吳 越

（中國恩菲工程技術有限公司，北京100038）

濃硫酸是重要的化工原料，常需要大容量儲存容器以保證生產(chǎn)穩(wěn)定。在寒冷地區(qū)或時節(jié)，室外大型濃硫酸儲罐常需要采取伴熱和保溫措施，一方面w(H2SO4)為98%的濃硫酸的凝固點約-7 ℃，受冷容易凝固；另一方面，濃硫酸的黏度隨著溫度降低而大幅增加，不利于輸送和使用[1]。

濃硫酸儲罐的伴熱主要通過外置伴熱管方式實現(xiàn)，按伴熱位置的不同又可分為底部伴熱和側(cè)壁伴熱。底部伴熱需要在儲罐基礎施工的同時埋入伴熱盤管，在盤管發(fā)生泄漏時，不易及時發(fā)現(xiàn)和修補。側(cè)壁伴熱在施工中相對獨立，對伴熱管泄漏的發(fā)現(xiàn)和修補則比較及時和方便[2]。

濃硫酸儲罐在伴熱設計時應嚴格控制罐壁溫度，避免局部溫度過高而導致腐蝕加速。研究表明，40 ℃時w(H2SO4)為98%的濃硫酸對碳鋼的腐蝕速率為0.75~1.0 mm/a[3]，50 ℃時其對碳鋼的腐蝕速率為0.5~1.3 mm/a[4]，在考慮一定腐蝕裕量的前提下，使用碳鋼材質(zhì)儲存濃硫酸應控制壁溫在50 ℃以下[5]。

筆者以某w(H2SO4)為98%的濃硫酸儲罐的冬季防凍為例，通過ANSYS Fluent有限元模擬，對伴熱過程進行分析，重點分析儲罐在伴熱結構中的溫度分布情況，討論可能的風險及應對措施。

1 伴熱過程分析

1.1 物理模型簡化

硫酸儲罐伴熱及保溫結構示意見圖1。

如圖1所示，該儲罐的內(nèi)徑Di=16 m，平均壁厚δ=20 mm，側(cè)壁設置140 ℃的蒸汽伴熱管，并采用100 mm硅酸鋁纖維氈進行保溫。該儲罐布置于室外，所在地區(qū)的冬季平均氣溫為te= -10 ℃，平均風速為W=8 m/s。

圖 1 硫酸儲罐伴熱及保溫結構示意

為方便模擬和分析，對該物理模型進行如下簡化：

1）沿儲罐的圓周方向選取伴熱保溫層的局部進行建模，由于儲罐直徑較大，該局部按照平板結構考慮。

2）假設硫酸在儲罐內(nèi)長期靜置，不考慮進酸及出酸等物料操作。

3）假設伴熱管為140 ℃的恒溫熱源，不考慮伴熱管內(nèi)的換熱過程。

4）將對流換熱與輻射換熱進行綜合模擬，對伴熱管支架的熱傳導過程單獨模擬。

5）假設伴熱管、管架、墊片之間接觸良好，且不考慮管架焊接的影響。

1.2 建模及網(wǎng)格劃分

選取儲罐伴熱保溫層上1.0×1.2 m的局部進行建模，該局部在儲罐圓周方向具有周期性，其模型由罐壁固體域、間隙空氣流體域、伴熱管固體域和保溫固體域4個部分組成。網(wǎng)格劃分采用Sweep掃掠方法進行，考慮了間隙空氣在儲罐外壁、伴熱管外壁及保溫層內(nèi)壁的邊界層。

1.3 主要邊界條件

1.3.1 儲罐內(nèi)壁處的換熱情況

由于儲罐直徑較大，內(nèi)壁上硫酸邊界層的發(fā)展不受干擾和阻礙，可按大空間的自然對流過程考慮[6]。邊界層外的主體硫酸溫度t∞設定為20 ℃，內(nèi)壁平均溫度tw設定為25 ℃，則邊界層溫度ta=(tw+t∞)/2=22.5 ℃，邊界層溫差Δt=tw-t∞=5 ℃。

