壓縮氣體：壓縮 CO2 與 H2O 混合物的風險
在工程領域中，氣體混合物的壓縮是一種常見但複雜的過程，需要深入瞭解相關氣體的特性與行為。今天，我們深入探討與水 (H2O) 混合時壓縮二氧化碳 (CO2) 的具體細節，這種情況會帶來獨特的挑戰與風險。
CO2 的特性
CO2 是一種無色無味的氣體，比環境空氣更重。
在室溫 (20°C) 與壓力 (1 bar) 下，它會以氣體形式存在，但與水結合時，其行為會改變。如果 H2O 濃度大於體積比例 2,33%，水會開始凝結並形成液體水滴。
氣體 H2O 的凝結也會發生在例如熱飽和氣體混合物在壓縮後以中間或後端冷卻器進行冷卻時。
當液態 H2O 存在時，混合物會形成碳酸 (H2CO3)，這是 CO2、液態 H2O 與 HCO3 離子之間的平衡狀態。這種平衡會受到 CO2 的分壓影響，這決定了在冷凝水中保留為氣體或轉換為 HCO3 離子的 CO2 量。
HCO3 離子溶解的越多，冷凝水的酸性越高。
涉及的酸性風險
壓縮 CO2 與 H2O 混合物的主要風險在於酸性的形成。當 CO2 接觸到水時，會形成碳酸，這可能會對壓縮室或任何可能發生冷凝的位置中所使用的材料產生腐蝕性影響。
這就是為何在壓縮機與相關元件的建造中使用不鏽鋼非常重要的原因。不鏽鋼可對壓縮與冷卻期間所形成的酸提供抗腐蝕性，確保機器的使用壽命與可靠性。
不鏽鋼
不鏽鋼以其抗腐蝕性聞名，這主要是因為鉻的存在。根據定義，不銹鋼的重量中至少必須有 10.5% 的鉻含量。不鏽鋼的抗腐蝕性可透過加入鎳、鉬、氮氣和鈦等其他合金元素進一步強化。
例如，常見的 AISI 304L 不鏽鋼包含 18.111% 的鉻與 8.074% 的鎳，提供良好的抗腐蝕性與機械特性，降伏強度為 351 N/mm²，抗拉強度為 619 N/mm²。另外也可以發現到低碳含量，這有助於防止焊接後發生晶間腐蝕。
這些特性使不鏽鋼成為許多應用的理想材料，包括對醫療、食品處理和建築工業而言極為重要的耐用性與衛生要求。
涉及的液體風險
第二點也同樣重要，處理混合物中包含 H2O 的混合氣體時所要考量的風險，是在壓縮前形成液體水滴的相關風險。相較於氣體，這些液體水滴的可壓縮性會大幅降低。當它們進入容積式壓縮機的壓縮室時，壓縮這些液體水滴所需的力道可能遠超出氣體壓縮機的設計標準。
這可能會導致曲軸故障、活塞桿損壞或其他機械故障。
為降低與壓縮濕式 CO2 相關，尤其是飽和 CO2 相關的風險，必須使用
入口分離器。
- 此裝置可防止液態水進入壓縮室，保護汽缸、閥和活塞免於損壞。
- 它也能保證空氣壓縮機在嚴苛應用下的可靠運作。
涉及的熱風險
另一個考量重點是氣體混合物的特定熱度。特定熱表示變更氣體溫度所需的能量。壓縮相同的環境空氣量或純 CO2 會導致相同出口壓力下的氣體溫度不同。
徹底瞭解此特性對於微調壓縮過程和相關冷卻需求，以避免任何溫度變化的相關風險至關重要。
適當尺寸的中間和後端冷卻器能讓壓縮機以可能最有效率的方式運轉，並將作業成本降至最低。
結論
壓縮 CO2 與 H2O 混合物是一種需要瞭解相關氣體特性的工作。
藉由使用正確的材料 (例如不鏽鋼)，並結合入口分離器等安全措施，工程師可有效管理風險，並確保作業安全有效。