低溫裝置-10-11

1、2021-7-241 今日國學(xué) 己所不欲，勿施于人。 -論語 2021-7-242 第十一章 低溫液體的貯運(yùn) n貯存： n（1）集中生產(chǎn)，分散使用 n（2）短時生產(chǎn)，長期使用 n（3）長期生產(chǎn)，短時集中使用 n（4）運(yùn)輸交接，海陸交接 n運(yùn)輸： n（1）低溫容器常用方式，機(jī)動靈活，運(yùn)輸費用大， 氣化損失大 n（2）低溫管道；大流量，短距離 n無效運(yùn)輸質(zhì)量鋼瓶等貯存設(shè)備自重所占比重 2021-7-243 n隨著低溫液體的廣泛應(yīng)用，深入到各行各業(yè)， 同時，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫液體貯 槽容量越來越大 n液氧，液氮，液空成千上萬m3； n液氫2000m3 n液氦數(shù)十立方米 nLNG10萬m3甚

2、至更大 n管道輸送：管徑可達(dá)500mm；液氧液氫輸送長 度150500m，LNG可達(dá)數(shù)公里。 2021-7-244 11-1貯運(yùn)容器低溫容器 LHe、 LH2、 LN2、LO2、LAr、LAir、 LNG 可燃、可爆 H2對金屬有較強(qiáng) 的滲透性，正仲 轉(zhuǎn)化等特性 溫度低，跑冷損失大 70-100K 溫度較高， 可燃，有毒容器可通用 溫度越低，跑冷損失越大，保溫越困難，絕熱技術(shù)越高 2021-7-245 低溫容器的絕熱方式 真空粉末、真空纖維絕熱 真空夾層內(nèi)添加 粉末、纖維材料 LO2、LN2、LH2 真空多層絕熱 即多層真空 LH2、LHe 高真空絕熱容器 真空夾層 多用于小型 LO2、LN2

3、、LAr 液氮保護(hù)屏 即冷屏 真空粉末、真空多層 冷屏 LHe 普通絕熱 采用一般絕熱材料 LNG、LO2、LN2 一、低溫容器的種類 2021-7-246 n杜瓦：即杜瓦低溫容器，一般由同心裝置的球體或者 圓筒形內(nèi)膽以及外殼構(gòu)成，內(nèi)外2層形成密閉的夾層， 或者在其中添加絕熱材料，抽真空并保持 其內(nèi)真空度。分玻璃杜瓦和金屬杜瓦。 按照用途分 低溫容器 固定式 地下貯槽、杜瓦 移動類 用于運(yùn)輸 鐵路槽車、汽車槽車、航運(yùn) 按照工作壓力區(qū)分 低溫容器 常壓容器 敞開式 用于貯、運(yùn) 高壓容器 工作壓力15-30atm 用于傳輸、消費管網(wǎng) 2021-7-247 二、低溫容器的結(jié)構(gòu) （一）液氧、液氮杜瓦

4、特點：可互換，并可用于液氬，換用時容器內(nèi)需要清洗 1，小型容器杜瓦瓶（玻璃，金屬）結(jié)構(gòu)如圖16-1 特點：內(nèi)外膽，真空度0.001mmHg（0.133Pa）， 溫度越低，杜瓦的頸部越長 2，固定式貯槽 幾百升-幾千立方米，趨勢是越做越大，分立式和臥式 2種，多為圓柱形，也有球形。 （1）真空粉末絕熱100m3容量以下，表16-2 （2）普通絕熱材料大型貯槽，絕熱層厚度達(dá)1m 2021-7-248 2021-7-249 3，運(yùn)輸式貯槽 n陸用、船用之分 n船用考慮船體的晃動，蒸發(fā)等因素，跨海跨 洋，長距離運(yùn)輸 n公路槽車圓筒形，320m3，汽車或者專用 拖車，真空粉末絕熱 n鐵路槽車限于車廂長、

5、寬、高，一般50m3， 真空粉末絕熱 2021-7-2410 （二）液氫、液氦容器 n特點：低沸點，低的氣化潛熱，要求容器有優(yōu)異的絕 熱性能；冷蒸氣復(fù)溫到室溫的顯熱比較大 -分別約是氣化潛熱的9倍、76倍。 n1，液氮冷屏容器 特點：夾層液氮冷屏，絕熱效果良好 有效降低輻射換熱量 氣化率低，預(yù)冷貯槽時間短 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較笨重，另外，需要LN2源 n2，氣體屏，傳導(dǎo)屏容器 特點：正是利用其顯熱大的特點，一種方式為氣化的蒸 氣通過蛇形管冷卻保護(hù)屏（圖16-4）；另一種是傳導(dǎo) 屏多屏絕熱（圖16-5）。 n3，固定式，運(yùn)輸式貯槽 特點：與液氮、液氧貯槽類似，多用“多層真空絕熱”， 或真空粉末，大型LH

