低蒸氣壓氣體輸送系統之加熱

李旻昊

摘 要：了解低蒸氣壓氣體特性以及流動消耗狀態下受溫度壓力體積的影響，通過加熱保溫的多種方法，輸送給使用端安全穩定并達到要求的氣體。

關鍵詞：加熱方式;低蒸氣壓氣體;飽和蒸氣壓;焦耳-湯姆孫效應

1 引言

特殊氣體供應主要針對的是半導體產業，目前半導體行業運用特殊氣體的有太陽能行業，液晶面板行業與芯片行業。這些行業需要多種氣體在一定的狀態下與半導體材料進行反應，從而達到材料的某種特性。本文主要討論低蒸氣壓氣體輸送設備如何給使用端安全穩定的按照需求標準的輸送氣體，以及如何保證鋼瓶內低蒸氣壓氣體的蒸發量能滿足使用端的流量需求。低蒸氣壓氣體在鋼瓶內是氣在常溫狀態下的飽和蒸氣壓很低，外界環境溫度變化，所以在氣體輸送時很容易導致管路中氣體液化。

2 低蒸氣壓氣體蒸發吸熱量方法研究與應用

低蒸氣壓氣體在鋼瓶內是氣液共存狀態，液態表面會蒸發汽化轉變為氣態，同時氣態也會轉變為液態，在一定溫度條件下氣態與液態會達到平衡。蒸發是在液體表面發生的汽化現象。蒸發在任何溫度下都能發生，液體蒸發時需要吸熱。溫度越高，蒸發越快。此外，表面積大、通風好也有利于蒸發。蒸發的逆過程是液化，即氣體轉變為液體。當兩種過程達到動態平衡，此時的蒸氣叫飽和蒸氣。[1]在鋼瓶氣體使用時氣體是流動的，使用端需要穩定的氣體壓力與流量持續的供應，液體的自然蒸發量通常滿足不了需求量，這樣液體會氣體蒸發量大而降溫并且鋼瓶內氣體壓力會降低。此時需要通過使用端的使用壓力與流量來計算出液態蒸發成氣態需要吸收的熱量，從而推導出鋼瓶需要多少外加加熱的功率來滿足使用需求。

2.1 加熱功率理論計算方法

在計算加熱功率時，首先我們需要知道參考的物質種類，它的物理與化學性質，它的基本的物理與化學參數。然后需要通過前人總結的計算公式去推導出我們想要的功率值。下面我們通過公式來做推導：

2.3 CO2（二氧化碳）鋼瓶實際加熱功率

目前給鋼瓶加熱的方法主要是鋼瓶裹加熱毯加熱，水循環加熱這兩種方式。大流量氣體使用的情況下一般使用鋼瓶裹加熱毯加熱，小流量氣體一般使用水循環加熱控制更為穩定。針對CO2氣體大流量的氣體特性，一般使用鋼瓶裹加熱毯加熱方式。根據經驗，在CO2使用過程中加熱毯加熱鋼瓶時，CO2能吸收的熱量為加熱熱量20%左右。

可得P實際=P理論/20%=4（KW.h），所以目前此項目CO2鋼瓶采用的是功率為4000（W.h）的加熱毯。

3 氣體等焓膨脹的焦耳-湯姆孫效應（JT效應）

3.1 JT效應原理介紹及對氣體輸送系統的影響

JT效應的全稱為焦耳-湯姆孫效應。其原理是氣體在節流過程中溫度隨壓強而變化的現象。氣體通過多孔塞或節流閥膨脹的過程稱為絕熱節流膨脹。絕熱節流過程是不可逆過程。由于過程在絕熱系統中進行，外界做的功等于系統內能的改變，即U2-U1=P1V1-P2V2，式中U為氣體的內能，P為壓強，V是氣體的體積，于是得出U1+P1V1=U2+P2V2=恒量，U+PV=H是氣體的狀態函數稱為焓，式中表示節流前后氣體的焓（H）不變。

為了研究節流后氣體溫度隨壓強變化的情況，通常用焦耳-湯姆孫系數μ=（ΔT/Δp）H=（T/P）H來描述，因為節流前后焓（H）不變，以（T/p）H表示等焓過程中溫度隨壓強的變化率。氣體節流后壓強減小，Δp<0，所以，若節流后降溫△T<0，則μ>0，稱焦耳-湯姆孫正效應。若節流升溫△T>0，則μ<0，稱焦耳-湯姆孫負效應。若節流前后溫度不變，△T=0，稱為焦耳-湯姆孫零效應。

