高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器真空壽命與絕熱性能分析

宋斌杰，蔣平安，紀鵬飛(南通中集罐式儲運設備制造有限公司，江蘇 南通 226003)

高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器真空壽命與絕熱性能分析

宋斌杰，蔣平安，紀鵬飛
(南通中集罐式儲運設備制造有限公司，江蘇 南通 226003)

首先介紹了影響真空絕熱低溫容器真空壽命的影響因素和常用的吸氣劑，然后針對高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器，進行了真空壽命和絕熱性能的分析研究。

高真空多層絕熱；二氧化碳；真空壽命；絕熱性能

二氧化碳介質低溫容器一般采用聚氨酯發泡或真空粉末絕熱，但在一些特殊的場合中，如用于海運的低溫罐箱，為了保障良好的絕熱性能，也會采取高真空多層絕熱型式。液氧、液氮、液氬、液化天然氣等介質的運輸溫度均低于-150℃，而二氧化碳介質的運輸溫度在-35～-15℃，運輸溫度的差異必將導致低溫容器真空壽命和絕熱性能的不同。為了填補國內空白，本文重點研究了高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器真空壽命與絕熱性能。

1 真空壽命的概念與主要影響因素

對于高真空多層絕熱低溫容器，所有容器在出廠前均已將真空抽至標準值。在使用過程中，當夾層絕壓力升至某一限度值時，其絕熱性能開始顯著變差，此時需重新對夾層抽真空，直到真空度重新達到標準值。兩次抽真空所間隔的時間就是高真空多層絕熱容器的真空壽命。

真空壽命取決于以下幾點：內外筒體的漏氣速率、材料表面放氣、夾層的吸附劑或吸氣劑、低溫液體的溫度、抽真空工藝等。

大多數金屬材料中都含有在冶煉過程中溶入的H2，當金屬表面處于真空狀態下時，H2氣及其吸附氣會慢慢釋放出來。多層絕熱材料在真空下也會不斷放出氣體，主要成分為氫氣。另外支撐用環氧玻璃鋼也是主要的放氣源，主要放出的是高分子氣體。國內外大量實驗表明，金屬材料及多層絕熱材料在100℃以上熱環境中真空放氣一段時間后，其放氣組分中H2占70%以上。故H2是造成低溫容器夾層真空度下降的主要原因。

2 常用吸氣劑

常用的吸氣劑有分子篩、活性炭、氧化鈀、具有自吸氣能力的絕熱材料等。

分子篩是目前應用最多的吸氣劑，其品種較多。分子篩硅鋁酸鹽多微孔晶體，主要分3A、4A、5A、10X、13X、Y等型。其特性為：1.只吸附那些小于分子篩孔徑的分子；2.對于小的極性分子和不飽和分子，具有選擇吸附性能；3.具有強烈的吸水性；4.對于H2、He等沸點低的分子和惰性氣體分子不易吸收。極性分子及大分子的氣體可用13X型(通道約10A)分子篩吸附；極性小分子可選用5A型分子篩吸附。分子篩在溫度越低的環境中吸附性能越好，在液氧溫度下能有效吸附N2，O2，Ar等。隨著溫度的升高，其吸附性能下降。故在低溫容器的夾層中，一般均緊貼低溫液體液相區域的位置安放。

活性炭與分子篩不同，孔徑范圍廣，沒有篩選功能，對各種氣體(包括H2，He等)均有一定的吸附能力。活性炭對氫的吸附有重要的意義，故在使用過程中，活性炭能獲得較高的真空度，但吸附量沒有分子篩多。其特點為：在液氧等強氧化劑設備以及易造成富氧集聚的深冷設備中絕對不能使用，否則會有爆炸危險。

一氧化鈀(PdO)是一種優質的吸氫劑，其吸氫作用是化學反應，生成物是水和鈀，生成的水由5A分子篩吸附。一氧化鈀與氫的反應隨著溫度及壓力的升高而加快，故通常安排在低溫夾層中的常溫側(即外筒體上)。液氫容器不能使用一氧化鈀作為吸附劑，否則會有爆炸危險。

多層絕熱被中間采用的隔熱材料可選用添炭玻璃纖維空心過濾紙(簡稱添炭絕熱紙)，它可以吸附多層絕熱空間的氣體，提高夾層的真空度，改善多層絕熱體的絕熱性能。

3 高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器夾層真空壽命計算

按照21m3高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器的相關參數進行舉例計算。該容器絕熱被采用30復合層雙面鍍鋁滌綸薄膜+脫脂的玻璃纖維布。

