CN112303476A - 一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法 - Google Patents

一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法。通过内罐体加热模块及夹层热氮气循环加热模块，持续循环加热，随后进行氮气置换，内筒体循环加热系统持续工作，随后利用两个或者多个粗抽真空机组，进行粗抽，真空度达到0.5Pa后，完成3次氮气置换且粗抽达到1Pa左右后进行精抽，将真空度抽至10‑2Pa级别后，停止内循环加热，同时封结真空度降温，随后检测真空度。本发明引入夹层热氮气循环加热模块，循环过程中能够直接对夹层空间加热，实现快速加热夹层空间的同时，通过循环带出容易带出的大部分水分以及固体小颗粒，从原理上提高抽真空速度，降低抽真空工序所需能耗，从而降低整个生产过程的成本，减少二氧化碳排放。

Description

一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法
技术领域
本发明涉及一种抽真空系统及方法，特别是一种针对冷冻液化气体罐式集装箱的抽真空系统及方法。
背景技术
冷冻液化气体是指运输过程中由于温度低而部分呈液态的气体，临界温度一般不高于-50℃。随着我国气体产业的不断壮大，以LNG、液氮、液氧为代表的冷冻液化气体消费市场快速增加，而冷冻液化气体罐式集装箱由于其安全、高效、灵活的特点，同时符合国家多式联运的发展规划，得到越来越广泛的应用。但目前国内冷冻液化气体罐式集装箱的产能并不高，截止到本专利申请前国内各冷冻液化气体罐式集装箱生产厂家没有一家能够实现年产2000台以上，除去市场因素，还有两个重要因素是其中的抽真空工序的成本投资过大、生产节拍过长，目前比较成熟的抽真空设备包括内循环加热，外置烘房加热等方式，以40英尺的冷冻液化气体罐箱为例，平均需要花费时间约为7-10天方能完成抽真空，济性差且生产节拍过长，不利于规模化生产。
专利号CN 103822085 A提供了一种抽真空系统，采用大功率内循环加热方式，不增加烘房，对于小型气瓶效果明显，但对于大型罐箱产品，效率并不高。以40英尺LNG罐箱为例，内罐体长度接近12米，内筒体容积超过45m3，而内循环加热所需的进气口和出气口都在内罐体的一端，另一端的温度上升非常缓慢(如图1所示)，经测试，在进气口一端内封头温度超过120℃时，另一端温度还低于70℃，要使整个内罐体表面温度达到100℃以上，采用功率47.5KW的内循环加热器，需要时间超过15个小时，单纯内循环加热非常缓慢而且耗电量非常大，在不借助烘房的情况下，仅内循环加热对于罐箱来说两端温度不均，不利于夹层另一端水分和其他气体的析出。
针对内循环加热缓慢、不均匀的问题，专利号CN 104949329 A提供了一种烘房，即建设烘房，将整个罐箱放入烘房内，通过燃烧天然气产生热气给外罐体加热，该方法对于小体积的气瓶效果非常明显，但是对于体积较大的罐式集装箱则依然有很大局限性。以常见的40英尺1AA型罐箱为例，一个烘房的造价约为50万元，同时需燃烧天然气提供热量，优点是的确能够加快整个抽真空过程，缺点是加热效率低，成本高，经济性极差的同时还增加了二氧化碳排放。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法。
本发明完整的技术方案包括：
一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，包括内罐体循环加热模块，夹层热氮气循环加热模块，粗抽真空机组，精抽真空机组；
所述集装箱包括内筒体(1)和外筒体(3)，内筒体和外筒体之间有绝热层(2)；所述的绝热层由铝箔和绝热纸间隔制成，在其厚度方向上设有透气孔；
