首页-盛悦娱乐「主页如前文所述，目前大型的液氢工厂普遍采用改进型带预冷Claude循环。带预冷的Claude循环包括四个步骤：氢气常温预压缩，液氮预冷至80K，膨胀机进一步冷却至30K，通过节流阀膨胀冷却至20K并实现冷凝液化。虽然氢气冷却是一个发热过程，但整个过程中氢气的压缩和冷却都需要做功，低温环路的冷量会向外界环境泄露，整个制冷系统需要消耗大量能量。氢气液化时的能耗（即电费）是液氢工厂的主要成本。因此制冷设备的效率是液氢工厂规划与设计的主要考虑。除此以外，设备的安全性，可靠性，易维护性，成本也是重要的因素。
实现改进型带预冷Claude循环需要的设备包括压缩机，膨胀机，热交换器，吸收器，节流阀，各类管路与液氢收集储罐，阀门与仪表系统，控制与分析系统等。其中大部分制冷循环的设备被安装于一个巨大的真空低温箱以尽可能减少氢气液化过程与外界环境的热交换。
氢气供应的预压缩可以减少制冷环节的做功，但是氢气的加压受到下游热交换器的最大允许工作压力限制。目前投入运行的大型氢气液化装置的工作压力一般不超过2.5MPa。上游氢气供应如果是SMR（甲烷蒸汽重整）制氢或电解制氢，通常已经是超过1.5MPa的高压氢气，不一定需要在液化环节加压。一些概念性的液氢工厂设计将工作压力提升至最大8MPa。
制冷循环也需要通过压缩机给制冷剂加压。标准的Claude循环使用氢气作为制冷剂，即从氢气供应中分流一部分经过膨胀机制冷，再作为制冷剂通过热交换器冷却其他氢气，经过换热的冷却氢气返回前级氢气供应管路循环使用。改进型的Claude循环可以在前级增加预冷环节，通过其他独立制冷的制冷剂，比如冷却氮气，液氮或其他混合制冷剂(MR)，先将氢气冷却至一定低温，以减少低温冷却阶段膨胀机的做功。
氢气供应的预压缩和制冷剂的压缩所消耗的能量是氢气液化过程中最大的能耗（占比超90%）。压缩机的类型，压缩的级数，压缩的工作温度，以及压缩过程中的压力损失都会对压缩效率产生影响。一般在常温下进行氢气供应的预压缩的，制冷剂加压的工作温度与制冷剂的类型相关。
目前工程实际使用的都是往复式柱塞压缩机（reciprocating Piston compressor）。理论上离心式涡轮压缩机（Centrifugal Turbo compressor）具有更高的效率和更大的流量，更加适用于大型液氢工厂。但是由于涡轮压缩机在实际使用时要求被压缩的气体具有一定的摩尔质量，压缩纯液氢需要多级压缩，（提升至8MPa需要24级压缩），因此涡轮压缩机更可能应用于（非纯氢）制冷剂的压缩，而不是氢气供应的压缩。不过目前还没实际的工程应用。
图片： 应用于氢气液化过程的大型氢气压缩机撬装（Neuman&Esser）
目前工业级氢气液化装置普遍采用涡轮膨胀机进行低温制冷。由于涡轮旋转的机械能可以被恢复，相同功率的Turbo-Expander涡轮膨胀机（也称作透平式膨胀机）可以达到更好的制冷效果，实现更高的能量效率（理论可达80% - 90%）。目前的问题在于是否能在液化阶段也用涡轮膨胀进一步取代J-T膨胀。有研究表明，相比通过节流阀实现的J-T膨胀，在液化阶段使用涡轮膨胀机可以将SEC减少7%甚至更多。但是在液化阶段冷凝的液态氢可能损坏膨胀机，所以目前还没有证据显示有已投入运行的液氢工厂已经采用涡轮膨胀机取代J-T膨胀机。
轴流涡轮机（Axial flow turbine）和径流涡轮机（Radial flow turbine）都有应用于工业制氢。轴流涡轮机比径流涡轮机的效率稍高，但是成本更高。
涡轮膨胀机的另一个技术问题是轴承类型，目前氢气液化主要采用含油轴承或空气轴承技术。含油轴承系统要求有额外的供油系统，包括油泵及相应的安全措施，投资成本和运行成本都高于空气轴承技术。除此以外，相对于含油轴承，空气轴承可以避免油对氢气的污染，并具有更高的等熵效率，更紧凑的结构和更高的可靠性等优点。
图片：含有轴承，静态空气轴承，动态空气轴承示意比较，红框内为Linde Leuna工厂采用的无油动态空气轴承（来源：Linde）
