導航：安全管理網>> 安全論文>> 化工安全論文>>正文

基于液氮預冷的氫液化流程設計分析

文檔作者：孔凡紅文檔來源：中太能源科技（上海）有限公司		更新日期： 2026年07月19日	點擊數：
下載地址：點擊這里	文件大小： 1.54 MB 共3頁	文檔格式： PDF	下載點數： 1 點（VIP免費）

全屏查看

內容預覽 [文件共3頁]

本文件共3頁，如需編輯使用，請下載。

注：預覽效果可能會出現部分文字亂碼（如口口口）、內容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大小：1.54 MB 共3頁文件格式：PDF 下載點數：1 點（VIP會員免費）

上一篇：化工園區危化品企業應急管理存在的問題及…

文本預覽

僅提取頁面文字內容，供快速閱讀使用。

23
石油化工
引言
氫作為新時代的清潔能源之一，其已然成為工業化
學領域的重要物質，為了有效實現輸氫和儲氫，制備液
態氫的工藝得到了廣泛關注。氫液化的流程決定了最終
液態氫的質量，故而此次圍繞著氫液化流程設計的要點
進行了簡要描述。
一、氫氣液化工藝的特征
液態氫的質量與體積更利于存儲，而且方便大規模
運輸，提高利用率，因此，當前關于氫氣冷卻液化的工
藝也越來越多，其多是將氫氣溫度降低至小于沸點，使
其自動轉化為液體。氫氣液化工藝一般劃分為兩種循環
方式，其一為預冷循環，其二為深冷循環。預冷循環依
據使用的冷卻劑不同可以劃分為氦預冷循環、氮預冷循
環、混合制劑預冷循環J-B預冷循環以及LNG預冷循環
等，不同預冷狀態的能耗有著很大差異，深冷循環則是
指深度冷凍，即溫度降低到極低來實現冷卻液化，其一
般也使用氦氣或氫氣做制冷劑。氫氣液化的具體工藝流
程具有能耗較高、流程較復雜、溫度變化范圍大以及效
率偏低等特征，故而目前該項工藝的優化設計成為研究
熱點。圖1為一種氫氣液化工藝的原理圖。
圖1　一種氫氣液化工藝的原理圖
二、基于液氮預冷的氫液化流程設計要求
結合液氮預冷做法的氫液化流程設計時，需要考慮
到給定的要求，譬如通常要求其液化后的氫產量不得低
于63kg/h，液化的壓力也不建議高于300kPa，液氮將會
作為主要預冷劑，其實際消耗量控制不超過900kg/h，
具體制冷環節使用氦或氫物質，其中氦的消耗量控制在
1505kg/h以下，氫的消耗量控制在1505kg/h以下，原料氫
氣的純度必須達到99.9999%。除此之外，具體工藝流程
設計時還要考慮到經濟性與先進性要求，經濟性是指盡
量減少投資和運維費用，同時降低能耗，先進性則是指
嚴格控制操作指標，采用先進簡易的做法。
三、基于液氮預冷的氫液化流程設計實踐
1.氫液化的液氮預冷處理
氫液化過程中的預冷環節不可或缺，從理論來講，
一般預冷級數較多會降低后續液化的功耗，但在增加預
冷級數的同時，相應裝置也會變多，流程復雜性增強，
各種設備維護成本和操作費用也隨之升高，故而在確定
預冷級數時也要綜合考慮各項影響因素，選擇合適的有
限級數，確保預冷到位并提高經濟水平。另外，氫液化
預冷的過程還應結合區域氣溫來設計，比如，略低于常
溫的區域通常會采用丙烷或液氨作為主要制冷劑，在預
冷時，可以使其溫度降低到238～248K范圍內，若為低
氣溫地區，則也經常使用負壓或常壓液氮物質來冷卻氫
氣，能夠使其溫度降低到65～80K范圍內。
對于氫液化生產的化學合成工廠而言，液氨物質的
取用可能更加便利，因此多會采用液氨制作預冷劑，
