Optimization of hydrogen liquefaction process with mixed refrigerant precooling

Abstract

Hovedmålet med denne masteroppgaven er å finne en optimal for-kjølingstemperatur mellom 80-120 K for en optimalisert 100 tdp flytende hydrogenprosess ved å bruke MR for-kjølingssyklus, og å utføre en eksergianalyse på den optimale konfigurasjonen for å vurdere for forbedringer i videre arbeid.

Optimalisering av separat SMR-forkjøling og en hydrogen Claude-syklus har blitt utført med en steg-størrelse på 10 K, over temperaturområdet fra 80 K til 120 K. To konfigurasjoner for for-kjølingssyklusen er optimalisert som skilles i forhold til separasjonsgrad mellom komponenter som har høye og lave kokepunkt for å redusere muligheten for frysing av kjølemediet.

Ved å analysere SEC i for-kjølingssyklusen i sammenheng med hydrogen Claude-syklusen indikerer det en optimal forkjølingstemperatur ved 90 K. SMR-sykluskonfigurasjonen som bruker en høy grad av faseseparasjon har indikert en rimelig lav sannsynlighet for frysing av kjølemiddel, med lavt effektivitetskompromiss. Optimalisert resultat viser en SMR for-kjølingssyklus SEC og eksergieffektivitet, henholdsvis på 1,27 kW h/kgLH2 og 42,77 %. For hydrogen-Claude-syklusen er SEC og eksergieffektivitet henholdsvis på 5,76 kW h/kgLH2 og 35,62 %. For den totale kondenserings prosessen viser en SEC og eksergieffektivitet på henholdsvis 6,52 kW h/kgLH2 og 37,01 %, hvis 100 % av turbinarbeidet blir gjenvunnet i kompressorene.

Basert på å analysere eksergitapene i 90 K SMR for-kjølingssyklusene, har det blitt funnet at det er mindre rom for forbedringer mens det opprettholdes et relativt lavt antall komponenter. Imidlertid har SMR-sykluskonfigurasjonen med en lav grad av faseseparasjon blitt funnet å ha litt bedre SEC og eksergieffektivitet. Så det kreves bedre beregning av frysepunktet for blandet kjølemedium for å finne den optimale SMR-sykluskonfigurasjonen.

80 % av de totale eksergitapene tilskrives hydrogen Claude-syklusen. Eksergianalyse har indikert at det er rom for forbedringer ved å omorganisere konfigurasjonen av kjølemediesyklusen og erstatte strupeventilene med en tett faseutvidelse. Små variasjoner i modelltilpasning av den estimerte likevekts hydrogen modellen har indikert å ha en betydelig innvirkning på effektiviteten og den eksoterme ortho-parakonvertering.

The main objective of this Master thesis is to find an optimal precooling temperature in between 80-120 K for an optimized 100 tdp hydrogen liquefaction process utilizing an MR precooling cycle and to perform an exergy analysis on the optimal configuration in order to assess for improvements in further work.

Optimization of decoupled SMR precooling cycle and a hydrogen Claude cycle has been conducted with a precooling temperature step size of 10 K over the temperature span from 80 K to 120 K. Two configurations of the SMR precooling concept have been optimized that differentiate in the degree of phase separation between high- and low-boilers in order to reduce the refrigerant freeze-out probability.

By analyzing the SEC of the precooling cycle in context to the hydrogen Claude cycle indicates an optimal precooling temperature at 90 K. The SMR cycle configuration utilizing a high degree of phase separation has indicated a reasonably low probability of refrigerant freeze-out, with low efficiency compromise. Optimized result shows an SMR precooling cycle SEC and exergy efficiency of 1.27 kW h/kgLH2 and 42.77%. For the hydrogen Claude cycle, the SEC and exergy efficiency is 5.76 kW h/kgLH2 and 35.62%, respectfully. With a total hydrogen liquefaction SEC and exergy efficiency of 6.52 kW h/kgLH2 and 37.01%, if 100% of the turbine expander work is recovered in the compressors.

Based on analyzing the exergy losses in the 90 K SMR precooling cycles, it has been found that there is minor room for improvements while maintaining a relatively low number of components. However, the SMR cycle configuration with a low degree of phase separation has been found to have slightly improved SEC and exergy efficiency. So, a better prediction of the mixed refrigerant freeze-out estimation is required in order to find the optimum efficiency for a SMR cycle configuration.

80% of the total exergy losses are attributed to the hydrogen Claude cycle. Exergy analysis has indicated that there is room for improvements by rearranging the refrigerant cycle configuration and replacing the throttling valves with a dense phase expander. Small variations in the estimated equilibrium hydrogen estimation model-fitting have indicated to have a significant impact on the efficiency and the exothermic ortho-para conversion.