專利名稱：尤其用于氣體液化的制品冷卻方法及其使用的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制品冷卻方法及其使用的設(shè)備。這種方法尤其可用于液化制品，例如天然氣。
背景技術(shù)：
根據(jù)FR2489101，冷卻方法及其使用的設(shè)備要求具有沸石(zéolithe)/水偶合的性能。但是，根據(jù)該文獻，不能達到非常低的溫度。
公知的是汽相制品液化方法，其中，在接近正常溫度和壓力條件下從汽相初始狀態(tài)開始，對制品進行等溫壓縮，直至數(shù)十甚至數(shù)百巴，然后進行等壓冷卻，最后進行等焓膨脹，以便達到在常壓即大氣壓下不穩(wěn)定的液相最終狀態(tài)。這種方法由圖3上曲線B示出，初始狀態(tài)由點A示出。這種方法，例如克勞德法和林德法，尤其可液化和分離脫水空氣的成分。為此，需要大型壓縮機，這要消耗大量電能或機械能，即輔助電能。這種液化方法是一種直接施加于待冷卻流體制品的直接轉(zhuǎn)化，因此不需要任何分離的制冷流體。其缺陷是將制品壓縮到超臨界狀態(tài)所需的能量消耗大，參與預計作用(液相)的制品比例小。這種方法溫差大，能耗成本高。
US5339649提出一種兩階段低溫致冷器，對用于冷卻超導磁體的氦進行液化。在最冷階段，致冷流體是氦，在14至18大氣壓下通過加熱吸收劑對其解吸。這種超臨界的氦僅在焦耳-湯姆遜膨脹閥的下游進行液化。在另一階段，制冷流體是氫和一種化學吸收劑，猶如采用LaNi5。氫僅在焦耳-湯姆遜膨脹閥的下游進行液化。每次僅有一部分流體被液化，參與致冷作用。流體在吸附室中的等容壓縮，具有消耗熱而不消耗輔助電能的優(yōu)越性。但是，等容壓縮比任何其它形式的壓縮(等溫壓縮、絕熱壓縮)耗能成本高。因此，制造超臨界的氦和氫需要消耗非常大的能量，其總體上與壓差成正比，這影響到該機的節(jié)能效率。另外，氫的焦耳-湯姆遜膨脹僅在充分的預冷卻條件下進行液化。這種預冷卻通過與儲備的流體氮的熱交換獲得。流體氮的消耗也影響到這種致冷器的節(jié)能效率。這種致冷器功率小，尺寸小，設(shè)計成裝在車輛上。其由液化流體部分小引起的小產(chǎn)率、壓縮成本、以及作為朝其傳熱的熱源的流體氮的消耗，使之不適合功率更高的應用條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種冷卻方法，其尤其適用于氣體液化，能耗成本不太高，最終溫度尤其是非常低的溫度的選擇余地大。本發(fā)明還旨在提出一種方法和設(shè)備，其適于尤其是在-80℃至-220℃的溫度范圍內(nèi)大功率制冷，而具有良好的節(jié)能效率。本發(fā)明還旨在提出一種設(shè)備，確保溫度下降到理想的溫度，而不損害設(shè)備的整體應力，確保冷卻的節(jié)能成本，確保設(shè)備安全可靠。
為此，本發(fā)明提出一種制品冷卻方法，其具有N個呈真空的按順序排列的吸附/解吸周期，N是一個大于1的整數(shù)，每個周期具有如下階段，其在于
-在一第一壓力小于汽相制冷流體的臨界壓力的冷凝器中提取所述流體的熱，以冷凝所述制冷流體；
-將所述液相制冷流體輸入一第二壓力小于第一壓力的蒸發(fā)器，以蒸發(fā)一部分所述制冷流體，并冷卻另一部分所述制冷流體，直至具有所述第二壓力的所述制冷流體的蒸發(fā)溫度，所述蒸發(fā)溫度從一周期到下一周期逐漸減小，所述第一和第二壓力在每個周期選擇成，在一周期中所述蒸發(fā)溫度每一次小于下一周期中在所述下一周期的第一壓力下制冷流體的冷凝溫度；
-在所述蒸發(fā)器中在所述第二壓力下使制冷流體的液體部分產(chǎn)生熱，以蒸發(fā)所述制冷流體；[10]-在至少一與所述蒸發(fā)器相連接且內(nèi)裝沸石吸附劑的吸附/解吸室中吸附所述汽相制冷流體；[11]-在一定量的所述制冷流體被吸附到所述沸石吸附劑中之后，通過加熱再生所述沸石吸附劑，以解吸所述量的汽相制冷流體；[12]-朝所述冷凝器輸送所述量的汽相制冷流體；[13]所述方法還包括如下階段，其在于[14]每一次在一周期的蒸發(fā)器中的制冷流體和周期序列中下一周期的冷凝器中的制冷流體之間進行N-1次熱交換，從而在所述蒸發(fā)器中進行所述熱供給，且在所述冷凝器中進行所述熱提?。灰约癧15]通過與至少最后一個周期的蒸發(fā)器中的制冷流體的熱交換冷卻所述制品。
沸石是一種有吸附性能的粘土，可固著許多物質(zhì)，可低成本地加以使用。例如，在常溫或環(huán)境溫度下，它可固著水，直至其自身重量的25％以上。吸附是放熱的，解吸是吸熱的。在吸附水時，每千克固著的水約釋出3500千焦耳的熱。沸石也可按大小分類，起分子篩的作用，以便按照其分子大小的標準選擇吸附的物質(zhì)。
在每個周期，吸附/解吸室中汽相吸附起抽吸作用，降低制冷流體的分壓力，從而改變蒸發(fā)器中相的平衡，以維持制冷流體的蒸發(fā)，這樣，通過提取蒸發(fā)潛熱冷卻蒸發(fā)器。這種抽吸是以物理化學的方式，無需機械工作。因此，本發(fā)明方法僅使用少量輔助電能，以使制冷流體循環(huán)。一周期的蒸發(fā)器中提取的潛熱每一次都由下一周期的冷凝器中的熱提取加以補償，這樣，可冷凝冷凝器中的制冷流體。此外，這種潛熱提取至少在最后一個周期用作冷卻涉及的制品。
再生在于加熱吸附劑，以降低其吸附能力，從而解吸流體。沸石的再生溫度可在每個周期選擇成解吸全部或幾乎全部相應的制冷流體。但是，沸石導熱性能非常差，全部解吸花費時間長。因此，解吸最好局部進行，例如直至10％的比含量，以促進本發(fā)明方法的動態(tài)特性。
因此，每個周期的制冷流體是循環(huán)的，可長時間地在閉路中運轉(zhuǎn)。本發(fā)明方法消耗的能，即再生吸附劑的能，基本上可以熱的形式即初級能的形式提供。
較好的是，每個周期使用不同的制冷流體，每種制冷流體選擇成，相應周期的第二壓力下的蒸發(fā)溫度低于前一周期使用的第一流體壓力下的冷凝溫度，以便可從待冷凝流體朝待蒸發(fā)流體傳熱。流體的選擇標準同時是流體的固有特征物態(tài)改變的潛熱，先是液體-蒸氣然后是固體-蒸氣的平衡曲線、臨界溫度、三態(tài)點溫度，與密封材料的兼容性，可能的危險(爆炸、毒性)，以及流體/沸石吸附劑偶合的特征吸附曲線(隨溫度而變化的吸附百分率)，存在沸石的流體的穩(wěn)定性。除去可能存在無法接受的危險的流體之后，選擇那些可根據(jù)一階段中的蒸發(fā)由下一階段中的冷凝加以確保的原理確保級聯(lián)的流體。
冷卻液也根據(jù)進行大而有效的吸附的沸石的能力和根據(jù)相應的吸附熱加以選擇。預計的吸附率可達30％(例如對于沸石13X來說，為水的總量30％，對于沸石4A來說，為水的總量20％)。解吸溫度是可變化的(水對沸石4A為250℃，氮對沸石4A為70℃，水對沸石13X為90℃)。在所有情況下，吸附作用在低溫下提高。吸附熱的數(shù)量級為吸附的流體的蒸發(fā)潛熱的1.5倍。
