低蒸气压气体输送系统之加热

李旻昊

摘 要：了解低蒸气压气体特性以及流动消耗状态下受温度压力体积的影响，通过加热保温的多种方法，输送给使用端安全稳定并达到要求的气体。

关键词：加热方式;低蒸气压气体;饱和蒸气压;焦耳-汤姆孙效应

1 引言

特殊气体供应主要针对的是半导体产业，目前半导体行业运用特殊气体的有太阳能行业，液晶面板行业与芯片行业。这些行业需要多种气体在一定的状态下与半导体材料进行反应，从而达到材料的某种特性。本文主要讨论低蒸气压气体输送设备如何给使用端安全稳定的按照需求标准的输送气体，以及如何保证钢瓶内低蒸气压气体的蒸发量能满足使用端的流量需求。低蒸气压气体在钢瓶内是气在常温状态下的饱和蒸气压很低，外界环境温度变化，所以在气体输送时很容易导致管路中气体液化。

2 低蒸气压气体蒸发吸热量方法研究与应用

低蒸气压气体在钢瓶内是气液共存状态，液态表面会蒸发汽化转变为气态，同时气态也会转变为液态，在一定温度条件下气态与液态会达到平衡。蒸发是在液体表面发生的汽化现象。蒸发在任何温度下都能发生，液体蒸发时需要吸热。温度越高，蒸发越快。此外，表面积大、通风好也有利于蒸发。蒸发的逆过程是液化，即气体转变为液体。当两种过程达到动态平衡，此时的蒸气叫饱和蒸气。[1]在钢瓶气体使用时气体是流动的，使用端需要稳定的气体压力与流量持续的供应，液体的自然蒸发量通常满足不了需求量，这样液体会气体蒸发量大而降温并且钢瓶内气体压力会降低。此时需要通过使用端的使用压力与流量来计算出液态蒸发成气态需要吸收的热量，从而推导出钢瓶需要多少外加加热的功率来满足使用需求。

2.1 加热功率理论计算方法

在计算加热功率时，首先我们需要知道参考的物质种类，它的物理与化学性质，它的基本的物理与化学参数。然后需要通过前人总结的计算公式去推导出我们想要的功率值。下面我们通过公式来做推导：

2.3 CO2（二氧化碳）钢瓶实际加热功率

目前给钢瓶加热的方法主要是钢瓶裹加热毯加热，水循环加热这两种方式。大流量气体使用的情况下一般使用钢瓶裹加热毯加热，小流量气体一般使用水循环加热控制更为稳定。针对CO2气体大流量的气体特性，一般使用钢瓶裹加热毯加热方式。根据经验，在CO2使用过程中加热毯加热钢瓶时，CO2能吸收的热量为加热热量20%左右。

可得P实际=P理论/20%=4（KW.h），所以目前此项目CO2钢瓶采用的是功率为4000（W.h）的加热毯。

3 气体等焓膨胀的焦耳-汤姆孙效应（JT效应）

3.1 JT效应原理介绍及对气体输送系统的影响

JT效应的全称为焦耳-汤姆孙效应。其原理是气体在节流过程中温度随压强而变化的现象。气体通过多孔塞或節流阀膨胀的过程称为绝热节流膨胀。绝热节流过程是不可逆过程。由于过程在绝热系统中进行，外界做的功等于系统内能的改变，即U2-U1=P1V1-P2V2，式中U为气体的内能，P为压强，V是气体的体积，于是得出U1+P1V1=U2+P2V2=恒量，U+PV=H是气体的状态函数称为焓，式中表示节流前后气体的焓（H）不变。

为了研究节流后气体温度随压强变化的情况，通常用焦耳-汤姆孙系数μ=（ΔT/Δp）H=（T/P）H来描述，因为节流前后焓（H）不变，以（T/p）H表示等焓过程中温度随压强的变化率。气体节流后压强减小，Δp<0，所以，若节流后降温△T<0，则μ>0，称焦耳-汤姆孙正效应。若节流升温△T>0，则μ<0，称焦耳-汤姆孙负效应。若节流前后温度不变，△T=0，称为焦耳-汤姆孙零效应。

