前言：

"在氢气液化（LH2）领域，国际上流行的大型LH2液化工艺有10多种，其中，3×105m3/d以上大型LH2液化工艺系统多采用以板翅式换热器为主液化装备的PFHE型膨胀制冷液化工艺技术，具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小以及非常便于自动化管理等优势，已成为大型LH2液化工艺装备领域内的标准性主流选择，在世界范围内已开始应用。目前，国内尚未有20～30t/d的大型工业化LH2系统，即使是中小型LH2工艺系统一般也是随着成套工艺技术整体进口，日产量在2～3t/d以下，包括工艺技术包及主设备专利技术等，整体系统造价非常昂贵，后期维护及更换设备的费用同样巨大。由于大型LH2系统工艺及主设备仍未国产化，即还没有成型的设计标准，因此，给LH2液化工艺系统及装备的国产化设计计算带来了难题。

近年来，兰州交通大学张周卫等开始系统研究开发大型LH2液化工艺及核心装备——LH2多股流板翅式换热器，并前后研发LH2混合制冷剂多股流板翅式换热器、LH2一级三股流板翅式换热器、LH2二级四股流板翅式换热器、LH2三级五股流板翅式换热器等系列LH2板翅式换热器等设计计算方法，可应用于10多种国际上流行的LH2液化工艺流程主液化设备的设计计算过程。以板翅式换热器为主液化装备的LH2液化工艺也是目前流行的大型LH2液化系统的主液化工艺。（3～6）×105m3/d以上大型LH2液化工艺系统多采用以板翅式换热器为主液化装备的PFHE型LH2液化工艺技术，其具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小以及便于自动化管理等优势，已成为大型LH2液化工艺装备领域内的标准性主流选择。由于大型LH2板翅式换热器主要用于3×105m3/d以上大型LH2液化系统，可作为该系统中的核心设备，一般达到6×105m3/d以上时，可采用并联多套的模块化办法，实行LH2系统的大型化。

《氢气液化工艺装备与技术》主要围绕4类大型PFHE型LH2液化工艺及主液化装备进行系统的研究与开发，主要涉及3×105m3/d LH2液化工艺流程及主设备PFHE研发及设计计算过程，包括液氮预冷五级膨胀八级制冷氢液化系统工艺装备设计计算、液氮预冷一级膨胀两级节流四级制冷氢液化系统工艺装备设计计算、两级氦膨胀两级节流制冷氢液化系统工艺装备设计计算、四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备设计计算等过程。研究内容主要涉及4类较典型的LH2低温液化工艺流程的具体设计计算方法，可为LH2液化关键环节中所涉及的主要液化工艺设计计算提供可参考样例，并有利于推进LH2系列板翅式换热器的标准化及相应LH2液化工艺技术的国产化研发进程。由于研究内容涵盖3×105m3/d以上LH2液化领域内具有代表性的LH2板翅式换热器的设计计算方法，研究还包括不同类型LH2板翅式换热器计算过程及制冷剂运算法则，也是当前国际上流行的主流PFHE型LH2液化工艺主设备。以上4种LH2板翅式换热器设计计算方法属LH2装备领域内目前流行的具有一定技术设计难度的LH2系统工艺主设备核心技术，同时，也可应用于LNG（液化天然气）、LPG（液化石油气）、煤化工、石油化工、低温制冷等领域。从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进PFHE型LH2液化主设备的设计计算过程及LH2系列液化工艺的设计计算进程。

本书第1章为绪论部分，主要讲述氢气液化工艺装备技术的基本特点及国内外研究开发和工业化发展现状等。

第2章主要讲述3×105m3/d PFHE型液氮预冷五级膨胀八级制冷氢液化系统工艺装备设计计算过程，包括LH2液化工艺的设计计算过程及LH2板翅式换热器的设计计算过程。

第3章及后续章节主要讲述PFHE型液氮预冷一级膨胀两级节流四级制冷氢液化系统工艺装备、PFHE型两级氦膨胀两级节流制冷氢液化系统工艺装备、PFHE型四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备等不同LH2液化工艺流程及板翅式换热器等设计计算方法，以便为从事LH2液化装备领域内的工程技术人员及研发人员提供必要的参考。

本书共分5章，其中，第1~4章由张周卫撰写，第5章由汪雅红、耿宇阳、车生文撰写，全书由张周卫统稿。耿宇阳、樊翔宇、李文振、杨发炜、刘要森、盛日昕、孙少伟、荣欣等参与全书的编辑整理及校正等工作。王松涛、贠孝东、唐鹏、孙少康、赵银江、杨玉俭、付敏君、樊广存等参与各章节的撰写及编排校正工作。

本书受国家自然科学基金（编号：51666008）、甘肃省重点人才项目（编号：26600101）、甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137）、甘肃省高等学校产业支撑计划项目（编号：2020C22）等支持。

本书按照目前所列4种LH2液化工艺流程的设计计算进度，重点针对4种典型的且具有代表性的LH2液化工艺及板翅式换热装备进行研究开发，总结设计计算方法，并与相关行业内的研究开发人员共同分享。

