金蘇柯(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院；江蘇 常州 213016)

淺析二氧化碳低溫儲槽的參數(shù)設(shè)計(jì)與選型

金蘇柯(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院；江蘇 常州 213016)

二氧化碳低溫儲槽是壓力容器中的常見設(shè)備。本文根據(jù)低溫設(shè)備本身的特殊性，結(jié)合筆者的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，分析并詳細(xì)探討了二氧化碳低溫儲槽的參數(shù)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型方面的依據(jù)與原則，希望能夠?yàn)橥惖膶?shí)踐提供借鑒。

二氧化碳低溫儲槽；參數(shù)設(shè)計(jì)；選型

二氧化碳低溫儲槽是二氧化碳存儲及汽化裝置中的主要設(shè)備。二氧化碳低溫儲槽結(jié)構(gòu)為內(nèi)外容器組成的雙層結(jié)構(gòu)，采用真空粉末絕熱型式，可分立式和臥式兩類，內(nèi)容器材料一般選16MnDR，外容器材料可根據(jù)用戶地區(qū)不同選Q235-B或16MnR，內(nèi)、外容器夾層充填絕熱材料珠光砂并抽真空。使用過程中，夾套真空度對容器安全運(yùn)行起重要作用。

1 二氧化碳的臨界狀態(tài)

在常溫常壓情況下，二氧化碳是無色無味的氣體，比空氣重1.5倍。二氧化碳的臨界溫度為31.16℃，臨界壓力為7.382MPa。在臨界溫度以上，無論施加多大的壓力，都無法是二氧化碳液化。此時，二氧化碳只能以一種超臨界的流體狀態(tài)存在。因此，要想實(shí)現(xiàn)二氧化碳的液化存儲，就必須運(yùn)用低溫液化的方法。

2 二氧化碳低溫儲槽工作壓力的設(shè)計(jì)理由

二氧化碳的儲槽一般是有保溫措施的，包括PU保溫或者雙層真空絕熱保溫。由于二氧化碳在儲槽內(nèi)溫度一般是-20度左右，對應(yīng)的飽和蒸汽壓力為18bar，即1.8MPa。而二氧化碳工業(yè)用氣（如混配氣、保護(hù)氣、氣保焊用氣等）的用氣壓力一般都小于1.8MPa，考慮到罐內(nèi)液體自然蒸發(fā)引起的增壓問題，所以絕大多數(shù)國內(nèi)的二氧化碳低溫儲槽的最高工作壓力一般取2.2MPa～2.35MPa，少量更保守的用戶選擇了2.5MPa。

3 二氧化碳低溫儲槽閥門的選用

由于二氧化低溫儲槽的內(nèi)容器材料一般采用16MnDR，而液態(tài)二氧化碳對16MnDR有腐蝕作用。當(dāng)介質(zhì)不是純液體狀態(tài)，含有固體顆粒狀的液態(tài)二氧化碳流過閥門時，固體顆粒狀就可能會附著在閥體上。此時，如果采用球閥，當(dāng)對球閥進(jìn)行操作時，閥芯中的空心球體在轉(zhuǎn)動過程中可以將固體顆粒狀刮離閥體。如果采用截止閥，則有可能不能完全密封，所以在二氧化碳低溫儲槽中較少使用截止閥。

因此二氧化碳低溫儲槽一般選用球閥，球閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。

(2)流體阻力小，其阻力系數(shù)與同長度的管段相等。

(3)緊密可靠，密封性好，目前球閥的密封面材料廣泛使用塑料。

(4)操作方便，開閉迅速，從全開到全關(guān)只要旋轉(zhuǎn)90°。

(5)維修方便，球閥結(jié)構(gòu)簡單，密封圈一般都是活動的，拆卸更換都比較方便。

(6)全開或全閉時，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，介質(zhì)通過時，不會引起閥門密封面的侵蝕。