内罐体循环加热模块包括热风循环机组((14))，该热风循环机组通过依次连接的截止阀A(12)，对接法兰A(10)，顶部进液管(8)连通内筒体(1)的顶部，热风循环机组(14)通过依次连接的截止阀B(13)、对接法兰B(11)、底部进液管(9)连通内筒体(1)的底部；
夹层热氮气循环加热模块包括液氮罐(15)，液氮罐(15)连接低温开关阀(16)，低温开关阀(16)通过对接法兰C(17)连接气化器(18)，气化器(18)连接减压阀(28)，并且在减压阀后方分成两路，第一路通过对接法兰D(19)连接吸附装置(20)，吸附装置(20)依次通过截止阀C(21)和对接法兰E(22)连接气体加热器(23)，气体加热器(23)依次通过截止阀D(24)、高真空法兰B(25)、真空截止阀B(26)连通外筒体的顶部；所述的气化器(18)将液氮气化成氮气，气化后氮气压力由减压阀(28)控制，所述的低温开关阀能够在-196℃下使用；所述的气体加热器(23)利用电阻丝加热，在加热氮气时能够确保氮气不被加热系统污染；
还包括循环泵(30)，循环泵(30)一侧依次通过高真空法兰A(5)和真空截止阀A(4)连通外筒体的底部，另一侧连接高温风管(27)，所述高温风管(27)通过截止阀E(29)连接到减压阀(28)和对接法兰D(19)之间，循环泵(30)上同时连接放空阀(31)；
外筒体3同时底部通过真空截止阀B(6)连接真空规管(7)，所述的真空规管(7)配合真空计使用，能够精确检测夹层真空度，精度要求至少能够检测到10-3Pa级别。
所述粗抽真空机组通过高真空法兰B(25)连通外筒体顶部，所述精抽真空机组通过高真空法兰A(5)连通外筒体下部。
优选的，所述的内筒体和外筒体通过氦检漏实验，确保漏率符合标准要求。
优选的，所述的液氮罐(15)可以是小型液氮储罐，也可以是场内大型液氮罐。
优选的，所述的循环抽气泵(30)可以是单独的旋片泵，也可以是粗抽系统中的旋片泵，
优选的，所述的高温风管(27)能够耐受350℃高温，且表面利用玻璃纤维材料保温。
优选的，所述的吸附装置(20)是一个可重复利用且拆卸装置，吸附剂为5A分子筛和氧化铝组成，能够吸附气化后氮气中的水分和夹层循环带出的水分，拆卸的吸附装置将分子筛高温活化后可重复使用，活化温度不低于400℃。
优选的，所述的真空截止阀A(4)、真空截止阀B(26)为闸阀，密封性能好。
利用所述的系统进行冷冻液化气体罐式集装箱抽真空的方法，包括如下步骤：
(1)各部件连接后，打开截止阀A(12)、截止阀B(13)，启动热风循环机组(14)，开始内循环，确保加热后的无油空气自顶部进液管(8)进入内筒体(1)，自底部进液管(9)返回热风循环机组(14)加热后再次进入内筒体(1)，形成内筒体热风循环；所述的热风循环机组(14)，利用电阻丝直接加热为热风源，出风口温度不低于300℃，出风量不低于500m3/h，风压不低于30KPa；
(2)随后在热氮气循环模块其他阀门都关闭的情况下，先打开真空截止阀A(4)，打开放空阀(31)，打开循环抽气泵(30)，进行预抽；将真空抽至100Pa即可；
(3)随后打开气体加热器(23)，打开液氮罐(15)开关，打开低温开关阀(16)，打开减压阀(28)，打开截止阀C(21)，打开截止阀D(24)，打开真空截止阀B(26)，加热后的氮气在循环抽气泵(30)的作用下进入夹层空间，同时关闭循环抽气泵(30)；
(4)当夹层压力达到0.8～0.9个大气压时，打开循环抽气泵(30)，关闭放空阀(31)，打开截止阀Ⅴ(29)，关闭减压阀(28)，关闭液氮罐(15)开关，关闭低温开关阀(16)，进入夹层加热循环；夹层空间的热氮气在循环抽气泵(30)的作用下，依次经过吸附装置(20)，气体加热器(23)，高温氮气将夹层绝热层(2)中的水分汽化，随着固体小颗粒一起被氮气带出，经过吸附装置(20)时被吸附；