溫度設定值應滿足濃硫酸儲罐安全、合理的使用要求，一方面用于初步判斷罐壁流體的運動狀態(tài)，另一方面為模擬分析賦予初始參數(shù)，并且會通過迭代計算進一步驗證和更新[7]。

自然對流過程的流動狀態(tài)及換熱系數(shù)可根據(jù)無量綱準數(shù)進行判斷和計算，詳見公式(1)~(5)[8-9]：

式中：Cp——比熱容，J/(kg·K)；

μ——黏度，Pa·s；

λ——導熱系數(shù)，W/(m·K)；

β——膨脹系數(shù)，1/K；

ρ——密度，kg/m3；

L——特征常數(shù)，m；

Δt——邊界層溫差，K；

C，n——常數(shù)，當Gr＞2×1010時，分別取值為C=0.11，n=1/3；

g——重力加速度，9.81 m/s2。

k——物性變化校正因子，以流體溫度和

壁面溫度下普朗特數(shù)的比值來表示，(Pr∞/Prw)0.11=1.017。

邊界層參數(shù)見表1。

表1 邊界層參數(shù)

將表1中的硫酸邊界層參數(shù)帶入公式(1)~(3)可得到：Pr=111.7，Gr=1.8×1011，Ra=2.0×1013，由于Ra＞109，該自然對流過程呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。根據(jù)努賽爾準數(shù)的關聯(lián)式(5)可以得到：Nu=3 022.8，帶入公式(4)可得到儲罐內(nèi)壁的對流換熱系數(shù)ai=87.3 W/(m2·K)。

1.3.2 保溫層外壁的換熱情況

儲罐放置于室外，其對環(huán)境放熱主要通過對流和輻射2種方式進行，故其對環(huán)境的放熱系數(shù)應為對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)之和[10]，并可根據(jù)公式(6)~(8)進行計算：

有風時的對流換熱系數(shù)：

式中：as——總放熱系數(shù)，W/(m2·K)；

ac——對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

ar——輻射放熱系數(shù)，W/(m2·K)；

D0——儲罐保溫層外徑，16.36 m；

W——儲罐保溫層外表面風速，8 m/s；

ε——保溫層外壁的黑度，取鋁合金薄板黑度：0.25；

ts——儲罐保溫層外壁溫度，設定為-5 ℃；

te——環(huán)境冬季平均溫度，-10 ℃。

帶入數(shù)值計算可以得到：對流換熱系數(shù)ac=5.2 W/(m2·K)，輻射放熱系數(shù)ar=1.1 W/(m2·K)，儲罐對環(huán)境的放熱系數(shù)as=6.3 W/(m2·K)。

1.3.3 間隙空氣的換熱情況

保溫層與儲罐外壁之間形成環(huán)狀間隙，間隙內(nèi)的空氣被加熱產(chǎn)生流動，若按大空間自然對流過程考慮，間隙空氣的流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，但由于伴熱管、罐壁及保溫層之間的間隙狹小，其空氣邊界層之間相互干擾，實際流動情況較為復雜。為簡化分析，假設間隙空氣的自然對流為湍流狀態(tài)，采用k-ε模型進行分析。

1.3.4 輻射換熱情況

伴熱管、間隙空氣和儲罐外壁之間存在輻射傳熱。由于空氣主要為非極性分子，在溫度不高時幾乎不吸收輻射[11]，因此假設其為不可壓縮的理想氣體，并采用S2S輻射模型簡化處理伴熱管與管壁間的輻射問題。

1.3.5 熱傳導換熱情況

在儲罐伴熱結構中，伴熱管需要通過支架進行固定，支架通常焊接于儲罐外壁，支架與伴熱管間設置隔熱墊片，可見伴熱管至罐壁之間存在熱傳導。由于支架的熱傳導與上述的對流和輻射傳熱間的相互影響較小，對支架的熱傳導過程進行單獨模擬。

