低温装置 10 11资料课件.ppt

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1、2023/1/24,1,今日国学,己所不欲，勿施于人。-论语,2023/1/24,2,第十一章 低温液体的贮运,贮存：（1）集中生产，分散使用（2）短时生产，长期使用（3）长期生产，短时集中使用（4）运输交接，海陆交接运输：（1）低温容器常用方式，机动灵活，运输费用大，气化损失大（2）低温管道；大流量，短距离 无效运输质量钢瓶等贮存设备自重所占比重,2023/1/24,3,随着低温液体的广泛应用，深入到各行各业，同时，随着制造技术的不断发展，低温液体贮槽容量越来越大液氧，液氮，液空成千上万m3；液氢2000m3液氦数十立方米LNG10万m3甚至更大管道输送：管径可达500mm；液氧液氢输送长度

2、150500m，LNG可达数公里。,2023/1/24,4,11-1贮运容器低温容器,LHe、LH2、LN2、LO2、LAr、LAir、LNG,可燃、可爆H2对金属有较强的渗透性，正仲转化等特性,温度低，跑冷损失大,70-100K,温度较高，可燃，有毒,容器可通用,温度越低，跑冷损失越大，保温越困难，绝热技术越高,2023/1/24,5,低温容器的绝热方式,真空粉末、真空纤维绝热真空夹层内添加粉末、纤维材料LO2、LN2、LH2,真空多层绝热即多层真空LH2、LHe,高真空绝热容器真空夹层多用于小型LO2、LN2、LAr,液氮保护屏即冷屏真空粉末、真空多层冷屏LHe,普通绝热采用一般绝热材料L

3、NG、LO2、LN2,一、低温容器的种类,2023/1/24,6,杜瓦：即杜瓦低温容器，一般由同心装置的球体或者圆筒形内胆以及外壳构成，内外2层形成密闭的夹层，或者在其中添加绝热材料，抽真空并保持 其内真空度。分玻璃杜瓦和金属杜瓦。,按照用途分低温容器,固定式地下贮槽、杜瓦,移动类用于运输铁路槽车、汽车槽车、航运,按照工作压力区分低温容器,常压容器敞开式用于贮、运,高压容器工作压力15-30atm用于传输、消费管网,2023/1/24,7,二、低温容器的结构,（一）液氧、液氮杜瓦特点：可互换，并可用于液氩，换用时容器内需要清洗1，小型容器杜瓦瓶（玻璃，金属）结构如图16-1 特点：内外胆，真空

4、度0.001mmHg（0.133Pa），温度越低，杜瓦的颈部越长2，固定式贮槽 几百升-几千立方米，趋势是越做越大，分立式和卧式2种，多为圆柱形，也有球形。（1）真空粉末绝热100m3容量以下，表16-2（2）普通绝热材料大型贮槽，绝热层厚度达1m,2023/1/24,8,2023/1/24,9,3，运输式贮槽,陆用、船用之分船用考虑船体的晃动，蒸发等因素，跨海跨洋，长距离运输公路槽车圆筒形，320m3，汽车或者专用拖车，真空粉末绝热铁路槽车限于车厢长、宽、高，一般50m3，真空粉末绝热,2023/1/24,10,（二）液氢、液氦容器,特点：低沸点，低的气化潜热，要求容器有优异的绝热性能；冷蒸

5、气复温到室温的显热比较大-分别约是气化潜热的9倍、76倍。1，液氮冷屏容器特点：夹层液氮冷屏，绝热效果良好 有效降低辐射换热量 气化率低，预冷贮槽时间短 结构复杂，较笨重，另外，需要LN2源2，气体屏，传导屏容器特点：正是利用其显热大的特点，一种方式为气化的蒸气通过蛇形管冷却保护屏（图16-4）；另一种是传导屏多屏绝热（图16-5）。3，固定式，运输式贮槽特点：与液氮、液氧贮槽类似，多用“多层真空绝热”，或真空粉末，大型LHe贮槽也有用液氮屏或气体屏的。,2023/1/24,11,2023/1/24,12,2023/1/24,13,（三）其他低温容器,1，液氟容器（图16-6）性质活泼，易化合