根據(jù)本發(fā)明實施例，所述制冷流體選自于水(Tb＝100℃)、丁烷(Tb＝-0.5℃)、氨(Tb＝-33℃)、二氧化碳(Tb＝-37℃)、丙烷(Tb＝-42℃)、乙炔(Tb＝-84℃)、乙烷(Tb＝-88℃)、乙烯(Tb＝-103.9℃)、氙(Tb＝-108℃)、氪(Tb＝-152℃)、甲烷(Tb＝-161.6℃)、氬(Tb＝-185℃)、氮(Tb＝-195.5℃)、以及氖(Tb＝-245.92℃)，其中，Tb表示常壓下的沸點。因此，所有這些流體或至少其中某些流體，在這個序列或另一序列中，可用于連續(xù)循環(huán)。例如，第一周期的制冷流體是水。
較好的是，在至少一所述周期最好是在所有周期，所述制冷流體的蒸發(fā)潛熱大于300kJ/kg，最好大于或等于約450kJ/kg。能量交換越大，使用高潛熱流體越為合適。流體序列中一流體的最小閾值為300kJ/kg，一般數(shù)值例如約為450kJ/kg，這在甲烷液化設(shè)備中是合理的。對于可降低到較低溫度的較小的設(shè)備來說，可降低這個閾值。
較好的是，在至少一所述周期最好是在所有周期，蒸發(fā)器中的溫度大于所述制冷流體的三態(tài)點。因此，在蒸發(fā)器中獲得液相而不是固相，這樣，可進行更有效的熱交換。換句話說，流體的臨界壓力必須大于周期的第一壓力(高壓)，三態(tài)點的溫度如果可能必須低于流體的相應于第二壓力的低溫。但是，后一技術(shù)約束條件可根據(jù)交換器的設(shè)計情況予以提高。
最好是，在至少一所述周期最好在所有所述周期，所述冷凝器中的第一壓力低于3巴，例如為0.4至3巴，最好接近常壓。因此，壓縮制冷流體直至第一壓力所需要的能耗降低。
每個冷凝器中的溫度每一次都是相應于冷凝器中第一壓力的流體冷凝溫度，其可以是常壓或另一壓力。解吸時，可壓縮流體直至常壓之上的舒適壓力，例如2大氣壓，以增大其冷凝溫度，調(diào)節(jié)前一階段蒸發(fā)器中流體的蒸發(fā)溫度。
較好的是，在至少一所述周期最好在所有所述周期，最大壓力低于5巴，最好低于3巴，更好的是接近常壓。使用本發(fā)明方法的整體設(shè)備對每個周期的高壓力非常敏感。鑒于室的機械強度和組件的熱慣性，最大限度地限制高壓力是恰當?shù)?。因此，不必制造支持大壓差的設(shè)備。因此，冷卻設(shè)備成本降低，安全性提高。
設(shè)備的安全可靠性取決于室的密封性。因此，應該避免在過分低的低壓下工作。在每個周期，例如大于或等于0.5kPa的最低絕對壓力是合理的數(shù)值。
最好是，在至少一所述周期，所述液相制冷流體以霧化形式輸入蒸發(fā)器。因此，蒸發(fā)加速，冷卻功率加大。
最好是，第一周期的冷凝器中的所述熱提取通過環(huán)境溫度下與環(huán)境流體的熱交換進行。第一周期的冷凝熱朝所述環(huán)境流體排出，所述環(huán)境流體構(gòu)成相對于使用上述方法的制冷機的熱源，例如可以是大氣或者河水、湖水或海水。
較好的是，在至少一所述周期，所述待再生沸石吸附劑的加熱通過環(huán)境溫度下與環(huán)境流體的熱交換進行。例如，再生在第二周期和在隨后的周期進行。
較好的是，本發(fā)明方法具有的階段在于，每一次在一周期的一吸附/解吸室里吸附過程中的所述沸石吸附劑和下一周期的一吸附/解吸室里再生過程中的所述沸石吸附劑之間，進行至少一次熱交換，最好進行至少N-1次熱交換。因此，一周期的吸附/解吸室和下一周期的吸附/解吸室之間的熱交換可進行再生，無需從外部供熱，第一周期的再生除外。但是，即使是第一周期，即達到最高高溫的周期，本發(fā)明方法可適于在較低的溫度下工作，例如在沸石/水偶合的情況下為250℃。因此，在第一周期的再生溫度易于獲得熱源。因此，本發(fā)明方法可用于作為流出液產(chǎn)熱的工業(yè)設(shè)備例如熱機。
吸附是放熱反應，沸石的吸附能力隨著其溫度提高而逐漸減小。最好確定成在每個周期冷卻對所述制冷流體被吸附的吸附/解吸室中的沸石吸附劑進行冷卻。這樣，可使吸附劑保持在正確的工作溫度下。
最好將階段確定成，每一次在一周期的蒸發(fā)器中的制冷流體和吸附過程中下一周期的吸附/解吸室中的所述沸石吸附劑之間，進行至少一次熱交換，最好是N-1次熱交換，以冷卻所述沸石吸附劑。因此，吸附過程中沸石的冷卻無需能量的輔助消耗。
較好的是，在每個周期，確定至少兩個吸附/解吸室，以便同時進行所述吸附/解吸室之一中制冷流體的所述吸附和另一所述吸附/解吸室中沸石吸附劑的所述再生。
最好是，在每個周期，確定至少三個吸附/解吸室，以便同時實行另一所述吸附/解吸室中沸石吸附劑再生之后的冷卻階段。因此，每個吸附/解吸室相繼實行三階段吸附階段、再生或解吸階段、再生之后的冷卻階段，在吸附階段，最好冷卻吸附劑，在再生或解吸階段，加熱吸附劑，在再生之后的冷卻階段，在重新開始吸附前冷卻吸附劑。
最好將階段確定成，每一次在一周期的蒸發(fā)器中的制冷流體和再生之后冷卻過程中下一周期的吸附/解吸室中的所述沸石吸附劑之間，進行至少一次熱交換，最好是N-1次熱交換。因此，再生之后沸石的冷卻無需能量的輔助消耗。
最好將階段確定成，在至少一所述周期，最好是在每個所述周期，通過與一環(huán)境溫度源的熱交換冷卻所述數(shù)量的汽相制冷流體，再將所述數(shù)量的制冷流體重新輸入冷凝器。因此，可在兩階段冷卻制冷流體，使之冷凝首先通過與一環(huán)境溫度源的熱交換，然后在冷凝器中通過與前一周期的蒸發(fā)器的熱交換。這在所要的冷凝溫度在環(huán)境溫度以下時特別有利。當所要的冷凝溫度在環(huán)境溫度之上時，與一環(huán)境溫度源的熱交換可能足以獲得所需的冷凝。
根據(jù)本發(fā)明，真空下意味著周期在降低的空氣分壓力下發(fā)生，真空度可根據(jù)希望獲得的輸送速度或多或少為高真空。較好的是，每個周期空氣的分壓力低于約1kPa，最好低于約0.1kPa。為此，由于不完全的密封性，最好在每一階段配置一真空泵。最好確定成一真空泵與所述吸附/解吸室或每個吸附/解吸室相連接，以從室中提取空氣和/或起初溶解在制冷流體中的不可吸附的雜質(zhì)。
最后一周期的低溫根據(jù)應用情況加以選擇。例如，可以是-40℃至-220℃。非常低的溫度尤其適于某些氣體的液化。
較好的是，待冷卻制品起初是汽相，尤其是基本上等壓地冷卻所述制品，以便使之液化。這種方法不用高壓即可液化物質(zhì)例如甲烷或空氣成分，就設(shè)備成本和安全性而言，這具有優(yōu)越性。
待冷卻制品可以是任何特性的。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，所述制品是用作燃料或可聚合原料的氣體，例如液化石油氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、氫等，所述制品尤其是用于裝上液化氣體燃料的運輸船或陸上運輸設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，制品是用作原料的氣體，例如液態(tài)空氣、氮和氧，在-80℃和-220℃之間使之冷卻或液化。
在另一實施例中，將階段確定成，每一次在一周期的冷凝器中的制冷流體和下一周期的所述高溫下的所述沸石吸附劑之間，進行至少一次熱交換，最好是N-1次熱交換，一周期的所述中間溫度每一次大于或等于下一周期的所述高溫。在這種情況下，高溫和中間溫度也選擇成從一周期到下一周期逐漸減小。但是，必須控制好冷凝器中制冷流體的冷凝條件，尤其是溫度，以便根據(jù)這個實施例利用冷凝熱。
