氖；如果要獲得液氫或者液氦，則可以使逆流熱交換器中的混合氣B冷卻到30K-20K左右，在氣液分離器7中進行氣液分離，可分離出處于液態的氖及完全處于氣態的氫氣或者氦氣。處于液態的氖通過節流閥8節流產生制冷效應預冷氫氣或者氦氣，被預冷的氫氣或者氦氣繼續在逆流熱交換器9中受到冷卻，通過節流閥10節流制冷后可在蒸發器11中獲得液氫或者液氦，節流后的流體依次匯合，最終返回壓縮機，進行下一次循環。
本發明的優點與傳統的逐級預冷節流的方法相比，本發明克服了傳統逐級預冷的復疊節流制冷系統的復雜性，因而本發明的流程簡單得多，此外，由于采用了在80K溫區具有高效率的混合工質，因此，本方法比傳統逐級節流的效率要高得多，其效率能提高3-5倍。與現有混合物工質節流制冷方法相比，本發明能獲得更低的溫度(4K-50K)。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是本發明利用多元混合物工質節流獲得液氖、液氫、液氦的工藝流程圖；圖2是本發明的實施例1的工藝流程圖；圖3是本發明的實施例2的工藝流程圖；圖面說明如下1、壓縮機；2、冷卻器；3、逆流熱交換器；4、汽液分離器；5、節流閥；6、逆流熱交換器；7、氣液分離器；8、節流閥；9、逆流熱交換器；10、節流閥；11、低溫蒸發器；12、油分離器；13、純化器；14、回油閥；15、高壓氣瓶實施例1采用一單級油潤滑空調壓縮機用本發明的方法獲得液氖其工藝流程圖參見圖2。壓縮機1為0.5kW的單級油潤滑滾動轉子式壓縮機，逆流熱交換器為管套管的盤管熱交換器，逆流熱交換器3的高壓管為直徑3mm、壁厚0.5mm的紫銅管；低壓管為直徑10mm、壁厚1mm。逆流熱交換器6的高壓管為直徑1mm、壁厚0.1mm的紫銅管；低壓管為直徑3mm、壁厚0.5mm的紫銅管。多元混合物C由第一類物質A及第二類物質B組成。第一類物質由N2、Ar、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10按正常比例組成，其摩爾含量為70％。第二類物質為氖氣，摩爾含量為30％。節流閥及回油閥5、7、14均為不銹鋼毛細管。單級壓縮機提供的高低壓力分別為2.0MPa、0.2MPa。多元混合物工質由在溫度80K溫區具有高效率的工質A及氖氣B組成。具體的工作過程是這樣的首先，包括所有組分的多元混合物工質在壓縮機1內壓縮，經冷卻器2冷卻至室溫后進入油分離器12，分離出的油由回油閥13返回壓縮機，以保證壓縮機的潤滑。從油分離器出來的混合氣經純化器14進行干燥、純化，進入逆流熱交換器3，通過逆流回熱器3混合器冷卻到80K-90K的溫區，在此條件下，除氖氣外的所有高沸點組元將全部液化，故在分離器4中進行汽液分離，對分離出的液體物質A進行節流，節流后逆流熱交換器3的低壓側。分離出的低溫氣體氖繼續在逆流熱交換器6中冷卻，冷卻到一定溫度后通過節流閥7節流，最終可在低溫蒸發器11中獲得液氖。液氖在蒸發器11中受熱首先返回逆流熱交器6的低壓側，并進一步返回逆流熱交換器3的低壓側，匯同其它工質最終返回到壓縮機1，完成一次循環。采用此法獲得了30K低溫的液氖。
實施例2采用單一高壓氣源用本發明的方法獲得液氦流程圖參見圖3。高壓氣源壓力在3MPa-10MPa以上，包含有第一類物質及第二類物質。第一類物質摩爾含量為60％，其中它由N2、Ar、CH4、R14、R13組成(采用通常使用的相對摩爾含量比例，30％、20％、13％、15％及25％)。第二類物質摩爾含量為40％，為Ne、H2、He(相對摩爾含量為40％、30％及30％)。逆流熱交換器為管套管的盤管熱交換器。其具體的工作過程是這樣的首先，來自高壓氣瓶15的包括所有組分的多元混合物工質C進入逆流熱交換器3，逆流回熱器3可使汽液分離器達到80K-90K的溫區，在此條件下，除氖氣、氫氣及氦氣外的所有高沸點組元將在氣液分離器4中全部液化，故在此溫度下進行汽液分離，對分離出的液體物質A通過節流閥5進行節流，節流后返回逆流熱交換器3。分離出的低溫氣體氖、氫及氦的混合氣B繼續在逆流熱交換器6中流過，冷卻到30K左右的溫度后在氣液分離器7中進行第二次汽液分離，此時，氖氣全部變成液態，而氫及氦則仍為氣態。通過節流閥8節流液氖并返回逆流熱交換器6的低壓側。氣態的氫及氦氣則繼續在逆流熱交換器9中受到冷卻，冷卻到一定溫度后，通過節流閥10進一步節流，最終可在低溫蒸發器11中獲得液氦溫度。液氦在低溫蒸發器11中受熱并依次返回各級逆流換熱器。采用此法可獲得4.5K左右低溫的液氦。