6、e貯槽也有用液氮屏或氣體屏的。 2021-7-2411 2021-7-2412 2021-7-2413 （三）其他低溫容器 n1，液氟容器 （圖16-6） 性質(zhì)活潑，易化合、燃燒、腐蝕，有毒 n2，LNG貯槽 沸點高，儲量大普通絕熱方式的大型貯槽 車載儲罐，加氣站的固定式貯槽，LNG船 地下貯槽：地下貯槽：造價低，占地面積??； 罐體地上部分高度不會太高； 保證安全有泄漏時，凍結(jié)土壤，不致繼 續(xù)擴(kuò)散 p191，圖16-7 2021-7-2414 2021-7-2415 2021-7-2416 三、低溫容器的設(shè)計要點 （一）形狀、尺寸形狀多用球狀、圓筒狀 特點：多用于100m3以下的貯槽 兩端采用

7、蝶形封頭 多用于公路、鐵路槽車 有立式、臥式2類，固定多立， 運(yùn)輸多臥。 特點：多用于杜瓦瓶和大型固定 式貯槽 容器壁厚較薄 同樣容積，表面積最小， 節(jié)省材料，降低冷損。 尺寸：尺寸：一般預(yù)留5-10%氣體體積，以保證安全即實際容積大于有效貯存容積； 高壓容器的長度/直徑較大細(xì)長形 2021-7-2417 （二）絕熱結(jié)構(gòu) n原則：絕熱性能、成本、堅固性、體積重量、 加工方便等方面 低沸點液體容器 高效的絕熱材料和型式 復(fù)雜形狀的容器 不宜采用真空多層 短期或間歇使用的容器 容器熱容量盡量小 運(yùn)輸型、移動型容器 主要考慮輕便材料和型式 以降低無效運(yùn)輸質(zhì)量 大型容器 主要考慮低成本絕熱 絕熱層厚度

8、隨絕熱結(jié)構(gòu)、型式、容量大小而變： 普通絕熱0.1-1m；真空粉末0.02-0.5m；真空多層0.01-0.1m 氣化率氣化量氣化率氣化量/貯存總量，所以在移動式貯槽的外形尺寸一定時，貯存總量，所以在移動式貯槽的外形尺寸一定時， 存在最佳絕熱層厚度值，此時氣化率最小。存在最佳絕熱層厚度值，此時氣化率最小。當(dāng)加大絕熱厚度，增強(qiáng)絕 熱效果時，也降低了有效容積。 2021-7-2418 （三）材料、結(jié)構(gòu) n外膽工作在常溫，用一般碳鋼即可 n內(nèi)膽需要考慮低溫下其機(jī)械性能，如強(qiáng)度、韌 性、脆性等 1，一般容器銅、鋁合金、奧氏體不銹鋼 2，LNG銅、鋁合金、奧氏體不銹鋼、9%的鎳鋼 3，液氟多用不銹鋼、蒙乃

9、合金 4，內(nèi)外連接拉桿、支撐結(jié)構(gòu)形成熱橋，不宜用銅、 鋁，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料（鈦合金、不銹鋼），加 絕熱墊片，并可延長其長度，以增大接觸導(dǎo)熱熱阻。 圖16-8 2021-7-2419 2021-7-2420 （四）管道布置 n容器上的管道包括：進(jìn)液、排液、放氣、排污、卸壓、 儀表接口（壓力，液位、安全閥等） n特點：內(nèi)外膽溫差大采取絕熱層內(nèi)管道U形，環(huán)形， 螺旋形，或者加伸縮節(jié)，使管道具有較大的伸縮能力。 n“穿透”現(xiàn)象容器內(nèi)液體自行流入管道并氣化，壓力 升高后，自行又壓回內(nèi)膽，無疑增加了冷損失。故要力 求避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。 nP193,圖16-9 2021-7-2421 2021-7-

10、2422 （五）氣體的回收 n傳熱冷損蒸發(fā)氣化排出容器（否則容器 壓力會升高）回收 n回收方式1，直接利用壓縮機(jī)壓入氣瓶作為 用戶用氣 2，溢出氣體小型液化器液化后返回 容器，圖16-10 n船用LNG，可將氣化氣體引入內(nèi)燃機(jī)、鍋爐中 加以利用 2021-7-2423 2021-7-2424 11-2 低溫液體的管道輸送 一、低溫液體管道的輸送方法 n短距離輸送貯槽至槽車，槽車至貯槽，槽車之間， 槽車/貯槽至實驗容器 特點：短距離、間歇供應(yīng)（傳輸） n長距離輸送天然氣采集-液化-管道-用戶，液氧液氮 管道-用戶 特點：長距離，連續(xù)供應(yīng)，需采取絕熱措施和冷卻措 施 n容器之間輸送方法有三：p20

