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0512-58588966典型的氫氣液化過(guò)程分為四個(gè)部分:常溫壓縮、環(huán)境溫度預冷至80k、80~ 30k的低溫制冷、和由壓力降低到環(huán)境壓力而產(chǎn)生的液化。液化系統中的H2溫度應降低到沸點(diǎn)溫度(20K)。圖1描繪了克勞德(Claude)單一過(guò)程中不同溫度下的H2液化循環(huán)示意圖。
通過(guò)焦耳-湯姆遜(J -T)閥,通過(guò)膨脹器,并使用外部輔助流體,當焓不變時(shí),氣體的壓強減小時(shí),可以降低在J - T系統中的溫度。節流閥排出氣體的溫度差取決于J?T系數。該系數(μJT = (δT/δP)h)表示恒定焓過(guò)程中溫度變化到氣壓變化的過(guò)程。如果初始氣體溫度低于轉化溫度(μJT = 0),則由于窒息過(guò)程導致溫度下降。除氦、H2和Ne外,其他氣體的峰值轉化溫度均高于環(huán)境溫度。因此,為了使用J?T工藝降低H2溫度,必須首先將其溫度冷卻到低于H2轉化溫度(205 K),因此,僅使用J?T工藝不能在環(huán)境溫度下液化H2氣體,必須進(jìn)行預冷過(guò)程,下圖2顯示了幾種不同氣體及其反轉點(diǎn)的J - T圖。
適當預冷劑的選擇和預冷段的配置為減少液化結構中的總SEC提供了有希望的指導方針。目前,空分系統產(chǎn)生的LN2(液氮)由于技術(shù)發(fā)達,溫度條件適宜,是H2液化廠(chǎng)預冷步驟常用的制冷劑。根據國際上對純氧的需求,未來(lái)大型氫氣液化廠(chǎng)將無(wú)法獲得廉價(jià)的LN2制冷劑。對于大型氫氣液化工廠(chǎng),低溫下的高溫差異阻礙了LN2的使用;使用LN2預冷至80k的效率較低。此外,生產(chǎn)LN2所需的最小能量是將進(jìn)料H2冷凍至80k所需能量的兩倍。因此,使用閉環(huán)氮氣冷卻循環(huán)和混合制冷劑可以解決這一問(wèn)題。此外,在等熵膨脹過(guò)程中,膨脹劑可以降低H2的溫度,這通常會(huì )降低理想氣體和非理想氣體的溫度,由于H2液化過(guò)程是利用壓力膨脹或壓力降低現象來(lái)降低H2氣體的溫度,因此需要對進(jìn)入的H2氣體進(jìn)行壓縮機壓縮過(guò)程。部分冷卻可以在更高的溫度下通過(guò)壓縮進(jìn)料到更大的壓力來(lái)完成,這減少了提供所需制冷的電力消耗,但增加了在環(huán)境溫度下冷凝的成本H2、氦和Ne是單獨或混合用于冷卻和液化步驟的候選物質(zhì),便于使用LN2的中小型氫氣液化結構通常位于低溫空分裝置附近。氦是沸點(diǎn)比H2低的元素。然而,它的可用性和價(jià)格可能是主要的挑戰。預冷段回收液氧可使H2溫度降至90k;但是這個(gè)組件可能會(huì )遇到相同LN2冷回收等問(wèn)題。相比之下,考慮到可用性和價(jià)格,用于預冷段的LNG冷回收(即液態(tài)甲烷)具有很好的前景。由于混合物的沸點(diǎn)取決于其組成,因此已開(kāi)發(fā)出幾種具有不同預冷溫度的混合制冷劑。圖3顯示了使用膨脹器而不是J - T閥的重要性,特別是在高壓壓縮中。
圖3:在J - T閥和膨脹器后不同壓力和溫度下的蒸汽分數變化。
在用Claude法和L-H法液化H2時(shí),冷卻是通過(guò)膨脹器等熵膨脹和J- T閥等溫膨脹來(lái)實(shí)現的。此外,在反布雷頓循環(huán)中,制冷劑流動(dòng)膨脹僅由渦輪膨脹器完成。低溫冷卻最重要的問(wèn)題是H2在臨界溫度附近的比熱值波動(dòng)很大,這使得換熱器的溫度難以穩定。在某種程度上,輸入氫氣壓強的增加解決了這個(gè)問(wèn)題。壓縮過(guò)程在較寬的溫度范圍內降低了冷負荷,但應通過(guò)調節冷卻功率來(lái)管理可變的冷負荷。
圖5:Claude系統中J?B過(guò)程和混合制冷劑預冷流程圖。
圖6:H2液化制冷劑中低沸點(diǎn)流體的不同溫度范圍。
文章來(lái)源:氫眼所見(jiàn)
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