其可以降低溫度至223～233K范圍。不過當前許多液
氨裝置都需要搭配氟利昂使用，這種化學品具有污染
性，在預冷之后也會給周圍環境帶來不利影響，并且
其成本較高。除了這些提到的常見氫液化預冷劑之外，
還有一種預冷后溫度處于液氨和液氮之間的材料，即
LNG預冷劑，其通常可以使氫氣冷卻的溫度范圍處于
110～120K，該預冷劑還會帶來顯著的JT效應，同時節
流膨脹的效率也比較高，故而也作為一種適宜的選擇，
基于液氮預冷的氫液化流程設計分析
孔凡紅　　中太能源科技（上海）有限公司
【摘　要】制備氫液化的工藝方法有許多種，流程的設計十分重要，若工藝流程不合理，則會導致氫液化時的能耗
增加、污染變大、成本提高以及效率降低。氫液化的流程原理是將原料氫冷卻處理，使其變為液態，液
態氫的應用價值更高。基于此，通過分析氫氣液化工藝的特征與液氮預冷的氫液化流程設計要求，進一
步分析了氫液化流程的具體設計內容。
【關鍵詞】氫液化；氮膨脹；預冷
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2024.04.008
24
石油化工
但LNG并不會在普通工廠中生產，實際來源比較少，故
而使用也受限。從多個角度對比后本文最終確定采用液
氮預冷工藝，即使用氮氣膨脹機做冷循環處理，其具體
預冷的流程原理先是讓氮氣在壓縮機內壓縮，之后經過
冷卻器實現溫度降低，再使氮氣進入膨脹機膨脹制冷，
從膨脹機中流出的低溫氮氣經節流閥后大部分變為液氮
物質被用在氫液化流程的換熱器當中，可以隨著熱流變
化提供適宜的預冷作用。
2.正氫轉化成仲氫的方式
普通氫氣在液化過程中會促使正氫向仲氫轉化，促
使兩種氫物質處于相對平衡狀態，這個反應過程會放出
熱量，進而實現制冷，正—仲氫的轉化方式通常概括為
兩類。第一，基于溫度的轉化方式。正氫轉化為仲氫屬
于放熱過程，故而依據傳熱的規律，可以按照溫度劃分
成等溫轉化方式與絕熱轉化方式，前者轉化氫氣時可以
同外界環境進行換熱，一般將氫氣導入進細管子當中，
內部則放置了催化劑，外部可以使用冷源實現降溫，確
保反應順利進行；后者則是指轉化氫氣時不會發生和外
界交換熱量現象，也無需借助外部冷卻作用。等溫轉化
方式中，需要借助液態氫和液態氮，即將裝有催化劑物
質的細管進一步放入液態氫或液態氮池中，保證等溫狀
態。而絕熱轉化則是使用換熱器直接處理氫氣達到指定
溫度，再使其進入到反應器中完成轉化。許多工廠中的
正—仲氫轉化實現多會利用上述兩種方式，通常是在上
溫區位置安裝液態氮的溫浴反應裝置，而下溫區位置安
裝同樣規格的液態氫溫浴反應裝置，二者間采用絕熱設
備隔離。相對來講，絕熱轉化的成本偏高些，但只要在
轉化中合理控制溫度并在多段布置絕熱反應器，就能夠
快速排除正—仲氫轉化過程中放出的熱量，提高穩定
性，并且其無需使用外部冷源設備，操作過程更為簡
易，基于對氫液化流程設計功能性的考量，建議選用絕
熱轉化工藝。第二，集中或分散的轉化方式。這類轉化
做法是指控制標準氫聚集或散開進行轉化，其中集中轉
化需要設置特定的溫度區域，再將標準氫一次性聚集放
入其中，促進正氫向仲氫的連續性轉化，而分散轉化則
是會設置多個溫度不等的區域，實現降溫時也會分段開
展，最終完成轉化，故而該方式也被稱作多段轉化，其
與連續轉化的速率也是較接近，比如，要想實現連續轉
化，一般會設置一個裝入催化劑的換熱反應器，在進行
熱交換過程中，原料氫與制冷間的流股相互融合，最終
都實現冷卻，原料氫的轉化使得仲氫濃度一直保持在較