11、0，圖16-18 依靠重力 圖c 液體泵 圖d 加壓 圖a、b 2021-7-2425 2021-7-2426 n加壓輸送多用于市區(qū)內(nèi)、廠內(nèi)，短距離 n液體泵長距離輸送，加壓站（泵站） n氣塞現(xiàn)象：管道輸送時，部分液體出現(xiàn)氣化后， 管道內(nèi)出現(xiàn)兩相流導(dǎo)致流量減小，阻力增大。 在實踐中，要盡量避免發(fā)生氣塞現(xiàn)象，即實現(xiàn) 液態(tài)單相流動。 n防止氣塞現(xiàn)象發(fā)生的具體方法：高壓輸送。即 保持管道內(nèi)液體的壓力始終在其臨界壓力之上， 液體溫度在臨界溫度之下。故長距離輸送低溫 液體，加壓站和冷卻站是必不可少的。 2021-7-2427 二、低溫液體的輸送管道 （一）種類 普通管 非絕熱管 特點：結(jié)構(gòu)簡單 熱容量小

12、，成本低 冷損大 普通絕熱管 絕熱效果一般 熱容量大 適用于液氧、液氮 LNG的輸送 不適合液氫、液氦 真空絕熱管 （高真空、真空粉末、真空多層） 適于液氧、液氮長時間 長距離持續(xù)輸送 高真空 絕熱性能稍差 熱容量小 液氫液氦 短時間輸送 真空粉末 絕熱性能較好 熱容量大 真空多層 絕熱性能最好 熱容量較小 適用于液氫液氦 長時間輸送 2021-7-2428 真空絕熱管道的結(jié)構(gòu)特點 n組成：同心裝配的內(nèi)、外管（多層真空需多層 管束），管間支撐件，以及管間絕熱材料（粉 末結(jié)構(gòu)） n支撐構(gòu)件p202，圖16-19（既要強(qiáng)度好，又 要接觸少） n真空度：13.3mPa以下， 1，靜態(tài)真空 2，動態(tài)真

13、空 3，低溫泵方法 n連接：法蘭，需絕熱處理圖16-20 2021-7-2429 2021-7-2430 2021-7-2431 （二） 輸送管道設(shè)計中的幾個問題 1，管道材料和焊接 材料的冷脆問題多選用紫銅管和不銹鋼管 氣密性足夠良好 2，漲縮問題紫銅管沖氮、充氫后會縮短0.3-0.38% 解決方法：伸縮彎管 伸縮接頭 3，氣塞問題傳熱氣化后，兩相流 解決方法：提高工作壓力/減少冷損/放氣閥 4，閥門主要問題是有效減少冷損 后果：氣化量大，導(dǎo)致閥桿凍住 解決方法：閥桿加長 閥桿分為兩段（圖16-22） 2021-7-2432 2021-7-2433 三、低溫液體輸送泵 （一）往復(fù)式柱塞泵活塞

14、泵 特點：壓力高，小流量， 可作為充瓶泵（15MPa氣化器充瓶） 操作安全、壓力高，流量可調(diào)節(jié) 注意冷損問題（絕熱結(jié)構(gòu)+加長泵體） （二）離心泵 特點：低揚(yáng)程，大流量 適用于大型空分的液體輸送系統(tǒng) 壓力要求高時，可用多級離心泵 2021-7-2434 11-3 低溫液體貯運(yùn)過程中的安全問題 與低溫液體性質(zhì)有關(guān)安全問題 壓力升高，燃燒、爆炸，毒性等 自動釋壓 毒性 燃燒、爆炸 安全閥 1.1倍的工作壓力 安全膜 破壞性 1.2倍工作壓力 本身具有 燃燒/爆炸性 如氫/NG 有助燃作用 如氧/氟 毒性或 使人窒息 通風(fēng)設(shè)備 吹除貯罐 措施：充液前將可燃物吹除干凈 容器附近不放可燃物 可燃液態(tài)產(chǎn)品氣

15、化量大且無法回收時，設(shè)法燃燒之 防止可燃物和助燃物相互凝結(jié) 檢修容器時，要排放/吹除干凈 2021-7-2435 與結(jié)構(gòu)材料有關(guān)的安全問題 金屬材料的強(qiáng)度、冷脆、縮漲 容器 管道 軸向縮脹 （伸縮管） 內(nèi)外膽 應(yīng)允許相對移動 夾層中的連接/支撐 部件也應(yīng)適應(yīng)縮脹 內(nèi)外管的相對位移 總的來說，在預(yù)冷、加熱過程中，應(yīng)該保持冷卻和加熱的均勻性， 否則會出現(xiàn)局部熱應(yīng)力不平衡，發(fā)生變形，甚至斷裂 2021-7-2436 第十二章 低溫裝置的絕熱技術(shù) 12-1 目的、方法 絕熱就是為了有效減少容器內(nèi)外的傳熱量，減少冷損。 1，可以提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性 2，減小氣化損失，可實現(xiàn)長時間、長距離的貯存、 輸送 n有效

