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(yù)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(tǒng)中的H2溫度應(yīng)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(dāng)焓不變時(shí)，氣體的壓強(qiáng)減小時(shí)，可以降低在J - T系統(tǒng)中的溫度。節(jié)流閥排出氣體的溫度差取決于J?T系數(shù)。該系數(shù)(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?xì)怏w溫度低于轉(zhuǎn)化溫度(μJT = 0)，則由于窒息過(guò)程導(dǎo)致溫度下降。除氦、H2和Ne外，其他氣體的峰值轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)冷過(guò)程，下圖2顯示了幾種不同氣體及其反轉(zhuǎn)點(diǎn)的J - T圖。

適當(dāng)預(yù)冷劑的選擇和預(yù)冷段的配置為減少液化結(jié)構(gòu)中的總SEC提供了有希望的指導(dǎo)方針。目前，空分系統(tǒng)產(chǎn)生的LN2（液氮）由于技術(shù)發(fā)達(dá)，溫度條件適宜，是H2液化廠預(yù)冷步驟常用的制冷劑。根據(jù)國(guó)際上對(duì)純氧的需求，未來(lái)大型氫氣液化廠將無(wú)法獲得廉價(jià)的LN2制冷劑。對(duì)于大型氫氣液化工廠，低溫下的高溫差異阻礙了LN2的使用；使用LN2預(yù)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?dú)饫鋮s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(xiàn)象來(lái)降低H2氣體的溫度，因此需要對(duì)進(jìn)入的H2氣體進(jìn)行壓縮機(jī)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(dú)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(jié)構(gòu)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(zhàn)。預(yù)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(yù)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，因此已開發(fā)出幾種具有不同預(yù)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?jǐn)?shù)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(xiàn)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(wěn)定。在某種程度上，輸入氫氣壓強(qiáng)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(nèi)降低了冷負(fù)荷，但應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻功率來(lái)管理可變的冷負(fù)荷。

圖5：Claude系統(tǒng)中J?B過(guò)程和混合制冷劑預(yù)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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