(7)適用范圍廣，通徑從小到幾毫米，到大到幾米，高真空、高壓力均適用。

(8)價格便宜，同口徑球閥的價格一般是截止閥的一半甚至更少。

2 二氧化碳低溫儲槽汽化器的選用

二氧化碳低溫儲槽的汽化器一般選用電加熱型而不用空冷式型。這是因?yàn)橐簯B(tài)二氧化碳的溫度與液氧、液氮、液化天然氣等低溫介質(zhì)相比，和環(huán)境溫度的溫差不是太大，其最低設(shè)計(jì)溫度在-40℃左右，尤其在冬天溫差更小。汽化器實(shí)際上就是一個換熱器，根據(jù)換熱器的原理，單位換熱面積液態(tài)二氧化碳吸收的熱量與溫差成正比，如果采用空冷式汽化器，冬天時液體二氧化碳無法吸收足夠的熱量，所以根本來不及汽化。而電加熱汽化器的工作原理是通過電加熱絲加熱水（水溫一般通過電控箱自動控制在50℃以上），熱水再與管程的液態(tài)二氧化碳進(jìn)行換熱，所以即使在冬天也能保證足夠的溫差。

當(dāng)然，為了節(jié)省能源，現(xiàn)在也有用空冷式汽化器和電加熱汽化器串聯(lián)使用的情況，夏天可以只用空冷式汽化器，關(guān)閉電加熱汽化器的電源；冬天時再打開電加熱汽化器的電源。

3 二氧化碳低溫儲槽和汽化器大小的選用

3.1 二氧化碳低溫儲槽的選型

一般，二氧化碳低溫儲槽的有效容積是全容積的95%，即為最大儲液容積。一般情況下，儲槽的有效容積要能滿足客戶一周左右的使用量，具體的天數(shù)可以根據(jù)配送液體源的遠(yuǎn)近和配送是否及時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，例如配送液體源很近并且能夠及時配送，那么也可以把客戶3天左右的使用量作為儲槽的有效容積。另外，儲槽不允許用空，充液前應(yīng)該保證有10%左右的存液量。所以得到儲槽的有效容積為：

3.2 汽化器的選型

汽化器的大小就是指汽化器的氣化能力的大小，汽化器的氣化能力是指單位時間內(nèi)能夠氣化出多少標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體。單位為Nm3/h。汽化器的氣化能力應(yīng)根據(jù)客戶的最大峰值使用量來計(jì)算確定，不能根據(jù)客戶的平均使用量來確定。

理論上，汽化器的氣化能力只要達(dá)到客戶峰值用量就行。但是，因汽化器管程表面結(jié)霜、管道阻力等原因都會導(dǎo)致汽化器的實(shí)際汽化能力下降；同時還要考慮汽化器連續(xù)工作的時間，所以實(shí)際選用汽化器時需要在理論汽化能力基礎(chǔ)上乘一個安全系數(shù)，該安全系數(shù)一般取1.3～2.0。

例如：某客戶每天不間斷用氣，用氣量為每天3m3液態(tài)二氧化碳（即每天1923Nm3二氧化碳?xì)怏w），但是只有上午9:00-11:00客戶用氣量最大，達(dá)到每小時0.3m3液態(tài)二氧化碳，如果取安全系數(shù)為1.5，因1立方液態(tài)二氧化碳可以汽化出641Nm3氣體，那么汽化器能力應(yīng)該為：

L=0.3×641×1.5=288.45Nm3/h

取整后就應(yīng)選用300Nm3/h的電加熱二氧化碳汽化器。

4 結(jié)語

本文針對二氧化碳低溫儲槽的參數(shù)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型提供了一些指導(dǎo)性意見，希望能為同類的實(shí)踐提供一些借鑒。

[1]TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》.

[2]施昱.二氧化碳低溫儲槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道,2002,39(4):20-21.

[3]丁成揚(yáng).二氧化碳低溫儲運(yùn)技術(shù)與安全[J].科技傳播,2011(15):145+148.