本發(fā)明也提出使用前述方法的設(shè)備，其包括N個呈真空的按順序排列的冷卻階段，N是一大于1的整數(shù)，每個階段包括[46]-一冷凝器，其適于裝液相制冷流體，[47]-一蒸發(fā)器，其通過一導管與所述冷凝器相連接，[48]-至少一吸附/解吸室，其內(nèi)裝沸石吸附劑，通過一上游閥與所述蒸發(fā)器相連接，[49]-一導管，其配有一下游閥，以便從所述吸附/解吸室朝所述冷凝器輸送制冷流體，[50]-一加熱裝置，其位于所述吸附/解吸室或每個吸附/解吸室中，適于加熱所述沸石吸附劑，直至再生溫度，[51]所述設(shè)備包括N-1個熱交換器，其每次布置成在一階段的蒸發(fā)器中的制冷流體和周期序列中下一階段的冷凝器中的制冷流體之間進行熱交換，以使后者冷卻，所述設(shè)備還包括一終端熱交換器，其布置成在待冷卻制品和至少最后一階段的蒸發(fā)器中的制冷流體之間進行熱交換。
最好是，在至少一所述階段，一制冷流體冷卻室布置在所述或每個吸附/解吸室和所述冷凝器之間，與一環(huán)境溫度熱源進行熱接觸。
較好的是，本發(fā)明設(shè)備作為所述吸附/解吸室的加熱裝置具有至少一熱交換器，最好是至少N-1個熱交換器，其每次布置成在一階段的所述或一所述吸附/解吸室中處于吸附過程的所述沸石吸附劑和下一階段的所述或一所述吸附/解吸室中處于再生過程的所述沸石吸附劑之間進行熱交換。
較好的是，在所述或每個吸附/解吸室中配置一冷卻裝置，以冷卻所述處于吸附過程中的沸石吸附劑。
較好的是，本發(fā)明設(shè)備作為所述吸附/解吸室的冷卻裝置具有至少N-1個熱交換器，其每次布置成在一階段的蒸發(fā)器中的制冷流體和下一階段的所述或每個吸附/解吸室中的所述沸石吸附劑之間進行熱交換。
最好是，每個階段包括至少兩個最好是三個吸附/解吸室，每個都通過各自的一上游閥與所述蒸發(fā)器相連接，且通過各自的一下游閥與所述冷凝器相連接。因此，本發(fā)明設(shè)備的可連續(xù)工作，當其它室分別再生和再生之后冷卻的時候，吸附相繼在每個室中在掩蔽時間進行。
較好的是，本發(fā)明設(shè)備具有所述閥的一控制件，其進行程序控制，以根據(jù)一掩蔽時間周期打開和關(guān)閉所述上游和下游閥，其特征在于，每個室相繼實行一吸附階段、一再生或解吸階段、一再生之后的冷卻階段，在吸附階段，上游閥開啟，下游閥關(guān)閉，在再生或解吸階段，下游閥開啟，上游閥關(guān)閉，在再生之后的冷卻階段，下游閥和上游閥關(guān)閉。
根據(jù)另一實施例，如果控制好冷凝器中流體的冷凝條件，則可作為所述吸附/解吸室的加熱裝置配置至少一熱交換器，最好是至少N-1個熱交換器，其每次布置成在一階段的冷凝器中的制冷流體和下一階段的所述或每個吸附/解吸室中的所述沸石吸附劑之間進行熱交換。
根據(jù)本發(fā)明一實施例，本發(fā)明設(shè)備與一內(nèi)裝所述待冷卻制品的室相連接，所述終端熱交換器支承在所述室內(nèi)，以便在最后一階段的蒸發(fā)器中的制冷流體和裝在所述室中的液相或汽相制品之間進行熱交換。
本發(fā)明還提出一種液化天然氣運輸船，其配有一液化氣貯罐，根據(jù)前述實施例的一設(shè)備與之相連接，作為重新液化的制冷裝置。
本發(fā)明還提出一種氣體液化廠，其包括一用于待液化氣體的冷卻室，其與根據(jù)前述實施例的一設(shè)備相連接。


參照附圖和非限制性實施例，本發(fā)明及其其它目的、細節(jié)特征和優(yōu)越性將得到更好理解。附圖如下[63]圖1示出具有三階段的多階段冷卻機，其使用根據(jù)本發(fā)明第一實施例所述的方法；[64]圖2詳細示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例所述的制冷機的第一階段和一部分第二階段；[65]圖3是氮N2的熱力學圖；[66]圖4是制冷機的一般原理示意圖；[67]圖5示出沸石吸附劑隨溫度而變化的吸附曲線典型實施例；[68]圖6示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例所述的三階段制冷機；[69]圖7示出圖6所示制冷機的每一階段中制冷流體的熱力學周期；[70]圖8是圖6所示制冷機的三階段中溫度條件和壓力條件的熱力學圖；[71]圖9示出板型熱交換器；[72]圖10至12示出液流分割裝置的實施例。
具體實施例方式如圖1所示，多階段冷卻機包括三階段100、200和300。每一階段具有一設(shè)計和工作相類似的制冷流體回路，其中產(chǎn)生真空，現(xiàn)參照第一階段100加以更確切地描述。在隨后的階段中，類似的構(gòu)件具有相同的標號加100或200。
在第一階段100，制冷流體是水H2O。制冷流體回路具有一冷凝器101，其通過配有一循環(huán)泵102的一導管104與一蒸發(fā)器103相連接。蒸發(fā)器103通過配有一上游閥130的一導管110與一吸附/解吸室120相連接。室120裝有沸石塊Z作為吸附劑。吸附/解吸室120通過配有一下游閥150的一導管160與冷凝器101相連接。在冷凝器101中，水在低于100℃例如約80℃的溫度下在1大氣壓下處于液相。整個制冷流體回路呈真空，例如，空氣的分壓力小于0.1毫巴。為此，每一吸附/解吸室與一真空泵相連接，如圖2所示。獲得的分壓力可借助于一公知類型的氣體分析儀加以控制。
在循環(huán)泵102的作用下，液相水通過導管104注入蒸發(fā)器103，在其中雨點般落下。當流動可在重力作用下獲得時，循環(huán)泵102可由一閥取代。由于在蒸發(fā)器103中基本上絕熱地進行膨脹，水局部蒸發(fā)。由于上游閥130開啟，水蒸汽從蒸發(fā)器103通過導管110進入吸附/解吸室120，水蒸汽在其中由沸石塊Z進行吸附。這種吸附反應消耗蒸發(fā)器103中產(chǎn)生的水蒸汽，這樣，持久地維持水的蒸發(fā)，以補償吸附的蒸汽量。這種連續(xù)蒸發(fā)從蒸發(fā)器103中的流體即水提取熱，以致蒸發(fā)器103中產(chǎn)生低溫，例如為-10℃至-30℃。因此，在蒸發(fā)器103的底部獲得固態(tài)冰相。蒸發(fā)器103中的溫度和壓力一方面可通過從上游閥130排出的蒸汽流量進行調(diào)節(jié)，另一方面可通過從冷凝器101輸入的液態(tài)水量和由熱交換器280輸入的熱量進行調(diào)節(jié)，這將在下面予以描述。由于相平衡，蒸發(fā)器103中的溫度因為保持低壓而更低。特別是，通過選擇適當?shù)臏囟群蛪毫?，也可在蒸發(fā)器103中獲得液相。
吸附/解吸室120配有一冷卻裝置，其用于在放熱的吸附反應期間冷卻沸石塊Z。因此，室120中的溫度保持低于100℃。為此，冷卻裝置是一載熱流體回路140，其配有一循環(huán)泵194，且與一冷源108相連通，后者例如可以是環(huán)境溫度的水或周圍大氣。
