Rapporti di Espansione Liquido-Gas Criogenico: Volumi, Densità e Dimensionamento
Rapporti di espansione liquido-gas per azoto, ossigeno, argon e LNG, con il calcolo per dimensionare lo stoccaggio in base alla domanda di gas.
11 min di lettura
Il rapporto di espansione liquido-gas è il volume di gas prodotto da un volume di liquido criogenico. Alle condizioni standard, l'azoto liquido si espande di circa 1 a 696, l'ossigeno liquido di circa 1 a 861, l'argon liquido di circa 1 a 847 e l'LNG di circa 1 a 600. Guidano il dimensionamento dello stoccaggio, dei vaporizzatori e la sicurezza negli spazi chiusi.
L'aritmetica dietro questi numeri è semplice, e ogni acquirente di apparecchiature criogeniche sfuse dovrebbe saperla applicare. Una volta nota la domanda di gas in metri cubi all'ora, il rapporto di espansione la converte direttamente in litri di liquido all'ora, e da lì in una capacità di serbatoio realistica e in una frequenza di consegna.
Cos'è un rapporto di espansione liquido-gas criogenico?
Un rapporto di espansione liquido-gas criogenico, chiamato anche rapporto di espansione, è il volume di gas prodotto da un volume di liquido quando quel liquido viene riscaldato fino a una temperatura e pressione di riferimento. Si scrive come 1 a un numero, dove il numero rappresenta il volume di gas.
Il rapporto viene usato in tre ambiti pratici.
- Dimensionare la capacità di stoccaggio in base alla domanda di gas dell'impianto e all'intervallo di consegna preferito
- Dimensionare vaporizzatori e apparecchiature di rigassificazione, che devono erogare portata di gas consumando portata di liquido
- Valutare la sicurezza negli spazi chiusi, dove una piccola perdita di liquido produce un grande volume di gas
Quali sono i rapporti di espansione per azoto, ossigeno, argon e LNG?
Questi sono i rapporti di espansione standard utilizzati in tutto il settore dei gas industriali e dell'LNG, tutti espressi alle condizioni standard.
L'azoto liquido ha un rapporto di espansione liquido-gas di circa 1 a 696 alle condizioni standard. Vaporizzando, l'azoto liquido occupa circa 696 volte il suo volume liquido.
L'ossigeno liquido ha un rapporto di espansione liquido-gas di circa 1 a 861 alle condizioni standard. Vaporizzando, l'ossigeno liquido occupa circa 861 volte il suo volume liquido.
L'argon liquido ha un rapporto di espansione liquido-gas di circa 1 a 847 alle condizioni standard. Vaporizzando, l'argon liquido occupa circa 847 volte il suo volume liquido.
L'LNG ha un rapporto di espansione liquido-gas di circa 1 a 600 alle condizioni standard. Vaporizzando, l'LNG occupa circa 600 volte il suo volume liquido.
Riassunto in un elenco per consultazione rapida.
- Azoto liquido (LIN): circa 1 a 696
- Ossigeno liquido (LOX): circa 1 a 861
- Argon liquido (LAR): circa 1 a 847
- LNG: circa 1 a 600
La parola circa conta. Queste sono le cifre operative accettate per le stime ingegneristiche e per la valutazione della sicurezza. Non sono valori di regolazione contrattuale, e la sezione sulle condizioni di riferimento più avanti spiega perché.
Come si convertono i litri di liquido in metri cubi di gas?
Il calcolo è una singola moltiplicazione, e l'unica cosa che trae in inganno è il cambio di unità da litri a metri cubi.
La regola da ricordare è che 1.000 litri equivalgono a 1 metro cubo. Quindi un litro di azoto liquido produce circa 696 litri di gas, ovvero 0,696 metri cubi. Un metro cubo di azoto liquido produce circa 696 metri cubi di gas.
