太空涂料在丙烯腈儲罐上的應(yīng)用

施曉玲（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司，安徽合肥230022）

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太空涂料在丙烯腈儲罐上的應(yīng)用

施曉玲
（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司，安徽合肥230022）

摘要：就太空涂料在丙烯腈儲罐的應(yīng)用進行分析計算，確定實施方案，并進行試驗推廣。試驗表明，太空涂料可取代噴淋水，保證丙烯腈貯存溫度低于30℃。

關(guān)鍵詞：太空涂料；丙烯腈；貯存溫度

1　前言

丙烯腈在常溫下是無色透明液體，劇毒,空氣中的爆炸極限為3.05％～17.5％（Vol），屬易燃易爆有毒化學(xué)危險品。丙烯腈分子中含有腈基和C=C不飽和雙鍵，因此化學(xué)性質(zhì)極為活潑，能發(fā)生聚合、加成等反應(yīng)。根據(jù)《工業(yè)用丙烯腈（GB7717.1- 2008）》的要求，丙烯腈的貯存溫度不應(yīng)超過30℃。為確保安全，減少環(huán)境污染，目前國內(nèi)常采用工業(yè)噴淋水來降低夏季丙烯腈儲罐溫度，此方法不僅需要消耗大量的工業(yè)水，而且在夏季高溫季節(jié)無法保證丙烯腈儲罐溫度不超過30℃。

二十世紀(jì)90年代美國國家航空航天局（NASA）的科技人員為解決航天飛行器的傳熱控制問題而開發(fā)了一種太空絕熱瓷層（Therma- Cover）。這種材料是由一些懸浮于惰性乳膠中的微小陶瓷顆粒構(gòu)成,具有高反射率、高輻射率、低導(dǎo)熱系數(shù)、低蓄熱系數(shù)等熱工性能，因此具有卓越的隔熱功能。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)引進該技術(shù)開發(fā)出新型太空涂料。太空涂料有反射涂料和保溫涂料兩種，太陽熱反射涂料（T－1）對太陽輻射有很高的反射率，紅外反射率為93％～95％，全太陽反射率為82％～85％；保溫涂料（T－2）具有極低的導(dǎo)熱率，導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.014～0.018kcal/m2·℃·h，具有優(yōu)良的隔熱性能。

為保證安全生產(chǎn)，擬采用太空涂料取代工業(yè)噴淋水來降低夏季丙烯腈儲罐溫度。本文就太空涂料在丙烯腈儲罐上的應(yīng)用可行性、實施方案以及實際效果進行了闡述。

2　儲罐傳熱分析

2.1儲罐熱平衡基本關(guān)系

圖1為容器表面受太陽光輻射的能量收支平衡關(guān)系（以單位面積計）。

對整個儲罐，可寫出熱平衡方程：

式中:q吸陽光熱－儲罐表面反射照射陽光后吸收的太陽熱，表面反射率越高，表面吸收的熱量越少；q表面散熱－表面受陽光照射，產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”，表面溫度高于環(huán)境溫度，以“輻射”和“對流”兩種方式向外的散熱，儲罐表面涂料的熱輻射率（即黑度值）越大，向外散熱量越大。

儲罐表面溫度是否高于環(huán)境溫度，不僅取決于表面吸收的太陽熱量,還取決于儲罐內(nèi)的介質(zhì)及其操作狀態(tài)。q罐滲入熱越大，儲罐表面溫度越易低于環(huán)境溫度。當(dāng)t表

q罐滲入熱－進入罐內(nèi)的熱量，取決于罐表面溫度與罐內(nèi)介質(zhì)的溫差、傳熱熱阻、儲罐內(nèi)的介質(zhì)及其操作狀態(tài)。丙烯腈儲罐的傳熱溫差較大，因此q罐滲入熱較大。

2.2罐內(nèi)的熱平衡

熱量進入罐內(nèi)，使罐內(nèi)液相、氣相介質(zhì)溫度升高，用于增加氣、液相介質(zhì)的蓄熱和液體蒸發(fā)。

對于丙烯腈儲罐，由于儲存溫度較低，加上不易蒸發(fā)（其飽和蒸氣壓較小），液體蒸發(fā)用熱很小，氣體的熱容也較小，進入罐內(nèi)的熱量主要用于罐內(nèi)液體的升溫。

