در زمانی که کمبود انرژی جهانی و آلودگی محیط زیست همچنان به شدت افزایش می یابد ، تقاضا برای مواد عایق حرارتی با راندمان بالا در حوزه صنعتی به جهت اصلی نوآوری تکنولوژیکی تبدیل شده است. داده ها نشان می دهد که در پیوند حمل و نقل خط لوله نفت خام به تنهایی ، از بین رفتن انرژی ناشی از اتلاف گرما حدود 1/3 از کل مصرف انرژی هر سال را تشکیل می دهد ، که نه تنها باعث ایجاد زباله های انرژی زیادی می شود ، بلکه باعث افزایش ویسکوزیته روغن خام ، وخیم تر شدن سیالیت می شود و حتی بر کیفیت محصولات نفتی نیز تأثیر می گذارد. سیستم محافظت سنتی "عایق پشم سنگ + لایه محافظ گالوانیزه" با تنگناهای فنی متعدد روبرو است: هدایت حرارتی پشم سنگ پس از جذب آب به طور قابل توجهی افزایش می یابد و اثر عایق تا 40 ٪ کاهش می یابد. آلودگی گرد و غبار در طی فرآیند ساخت و ساز به راحتی ایجاد می شود و استفاده طولانی مدت باعث خوردگی در زیر لایه عایق و زنگ زدگی روی لایه محافظ می شود.
محتوا
1. پیشینه فنی و اهمیت تحقیق
2. فرآیند آماده سازی پوشش و طراحی فرمول
3. تست عملکرد و سیستم حفاظت پشتیبانی
4. سناریوهای کاربرد صنعتی و تجزیه و تحلیل سود
5. چالش های فنی و مسیرهای توسعه آینده
6. نتیجه گیری
1. پیشینه فنی و اهمیت تحقیق
Airgel یک ماده متخلخل است که از سوراخ های در مقیاس نانو تشکیل شده است. ساختار مش فضایی خاص آن عملکرد عایق حرارتی عالی را به شما می دهد - هدایت حرارتی به اندازه 0. {3}}. 02w/(m ・ k) ، که فقط 1/3 پشم سنتی سنگی است. در این ساختار ، دیواره های منافذ بی شماری برای تابش حرارتی یک سطح بازتابی تشکیل می دهند و هوا در منافذ به طور مؤثر محدود می شود ، در حالی که مسیر هدایت حرارتی جامد را مسدود می کند ، در نتیجه به یک اثر "عایق حرارتی سه بعدی" می رسد. تحقیقات تیم Yuan Xuesong نشان می دهد که کامپوزیت سیستم اسید اکریلیک Nano-Sio₂ و سیستم اسید اکریلیک مبتنی بر آب می تواند نوع جدیدی از پوشش را با عایق حرارتی با راندمان بالا و خصوصیات حفاظت از محیط زیست با راندمان بالا تهیه کند ، و یک راه حل دستیابی به موفقیت برای زمینه های نفتی ، پتروشیمیایی و حفاظت از انرژی ساختمان فراهم می کند.
2. فرآیند آماده سازی پوشش و طراحی فرمول
این پوشش با استفاده از فرآیند "ترکیب پراکندگی درجه بندی شده" تهیه شده است. مواد اولیه اصلی عبارتند از: امولسیون اکریلیک مبتنی بر آب Wanhua Chemical A ، پودر ایرژل Sio₂ Technology Shenzhen Zhongning ، میکروسفرهای شیشه ای توخالی 3M و میکروسفرهای سرامیکی شانگهای هویجینگیا. مراحل آماده سازی خاص به شرح زیر است:
ابتدا ، ماده اتصال اتصال سیلان و پراکندگی خیس شده را به آب دیونیزه اضافه کنید ، به آرامی پودر ایرگل را در زیر هم زدن با سرعت کم در دقیقه در دقیقه اضافه کنید و سپس با سرعت زیاد 3000r/دقیقه برای {{3} دقیقه پراکنده شوید تا یکنواخت یکنواخت ذرات هوایی در آب تشکیل شود. نکته اصلی این مرحله استفاده از نیروی برشی با سرعت بالا برای شکستن تجمع آئروژل ها و اطمینان از پراکندگی سطح نانو است.