當沸石塊Z吸附一定量的水時，它必須再生。為此，關(guān)閉上游閥130，且打開下游閥150。然后，轉(zhuǎn)換三通閥124，使載熱流體回路140與一從外部接收熱H的熱源109相連接。熱源109可以是最好高于250℃的任意熱源。因此，載熱流體回路140起加熱裝置的作用，加熱沸石塊Z例如直至250℃。在這個溫度下，沸石的吸附能力非常小。延長解吸時間，直至差不多90％的水蒸汽被解吸。因為沸石的導熱率隨著其含水量減小而逐漸下降，解吸更多的水需要較長的時間，這樣會放慢本發(fā)明方法的速度，從而降低機器的小時生產(chǎn)率。在室120中壓力的作用下，解吸的水蒸汽通過導管160從室120排出，下游閥150開啟。水蒸汽在冷凝器101中排出，水蒸汽在其中冷凝和冷卻至80至100℃的中間溫度。為此，冷凝器101通過一冷卻裝置126，例如與大氣相連接的熱交換器，持久地進行冷卻。一通風器115用于提高冷凝器101的冷卻效果。
在蒸發(fā)器103中，利用水的蒸發(fā)反應從載熱流體在其中循環(huán)的一蛇管125提取熱。蛇管125屬于一熱交換器280，其還具有一蛇管226和一蛇管270，蛇管226布置在第二階段200的冷凝器201中，蛇管270布置在第二階段200的吸附/解吸室220中。熱交換器280還包括一循環(huán)泵227，其使載熱流體從蒸發(fā)器103循環(huán)到冷凝器201，以冷卻冷凝器201，然后循環(huán)到吸附室220，以冷卻處于吸附過程中的沸石塊Z。熱交換器380在第二階段200和第三階段300之間起相同的作用。
在第二階段200，制冷流體例如是丁烷C4H10。冷凝器201中的中間溫度在1或2大氣壓下為-10至-20℃，因此丁烷是液態(tài)。蒸發(fā)器203中的溫度為-60至-80℃。為了在吸附/解吸室220中再生沸石塊Z，溫度提高到80℃的高溫。為此，使用一與熱源109相連接的載熱流體回路240和/或另一加熱裝置，如圖2所示。
與階段100不同的是，階段200在來自室220的導管260和冷凝器201之間具有一中間冷卻容器216。該容器216通過一閥217與冷凝器201相連接。當解吸的流體在低于環(huán)境溫度的溫度下時，容器216是絕熱的，以防容器216中壓力增大。當解吸的流體在高于環(huán)境溫度的溫度下時，容器216與周圍大氣進行熱接觸，以使汽相丁烷在解吸之后獲得第一次冷卻，從而防止容器216中壓力增大。在第二種情況下，將容器216例如通常的鋼制儲氣瓶置于外部，且配置由一通風器215通風的一熱交換器214。
在再生期間，室220中的沸石塊Z例如加熱到80℃。丁烷的解吸導致室220中的壓力上升，從而導致汽相丁烷通過導管260流動到容器216。當丁烷冷卻時，這種冷卻維持從室220抽吸丁烷。在這一階段，容器216中的溫度取決于解吸條件，即尤其是容器216中的壓力。例如，可確定15巴的壓力。容器216中壓力上升越大，溫度越高。然后，從容器216，汽相丁烷在冷凝器201中通過閥217減壓，以便在接近常壓的壓力下進一步冷卻和液化。
階段300類似于階段200。在第三階段300，制冷流體是二氧化碳(CO2)。冷凝器301中的中間溫度是-60至-70℃，因此二氧化碳是液態(tài)。蒸發(fā)器303中的低溫是-120至-130℃。為了在吸附/解吸室320中再生沸石塊Z，溫度提高到-10至-20℃的高溫。為此，使用與第二階段200中相同類型的加熱裝置，即一與熱源109相連接的載熱流體回路340，或者與前一階段的一吸附/解吸室相連接的一熱交換器，如圖2所示。再生時，為使容器316中環(huán)境溫度下的冷卻有效進行，顯然，容器316中的溫度必須高于環(huán)境溫度，這樣，前提是容器316中具有相當高的壓力。
另一可能性是在較低的壓力下進行解吸，以便在容器316(或216)中獲得低于環(huán)境溫度的蒸汽溫度。在這種情況下，交換器314(或214)去掉。相反，容器316(或216)在這種情況下是絕熱的。根據(jù)使用的冷卻劑，每當容器中可獲得比環(huán)境溫度高的溫度的壓力是如此之高以致帶來無法接受的工藝上的約束條件，這一實施例可能是最佳的。
最后一階段的蒸發(fā)器，即圖1所示實施例中第三階段300的蒸發(fā)器303，配有使用多階段制冷機產(chǎn)生的冷的部件。為此，一終端熱交換器80布置在第三階段300的蒸發(fā)器303和一內(nèi)裝待冷卻制品P的室1之間。熱交換器80具有一載熱流體回路，一蛇管325位于蒸發(fā)器303中，載熱流體在其中冷卻，一蛇管26支承在室1中，冷卻制品P時載熱流體在其中加熱。例如，室1是一液化氣貯罐，其必須冷卻，以補償通過室1的壁的熱損耗。根據(jù)應用情況，配置相應的熱交換器，也可利用制冷機從其它階段的蒸發(fā)器中提取的冷能。
開機前，在初始狀態(tài)，冷卻劑在環(huán)境溫度下分別貯存在容器101、216和316中。相繼起動階段100、200和300。
如圖1所示，多階段制冷機在再生沸石塊Z期間不能提供冷卻。為了彌補這個缺陷，現(xiàn)在參照圖2描述制冷機的第二實施例，其中，在每一階段布置至少兩個最好是三個吸附/解吸室。圖2上，與第一實施例中相同或類似的構(gòu)件用相同的標號標示。
如圖2所示，在第一階段100，吸附/解吸室120以及相應的上游閥和下游閥由三個吸附/解吸室121、122和123取代，其分別通過配有下游閥151至153的管161至163連接到冷凝器101上。室121至123還通過配有上游閥131至133的管111至113連接到蒸發(fā)器103上。閥131至133和151至153是由一控制件105通過控制線路107進行控制的電動閥。控制件105程序控制成進行一掩蔽時間周期，其中同時進行[88]-一室例如121，處于吸附過程，相關(guān)的上游閥開啟，相關(guān)的下游閥關(guān)閉，[89]-另一室例如123，處于再生過程，上游閥關(guān)閉，下游閥開啟，以及[90]-第三室例如122，處于冷卻過程，上游閥和下游閥關(guān)閉。
因此，閥周期性轉(zhuǎn)換成，每一室相繼實行吸附階段、再生階段和再生之后的冷卻階段。階段不必具有相同的持續(xù)時間，以致階段的變化在一階段的所有室中不必是同時的。為了實行掩蔽時間周期，為簡化起見，最好在所有階段同步地在室之間進行轉(zhuǎn)換。
如僅配置兩個室，則一室的再生階段和冷卻階段在另一室的吸附階段期間實行。這樣，隨時存在至少一個在每個階段實行吸附的室。
每個室121至123配有與一冷源相連接的一冷卻蛇管171至173，以及與一熱源相連接的一加熱蛇管141至143。因此，載熱流體的循環(huán)，確保吸附階段期間和再生之后冷卻階段期間沸石塊Z的冷卻，而且也確保再生階段期間沸石塊的加熱。
在其它實施例中，如圖1所示，一單一載熱流體回路140在有選擇地與一熱源或者與一冷源相連接時，可用作冷卻裝置或加熱裝置。但是，由于熱慣性的緣故，這種線路布置不太好。
一真空泵106與每個吸附/解吸室121至123相連接，以保持真空。真空泵106用于彌補制冷流體回路的密封性缺陷，以及抽吸起初溶解于水的不冷凝物質(zhì)例如氧，其因為不被沸石吸附而很可能殘留在吸附室中。一或兩個冷卻周期之后，水中就沒有這種不冷凝的氣體。
