太空涂料在丙烯腈储罐上的应用

施晓玲（安徽实华工程技术股份有限公司，安徽合肥230022）



太空涂料在丙烯腈储罐上的应用

施晓玲
（安徽实华工程技术股份有限公司，安徽合肥230022）

摘要：就太空涂料在丙烯腈储罐的应用进行分析计算，确定实施方案，并进行试验推广。试验表明，太空涂料可取代喷淋水，保证丙烯腈贮存温度低于30℃。

关键词：太空涂料；丙烯腈；贮存温度

1　前言

丙烯腈在常温下是无色透明液体，剧毒,空气中的爆炸极限为3.05％～17.5％（Vol），属易燃易爆有毒化学危险品。丙烯腈分子中含有腈基和C=C不饱和双键，因此化学性质极为活泼，能发生聚合、加成等反应。根据《工业用丙烯腈（GB7717.1- 2008）》的要求，丙烯腈的贮存温度不应超过30℃。为确保安全，减少环境污染，目前国内常采用工业喷淋水来降低夏季丙烯腈储罐温度，此方法不仅需要消耗大量的工业水，而且在夏季高温季节无法保证丙烯腈储罐温度不超过30℃。

二十世纪90年代美国国家航空航天局（NASA）的科技人员为解决航天飞行器的传热控制问题而开发了一种太空绝热瓷层（Therma- Cover）。这种材料是由一些悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成,具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，因此具有卓越的隔热功能。国内相关企业引进该技术开发出新型太空涂料。太空涂料有反射涂料和保温涂料两种，太阳热反射涂料（T－1）对太阳辐射有很高的反射率，红外反射率为93％～95％，全太阳反射率为82％～85％；保温涂料（T－2）具有极低的导热率，导热系数一般为0.014～0.018kcal/m2·℃·h，具有优良的隔热性能。

为保证安全生产，拟采用太空涂料取代工业喷淋水来降低夏季丙烯腈储罐温度。本文就太空涂料在丙烯腈储罐上的应用可行性、实施方案以及实际效果进行了阐述。

2　储罐传热分析

2.1储罐热平衡基本关系

图1为容器表面受太阳光辐射的能量收支平衡关系（以单位面积计）。

对整个储罐，可写出热平衡方程：

式中:q吸阳光热－储罐表面反射照射阳光后吸收的太阳热，表面反射率越高，表面吸收的热量越少；q表面散热－表面受阳光照射，产生“热岛效应”，表面温度高于环境温度，以“辐射”和“对流”两种方式向外的散热，储罐表面涂料的热辐射率（即黑度值）越大，向外散热量越大。

储罐表面温度是否高于环境温度，不仅取决于表面吸收的太阳热量,还取决于储罐内的介质及其操作状态。q罐渗入热越大，储罐表面温度越易低于环境温度。当t表

q罐渗入热－进入罐内的热量，取决于罐表面温度与罐内介质的温差、传热热阻、储罐内的介质及其操作状态。丙烯腈储罐的传热温差较大，因此q罐渗入热较大。

2.2罐内的热平衡

热量进入罐内，使罐内液相、气相介质温度升高，用于增加气、液相介质的蓄热和液体蒸发。

对于丙烯腈储罐，由于储存温度较低，加上不易蒸发（其饱和蒸气压较小），液体蒸发用热很小，气体的热容也较小，进入罐内的热量主要用于罐内液体的升温。

由式（1）（2）可写出储罐内液体的平均温升Δt平：

式（3）中G、CP、F分别为液体重量、比热及罐表面积。

计算表明，不论采用哪种涂料，Δt平都不是很大。在进罐丙烯腈物料温度仅4℃情况下，储存几天，罐内平均温度远低于30℃。

储罐受太阳照射后，罐内呈现外围（液相界面附近和向阳侧壁附近）液体温度先升高，然后逐渐使液体内部升温，如储存时间仅几天，液体中央部位温度可能不变。

夏季进入储罐的热量主要来自上部太阳照射，使储罐表面温度升高，然后热量主要以辐射的方式传至气液相界面，使界面处的薄层很快升温，由此产生液相蒸发和气相压力升高。

由于液体的导温系数较小，对于静止储罐，外围与中央的温差很大，因此应主要分析外界对丙烯腈储罐关键部位（外围，尤其是液相界面）温度变化的影响。

3　丙烯腈储罐内温度变化的计算

3.1条件假设和选取

影响丙烯腈储罐内温度的因素很多,而且情况复杂多变。一天中，太阳辐射强度和照射部位不断变化，向储罐内的传热又较为复杂，属不稳定传热。罐内的液体传热较慢,热量从外围（液相界面附近和向阳侧壁附近）液体向中心传递，也属不稳定传热。相对而言，涂料层、罐壁及气体的传热较快。当外部环境条件相对稳定时，涂料表面、罐内壁和液相界面处的温度较容易达到动态平衡。

为了简化计算过程，作以下假设：

（1）假定外部环境条件（太阳辐射强度、环境温度、风速等）不变，这样可把储罐表面及罐内壁（对罐顶可直至气液界面）的传热按稳定传热计算处理。

（2）假定罐内液体处于静止储存状态。此状态下，图1中颜色较深部位升温达最大（当罐内有搅动时，罐内温度分布相对较均匀，罐内局部升温最大值要小些）。静止储存状态下的罐内液相传热按不稳定传热计算。

