陳 乾

（中國空分工程有限公司，浙江杭州 310051）

大型低溫化工設(shè)備的保冷設(shè)計

陳 乾

（中國空分工程有限公司，浙江杭州 310051）

介紹大型低溫化工設(shè)備在低溫工況下冷量傳遞的方式及應(yīng)對冷量損失采取的措施。關(guān)鍵詞：低溫；設(shè)備；冷損；絕熱保冷

在現(xiàn)代工業(yè)大發(fā)展的背景下，化工裝備曾現(xiàn)出大型化、高溫高壓、深冷、高效節(jié)能及環(huán)保等特點。本文就大型低溫化工設(shè)備的保冷設(shè)計展開探討，對大型低溫化工設(shè)備的冷量傳遞過程，傳遞方式，主要的冷量損失及采用的措施進(jìn)行研究，以達(dá)到減少設(shè)備冷量損失，降低設(shè)備能耗，提高設(shè)備運行的經(jīng)濟效益，保證設(shè)備運行的安全性。

大型低溫化工設(shè)備的類型很多，常見的如低溫冷箱、低溫常壓儲罐、低溫冷柜等。這些設(shè)備的直徑或高度通常達(dá)幾十米，儲存容積從幾千立方米到十幾萬立方米不等。設(shè)備運行時的工作溫度可到-165℃甚至更低。如液氮儲罐的工作溫度達(dá)-196℃。由于設(shè)備的工作溫度與環(huán)境溫度存在巨大的溫差，同時大型低溫化工設(shè)備的體積龐大，如保冷效果不佳勢必造成冷量的大量泄漏，使得設(shè)備的能耗大大增加，運行費用急劇升高，對經(jīng)濟效益帶來很大的負(fù)面影響。同時，這些設(shè)備儲存的介質(zhì)有很多是易燃易爆物質(zhì)，一旦介質(zhì)泄漏，大型低溫化工設(shè)備就是一個巨大的危險源。因此，良好的設(shè)備保冷設(shè)計對設(shè)備的經(jīng)濟性和安全性有重大影響。

1 典型大型低溫化工設(shè)備的熱量傳遞原理及保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計

以20 000m3液化天然氣（LNG）儲罐為例，儲罐為雙層金屬吊頂單容罐，固定拱頂結(jié)構(gòu)。儲罐參數(shù)如表1。

表1 20 000m3LNG儲罐參數(shù)表

熱力學(xué)第二定律指出，凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量的傳遞，大型低溫化工設(shè)備的工作溫度與環(huán)境溫度的溫差更大，以液化天然氣（LNG）工作溫度-162℃，環(huán)境溫度20℃計算，兩者的溫差為-182℃，這么大的溫差導(dǎo)致熱傳遞的動能極大，冷量很容易損失。因此，必須采取措施削弱低溫介質(zhì)的熱傳遞，以減少冷量損失。

根據(jù)傳熱機理的不同，熱的傳遞有三種基本方式∶熱傳導(dǎo)、對流傳熱和熱輻射。熱傳遞可以以一種方式進(jìn)行，也可以以兩種或三種方式同時進(jìn)行。對于大型低溫化工設(shè)備，通常熱傳遞的三種方式都存在。由溫差導(dǎo)致的對大氣環(huán)境的熱傳導(dǎo)，由太陽輻射引起的熱輻射以及有大氣氣流引起的對流傳熱。在這三種方式中熱傳導(dǎo)是主要熱量傳遞的方式，因此，這里主要對熱傳導(dǎo)進(jìn)行討論。

熱量不依靠宏觀運動而從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的過程叫熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中都可以發(fā)生，但它們的導(dǎo)熱機理各有不同。氣體熱傳導(dǎo)是氣體分子作不規(guī)則運動時相互碰撞的結(jié)果。溫度代表著分子的動能，高溫區(qū)的分子運動速度比低溫區(qū)的大，能力高的分子與能量低的分子相互碰撞的結(jié)果，宏觀上表現(xiàn)為熱量由高溫處傳到低溫處。液體熱傳導(dǎo)的肌理與氣體類似，但由于液體分子間距小，分子力場對分子碰撞過程的能量交換影響很大，故變得更加復(fù)雜。固體以兩種方式傳導(dǎo)熱能，自由電子的遷移和晶格震動。大型低溫化工設(shè)備的固體傳熱主要為外層鋼板，鋼鐵合金為良好的導(dǎo)電體，自由電子的流動可將熱量由高溫區(qū)快速向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移。而保溫介質(zhì)膨脹珍珠巖和玻璃磚是非金屬，不導(dǎo)電，熱傳導(dǎo)是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)的，通常通過晶格振動傳遞的能量要比自由電子傳遞的能量小。

