大型低温化工设备的保冷设计

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摘 要：在现代工业大发展的背景下，化工装备呈现出大型化、高温高压、深冷、高效节能及环保等特点。本文就大型低温化工设备的保冷设计展开探讨，对大型低温化工设备的冷量传递过程，传递方式，主要的冷量损失及采用的措施进行研究，以达到减少设备冷量损失，降低设备能耗，提高设备运行的经济效益，保证设备运行的安全性。
关键词：低温；设备；冷损；绝热保冷
中图分类号：TE972 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0082-02
大型低温化工设备的类型很多，常见的如低温冷箱、低温常压储罐、低温冷柜等。这些设备的直径或高度通常达几十米，储存容积从几千立方米到十几万立方米不等。设备运行时的工作温度可到-165℃甚至更低。如液氮储罐的工作温度达-196℃。由于设备的工作温度与环境温度存在巨大的温差，同时大型低温化工设备的体积庞大，如保冷效果不佳势必造成冷量的大量泄漏，使得设备的能耗大大增加，运行费用急剧升高，对经济效益带来很大的负面影响。同时，这些设备储存的介质有很多是易燃易爆物质，一旦介质泄漏，大型低温化工设备就是一个巨大的危险源。因此，良好的设备保冷设计对设备的经济性和安全性有重大影响。
1 典型大型低温化工设备的热量传递原理及保冷结构设计
以20000m3液化天然气（LNG）储罐为例，储罐为双层金属吊顶单容罐，固定拱顶结构。储罐外罐参数如下：设计压力29Kpa，设计温度-20/50℃，直径35000mm，筒体高度25500mm，腐蚀余量1.5mm；储罐内罐参数如下：设计压力为0 Kpa，设计温度-165℃，容积20000m3，罐腐蚀余量0mm，直径33000mm，筒体高度28030mm[1]。
1.1 典型大型低温化工设备的热量传递原理
热力学第二定律指出，凡是有温差存在的地方，就必然有热量的传递，大型低温化工设备的工作温度与环境温度的温差更大，以液化天然气（LNG）工作温度-162℃，环境温度20℃计算，两者的温差为-182℃，这么大的温差导致热传递的动能极大，冷量很容易损失。因此，必须采取措施削弱低温介质的热传递，以减少冷量损失。
根据传热机理的不同，热的传递有三种基本方式：热传导、对流传热和热辐射。热传递可以以一种方式进行，也可以以两种或三种方式同时进行。对于大型低温化工设备，通常热传递的三种方式都存在。由温差导致的对大气环境的热传导，由太阳辐射引起的热辐射以及有大气气流引起的对流传热。在这三种方式中热传导是主要热量传递的方式，因此，这里主要对热传导进行讨论[2]。
热量不依靠宏观运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程叫热传导。热传导在固体、液体和气体中都可以发生，但它们的导热机理各有不同。气体热传导是气体分子作不规则运动时相互碰撞的结果。温度代表着分子的动能，高温区的分子运动速度比低温区的大，能力高的分子与能量低的分子相互碰撞的结果，宏观上表现为热量由高温处传到低温处。液体热传导的肌理与气体类似，但由于液体分子间距小，分子力场对分子碰撞过程的能量交换影响很大，故变得更加复杂。固体以两种方式传导热能，自由电子的迁移和晶格震动。大型低温化工设备的固体传热主要为外层钢板，钢铁合金为良好的导电体，自由电子的流动可将热量由高温区快速向低温区转移。而保温介质膨胀珍珠岩和玻璃砖是非金属，不导电，热传导是通过晶格结构的振动来实现的，通常通过晶格振动传递的能量要比自由电子传递的能量小。