当循环氮气出口位置温度为120℃，并持续2.5小时后，关闭循环抽气泵(30)，关闭真空截止阀A(4)，关闭真空截止阀B(26)，利用内筒体热风循环保持高温；
利用高真空法兰A(5)、高真空法兰B(25)将粗抽系统(32)、精抽系统(33)连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，直至抽至10Pa左右，利用负压抽入高温氮气，夹层压力达到环境压力时关闭真空截止阀A(4)和真空截止阀B(26)，夹层温度保持120℃左右静止3个小时。
重复此步骤3次，氮气置换结束。
(5)利用高真空法兰A(5)、高真空法兰B(25)将粗抽系统(32)、精抽系统(33)连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，抽至1Pa时关闭高真空截止阀B(26)，卸掉粗抽系统(32)；
(6)启动精抽系统(33)的高真空泵，抽至0.05Pa时，完成精抽；
(7)关闭高真空截止阀A(4)，卸掉精抽系统(33)。
(8)关闭热风循环机组(14)，卸掉内循环加热系统，检测真空度，完成抽真空操作。
本发明的有益效果是：引入夹层热氮气循环加热模块，循环过程中能够直接对夹层空间加热，实现快速加热夹层空间的同时，通过循环带出容易带出的大部分水分以及固体小颗粒，设计两个或者多个抽真空口，可以在实现夹层气体循环的同时，从原理上提高抽真空速度，降低抽真空工序所需能耗，从而降低整个生产过程的成本，减少二氧化碳排放。
附图说明
图1为现有40英尺LNG罐箱内循环时内部热流示意图。
图2为本发明抽真空前循环加热示意图。
图3为本发明抽真空示意图。
图中：1-内筒体；2-绝热层；3-外筒体；4-真空截止阀A；5-高真空法兰A；6-真空截止阀B；7-真空规管；8-顶部进液管；9-底部进液管；10-对接法兰A；11-对接法兰B；12-截止阀A；13-截止阀B；14-热风循环机组；15-液氮罐；16-低温开关阀；17-对接法兰C；18-气化器；19-对接法兰D；20-吸附装置；21-截止阀C；22-对接法兰E；23-气体加热器；24-截止阀D；25-高真空法兰B；26-真空截止阀B；27-高温风管；28-减压阀；29-截止阀E；30-循环抽气泵；31-放空阀；32-粗抽系统；33-精抽系统。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明的冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，包括内筒体1和外筒体3，内筒体和外筒体之间有绝热层2；所述的内筒体1和外筒体3通过氦检漏实验，确保漏率符合标准要求；所述的绝热层2由铝箔和绝热纸间隔制成，在其厚度方向上设有透气孔。
罐体加热模块包括热风循环机组14，该热风循环机组14通过依次连接的截止阀A12，对接法兰A10，顶部进液管8连通内筒体1的顶部，热风循环机组14通过依次连接的截止阀B13，对接法兰B11，底部进液管9连通内筒体1的底部。
夹层热氮气循环加热模块包括液氮罐15，液氮罐15连接低温开关阀16，低温开关阀16通过对接法兰C17连接气化器18，气化器18连接减压阀28，并且在减压阀后方分成两路，第一路通过对接法兰D19连接吸附装置20，吸附装置20依次通过截止阀C21和对接法兰E22连接气体加热器23，气体加热器23依次通过截止阀D24、高真空法兰B25、真空截止阀B26连通外筒体3的顶部。所述的气化器18是将液氮气化成氮气的装置，气化后由氮气压力由减压阀28控制，出口压力不大于0.08MPa。所述的液氮罐15可以是小型液氮储罐，也可以是场内大型液氮罐。所述的低温开关阀能够在-196℃下使用。所述的气体加热器23是利用电阻丝加热，在加热氮气时能够确保氮气不被加热系统污染，加热后的氮气温度不能低于150℃。