计算时，选取较为苛刻的外部环境条件，用连续处于太阳照射和高环境温度条件下来计算储存多天的情况。

3.2稳定传热的计算

按常规公式计算。由于各部位表面温度相差很大，分成罐顶、向阳罐侧、背阳罐侧，并按水平分成气相侧壁、液相界面暖温层侧壁、液相主体层（界面暖温层以下）侧壁等部位（见图2），分别进行传热计算。

3.3不稳定传热计算

在相同条件下，罐容越小，罐内温度越容易升得较高。但即使对300m3的小罐，在静止储存几天情况下，储罐液体“中心”部位也不会因太阳辐射及环境温度而升高，因此可把从外围向液相内的传热看成是按等热通量向半无限大液体内的不稳定传热。

3.4计算结果（表2）

3.5计算结果分析

（1）T- 1涂料隔热效果明显优于凉凉胶。用高效太阳热反射涂料（高阳光反射率、高热辐射率、高热阻隔热屏障性以高阳光反射率为主要标志）是降低储罐表面温度,从而降低进入储罐内热量的有效手段。

T- 1涂料对太阳辐射的反射率很高。表2中，与方案4的凉凉胶相比，方案3的T- 1涂料方案，罐顶涂料表面温度、液相界面温度可降低6℃。

（2）用T- 1涂料加T- 2涂料，可进一步降低罐内温度。丙烯腈储罐内液体与环境温差很大，因此增设保温层很有必要。当罐内有进料搅动时，罐壁处温度变低，传热温差会变大，因此增加“保温层”更有必要。表2中，方案1与方案3相比，增加了T- 2涂料，液相界面温度可降低2℃。

（3）增加T- 2涂料的厚度，可进一步降低液相温度。表2中，与方案1相比，方案2的T- 2涂料厚度增加了1mm，液相界面温度降低约1℃。

4　连续受热时间对罐内温升的影响

表3为300m3罐的受热时间对罐温度的影响。从表3可看出，随连续受热时间的增加，渗入罐内的热量增加。随连续受热时间的增加，液相界面及罐侧壁边界层温升幅度减小。

表3中，连续受热时间12、36、48、60h下的液相界面温度分别为29.70℃、35.11℃、36.62℃、37.53℃。上升幅度减小的原因是在太阳辐射强度和环境温度等不变的情况下，随连续受热时间增加，液相界面温度上升，造成涂料表面与液相界面的温差Δt表-界减小，渗入罐内的热量的传热推动力减小。连续受热时间12、36、48、60h下的Δt表-界分别为14.32℃、10.24℃、9.07℃、8.40℃。值得注意的是，表3中方案11的连续受热时间还较短（12h），因此液相界面的温度还很低，涂料表面温度低于环境温度，即渗入罐内的热量不仅来自阳光还来自环境。随连续受热时间的增加，涂料表面温度高于环境温度后，表面向环境散热。

随连续受热时间的增加，暖温层厚度增加。连续受热时间12、36、48、60h下的液相界面暖温层厚度分别为0.27、0.47、0.54、0.6m。随连续受热时间的增加,暖温层厚度增加幅度也慢慢减小。

4.1试验方案选择

通过以上计算和分析，我们发现，方案中均有部分区域温度超过30℃，继续增加保温涂料T- 2的厚度，可以降低温升，但也会增加投资。考虑到理论计算选取的基本条件均是极端苛刻的状况，发生的概率很低，而且即使使用了太空涂料，必要时还可以投用喷淋水。鉴于此，我们采用方案2进行试验，即：罐顶喷涂反射涂料T- 1，厚度0.2mm，外加保温涂料T- 2，厚度3mm。罐侧壁喷涂反射涂料T- 1，厚度0.2mm，外加保温涂料T- 2，厚度2mm。先在一个300m3的丙烯腈储罐进行试验，根据试验结果再对方案进行调整，之后实施于其它储罐。

4.2试验结果

由于现场测温条件的限制，我们无法取得理论计算各点的数据，只能依靠储罐本身的热电阻测得的数据。图3是V- 121A和V- 121B两个储罐12h温度变化情况。其中，V- 121A/B罐容、罐型相同，V- 121A采用太空涂料，V- 121B采用凉凉胶加喷淋。

从图3可以看出，V- 121A采用太空涂料的温升明显小于V- 121B采用凉凉胶加喷淋。

我们对V- 121A和V- 121B 7月份（月平均温度最高月）的温度数据进行了统计分析，V- 121A采用太空涂料全月温度均在30℃以下，最高28.9℃。V- 121B采用凉凉胶加喷淋全月有三个时间段温度超过30℃，最高41.5℃。我们对超温的时间段进行了分析，三个时间段均为液面接近温度测点的时候，为液相界面暖温层。

随后我们根据实验方案对其它的丙烯腈储罐进行了改造，运行至今已近三年，贮存温度均在30℃以下。

5　结论

太空涂料中太阳热反射涂料（T－1）对太阳辐射有很高的反射率，保温涂料（T－2）具有极低的导热率，具有优良的隔热性能。太空涂料可明显降低丙烯腈储罐表面温度和罐内温度，隔热效果好于凉凉胶，可取代喷淋水降温，从而达到节能减排的目的。用太阳热反射涂料（T－1）和保温涂料（T－2)相结合的方案，可保证丙烯腈贮存温度低于30℃，提高丙烯腈储罐运行的安全性。□

作者简介：施晓玲（1966-），女，工程师，从事石油化工、石油化工工艺设计工作，0551- 65708678，13074075280，shixl66@sina.com。

收稿日期：2016- 01- 03

中图分类号：TQ053.2

文献标识码：B

文章编号：1008- 553X（2016）02- 0048- 04

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