Переход криогенной жидкости в газ: объемы, плотность и коэффициенты расширения

Коэффициент расширения жидкость газ показывает, сколько газа дает один объем криогенной жидкости при испарении. При стандартных условиях жидкий азот расширяется примерно 1 к 696, жидкий кислород примерно 1 к 861, жидкий аргон примерно 1 к 847, а LNG примерно 1 к 600. Эти коэффициенты определяют подбор хранения, подбор газификаторов и оценку безопасности в замкнутых помещениях.

Арифметика за ними простая, и владеть ею должен любой покупатель крупного криогенного оборудования. Как только известна потребность в газе в кубометрах в час, коэффициент расширения напрямую переводит ее в литры жидкости в час, а оттуда в реалистичный объем резервуара и периодичность поставок.

Что такое коэффициент расширения криогенной жидкости в газ?

Коэффициент расширения жидкость газ, который также называют коэффициентом газификации, это объем газа, получаемый из одного объема жидкости при ее нагреве до эталонных температуры и давления. Его записывают как 1 к числу, где число это объем газа.

На практике коэффициент применяют в трех местах.

• Подбор объема хранения под потребность производства в газе и желаемый интервал между поставками
• Подбор газификаторов и оборудования регазификации, которые должны выдавать расход газа, потребляя расход жидкости
• Оценка безопасности в замкнутых помещениях, где малый пролив жидкости дает большой объем газа

Каковы коэффициенты расширения азота, кислорода, аргона и LNG?

Это стандартные коэффициенты расширения, принятые в отрасли промышленных газов и LNG, все они приведены к стандартным условиям.

Жидкий азот имеет коэффициент расширения жидкость газ примерно 1 к 696 при стандартных условиях. При испарении жидкий азот увеличивается в объеме примерно в 696 раз.

Жидкий кислород имеет коэффициент расширения жидкость газ примерно 1 к 861 при стандартных условиях. При испарении жидкий кислород увеличивается в объеме примерно в 861 раз.

Жидкий аргон имеет коэффициент расширения жидкость газ примерно 1 к 847 при стандартных условиях. При испарении жидкий аргон увеличивается в объеме примерно в 847 раз.

LNG имеет коэффициент расширения жидкость газ примерно 1 к 600 при стандартных условиях. При регазификации LNG увеличивается в объеме примерно в 600 раз.

Сводка для быстрой справки.

• Жидкий азот (LIN): примерно 1 к 696
• Жидкий кислород (LOX): примерно 1 к 861
• Жидкий аргон (LAR): примерно 1 к 847
• LNG: примерно 1 к 600

Слово примерно здесь существенно. Это принятые рабочие значения для инженерных оценок и для анализа безопасности. Они не являются расчетными величинами по контракту, и раздел про эталонные условия ниже объясняет почему.

Как перевести литры жидкости в кубометры газа?

Расчет сводится к одному умножению, и единственное, на чем спотыкаются, это переход от литров к кубометрам.

Правило простое: 1000 литров равны 1 кубометру. Значит, один литр жидкого азота дает примерно 696 литров газа, то есть 0,696 кубометра. Один кубометр жидкого азота дает примерно 696 кубометров газа. По этой же арифметике подбираются криогенные резервуары для хранения.

Примеры расчета

• Резервуар жидкого азота на 20 000 литров, заполненный полностью, содержит 20 000 умножить на 696, то есть 13 920 000 литров газа, что составляет 13 920 кубометров газообразного азота
• Резервуар жидкого кислорода на 20 000 литров содержит 20 000 умножить на 861, то есть 17 220 000 литров, что составляет 17 220 кубометров газообразного кислорода
• Сосуд жидкого аргона на 1000 литров содержит 1000 умножить на 847, то есть 847 000 литров, что составляет 847 кубометров газообразного аргона
• Резервуар LNG на 20 кубометров содержит 20 умножить на 600, то есть 12 000 кубометров природного газа

Как считать в обратную сторону, от потребности в газе к расходу жидкости?

Именно это направление важнее всего покупателю, поскольку производство измеряет потребность в газовых единицах, а поставщики продают жидкость. Разделите потребность в газе на коэффициент расширения и получите требуемый объем жидкости.

Пример по азоту

Допустим, производство потребляет 300 кубометров в час газообразного азота.

• Требуемая жидкость в час: 300 разделить на 696, то есть 0,431 кубометра, что составляет 431 литр в час
• За 24 часа непрерывной работы: 431 умножить на 24, то есть 10 344 литра в сутки, примерно 10,3 кубометра жидкого азота в сутки
• За 7 дней между поставками: 10 344 умножить на 7, то есть 72 408 литров полезной жидкости

Пример по кислороду

Производству, потребляющему 500 кубометров в час газообразного кислорода, нужно 500 разделить на 861, то есть 0,581 кубометра в час, что составляет 581 литр жидкого кислорода в час, или около 13 940 литров в сутки при непрерывной работе.

Как коэффициент расширения определяет объем резервуара для хранения?

Когда суточный расход жидкости известен, подбор объема сводится к вопросу, сколько вы хотите работать между поставками и какая часть резервуара действительно полезна.

Продолжая азотный пример, при 10 344 литрах в сутки и интервале поставок 7 дней площадке нужно 72 408 литров полезной жидкости между поставками. Полезный объем не равен геометрической вместимости. Если по вашему регламенту заказ на пополнение подается при 20 процентах, а заполняют до 90 процентов, то полезны только около 70 процентов геометрической вместимости, и требуемый резервуар составляет примерно 72 408 разделить на 0,70, то есть около 103 000 литров.

К этой первой цифре затем применяют несколько поправок.

