淺析二氧化碳低溫儲槽的參數設計與選型

金蘇柯(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院；江蘇 常州 213016)

淺析二氧化碳低溫儲槽的參數設計與選型

金蘇柯(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院；江蘇 常州 213016)

二氧化碳低溫儲槽是壓力容器中的常見設備。本文根據低溫設備本身的特殊性，結合筆者的實踐工作經驗，分析并詳細探討了二氧化碳低溫儲槽的參數設計以及設備選型方面的依據與原則，希望能夠為同類的實踐提供借鑒。

二氧化碳低溫儲槽；參數設計；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備。二氧化碳低溫儲槽結構為內外容器組成的雙層結構，采用真空粉末絕熱型式，可分立式和臥式兩類，內容器材料一般選16MnDR，外容器材料可根據用戶地區不同選Q235-B或16MnR，內、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行起重要作用。

1 二氧化碳的臨界狀態

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存在。因此，要想實現二氧化碳的液化存儲，就必須運用低溫液化的方法。

2 二氧化碳低溫儲槽工作壓力的設計理由

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溫度一般是-20度左右，對應的飽和蒸汽壓力為18bar，即1.8MPa。而二氧化碳工業用氣（如混配氣、保護氣、氣保焊用氣等）的用氣壓力一般都小于1.8MPa，考慮到罐內液體自然蒸發引起的增壓問題，所以絕大多數國內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容器材料一般采用16MnDR，而液態二氧化碳對16MnDR有腐蝕作用。當介質不是純液體狀態，含有固體顆粒狀的液態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，當對球閥進行操作時，閥芯中的空心球體在轉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，球閥具有以下優點：

(1)結構簡單、體積小、重量輕。

(2)流體阻力小，其阻力系數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，從全開到全關只要旋轉90°。

(5)維修方便，球閥結構簡單，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隔離，介質通過時，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。這是因為液態二氧化碳的溫度與液氧、液氮、液化天然氣等低溫介質相比，和環境溫度的溫差不是太大，其最低設計溫度在-40℃左右，尤其在冬天溫差更小。汽化器實際上就是一個換熱器，根據換熱器的原理，單位換熱面積液態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二氧化碳進行換熱，所以即使在冬天也能保證足夠的溫差。

當然，為了節省能源，現在也有用空冷式汽化器和電加熱汽化器串聯使用的情況，夏天可以只用空冷式汽化器，關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，具體的天數可以根據配送液體源的遠近和配送是否及時進行適當調整，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能夠氣化出多少標準狀態下的氣體。單位為Nm3/h。汽化器的氣化能力應根據客戶的最大峰值使用量來計算確定，不能根據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到客戶峰值用量就行。但是，因汽化器管程表面結霜、管道阻力等原因都會導致汽化器的實際汽化能力下降；同時還要考慮汽化器連續工作的時間，所以實際選用汽化器時需要在理論汽化能力基礎上乘一個安全系數，該安全系數一般取1.3～2.0。

例如：某客戶每天不間斷用氣，用氣量為每天3m3液態二氧化碳（即每天1923Nm3二氧化碳氣體），但是只有上午9:00-11:00客戶用氣量最大，達到每小時0.3m3液態二氧化碳，如果取安全系數為1.5，因1立方液態二氧化碳可以汽化出641Nm3氣體，那么汽化器能力應該為：

L=0.3×641×1.5=288.45Nm3/h

取整后就應選用300Nm3/h的電加熱二氧化碳汽化器。

4 結語

本文針對二氧化碳低溫儲槽的參數設計以及設備選型提供了一些指導性意見，希望能為同類的實踐提供一些借鑒。

[1]TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》.

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

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