由于作者水平有限、时间有限及其他原因，书中难免存在疏漏与不足之处，希望同行及广大读者批评指正。

兰州交通大学

兰州兰石换热设备有限责任公司

张周卫  汪雅红  耿宇阳  车生文

目录：

"第1章绪论

1.1氢气（H2）与液氢（LH2）物理特性   1

1.2液氢（LH2）国外发展现状   3

1.3液氢（LH2）国内发展现状   5

1.4液氢（LH2）低温生产过程   6

1.4.1原料氢气主要来源   8

1.4.2氢气主要净化方法   9

1.4.3氢气制冷液化循环   10

1.4.4典型的氢液化系统   13

1.4.5氢气液化系统设备   16

1.4.6液氢（LH2）板翅式主换热装备   17

本章小结   19

参考文献   19

第2章30万立方米PFHE型液氮预冷五级膨胀制冷氢液化系统工艺装备

2.1板翅式换热器的发展   22

2.1.1总体发展概况   22

2.1.2国外发展概况   22

2.1.3国内发展概况   24

2.2LH2板翅式换热器设计目的   24

2.3板翅式换热器构造及工作原理   24

2.3.1板翅式换热器基本单元   24

2.3.2板翅式换热器翅片作用   24

2.3.3板翅式换热器主要附件   24

2.4板翅式换热器中氢气的液化   25

2.5板翅式换热器制冷系统   25

2.6板翅式换热器工艺流程设计   25

2.7氢气液化工艺流程设计   25

2.8制冷剂主要参数的确定   26

2.9各状态点参数设计计算   27

2.10氢液化流程工艺计算过程   28

2.10.1氢气膨胀制冷循环   28

2.10.2氮气膨胀制冷循环   33

2.11温熵图、压焓图绘制   37

2.12氢液化COP计算过程   38

2.12.1氢气膨胀制冷循环   38

2.12.2氮气膨胀制冷循环   40

2.13板翅式换热器工艺计算过程   42

2.13.1氢1换热器   42

2.13.2氢2换热器   55

2.13.3氢3换热器   62

2.13.4氢4换热器   70

2.13.5氢5换热器   74

2.13.6氮1换热器   78

2.13.7氮2换热器   81

2.13.8氮3换热器   85

2.14板翅式换热器结构设计过程   89

2.14.1封头设计   89

2.14.2液压试验   98

2.14.3接管设计   103

2.14.4接管补强   108

2.14.5法兰和垫片   133

2.14.6隔板和封条设计造型   134

2.14.7换热器的成型安装   136

2.14.8换热器的绝热保冷   138

本章小结   138

参考文献   139

第3章30万立方米PFHE型液氮预冷一级膨胀两级节流氢液化工艺装备

3.1一级膨胀两级节流LH2板翅式主换热器   142

3.2板翅式换热器工艺设计计算概述   143

3.2.1板翅式换热器设计步骤   143

3.2.2制冷剂设计参数的确定   143

3.2.3氢气液化工艺流程设计   143

3.3板翅式换热器工艺计算过程   143

3.3.1一级设备预冷制冷过程   143

3.3.2二级设备预冷制冷过程   145

3.3.3三级设备预冷制冷过程   146

3.3.4四级设备预冷制冷过程   147

3.3.5一级换热器流体参数计算   148

3.3.6二级换热器流体参数计算   154

3.3.7三级换热器流体参数计算   159

3.3.8四级换热器流体参数计算   163

3.3.9一级板翅式换热器传热面积计算   168

3.3.10二级板翅式换热器传热面积计算   174

3.3.11三级板翅式换热器传热面积计算   178

3.3.12四级板翅式换热器传热面积计算   182

3.3.13换热器压力损失计算   185

3.4板翅式换热器结构设计   193

3.4.1封头设计   193

3.4.2封头计算   194

3.4.3EX1换热器各个板侧封头壁厚计算   194

3.4.4EX2换热器各个板侧封头壁厚计算   196

3.4.5EX3换热器各个板侧封头壁厚计算   197

3.4.6EX4换热器各个侧封头壁厚计算   198

3.5液压试验   200

3.5.1液压试验目的   200

3.5.2内压通道   200

3.5.3接管计算   204

3.6接管补强   207

3.6.1补强计算   207

3.6.2接管计算   207

3.6.3EX1换热器补强面积计算   208

3.6.4EX2换热器补强面积计算   213

3.6.5EX3换热器补强面积计算   216

3.6.6EX4换热器补强面积计算   220

3.7法兰和垫片   224

3.8隔板、导流板及封条   224

3.8.1隔板厚度计算   224

3.8.2封条设计选择   227

3.8.3导流板的选择   227

3.9换热器的成型安装   227

3.9.1板束安装规则   227

3.9.2焊接工艺和形式   228

3.9.3绝热保冷设计   228

本章小结   229

参考文献   229

第4章30万立方米PFHE型LNG预冷两级氦膨胀五级氢液化工艺装备

4.1LH2板翅式换热器制冷工艺   230

4.2LH2板翅式换热器的工艺计算   232

4.2.1板翅式换热器工艺设计   232

4.2.2制冷剂设计参数的确定   232

4.2.3氢气液化工艺计算过程   232

4.3换热器长度计算   237

