气体液化是低温工程的核心技术之一，其目标是将常温常压下的气态物质，通过一系列物理过程，转变为液态。液化后的气体体积大幅缩小，便于储存、运输和使用，在能源、科研、医疗和工业领域具有不可替代的价值。本章将系统阐述气体液化系统的基本原理、关键流程，并重点分析压缩气体与液化气体的特性、差异及其在系统中的角色。
一、气体液化系统的基本原理与循环
气体液化的本质是移出气体分子的热运动能量，使其温度降低至沸点以下。这通常通过热力学循环实现，核心在于利用焦耳-汤姆逊效应、等熵膨胀等过程获得低温。常见的基础液化循环包括：
- 林德-汉普逊循环：基于焦耳-汤姆逊效应，通过节流膨胀实现冷却和液化。其系统相对简单，但效率较低，预冷温度要求高，常用于小规模液化或实验室环境。
- 克劳德循环：结合了等熵膨胀做功（如通过膨胀机）和焦耳-汤姆逊节流。膨胀机回收部分能量并产生显著的温降，大大提高了循环效率，是大型空气分离和天然气液化等工业装置的主流循环。
- 卡皮查循环：采用透平膨胀机，适用于更低温和更大型的装置，如氢、氦的液化。
一个完整的气体液化系统通常包含四个主要子系统：压缩系统、纯化系统、换热系统和膨胀制冷系统。它们协同工作，将原料气逐步冷却并最终液化。
二、压缩气体：液化系统的动力源与工质
在液化系统中，“压缩气体”主要指处于高压状态、但温度仍高于其沸点的气态工质。它扮演着双重角色：
- 能量载体：压缩机对气体做功，提高其压力与温度。这部分压缩功是驱动整个液化循环的能量来源，最终转化为从气体中移出的热量。
- 循环工质：高压气体在后续的换热器和膨胀设备中流动，通过膨胀降温，为自身或其它气流提供冷量。
关键特性与处理：
- 压力与温度：压缩后气体处于高压（通常从几MPa到数十MPa）和较高温度状态，需经后冷却器初步降温。
- 纯度要求：原料气中的杂质（如水蒸气、二氧化碳、油分等）在低温下会冻结，堵塞管道和设备。因此，压缩气体在进入低温换热器前，必须经过严格的纯化系统（如分子筛吸附器、低温吸附器等）进行深度脱除。
- 安全性：高压气体储存和输送存在物理爆炸风险，系统设计需严格遵守压力容器规范，并配备安全阀、爆破片等保护装置。
三、液化气体：系统的最终产物与储存挑战
“液化气体”指温度低于其临界温度，并通过加压或深冷保持液态的物质。常见的有液化天然气（LNG，~111 K）、液氧（LOX，~90 K）、液氮（LN₂，~77 K）、液氦（LHe，~4.2 K）等。
关键特性与应用：
1. 高密度储存：液态体积仅为标准状态下气态体积的1/600至1/800，极大地提高了存储和运输的经济性。
2. 低温特性：液化气体作为极低温的冷源，广泛应用于超导技术、低温物理研究、低温生物保存、航天推进剂等领域。
3. 相变潜热：液化气体在气化时吸收大量潜热，可用作高效的冷却介质或应急冷源。
储存与输送的核心挑战：
- 绝热保温：必须使用高效的绝热容器（如真空粉末绝热、多层缠绕绝热或高真空多层绝热的杜瓦、储罐）来最大限度地减少外界热漏入，抑制蒸发损失（Boil-off Loss）。
- 材料低温性能：储存内胆和低温管道需选用在低温下仍保持良好韧性（如奥氏体不锈钢、铝合金、特定镍钢）的材料，防止冷脆。
- 安全与泄放：即使有绝热，部分吸热蒸发仍不可避免。储罐必须设计安全的蒸发气（BOG）回收或排放系统。对于易燃易爆（如LNG、液氢）或强氧化性（如LOX）介质，还需严格防爆、防火、防油脂污染。
四、从压缩到液化的系统集成与能效优化
在液化系统中，压缩气体与液化气体并非孤立存在，而是通过复杂的换热网络紧密关联。高压的压缩气体在主低温换热器中，与返流的低温低压气体（包括最终的产品液体汽化后的回气）进行逆流换热，自身被逐步预冷。当温度降至其转化曲线以内后，通过节流阀或膨胀机进一步降温，部分或全部转化为液体。
系统能效的核心指标是单位液化能耗（即液化每千克产品所需的功）。优化方向包括：
- 采用多级压缩与级间冷却，减少压缩功耗。
- 设计高效、紧凑的板翅式或绕管式低温换热器，减小换热温差与不可逆损失。
- 合理选择膨胀方式（节流 vs. 膨胀机）和流程参数（压力、流量分配）。
- 回收利用蒸发气（BOG）的冷量和压力能。
结论
气体液化系统是一个将能量、物质流与深度低温环境紧密结合的复杂工程体系。压缩气体是驱动循环的“血液”和能量载体，而液化气体是系统产出的高价值“结晶”。理解两者不同的物性、状态要求及在系统内的转换过程，是设计和操作高效、安全液化装置的基础。随着清洁能源（如氢能、LNG）和前沿科技（如量子计算、航天）的发展，对更高效、更大规模、更低温度的气体液化技术的需求将持续增长，推动该领域不断进步。