由式（1）（2）可寫出儲罐內(nèi)液體的平均溫升Δt平：

式（3）中G、CP、F分別為液體重量、比熱及罐表面積。

計算表明，不論采用哪種涂料，Δt平都不是很大。在進罐丙烯腈物料溫度僅4℃情況下，儲存幾天，罐內(nèi)平均溫度遠(yuǎn)低于30℃。

儲罐受太陽照射后，罐內(nèi)呈現(xiàn)外圍（液相界面附近和向陽側(cè)壁附近）液體溫度先升高，然后逐漸使液體內(nèi)部升溫，如儲存時間僅幾天，液體中央部位溫度可能不變。

夏季進入儲罐的熱量主要來自上部太陽照射，使儲罐表面溫度升高，然后熱量主要以輻射的方式傳至氣液相界面，使界面處的薄層很快升溫，由此產(chǎn)生液相蒸發(fā)和氣相壓力升高。

由于液體的導(dǎo)溫系數(shù)較小，對于靜止儲罐，外圍與中央的溫差很大，因此應(yīng)主要分析外界對丙烯腈儲罐關(guān)鍵部位（外圍，尤其是液相界面）溫度變化的影響。

3　丙烯腈儲罐內(nèi)溫度變化的計算

3.1條件假設(shè)和選取

影響丙烯腈儲罐內(nèi)溫度的因素很多,而且情況復(fù)雜多變。一天中，太陽輻射強度和照射部位不斷變化，向儲罐內(nèi)的傳熱又較為復(fù)雜，屬不穩(wěn)定傳熱。罐內(nèi)的液體傳熱較慢,熱量從外圍（液相界面附近和向陽側(cè)壁附近）液體向中心傳遞，也屬不穩(wěn)定傳熱。相對而言，涂料層、罐壁及氣體的傳熱較快。當(dāng)外部環(huán)境條件相對穩(wěn)定時，涂料表面、罐內(nèi)壁和液相界面處的溫度較容易達(dá)到動態(tài)平衡。

為了簡化計算過程，作以下假設(shè)：

（1）假定外部環(huán)境條件（太陽輻射強度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等）不變，這樣可把儲罐表面及罐內(nèi)壁（對罐頂可直至氣液界面）的傳熱按穩(wěn)定傳熱計算處理。

（2）假定罐內(nèi)液體處于靜止儲存狀態(tài)。此狀態(tài)下，圖1中顏色較深部位升溫達(dá)最大（當(dāng)罐內(nèi)有攪動時，罐內(nèi)溫度分布相對較均勻，罐內(nèi)局部升溫最大值要小些）。靜止儲存狀態(tài)下的罐內(nèi)液相傳熱按不穩(wěn)定傳熱計算。

計算時，選取較為苛刻的外部環(huán)境條件，用連續(xù)處于太陽照射和高環(huán)境溫度條件下來計算儲存多天的情況。

3.2穩(wěn)定傳熱的計算

按常規(guī)公式計算。由于各部位表面溫度相差很大，分成罐頂、向陽罐側(cè)、背陽罐側(cè)，并按水平分成氣相側(cè)壁、液相界面暖溫層側(cè)壁、液相主體層（界面暖溫層以下）側(cè)壁等部位（見圖2），分別進行傳熱計算。

3.3不穩(wěn)定傳熱計算

在相同條件下，罐容越小，罐內(nèi)溫度越容易升得較高。但即使對300m3的小罐，在靜止儲存幾天情況下，儲罐液體“中心”部位也不會因太陽輻射及環(huán)境溫度而升高，因此可把從外圍向液相內(nèi)的傳熱看成是按等熱通量向半無限大液體內(nèi)的不穩(wěn)定傳熱。

3.4計算結(jié)果（表2）

3.5計算結(jié)果分析

（1）T- 1涂料隔熱效果明顯優(yōu)于涼涼膠。用高效太陽熱反射涂料（高陽光反射率、高熱輻射率、高熱阻隔熱屏障性以高陽光反射率為主要標(biāo)志）是降低儲罐表面溫度,從而降低進入儲罐內(nèi)熱量的有效手段。

T- 1涂料對太陽輻射的反射率很高。表2中，與方案4的涼涼膠相比，方案3的T- 1涂料方案，罐頂涂料表面溫度、液相界面溫度可降低6℃。

（2）用T- 1涂料加T- 2涂料，可進一步降低罐內(nèi)溫度。丙烯腈儲罐內(nèi)液體與環(huán)境溫差很大，因此增設(shè)保溫層很有必要。當(dāng)罐內(nèi)有進料攪動時，罐壁處溫度變低，傳熱溫差會變大，因此增加“保溫層”更有必要。表2中，方案1與方案3相比，增加了T- 2涂料，液相界面溫度可降低2℃。

