低溫裝置-10-11資料課件

1、2022/7/151今日國學己所不欲，勿施于人。-論語2022/7/152第十一章 低溫液體的貯運 貯存：（1）集中生產(chǎn)，分散使用（2）短時生產(chǎn)，長期使用（3）長期生產(chǎn)，短時集中使用（4）運輸交接，海陸交接運輸：（1）低溫容器常用方式，機動靈活，運輸費用大，氣化損失大（2）低溫管道；大流量，短距離 無效運輸質量鋼瓶等貯存設備自重所占比重2022/7/153隨著低溫液體的廣泛應用，深入到各行各業(yè)，同時，隨著制造技術的不斷發(fā)展，低溫液體貯槽容量越來越大液氧，液氮，液空成千上萬m3；液氫2000m3液氦數(shù)十立方米LNG10萬m3甚至更大管道輸送：管徑可達500mm；液氧液氫輸送長度150500m，L

2、NG可達數(shù)公里。2022/7/15411-1貯運容器低溫容器LHe、 LH2、 LN2、LO2、LAr、LAir、 LNG可燃、可爆H2對金屬有較強的滲透性，正仲轉化等特性溫度低，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，絕熱技術越高2022/7/155低溫容器的絕熱方式真空粉末、真空纖維絕熱真空夾層內添加粉末、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、LAr液氮保護屏即冷屏真空粉末、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2022/

3、7/156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膽以及外殼構成，內外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、杜瓦移動類用于運輸鐵路槽車、汽車槽車、航運按照工作壓力區(qū)分低溫容器常壓容器敞開式用于貯、運高壓容器工作壓力15-30atm用于傳輸、消費管網(wǎng)2022/7/157二、低溫容器的結構（一）液氧、液氮杜瓦特點：可互換，并可用于液氬，換用時容器內需要清洗1，小型容器杜瓦瓶（玻璃，金屬）結構如圖16-1 特點：內外膽，真空度0.001mmHg（0.133Pa）， 溫度越低，杜瓦的頸部越長2，固定式

4、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1m2022/7/1582022/7/1593，運輸式貯槽陸用、船用之分船用考慮船體的晃動，蒸發(fā)等因素，跨?？缪?，長距離運輸公路槽車圓筒形，320m3，汽車或者專用拖車，真空粉末絕熱鐵路槽車限于車廂長、寬、高，一般50m3，真空粉末絕熱2022/7/1510（二）液氫、液氦容器特點：低沸點，低的氣化潛熱，要求容器有優(yōu)異的絕熱性能；冷蒸氣復溫到室溫的顯熱比較大 -分別約是氣化潛熱的9倍、76倍。1，液氮冷屏容器特點：夾層液氮

5、冷屏，絕熱效果良好 有效降低輻射換熱量 氣化率低，預冷貯槽時間短 結構復雜，較笨重，另外，需要LN2源2，氣體屏，傳導屏容器特點：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屏（圖16-4）；另一種是傳導屏多屏絕熱（圖16-5）。3，固定式，運輸式貯槽特點：與液氮、液氧貯槽類似，多用“多層真空絕熱”，或真空粉末，大型LHe貯槽也有用液氮屏或氣體屏的。2022/7/15112022/7/15122022/7/1513（三）其他低溫容器1，液氟容器 （圖16-6） 性質活潑，易化合、燃燒、腐蝕，有毒2，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

6、，LNG船 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，凍結土壤，不致繼續(xù)擴散 p191，圖16-72022/7/15142022/7/15152022/7/1516三、低溫容器的設計要點（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：一般預留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/直徑較大細長形2022/7/1517（二）絕熱

7、結構原則：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輸型、移動型容器主要考慮輕便材料和型式以降低無效運輸質量大型容器主要考慮低成本絕熱 絕熱層厚度隨絕熱結構、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/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。當加大絕熱厚度，增強絕熱效果時，也降低了有效容積。2022/7/1518（三）材料、結構外膽工作在常溫，用一般碳鋼即可內膽需要考慮低溫下其機

8、械性能，如強度、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、蒙乃合金 4，內外連接拉桿、支撐結構形成熱橋，不宜用銅、鋁，應選用導熱系數(shù)小的材料（鈦合金、不銹鋼），加絕熱墊片，并可延長其長度，以增大接觸導熱熱阻。 圖16-82022/7/15192022/7/1520（四）管道布置容器上的管道包括：進液、排液、放氣、排污、卸壓、儀表接口（壓力，液位、安全閥等）特點：內外膽溫差大采取絕熱層內管道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。“穿透”現(xiàn)象容器內液體自行流入管道并氣化，壓力升高后，自行又壓回內膽，

9、無疑增加了冷損失。故要力求避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。P193,圖16-92022/7/15212022/7/1522（五）氣體的回收傳熱冷損蒸發(fā)氣化排出容器（否則容器壓力會升高）回收回收方式1，直接利用壓縮機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船用LNG，可將氣化氣體引入內燃機、鍋爐中加以利用2022/7/15232022/7/152411-2 低溫液體的管道輸送一、低溫液體管道的輸送方法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（傳輸）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