1.2 典型大型低溫化工設(shè)備的保冷設(shè)計

以20 000m3LNG儲罐為例，該設(shè)備儲存的介質(zhì)為液化天然氣（LNG），介質(zhì)的工作溫度通常在-162℃左右，設(shè)備采用雙層殼體設(shè)計，內(nèi)層殼體盛裝低溫介質(zhì)LNG，內(nèi)層與外層殼體的夾層盛裝保冷材料，以防止低溫介質(zhì)的冷量通過熱交換，散失到自然環(huán)境中。LNG儲罐采用圓筒設(shè)計，整個筒體的表面積占整個設(shè)備的大部分。因此，筒體部位的冷量損失也是最大的，做好筒體的保冷措施對整個設(shè)備的熱效率起著舉足輕重的作用。內(nèi)外層殼體的夾層空間間距為一米，夾層中填充的保冷材料采用膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖為閉孔型保冷材料，顆粒度小，易填充，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.047W/m·K，堆積密度≤70kg/m3。低的導(dǎo)熱系數(shù)和較輕的密度成為設(shè)備保冷的理想材料。

該儲罐內(nèi)罐底和外罐底之間采用玻璃磚作保冷。對大型設(shè)備而言，由于尺寸大，重量重，底部受力較大，要求保冷材料有一定的強度。20 000m3LNG儲罐的內(nèi)罐重量在滿載的狀態(tài)下能達(dá)到1萬t左右，對此保冷材料需兼顧強度和導(dǎo)熱性能。因此，玻璃磚及加強改進(jìn)型玻璃磚成為設(shè)備底部保冷的首選。

20 000m3LNG低溫儲罐內(nèi)層罐頂部上方設(shè)置800mm厚的玻璃棉用于低溫液體的絕熱保冷防護(hù)。采用玻璃棉主要考慮材料的密度和導(dǎo)熱性能。玻璃棉的密度一般在12kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小于等于0.038 4W/m·K。由于玻璃棉需要懸掛在內(nèi)罐頂?shù)纳戏?，質(zhì)量過大可能會掉落，其良好的絕熱性能可以阻擋大部分儲罐頂部的熱量進(jìn)入內(nèi)罐，從而減少低溫的液體蒸發(fā)。

1.3 典型大型低溫化工設(shè)備的保冷計算

以20 000m3LNG低溫儲罐為例，設(shè)備的熱量來源主要有兩部分∶太陽輻射和大氣環(huán)境溫度的熱傳導(dǎo)。單位面積熱量傳遞的計算公式為∶

符號的意義為∶Q為太陽輻射熱W/m2；I為太陽輻射強度W/m2；ε為表面黑度；Kr為灌頂截面積與水平投影面積比值；θ為太陽輻射角度；Q1為儲罐拱頂吸收熱量W/m2；ts為儲罐拱頂外表面溫度℃；ta為環(huán)境溫度℃；Q2為儲罐內(nèi)介質(zhì)吸收熱量W/m2。

2 大型低溫化工設(shè)備絕熱材料的選用

低溫化工設(shè)備絕熱性能取決于絕熱保冷材料材料性能的好壞。而評定絕熱保冷材料的好壞的主要指標(biāo)為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下，我們把導(dǎo)熱系數(shù)低于0.064 W/m·K的材料稱為保冷材料。低溫、超低溫設(shè)備的保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)比0.064 W/m·K來得更低。優(yōu)異的材料性能材料保證大型低溫化工設(shè)備的穩(wěn)定高效運行，保證設(shè)備的經(jīng)濟效益。主要的絕熱保冷材料有膨脹珍珠巖、泡沫玻璃磚、玻璃棉和PIR等。PIR（聚氨酯）常用于低溫管道的保冷，這里不做討論。

2.1 絕熱保冷材料膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是珍珠巖礦砂經(jīng)預(yù)熱，瞬時高溫焙燒膨脹后制成的一種內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)的白色顆粒狀的材料。珍珠巖礦石經(jīng)破碎形成一定粒度的礦砂，經(jīng)預(yù)熱焙燒，急速加熱（1 000℃以上），礦砂中水分汽化，在軟化的含有玻璃質(zhì)的礦砂內(nèi)部膨脹，形成多孔結(jié)構(gòu)，體積膨脹10～30倍的非金屬礦產(chǎn)品。膨脹珍珠巖根據(jù)其膨脹工藝技術(shù)及用途不同分為三種形態(tài)∶開放孔（open cell），閉孔（closed cell），中空孔（balloon）。用于低溫保冷的膨脹珍珠巖為閉孔型（closed cell）。

