大型低溫化工設備的保冷設計

陳乾+徐華珍+柳華鋒

摘 要：在現代工業大發展的背景下，化工裝備呈現出大型化、高溫高壓、深冷、高效節能及環保等特點。本文就大型低溫化工設備的保冷設計展開探討，對大型低溫化工設備的冷量傳遞過程，傳遞方式，主要的冷量損失及采用的措施進行研究，以達到減少設備冷量損失，降低設備能耗，提高設備運行的經濟效益，保證設備運行的安全性。

關鍵詞：低溫；設備；冷損；絕熱保冷

中圖分類號：TE972 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0082-02

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

1 典型大型低溫化工設備的熱量傳遞原理及保冷結構設計

以20000m3液化天然氣（LNG）儲罐為例，儲罐為雙層金屬吊頂單容罐，固定拱頂結構。儲罐外罐參數如下：設計壓力29Kpa，設計溫度-20/50℃，直徑35000mm，筒體高度25500mm，腐蝕余量1.5mm；儲罐內罐參數如下：設計壓力為0 Kpa，設計溫度-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備的熱量傳遞原理

熱力學第二定律指出，凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量的傳遞，大型低溫化工設備的工作溫度與環境溫度的溫差更大，以液化天然氣（LNG）工作溫度-162℃，環境溫度20℃計算，兩者的溫差為-182℃，這么大的溫差導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的熱傳遞，以減少冷量損失。

根據傳熱機理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流傳熱和熱輻射。熱傳遞可以以一種方式進行，也可以以兩種或三種方式同時進行。對于大型低溫化工設備，通常熱傳遞的三種方式都存在。由溫差導致的對大氣環境的熱傳導，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是主要熱量傳遞的方式，因此，這里主要對熱傳導進行討論[2]。

熱量不依靠宏觀運動而從物體中的高溫區向低溫區移動的過程叫熱傳導。熱傳導在固體、液體和氣體中都可以發生，但它們的導熱機理各有不同。氣體熱傳導是氣體分子作不規則運動時相互碰撞的結果。溫度代表著分子的動能，高溫區的分子運動速度比低溫區的大，能力高的分子與能量低的分子相互碰撞的結果，宏觀上表現為熱量由高溫處傳到低溫處。液體熱傳導的肌理與氣體類似，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，故變得更加復雜。固體以兩種方式傳導熱能，自由電子的遷移和晶格震動。大型低溫化工設備的固體傳熱主要為外層鋼板，鋼鐵合金為良好的導電體，自由電子的流動可將熱量由高溫區快速向低溫區轉移。而保溫介質膨脹珍珠巖和玻璃磚是非金屬，不導電，熱傳導是通過晶格結構的振動來實現的，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備的保冷設計

以20000m3LNG儲罐為例，該設備儲存的介質為液化天然氣（LNG），介質的工作溫度通常在-162℃左右，設備采用雙層殼體設計，內層殼體盛裝低溫介質LNG，內層與外層殼體的夾層盛裝保冷材料，以防止低溫介質的冷量通過熱交換，散失到自然環境中。LNG儲罐采用圓筒設計，整個筒體的表面積占整個設備的大部分。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備的熱效率起著舉足輕重的作用。內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，導熱系數≤0.047W/mK，堆積密度：≤70kg/m3。低的導熱系數和較輕的密度成為設備保冷的理想材料。

該儲罐內罐底和外罐底之間采用玻璃磚作保冷。對大型設備而言，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。20000m3LNG儲罐的內罐重量在滿載的狀態下能達到一萬噸左右，對此保冷材料需兼顧強度和導熱性能。因此，玻璃磚及加強改進型玻璃磚成為設備底部保冷的首選。20000m3LNG低溫儲罐內層罐頂部上方設置800mm厚的玻璃棉用于低溫液體的絕熱保冷防護。采用玻璃棉主要考慮材料的密度和導熱性能。玻璃棉的密度一般在12kg/m3，導熱系數小于等于0.0384W/m·K。由于玻璃棉需要懸掛在內罐頂的上方，質量過大可能會掉落，其良好的絕熱性能可以阻擋大部分儲罐頂部的熱量進入內罐，從而減少低溫的液體蒸發。