平衡狀態，該過程會使用較多復雜功能的裝置，目前尚
未能做到廣泛應用，但相比于集中轉化方式，分散轉化
可以使生成的仲氫濃度呈階梯式變化，與平衡狀態的物
性要求更相符，故而應用時還是被優先選用，本文研究
最終也決定選用分散轉化處理正氫、仲氫的平衡狀態。
具體設計正氫轉化仲氫的反應流程時，可以先保證
標準氫存放在Aspen Plus內的規格為正氫：仲氫＝3∶1，
其原本便含有仲氫物性，為了補充平衡時的正氫物性，
搭建標準氫轉化變為仲氫時的相關工藝模型。基于對上
述分析的理解，此次決定設計成正—仲氫絕熱四段式分
散轉化工藝。溫度變化的區間范圍在20～130K范圍，在
溫度漸漸降低過程中仲氫濃度也會產生劇烈變化，在設
計的正仲氫轉化反應器溫度范圍內，可以對分散轉化的
四段分別設置溫度節點，即30K、40K、60K以及80K，
在實施轉化后，應當保證其中仲氫所占比重分別達到
97%、88.7%、65.6%以及48.5%。圖2為一種正仲氫轉化
柱的結構圖，1為預冷盤管、2為轉化柱、3為催化劑、4
為溫度傳感器、5為氣體的入口、6為氣體的出口、7為溫
度測量線。
圖2　一種正仲氫轉化柱的結構圖
3.氫液化流程的三種設計形式
（1）基于液氮預冷的氦膨脹制冷液化流程
采用液氮預冷方式并結合氦膨脹制冷原理的氫液化
流程，具體來講是利用氮物質膨脹處理循環預冷，正式
氫液化制冷環節則是采用氦膨脹工藝。標準原料氫氣在
使用一定的液氮物質預冷之后，會按照順序進入五個級
別的氦膨脹換熱器裝置中，催化正氫轉化成仲氫，隨后
則是使氦氣通過二級膨脹劑再進入到兩種換熱器做換熱
反應，換熱器中流出的氦氣也會通過壓縮機進一步壓
縮，后通過水冷器做冷卻反應，使溫度達到300K，再重
新使對應溫度氦氣進入換熱器開展換熱，隨后則是流入
一級膨脹機中膨脹使溫度下降，最終經過兩個換熱器的
換熱后持續循環以達到制冷效果。
（2）基于液氮預冷的氫獨立膨脹制冷液化流程
在液氮預冷的前提條件下，也可采用氫獨立膨脹制
25
石油化工
冷液化工藝，其中氫的膨脹反應可直接降低溫度進而形
成液態氫，即氫可以作為制冷劑，這種制冷劑發生循環
反應過程中通常無法完全依靠本身冷量供應原料標準氫
的液化反應，因此，在氫氣經過循環制冷后，還需進一
步深冷處理，主要在膨脹的末級適當增加冷量，促進氫
氣轉變為液態。該項流程中，原料標準氫氣會先經過壓
縮機壓縮，再進入水冷器，實現壓力增加和降低溫度，
之后則是經過預冷環節的換熱器，隨后通過三級換熱器
與正仲氫轉化裝置達到節流閥位置，持續循環制冷后的
氫氣可以從節流閥進入膨脹機，進一步依次通過兩個換
熱器，實現完全換熱，之后還是進入壓縮機與水冷器當
中增加壓力并降溫，隨后仍舊進行兩次換熱器的換熱并
從膨脹機膨脹冷卻之后開始持續循環，生成液態氫。
（3）基于液氮預冷的氫分流膨脹制冷液化流程
同樣先經過液氮的預冷作用，之后則采用處理原料
氣分流開展膨脹制冷的液化工藝來制取液態氫。原料標
準氫氣先是進入壓縮機與水冷器中，完成液氮膨脹預
冷，之后做分流處理，其中60%的氫氣會先進入膨脹機
做膨脹冷卻并結合換熱器生成冷流股，剩余的40%氫氣
則是直接進入換熱器中發生換熱反應，隨后則開展首次
正仲氫的轉化，轉化過程中溫度恒定不變，其冷流股的
氫氣則是再次分流處理，第二次分流的60%氫氣會進入
膨脹機進一步膨脹冷卻同時結合運用換熱器生成一定的
冷流股，其余40%氫氣直接降溫，這部分溫度下降的氫
氣開展第二次正仲氫轉化反應，依舊保持溫度不變，最
后則是經過節流閥做膨脹冷卻的處理，生成液態氫。這