1.2 典型大型低温化工设备的保冷设计
以20000m3LNG储罐为例，该设备储存的介质为液化天然气（LNG），介质的工作温度通常在-162℃左右，设备采用双层壳体设计，内层壳体盛装低温介质LNG，内层与外层壳体的夹层盛装保冷材料，以防止低温介质的冷量通过热交换，散失到自然环境中。LNG储罐采用圆筒设计，整个筒体的表面积占整个设备的大部分。因此，筒体部位的冷量损失也是最大的，做好筒体的保冷措施对整个设备的热效率起着举足轻重的作用。内外层壳体的夹层空间间距為一米，夹层中填充的保冷材料采用膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩为闭孔型保冷材料，颗粒度小，易填充，导热系数≤0.047W/mK，堆积密度：≤70kg/m3。低的导热系数和较轻的密度成为设备保冷的理想材料。
该储罐内罐底和外罐底之间采用玻璃砖作保冷。对大型设备而言，由于尺寸大，重量重，底部受力较大，要求保冷材料有一定的强度。20000m3LNG储罐的内罐重量在满载的状态下能达到一万吨左右，对此保冷材料需兼顾强度和导热性能。因此，玻璃砖及加强改进型玻璃砖成为设备底部保冷的首选。20000m3LNG低温储罐内层罐顶部上方设置800mm厚的玻璃棉用于低温液体的绝热保冷防护。采用玻璃棉主要考虑材料的密度和导热性能。玻璃棉的密度一般在12kg/m3，导热系数小于等于0.0384W/m·K。由于玻璃棉需要悬挂在内罐顶的上方，质量过大可能会掉落，其良好的绝热性能可以阻挡大部分储罐顶部的热量进入内罐，从而减少低温的液体蒸发。
1.3 典型大型低温化工设备的保冷计算
以20000m3LNG低温储罐为例，设备的热量来源主要有两部分：（1）太阳辐射；（2）大气环境温度的热传导。单位面积热量传递的计算公式为：
Q=I×ε×Kr×cosθ （a）
Q1=α×（ts-ta） （b）
Q2=Q-Q1 （c）
符号的意义为：Q-太阳辐射热W/m2；I-太阳辐射强度W/m2；ε-表面黑度；Kr-灌顶截面积与水平投影面积比值；θ-太阳辐射角度；Q1-储罐拱顶吸收热量W/m2；ts-储罐拱顶外表面温度℃；ta-环境温度℃；Q2-储罐内介质吸收热量W/m2。
2 大型低温化工设备绝热材料的选用
低温化工设备绝热性能取决于绝热保冷材料材料性能的好坏。而评定绝热保冷材料的好坏的主要指标为材料的导热系数。一般情况下，我们把导热系数低于0.064W/m·K的材料称为保冷材料。低温、超低温设备的保冷材料的导热系数比0.064W/m·K来得更低。优异的材料性能材料保证大型低温化工设备的稳定高效运行，保证设备的经济效益。主要的绝热保冷材料有膨胀珍珠岩、泡沫玻璃砖、玻璃棉和PIR等。PIR（聚氨酯）常用于低温管道的保冷，这里不做讨论[3]。
2.1 絕热保冷材料膨胀珍珠岩
膨胀珍珠岩是珍珠岩矿砂经预热，瞬时高温焙烧膨胀后制成的一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料。珍珠岩矿石经破碎形成一定粒度的矿砂，经预热焙烧，急速加热（1000℃以上），矿砂中水分汽化，在软化的含有玻璃质的矿砂内部膨胀，形成多孔结构，体积膨胀10-30倍的非金属矿产品。膨胀珍珠岩根据其膨胀工艺技术及用途不同分为三种形态：开放孔（open cell），闭孔（closed cell），中空孔（balloon）。用于低温保冷的膨胀珍珠岩为闭孔型（closed cell）。膨胀珍珠岩的特性如下：堆积密度≤70kg/m3，粒度（4.75mm筛孔筛余量：≤2.0%；0.15mm筛孔筛余量：≤2.0%），质量含水率≤2.0%，导热系数为0.044W/m·K，属于阻燃材料。