1.4 模擬結果分析

1.4.1 橫截面溫度場特性

XZ平面的溫度云圖見圖2，沿Z軸的溫度曲線見圖3。溫度云圖呈現(xiàn)對稱形狀，符合模型的周期特性，其分別以2根伴熱管為高溫中心向四周傳遞熱量，在不同材料界面處發(fā)生明顯的溫度變化。保溫層具有良好的絕熱性能，可以有效減少系統(tǒng)對低溫環(huán)境的放熱，因此其溫度梯度較大，最外層溫度約-10~0 ℃。儲罐壁具有良好的導熱性能，溫度梯度較小，其吸收的熱量主要通過硫酸邊界層轉(zhuǎn)移至硫酸主體中，其內(nèi)壁溫度約20~30 ℃。不同Y軸高度上的溫度云圖顯示，上部結構的溫度明顯高于下部結構，這是由于間隙空氣的自然對流作用引起的。

圖2 XZ平面的溫度云圖

1.4.2 縱截面溫度場特性

XY平面的溫度云圖見圖4，間隙空氣沿X軸的溫度曲線見圖5。在Y=0.0 m和Y=-0.45 m兩個高度上，空氣溫度25~35 ℃，且變化平穩(wěn)，在Y=0.45 m的高度上，空氣溫度約55 ℃，且有較大波動，這是由于空氣自然對流時高溫空氣在頂部區(qū)域形成了若干環(huán)流，而低溫空氣在中下部的對流則相對較弱。

圖4 XY平面的溫度云圖

圖5 間隙空氣沿X軸的溫度曲線

1.4.3 壁面溫度場特性

儲罐內(nèi)壁的溫度云圖見圖6，沿Y軸的溫度曲線見圖7。溫度云圖顯示在靠近伴熱管的X=0.3 m和X=0.9 m處出現(xiàn)溫度峰，在X=0.6 m處出現(xiàn)溫度谷，內(nèi)壁平均溫度約25 ℃。沿Y軸的溫度曲線顯示，內(nèi)壁由下向上的溫度逐漸增高，且越靠近上部溫度變化越快，靠近伴熱管處的最高溫度達到30 ℃。

在實際生產(chǎn)中，硫酸主體溫度及環(huán)境溫度常會大于設定值，導致儲罐系統(tǒng)的熱損失降低，進而導致壁面溫度大于模擬值。

1.5 可能風險與建議

1.5.1 硫酸-空氣界面處的腐蝕

罐壁在硫酸-空氣界面處的腐蝕風險更高，主要是由于：

1）在硫酸-空氣界面處，濃硫酸吸收水分而變稀，對碳鋼的腐蝕性增強。

2）雖然伴熱后罐壁的溫度在合理范圍，但上部罐壁的溫度更高，硫酸-空氣界面處于相對高的溫度區(qū)域。

3）空氣的換熱系數(shù)較低，硫酸-空氣界面處的實際罐壁溫度要高于模擬結果。

針對該問題應采取措施減少濃硫酸吸潮，如在儲罐呼吸口處設置干燥器、定期對儲罐內(nèi)硫酸進行置換等。同時，有伴熱結構的儲罐在設計時，應考慮伴熱引起的腐蝕加速，并重點考慮界面范圍的腐蝕。

1.5.2 伴熱管支架焊接處的腐蝕

模擬分析了不同情況下，伴熱管通過支架傳遞至壁面的溫度情況：

1）當支架與伴熱管間不設置隔熱墊片時，壁面的局部溫度高達108.7 ℃。

2）當支架與伴熱管間分別設置5，10，15 mm厚的普通墊片[導熱系數(shù)約為0.15 W/(m·K)]時，壁面的局部溫度分別為91.8，79.8，73.7 ℃，墊片厚度增加帶來的溫度降低效果逐漸減弱。

3）當支架與伴熱管間分別設置5，10，15 mm厚的絕熱墊片[導熱系數(shù)約為0.05 W/(m·K)]時，壁面的局部溫度分別為76.8，62.1，55.2 ℃，墊片厚度增加帶來的溫度降低效果逐漸減弱。