如圖2所示，熱交換器280與吸附/解吸室222的冷卻蛇管272相連接。但是，每個吸附室221至223必須在吸附階段期間和再生之后的冷卻階段期間進行冷卻。為此，可為每個吸附/解吸室221至223配置一不同的熱交換器，以便與蒸發(fā)器103進行熱交換。在其它實施例中，熱交換器280配有多通閥，以使冷卻載熱流體有選擇地在一個或多個冷卻蛇管271至273進行循環(huán)。根據(jù)另一實施例，可配置至少兩個分開的熱交換器，以便一方面在蒸發(fā)器103和冷凝器201之間，另一方面在蒸發(fā)器103和吸附室221至223之間進行熱交換。
作為第二階段200中沸石塊Z的加熱裝置，一熱交換器290可使載熱流體在第一階段的室121的冷卻蛇管171中循環(huán)，其正處在吸附階段，載熱流體在其中加熱到80至100℃，然后使載熱流體在吸附/解吸室223的加熱蛇管243中循環(huán)，其正處在再生階段。因此，第二階段的每個吸附/解吸室為其再生可加熱至80℃。一旦如此，每個室221至223就必須在實行其自身的再生階段時，與正在同時實行其自身的吸附階段的室121或122或123進行熱交換。為此，可配置多個類似于交換器290的熱交換器，或者配置可轉(zhuǎn)換的多通閥，用于有選擇地使一個或另一個冷卻蛇管171至173與一個或另一個加熱蛇管241至243相連接。載熱流體在熱交換器290中的循環(huán)由一泵294加以確保。
在其它實施例中，或者以互補的方式，可在階段200的吸附/解吸室221至223和階段100的冷凝器101之間配置一熱交換器，以利用水的冷凝熱在階段200中再生沸石。但是，必須控制好冷凝器101中的冷凝溫度，以便這樣進行工作。
類似于圖2所示熱交換器280和290的熱交換器布置在制冷機的所有連續(xù)階段之間，以致每個階段產(chǎn)生下一階段中制冷流體冷凝所需的冷、下一階段中吸附相沸石的冷卻、下一階段中制冷解吸所需的熱或者至少一部分這種熱。這樣，在一最佳實施例中，唯有階段100需要由熱源109供給外部熱H。但是，也可利用外部熱H在所有階段進行再生。
如圖1所示，制冷機具有三個級聯(lián)階段。但是，可配置或多或少的階段，在每個階段，高溫、中間溫度和低溫選擇成低于前一階段中相應的溫度。例如，可配置一使用乙烯作為制冷流體的第四階段、一使用甲烷作為制冷流體的第五階段、一使用氮或氬作為制冷流體的第六階段和一使用氖作為制冷流體的第七階段。因此，最后一階段中的低溫可接近10K。
表1示出可在多階段冷卻機中用作制冷流體的一定數(shù)量的物質(zhì)的熱力學性能。每種物質(zhì)給出多個壓力值的沸點，以示出在每個階段的蒸發(fā)器中根據(jù)制冷流體的選擇可獲得的溫度范圍。在第一階段，還可使用水和甘醇的混合物，以獲得較高的熔化溫度。這樣，可避免在蒸發(fā)器103形成冰。因此，室121至123中的沸石Z在阻止吸附甘醇的類型中加以選擇，使其保持在蒸發(fā)器103中。
沸石可在其晶體結(jié)構(gòu)或孔徑大小上彼此不同的許多形式下使用。一般來說，每個周期根據(jù)相應的制冷流體選用最適當?shù)姆惺问健?br> 在一實施例中，選用的沸石具有特殊的結(jié)構(gòu)，可促進吸附和解吸反應。這種結(jié)構(gòu)描述于EP-A-470886。直徑例如為3毫米的顆粒狀沸石浸沒保存在一金屬件上，其上加工有限定間隙的凸起。沸石填滿這些間隙，通過燒結(jié)使之固定。采用這種快速結(jié)構(gòu)，僅配置一單個吸附/解吸室，快速地例如數(shù)分鐘的時間交替實行吸附階段和解吸階段，即可使制冷機的一階段例如階段100工作。
上述冷卻機具有許多用途。例如，它可用作與液化天然氣運輸船上液化氣運輸罐相連接的冷卻裝置。為此，終端熱交換器80的蛇管26懸掛在罐中。為進行這種布置，可參照FR 2785034 A1。終端熱交換器80中的溫度應低于或等于-164℃，以便在常壓下液化甲烷。為此，顯然必須配置比圖1所示更多的階段，例如增加一使用乙烯作為制冷流體的階段和一使用甲烷作為制冷流體的階段。對于這種應用來說，要避免使用氧作為制冷流體，因為萬一泄漏會有發(fā)生爆炸的危險。
多階段制冷機還可用于對希望在液化廠液化的氣體物質(zhì)進行等壓冷卻。為此，室1用作氣體液化室。多階段制冷機可應用于空氣或其成分包括稀有氣體的液化。圖3上的曲線C示出這種液化方法中氮從點A所示的初始狀態(tài)開始的熱力學路徑。
類似的路徑可在另一氣體尤其是甲烷的溫度-熵熱力學圖上畫出。參考書《氣體百科全書》(ISBN 0-444-41492-4(1976-2002))中備有這種圖。例如，在每個吸附/解吸室中使用1噸沸石，可獲得約20千克/分鐘的液化甲烷流量。
上述載熱流體回路僅構(gòu)成熱交換器的說明問題的例子。許多其它類型的熱交換器可用于使用本發(fā)明的方法，尤其是不用中間載熱流體。
現(xiàn)在參照圖6描述多階段制冷機的另一實施例。與第一實施例中相同或類似的構(gòu)件采用相同的標號加300。
在每個階段，制冷流體熱力學周期的原理如圖7所示，該圖為可應用于各種不同流體的總圖。
圖7中，橫坐標表示比熵s，縱坐標表示溫度T。線37表示液相/汽相變化曲線，線36表示流體的臨界等壓曲線。
還示出兩等壓曲線，其相應于在流體的三態(tài)點和臨界壓力之間選擇的兩壓力P1＜P2。周期是一由曲線38示出的封閉周期。
液相流體通過與保持在吸附溫度下以吸附汽相的沸石吸附劑連通，在壓力P1和溫度T1下等壓地進行蒸發(fā)。吸附之后，加熱沸石，直至解吸溫度Tdes＜Tads。解吸的蒸汽進行等容壓縮，直至壓力P2。汽相流體在壓力P2和溫度T2下等壓地進行冷凝。最后，液相的壓力由于壓力損失而從P2突然降低至P1，這樣，使一部分流體蒸發(fā)。
在連續(xù)的階段，流體和壓力選擇成，系列n的一階段中流體的蒸發(fā)提取系列n+1的下一階段中流體冷凝所需的熱。因此，工作條件是T1(n)＜T2(n+1)。
圖5示出吸收率τ(吸附的流體相對于吸附劑數(shù)量的質(zhì)量百分比)隨溫度T而變化的吸附曲線39的例子。在吸附溫度Tads以下，吸收率基本上等于飽和率τ0。為了使吸附率降至τ1＜τ0，必須將吸附劑的溫度提高到相應的解吸溫度Tdes。實際上，曲線39取決于流體/吸附劑偶合。在所有的階段，吸附反應器的作用是提供與兩不同的溫度位相應的兩蒸汽壓力階段。
其結(jié)構(gòu)和工況相類似的三階段400、500和600一起予以描述。在冷凝器401(或501、601)中，流體借助于冷凝熱的提取在周期的高壓P1下冷凝。冷凝的流體在重力作用下通過一導管404(或504、604)流入蒸發(fā)器403(或503、603)中，經(jīng)受的壓力損失直至周期的低壓P2。流入蒸發(fā)器每次都是自然進行。只需調(diào)節(jié)流量，以使吸附和蒸發(fā)能力適合蒸發(fā)器中所需的溫度和壓力條件。蒸發(fā)器是絕熱的。
下一階段的冷凝器501(或601)這里制成空心板狀熱交換器，其布置在蒸發(fā)器403(或503)中，在其上使輸入的液體流入蒸發(fā)器，以同時進行這種液體的蒸發(fā)和冷凝器中制冷流體的冷凝。圖9示出這種交換器板25，液體薄膜27在其上處于蒸發(fā)過程中。