包括循环泵30，循环泵30一侧依次通过高真空法兰A5和真空截止阀A4连通外筒体3的底部，另一侧连接高温风管27，高温风管27通过截止阀E29连接到减压阀28和对接法兰D19之间。循环泵30上同时连接放空阀31，所述的高温风管27能够耐受350℃高温，且表面利用玻璃纤维材料保温。
外筒体3同时底部通过真空截止阀B6连接真空规管7，所述的真空规管7需配合真空计使用，能够精确检测夹层真空度，精度要求至少能够检测到10-3Pa级别。
还包括可以通过高真空法兰A5连通外筒体下部的精抽系统33，以及可以通过高真空法兰B25连通外筒体下部的粗抽系统32。
本发明的抽真空方法为：
按图2将各个部件连接后，打开截止阀A12、截止阀B13，启动热风循环机组14，开始内循环，确保加热后的无油空气自顶部进液管8进入内筒体1，自底部进液管9返回热风循环机组14加热后再次进入内筒体1，形成内筒体热风循环；如图2空心箭头所示，所述的热风循环机组14，利用电阻丝直接加热为热风源，出风口温度不低于300℃，出风量不低于500m3/h，风压不低于30KPa，设置有温度调节按钮，风量调节按钮，关停按钮等。
随后在热氮气循环模块其他阀门都关闭的情况下，先打开真空截止阀A4，打开放空阀31，打开循环抽气泵30，进行预抽。所述的循环抽气泵30可以是单独的旋片泵，也可以是粗抽系统中的旋片泵，能够将真空抽至100Pa即可满足使用。
随后打开气体加热器23，打开液氮罐15开关，打开低温开关阀16，打开减压阀28，打开截止阀C21，打开截止阀D24，打开真空截止阀B26，加热后的氮气在循环抽气泵30的作用下进入夹层空间，同时关闭循环抽气泵30。
当夹层压力达到一定压力值时，打开循环抽气泵30，关闭放空阀31，打开截止阀Ⅴ29，关闭减压阀28，关闭液氮罐15开关，关闭低温开关阀16，进入夹层加热循环，如图2中实心箭头所示；夹层空间的热氮气在循环抽气泵30的作用下，依次经过吸附装置20，气体加热器23，高温氮气将夹层绝热层2中的水分汽化，随着固体小颗粒一起被氮气带出，经过吸附装置20时被吸附，循环以往，可以高效降低夹层空间水分及固体小颗粒，所述的吸附装置20是一个可重复利用且拆卸装置，吸附剂为5A分子筛和氧化铝组成，能够吸附气化后氮气中的水分和夹层循环带出的水分，拆卸的吸附装置将分子筛高温活化后可重复使用，活化温度不低于400℃。当循环氮气出口位置温度和持续时间达到规定值后，关闭循环抽气泵30，关闭真空截止阀A4，关闭真空截止阀B26，利用内筒体热风循环保持高温。所述的真空截止阀A4、真空截止阀B26为闸阀，密封性能好。
在此过程中，对高温氮气对于水分和固体小颗粒的置换效果进行了研究，发现通过合理控制夹层的氮气压力、出口位置氮气温度以及置换时间进行调整验证并对其关系进行拟合后发现，采用如下的关系进行控制：
Figure BDA0002736647970000061
式中，t为置换时间，单位为小时；T为出口位置氮气温度，单位为℃；P为夹层中高温氮气的压力，P0为大气压；K为换算系数，范围为2.2～2.6。在实际置换过程中，根据上述关系，一般采用使氮气压力为0.8～0.9个大气压，使出口位置氮气温度为120℃，并持续2.5小时，即可达到良好的置换效果，使置换率达到98％以上，且比其他方式节能30％以上。
利用高真空法兰A5、高真空法兰B25将粗抽系统32、精抽系统33连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，直至抽至10Pa左右，利用负压抽入高温氮气，夹层压力达到环境压力时关闭真空截止阀A4和真空截止阀B26，夹层温度保持120℃左右静止3个小时。重复此步骤3次，氮气置换结束。
利用高真空法兰A5、高真空法兰B25将粗抽系统32、精抽系统33连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，抽至1Pa时关闭高真空截止阀B26，卸掉粗抽系统32，同时用盲板将高真空法兰B25盲死。所述的高真空法兰A5、高真空法兰B25需与金属铜垫片配合使用，高真空法兰B25完成粗抽后需采用盲板盲死时，需加金属铜垫片，防止泄露。