該伴熱方案的支架焊接位置正處于罐壁的溫度峰處，與上述X=0.3 m及X=0.9 m處的壁面溫度有一定程度的疊加，局部溫度可能達到95~115 ℃，遠超出允許使用溫度，再考慮到焊點處可能的缺陷，局部發(fā)生嚴重腐蝕的風險極大。

針對該問題，建議采取有效措施降低支架熱傳導的影響：

1）設置隔熱墊片。伴熱管與支架之間設置墊片可以有效降低罐壁的局部高溫。根據(jù)分析，建議采用熱導率約0.05~0.15 W/(m·K)材料，并且根據(jù)熱導率大小設置墊片厚度，且不宜小于10 mm。

2）減少接觸面積。為降低伴熱管向支架的熱傳導，應盡可能減少支架與伴熱管的傳熱面積，如使用方形管箍代替圓形管箍，將面接觸改為線接觸。

3）降低溫度疊加。支架的焊接點應選取在X=0.6 m的壁面溫度谷處，降低熱傳導與對流和輻射傳熱的疊加程度。

4）支架材料替換。使用塑料等熱導率低的材料做支架，可以直接解決管壁局部高溫的問題，但會增加投資和施工難度。

1.5.3 環(huán)境條件變化的影響

在實際生產(chǎn)中，儲罐的環(huán)境條件會發(fā)生變化，從而影響了壁面的溫度。環(huán)境溫度的升高、風速的降低等會降低系統(tǒng)的熱量損失，硫酸主體溫度的升高會降低壁面熱量的轉(zhuǎn)移，伴熱蒸汽溫度的升高會增加壁面熱量，這些因素都一定程度導致壁面溫度升高。

針對這種情況，可采取以下措施：

1）合理選擇防凍措施。儲罐伴熱應是后位的選擇，尤其是僅考慮冬季防凍時，應優(yōu)先考慮使用低凝固點的w(H2SO4)為93%硫酸來儲存，或者通過“倒酸”的方式進行防凍。

2）維持伴熱蒸汽穩(wěn)定。伴熱溫度過低會導致伴熱效果不佳，溫度過高容易引起內(nèi)壁局部溫度過高，建議使用120~140 ℃的飽和蒸汽伴熱，且蒸汽管路上設置溫度監(jiān)測和減溫加壓器來維持蒸汽溫度穩(wěn)定。

3）根據(jù)環(huán)境開啟伴熱。對于短期的低溫環(huán)境，可以依靠硫酸自身熱量和保溫來克服。當硫酸主體溫度明顯降低、環(huán)境溫度持續(xù)較低、需要長時間儲存時，考慮開啟伴熱系統(tǒng)。

4）額外考慮腐蝕裕量。儲罐設計時應考慮伴熱系統(tǒng)引起的腐蝕加速，并考慮相應的腐蝕裕量。

2 結語

1）壁面處的硫酸邊界層在自然對流作用下呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，對流換熱系數(shù)較高，可以將壁面吸收的熱量及時轉(zhuǎn)入主體硫酸中，緩解壁面溫度的積累。

2）間隙空氣的自然對流對伴熱結構的溫度分布起到重要作用，它增強了伴熱管向壁面的熱量傳遞，同時也導致上部溫度升高。

3）硫酸儲罐伴熱主要通過對流和輻射方式進行，當采用140 ℃的伴熱溫度時，壁面的平均溫度20~30 ℃，可以實現(xiàn)防凍的效果，并且保證碳鋼腐蝕速率在合理的范圍。

4）降低伴熱溫度可以降低儲罐內(nèi)壁溫度，但伴熱溫度過低會導致伴熱效果不佳，建議使用120~140 ℃的飽和蒸汽作為伴熱源，并綜合考慮蒸汽系統(tǒng)的阻力和冷凝水回收問題。

5）支架的熱傳導作用導致壁面的局部溫度過高，嚴重加速了碳鋼的腐蝕。需要通過增加隔熱墊片、加厚隔熱墊片、使用低熱導率的墊片和支架、減少支架與伴熱管接觸面積、降低溫度疊加等方式解決。