Esempi pratici
- Un serbatoio di azoto liquido da 20.000 litri, riempito completamente, contiene 20.000 moltiplicato per 696, pari a 13.920.000 litri di gas, ovvero 13.920 metri cubi di azoto gassoso
- Un serbatoio di ossigeno liquido da 20.000 litri contiene 20.000 moltiplicato per 861, pari a 17.220.000 litri, ovvero 17.220 metri cubi di ossigeno gassoso
- Un recipiente di argon liquido da 1.000 litri contiene 1.000 moltiplicato per 847, pari a 847.000 litri, ovvero 847 metri cubi di argon gassoso
- Un serbatoio LNG da 20 metri cubi contiene 20 moltiplicato per 600, pari a 12.000 metri cubi di gas naturale
Come si calcola a ritroso dal consumo di gas al consumo di liquido?
È la direzione di calcolo più rilevante per un acquirente, perché gli impianti misurano la domanda in unità di gas mentre i fornitori vendono liquido. Dividi la domanda di gas per il rapporto di espansione per ottenere il volume di liquido richiesto.
Esempio con l'azoto
Supponiamo che un impianto consumi 300 metri cubi all'ora di azoto gassoso.
- Liquido richiesto all'ora: 300 diviso 696 è pari a 0,431 metri cubi, ovvero 431 litri all'ora
- Su 24 ore di funzionamento continuo: 431 moltiplicato per 24 è pari a 10.344 litri al giorno, circa 10,3 metri cubi di azoto liquido al giorno
- Su un intervallo di consegna di 7 giorni: 10.344 moltiplicato per 7 è pari a 72.408 litri di liquido utilizzabile
Esempio con l'ossigeno
Un impianto che consuma 500 metri cubi all'ora di ossigeno gassoso necessita di 500 diviso 861, pari a 0,581 metri cubi all'ora, ovvero 581 litri di ossigeno liquido all'ora, circa 13.940 litri al giorno a funzionamento continuo.
Come determina il rapporto di espansione liquido-gas la dimensione del serbatoio di stoccaggio?
Una volta noto il consumo giornaliero di liquido, il dimensionamento del serbatoio diventa una questione di quanto tempo si vuole operare tra una consegna e l'altra e di quanta parte del serbatoio è realmente utilizzabile.
Proseguendo con l'esempio dell'azoto, con 10.344 litri al giorno e un intervallo di consegna di 7 giorni, il sito necessita di 72.408 litri di liquido utilizzabile tra una consegna e l'altra. Il volume utilizzabile non coincide con la capacità geometrica. Se la prassi operativa prevede di ordinare un rifornimento quando il serbatoio raggiunge il 20 per cento e di riempirlo fino al 90 per cento, allora solo circa il 70 per cento della capacità geometrica è utilizzabile, quindi il serbatoio richiesto è circa 72.408 diviso 0,70, ovvero circa 103.000 litri.
Diverse correzioni si applicano poi a questa prima cifra.
- Boil off: i moderni serbatoi criogenici stazionari perdono circa dallo 0,2 allo 0,6 per cento del contenuto al giorno a seconda delle dimensioni e dell'isolamento, quindi i siti a prelievo continuo e basso devono tenerne conto
- Domanda di picco: un serbatoio dimensionato sul consumo medio può comunque non soddisfare un breve periodo di alta portata, questione che riguarda il vaporizzatore e il controllo di pressione tanto quanto la capacità
- Crescita futura: un serbatoio dimensionato con precisione sulla domanda odierna diventa il vincolo per il prossimo aumento di produzione
Per consumi bassi o moderati, questa aritmetica indica spesso un recipiente MicroBulk anziché un serbatoio sfuso completo. Per consumi elevati o in crescita, indica un serbatoio sfuso più grande o una coppia collegata a collettore comune.
Perché il rapporto di espansione conta per la sicurezza negli spazi chiusi?
La stessa aritmetica che rende economico lo stoccaggio criogenico rende pericolose le perdite criogeniche al chiuso. Un piccolo volume di liquido versato diventa un grande volume di gas, e l'azoto e l'argon sono incolori e inodori, quindi non c'è alcun segnale di avviso.