實施例3采用一兩級無油潤滑壓縮機用本發明方法獲得液氫其流程如圖1所示。多元混合物工質由在溫度80K溫區具有高效率的工質A及氖氣與氫氣的混合氣B組成，其中，第一類物質摩爾含量為70％，其中工質A由N2、Ar、CH4、R14、C2H6、C3H8按30％、10％、10％、10％、15％及25％的摩爾含量相對比例組成。第二類物質摩爾含量為30％，其中工質B由Ne、H2按相對比例40％、60％組成。逆流熱交換器為毛細管盤管熱交換器，節流閥均采用毛細管。具體的工作過程是這樣的首先，包括所有組分的多元混合物工質C在壓縮機1內壓縮，經冷卻器2冷卻至室溫后進入逆流熱交換器3，逆流回熱器可使汽液分離器達到80K-90K的溫區，在此條件下，除氖氣與氫氣外的所有高沸點組元將全部在氣液分離器4中液化，故在此溫度下進行汽液分離，對分離出的液體物質A進行節流，節流后由汽液分離器4返回逆流熱交換器3的低壓側。分離出的低溫氣體氖及氫的混合氣B繼續在逆流熱交換器6中流過，冷卻到30K左右的溫度后在氣液分離器7中進行第二次汽液分離，此時，氖全部變成液態，而氫則仍為氣態。通過節流閥8節流液氖并返回逆流熱交換器6的低壓側。氣態的氫氣則繼續流過逆流熱交換器9，冷卻到一定溫度后節流后，最終可在低溫蒸發器11中獲得液氫溫度。液氫在蒸發器11中受熱并依次返回各級逆流換熱器而回到壓縮機1。采用1kW的壓縮機，獲得了20K的液氫。
實施例4按圖1的工藝流程利用本發明的方法制備液氖，液氫及液氦多元混合物工質中第一類物質A的摩爾含量為50％；第二類物質B的摩爾含量為50％；其中它們組成按實施例3，和具體工藝同實施例1。部實施例5按圖1的工藝流程利用本發明的方法制備液氖，液氫及液氦制備方法完全按實施例4，但是改變多元混合物工質配比，其多元混合物工質中第一類物質A的摩爾含量為80％，第二類物質B的摩爾含量為20％。物質A與B各自組成和工序也同實施例4相同。
權利要求
1.一種利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氦液氫的方法，其特征在于(1)、采用摩爾含量為50％-80％的第一類物質A，以及余量為第二類物質B混合組成的多元混合物工質C。其中，第一類物質A是通常的混合物工質；第二類物質B包括Ne、H2、He或者由它們組成的混合物。(2)、多元混合物工質C通過壓縮機1壓縮后成為高溫高壓的氣體，進入冷卻器2中冷卻為環境溫度左右的高壓低溫氣體，該氣體流過逆流熱交換器3受到冷卻，冷卻到80K-100K時在氣液分離器4中進行汽液分離，分離出完全處于液態的第一類物質A和完全處于氣態的第二類物質B，然后通過節流閥5節流處于液態的第一類物質A，此時，產生制冷并預冷第二類物質B；第二類物質B進一步在逆流熱交換器6中冷卻，為了獲得液氖，則通過節流來自逆流熱交換器6中的氣體，即可獲得液氖；要獲得液氫或者液氦，使逆流熱交換器中的混合氣B冷卻到30K-20K左右，在氣液分離器7中進行氣液分離，可分離出處于液態的氖及完全處于氣態的氫氣或者氦氣。處于液態的氖通過節流閥8節流產生制冷效應預冷氫氣或者氦氣，被預冷的氫氣或者氦氣繼續在逆流熱交換器9中受到冷卻，通過節流閥10節流制冷后可在蒸發器11中獲得液氫或者液氦，節流后的流體依次匯合，最終返回壓縮機，進行下一次循環。
2.按權利要求1所述的利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第一類物質A是由通常的混合物工質N2,Ar及5個碳原子以下的碳氫化合物組成。
3.按權利要求1,2所述的利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第二類物質B包括Ne,H2,He或者它們組成的混合物，其中Ne的摩爾含量至少為60％。
4.按權利要求1所述的利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第二類物質B包括Ne,H2,He或者它們組成的混合物，其中氦氣的摩爾含量在20％～40％，氫氣的摩爾含量在20％～40％，余量為氖氣。
5.按權利要求1所述的利用多元混合物工質節流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第二類物質B包括Ne,H2,He或者它們組成的混合物，其中氖的摩爾含量在30％～40％，氫的摩爾含量至少30％。
全文摘要
本發明涉及利用多元混合物工質和通過內復疊節流制冷獲得4K—50K低溫的方法。本發明利用摩爾含量為50%—80%的液氮溫區的混合物工質A與余量Ne、H
文檔編號F25J1/00GK1232955SQ9810157
公開日1999年10月27日 申請日期1998年4月21日 優先權日1998年4月21日
發明者羅二倉, 周遠 申請人:中國科學院低溫技術實驗中心