سپس ، امولسیون اکریلیک و آب دیونیزه شده را به صورت دوغاب به نسبت اضافه کنید ، در دقیقه {}}} r/min برای 10-15 دقیقه هم بزنید تا یک سیستم کلوئیدی پایدار تشکیل شود. سرانجام ، میکروسفرهای شیشه ای توخالی ، میکروسفرهای سرامیکی و سایر پرکننده های عملکردی اضافه می شوند و مخلوط با سرعت کم {2} R/min برای 15-20 دقایقی پراکنده می شود تا از شکستن پرکننده ها و تأثیرگذاری بر عملکرد عایق حرارتی جلوگیری شود.
پارامترهای اصلی برای بهینه سازی فرمول
در بهینه سازی فرمول پوشش Airgel ، محتوای Airgel یک اثر مهم آشکار دارد. آزمایشات نشان می دهد که هنگامی که بخش جرم ایر 5 ٪ است ، هدایت حرارتی را می توان به {1}}}. 042W/(m · k) کاهش داد و اختلاف دمای عایق حرارتی پوشش 5 میلی متر در 80 درجه است که این بهترین اثر است. با این حال ، هنگامی که محتوای بیش از 7 ٪ باشد ، باعث ترک خوردگی انقباض می شود و هنگامی که بیش از 10 ٪ باشد ، این ساختار به دلیل پوشش کافی ذرات ایرگل فرو می رود و هدایت حرارتی به جای آن افزایش می یابد.
از نظر پرکننده های عملکردی ، ترکیب 1: 1 میکروسفرهای شیشه ای و میکروسفرهای سرامیکی دارای اثر عالی است ، با هدایت حرارتی {2}}. {8} 45W/(M · K) و چسبندگی 1.56mpa. میکروسفرهای شیشه ای عایق حرارتی را از طریق ساختار توخالی داخلی فراهم می کنند ، در حالی که میکروسفرهای سرامیکی منافذ را پر می کنند تا سفتی ساختار را تقویت کنند. اگر از کائولین برای جایگزینی میکروسفرهای سرامیکی استفاده شود ، چسبندگی به 1.76MPa افزایش می یابد ، اما به دلیل هدایت حرارتی قوی آن ، هدایت حرارتی به 0.050W/(M · K) افزایش می یابد ، که این امر منجر به عملکرد عایق حرارتی نمی شود.
تنظیم نسبت رنگدانه به پایه تأثیر قابل توجهی در کیفیت فیلم پوشش دارد. هنگامی که نسبت رنگدانه به پایه {4}}} 64 است ، پوشش دارای کمترین هدایت حرارتی و چسبندگی خوب (1.58MPa) است. با این حال ، هنگامی که به 0}. 9 {1 {1 {12}}}} افزایش می یابد ، محتوای لاتکس کاهش می یابد ، پرکننده کاملاً تحت پوشش قرار نمی گیرد ، و ریزگردها تشکیل می شوند ، که باعث می شود هدایت حرارتی به 0.049W/(m · k) افزایش یابد و چسبندگی نیز به 0.93mpa کاهش می یابد. بنابراین ، تعادل معقول از نسبت پرکننده و لاتکس کلید دستیابی به عایق حرارتی و پایداری ساختاری است.
3. تست عملکرد و سیستم حفاظت پشتیبانی
تجزیه و تحلیل شاخص عملکرد چند بعدی
عایق حرارتی و خصوصیات مکانیکی:
- آزمون هدایت حرارتی استاندارد HG/T 5182 را اتخاذ می کند. نتایج نشان می دهد که هدایت حرارتی پوشش با فرمول بهینه شده 0. {3}} 42W/(m ・ k) است که بهتر از استاندارد صنعت است (کمتر از یا مساوی با 0.05W/(m ・ k)).
- در آزمایش عملکرد مکانیکی ، آزمایش خمشی پوشش می تواند به 1 میلی متر (GB/T 6742) ، مقاومت در برابر ضربه 40 کیلوگرم (GB/T 1732) و چسبندگی کشش 1.58MPa (GB/T 5210) برسد ، که همه آنها از شاخص های پوشش عایق حرارتی معمولی هستند.