Prendiamo una perdita di 10 litri di azoto liquido. Al rapporto 1 a 696, essa produce 6.960 litri di azoto gassoso, circa 7 metri cubi. In una sala chiusa di 5 metri per 4 metri per 2,5 metri, il volume della sala è 50 metri cubi. Assumendo che il gas rilasciato si mescoli e sposti un volume equivalente di aria, la frazione di aria residua è (50 meno 7) diviso 50, ovvero circa 0,86. L'aria normale contiene circa il 20,9 per cento di ossigeno, quindi la concentrazione di ossigeno scende a circa il 18 per cento.
Molti regimi nazionali considerano carente in ossigeno una concentrazione inferiore a circa il 19,5 per cento. In questo esempio una perdita di 10 litri in una piccola sala è sufficiente a superare quella soglia, e una perdita maggiore o uno spazio più piccolo la superano molto più rapidamente.
Le conclusioni pratiche derivano direttamente dal rapporto.
- Colloca i serbatoi sfusi all'aperto, oppure in spazi con ventilazione progettata per il volume di rilascio credibile
- Installa il monitoraggio dell'ossigeno dove si maneggiano liquidi criogenici inerti in aree chiuse o parzialmente chiuse
- Tratta pozzetti, canaline, seminterrati e vani scala come punti di accumulo, poiché il gas freddo è inizialmente denso
- Applica la stessa aritmetica in senso inverso per l'ossigeno liquido, dove una perdita arricchisce l'atmosfera e rende i materiali circostanti molto più facilmente infiammabili
- Usa il rapporto di espansione nella stesura della valutazione dei rischi, così che il volume di rilascio valutato sia calcolato e non semplicemente assunto
Perché i rapporti di espansione liquido-gas pubblicati differiscono leggermente?
In riferimenti diversi troverai numeri leggermente diversi, e la differenza è quasi sempre la condizione di riferimento e non un errore.
- Temperatura di riferimento: il volume di gas dipende dalla temperatura, e norme diverse usano 0, 15 o 20 gradi Celsius come riferimento. Una temperatura di riferimento più alta da un volume di gas maggiore e quindi un rapporto più alto
- Pressione di riferimento: normalmente un'atmosfera, ma non sempre indicata esplicitamente
- Condizione del liquido: la densità del liquido utilizzata può essere quella al punto di ebollizione normale o quella a una tipica pressione di stoccaggio, che non sono identiche
- Composizione: l'LNG è una miscela, principalmente metano ma con quantità variabili di etano, propano e azoto a seconda della provenienza. Il suo rapporto di espansione varia quindi con la composizione del carico, motivo per cui la cifra è data come circa 1 a 600 anziché come valore esatto
Per il dimensionamento ingegneristico e la valutazione della sicurezza, i rapporti sopra indicati sono le cifre operative corrette. Per il trasferimento di custodia e la fatturazione, usa i valori e le condizioni di riferimento scritti nel tuo contratto di fornitura, poiché sono quelli i numeri che regolano il conto.
È la conversione in massa?
Molti contratti di fornitura sono scritti in chilogrammi o tonnellate anziché in litri. Convertire tra massa, volume di liquido e volume di gas richiede la densità del liquido specifico alla sua reale condizione di stoccaggio, e per l'LNG richiede anche la composizione del carico. Prendi quei valori di densità dalla scheda dati del tuo fornitore di gas per il prodotto come consegnato.
Come si applica il rapporto al dimensionamento di vaporizzatori e rigassificazione?
Un vaporizzatore è classificato in portata di gas, di solito metri cubi normali all'ora, ma consuma liquido. Il rapporto di espansione è ciò che collega la domanda di gas dell'impianto alla portata di liquido attraverso il vaporizzatore, ed è il primo passo in ogni calcolo di dimensionamento.
