液态二氧化碳的加注系统与加注方法

技术领域

本发明属于液态二氧化碳储存与加注技术领域，具体涉及一种液态二氧化碳的加注系统与加注方法。

背景技术

在海绵发泡领域用液态二氧化碳做物理发泡剂，要确保二氧化碳在输送、计量及加注到其他组分内时一直维持液相，若在此过程中液态二氧化碳有部分气化的现象出现，则会导致二氧化碳计量不准，泵出现气阻气蚀现象，提前析出的二氧化碳气体影响海绵发泡形核时机、导致海绵泡孔不均匀、闭孔，进一步发泡反应热滞留导致烧心甚至火灾。现有液体二氧化碳的最常见的工业应用是将液体二氧化碳加压储存在储罐内，再通过气化器将液体二氧化碳转化成二氧化碳气体后进一步的应用；或者将液体二氧化碳升温加压变成超临界状态，利用超临界流体的特性进行物料萃取提纯。在以上已知的液态二氧化碳存储及使用过程中，二氧化碳除了液相外还存在气相或超临界态，这都不满足海绵连续发泡工艺，因此，亟需提供一种用于海绵发泡的液态二氧化碳存储与加注系统，以保证液态二氧化碳在输送、计量及加注过程中始终保持液相。

发明内容

在一方面，本发明提供一种液态二氧化碳的加注系统，通过调控储罐压力以维持液态二氧化碳的储存温度，并通过加注管路维持二氧化碳始终在液态下计量加注到发泡组分中，能够得到均匀致密泡孔的多孔材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种液态二氧化碳的加注系统，包括：

储罐子系统，用于液态二氧化碳的存储，其包括储罐、储罐内安装的制冷机组及与制冷机组电性连接的液位压力测量单元，所述液位压力测量单元用于实时监测储罐内部的液位与压力，所述制冷机组根据储罐内部的压力控制启停以实现对储罐压力的控制；

输送计量子系统，包括与储罐底部出口连通的加注管路，所述加注管路设有隔热保温层，以使二氧化碳加注时外界输入热量小于所述制冷机组的制冷量；所述加注管路上还配设有输送泵与计量泵，所述输送泵用于将过量的液态二氧化碳输送到计量泵，所述计量泵用于按照配方所需量的液态二氧化碳进行计量输送；及

加注喷嘴，与所述加注管路连通，用于将准确计量的液态二氧化碳加注到发泡组分中。

一些技术方案中，所述储罐包括内筒与外筒，所述内筒与外筒的夹层中填装绝热材料，并通过管路连接抽真空设备与真空测量规管，用于对所述夹层的真空度进行维护以确保储罐的隔热能力。

一些技术方案中，所述储罐设有安全装置，所述安全装置包括储罐顶部出口设置的泄压装置与连接的两路安全放空管路，所述安全放空管路上设置三通阀A与安全阀组，所述三通阀A用于控制两路安全放空管路之间的切换，所述安全阀组设置配设了爆破片的安全阀，用于在储罐压力超过工作压力时，排走超出的压力，或者在安全阀损坏失效时进行爆破，保证设备与人员的安全。

一些技术方案中，所述加注管路包括顺次相接的输送管道、计量管道与回流管道，

所述输送泵设于输送管道上，所述输送泵的进液口与储罐底部出口之间的连接管道上设置出液阀；

所述计量管道的入口端设置输送管道输出阀，所述计量泵设于计量管道上，位于计量泵入口端的计量管道上布设有压力检测元件，且位于计量泵出口端的计量管道上布设有质量流量计；

所述回流管道上设置回流阀，所述回流阀用于控制液态二氧化碳回流至储罐；

所述计量管道、回流管道和加注喷嘴之间通过三通阀B实现切换。

一些技术方案中，所述输送计量子系统包括气体循环回路与液体循环回路，

所述气体循环回路包括连接输送泵的出气口与储罐顶部回气口的回气管道，所述回气管道的前段管道上安装有泵回气阀，及中段管道上安装有回气阀；

所述液体循环回路包括连接输送管道与储罐顶部回液口的回液管道，所述回液管道的前段管道上安装有预冷阀，及中段管道上安装有回液阀。

一些技术方案中，所述输送计量子系统包括背压回路，

所述背压回路包括连接输送管道与储罐顶部回液口的背压管道，所述背压管道包括并联设置的第一背压支路与第二背压支路，所述第一背压支路上布设有背压阀，且所述第二背压支路上布设有备用阀。

另一方面，本发明进一步提供一种液态二氧化碳的加注方法，根据储罐内部的压力控制制冷机组启停以维持储罐压力；对加注管路进行预冷，使加注管路的温度接近液态二氧化碳的储存温度；利用加注喷嘴将准确计量的液态二氧化碳加注到发泡组分中；以此步骤实施可以最大限度地减少液态二氧化碳储存与输送过程中因外部热量传输导致的气化，避免提前析出的二氧化碳气体影响海绵发泡形核时机及二氧化碳的计量不准，影响连续发泡工艺的进行。