絕大部分氣體的焦耳-湯姆孫系數大于零，系數大于零表明當氣體發生降壓膨脹后，溫度也會隨之降低。在氣體輸送設備中都使用了減壓閥，目的是將鋼瓶出口處的壓力較高的氣體通過減壓閥調整到使用端所需要的氣體壓力。由于氣體輸送系統的氣體需求量高，所以氣體通過減壓閥后膨脹的速度十分快。根據焦耳-湯姆孫正效應的影響，導致減壓閥的溫度迅速降低會出現結露現象甚至結冰現象。特別是在高溫度高濕度的氣候條件下，減壓閥的結露結冰現象更為明顯。減壓閥結冰的現象會導致減壓閥內部零部件失效，嚴重時會導致減壓閥減壓失效。所以要采取有效方法抵消焦耳-湯姆孫正效應帶來的影響。因此氣體輸送設備主要通過對減壓閥前后的氣體管路做加熱保溫處理，對減壓閥加熱保溫處理來抵消焦耳-湯姆孫正效應帶來的影響。

3.2 應用實例

氯氣與二氧化碳氣體系統的輸送設備。通過對不同氣體焦耳-湯姆孫系數的計算，使用端的使用量與當地溫度濕度的極端值等參數，可以求得減壓閥的加熱功率和減壓閥前后端的加熱功率。計算求得CO2在流量180（升每分鐘），進減壓閥前壓力800psi，減壓至90psi的情況下，通過CO2的焦耳-湯姆孫系數求得CO2需要加熱實際功率為6000W.h可以抵消焦耳-湯姆孫正效應的影響。

4 低蒸氣壓氣體管路加熱保溫防止氣體積液的研究

4.1 低蒸氣壓氣體的飽和蒸氣壓原理分析

前面關于氣體鋼瓶加熱的論述中有介紹氣體的飽和蒸氣壓。我們可以通過一些自然現象了解到不同物質的飽和蒸氣壓。以我們生活中常見的水H2O為例，在相同的大氣壓下，環境中相同水量（湖泊，海洋，河流）環境溫度越高的時候，水蒸發的越快，晾衣服干的比較快一些，這一點是因為水在不同溫度下的飽和蒸氣壓是不同的，溫度高時水的飽和蒸氣壓越高，空氣中需要更多的水分才能達到飽和，當空氣中水分達到飽和時水蒸發為氣態水的速度等于氣態水液化的速度。在夏天的時候從冰箱里拿出一瓶結冰的水瓶放在室外，很快可以看到水瓶的表面會有大量的液態水，這個現象是因為冰水瓶表面的溫度很低，在溫度接近0攝氏度水的飽和蒸氣壓為0.61KPa，在溫度35攝氏度時水的飽和蒸氣壓為5.6KPa，所以冰水瓶附近的大量氣態水很快就液化為液態水了。

杜絕氣體管路積液現象出現的方法主要是通過管路做加熱保溫，溫度的控制是通過對應氣體的飽和蒸氣壓計算得來的。經驗做法是比對對應氣體飽和蒸氣壓的前提下溫度設定略比減壓閥前后管路加熱的溫度高，如果室外氣體管路過長的話還需要分段加熱，越靠經使用端溫度越高。通過氣體管路加熱的控制可以有效避免氣體液化，保證正常的生產。

4.2 低蒸氣壓氣體管路加熱保溫的應用實例

以氯氣CL2為例：

（1） 氣體鋼瓶加熱毯的加熱溫度為30攝氏度。

（2）30攝氏度的CL2飽和蒸氣壓為9bar，CL2鋼瓶實際出口壓力8bar左右。

（3）減壓閥前后管路加熱溫度為32攝氏度，減壓后管路CL2壓力實際為7bar左右。

（4）室外CL2管路長度約為500米。

通過以上條件可以將室外管路分兩段加熱，靠近鋼瓶側一段250米管路加熱溫度設定為35攝氏度，靠近使用端一段250米管路加熱溫度設定為38攝氏度。考慮到室外加熱帶熱量的流失問題，需要固定好加熱帶后再管路外包保溫棉，保溫棉外用鋁箔紙覆蓋。溫度感應器放置在加熱帶中段位置，防止加熱不均勻。根據經驗，每米加熱帶功率為90W.h為宜。通過這種加熱方式可以有效避免管路CL2氣體積液現象。

5結論

通過本文分別分析了低蒸氣壓氣體鋼瓶加熱的重要性是為了滿足氣體使用端流量壓力的使用需求;以及大部分氣體通過減壓閥會產生焦耳-湯姆孫正效應，所以需要通過加熱抵消氣體膨脹降溫帶來的減壓閥結露結冰影響;最后介紹了管路加熱保溫防止氣體溫度降低而產生的氣體液化問題。經過了鋼瓶的加熱，減壓閥的加熱，管路的加熱，低蒸氣壓氣體可以以穩定的流量穩定的壓力供應給使用端使用，從而解釋了完整的低蒸氣壓氣體輸送系統加熱的原理與方法。

參考文獻：

[1]北師大版初二物理：汽化和液化教學設計.

[2]高中學科輔導：物質的量和氣體摩爾體積.