氣體液化設備

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qiti yehua shebei
氣體液化設備
gas liquifaction plant

   通過制冷機循環把天然氣或純氣體（如氧、氮、氫、氖和氦等）分別冷卻和冷凝成液態的深低溫設備。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。氣體的液化是根據氣體的特性、冷凝溫度和使用要求通過相應的液化循環實現的。典型的循環有節流液化循環、帶膨脹機的液化循環、氣體制冷機循環和復疊式制冷循環（即多工質、多次逐級預冷循環）等。
   氣體液化設備一般包括壓縮機、純化器、貯槽、輸液系統、自動控制系統和氣體貯存系統等。被液化的氣體經過壓縮機壓縮和膨脹機膨脹來制冷（或者通過外加冷源預冷），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氣體除掉，以避免這些雜質氣體在低溫下固化，阻塞管道和閥門。液化過程是在極低溫度下進行的。為了提高效率和可靠性，對液化設備有如下要求：①采取完善的絕熱措施，以減少冷量損失。對于氫和氦液化，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，避免經濟損失和可燃性氣體燃燒的危險。③設備緊湊、高效，以提高經濟性。例如采用等溫效率高的壓縮機、等熵效率高的膨脹機、傳熱效果好的換熱器等。④成套設備應盡量采用自動控制和先進技術，以提高可靠性。
   氦液化設備  生產液氦的設備，廣泛用于低溫物理試驗、超導技術、空間技術和低溫參量放大器等方面。氦氣液化常采用帶膨脹機的液化循環。圖1 [氦液化設備的工作原理]為 100升／時氦液化設備的工作原理。它是用液氮預冷和兩臺透平膨脹機并聯來制冷的雙壓流程設備。由主壓縮機壓縮至 0.8兆帕的氦氣，經換熱器組預冷至38K左右,分成兩路：一部分進入Ⅰ號膨脹機；另一部分進一步冷卻至 16K左右進入Ⅱ號膨脹機。兩部分分別膨脹制冷。由補充氣壓縮機壓縮至 2.5兆帕的高壓氦氣，經換熱器組預冷至5.7K以下，然后經節流閥膨脹，一部分氦氣液化,經輸液管導入貯槽,作為產品輸出。未液化的氦氣返回換熱器組，復熱后回至壓縮機的吸入口。已液化的部分氦氣由瓶裝氦經純化后補充。
   氫液化設備  生產液氫的設備。氫液化的方法與氦液化基本相似。氫液化過程中會產生正－仲氫轉化反應，放出轉化熱，使已液化的液氫蒸發。為此在氫液化設備中設置有催化劑轉化器，使液氫在進入貯槽之前轉化完畢。氫是易燃氣體，設備應當高度密封，而且純化要求比較高。氫中如混有少量氧，會在低溫下固結，可能引起局部燃燒或爆炸。
   天然氣液化設備  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。成套天然氣液化設備包括天然氣脫除雜質的預處理凈化設備、天然氣的液化和貯存設備、液化天然氣的再氣化和冷量回收設備，以及安全技術系統等。天然氣液化設備按使用情況分為基本負荷型和調峰型兩類。前者處理量多，設備機組大，主要用于油田伴生氣的就地液化。液化的天然氣用槽車運送，或者經輸液管道輸入運輸船艙,供遠洋輸運。調峰型的設備機組小,常用于供氣負荷調節或民用的補充燃料。
   天然氣液化循環有復疊式制冷循環、混合劑制冷循環和帶膨脹機的液化循環 3種，可根據天然氣的組成和處理量規模選擇。天然氣在液化前必須經過預處理，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過脫氮處理。天然氣預處理一般采用與吸收法和吸附法相應的凈化設備。
   在液化器部分常用能量消耗低的復疊式制冷循環來液化天然氣(圖2[復疊式制冷循環的天然氣液化器的工作原理])。它采用丙烷、乙烯和甲烷3種制冷劑組成的復疊式制冷循環。丙烷經壓縮機壓縮后，經水冷卻器冷卻而液化。液態丙烷經節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。液態乙烯經節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。液態甲烷經節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、甲烷經蒸發并復熱后返回各自的壓縮機。預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
化工部第四設計院主編：《深冷手冊》上冊，燃料化學工業出版社，北京，1973。
　　　　　　　　　　　　　　　　　劉香廷