膨胀珍珠岩的粒度较小，散堆条件下可以压实。因此，一般采用膨胀珍珠岩用作设备保冷材料时应采取措施捣振松散的保冷材料，以便减少膨胀珍珠岩颗粒间隙，保证绝热效果。另外膨胀珍珠岩易受潮，吸水后的膨胀珍珠岩的导热系数会急剧升高，造成低温设备的保冷失效，导致事故的发生。施工前应对保冷材料进行烘干处理，保证材料的质量含水率达标。
2.2 绝热保冷材料泡沫玻璃砖
泡沫玻璃砖是一种以玻璃为主要原料，加入适量发泡剂，通过高温遂道窑炉加热焙烧和退火冷却加工处理后制得，具有均匀的独立密闭气隙结构的新型无机绝热材料。由于它完全保留了无机玻璃的化学稳定性，具有容重低、导热系数小、不透湿、不吸水、不燃烧、不霉变、不受鼠啮、机械强度高却又易加工，能耐除氟化氢以外所有的化学侵蚀。泡沫玻璃不但本身无毒，化学性能稳定，以及能在超低温到高温的广泛温度范围内不会变质的良好隔热性能，而且本身又起到防潮、防火、防腐的作用。它在低温深冷环境下使用时，不但安全可靠，而且经久耐用。泡沫玻璃砖的特性如下：密度约为120 kg/m3，抗压强度约80-160 Mpa，体积吸水率≤2.0%，导热系数为0.0425W/m·K，属于阻燃材料。泡沫玻璃砖易碎，铺设时应进行玻璃砖的防护工作，以避免玻璃砖在施工过程中被损坏。泡沫玻璃砖可以根据需要制成各种规格，施工方便。通常泡沫玻璃砖用作大型低温化工设备的底部保冷，主要是因为泡沫玻璃砖有足够的抗压强度，能保证不会因承受较大的表面压力而坍塌。
2.3 绝热保冷材料玻璃棉
玻璃棉属于玻璃纤维中的一个类别，是一种人造无机纤维。玻璃棉是将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维.具有成型好、体积密度小、热导率彽、保温绝热、吸音性能好、耐腐蚀、化学性能稳定。玻璃棉的特性如下：密度约为12kg/m3，适用温度范围在232℃～-165℃之间，导热系数为0.0384W/m·K，属于不燃材料。玻璃棉的价格较低，性价比高，化学稳定性好，密度小。在大型低温化工设备的保冷设计中常用作顶部保冷材料，以减少设备元件的受力，降低构件的内应力，同时也可以适当降低设备的造价[4]。
3 结语
大型低温化工设备随着我国化工行业的发展，数量越来越多，体积越来越大，重要性日渐突出。低温设备的安全性和经济性也随着其自身的发展受到挑战。空分行业和液化天然气行业是大型低温设备使用最多的两个行业。这两个行业的工厂规模正在急剧扩大，空分装置目前国内规模可达120000Nm3/h，液化天然气接收站的LNG储罐容积高达1600000m3/台。这些大型低温化工设备每天的能耗高达上万千瓦，对工厂的经济效益产生巨大的影响。另外，大型设备储存的介质数量巨大，这些介质皆是低温液体，很多还是易燃易爆介质。储存的介质泄漏汽化后的体积是液态体积的数百倍，一旦遇明火爆炸，结果是灾难性的。鉴于大型低温化工设备的重要性，对设备的保冷设计及保冷材料的探讨具有现实的意义。
参考文献
[1]李鸿发.设备与管道的保冷与保温[M].北京：化学工业出版社，2002.
[2]陈光明，陈国邦.制冷与低温原理[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3]曲通馨.绝热材料与绝热工程实用手册[M].北京：中国建材工业出版社，1998.
[4]莫理京，等.绝热工程技术手册[M].北京：中国石化出版社，1997.