1.3 典型大型低溫化工設備的保冷計算

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

Q=I×ε×Kr×cosθ （a）

Q1=α×（ts-ta） （b）

Q2=Q-Q1 （c）

符號的意義為：Q-太陽輻射熱W/m2；I-太陽輻射強度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-儲罐拱頂吸收熱量W/m2；ts-儲罐拱頂外表面溫度℃；ta-環境溫度℃；Q2-儲罐內介質吸收熱量W/m2。

2 大型低溫化工設備絕熱材料的選用

低溫化工設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為材料的導熱系數。一般情況下，我們把導熱系數低于0.064W/m·K的材料稱為保冷材料。低溫、超低溫設備的保冷材料的導熱系數比0.064W/m·K來得更低。優異的材料性能材料保證大型低溫化工設備的穩定高效運行，保證設備的經濟效益。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[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預熱，瞬時高溫焙燒膨脹后制成的一種內部為蜂窩狀結構的白色顆粒狀的材料。珍珠巖礦石經破碎形成一定粒度的礦砂，經預熱焙燒，急速加熱（1000℃以上），礦砂中水分汽化，在軟化的含有玻璃質的礦砂內部膨脹，形成多孔結構，體積膨脹10-30倍的非金屬礦產品。膨脹珍珠巖根據其膨脹工藝技術及用途不同分為三種形態：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%），質量含水率≤2.0%，導熱系數為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。因此，一般采用膨脹珍珠巖用作設備保冷材料時應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熱系數會急劇升高，造成低溫設備的保冷失效，導致事故的發生。施工前應對保冷材料進行烘干處理，保證材料的質量含水率達標。

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構的新型無機絕熱材料。由于它完全保留了無機玻璃的化學穩定性，具有容重低、導熱系數小、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侵蝕。泡沫玻璃不但本身無毒，化學性能穩定，以及能在超低溫到高溫的廣泛溫度范圍內不會變質的良好隔熱性能，而且本身又起到防潮、防火、防腐的作用。它在低溫深冷環境下使用時，不但安全可靠，而且經久耐用。泡沫玻璃磚的特性如下：密度約為120 kg/m3，抗壓強度約80-160 Mpa，體積吸水率≤2.0%，導熱系數為0.0425W/m·K，屬于阻燃材料。泡沫玻璃磚易碎，鋪設時應進行玻璃磚的防護工作，以避免玻璃磚在施工過程中被損壞。泡沫玻璃磚可以根據需要制成各種規格，施工方便。通常泡沫玻璃磚用作大型低溫化工設備的底部保冷，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，化學成分屬玻璃類，是一種無機質纖維.具有成型好、體積密度小、熱導率彽、保溫絕熱、吸音性能好、耐腐蝕、化學性能穩定。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，導熱系數為0.0384W/m·K，屬于不燃材料。玻璃棉的價格較低，性價比高，化學穩定性好，密度小。在大型低溫化工設備的保冷設計中常用作頂部保冷材料，以減少設備元件的受力，降低構件的內應力，同時也可以適當降低設備的造價[4]。

3 結語

大型低溫化工設備隨著我國化工行業的發展，數量越來越多，體積越來越大，重要性日漸突出。低溫設備的安全性和經濟性也隨著其自身的發展受到挑戰。空分行業和液化天然氣行業是大型低溫設備使用最多的兩個行業。這兩個行業的工廠規模正在急劇擴大，空分裝置目前國內規模可達120000Nm3/h，液化天然氣接收站的LNG儲罐容積高達1600000m3/臺。這些大型低溫化工設備每天的能耗高達上萬千瓦，對工廠的經濟效益產生巨大的影響。另外，大型設備儲存的介質數量巨大，這些介質皆是低溫液體，很多還是易燃易爆介質。儲存的介質泄漏汽化后的體積是液態體積的數百倍，一旦遇明火爆炸，結果是災難性的。鑒于大型低溫化工設備的重要性，對設備的保冷設計及保冷材料的探討具有現實的意義。

參考文獻

[1]李鴻發.設備與管道的保冷與保溫[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]陳光明，陳國邦.制冷與低溫原理[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]曲通馨.絕熱材料與絕熱工程實用手冊[M].北京：中國建材工業出版社，1998.

[4]莫理京，等.絕熱工程技術手冊[M].北京：中國石化出版社，1997.