一些技术方案中，所述的维持储罐压力的具体步骤为：

当液位压力测量单元检测到储罐压力上限时，启动制冷机组，制冷机组对储罐内部气体进行冷却，待至储罐压力降至压力下限时控制制冷机组停止运行。

一些技术方案中，所述的对加注管路进行预冷的具体步骤为：

关闭预冷阀、输送管道输出阀，开启回气阀，利用储罐顶部的低温二氧化碳气体对输送泵进行预冷；

开启出液阀，利用储罐底部的低温二氧化碳液体对输送泵及输送泵的出口管道进行预冷；

开启预冷阀、回液阀并启动输送泵，建立起液体循环回路，对液体循环回路的管道进行预冷；

关闭预冷阀同时开启背压阀，对背压回路的管道进行预冷；

开启输送管道输出阀、回流阀，并将三通阀B切换至回流状态，当压力检测元件显示有压力后开启计量泵，对计量管道与回流管道进行预冷。

一些技术方案中，所述的对计量管道进行预冷的时间依据质量流量计显示的流体密度进行判断，当质量流量计稳定显示二氧化碳的密度大于1g/cm

所述加注方法还包括步骤：控制液态二氧化碳在各管道中的循环压力高于液态二氧化碳的储存压力，且控制液态二氧化碳的加注压力高于液态二氧化碳在各管道中的循环压力。

本发明采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：

1.本发明提出的一种液态二氧化碳的加注系统，通过制冷机组调控储罐压力使维持在13-22bar，在此压力下液态二氧化碳的储存温度长期维持在-24℃以下，且与储罐底部出口连通的加注管路设置隔热保温层，能够达到二氧化碳加注时外界输入热量小于制冷机组的制冷量，从而维持二氧化碳始终在液态下加注到发泡组分中，进而适用连续发泡工艺，以得到均匀致密泡孔的多孔材料；

2.本发明提出的一种液态二氧化碳的加注系统，采用双层真空隔热储罐，夹层中充填高真空珠光砂，并利用管路连接的抽真空设备与真空测量规管，控制夹层真空压力在5-10Pa，以确保储罐的隔热能力；

3.本发明提出的一种液态二氧化碳的加注系统，其输送计量子系统包括顺次相接的输送管道、计量管道与回流管道，并同时构建气体循环回路、液体循环回路与背压回路，能够对用于发泡的液态二氧化碳按照配方进行精确计量，同时将过量的液态二氧化碳和输送过程中气化的二氧化碳回输至储罐，减少气体排出损耗；

4.本发明提出的一种液态二氧化碳的加注方法，通过依序对输送泵、输送管道、气体循环回路、液体循环回路、背压回路、计量管道及回流管道进行预冷，使管道系统温度接近液体二氧化碳储存温度，同时结合管道的隔热保温设计，能够维持二氧化碳始终在液态下加注到发泡组分中，使计量准确，且所得泡孔均匀致密，适用连续性发泡工艺；

5.本发明提出的一种液态二氧化碳的加注方法，为了减少加注过程中二氧化碳的气化，使二氧化碳在管道中循环的压力高于储存压力5bar左右，即取管路循环压力30bar；通过调节加注喷嘴使液态二氧化碳加注压力大于循环压力5bar左右，即取加注压力35Bar进行加注。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图及其标记作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的一种液态二氧化碳的加注系统的结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

1—储罐子系统，11—双层真空隔热储罐，13—真空测量规管，14—泄压装置，15—液位压力测量单元，16—制冷机组，17—出液阀，18—液体充装阀，19—增压回气阀，110—安全阀组，111—排气阀，112—回液阀，113—回气阀，114—测满阀，115—吹扫阀；

2—输送计量子系统，21—输送泵，22—泵回气阀，23—预冷阀，24—输送管道输出阀，25—压力传感器，26—计量泵，27—质量流量计，29—回流阀；210—单向阀，211—背压阀，212—备用阀，213—隔热保温层；

3—加注喷嘴。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明的一个具体实施例，提出一种液态二氧化碳的加注系统，参阅图1所示，包括储罐子系统1、输送计量子系统2与加注喷嘴3，其中，储罐子系统1用于液态二氧化碳的存储，输送计量子系统2用于按照配方所需量的液态二氧化碳进行计量输送，加注喷嘴3用于将准确计量的液态二氧化碳加注到发泡组分中。