16、導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值越小，絕熱性能越好（圖17-2） 多層阻光 粉末、纖維 粉末、纖維單層 真空 非真空 10-210-110-3 10-410-5100 2021-7-2437 從絕熱方式可分為 普通絕熱 在容器、管道外部敷設(shè) 固體多孔絕熱材料 真空絕熱 真空多孔絕熱 高真空 真空多層 特點：性能較差 結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉 特點：結(jié)構(gòu)簡單， 重量輕，熱容量小， 使用廣泛 特點：更加有效減 少輻射換熱量，廣 泛使用于貯存、運(yùn) 輸設(shè)備和管道 特點：絕熱性能最 優(yōu)，多用于液氫、 液氦容器。成本高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 2021-7-2438 2021-7-2439 12-2 常用的絕熱材料 絕熱材料的種類 按照材質(zhì)分

17、 按照組織結(jié)構(gòu)分 泡沫材料 礦物質(zhì) 耐用 有機(jī)材料 易受潮、易燃 耐久性差 纖維材料 具體見p211，表17-1 粉末材料 2021-7-2440 n1，泡沫材料以聚合物、合成樹脂做原料，加入發(fā)泡 劑、穩(wěn)定劑，經(jīng)加熱發(fā)泡而成。常用的如聚氯乙烯發(fā) 泡、聚氨酯發(fā)泡等 特點：可現(xiàn)場發(fā)泡，無縫隙；密度小，導(dǎo)熱系數(shù)小， 吸水性小，抗酸堿腐蝕，燃燒性差，易于切割、施工。 n2，礦棉礦物棉，礦渣棉。熔鐵爐渣在熔融狀態(tài)用高 壓水蒸氣吹成礦質(zhì)纖維。 n3，珠光砂膨脹珍珠巖。密度、導(dǎo)熱系數(shù)小，不燃， 不霉變，無毒無味，流動性好，具有隔音和防輻射性 能。但吸水性強(qiáng)。 n4，碳酸鎂絕熱性能良好，價格低廉?？諝庵幸捉Y(jié)塊

18、， 不易再生。 n5，氣凝膠、硅膠粉從硅酸凝膠中去除水份得到。絕 熱性能最佳，見水后會形成硅酸凝膠。硅膠粉是由二 氧化硅構(gòu)成的粉末 2021-7-2441 二、絕熱材料的熱物理性質(zhì) （一）導(dǎo)熱系數(shù)絕熱材料的基本特性，影響因 素有： 1，溫度隨溫度升高而增大 2，壓力隨壓力下降而降低 3，密度一般地，密度小，導(dǎo)熱系數(shù)小 4，含濕量隨含濕量的增加而急速增大 5，環(huán)境氣體影響環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越大， 絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)也越大 2021-7-2442 （二）比熱絕熱材料的比熱隨溫度降低而減小 是衡量其熱容量的物理量 （三）線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)越小，絕熱材料 在降溫、升溫過程中縮脹導(dǎo)致的變形破裂可能 性就

19、小。一般地，多數(shù)材料的線膨脹系數(shù)隨溫 度的降低而顯著下降 2021-7-2443 三、絕熱材料的選擇 n要求： 1.導(dǎo)熱系數(shù)小，密度小，輕便 2.吸水性小，不易受潮 3.抗低溫性能好 4.不易燃燒，耐火性能好 5.無味，不易霉變，無毒無害，避免蟲蛀鼠咬 6.強(qiáng)度高，耐用 7.便于加工、施工方便 8.價格低廉，便于獲得和運(yùn)輸 2021-7-2444 n大型裝置主要考慮價格和原料方便 n小型裝置輕便耐用 n低溫設(shè)備、小管徑管道導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材 料 n短期使用、間歇使用的設(shè)備熱容量要小 n運(yùn)輸式、移動式密度與導(dǎo)熱系數(shù)的乘積小 2021-7-2445 12-3 普通絕熱 一、絕熱結(jié)構(gòu) 基本要求： 1.堅固、強(qiáng)度要求，不易脫落，損壞 2.足夠的厚度，以保證絕熱性能 3.應(yīng)為一整體，以防空氣滲入和熱橋的形成 4.防潮以防止絕熱性能降低 防潮非常重要和必要的，否則水氣進(jìn)入絕熱材料， 凝結(jié)成水或凍結(jié)成冰，直接