浅析二氧化碳低温储槽的参数设计与选型

金苏柯(江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院；江苏 常州 213016)

浅析二氧化碳低温储槽的参数设计与选型

金苏柯(江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院；江苏 常州 213016)

二氧化碳低温储槽是压力容器中的常见设备。本文根据低温设备本身的特殊性，结合笔者的实践工作经验，分析并详细探讨了二氧化碳低温储槽的参数设计以及设备选型方面的依据与原则，希望能够为同类的实践提供借鉴。

二氧化碳低温储槽；参数设计；选型

二氧化碳低温储槽是二氧化碳存储及汽化装置中的主要设备。二氧化碳低温储槽结构为内外容器组成的双层结构，采用真空粉末绝热型式，可分立式和卧式两类，内容器材料一般选16MnDR，外容器材料可根据用户地区不同选Q235-B或16MnR，内、外容器夹层充填绝热材料珠光砂并抽真空。使用过程中，夹套真空度对容器安全运行起重要作用。

1 二氧化碳的临界状态

在常温常压情况下，二氧化碳是无色无味的气体，比空气重1.5倍。二氧化碳的临界温度为31.16℃，临界压力为7.382MPa。在临界温度以上，无论施加多大的压力，都无法是二氧化碳液化。此时，二氧化碳只能以一种超临界的流体状态存在。因此，要想实现二氧化碳的液化存储，就必须运用低温液化的方法。

2 二氧化碳低温储槽工作压力的设计理由

二氧化碳的储槽一般是有保温措施的，包括PU保温或者双层真空绝热保温。由于二氧化碳在储槽内温度一般是-20度左右，对应的饱和蒸汽压力为18bar，即1.8MPa。而二氧化碳工业用气（如混配气、保护气、气保焊用气等）的用气压力一般都小于1.8MPa，考虑到罐内液体自然蒸发引起的增压问题，所以绝大多数国内的二氧化碳低温储槽的最高工作压力一般取2.2MPa～2.35MPa，少量更保守的用户选择了2.5MPa。

3 二氧化碳低温储槽阀门的选用

由于二氧化低温储槽的内容器材料一般采用16MnDR，而液态二氧化碳对16MnDR有腐蚀作用。当介质不是纯液体状态，含有固体颗粒状的液态二氧化碳流过阀门时，固体颗粒状就可能会附着在阀体上。此时，如果采用球阀，当对球阀进行操作时，阀芯中的空心球体在转动过程中可以将固体颗粒状刮离阀体。如果采用截止阀，则有可能不能完全密封，所以在二氧化碳低温储槽中较少使用截止阀。

因此二氧化碳低温储槽一般选用球阀，球阀具有以下优点：

(1)结构简单、体积小、重量轻。

(2)流体阻力小，其阻力系数与同长度的管段相等。

(3)紧密可靠，密封性好，目前球阀的密封面材料广泛使用塑料。

(4)操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90°。

(5)维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。

(6)全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。

(7)适用范围广，通径从小到几毫米，到大到几米，高真空、高压力均适用。

(8)价格便宜，同口径球阀的价格一般是截止阀的一半甚至更少。

2 二氧化碳低温储槽汽化器的选用

二氧化碳低温储槽的汽化器一般选用电加热型而不用空冷式型。这是因为液态二氧化碳的温度与液氧、液氮、液化天然气等低温介质相比，和环境温度的温差不是太大，其最低设计温度在-40℃左右，尤其在冬天温差更小。汽化器实际上就是一个换热器，根据换热器的原理，单位换热面积液态二氧化碳吸收的热量与温差成正比，如果采用空冷式汽化器，冬天时液体二氧化碳无法吸收足够的热量，所以根本来不及汽化。而电加热汽化器的工作原理是通过电加热丝加热水（水温一般通过电控箱自动控制在50℃以上），热水再与管程的液态二氧化碳进行换热，所以即使在冬天也能保证足够的温差。

当然，为了节省能源，现在也有用空冷式汽化器和电加热汽化器串联使用的情况，夏天可以只用空冷式汽化器，关闭电加热汽化器的电源；冬天时再打开电加热汽化器的电源。

3 二氧化碳低温储槽和汽化器大小的选用

3.1 二氧化碳低温储槽的选型

一般，二氧化碳低温储槽的有效容积是全容积的95%，即为最大储液容积。一般情况下，储槽的有效容积要能满足客户一周左右的使用量，具体的天数可以根据配送液体源的远近和配送是否及时进行适当调整，例如配送液体源很近并且能够及时配送，那么也可以把客户3天左右的使用量作为储槽的有效容积。另外，储槽不允许用空，充液前应该保证有10%左右的存液量。所以得到储槽的有效容积为：

3.2 汽化器的选型

汽化器的大小就是指汽化器的气化能力的大小，汽化器的气化能力是指单位时间内能够气化出多少标准状态下的气体。单位为Nm3/h。汽化器的气化能力应根据客户的最大峰值使用量来计算确定，不能根据客户的平均使用量来确定。

理论上，汽化器的气化能力只要达到客户峰值用量就行。但是，因汽化器管程表面结霜、管道阻力等原因都会导致汽化器的实际汽化能力下降；同时还要考虑汽化器连续工作的时间，所以实际选用汽化器时需要在理论汽化能力基础上乘一个安全系数，该安全系数一般取1.3～2.0。

例如：某客户每天不间断用气，用气量为每天3m3液态二氧化碳（即每天1923Nm3二氧化碳气体），但是只有上午9:00-11:00客户用气量最大，达到每小时0.3m3液态二氧化碳，如果取安全系数为1.5，因1立方液态二氧化碳可以汽化出641Nm3气体，那么汽化器能力应该为：

L=0.3×641×1.5=288.45Nm3/h

取整后就应选用300Nm3/h的电加热二氧化碳汽化器。

4 结语

本文针对二氧化碳低温储槽的参数设计以及设备选型提供了一些指导性意见，希望能为同类的实践提供一些借鉴。

[1]TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》.

[2]施昱.二氧化碳低温储槽的优化设计[J].化工设备与管道,2002,39(4):20-21.

[3]丁成扬.二氧化碳低温储运技术与安全[J].科技传播,2011(15):145+148.