最后要强调的是氢气液化所需要的静制冷量是比普通制冷循环显著要高的，因为冷量被吸收于终端产品中输出了。所以氢气液化过程使用的涡轮膨胀机的功率要更高，而且通常会使用多级涡轮膨胀机以提升氢气液化过程的生产效率。
PFHE具有大容量，适于级联，换热面积大（每立米可以大于2000平米，但是面积越大，成本越高。），结构紧凑，成本相对较低的优点。
铝由于具有相对较高的热传导性以及良好的低温性能（强度），是低温换热器器的通用材料。PFHE的最大工作压力可以达到13MPa左右，PFHE的体积与抗压强度正相关，但并不显著。
由于换热器要安装于低温箱内，其体积受限于低温箱的尺寸。Linde的报告显示其最大的氢气液化换热器大致为8.2m x 3.4m x 1.5m，内部容积15-30立米，单位换热面积为每立米500-2000平米。
工业级氢气液化装置一般在换热器内部的流体通路涂装正仲氢转换催化剂，在换热过程中同步进行正仲氢转换。
节流阀的基本结构是由绝热壁包裹的渗透性多孔塞管道，如下图所示。气体通过多孔塞扩散。这是一个绝热节流过程，与环境之间没有机械做功，也没有热量交换，所以是一个等焓膨胀的过程，通过控制温度和压力使J-T系数为正就可以实现气体冷却的效应。
由于氢气液化过程的工作温度远低于环境温度，在液化过程中要避免冷量泄露至周围环境，整个低温过程都必须在超级绝热的低温箱内进行。低温箱的外壳一般都使用绝热材料进行多层绝热，低温箱内部抽真空，尽量减少与外界环境的热交换。
所有低温设备，包括多级换热器，吸收器，涡轮膨胀器，J-T膨胀阀，液氢收集箱，以及各种控制设备和测量仪表都要安装于低温箱内，因此低温箱的体积很大， CHART的10TPD的真空低温箱的尺寸是大约直径3米，长12米。虽然为了提高效率各种概念工厂的容积越来越大，但是低温箱的体积却不可能无限扩大。因为真空低温箱的结构复杂，受生产工艺限制无法在现场组装，只能在生产工厂完成预装后再整体运至液氢工厂完成安装，低温箱的体积和重量都受运输条件的限制。
低温箱的内部结构和管路系统也非常复杂，由于体积无法无限扩大，如何在紧凑的空间内合理布置，安装和连接众多低温设备是艰难的工程挑战。
液氢工厂除了有氢气液化的设施，还需要有液氢储罐和给液氢运输卡车或拖车加注的设施，由于篇幅的原因，这里就不再详细介绍液氢加注设备了。液氢储罐的内容会放在下一篇液氢存储和文章中介绍。
新一代的液氢工厂的氢气液化过程有很多工程挑战，参考资料2中做了一个总结。
如第20篇氢气液化工艺文章所介绍，气体冷却的方法主要有三种：以温度更低的气体或液体作为制冷剂通过热交换冷却，通过膨胀机做功的绝热膨胀，通过正系数的J-T膨胀。正系数的J-T膨胀要在氢气逆变温度(200K)以下才能实现，所以不能将氢气直接从常温冷却液化，需要通过其他方法预冷。理论上通过液化温度更低的液氦换热或者膨胀机，单一的方法就可以实现氢气液化，但是由于氢气的液化温度非常低（20K），从常温降至液化温度需要冷却近300K，过程中还要考虑氢气净化，正仲氢转化和氢气的冷凝，出于效率和工程实际的考虑，往往会采用多种方法的组合。
为了提高效率，大型的液氢工厂普遍采用Claude Process，在液氮预冷与J-T膨胀之间加入效率更高的膨胀机制冷，将氢气进一步从80K降至30K再通过J-T膨胀冷却液化。理论上膨胀机制冷可以将氢气直接从常温冷却液化。但是一方面采用液氮预冷可以提高效率，另一方面膨胀机直接将氢气液化，冷凝的液体可能会损坏膨胀机，所以仍然保留了J-T膨胀。如果能解决这个问题，取消节流阀，直接由膨胀机液化氢气，效率可以进一步提升。
氦气制冷循环是直接以液氦为制冷剂通过Brayton Cycle将氢气液化，也可以通过液氮进行预冷。
理论界还提出了很多氢气液化的概念模型，以提升效率，需要工程界的努力，包括工艺工程，控制工程，安全工程，设备制造商等等的共同努力，将理想变为现实。
液氢生产的主题到这篇文章就结束了，原计划只有一篇文章，结果越写越长，扩展成四篇文章，全文近两万字，才自认为基本把液氢生产的关键问题基本介绍清楚了。下篇文章会介绍液氢的储运和终端应用。液氢安全的内容会放在一篇专题文章中介绍。