膨脹珍珠巖的屬性如表2所示∶

表2 膨脹珍珠巖的特性

膨脹珍珠巖的粒度較小，散堆條件下可以壓實。因此，一般采用膨脹珍珠巖用作設(shè)備保冷材料時應(yīng)采取措施搗振松散的保冷材料，以便減少膨脹珍珠巖顆粒間隙，保證絕熱效果。另外膨脹珍珠巖易受潮，吸水后的膨脹珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)會急劇升高，造成低溫設(shè)備的保冷失效，導(dǎo)致事故的發(fā)生。施工前應(yīng)對保冷材料進(jìn)行烘干處理，保證材料的質(zhì)量含水率達(dá)標(biāo)。

2.2 絕熱保冷材料泡沫玻璃磚

泡沫玻璃磚是一種以玻璃為主要原料，加入適量發(fā)泡劑，通過高溫遂道窯爐加熱焙燒和退火冷卻加工處理后制得，具有均勻的獨立密閉氣隙結(jié)構(gòu)的新型無機絕熱材料。由于它完全保留了無機玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，具有容重低、導(dǎo)熱系數(shù)小、不透濕、不吸水、不燃燒、不霉變、不受鼠嚙、機械強度高卻又易加工，能耐除氟化氫以外所有的化學(xué)侵蝕。泡沫玻璃不但本身無毒，化學(xué)性能穩(wěn)定，以及能在超低溫到高溫的廣泛溫度范圍內(nèi)不會變質(zhì)的良好隔熱性能，而且本身又起到防潮、防火、防腐的作用。它在低溫深冷環(huán)境下使用時，不但安全可靠，而且經(jīng)久耐用。泡沫玻璃磚的屬性如表3所示∶

表3 泡沫玻璃磚的特性

泡沫玻璃磚易碎，鋪設(shè)時應(yīng)進(jìn)行玻璃磚的防護(hù)工作，以避免玻璃磚在施工過程中被損壞。

泡沫玻璃磚可以根據(jù)需要制成各種規(guī)格，施工方便。通常泡沫玻璃磚用作大型低溫化工設(shè)備的底部保冷，主要是因為泡沫玻璃磚有足夠的抗壓強度，能保證不會因承受較大的表面壓力而坍塌。

2.3 絕熱保冷材料玻璃棉

玻璃棉屬于玻璃纖維中的一個類別，是一種人造無機纖維。玻璃棉是將熔融玻璃纖維化，形成棉狀的材料，化學(xué)成分屬玻璃類，是一種無機質(zhì)纖維。具有成型好、體積密度小、熱導(dǎo)率彽、保溫絕熱、吸音性能好、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定。玻璃棉的屬性如表4所示∶

表4 玻璃棉的特性

玻璃棉的價格較低，性價比高，化學(xué)穩(wěn)定性好，密度小。在大型低溫化工設(shè)備的保冷設(shè)計中常用作頂部保冷材料，以減少設(shè)備元件的受力，降低構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，同時也可以適當(dāng)降低設(shè)備的造價。

3 結(jié)論

隨著我國化工行業(yè)的發(fā)展，大型低溫化工設(shè)備數(shù)量越來越多，體積越來越大，重要性日漸突出。低溫設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性也隨著其自身的發(fā)展受到挑戰(zhàn)。空分行業(yè)和液化天然氣行業(yè)是大型低溫設(shè)備使用最多的兩個行業(yè)。這兩個行業(yè)的工廠規(guī)模正在急劇擴大，目前國內(nèi)空分裝置規(guī)模可達(dá)120 000m3/ h，液化天然氣接收站的LNG儲罐容積高達(dá)1 600 000 m3/臺。這些大型低溫化工設(shè)備每天的能耗高達(dá)上萬千瓦，對工廠的經(jīng)濟效益產(chǎn)生巨大的影響。另外，大型設(shè)備儲存的介質(zhì)數(shù)量巨大，這些介質(zhì)皆是低溫液體，很多還是易燃易爆介質(zhì)。儲存的介質(zhì)泄漏汽化后的體積是液態(tài)體積的數(shù)百倍，一旦遇明火爆炸，結(jié)果是災(zāi)難性的。鑒于大型低溫化工設(shè)備的重要性，對設(shè)備的保冷設(shè)計及保冷材料的探討具有現(xiàn)實的意義。

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Cold Insulation Design of Large Low Temperature Chemical Equipment

Chen Qian

Introduces the way of the cooling capacity transfer and the measures to deal with the cold loss in the low temperature chemical equipment.

low temperature；equipment；cold loss；heat insulation and cold insulation

TE972

B

1003-6490（2017）02-0060-02