• Испаряемость: современные стационарные криогенные резервуары теряют примерно от 0,2 до 0,6 процента содержимого в сутки в зависимости от объема и изоляции, поэтому площадки с непрерывным малым отбором должны это учитывать
• Пиковый спрос: резервуар, подобранный по среднему потреблению, все равно может не покрыть короткий период высокого расхода, и это в той же мере вопрос газификатора и регулирования давления, что и вопрос объема
• Рост в будущем: резервуар, подобранный ровно под сегодняшнюю потребность, становится ограничением при следующем увеличении выпуска

При малом и умеренном потреблении эта арифметика часто выводит на сосуд MicroBulk, а не на полноразмерный резервуар. Сопоставление разобрано в материале про MicroBulk и крупное криогенное хранение. При высоком или растущем потреблении она выводит на более крупный сосуд или на пару, объединенную в коллектор. Полная методика приведена в материале про подбор криогенного резервуара для хранения.

Почему коэффициент расширения важен для безопасности в замкнутых помещениях?

Та же арифметика, которая делает криогенное хранение экономичным, делает криогенные проливы опасными в помещении. Малый объем пролитой жидкости превращается в большой объем газа, а азот и аргон бесцветны и не имеют запаха, поэтому предупреждения не будет.

Возьмем пролив 10 литров жидкого азота. При соотношении 1 к 696 это дает 6960 литров газообразного азота, то есть около 7 кубометров. В герметичном помещении размерами 5 метров на 4 метра на 2,5 метра объем составляет 50 кубометров. Если считать, что выделившийся газ перемешивается и вытесняет равный объем воздуха, доля оставшегося воздуха равна (50 минус 7) разделить на 50, то есть около 0,86. Нормальный воздух содержит около 20,9 процента кислорода, поэтому концентрация кислорода падает примерно до 18 процентов.

Во многих национальных режимах концентрация кислорода ниже примерно 19,5 процента считается кислородной недостаточностью. В этом примере пролива 10 литров в небольшом помещении достаточно, чтобы пересечь эту границу, а больший пролив или меньшее помещение пересекают ее гораздо быстрее.

Практические выводы следуют прямо из коэффициента.

• Размещайте крупные сосуды снаружи или в помещениях с вентиляцией, рассчитанной на вероятный объем выброса
• Устанавливайте контроль кислорода там, где инертные криогенные жидкости обращаются в замкнутых или частично замкнутых зонах
• Считайте приямки, лотки, подвалы и лестничные шахты местами накопления, поскольку холодный газ поначалу тяжелее воздуха
• Применяйте ту же арифметику в обратную сторону для жидкого кислорода, где пролив обогащает атмосферу и делает окружающие материалы намного более способными воспламеняться
• Используйте коэффициент расширения при составлении оценки риска, чтобы принимаемый объем выброса был рассчитан, а не назначен на глаз. Механизмы разобраны в материале про кислородную недостаточность и обогащение

Почему публикуемые коэффициенты расширения слегка различаются?

В разных источниках вы найдете слегка разные числа, и разница почти всегда объясняется эталонными условиями, а не ошибкой.

• Эталонная температура: объем газа зависит от температуры, и разные стандарты берут 0, 15 или 20 градусов Цельсия. Более высокая эталонная температура дает больший объем газа и, соответственно, больший коэффициент
• Эталонное давление: обычно одна атмосфера, но не всегда указано явно
• Состояние жидкости: плотность жидкости может браться при нормальной температуре кипения или при типовом давлении хранения, а это не одно и то же
• Состав: LNG представляет собой смесь, преимущественно метан, но с разным содержанием этана, пропана и азота в зависимости от источника. Поэтому его коэффициент расширения меняется с составом партии, и цифру дают как примерно 1 к 600, а не как точное значение

Для инженерного подбора и оценки безопасности приведенные выше коэффициенты являются правильными рабочими значениями. Для коммерческого учета и выставления счетов применяйте значения и эталонные условия, записанные в вашем договоре поставки, поскольку именно они закрывают расчеты.

А как перейти к массе?

Многие договоры поставки написаны в килограммах или тоннах, а не в литрах. Перевод между массой, объемом жидкости и объемом газа требует плотности конкретной жидкости при фактических условиях хранения, а для LNG еще и состава партии. Берите эти значения плотности из паспорта вашего поставщика газа на продукт в поставляемом виде.

Как коэффициент применяется при подборе газификаторов и регазификации?

Газификатор нормируется по расходу газа, обычно в нормальных кубометрах в час, но потребляет он жидкость. Коэффициент расширения связывает потребность производства в газе с расходом жидкости через газификатор и является первым шагом любого расчета подбора.

• Отталкивайтесь от пикового расхода газа, а не от среднего, поскольку газификатор, подобранный по средним значениям, отстанет на пиках и будет выдавать холодный газ
• Переведите пиковый расход газа в расход жидкости через коэффициент расширения для данного продукта. Порядок расчета разобран в материале про подбор атмосферного газификатора
• Учитывайте климатические условия на месте установки, поскольку производительность атмосферного газификатора падает при более низкой температуре воздуха и более высокой влажности
• Планируйте рабочий и резервный аппараты с переключением, чтобы каждый успевал оттаивать, и подбирайте пару под рабочий случай, а не в расчете на непрерывную работу обоих
• Для регазификации LNG уточните требуемые температуру и давление подачи ниже по потоку, поскольку они задают тепловую нагрузку не меньше, чем расход. Основы приведены в материале про регазификацию LNG для дистрибьюторов

Часто задаваемые вопросы

Читайте также

• подбор криогенного резервуара для хранения
• MicroBulk и крупное криогенное хранение
• подбор атмосферного газификатора
• регазификацию LNG для дистрибьюторов
• криогенные резервуары для хранения