10、，需采取絕熱措施和冷卻措施容器之間輸送方法有三：p200，圖16-18依靠重力圖c液體泵圖d加壓圖a、b2022/7/15252022/7/1526加壓輸送多用于市區(qū)內、廠內，短距離液體泵長距離輸送，加壓站（泵站）氣塞現(xiàn)象：管道輸送時，部分液體出現(xiàn)氣化后，管道內出現(xiàn)兩相流導致流量減小，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。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。2022/7/1527二、低溫液體的輸送管道（一）種類普通管非絕熱管特點：結構簡單熱容量小，成

11、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2022/7/1528真空絕熱管道的結構特點組成：同心裝配的內、外管（多層真空需多層管束），管間支撐件，以及管間絕熱材料（粉末結構）支撐構件p202，圖16-19（既要強度好，又要接觸少）真空度：13.3mPa以下， 1，靜態(tài)真空 2，動態(tài)真空 3，低溫泵方法連接：法蘭，需絕熱處理圖16-202022/7/1529

12、2022/7/15302022/7/1531（二） 輸送管道設計中的幾個問題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，導致閥桿凍住 解決方法：閥桿加長 閥桿分為兩段（圖16-22）2022/7/15322022/7/1533三、低溫液體輸送泵（一）往復式柱塞泵活塞泵特點：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，流量可調節(jié)注意冷損問

13、題（絕熱結構+加長泵體）（二）離心泵特點：低揚程，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2022/7/153411-3 低溫液體貯運過程中的安全問題與低溫液體性質有關安全問題壓力升高，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設備吹除貯罐措施：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)品氣化量大且無法回收時，設法燃燒之 防止可燃物和助燃物相互凝結 檢修容器時，要排放/吹除干凈2022/7/1535與結構材料有關的安全問題金屬材料的強度、冷脆

14、、縮漲容器管道軸向縮脹（伸縮管）內外膽應允許相對移動夾層中的連接/支撐部件也應適應縮脹內外管的相對位移總的來說，在預冷、加熱過程中，應該保持冷卻和加熱的均勻性，否則會出現(xiàn)局部熱應力不平衡，發(fā)生變形，甚至斷裂2022/7/1536第十二章 低溫裝置的絕熱技術12-1 目的、方法絕熱就是為了有效減少容器內外的傳熱量，減少冷損。1，可以提高運行經(jīng)濟性 2，減小氣化損失，可實現(xiàn)長時間、長距離的貯存、輸送有效導熱系數(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10-210-110-310-410-51002022/7/1537從絕熱方式可分為普通絕熱在容器、管道外部敷設

15、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 結構簡單，成本低廉特點：結構簡單，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、運輸設備和管道特點：絕熱性能最優(yōu)，多用于液氫、液氦容器。成本高，結構復雜2022/7/15382022/7/153912-2 常用的絕熱材料絕熱材料的種類按照材質分按照組織結構分泡沫材料礦物質耐用有機材料易受潮、易燃耐久性差纖維材料具體見p211，表17-1粉末材料2022/7/15401，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

16、小，導熱系數(shù)小，吸水性小，抗酸堿腐蝕，燃燒性差，易于切割、施工。2，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纖維。3，珠光砂膨脹珍珠巖。密度、導熱系數(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。4，碳酸鎂絕熱性能良好，價格低廉?？諝庵幸捉Y塊，不易再生。5，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成的粉末2022/7/1541二、絕熱材料的熱物理性質（一）導熱系數(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，導熱系數(shù)小4，含濕量隨含濕量的

17、增加而急速增大5，環(huán)境氣體影響環(huán)境氣體的導熱系數(shù)越大，絕熱材料導熱系數(shù)也越大2022/7/1542（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、升溫過程中縮脹導致的變形破裂可能性就小。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2022/7/1543三、絕熱材料的選擇要求：導熱系數(shù)小，密度小，輕便吸水性小，不易受潮抗低溫性能好不易燃燒，耐火性能好無味，不易霉變，無毒無害，避免蟲蛀鼠咬強度高，耐用便于加工、施工方便價格低廉，便于獲得和運輸2022/7/1544大型裝置主要考慮價格和原料方便小型裝置輕便耐用低溫設備、小管徑管道

18、導熱系數(shù)小的絕熱材料短期使用、間歇使用的設備熱容量要小運輸式、移動式密度與導熱系數(shù)的乘積小2022/7/154512-3 普通絕熱一、絕熱結構基本要求：堅固、強度要求，不易脫落，損壞足夠的厚度，以保證絕熱性能應為一整體，以防空氣滲入和熱橋的形成防潮以防止絕熱性能降低防潮非常重要和必要的，否則水氣進入絕熱材料，凝結成水或凍結成冰，直接導致導熱系數(shù)增大，冷損增大。2022/7/1546防潮方式多采用敷設防潮層，也可用密封法，充氣法絕熱結構形式隨被絕熱對象特性、絕熱材料種類而不同：大直徑管道、容器泡沫塑料，外加防潮層和保護層。較小直徑管道、容器預制絕熱板，外部加防潮層和保護層。冷箱空分設備或其他設備低溫下工作的塔、換熱器等全部包在里面。冷箱薄鋼板焊制外殼，填充珠光砂，礦棉等絕熱材料。密封性能良好，以防潮。2022/7/1547絕熱層性能、厚度的計算與確定原則絕熱層厚度的計算原則：限定絕熱結構的傳熱系數(shù)或者冷量損失計算結束后，需要校核外表面溫度不低于當?shù)丨h(huán)境的露點溫度。限定絕熱結構的外表面溫度即外表面溫