- Parti dalla domanda di gas di picco, non dalla domanda media, poiché un vaporizzatore dimensionato sulle medie resterà indietro durante i picchi ed erogherà gas freddo a valle
- Converti la domanda di gas di picco in portata di liquido usando il rapporto di espansione del prodotto
- Applica le condizioni ambientali del sito di installazione, poiché la capacità del vaporizzatore atmosferico diminuisce con temperatura dell'aria più bassa e umidità più alta
- Pianifica unità in servizio e in riserva con cambio automatico così che ciascuna possa sbrinarsi, e dimensiona la coppia per il caso di servizio anziché assumere che entrambe funzionino in continuo
- Per la rigassificazione LNG, conferma la temperatura e la pressione di consegna richieste a valle, poiché queste determinano il carico termico tanto quanto la portata
Domande frequenti
Qual è il rapporto di espansione liquido-gas dell'azoto liquido?
L'azoto liquido si espande di circa 1 a 696 alle condizioni standard, il che significa che un volume di liquido produce circa 696 volumi di gas. Un litro di azoto liquido fornisce quindi circa 696 litri, ovvero 0,696 metri cubi, di azoto gassoso. Un serbatoio pieno da 20.000 litri contiene circa 13.920 metri cubi di gas equivalente.
Qual è il rapporto di espansione liquido-gas dell'ossigeno liquido?
L'ossigeno liquido si espande di circa 1 a 861 alle condizioni standard. Un litro di ossigeno liquido produce circa 861 litri di ossigeno gassoso, quindi un recipiente pieno da 20.000 litri contiene circa 17.220 metri cubi di gas equivalente. Lo stesso rapporto viene usato per valutare il rischio di arricchimento da una perdita di ossigeno.
Qual è il rapporto di espansione dell'argon liquido?
L'argon liquido si espande di circa 1 a 847 alle condizioni standard, quindi un litro di argon liquido produce circa 847 litri di argon gassoso. L'argon è inerte, incolore e inodore, quindi la stessa cifra di espansione viene usata per valutare il rischio di spostamento dell'ossigeno negli spazi chiusi.
Quanti metri cubi di gas naturale produce un metro cubo di LNG?
L'LNG si espande di circa 1 a 600 alle condizioni standard, quindi un metro cubo di LNG produce circa 600 metri cubi di gas naturale. La cifra è indicata come approssimata perché l'LNG è una miscela la cui composizione varia a seconda della provenienza, il che sposta leggermente il rapporto esatto da carico a carico.
Come converto la mia domanda di gas in consumo di liquido al giorno?
Dividi la domanda di gas oraria per il rapporto di espansione per ottenere il volume di liquido orario, poi moltiplica per le ore di funzionamento. Ad esempio, 300 metri cubi all'ora di azoto gassoso diviso 696 da 0,431 metri cubi all'ora di liquido, ovvero 431 litri all'ora, pari a 10.344 litri in 24 ore di funzionamento continuo.
Perché fonti diverse forniscono rapporti di espansione leggermente diversi?
Il motivo principale è la temperatura e la pressione di riferimento usate per il volume di gas, che possono essere 0, 15 o 20 gradi Celsius a seconda della norma applicata. Conta anche la condizione di densità del liquido, e per l'LNG varia la composizione a seconda della provenienza. Usa queste cifre per il lavoro ingegneristico e di sicurezza, e i valori contrattuali per la fatturazione.
Quanto gas produce una perdita di azoto liquido in una sala?
Moltiplica il volume di liquido versato per 696. Dieci litri di azoto liquido producono circa 6.960 litri, vicino a 7 metri cubi di gas. In una sala sigillata di 50 metri cubi con mescolamento, questo abbassa l'ossigeno da circa il 20,9 per cento a circa il 18 per cento, sotto il livello comunemente considerato carente di ossigeno.
Il rapporto di espansione tiene conto delle perdite per boil off?
No. Il rapporto di espansione descrive solo quanto gas produce un dato volume di liquido. Il boil off è una perdita separata, tipicamente dallo 0,2 allo 0,6 per cento del contenuto al giorno per i moderni serbatoi criogenici stazionari a seconda delle dimensioni e dell'isolamento, e va aggiunto quando si pianifica il consumo e l'intervallo di consegna.
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