為增大蒸發(fā)的動態(tài)特性，也可借助于布置在導管404(或504、604)端部的一流束分割裝置435(或535、635)，使輸入蒸發(fā)器的液體散開。公知的這種裝置有多種，例如單孔式裝置(圖10)、多孔式裝置(圖11)或流束上具有螺旋槳的裝置(圖12)，其為向燃燒器供給燃料而研制，這里適于使之加熱，以免堵塞。
一導管410(或510、610)將蒸發(fā)器與內(nèi)裝沸石吸附劑的三個反應器421-423(或521-523、621-623)相連接。未示出的分段閥(例如止回閥)可使蒸發(fā)器和冷凝器的反應器各個隔離，以便隨時地至少反應器之一隨時與蒸發(fā)器相連接，在適當?shù)奈綔囟萒ads下冷卻，以吸附蒸發(fā)器中形成的蒸汽(放熱反應)，以及至少反應器之一與冷凝器相連接，在適當?shù)慕馕鼫囟萒des＞Tads下加熱，以在周期的高壓下朝冷凝器釋放蒸汽(吸熱反應)。
最好選用不很高的高壓P1，例如低于5絕對巴，甚至低于3絕對巴，以限制壁的尺寸，從而限制制冷機的重量和成本。
實際上，如果將冷凝器視同一隨內(nèi)部和外部之間的壓差ΔP而變化的具有半徑R的球形殼體，則厚度e由下列表達式給出e=ΔPR2σadm]]>[121]對于一具有半徑R的圓柱形殼體來說，去掉除數(shù)2。以一半徑為3米的球形室為例，最大容許張力σadm＝240MPa，無安全系數(shù)，則厚度為
對于這種設(shè)備來說，安全系數(shù)為5看來是最可能的。質(zhì)量提高，具有相同的系數(shù)。
實施例1[124]根據(jù)圖6所示的結(jié)構(gòu)制成具有多達5階段的制冷機。表2給出每個階段可用作制冷流體的物質(zhì)清單、冷凝器中達到的高溫T2和蒸發(fā)器中達到的低溫T1。
流體根據(jù)其在1巴和0.5kPa的壓力下的平衡溫度分類。
實施例2[127]根據(jù)圖6所示的結(jié)構(gòu)制成三階段冷卻機。每個階段的參數(shù)列于表3。
圖8類似于圖7，詳細示出三種流體的周期。
這種制冷機可用于在約-150℃下冷卻制品，例如使這種制品在安裝于最后一階段的蒸發(fā)器603里的一熱交換器701中循環(huán)。對于呈吸附相的吸附反應器421-423的冷卻來說，配置一熱交換器480，可朝大氣或朝具有環(huán)境溫度的水排熱。對于這些反應器的再生來說，配置一250℃的熱源，如圖1所示。
在丁烷階段和乙烷階段，借助于一熱交換器580(或680)進行吸附相反應器的冷卻，朝前一階段的蒸發(fā)器403(或503)排熱。盡管示意地示出熱交換器480、580和680，但是這些熱交換器具有有選擇地冷卻每個反應器所需的閥和旁路。
在丁烷階段和乙烷階段，也配置一熱交換器540(或640)，其布置成在最好用一通風器541(或641)進行強制對流的大氣和沸石吸附劑之間進行熱交換，使之在環(huán)境溫度下或者在略高的溫度下再生。如果再生溫度高于環(huán)境溫度，則可與水階段的冷凝器401進行熱交換，以向沸石補充熱。此外，確定成閥和旁路可有選擇地加熱每個反應器521-523(或621-623)。這樣，在反應器421-423再生時，僅在第一階段上向制冷機提供外部能量。
實施例3[133]常壓甲烷液化機具有四階段，其中前三階段類似于實施例2。表4給出每個階段的參數(shù)。根據(jù)圖6所示的結(jié)構(gòu)，附加一其中流體是甲烷的階段。
在吸附率為10％、每階段的周期時間為1小時、吸附熱為潛熱的1倍半、每階段三個反應器的基礎(chǔ)上，可使吸附溫度和解吸溫度確定如下
在這種構(gòu)型中，可改變熱交換器580和680，以便利用水階段的蒸發(fā)器403中產(chǎn)生的冷，對下部各階段的處于吸附過程的反應器進行冷卻。必要時，還可為此利用丁烷階段的蒸發(fā)器503中產(chǎn)生的冷。
此外，配置一些熱交換器(未示出)，用水階段的反應器421-423中產(chǎn)生的吸附熱，也可結(jié)合使用冷凝器401中釋出的水的冷凝熱，使下部各階段的反應器521-523、621-623等進行再生。這樣，只有水階段的反應器在例如250℃的熱狀態(tài)下，消耗外部能量，進行其再生。
實施例4[138]實施例3中的制冷機尺寸確定成形成液化天然氣運輸船上蒸發(fā)的氣體重新液化的設(shè)備。
對于125000液體甲烷的貨載和0.15％/日的蒸發(fā)率來說，所需的有效制冷功率估計約為580kW。為此，數(shù)量級如下
設(shè)備的總質(zhì)量約為200噸，其每日甲烷耗量為2.7噸/日。這些質(zhì)量與周期時間成正比。
實施例5[142]實施例3的制冷機尺寸確定成，對于125000m3的貨載來說，確保24小時從30℃的氣體開始向液化天然氣運輸船裝載富含甲烷的液化氣。所需的有效制冷功率估計為630MW。為此，吸附劑的質(zhì)量確定如下
設(shè)備的總質(zhì)量約為217800噸，其每日甲烷耗量為2940噸/日。
圖4是制冷機M的一般原理圖。工作中，制冷機M從一冷源朝一熱源N傳輸熱Q，熱源的溫度Tch高于冷源的溫度Tfr。為此，制冷機M消耗能量E。制冷機的產(chǎn)率由Q/E之比加以確定。在上述實施例中，冷源由待冷卻制品P構(gòu)成，熱源最好由周圍大氣或大海構(gòu)成。
有利地影響這種產(chǎn)率的一種方式是限制壓縮工作，將周期的高壓即冷凝壓力限制在低于數(shù)巴的數(shù)值，如同實施例2和3中那樣。此外，鑒于在每個階段限制在約1巴的壓差，沸石再生時獲得的蒸汽略微過熱，無需冷卻，因為1巴的等容壓縮產(chǎn)生的發(fā)熱僅約60℃。
在高制冷功率的應用中，更好使用具有高蒸發(fā)/冷凝潛熱的流體，以限制制冷流體的供給量和吸附劑的質(zhì)量。表5示出本發(fā)明方法中用作制冷流體的各種不同物質(zhì)的物理特征臨界壓力Pc、臨界溫度Tc、三態(tài)點的溫度和潛熱L，其用作該表中流體的分類參數(shù)。
盡管本發(fā)明使用多個具體實施例予以說明，但顯然絕不局限于此，而在本發(fā)明范圍內(nèi)包括所述構(gòu)件的所有技術(shù)等同件及其組合。
表1在各種不同壓力下用作制冷流體的多種物質(zhì)的沸點(℃)

表2
表3
表4
表5

權(quán)利要求