6、、燃烧、腐蚀，有毒2，LNG贮槽 沸点高，储量大普通绝热方式的大型贮槽 车载储罐，加气站的固定式贮槽，LNG船 地下贮槽：造价低，占地面积小；罐体地上部分高度不会太高；保证安全有泄漏时，冻结土壤，不致继续扩散 p191，图16-7,2023/1/24,14,2023/1/24,15,2023/1/24,16,三、低温容器的设计要点,（一）形状、尺寸形状多用球状、圆筒状,特点：多用于100m3以下的贮槽 两端采用蝶形封头 多用于公路、铁路槽车 有立式、卧式2类，固定多立，运输多卧。,特点：多用于杜瓦瓶和大型固定 式贮槽 容器壁厚较薄 同样容积，表面积最小，节省材料，降低冷损。,尺寸：一般预留5-

7、10%气体体积，以保证安全即实际容积大于有效贮存容积；高压容器的长度/直径较大细长形,2023/1/24,17,（二）绝热结构,原则：绝热性能、成本、坚固性、体积重量、加工方便等方面,低沸点液体容器高效的绝热材料和型式,复杂形状的容器不宜采用真空多层,短期或间歇使用的容器容器热容量尽量小,运输型、移动型容器主要考虑轻便材料和型式以降低无效运输质量,大型容器主要考虑低成本绝热,绝热层厚度随绝热结构、型式、容量大小而变：普通绝热0.1-1m；真空粉末0.02-0.5m；真空多层0.01-0.1m 气化率气化量/贮存总量，所以在移动式贮槽的外形尺寸一定时，存在最佳绝热层厚度值，此时气化率最小。当加大

8、绝热厚度，增强绝热效果时，也降低了有效容积。,2023/1/24,18,（三）材料、结构,外胆工作在常温，用一般碳钢即可内胆需要考虑低温下其机械性能，如强度、韧性、脆性等 1，一般容器铜、铝合金、奥氏体不锈钢 2，LNG铜、铝合金、奥氏体不锈钢、9%的镍钢 3，液氟多用不锈钢、蒙乃合金 4，内外连接拉杆、支撑结构形成热桥，不宜用铜、铝，应选用导热系数小的材料（钛合金、不锈钢），加绝热垫片，并可延长其长度，以增大接触导热热阻。图16-8,2023/1/24,19,2023/1/24,20,（四）管道布置,容器上的管道包括：进液、排液、放气、排污、卸压、仪表接口（压力，液位、安全阀等）特点：内外胆

9、温差大采取绝热层内管道U形，环形，螺旋形，或者加伸缩节，使管道具有较大的伸缩能力。“穿透”现象容器内液体自行流入管道并气化，压力升高后，自行又压回内胆，无疑增加了冷损失。故要力求避免此类现象的发生。P193,图16-9,2023/1/24,21,2023/1/24,22,（五）气体的回收,传热冷损蒸发气化排出容器（否则容器压力会升高）回收回收方式1，直接利用压缩机压入气瓶作为用户用气 2，溢出气体小型液化器液化后返回容器，图16-10船用LNG，可将气化气体引入内燃机、锅炉中加以利用,2023/1/24,23,2023/1/24,24,11-2 低温液体的管道输送,一、低温液体管道的输送方法短

10、距离输送贮槽至槽车，槽车至贮槽，槽车之间，槽车/贮槽至实验容器 特点：短距离、间歇供应（传输）长距离输送天然气采集-液化-管道-用户，液氧液氮管道-用户 特点：长距离，连续供应，需采取绝热措施和冷却措施容器之间输送方法有三：p200，图16-18,依靠重力图c,液体泵图d,加压图a、b,2023/1/24,25,2023/1/24,26,加压输送多用于市区内、厂内，短距离液体泵长距离输送，加压站（泵站）气塞现象：管道输送时，部分液体出现气化后，管道内出现两相流导致流量减小，阻力增大。在实践中，要尽量避免发生气塞现象，即实现液态单相流动。防止气塞现象发生的具体方法：高压输送。即保持管道内液体的压