（3）增加T- 2涂料的厚度，可進一步降低液相溫度。表2中，與方案1相比，方案2的T- 2涂料厚度增加了1mm，液相界面溫度降低約1℃。

4　連續(xù)受熱時間對罐內(nèi)溫升的影響

表3為300m3罐的受熱時間對罐溫度的影響。從表3可看出，隨連續(xù)受熱時間的增加，滲入罐內(nèi)的熱量增加。隨連續(xù)受熱時間的增加，液相界面及罐側(cè)壁邊界層溫升幅度減小。

表3中，連續(xù)受熱時間12、36、48、60h下的液相界面溫度分別為29.70℃、35.11℃、36.62℃、37.53℃。上升幅度減小的原因是在太陽輻射強度和環(huán)境溫度等不變的情況下，隨連續(xù)受熱時間增加，液相界面溫度上升，造成涂料表面與液相界面的溫差Δt表-界減小，滲入罐內(nèi)的熱量的傳熱推動力減小。連續(xù)受熱時間12、36、48、60h下的Δt表-界分別為14.32℃、10.24℃、9.07℃、8.40℃。值得注意的是，表3中方案11的連續(xù)受熱時間還較短（12h），因此液相界面的溫度還很低，涂料表面溫度低于環(huán)境溫度，即滲入罐內(nèi)的熱量不僅來自陽光還來自環(huán)境。隨連續(xù)受熱時間的增加，涂料表面溫度高于環(huán)境溫度后，表面向環(huán)境散熱。

隨連續(xù)受熱時間的增加，暖溫層厚度增加。連續(xù)受熱時間12、36、48、60h下的液相界面暖溫層厚度分別為0.27、0.47、0.54、0.6m。隨連續(xù)受熱時間的增加,暖溫層厚度增加幅度也慢慢減小。

4.1試驗方案選擇

通過以上計算和分析，我們發(fā)現(xiàn)，方案中均有部分區(qū)域溫度超過30℃，繼續(xù)增加保溫涂料T- 2的厚度，可以降低溫升，但也會增加投資?？紤]到理論計算選取的基本條件均是極端苛刻的狀況，發(fā)生的概率很低，而且即使使用了太空涂料，必要時還可以投用噴淋水。鑒于此，我們采用方案2進行試驗，即：罐頂噴涂反射涂料T- 1，厚度0.2mm，外加保溫涂料T- 2，厚度3mm。罐側(cè)壁噴涂反射涂料T- 1，厚度0.2mm，外加保溫涂料T- 2，厚度2mm。先在一個300m3的丙烯腈儲罐進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果再對方案進行調(diào)整，之后實施于其它儲罐。

4.2試驗結(jié)果

由于現(xiàn)場測溫條件的限制，我們無法取得理論計算各點的數(shù)據(jù)，只能依靠儲罐本身的熱電阻測得的數(shù)據(jù)。圖3是V- 121A和V- 121B兩個儲罐12h溫度變化情況。其中，V- 121A/B罐容、罐型相同，V- 121A采用太空涂料，V- 121B采用涼涼膠加噴淋。

從圖3可以看出，V- 121A采用太空涂料的溫升明顯小于V- 121B采用涼涼膠加噴淋。

我們對V- 121A和V- 121B 7月份（月平均溫度最高月）的溫度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，V- 121A采用太空涂料全月溫度均在30℃以下，最高28.9℃。V- 121B采用涼涼膠加噴淋全月有三個時間段溫度超過30℃，最高41.5℃。我們對超溫的時間段進行了分析，三個時間段均為液面接近溫度測點的時候，為液相界面暖溫層。

隨后我們根據(jù)實驗方案對其它的丙烯腈儲罐進行了改造，運行至今已近三年，貯存溫度均在30℃以下。

5　結(jié)論

太空涂料中太陽熱反射涂料（T－1）對太陽輻射有很高的反射率，保溫涂料（T－2）具有極低的導(dǎo)熱率，具有優(yōu)良的隔熱性能。太空涂料可明顯降低丙烯腈儲罐表面溫度和罐內(nèi)溫度，隔熱效果好于涼涼膠，可取代噴淋水降溫，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。用太陽熱反射涂料（T－1）和保溫涂料（T－2)相結(jié)合的方案，可保證丙烯腈貯存溫度低于30℃，提高丙烯腈儲罐運行的安全性?！?/p>

作者簡介：施曉玲（1966-），女，工程師，從事石油化工、石油化工工藝設(shè)計工作，0551- 65708678，13074075280，shixl66@sina.com。

收稿日期：2016- 01- 03

中圖分類號：TQ053.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008- 553X（2016）02- 0048- 04

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.015