1.制品(P)的冷卻方法，其包括N個真空的按順序排列的吸附/解吸周期(100，200，300，400，500，600)，N是一大于1的整數(shù)，其特征在于，每個周期包括如下階段-提取一汽相制冷流體的熱量，以冷凝所述制冷流體，所述汽相制冷流體在一冷凝器(101，201，301，401，501，601)中，處于一第一壓力(P2)下，所述第一壓力(P2)低于所述流體的臨界壓力，-在低于所述第一壓力的一第二壓力(P1)下，將所述液相制冷流體輸入一蒸發(fā)器(103，203，303，403，503，603)，以蒸發(fā)一部分所述制冷流體并冷卻另一部分所述制冷流體，直至處于所述第二壓力下的所述制冷流體冷卻至一蒸發(fā)溫度(T1)，所述蒸發(fā)溫度從一周期到下一周期逐漸減小，所述第一和第二壓力在每個周期選擇成在一周期中的所述蒸發(fā)溫度(T1)每次低于下一周期中的、處于所述下一周期的第一壓力下的制冷流體的冷凝溫度(T2)，-使在所述蒸發(fā)器中的、處于所述第二壓力下的所述制冷流體的液體部分產(chǎn)生熱，以蒸發(fā)所述制冷流體，-在與所述蒸發(fā)器相連接的、且裝納沸石吸附劑(Z)的至少一吸附/解吸室(120，220，320，421-423，521-523，621-623)中，吸附所述汽相制冷流體，-在一定量的所述制冷流體被吸附到所述沸石吸附劑中之后，通過加熱再生所述沸石吸附劑，以解吸所述數(shù)量的汽相制冷流體，-朝所述冷凝器輸送所述數(shù)量的汽相制冷流體，所述方法還包括如下階段每次在一周期的蒸發(fā)器(103，203，403，503)中的制冷流體和周期序列中下一周期的冷凝器(201，301，501，601)中的制冷流體之間進行N-1次熱交換，以便由此實現(xiàn)所述蒸發(fā)器中的所述供熱、和所述冷凝器中的所述熱提取，以及通過與至少在最后一周期的蒸發(fā)器(303，603)中的制冷流體的熱交換冷卻所述制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在第一周期的冷凝器中的所述熱提取通過與環(huán)境溫度下的環(huán)境流體的熱交換來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述周期的至少一個中，所述待再生的沸石吸附劑的加熱通過與環(huán)境溫度下的一環(huán)境流體的熱交換來實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，它具有這樣的階段每次在一周期的一吸附/解吸室(121)中處于吸附過程的所述沸石吸附劑(Z)、和在下一周期的一吸附/解吸室(223)中處于再生過程的所述沸石吸附劑(Z)之間進行至少一次熱交換，最好是至少N-1次熱交換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，它具有這樣的階段每次在一周期的蒸發(fā)器(103，203)中的制冷流體、和在下一周期的吸附/解吸室(220，320)中處于吸附過程的所述沸石吸附劑(Z)之間進行至少一次熱交換，最好是N-1次熱交換，以冷卻所述沸石吸附劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，在每個周期，配置至少兩個吸附/解吸室，以同時進行在所述吸附/解吸室(121，221)中的一個內(nèi)的所述制冷流體的吸附、和在所述吸附/解吸室(123，223)中的另一個內(nèi)的所述沸石吸附劑(Z)的再生。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在每個周期，配置至少三個吸附/解吸室，以便在所述吸附/解吸室(122，222)中的另一個內(nèi)的沸石吸附劑(Z)再生之后，同時實行一冷卻階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，它具有這樣的階段每次在一周期的蒸發(fā)器(103)中的制冷流體和再生之后處于冷卻過程的下一周期的吸附/解吸室(222)中的所述沸石吸附劑(Z)之間進行至少一次熱交換，最好是N-1次熱交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，它具有這樣的階段在至少一所述周期，最好是在每個所述周期，通過與一環(huán)境溫度源的熱交換冷卻所述數(shù)量的汽相制冷流體，再將所述數(shù)量的制冷流體重新輸入冷凝器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一所述周期，所述冷凝器(101，201，301，401，501，601)中的第一壓力(P2)低于3巴，最好是接近常壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一所述周期，最大壓力低于5巴，最好接近常壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一所述周期，所述液相制冷流體在霧化狀態(tài)下輸入蒸發(fā)器(103，203，303，403，503，603)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，其特征在于，每個周期中空氣的分壓力低于約1kPa，最好低于約0.1kPa。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的方法，其特征在于，第一周期(100，400)中的制冷流體在由水、醇及其混合物構(gòu)成的一組物質(zhì)中加以選擇。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，第二周期(200，500)中的制冷流體在由丁烷、1，2-丁二烯、丙二烯、丙烷及其混合物構(gòu)成的一組物質(zhì)中加以選擇。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，它具有一第三周期(300，600)，制冷流體在由乙烷、二氧化碳、氧化亞氮及其混合物構(gòu)成的一組物質(zhì)中加以選擇。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，它具有一第四周期，制冷流體在由甲烷、氪及其混合物構(gòu)成的一組物質(zhì)中加以選擇。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，它具有一第五周期，制冷流體在由氖、氧、氦、氮、氬、一氧化碳及其混合物構(gòu)成的一組物質(zhì)中加以選擇。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一所述周期，所述制冷流體具有的蒸發(fā)潛熱大于300kJ/kg，最好大于或等于約450kJ/kg。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一所述周期，蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度(T1)高于所述制冷流體的三態(tài)點。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項所述的方法，其特征在于，所述制品(P)起初為汽相，其特征還在于，冷卻所述制品直至液化。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述制品(P)是用作燃料或可聚合原料的氣體。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項所述的方法，其特征在于，所述制品(P)是用作在-80℃和-220℃之間進行冷卻或液化的原料的氣體。