4.3.1一级换热器流体参数计算   237

4.3.2一级板翅式换热器传热面积计算   243

4.3.3二级换热器流体参数计算   248

4.3.4二级板翅式换热器传热面积计算   253

4.3.5三级换热器流体参数计算   257

4.3.6三级板翅式换热器传热面积计算   262

4.3.7四级换热器流体参数计算   266

4.3.8四级板翅式换热器传热面积计算   270

4.3.9五级换热器流体参数计算   272

4.3.10五级板翅式换热器传热面积计算   277

4.3.11换热器压力损失的计算   279

4.4板翅式换热器结构设计   288

4.4.1封头设计选型   288

4.4.2EX1换热器各个板侧封头壁厚计算   289

4.4.3EX2换热器各个板侧封头壁厚计算   291

4.4.4EX3换热器各个板侧封头壁厚计算   292

4.4.5EX4换热器各个板侧封头壁厚计算   293

4.4.6EX5换热器各个板侧封头壁厚计算   294

4.5液压试验   295

4.5.1液压试验目的   295

4.5.2内压通道   296

4.5.3接管计算   300

4.6接管补强   304

4.6.1开孔补强方式   304

4.6.2换热器接管计算   304

4.6.3EX1换热器补强面积计算   305

4.6.4EX2换热器补强面积计算   310

4.6.5EX3换热器补强面积计算   313

4.6.6EX4换热器补强面积计算   317

4.6.7EX5换热器补强面积计算   320

4.7法兰与垫片选择   323

4.8隔板、封条与导流板选择   324

4.8.1隔板厚度计算   324

4.8.2封条设计选择   327

4.8.3导流板形式选择   327

4.9换热器的成型安装   327

4.9.1板束安装规则   327

4.9.2焊接工艺形式   328

4.9.3试验、检验   328

4.9.4绝热保冷设计   328

本章小结   329

参考文献   329

第5章30万立方米PFHE型四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备

5.1基于级联式LH2液化工艺的板翅式主液化装备   331

5.2LH2板翅式主液化装备工艺设计计算   333

5.2.1一级换热器   333

5.2.2二级换热器   333

5.2.3三级换热器   333

5.2.4四级换热器   334

5.2.5换热器A   334

5.2.6换热器B   335

5.2.7换热器C   335

5.3板翅式换热器流体参数及换热器板束长度计算   337

5.3.1一级换热器流体参数计算(单层通道)   337

5.3.2二级换热器流体参数计算(单层通道)   344

5.3.3三级换热器流体参数计算(单层通道)   349

5.3.4四级换热器流体参数计算(单层通道)   354

5.3.5换热器A流体参数计算(单层通道)   359

5.3.6换热器B流体参数计算(单层通道)   365

5.3.7换热器C流体参数计算(单层通道)   370

5.4板翅式换热器结构设计   375

5.4.1封头设计选型   375

5.4.2一级换热器各个板侧封头壁厚计算   376

5.4.3二级换热器各个板侧封头壁厚计算   376

5.4.4三级换热器各个板侧封头壁厚计算   377

5.4.5四级换热器各个板侧封头壁厚计算   378

5.4.6换热器A各个板侧封头壁厚计算   378

5.4.7换热器B各个板侧封头壁厚计算   379

5.4.8换热器C各个板侧封头壁厚计算   379

5.5液压试验   381

5.5.1液压试验目的   381

5.5.2内压通道计算   383

5.5.3尺寸校核计算   384

5.6接管确定   386

5.6.1接管尺寸确定   386

5.6.2一级换热器接管壁厚   386

5.6.3二级换热器接管壁厚   387

5.6.4三级换热器接管壁厚   387

5.6.5四级换热器接管壁厚   387

5.6.6换热器A接管壁厚   387

5.6.7换热器B接管壁厚   387

5.6.8换热器C接管壁厚   388

5.6.9接管尺寸汇总   388

5.7接管补强   389

5.7.1补强方式   389

5.7.2接管补强计算   389

5.7.3一级换热器补强面积计算   390

5.7.4二级换热器补强面积计算   392

5.7.5三级换热器补强面积计算   394

5.7.6四级换热器补强面积计算   396

5.7.7换热器A补强面积计算   398

5.7.8换热器B补强面积计算   400

5.7.9换热器C补强面积计算   402

5.8法兰与垫片选择   404

5.8.1法兰与垫片   404

5.8.2法兰与垫片型号选择   404

5.9隔板、封条与导流板选择   404

5.9.1隔板厚度计算   404

5.9.2封条选择   407

5.9.3导流板选择   407

5.10换热器的成型安装   407

5.10.1换热器组装要求   407

5.10.2板束要求   408

5.10.3焊接要求   408

5.10.4封头选择   408

5.10.5试验、检验   408

5.10.6换热器安装   409

5.10.7绝热及保冷   409

本章小结   409

参考文献   409

附录

致谢