启动精抽系统33的高真空泵，抽至0.05Pa时，完成精抽。关闭高真空截止阀A4，卸掉精抽系统33。
关闭热风循环机组14，卸掉内循环加热系统，检测真空度，完成抽真空操作。
所述的粗抽系统32需将真空度抽至1Pa即可，可以是单级旋片泵、罗茨泵机组及相关连接管路组成或者是能够实现该真空度的其他系统，要求抽速不低于200L/S，极限真空度达到0.5Pa。
所述的精抽系统33需将真空度抽至0.01Pa。精抽系统包括粗抽系统32，在粗抽系统的基础上需增加维持泵，扩散泵或者分子泵及相关管路组成精抽系统33，可以仅用精抽系统33可以完成整个抽真空工作，仅用粗抽系统32无法完成整个抽真空工作，粗抽系统搭配精抽系统使用是为了更快的完成抽真空工作。
因粗抽系统32及精抽系统33及其操作方式，现有技术已有较成熟技术，更详细的介绍故不再赘述。
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，包括内罐体循环加热模块，夹层热氮气循环加热模块，粗抽真空机组，精抽真空机组；
所述集装箱包括内筒体(1)和外筒体(3)，内筒体和外筒体之间有绝热层(2)；所述的绝热层由铝箔和绝热纸间隔制成，在其厚度方向上设有透气孔；
内罐体循环加热模块包括热风循环机组((14))，该热风循环机组通过依次连接的截止阀A(12)，对接法兰A(10)，顶部进液管(8)连通内筒体(1)的顶部，热风循环机组(14)通过依次连接的截止阀B(13)、对接法兰B(11)、底部进液管(9)连通内筒体(1)的底部；
夹层热氮气循环加热模块包括液氮罐(15)，液氮罐(15)连接低温开关阀(16)，低温开关阀(16)通过对接法兰C(17)连接气化器(18)，气化器(18)连接减压阀(28)，并且在减压阀后方分成两路，第一路通过对接法兰D(19)连接吸附装置(20)，吸附装置(20)依次通过截止阀C(21)和对接法兰E(22)连接气体加热器(23)，气体加热器(23)依次通过截止阀D(24)、高真空法兰B(25)、真空截止阀B(26)连通外筒体的顶部；所述的气化器(18)将液氮气化成氮气，气化后氮气压力由减压阀(28)控制，优选的，所述的低温开关阀能够在-196℃下使用；所述的气体加热器(23)利用电阻丝加热，在加热氮气时能够确保氮气不被加热系统污染；
还包括循环泵(30)，循环泵(30)一侧依次通过高真空法兰A(5)和真空截止阀A(4)连通外筒体的底部，另一侧连接高温风管(27)，所述高温风管(27)通过截止阀E(29)连接到减压阀(28)和对接法兰D(19)之间，循环泵(30)上同时连接放空阀(31)；外筒体3同时底部通过真空截止阀B(6)连接真空规管(7)，所述的真空规管(7)配合真空计使用，能够精确检测夹层真空度，精度要求至少能够检测到10-3Pa级别。
所述粗抽真空机组通过高真空法兰B(25)连通外筒体顶部，所述精抽真空机组通过高真空法兰A(5)连通外筒体下部。
2.根据权利要求1所述的一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，所述的内筒体和外筒体通过氦检漏实验，确保漏率符合标准要求。
3.根据权利要求1所述的一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，所述的液氮罐(15)可以是小型液氮储罐，也可以是场内大型液氮罐。
4.根据权利要求1所述的一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，所述的循环抽气泵(30)可以是单独的旋片泵，也可以是粗抽系统中的旋片泵。