上述实施例中，储罐子系统1包括储罐、储罐内安装的制冷机组16及与制冷机组16电性连接的液位压力测量单元15，液位压力测量单元15用于实时监测储罐内部的液位与压力，制冷机组16根据储罐内部的压力控制启停以实现对储罐压力的控制。利用制冷机组16对储罐外界输入热进行冷却，确保储罐压力维持在13-22bar，在此压力下液态二氧化碳的储存温度长期维持在-24℃以下。

在一较佳的实施方式中，上述储罐采用双层真空隔热储罐11，包括内筒与外筒，在内筒与外筒的夹层中填装绝热材料，并通过管路连接抽真空设备与真空测量规管13，用于对夹层的真空度进行维护以确保储罐的隔热能力。具体的，储罐内筒材质为16MnDr合金钢或304不锈钢，储罐外筒材质为Q235B或16MnDr，绝热材料为高真空珠光砂，储罐夹层真空压力控制在5-10Pa。

在一具体的实施方式中，储罐设有安全装置，安全装置包括储罐顶部出口设置的泄压装置14与连接的两路安全放空管路，该泄压装置14在储罐内筒发生泄漏时能够爆破泄压，确保设备与人员安全出；该安全放空管路上设置三通阀A与两组安全阀组110，正常使用时两组安全阀组110一用一备，当其中一组安全阀组110损坏或需要检修时，将三通阀A切换至另一组安全阀组110后可拆下需要检修的安全阀组110进行检修。安全阀组110设置配设了爆破片的安全阀，爆破片的爆破压力稍高于安全阀起跳压力，当安全阀损坏失效时爆破片可保证设备与人员的安全。

此外，储罐底部连通有液体充装管道，该液体充装管道上布设有液体充装阀18，用于与液态二氧化碳槽车连接进行液态二氧化碳的充装；储罐顶部连通有增压回气管道，增压回气管道上布设有增压回气阀19，用于与液态二氧化碳槽车的相应管路进行连接以向储罐补液；储罐对应液位还连通有测量管道，测量管道上布设有测满阀114；储罐顶部还连通有排气管道，排气管道上布设有排气阀111，用于排除储罐的部分气体以降低压力，储罐液体充装时不允许过充，避免安全阀起跳。

上述实施例中，输送计量子系统2，包括与储罐底部出口连通的加注管路，加注管路设有隔热保温层213，以使二氧化碳加注时外界输入热量小于制冷机组16的制冷量；加注管路上还配设有输送泵21与计量泵26，输送泵21用于将过量的液态二氧化碳输送到计量泵26，计量泵26用于按照配方所需量的液态二氧化碳进行计量输送。

在一具体的实施方式中，加注管路包括顺次相接的输送管道、计量管道与回流管道，输送泵21设于输送管道上，输送泵21的进液口与储罐底部出口之间的连接管道上设置出液阀17；计量管道的入口端设置输送管道输出阀24，计量泵26设于计量管道上，位于计量泵26入口端的计量管道上布设有压力传感器25，且位于计量泵26出口端的计量管道上布设有质量流量计27；回流管道上设置回流阀29和单向阀210，回流阀29用于控制液态二氧化碳回流至储罐；计量管道、回流管道和加注喷嘴3之间通过三通阀B实现切换。

在一较佳的实施方式中，输送计量子系统2包括气体循环回路、液体循环回路和背压回路，其中，气体循环回路包括连接输送泵21的出气口与储罐顶部回气口的回气管道，回气管道的前段管道上安装有泵回气阀22，及中段管道上安装有回气阀113；液体循环回路包括连接输送管道与储罐顶部回液口的回液管道，回液管道的前段管道上安装有预冷阀23，及中段管道上安装有回液阀112；背压回路包括连接输送管道与储罐顶部回液口的背压管道，背压管道包括并联设置的第一背压支路与第二背压支路，第一背压支路上布设有背压阀211，且第二背压支路上布设有备用阀212。

另有，在前述出液阀17、液体充装阀18、增压回气阀19、回液阀112及回气阀113的入口段管道上均设置吹扫阀115，用于释放部分气体二氧化碳，以加快进程。

该实施方式中，输送计量子系统2包括顺次相接的输送管道、计量管道与回流管道，并同时构建气体循环回路、液体循环回路与背压回路，能够对用于发泡的液态二氧化碳按照配方进行精确计量，同时将过量的液态二氧化碳和输送过程中气化的二氧化碳回输至储罐，减少气体排出损耗。

根据本发明的另一具体实施例，提出一种液态二氧化碳的加注方法，包括以下步骤：

根据储罐内部的压力控制制冷机组16启停以维持储罐压力；

对加注管路进行预冷，使加注管路的温度接近液态二氧化碳的储存温度；

利用加注喷嘴3将准确计量的液态二氧化碳加注到发泡组分中。

具体的，根据储罐内部的压力控制制冷机组16启停以维持储罐压力的具体流程为：二氧化碳储存与使用过程中外界热量输入会导致二氧化碳气化，储罐内部压力升高，制冷机组16压力传感器25检测到压力上限时启动制冷机组16，制冷机组16对罐体内气体进行冷却，使得气体降温液化，储罐内部压力降低，当压力降至下限时停止制冷。