24.使用根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的方法的設(shè)備，其包括N個真空的按順序排列的冷卻階段(100，200，300，400，500，600)，N是一大于1的整數(shù)，其特征在于，每個階段包括-一冷凝器(101，201，301，401，501，601)，其內(nèi)裝液相制冷流體，-一蒸發(fā)器(103，203，303，403，503，603)，其通過一導管(104，204，304，404，504，604)與所述冷凝器相連接，-至少一吸附/解吸室(120，220，320，421-423，521-523，621-623)，其內(nèi)裝沸石吸附劑(Z)，且通過一上游閥(130，230，330)與所述蒸發(fā)器相連接，-一導管(160，260，360，460，560，660)，其配有一下游閥(150，250，350)，用于從所述吸附/解吸室朝所述冷凝器輸送所述制冷流體，-一加熱裝置(140，240，243，340)，其位于所述或每個吸附/解吸室中，適于加熱所述沸石吸附劑，直至再生溫度，所述設(shè)備包括N-1個熱交換器(280，380，501，601)，其每次布置成在一階段的蒸發(fā)器(103，203，403，503)中的制冷流體和周期序列中下一階段的冷凝器(201，301，501，601)中的制冷流體之間進行熱交換，以冷卻后者，以及一終端熱交換器(80，701)，其布置成在待冷卻制品(P)和至少最后一階段(303，603)的蒸發(fā)器中的制冷流體之間進行熱交換。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其特征在于，它具有一熱交換器(126，480)，其布置成在第一階段的冷凝器(101，401)中的制冷流體和環(huán)境溫度下的環(huán)境流體之間進行熱交換。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的設(shè)備，其特征在于，作為所述吸附/解吸室(521-523，621-623)之一的加熱裝置，它具有一熱交換器(540，640)，所述熱交換器布置成在處于吸附過程的所述沸石吸附劑(Z)和環(huán)境溫度下的環(huán)境流體之間進行熱交換。
27.根據(jù)權(quán)利要求24至26中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，它在至少一所述階段，具有一液體霧化裝置(435，535，635)，所述液體霧化裝置布置成在所述制冷流體輸入所述蒸發(fā)器(403，503，603)中時霧化所述液相制冷流體。
28.根據(jù)權(quán)利要求24至27中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，在至少一所述階段，制冷流體的一冷卻室(216，316)布置在所述或每個吸附/解吸室(220，320)和所述冷凝器(201，301)之間，且與一環(huán)境溫度熱源進行熱接觸。
29.根據(jù)權(quán)利要求24至28中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，作為所述吸附/解吸室的加熱裝置，它具有至少一熱交換器(290)，最好是至少N-1個熱交換器，其每次布置成在一階段的所述或一所述吸附/解吸室(121)中處于吸附過程的所述沸石吸附劑(Z)和下一階段的所述或一所述吸附/解吸室(223)中處于再生過程的所述沸石吸附劑(Z)之間進行熱交換。
30.根據(jù)權(quán)利要求24至29中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，作為所述吸附/解吸室的冷卻裝置，它具有至少N-1個熱交換器(280；380)，其每次布置成在一階段的蒸發(fā)器(103；203)中的制冷流體和下一階段的所述或每個吸附/解吸室(221，222，223；320)中的所述沸石吸附劑(Z)之間進行熱交換。
31.根據(jù)權(quán)利要求24至30中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，每個階段包括至少兩個吸附/解吸室(121，122，123)，每個都通過各自的一上游閥(131，132，133)與所述蒸發(fā)器(103)相連接，且通過各自的一下游閥(151，152，153)與所述冷凝器(101)相連接。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其特征在于，它具有所述閥的一控制件(105)，其進行程序控制，用于根據(jù)掩蔽時間周期打開和關(guān)閉所述上游閥和下游閥，其中，每個室(121，122，123)相繼實行一吸附階段、一再生或解吸階段、以及再生之后的一冷卻階段，在吸附階段，上游閥(131)開啟，下游閥(151)關(guān)閉，在再生或解吸階段，下游閥(153)開啟，上游閥(133)關(guān)閉，在再生之后的冷卻階段，下游閥(152)和上游閥(132)關(guān)閉。
33.根據(jù)權(quán)利要求24至32中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，它與一裝納所述待冷卻制品的室(1)相連接，所述終端熱交換器(26)支承在所述室內(nèi)，用于在最后一階段的蒸發(fā)器(303)中的制冷流體和所述室中的液相或汽相制品(P)之間進行熱交換。
34.液化天然氣運輸船，其配有一用于液化氣(P)的貯罐(1)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求33所述的設(shè)備與所述貯罐(1)相連接，作為重新液化的制冷裝置。
35.氣體液化廠，其包括一用于待液化氣體(P)的冷卻室(1)，其特征在于，所述冷卻室(1)與一根據(jù)權(quán)利要求33所述的設(shè)備相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及制品(P)的冷卻方法，其包括N個按順序排列的吸附/解吸周期(100，200，300)，每個周期包括如下階段，其在于在一蒸發(fā)器(103，203，303)中從一冷凝器(101，201，301)使液相制冷流體減壓，以蒸發(fā)至少一部分所述制冷流體，在至少一內(nèi)裝沸石吸附劑(Z)的吸附/解吸室(120，220，320)中吸附所述汽相制冷流體，以使所述蒸發(fā)器中的其余一部分所述制冷流體冷卻到預定的低溫，所述低溫從一周期到下一周期逐漸減小。所述方法還包括如下階段，其在于每次在一周期的蒸發(fā)器(103，203)中的制冷流體和下一周期的冷凝器(201，301)中的制冷流體之間進行N－1次熱交換，以冷凝所述冷凝器中的制冷流體。
文檔編號F25J1/02GK1813161SQ200480018315
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者皮埃爾·米沙爾斯基, 皮埃爾·古爾默朗, 克洛德·布萊扎特 申請人:氣體運輸技術(shù)公司