氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺及其系统与设计方法与流程

本发明涉及液氢生产，特别是涉及一种氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺及其系统与设计方法。

背景技术：

1、国内外氢储运主要依靠压缩氢气和液氢两种方式。液氢储运具有以下优势：1)长途运输成本更低；2)液氢纯度更高；3)液氢加氢站效率更高成本更低。氢液化装置是获取液氢的装置，用于将常温氢气冷却液化。

2、氢分子在自然状态下存在两种同分异构体：两个原子核自旋方向相同时为正氢，两个原子核自旋方向相反时为仲氢。两者化学性质完全相同，物理性质略有差别。正氢与仲氢可自发相互转变。正、仲氢的平衡组成与温度有关。室温下平衡氢含摩尔分数75％正氢和25％仲氢。高于室温时，正、仲氢的平衡组成不变；低于室温时，正、仲氢的平衡组成随温度发生变化，温度越低仲氢的摩尔分数越大。正氢的焓值高于仲氢，正-仲氢转化为放热过程，转化热随着温度降低而增大，在液氢温度下正-仲氢转化热高于液氢的气化潜热。正-仲氢自然转化速度缓慢，若不加干预，液氢会因为自发的正-仲氢转化而全部气化。因此，在氢液化装置中通常使用催化剂加速正-仲氢转化，使液氢中的仲氢摩尔分数足够高，以避免正-仲氢转化热对液氢储存时长造成不良影响。

3、正-仲氢催化转化反应可分为三类：连续转化、等温转化、绝热转化。三种转化方式各有优缺点。连续转化耗功最小，转化效果最优，但是结构复杂，催化剂用量大，阻力大。等温转化的转化效果次之，反应器结构简单，催化剂用量少，但需要液体相变来提供恒温冷源，使用条件比较严格。绝热转化结构最简单，操作方便，装换催化剂容易，但转化效果最差，耗功大。

4、如何合理配置正-仲氢转化方式和转化级数，使氢液化装置以相对简单的结构和方便的操作产生仲氢摩尔分数足够高的液氢，是工业级大规模氢液化应用中值得研究的重点。

技术实现思路

1、本发明的目的是：设计一种能够解决现有的氢液化装置正-仲氢转化级数过多、系统复杂成本高且系统设计方法不明确的问题的氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺及其系统与设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺，转化步骤如下：

3、s1原料氢气依次经过第一换热器和第二换热器中的换热管道进行换热冷却，然后进入第一正-仲氢转化器进行等温转化；

4、s2步骤s1中转化后的氢气依次经过第三换热器和第四换热器中的换热管道进行换热冷却，然后进入第二正-仲氢转化器进行绝热转化；

5、s3步骤s2中转化后的氢气再次经过第四换热器中的换热管道进行换热冷却，随后进入第五换热器的换热管道进行换热冷却，然后进入第三正-仲氢转化器进行绝热转化；

6、s4步骤s3中转化后的氢气再次进入第五换热器的换热管道进行换热冷却，最后经过节流阀减压形成最终液氢产品。

7、进一步地，所述第一换热器、所述第二换热器、所述第三换热器、所述第四换热器、所述第五换热器均利用低温循环冷却系统进行换热冷却。

8、进一步地，所述低温循环冷却系统的管路依次经过所述第五换热器、所述第四换热器、所述第三换热器、所述第二换热器及所述第一换热器。

9、进一步地，所述第一正-仲氢转化器由预冷液体相变提供等温环境。

10、进一步地，所述第一换热器及所述第二换热器还利用预冷液体进行换热冷却。

11、本发明还提供了一种氢液化装置中三级正-仲氢转化系统，用于上述的氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺，包括：

12、第一换热器，设有第一进气口及用于与所述第一进气口连通的第一出气口，所述第一进气口用于通入原料氢气；

13、第二换热器，设有第二进气口及用于与所述第二进气口连通的第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口连通；

14、第一正-仲氢转化器，设有第一氢气入口和第一氢气出口，所述第一氢气入口与所述第二出气口连通；

15、第三换热器，设有第三进气口及用于与所述第三进气口连通的第三出气口，所述第三进气口与所述第一氢气出口连通；

16、第四换热器，设有第四进气口、第五进气口、用于与第四进气口连通的第四出气口及用于与第五进气口连通的第五出气口，所述第四进气口与所述第三出气口连通；

17、第二正-仲氢转化器，设有第二氢气入口和第二氢气出口，所述第二氢气入口与所述第四出气口连通，所述第二氢气出口与所述第五进气口连通；

18、第五换热器，设有第六进气口、第七进气口、用于与第六进气口连通的第六出气口及用于与第七进气口连通的第七出气口，所述第六进气口与所述第五出气口连通；

19、第三正-仲氢转化器，设有第三氢气入口和第三氢气出口，所述第三氢气入口与所述第六出气口连通，所述第三氢气出口与所述第七进气口连通；

20、出液管路，所述出液管路上串联有节流阀，所述出液管路的一端与所述第七出气口连通，另一端用于产出液氢。

21、进一步地，所述第一换热器还包括第一进液口及用于与所述第一进液口连通的第一出液口，所述第二换热器还包括第二进液口及用于与所述第二进液口连通的第二出液口，所述第一正-仲氢转化器，包括第三进液口及与第三进液口连通的第三出液口，所述第二进液口及所述第三进液口均用于通入预冷液体，所述第一进液口分别与所述第二出液口及所述第三出液口连通。