绝大部分气体的焦耳-汤姆孙系数大于零，系数大于零表明当气体发生降压膨胀后，温度也会随之降低。在气体输送设备中都使用了减压阀，目的是将钢瓶出口处的压力较高的气体通过减压阀调整到使用端所需要的气体压力。由于气体输送系统的气体需求量高，所以气体通过减压阀后膨胀的速度十分快。根据焦耳-汤姆孙正效应的影响，导致减压阀的温度迅速降低会出现结露现象甚至结冰现象。特别是在高温度高湿度的气候条件下，减压阀的结露结冰现象更为明显。减压阀结冰的现象会导致减压阀内部零部件失效，严重时会导致减压阀减压失效。所以要采取有效方法抵消焦耳-汤姆孙正效应带来的影响。因此气体输送设备主要通过对减压阀前后的气体管路做加热保温处理，对减压阀加热保温处理来抵消焦耳-汤姆孙正效应带来的影响。

3.2 应用实例

氯气与二氧化碳气体系统的输送设备。通过对不同气体焦耳-汤姆孙系数的计算，使用端的使用量与当地温度湿度的极端值等参数，可以求得减压阀的加热功率和减压阀前后端的加热功率。计算求得CO2在流量180（升每分钟），进减压阀前压力800psi，减压至90psi的情况下，通过CO2的焦耳-汤姆孙系数求得CO2需要加热实际功率为6000W.h可以抵消焦耳-汤姆孙正效应的影响。

4 低蒸气压气体管路加热保温防止气体积液的研究

4.1 低蒸气压气体的饱和蒸气压原理分析

前面关于气体钢瓶加热的论述中有介绍气体的饱和蒸气压。我们可以通过一些自然现象了解到不同物质的饱和蒸气压。以我们生活中常见的水H2O为例，在相同的大气压下，环境中相同水量（湖泊，海洋，河流）环境温度越高的时候，水蒸发的越快，晾衣服干的比较快一些，这一点是因为水在不同温度下的饱和蒸气压是不同的，温度高时水的饱和蒸气压越高，空气中需要更多的水分才能达到饱和，当空气中水分达到饱和时水蒸发为气态水的速度等于气态水液化的速度。在夏天的时候从冰箱里拿出一瓶结冰的水瓶放在室外，很快可以看到水瓶的表面会有大量的液态水，这个现象是因为冰水瓶表面的温度很低，在温度接近0摄氏度水的饱和蒸气压为0.61KPa，在温度35摄氏度时水的饱和蒸气压为5.6KPa，所以冰水瓶附近的大量气态水很快就液化为液态水了。

杜绝气体管路积液现象出现的方法主要是通过管路做加热保温，温度的控制是通过对应气体的饱和蒸气压计算得来的。经验做法是比对对应气体饱和蒸气压的前提下温度设定略比减压阀前后管路加热的温度高，如果室外气体管路过长的话还需要分段加热，越靠经使用端温度越高。通过气体管路加热的控制可以有效避免气体液化，保证正常的生产。

4.2 低蒸气压气体管路加热保温的应用实例

以氯气CL2为例：

（1） 气体钢瓶加热毯的加热温度为30摄氏度。

（2）30摄氏度的CL2饱和蒸气压为9bar，CL2钢瓶实际出口压力8bar左右。

（3）减压阀前后管路加热温度为32摄氏度，减压后管路CL2压力实际为7bar左右。

（4）室外CL2管路长度约为500米。

通过以上条件可以将室外管路分两段加热，靠近钢瓶侧一段250米管路加热温度设定为35摄氏度，靠近使用端一段250米管路加热温度设定为38摄氏度。考虑到室外加热带热量的流失问题，需要固定好加热带后再管路外包保温棉，保温棉外用铝箔纸覆盖。温度感应器放置在加热带中段位置，防止加热不均匀。根据经验，每米加热带功率为90W.h为宜。通过这种加热方式可以有效避免管路CL2气体积液现象。

5结论

通过本文分别分析了低蒸气压气体钢瓶加热的重要性是为了满足气体使用端流量压力的使用需求;以及大部分气体通过减压阀会产生焦耳-汤姆孙正效应，所以需要通过加热抵消气体膨胀降温带来的减压阀结露结冰影响;最后介绍了管路加热保温防止气体温度降低而产生的气体液化问题。经过了钢瓶的加热，减压阀的加热，管路的加热，低蒸气压气体可以以稳定的流量稳定的压力供应给使用端使用，从而解释了完整的低蒸气压气体输送系统加热的原理与方法。

参考文献：

[1]北师大版初二物理：汽化和液化教学设计.

[2]高中学科辅导：物质的量和气体摩尔体积.