3.1 夾層材料的放氣速率計算

表1 夾層空間漏氣速率計算表

注：不銹鋼和碳鋼鋼材表面的表面狀態及預處理工藝對其放氣速率影響很大。

3.2 吸附容量

不同溫度下分子篩(5A或13X)的吸附容量[2]見表2。

表2 不同溫度下分子篩的吸附量

二氧化碳介質的特征溫度取-20℃，插值得該溫度下的吸附容量為3.1×10e-3 Pa·m3/g，該值僅為87 K溫度下的30%。

常溫下PdO對H2的吸附容量為0.5 Pa·m3/g。

3.3 吸附劑使用量計算

忽略內外罐體漏氣的影響，并假設材料放氣中70%為H2，其余30%為5A+13X混合物可吸收的氣體。故為了在5 a內保持真空度不變，計算如下：

夾層空間V0=4.7 m3

5 a內總放氣量：P=3.2×10e-6×60×60×24×365× 5/4.7=505 Pa·m3

5A+13X混合物需吸收的氣體量：P1=505×0.3= 151.5 Pa·m3

分子篩吸氣容量：α1=3.1 Pa·m3/kg

所需分子篩質量：m1=151.5/3.1=48.9 kg。

吸氫劑所需吸收的氣體量：P2=505×0.7=353.5 Pa·m3

如使用PdO作為吸氫劑，吸氣容量α2=0.5 Pa·m3/g

則PdO使用量為m2=353.5/0.5=707 g。

4 高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器絕熱性能計算

對于21 m3高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器，設定使用狀況如下：

初始狀態1.6 MPa下的飽和二氧化碳液體(-25℃)，充裝率95%。運輸周期45 d，終態壓力不超2.2 MPa的飽和液體(-15℃)。環境溫度取323 K，介質溫度取253 K。

故要求此罐箱的最大漏熱量為：Q=118.5 W

Q=Δh×m/t=(165.64-144.46)×1000×

21750/ (3600×24×45) =118.5 W

式中，Δh為介質在初態和終態之間的焓差，單位kJ/kg；m為介質重量，單位kg；t為初態和終態之間的時間,單位s。

玻璃鋼等支撐的漏熱量Q1=30 W；

式中，F1為玻璃鋼總橫截面積：F1=0.1326m2；L1為玻璃鋼長度：L1=0.113 m；λ1為玻璃鋼導熱系數：λ1= 0.365 W/(m·K)；ΔT為溫差：ΔT=323-253=70 K；

當夾層壓力不超過0.1 Pa時，殘余氣體導熱Q2=20 W；

式中，F2為儲罐外表面積，F2=48 m2；L2為夾層空間距離，L2=0.084 m；λ2為殘余氣體導熱率查《低溫絕熱與貯運技術》上數據，λ2= 5×10-4W/(m·K)；ΔT為溫差，ΔT=323-253=70 K。

多層絕熱材料的輻射換熱使用《低溫絕熱與貯運技術》中推薦的公式：

式中，n為多層絕熱材料層數；σ為斯忒藩—玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為材料的發射率；鋁箔紙的發射率ε，取0.05；T環境為環境溫度，單位K；T介質為介質溫度，單位K；ΔT為溫差，ΔT=323-253=70 K。

表3 在不同的絕熱層數情況下漏熱與放氣速率比較

當絕熱被30層，輻射漏熱為15 W；絕熱層15層，輻射換熱30 W；根據上述情況，在保證夾層真空度的前提下，可將目前的30復合層絕熱被減少至15層，依然能夠滿足運輸需求。此時，總漏熱量為80 W，小于要求值；同時絕熱材料的放氣將減少一半，夾層總放氣量可減少約19%，此時吸附劑也可減少19%。

5 結 論

1. 在二氧化碳介質溫度下，分子篩吸附劑的吸附能力為液氮溫度下的30%。為了獲得同等的吸附效果，需求的分子篩吸附劑量大大增加。

2. 高真空多層絕熱二氧化碳低溫容器，采用15復合層絕熱被能獲得較好的綜合性能。

[1] 汪榮順. 6m3高真空多層絕熱液氧容器真空性能 [J]. 低溫工程, 1999(4):142-146.

[2] 李中勝，高香院. GH-0椰殼活性碳與5A分子篩混合吸附劑在低溫低壓下的吸附性能 [J]. 低溫工程, 1996(4):33-37.

[3] 徐烈. 低溫絕熱與貯運技術 [M].北京：機械工業出版社，1999.

Vacuum Life and Insulation Property Analysis of Multi-Layer Insulation Carbon Dioxide Cryogenic Vessel

SONG Binjie, JIANG Ping’an, JI Pengfei

(Nantong CIMC Tank Equipment Co., Ltd., Nantong 226003, China)

Firstly, the factors that affect the vacuum life of multi-layer insulation cryogenic vessel and the common adsorbents are introduced. Then the vacuum life and insulation property analysis of multi-layer insulation carbon dioxide cryogenic vessel is done.

multi-layer insulation; carbon dioxide; vacuum life; insulation property

2016-09-26

TB75

A

1007-7804(2016)06-0016-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.005

宋斌杰(1983)，男，碩士研究生，主要從事深冷液體儲存設備的設計與研發工作。