气体液化设备

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qiti yehua shebei
气体液化设备
gas liquifaction plant

   通过制冷机循环把天然气或纯气体（如氧、氮、氢、氖和氦等）分别冷却和冷凝成液态的深低温设备。甲烷、氖、氢和氦在0.1兆帕压力下的冷凝温度分别为:111.7K，27.1K，20.4K，4.215K。气体的液化是根据气体的特性、冷凝温度和使用要求通过相应的液化循环实现的。典型的循环有节流液化循环、带膨胀机的液化循环、气体制冷机循环和复叠式制冷循环（即多工质、多次逐级预冷循环）等。
   气体液化设备一般包括压缩机、纯化器、贮槽、输液系统、自动控制系统和气体贮存系统等。被液化的气体经过压缩机压缩和膨胀机膨胀来制冷（或者通过外加冷源预冷），并通过纯化器把混在其中的水蒸汽、高冷凝温度的其他杂质气体除掉，以避免这些杂质气体在低温下固化，阻塞管道和阀门。液化过程是在极低温度下进行的。为了提高效率和可靠性，对液化设备有如下要求：①采取完善的绝热措施，以减少冷量损失。对于氢和氦液化，一般采用真空多层绝热（见深低温液化气体贮槽）。②有高度的密封性，以防止泄漏，避免经济损失和可燃性气体燃烧的危险。③设备紧凑、高效，以提高经济性。例如采用等温效率高的压缩机、等熵效率高的膨胀机、传热效果好的换热器等。④成套设备应尽量采用自动控制和先进技术，以提高可靠性。
   氦液化设备  生产液氦的设备，广泛用于低温物理试验、超导技术、空间技术和低温参量放大器等方面。氦气液化常采用带膨胀机的液化循环。图1 [氦液化设备的工作原理]为 100升／时氦液化设备的工作原理。它是用液氮预冷和两台透平膨胀机并联来制冷的双压流程设备。由主压缩机压缩至 0.8兆帕的氦气，经换热器组预冷至38K左右,分成两路：一部分进入Ⅰ号膨胀机；另一部分进一步冷却至 16K左右进入Ⅱ号膨胀机。两部分分别膨胀制冷。由补充气压缩机压缩至 2.5兆帕的高压氦气，经换热器组预冷至5.7K以下，然后经节流阀膨胀，一部分氦气液化,经输液管导入贮槽,作为产品输出。未液化的氦气返回换热器组，复热后回至压缩机的吸入口。已液化的部分氦气由瓶装氦经纯化后补充。
   氢液化设备  生产液氢的设备。氢液化的方法与氦液化基本相似。氢液化过程中会产生正－仲氢转化反应，放出转化热，使已液化的液氢蒸发。为此在氢液化设备中设置有催化剂转化器，使液氢在进入贮槽之前转化完毕。氢是易燃气体，设备应当高度密封，而且纯化要求比较高。氢中如混有少量氧，会在低温下固结，可能引起局部燃烧或爆炸。
   天然气液化设备  天然气是一种多组分气体混合物，其组成随油气田而异。主要成分是甲烷，约占80％，其次是氮、C2～C5烷烃、水蒸汽,以及少量的硫化氢、二氧化碳和氦气等。成套天然气液化设备包括天然气脱除杂质的预处理净化设备、天然气的液化和贮存设备、液化天然气的再气化和冷量回收设备，以及安全技术系统等。天然气液化设备按使用情况分为基本负荷型和调峰型两类。前者处理量多，设备机组大，主要用于油田伴生气的就地液化。液化的天然气用槽车运送，或者经输液管道输入运输船舱,供远洋输运。调峰型的设备机组小,常用于供气负荷调节或民用的补充燃料。
   天然气液化循环有复叠式制冷循环、混合剂制冷循环和带膨胀机的液化循环 3种，可根据天然气的组成和处理量规模选择。天然气在液化前必须经过预处理，以去除硫化氢、水分和二氧化碳。含氮量较高的天然气还必须经过脱氮处理。天然气预处理一般采用与吸收法和吸附法相应的净化设备。
   在液化器部分常用能量消耗低的复叠式制冷循环来液化天然气(图2[复叠式制冷循环的天然气液化器的工作原理])。它采用丙烷、乙烯和甲烷3种制冷剂组成的复叠式制冷循环。丙烷经压缩机压缩后，经水冷却器冷却而液化。液态丙烷经节流阀后降压并降温到约232K，在丙烷冷却器中使压缩的乙烯液化。液态乙烯经节流阀后降压并降温到173K，在乙烯冷却器中使压缩的甲烷液化。液态甲烷经节流阀后降压并降温到113K，在甲烷冷却器中使天然气液化。丙烷、乙烯、甲烷经蒸发并复热后返回各自的压缩机。预处理后的净化天然气在丙烷、乙烯冷却器中冷却,然后在甲烷冷却器中冷凝并稍微过冷,最后用泵送入贮槽。
   参考书目
化工部第四设计院主编：《深冷手册》上册，燃料化学工业出版社，北京，1973。
　　　　　　　　　　　　　　　　　刘香廷