11、力始终在其临界压力之上，液体温度在临界温度之下。故长距离输送低温液体，加压站和冷却站是必不可少的。,2023/1/24,27,二、低温液体的输送管道,（一）种类,普通管非绝热管特点：结构简单热容量小，成本低冷损大,普通绝热管绝热效果一般热容量大适用于液氧、液氮LNG的输送不适合液氢、液氦,真空绝热管（高真空、真空粉末、真空多层）适于液氧、液氮长时间长距离持续输送,高真空绝热性能稍差热容量小液氢液氦短时间输送,真空粉末绝热性能较好热容量大,真空多层绝热性能最好热容量较小适用于液氢液氦长时间输送,2023/1/24,28,真空绝热管道的结构特点,组成：同心装配的内、外管（多层真空需多层管束），管间

12、支撑件，以及管间绝热材料（粉末结构）支撑构件p202，图16-19（既要强度好，又要接触少）真空度：13.3mPa以下，1，静态真空 2，动态真空 3，低温泵方法连接：法兰，需绝热处理图16-20,2023/1/24,29,2023/1/24,30,2023/1/24,31,（二）输送管道设计中的几个问题,1，管道材料和焊接 材料的冷脆问题多选用紫铜管和不锈钢管 气密性足够良好2，涨缩问题紫铜管冲氮、充氢后会缩短0.3-0.38%解决方法：伸缩弯管 伸缩接头3，气塞问题传热气化后，两相流 解决方法：提高工作压力/减少冷损/放气阀4，阀门主要问题是有效减少冷损 后果：气化量大，导致阀杆冻住 解决

13、方法：阀杆加长 阀杆分为两段（图16-22）,2023/1/24,32,2023/1/24,33,三、低温液体输送泵,（一）往复式柱塞泵活塞泵特点：压力高，小流量，可作为充瓶泵（15MPa气化器充瓶）操作安全、压力高，流量可调节注意冷损问题（绝热结构+加长泵体）（二）离心泵特点：低扬程，大流量 适用于大型空分的液体输送系统 压力要求高时，可用多级离心泵,2023/1/24,34,11-3 低温液体贮运过程中的安全问题,与低温液体性质有关安全问题压力升高，燃烧、爆炸，毒性等,自动释压,毒性,燃烧、爆炸,安全阀1.1倍的工作压力,安全膜破坏性1.2倍工作压力,本身具有燃烧/爆炸性如氢/NG,有助燃

14、作用如氧/氟,毒性或使人窒息,通风设备吹除贮罐,措施：充液前将可燃物吹除干净 容器附近不放可燃物 可燃液态产品气化量大且无法回收时，设法燃烧之 防止可燃物和助燃物相互凝结 检修容器时，要排放/吹除干净,2023/1/24,35,与结构材料有关的安全问题金属材料的强度、冷脆、缩涨,容器,管道,轴向缩胀（伸缩管）,内外胆应允许相对移动,夹层中的连接/支撑部件也应适应缩胀,内外管的相对位移,总的来说，在预冷、加热过程中，应该保持冷却和加热的均匀性，否则会出现局部热应力不平衡，发生变形，甚至断裂,2023/1/24,36,第十二章 低温装置的绝热技术,12-1 目的、方法绝热就是为了有效减少容器内外的

15、传热量，减少冷损。1，可以提高运行经济性 2，减小气化损失，可实现长时间、长距离的贮存、输送有效导热系数数值越小，绝热性能越好（图17-2）,多层,阻光粉末、纤维,粉末、纤维,单层,真空,非真空,10-2,10-1,10-3,10-4,10-5,100,2023/1/24,37,从绝热方式可分为,普通绝热在容器、管道外部敷设固体多孔绝热材料,真空绝热,真空多孔绝热,高真空,真空多层,特点：性能较差 结构简单，成本低廉,特点：结构简单，重量轻，热容量小，使用广泛,特点：更加有效减少辐射换热量，广泛使用于贮存、运输设备和管道,特点：绝热性能最优，多用于液氢、液氦容器。成本高，结构复杂,2023/1