由于液态二氧化碳在储罐储存温度在-24℃以下，从储罐进入输送泵21、计量泵26及管道不可避免的有环境热量输入，二氧化碳温度升高，并会气化，若管道内存在大量的二氧化碳气体必然带来储罐压力升高，输送泵21、计量泵26气蚀，质量流量计27计量不准等情况。为了避免液体二氧化碳气化，管道及阀门必须隔热保温处理，隔热工程最终需要达到二氧化碳加注时外界输入热量小于制冷机组16的制冷量，这样才能维持二氧化碳始终在液态下加注到发泡组分中。虽然采取保温隔热措施后，二氧化碳加注时外界输入热量小于制冷机组16的制冷量，但是在液态二氧化碳刚从储罐中输出到加注管路时，由于管路系统处于室温大大高于液态二氧化碳的温度，此时外界输入热量的速率很大，在此情况如仍然满足外界输入热量小于制冷机组16制冷量，则要求制冷机组16的制冷功率将会非常大、换热面积也需要非常大，这是非常不经济和难于实现的。为此需要对二氧化碳加注前对加注管路进行预冷，使管路系统温度接近液体二氧化碳储存温度；为了减少二氧化碳气化，可以使二氧化碳在管道中循环的压力高于储存压力5bar左右，即取管路循环压力30bar；低温液态二氧化碳(-30℃)经喷嘴加注到常温(20℃左右)的发泡组分中，尚需进行搅拌混合、反应；在生成泡沫体之前若温升过高、压力下降过快，则容易导致二氧化碳气化过早影响发泡质量，故通过调节加注喷嘴3使液态二氧化碳加注压力大于循环压力5bar左右，即取加注压力35Bar进行加注。

上述的对加注管路进行预冷，使加注管路的温度接近液态二氧化碳的储存温度；利用加注喷嘴3将准确计量的液态二氧化碳加注到发泡组分中的具体流程为：

首先关闭预冷阀23、输送管道输出阀24，然后打开储罐回气阀，利用储罐顶部低温二氧化碳气体对输送泵21进行预冷；约5-10分钟左右(具体时间由实施例实际管路确定)打开储罐的出液阀17，利用低温二氧化碳液体对输送泵21及输送泵21的出口管道进行预冷，此时可微启储罐的回气阀113前吹扫阀115释放一部分气体，加快此段管路冷却速度；当吹扫阀115有液体流出时关闭吹扫阀115、手动打开预冷阀23、回液阀112并启动输送泵21，输送泵21启动后液体二氧化碳从储罐流出经输送泵21泵送后(液体、气体)由储罐回液阀回流至储罐，建立循环回路；循环回路建立约5-10分钟后，手动关闭预冷阀23同时开启背压阀211，液态二氧化碳流经背压阀211再由储罐的回液阀112回流至储罐，此部分管路预冷时间约5分钟左右后，打开输送管道的输出阀、计量管道的回流阀29、并将三通阀B打开至回流状态，当计量泵26前的压力传感器25显示有压力后开启计量泵26；计量泵26开启后，过量液态二氧化碳在输送管道输出阀24前直接流经背压阀211、回液阀112回流至储罐，配方所需加注液态二氧化碳经计量泵26加压流经质量流量计27、三通阀B、回流阀29、背压阀211、回液阀112回流至储罐；计量管道的预冷时间通过质量流量计27显示的流体密度来判断，当质量流量计27稳定显示二氧化碳密度大于1g/cm3时，液体内已无气体二氧化碳存在，此时可以切换三通阀B至加注位进行液态二氧化碳加注。

该实施方式中，通过依序对输送泵21、输送管道、气体循环回路、液体循环回路、背压回路、计量管道及回流管道进行预冷，使管道系统温度接近液体二氧化碳储存温度，同时结合管道的隔热保温设计，能够维持二氧化碳始终在液态下加注到发泡组分中，使计量准确，且所得泡孔均匀致密，适用连续性发泡工艺。

以上输送计量子系统2加注流程按照手动人工控制方式实施例描述，实施时还可以将手动阀更换成气动或电动阀门、增加压力、温度传感器检测、实现自动控制；在增加压力、温度传感器的加注系统中，当加注系统压力超压时可以控制超压管路增加的电动放空阀进行泄压，保护管路及人员安全。对于二氧化碳循环与加注压力的设定，在具体实施例时可根据海绵发泡的密度与产品特性进行调整，并不代表循环与加注压力与温度必须限定在前文所提及的压力与温度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。