大型低温化工设备的保冷设计
时间：2020-12-28 20:01:49 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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]。