16、/24,38,2023/1/24,39,12-2 常用的绝热材料,绝热材料的种类,按照材质分,按照组织结构分,泡沫材料,矿物质耐用,有机材料易受潮、易燃耐久性差,纤维材料,具体见p211，表17-1,粉末材料,2023/1/24,40,1，泡沫材料以聚合物、合成树脂做原料，加入发泡剂、稳定剂，经加热发泡而成。常用的如聚氯乙烯发泡、聚氨酯发泡等 特点：可现场发泡，无缝隙；密度小，导热系数小，吸水性小，抗酸碱腐蚀，燃烧性差，易于切割、施工。2，矿棉矿物棉，矿渣棉。熔铁炉渣在熔融状态用高压水蒸气吹成矿质纤维。3，珠光砂膨胀珍珠岩。密度、导热系数小，不燃，不霉变，无毒无味，流动性好，具有隔音和防辐射性

17、能。但吸水性强。4，碳酸镁绝热性能良好，价格低廉。空气中易结块，不易再生。5，气凝胶、硅胶粉从硅酸凝胶中去除水份得到。绝热性能最佳，见水后会形成硅酸凝胶。硅胶粉是由二氧化硅构成的粉末,2023/1/24,41,二、绝热材料的热物理性质,（一）导热系数绝热材料的基本特性，影响因素有：1，温度随温度升高而增大2，压力随压力下降而降低3，密度一般地，密度小，导热系数小4，含湿量随含湿量的增加而急速增大5，环境气体影响环境气体的导热系数越大，绝热材料导热系数也越大,2023/1/24,42,（二）比热绝热材料的比热随温度降低而减小 是衡量其热容量的物理量（三）线膨胀系数线膨胀系数越小，绝热材料在降温、

18、升温过程中缩胀导致的变形破裂可能性就小。一般地，多数材料的线膨胀系数随温度的降低而显著下降,2023/1/24,43,三、绝热材料的选择,要求：导热系数小，密度小，轻便吸水性小，不易受潮抗低温性能好不易燃烧，耐火性能好无味，不易霉变，无毒无害，避免虫蛀鼠咬强度高，耐用便于加工、施工方便价格低廉，便于获得和运输,2023/1/24,44,大型装置主要考虑价格和原料方便小型装置轻便耐用低温设备、小管径管道导热系数小的绝热材料短期使用、间歇使用的设备热容量要小运输式、移动式密度与导热系数的乘积小,2023/1/24,45,12-3 普通绝热,一、绝热结构基本要求：坚固、强度要求，不易脱落，损坏足够的

19、厚度，以保证绝热性能应为一整体，以防空气渗入和热桥的形成防潮以防止绝热性能降低,防潮非常重要和必要的，否则水气进入绝热材料，凝结成水或冻结成冰，直接导致导热系数增大，冷损增大。,2023/1/24,46,防潮方式多采用敷设防潮层，也可用密封法，充气法绝热结构形式随被绝热对象特性、绝热材料种类而不同：大直径管道、容器泡沫塑料，外加防潮层和保护层。较小直径管道、容器预制绝热板，外部加防潮层和保护层。冷箱空分设备或其他设备低温下工作的塔、换热器等全部包在里面。,冷箱薄钢板焊制外壳，填充珠光砂，矿棉等绝热材料。密封性能良好，以防潮。,2023/1/24,47,绝热层性能、厚度的计算与确定原则,绝热层厚

20、度的计算原则：限定绝热结构的传热系数或者冷量损失计算结束后，需要校核外表面温度不低于当地环境的露点温度。限定绝热结构的外表面温度即外表面温度不低于当地环境的露点温度，以防结露。绝热层材料、厚度已知，可以计算传热系数、冷量损失等,2023/1/24,48,12-4 高真空绝热,适用于液氧/液氮贮存和短距离管道运输结构:玻璃或铜制夹层，壁间距离1cm，壁面镀银；并在夹层中保持1.33mPa以上的真空度，其中放入吸附剂。传热方式：壁间辐射换热+稀薄气体的导热换热,2023/1/24,49,12-5 真空粉末和真空多层绝热,问题：高真空绝热的换热量的90%来自于辐射主要矛盾故单纯提高其真空度是不可取的。真空+粉末/真空+多层辐射屏都是为了有效阻止辐射换热粉末材料不同效果不同真空度要求-图17-7,2023/1/24,50,Thank you!,