陳乾+徐華珍+柳華鋒

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)大發(fā)展的背景下，化工裝備呈現(xiàn)出大型化、高溫高壓、深冷、高效節(jié)能及環(huán)保等特點(diǎn)。本文就大型低溫化工設(shè)備的保冷設(shè)計(jì)展開探討，對(duì)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，保證設(shè)備運(yùn)行的安全性。

關(guān)鍵詞：低溫；設(shè)備；冷損；絕熱保冷

中圖分類號(hào)：TE972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0082-02

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(chǔ)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(chǔ)存容積從幾千立方米到十幾萬立方米不等。設(shè)備運(yùn)行時(shí)的工作溫度可到-165℃甚至更低。如液氮儲(chǔ)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(shí)大型低溫化工設(shè)備的體積龐大，如保冷效果不佳勢(shì)必造成冷量的大量泄漏，使得設(shè)備的能耗大大增加，運(yùn)行費(fèi)用急劇升高，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益帶來很大的負(fù)面影響。同時(shí)，這些設(shè)備儲(chǔ)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(gè)巨大的危險(xiǎn)源。因此，良好的設(shè)備保冷設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)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(jì)

以20000m3液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐為例，儲(chǔ)罐為雙層金屬吊頂單容罐，固定拱頂結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)罐外罐參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力29Kpa，設(shè)計(jì)溫度-20/50℃，直徑35000mm，筒體高度25500mm，腐蝕余量1.5mm；儲(chǔ)罐內(nèi)罐參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力為0 Kpa，設(shè)計(jì)溫度-165℃，容積20000m3，罐腐蝕余量0mm，直徑33000mm，筒體高度28030mm[1]。

1.1 典型大型低溫化工設(shè)備的熱量傳遞原理

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(jì)算，兩者的溫差為-182℃，這么大的溫差導(dǎo)致熱傳遞的動(dòng)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(jī)理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)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(shí)進(jìn)行。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)熱傳導(dǎo)進(jìn)行討論[2]。

熱量不依靠宏觀運(yùn)動(dòng)而從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動(dòng)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(jī)理各有不同。氣體熱傳導(dǎo)是氣體分子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。溫度代表著分子的動(dòng)能，高溫區(qū)的分子運(yùn)動(dòng)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(chǎng)對(duì)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(dòng)。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(dòng)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(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，通常通過晶格振動(dòng)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(jì)

以20000m3LNG儲(chǔ)罐為例，該設(shè)備儲(chǔ)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(jì)，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(chǔ)罐采用圓筒設(shè)計(jì)，整個(gè)筒體的表面積占整個(gè)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(duì)整個(gè)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/mK，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(chǔ)罐內(nèi)罐底和外罐底之間采用玻璃磚作保冷。對(duì)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(qiáng)度。20000m3LNG儲(chǔ)罐的內(nèi)罐重量在滿載的狀態(tài)下能達(dá)到一萬噸左右，對(duì)此保冷材料需兼顧強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能。因此，玻璃磚及加強(qiáng)改進(jìn)型玻璃磚成為設(shè)備底部保冷的首選。20000m3LNG低溫儲(chǔ)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0.0384W/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(huì)掉落，其良好的絕熱性能可以阻擋大部分儲(chǔ)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(jì)算

以20000m3LNG低溫儲(chǔ)罐為例，設(shè)備的熱量來源主要有兩部分：（1）太陽輻射；（2）大氣環(huán)境溫度的熱傳導(dǎo)。單位面積熱量傳遞的計(jì)算公式為：

Q=I×ε×Kr×cosθ （a）

Q1=α×（ts-ta） （b）

Q2=Q-Q1 （c）

符號(hào)的意義為：Q-太陽輻射熱W/m2；I-太陽輻射強(qiáng)度W/m2；ε-表面黑度；Kr-灌頂截面積與水平投影面積比值；θ-太陽輻射角度；Q1-儲(chǔ)罐拱頂吸收熱量W/m2；ts-儲(chǔ)罐拱頂外表面溫度℃；ta-環(huán)境溫度℃；Q2-儲(chǔ)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(píng)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0.064W/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0.064W/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(yùn)行，保證設(shè)備的經(jīng)濟(jì)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[3]。

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(shí)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（1000℃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）。膨脹珍珠巖的特性如下：堆積密度≤70kg/m3，粒度（4.75mm篩孔篩余量：≤2.0%；0.15mm篩孔篩余量：≤2.0%），質(zhì)量含水率≤2.0%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/m·K，屬于阻燃材料。

膨脹珍珠巖的粒度較小，散堆條件下可以壓實(shí)。因此，一般采用膨脹珍珠巖用作設(shè)備保冷材料時(shí)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(huì)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(duì)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(dú)立密閉氣隙結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)絕熱材料。由于它完全保留了無機(jī)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(jī)械強(qiáng)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(huì)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(shí)，不但安全可靠，而且經(jīng)久耐用。泡沫玻璃磚的特性如下：密度約為120 kg/m3，抗壓強(qiáng)度約80-160 Mpa，體積吸水率≤2.0%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0425W/m·K，屬于阻燃材料。泡沫玻璃磚易碎，鋪設(shè)時(shí)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?yàn)榕菽ＡТu有足夠的抗壓強(qiáng)度，能保證不會(huì)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(gè)類別，是一種人造無機(jī)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(jī)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。玻璃棉的特性如下：密度約為12kg/m3，適用溫度范圍在232℃～-165℃之間，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0384W/m·K，屬于不燃材料。玻璃棉的價(jià)格較低，性價(jià)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(jì)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(shí)也可以適當(dāng)降低設(shè)備的造價(jià)[4]。

3 結(jié)語

大型低溫化工設(shè)備隨著我國(guó)化工行業(yè)的發(fā)展，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(jì)性也隨著其自身的發(fā)展受到挑戰(zhàn)?？辗中袠I(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(gè)行業(yè)。這兩個(gè)行業(yè)的工廠規(guī)模正在急劇擴(kuò)大，空分裝置目前國(guó)內(nèi)規(guī)?？蛇_(dá)120000Nm3/h，液化天然氣接收站的LNG儲(chǔ)罐容積高達(dá)1600000m3/臺(tái)。這些大型低溫化工設(shè)備每天的能耗高達(dá)上萬千瓦，對(duì)工廠的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大的影響。另外，大型設(shè)備儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)設(shè)備的保冷設(shè)計(jì)及保冷材料的探討具有現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李鴻發(fā).設(shè)備與管道的保冷與保溫[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]陳光明，陳國(guó)邦.制冷與低溫原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]曲通馨.絕熱材料與絕熱工程實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1998.

[4]莫理京，等.絕熱工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，1997.