22、进一步地，还包括低温制冷循环装置，所述低温制冷循环装置的制冷剂出口依次通入所述第五换热器、所述第四换热器、所述第三换热器、所述第二换热器及所述第一换热器后与所述低温制冷循环装置的制冷剂回口连通。

23、本发明还提供了一种氢液化装置中三级正-仲氢转化设计方法，用于上述的氢液化装置中三级正-仲氢转化系统，具体方法为：

24、根据预设的原料氢气温度t1、压力p1及仲氢摩尔分数f1，查询物性软件以确定原料氢气的摩尔焓h1；

25、根据预设的产出液氢温度t12、压力p12及仲氢摩尔分数f12，查询物性软件确定产出液氢的摩尔焓h12；

26、确定第二进气口处氢气的温度t2、压力p2、仲氢摩尔分数f2及摩尔焓h2，其中温度t2＝tpre+δt，压力p2＝p1-δp1，仲氢摩尔分数f2＝f1，摩尔焓h2根据t2、p2、f2查询物性软件确定，tpre为预设的预冷液体温度，δt为预设的预冷液体过热度，δp1为第一换热器的压降；

27、确定第二出气口处氢气的温度t3、压力p3、仲氢摩尔分数f3及摩尔焓h3，其中温度t3＝tpre，压力p3＝p2-δp2，仲氢摩尔分数f3＝f2，摩尔焓h3根据t3、p3、f3查询物性软件确定，δp2为第二换热器的压降；

28、确定第三进气口处氢气的温度t4、压力p4、仲氢摩尔分数f4及摩尔焓h4，其中温度t4＝tpre，压力p4＝p3-δpi，仲氢摩尔分数f4、摩尔焓h4与t4和p4对应的平衡氢的仲氢摩尔分数、摩尔焓一致，根据t4、p4查询物性软件确定，δpi为第一正-仲氢转化器的压降；

29、确定第四出气口处氢气的温度t6、压力p6、仲氢摩尔分数f6及摩尔焓h6，其中t6为氢的临界温度，压力p6＝p4-δp3-δp4，仲氢摩尔分数f6＝f4，摩尔焓h6根据t6、p6、f6查物性软件确定，δp3为第三换热器的压降，δp4为第四换热器的压降；

30、确定第五进气口处氢气的温度t7、压力p7、仲氢摩尔分数f7及摩尔焓h7，其中摩尔焓h7＝h6，压力p7＝p6-δpii，温度t7、仲氢摩尔分数f7与h7和p7对应的平衡氢的温度、仲氢摩尔分数一致，根据h7、p7查物性软件确定，δpii为第二正-仲氢转化器的压降；

31、确定第四进气口处氢气的温度t5、压力p5、仲氢摩尔分数f5及摩尔焓h5，其中t5＝t7，压力p5＝p4-δp3，仲氢摩尔分数f5＝f4，摩尔焓h5根据t5、p5、f5查物性软件确定；

32、确定第五出气口处氢气的温度t8、压力p8、仲氢摩尔分数f8及摩尔焓h8，其中温度t8＝t6，压力p8＝p7-δp4，仲氢摩尔分数f8＝f7，摩尔焓h8根据t8、p8、f8查物性软件确定；

33、确定第七出气口处氢气的温度t11、压力p11、仲氢摩尔分数f11及摩尔焓h11，其中摩尔焓h11＝h12，仲氢摩尔分数f11＝f12，压力温度t11根据h11、f11、p11查物性软件确定，δpk为第k换热器的压降；

34、确定第七进气口处氢气的温度t10、压力p10、仲氢摩尔分数f10及摩尔焓h10，其中压力p10＝p11+δp5，仲氢摩尔分数f10＝f11，温度t10、摩尔焓h10与f10和p10对应的平衡氢的温度、摩尔焓一致，根据f10、p10查物性软件确定,，δp5为第五换热器的压降；

35、确定第六出气口处氢气的温度t9、压力p9、仲氢摩尔分数f9及摩尔焓h9，其中压力p9＝p10+δpiii，仲氢摩尔分数f9＝f8，摩尔焓h9＝h10，温度t9根据h9、p9、f9查物性软件确定，δpiii为第三正-仲氢转化器的压降。

36、本发明实施例一种氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺及其系统与设计方法与现有技术相比，其有益效果在于：

37、本发明实施例的氢液化装置中三级正-仲氢转化工艺及其系统，其设置五级换热器和三级正-仲氢转化器，整体系统简单，在保证液氢产品中仲氢摩尔分数不低于98％的前提下，有利于降低制造成本和维护成本。

38、发明实施例的氢液化装置中三级正-仲氢转化设计方法，能根据原料氢气状态和液氢产品指标要求设计中间状态点，设计方法清晰明确，有利于快速设计正-仲氢转化系统。