随着氢能产业的迅速发展，氢液化技术作为氢能储运的关键环节，受到了广泛关注。氢液化器作为实现氢气液化的核心设备，其流程设计直接影响氢液化效率、能耗及安全性。本文基于Brayton循环和Claude循环的基本原理，对氢液化器的流程设计进行了深入探讨，并提出了优化策略。

氢液化器流程概述

氢液化器的低温制冷循环主要包括Brayton循环和Claude循环。对于不同规模的氢液化系统，采用的制冷循环方式和工质有所不同。对于小型氢液化系统（≤3t/d），主要采用氦为工质的Brayton循环；对于中型氢液化系统（2~50t/d），则采用氢为工质的Claude循环。当前，世界上运行的氢液化系统基本采用液氮预冷方式，但在未来超大型（≥50t/d）氢液化器的设计中，预冷方式的优化将是提高氢液化器性能的关键。

图1 5t/d 氢液化器流程 PFD 图

氢液化器的流程通常包括液氮预冷、正仲氢催化转化、气体膨胀制冷和节流制冷四个阶段。在液氮预冷阶段，液氮进入冷箱后，通过多级换热器对氢气进行预冷；在正仲氢催化转化阶段，通过催化剂的作用，将氢气中的正氢转化为仲氢，以提高液氢的纯度；在气体膨胀制冷阶段，利用透平膨胀机对氢气进行膨胀制冷；在节流制冷阶段，通过节流阀进一步降低氢气的温度，实现氢气的液化。

氢原料气及液氢压力对液化比功耗的影响

氢液化器流程设计

氢液化器的流程设计需要综合考虑制冷效率、能耗、安全性等因素。在流程设计中，采用分级预冷的方式，可以有效减小液氮与换热器之间的换热温差，降低系统的不可逆损失。同时，在制冷机不同温度区增加正仲氢催化转化过程，可以防止正仲氢转化过程中生成热蒸发液氢储罐内的液氢。

氢液化器的参数优化原则主要包括：冷热气流成分的组成曲线相匹配，以减小沿程换热温差；最小温差应位于换热器的低温区，并逐渐向高温区放大等。此外，原料气和液氢的压力对液化比功耗也有显著影响。提高氢原料气和液氢压力有利于提高制冷机系统性能，但过高的液氢压力会增加液氢储罐的制造难度和成本，并可能导致储运成本的上升。因此，在设计中需要综合考虑各种因素，确定合适的原料气和液氢压力。

氢液化器流程计算及参数设计

基于流程设计的PFD图，采用专业的流程模拟软件（如Unisim Design）对氢液化器流程进行计算和优化。在流程计算中，需要考虑各种物理参数（如温度、压力、流量等）和化学参数（如氢气纯度、正仲氢比例等）的影响。通过反复迭代和优化，最终确定出满足设计要求的氢液化器流程参数。

以5t/d氢液化器为例，经过流程设计和优化，氢液化器的液化率达到了3898L/h（6.48 t/d），仲氢纯度达到了96.32%，均满足设计要求。同时，氢液化器的预期压缩机功耗为1932kW，对应的制冷机比功耗为7.155 kW·h/kg (LH2)。考虑到液氮消耗的等效比功耗，氢液化器的总比功耗为11.89 kW·h/kg (LH2)。此外，压缩机、透平膨胀机、换热器等核心功能部件的关键设计参数也得到了确定。

结论与展望

本文的氢液化器采用液氮预冷和氢气透平膨胀机制冷，是国内首套全氢液化系统。本文解决了正仲氢转化热的修正问题，并在此基础上，分析了氢燃料气压力和液氢压力对最小比功耗的影响，提出了全氢液化器的流程优化原则。通过流程设计和计算，全氢液化器的设计液化率达到 6.48t/d，设计比功耗达到 11.89 kW·h/kg(LH2)，满足设计要求。

本文对氢液化器的流程设计进行了深入探讨，并提出了优化策略。通过采用分级预冷的方式和正仲氢催化转化过程，可以有效提高氢液化器的制冷效率和氢气的纯度。同时，在流程设计中需要综合考虑各种因素，确定合适的原料气和液氢压力等参数。未来随着氢能产业的不断发展壮大，氢液化技术将会得到更广泛的应用和研究。在未来的研究中，可以进一步探索新的制冷循环方式和工质选择，以进一步提高氢液化器的性能和效率。

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