氣體液化設(shè)備
氣體液化設(shè)備
gas liquifaction plant
通過制冷機(jī)循環(huán)把天然氣或純氣體（如氧、氮、氫、氖和氦等）分別冷卻和冷凝成液態(tài)的深低溫設(shè)備。甲烷、氖、氫和氦在0.1兆帕壓力下的冷凝溫度分別為:111.7K，27.1K，20.4K，4.215K。氣體的液化是根據(jù)氣體的特性、冷凝溫度和使用要求通過相應(yīng)的液化循環(huán)實(shí)現(xiàn)的。典型的循環(huán)有節(jié)流液化循環(huán)、帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)、氣體制冷機(jī)循環(huán)和復(fù)疊式制冷循環(huán)（即多工質(zhì)、多次逐級(jí)預(yù)冷循環(huán)）等。
氣體液化設(shè)備一般包括壓縮機(jī)、純化器、貯槽、輸液系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和氣體貯存系統(tǒng)等。被液化的氣體經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮和膨脹機(jī)膨脹來制冷（或者通過外加冷源預(yù)冷），并通過純化器把混在其中的水蒸汽、高冷凝溫度的其他雜質(zhì)氣體除掉，以避免這些雜質(zhì)氣體在低溫下固化，阻塞管道和閥門。液化過程是在極低溫度下進(jìn)行的。為了提高效率和可靠性，對(duì)液化設(shè)備有如下要求：①采取完善的絕熱措施，以減少冷量損失。對(duì)于氫和氦液化，一般采用真空多層絕熱（見深低溫液化氣體貯槽）。②有高度的密封性，以防止泄漏，避免經(jīng)濟(jì)損失和可燃性氣體燃燒的危險(xiǎn)。③設(shè)備緊湊、高效，以提高經(jīng)濟(jì)性。例如采用等溫效率高的壓縮機(jī)、等熵效率高的膨脹機(jī)、傳熱效果好的換熱器等。④成套設(shè)備應(yīng)盡量采用自動(dòng)控制和先進(jìn)技術(shù)，以提高可靠性。
氦液化設(shè)備 生產(chǎn)液氦的設(shè)備，廣泛用于低溫物理試驗(yàn)、超導(dǎo)技術(shù)、空間技術(shù)和低溫參量放大器等方面。氦氣液化常采用帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)。圖1 [氦液化設(shè)備的工作原理]
為 100升／時(shí)氦液化設(shè)備的工作原理。它是用液氮預(yù)冷和兩臺(tái)透平膨脹機(jī)并聯(lián)來制冷的雙壓流程設(shè)備。由主壓縮機(jī)壓縮至 0.8兆帕的氦氣，經(jīng)換熱器組預(yù)冷至38K左右,分成兩路：一部分進(jìn)入Ⅰ號(hào)膨脹機(jī)；另一部分進(jìn)一步冷卻至 16K左右進(jìn)入Ⅱ號(hào)膨脹機(jī)。兩部分分別膨脹制冷。由補(bǔ)充氣壓縮機(jī)壓縮至 2.5兆帕的高壓氦氣，經(jīng)換熱器組預(yù)冷至5.7K以下，然后經(jīng)節(jié)流閥膨脹，一部分氦氣液化,經(jīng)輸液管導(dǎo)入貯槽,作為產(chǎn)品輸出。未液化的氦氣返回?fù)Q熱器組，復(fù)熱后回至壓縮機(jī)的吸入口。已液化的部分氦氣由瓶裝氦經(jīng)純化后補(bǔ)充。氫液化設(shè)備 生產(chǎn)液氫的設(shè)備。氫液化的方法與氦液化基本相似。氫液化過程中會(huì)產(chǎn)生正－仲氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)，放出轉(zhuǎn)化熱，使已液化的液氫蒸發(fā)。為此在氫液化設(shè)備中設(shè)置有催化劑轉(zhuǎn)化器，使液氫在進(jìn)入貯槽之前轉(zhuǎn)化完畢。氫是易燃?xì)怏w，設(shè)備應(yīng)當(dāng)高度密封，而且純化要求比較高。氫中如混有少量氧，會(huì)在低溫下固結(jié)，可能引起局部燃燒或爆炸。
天然氣液化設(shè)備 天然氣是一種多組分氣體混合物，其組成隨油氣田而異。主要成分是甲烷，約占80％，其次是氮、C2～C5烷烴、水蒸汽,以及少量的硫化氫、二氧化碳和氦氣等。成套天然氣液化設(shè)備包括天然氣脫除雜質(zhì)的預(yù)處理凈化設(shè)備、天然氣的液化和貯存設(shè)備、液化天然氣的再氣化和冷量回收設(shè)備，以及安全技術(shù)系統(tǒng)等。天然氣液化設(shè)備按使用情況分為基本負(fù)荷型和調(diào)峰型兩類。前者處理量多，設(shè)備機(jī)組大，主要用于油田伴生氣的就地液化。液化的天然氣用槽車運(yùn)送，或者經(jīng)輸液管道輸入運(yùn)輸船艙,供遠(yuǎn)洋輸運(yùn)。調(diào)峰型的設(shè)備機(jī)組小,常用于供氣負(fù)荷調(diào)節(jié)或民用的補(bǔ)充燃料。
天然氣液化循環(huán)有復(fù)疊式制冷循環(huán)、混合劑制冷循環(huán)和帶膨脹機(jī)的液化循環(huán) 3種，可根據(jù)天然氣的組成和處理量規(guī)模選擇。天然氣在液化前必須經(jīng)過預(yù)處理，以去除硫化氫、水分和二氧化碳。含氮量較高的天然氣還必須經(jīng)過脫氮處理。天然氣預(yù)處理一般采用與吸收法和吸附法相應(yīng)的凈化設(shè)備。
在液化器部分常用能量消耗低的復(fù)疊式制冷循環(huán)來液化天然氣(圖2[復(fù)疊式制冷循環(huán)的天然氣液化器的工作原理]
)。它采用丙烷、乙烯和甲烷3種制冷劑組成的復(fù)疊式制冷循環(huán)。丙烷經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)水冷卻器冷卻而液化。液態(tài)丙烷經(jīng)節(jié)流閥后降壓并降溫到約232K，在丙烷冷卻器中使壓縮的乙烯液化。液態(tài)乙烯經(jīng)節(jié)流閥后降壓并降溫到173K，在乙烯冷卻器中使壓縮的甲烷液化。液態(tài)甲烷經(jīng)節(jié)流閥后降壓并降溫到113K，在甲烷冷卻器中使天然氣液化。丙烷、乙烯、甲烷經(jīng)蒸發(fā)并復(fù)熱后返回各自的壓縮機(jī)。預(yù)處理后的凈化天然氣在丙烷、乙烯冷卻器中冷卻,然后在甲烷冷卻器中冷凝并稍微過冷,最后用泵送入貯槽。參考書目
化工部第四設(shè)計(jì)院主編：《深冷手冊》上冊，燃料化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1973。
劉香廷
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