種氫液化工藝的特征是冷流股分別進入兩次換熱器的換
熱后，最終兩股氫氣也會實現匯合，再進入換熱器中開
展液氮預冷并生成冷流股，之后該股也會與原料標準氫
氣匯合，持續循環反應。
4.工藝參數的設定
本文中研究的基于液氮預冷的氫液化流程工藝設計
過程中，還需圍繞下述幾點設定參數。
第一，控制壓縮機的運行效率，該領域為實現有效
的低溫冷卻，一般會選擇螺桿式壓縮機，其與活塞式壓
縮機相比具有更多種類。考慮到壓縮機實際使用的經濟
成本，再加上其添加水冷器的需求，因此一般會設定范
圍在0.60～0.75內的等溫效率，目前有關氫氣壓縮機的
研究文獻還比較少，故可以結合操作經驗，確定壓縮機
具體等溫效率取值為0.65，另外，對于氦膨脹壓縮處理
通常會采用復式壓縮機，控制其等溫效率與氫壓縮機一
致，確保制冷效果達到要求。第二，調節膨脹機的運行
效率，本文主要采用了透平膨脹機，其流量的大小、具
體流體種類、軸承形式以及具體設備數據都會影響到運
行的等熵效率，而為了保證膨脹機運行滿足氫液化反應
需求，還需控制該效率處于0.75～0.85范圍內，此次研
究考慮到氫膨脹機與氦膨脹機的功能需求，最終確定其
等熵效率的準確取值結果為0.80。第三，控制原料標準
氫氣的壓力值，在氫的液化反應流程中，溫區的不同條
件其能耗都會隨著原料氫氣壓力變化而產生不同變化，
譬如，在溫區為20.3～30K、80～300K兩個范圍時，氫
液化過程的原料氫壓力變化不會給能耗帶來顯著影響，
但是在30～80K的溫區范圍中，氫氣壓力的逐漸增大會
導致能耗趨向于走低變化，而壓縮機若是提高壓力，則
能耗會有所升高，因此，要想降低實際能耗，相比于調
節壓縮機做法，適當提高溫區內原料氫氣的壓力參數可
能更易操作，不過也要考慮到流程中膨脹機、換熱器等
對原料氫氣壓力的要求，故而建議其壓力最大值控制為
5MPa。除此之外，受定壓比熱變化影響，建議溫區處于
30～35K時原料氫氣的壓力不能夠小于2MPa，在本文的
氫液化生產流程中控制原料氫壓力值取2MPa最為安全。
四、結論
綜上所述，氫液化生產液態氫物質過程中，要考慮
到氫氣化學反應特征，充分貫徹低能耗、低成本以及高
效率的要求，優化設計反應流程，采用先進的反應設
備。由本文分析可知，基于液氮預冷的氫液化流程設計
要點包括：氫液化的液氮預冷處理、正氫轉化成仲氫的
方式、氫液化流程的具體設計形式、工藝參數的設定。
參考文獻：
[1]滕鈞杰，王凱，張志宇，等.基于氮制冷循環預冷的
氫液化流程研究[J].低溫工程，2022(03):27-32+45.
[2]姚余波，陳克平，滕鈞杰，等.混合工質預冷氫液
化流程設計與能效分析[J].低溫工程，2022(03):64-
69+75.
[3]王超，孫恒，耿金亮，等.基于PSO算法的雙混合制冷
劑氫液化流程優化[J].低溫與超導，2021，49(11):96-
102.
[4]魏曉雯.基于克勞德循環的氫液化流程模擬研究[D].中
國石油大學(北京)，2021.
[5]王昊成，楊敬瑤，董學強，等.10t/d級氫液化裝置流
程熱力分析與優化[J].化工學報，2022，73(11):5106-
5117.
[6]殷靚，巨永林.氫液化流程設計和優化方法研究進展
[J].制冷學報，2020，41(03):1-10.
作者簡介：孔凡紅（1978—），女，漢族，河南開封
人，中級工程師，碩士研究生，主要從事工藝流程設計
工作。

網友評論 more

化工安全論文最新內容

07-19