5.根据权利要求1所述的一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，所述的高温风管(27)能够耐受350℃高温，且表面利用玻璃纤维材料保温。
6.根据权利要求1所述的一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，所述的吸附装置(20)是一个可重复利用且拆卸装置，吸附剂为5A分子筛和氧化铝组成，能够吸附气化后氮气中的水分和夹层循环带出的水分，拆卸的吸附装置将分子筛高温活化后可重复使用，活化温度不低于400℃。
7.根据权利要求1所述的一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统，其特征在于，所述的真空截止阀A(4)、真空截止阀B(26)为闸阀，密封性能好。
8.利用权利要求1-7任一项所述的一种系统进行冷冻液化气体罐式集装箱抽真空的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)各部件连接后，打开截止阀A(12)、截止阀B(13)，启动热风循环机组(14)，开始内循环，确保加热后的无油空气自顶部进液管(8)进入内筒体(1)，自底部进液管(9)返回热风循环机组(14)加热后再次进入内筒体(1)，形成内筒体热风循环；所述的热风循环机组(14)，利用电阻丝直接加热为热风源，出风口温度不低于300℃，出风量不低于500m3/h，风压不低于30KPa；
(2)随后在热氮气循环模块其他阀门都关闭的情况下，先打开真空截止阀A(4)，打开放空阀(31)，打开循环抽气泵(30)，进行预抽；将真空抽至100Pa即可；
(3)随后打开气体加热器(23)，打开液氮罐(15)开关，打开低温开关阀(16)，打开减压阀(28)，打开截止阀C(21)，打开截止阀D(24)，打开真空截止阀B(26)，加热后的氮气在循环抽气泵(30)的作用下进入夹层空间，同时关闭循环抽气泵(30)；
(4)当夹层压力达到0.8～0.9个大气压时，打开循环抽气泵(30)，关闭放空阀(31)，打开截止阀Ⅴ(29)，关闭减压阀(28)，关闭液氮罐(15)开关，关闭低温开关阀(16)，进入夹层加热循环；夹层空间的热氮气在循环抽气泵(30)的作用下，依次经过吸附装置(20)，气体加热器(23)，高温氮气将夹层绝热层(2)中的水分汽化，随着固体小颗粒一起被氮气带出，经过吸附装置(20)时被吸附；
当循环氮气出口位置温度为120℃，并持续2.5小时后，关闭循环抽气泵(30)，关闭真空截止阀A(4)，关闭真空截止阀B(26)，利用内筒体热风循环保持高温；
利用高真空法兰A(5)、高真空法兰B(25)将粗抽系统(32)、精抽系统(33)连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，直至抽至10Pa左右，利用负压抽入高温氮气，夹层压力达到环境压力时关闭真空截止阀A(4)和真空截止阀B(26)，夹层温度保持120℃左右静止3个小时。
重复此步骤3次，氮气置换结束。
(5)利用高真空法兰A(5)、高真空法兰B(25)将粗抽系统(32)、精抽系统(33)连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，抽至1Pa时关闭高真空截止阀B(26)，卸掉粗抽系统(32)；
(6)启动精抽系统(33)的高真空泵，抽至0.05Pa时，完成精抽；
(7)关闭高真空截止阀A(4)，卸掉精抽系统(33)。
(8)关闭热风循环机组(14)，卸掉内循环加热系统，检测真空度，完成抽真空操作，待罐体冷却后检测夹层真空度，出厂前再次检测夹层真空度，若真空有丧失风险，需进行补抽。
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