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液氫的生產(chǎn)及應(yīng)用論文
O引言 氫是一種理想的清潔能源。當(dāng)前主要用作運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑，在不久的將來(lái)，氫將成為飛機(jī)、汽車(chē)甚至家用燃料。氫還是一種能量轉(zhuǎn)換和能量貯存的重要載體。氫作為燃料或作為能量載體，較好的使用和貯存方式之一是液氫。因此液氫的生產(chǎn)是氫能開(kāi)發(fā)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)之一。
本文著重討論液氫的生產(chǎn)問(wèn)題。 氫氣的轉(zhuǎn)化溫度很低，最高為20.4K，所以只有將氫氣預(yù)冷卻到該溫度以下，再節(jié)流膨脹才能產(chǎn)生冷效應(yīng)。這一特性對(duì)氫氣的液化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的困難。 氫分子由兩個(gè)氫原子組成，由于兩個(gè)原子核自旋方向不同，存在著正、仲兩種狀態(tài)。正氫（O-H2）的兩個(gè)原子核自旋方向相同，仲氫（p-H2）的兩個(gè)原子核自旋方向相反。正、仲態(tài)的平衡組成隨溫度而變，在不同溫度下處于正、仲平衡組成狀態(tài)的氫稱(chēng)為平衡氫（e一H2）。表1列出了不同溫度時(shí)平衡氫中仲氫的濃度。 常溫時(shí)，含75％正氫和25％仲氫的平衡氫，稱(chēng)為正常氫或標(biāo)準(zhǔn)氫（n-H2）。高溫時(shí)，正仲態(tài)的'平衡組成不 變；低于常溫時(shí)，正一仲態(tài)的平衡組成將隨溫度而變。溫度降低，仲氫濃度增加。在液氫的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)時(shí)，仲氫濃 度為99．8％。 在氫的液化過(guò)程中，如不進(jìn)行正一仲催化轉(zhuǎn)化，則生產(chǎn)出的液氫為正常氫，液態(tài)正常氫會(huì)自發(fā)地發(fā)生IE 仲態(tài)轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到相應(yīng)溫度下的平衡氫，氫的正。仲轉(zhuǎn)化是一放熱反應(yīng)，正常氫轉(zhuǎn)化成相同溫度下的平衡氫 所釋放的熱量見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，液態(tài)正常氫轉(zhuǎn)化時(shí)放出的熱量超過(guò)氣化潛熱（447kl/kg）。由于這一原因， 即使將液態(tài)正常氫貯存在一個(gè)理想絕熱的容器中，液氫同樣會(huì)發(fā)生氣化；在開(kāi)始的24小時(shí)內(nèi)，液氫大約要蒸 發(fā)損失18％，100小時(shí)后損失將超過(guò)40％。
不過(guò)這種自發(fā)轉(zhuǎn)化的速率是很緩慢的，為了獲得標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)下的平衡氫，即仲氫濃度為99．8％的液氫，在 氫的液化過(guò)程中，必需進(jìn)行數(shù)級(jí)正。仲催化轉(zhuǎn)化。1 氫液化循環(huán) 由于氫的臨界溫度和轉(zhuǎn)化溫度低，汽化潛熱小，其理論最小液化功在所有氣體當(dāng)中是最高的，所以液化 比較困難。在液化過(guò)程中進(jìn)行正。仲氫催化轉(zhuǎn)化是一個(gè)放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度不同，所放熱量不同；使用不同的 催化劑，轉(zhuǎn)化效率也不相同。因此，在液化工藝流程當(dāng)中使用何種催化劑，如何安排催化劑溫度級(jí)，對(duì)液氫生 產(chǎn)和貯存都是十分重要的。在液氫溫度下，除氦氣之外，所有其他氣體雜質(zhì)均已固化，有可能堵塞液化系統(tǒng)管 路，尤其固氧阻塞節(jié)流部位，極易引起爆炸。所以，對(duì)原料氫必須進(jìn)行嚴(yán)格純化。生產(chǎn)液氫一般可采用三種液化循環(huán)，即節(jié)流氫液化循環(huán)、帶膨脹機(jī)的氫液化循環(huán)和氦制冷氫液化循環(huán)。在這三種基本液化循環(huán)中，又派生出多種不同的液化循環(huán)，這里僅從每種當(dāng)中選擇一個(gè)加以簡(jiǎn)要說(shuō)明。
1 節(jié)流氫液化循環(huán) 節(jié)流循環(huán)是1895年由德國(guó)的林德和英國(guó)的漢普遜分別獨(dú)立提出的，所以也叫林德（或漢普遜）循環(huán)。節(jié) 流循環(huán)是工業(yè)上最早采用的氣體液化循環(huán)，因?yàn)檫@種循環(huán)的裝置簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，在小型氣體液化循環(huán)裝置 中被廣泛采用。由于氫的轉(zhuǎn)化溫度低，在低于80K時(shí)進(jìn)行節(jié)流才有較明顯的制冷效應(yīng)。因此，采用節(jié)流循環(huán)液化氫時(shí)，必須借助外部冷源（如液氮）進(jìn)行預(yù)冷。
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