سیستم پوشش تطبیق (پرایمر اپوکسی مبتنی بر آب + لایه عایق Airgel + لایه اکریلیک مبتنی بر آب) به طور جدی مورد آزمایش قرار گرفته است:
- مقاومت اسید (GB/T 9274 روش A) به مدت 240 ساعت ناهنجاری نیست و مقاومت قلیایی به مدت 168 ساعت تاول و ریختن نیست.
- مقاومت در برابر اسپری نمکی (GB/T 1771) پس از 240 ساعت ، هیچ زنگ زدگی روی سطح پوشش وجود ندارد.
- مقاومت در برابر پیری با شتاب مصنوعی (GB/T 1865) به مدت 500 ساعت ، و عملکرد پایدار است.
طراحی مشارکتی از سیستم پشتیبانی ضد خوردگی
سیستم پشتیبانی "منطق محافظت از سه لایه" را اتخاذ می کند:
- لایه پایین آغازگر اپوکسی مبتنی بر آب حاوی گروههای اپوکسی فعال است که می تواند پیوندهای شیمیایی با بستر فلزی با چسبندگی بیش از 5MPa ایجاد کند ، در حالی که نفوذ الکترولیت را جدا می کند.
- لایه عایق هوایی میانی از طریق ساختار نانوذرات به سد حرارتی دست می یابد و خصوصیات متخلخل آن همچنین می تواند مقدار کمی از محیط خورنده نفوذی را جذب کند.
- لایه سطحی از روکش اکریلیک مبتنی بر آب دارای گروه های آبگریز است که می تواند منابع خوردگی خارجی مانند باران و اسپری نمک را مسدود کند و بازتاب سبک بیش از 80 ٪ دارد و باعث کاهش پیری پوشش می شود.
4. سناریوهای کاربرد صنعتی و تجزیه و تحلیل سود
پس از استفاده از پوشش به خط لوله نفتی در یک میدان نفتی ، دمای سطح خط لوله در دمای محیط {1} درجه ، که 15 درجه بالاتر از لایه عایق پشمی سنگ سنتی بود ، حفظ شد ، ویسکوزیته روغن خام 30 ٪ کاهش یافت و مصرف انرژی پمپاژ 22 ٪ کاهش یافت. براساس خروجی سالانه روغن 500 ، {6} tons ، 3،200 تن سوخت هر سال قابل ذخیره است ، معادل هزینه صرفه جویی در مصرف انرژی تقریباً 1.8 میلیون یوان.
در 5 0 ، {1}} مخزن ذخیره روغن خام مکعب ، استفاده از پوشش هوایی دو مشکل فنی اصلی را حل می کند: اول ، نوسان دمای روغن در مخزن از طریق عایق کارآمد با درجه 2 درجه کنترل می شود تا از ابتلا به روغن خام به دلیل پایین بودن دمای پایین جلوگیری شود. دوم ، سیستم پوشش پشتیبانی ، میزان خوردگی دیواره داخلی مخزن ذخیره را از 5 {5}} 12 میلی متر در سال به 0.03 میلی متر در سال کاهش می دهد و چرخه نگهداری را به بیش از 5 سال گسترش می دهد و هزینه یک تعمیر و نگهداری واحد را 60 ٪ کاهش می دهد.
تجزیه و تحلیل دو بعد مزایای زیست محیطی و اقتصادی
پوشش های مبتنی بر آب ایرگل از ویژگی های سبز و سازگار با محیط زیست برخوردار هستند. در مقایسه با پوشش های سنتی مبتنی بر حلال ، آنها حاوی مواد مضر مانند بنزن و فرمالدئید نیستند و انتشار VOC تقریباً صفر است. در یک برنامه پایه پتروشیمی ، روند ساخت آن 92 ٪ میزان انطباق کیفیت هوا را در منطقه کار افزایش داده و الزامات "استانداردهای انتشار آلاینده های هوا در صنعت پوشش" را برآورده می کند (GB {3}}) ، منعکس کننده دوستی خوب محیط زیست است.
از دیدگاه اقتصادی ، پوشش های ایرگل در طول چرخه زندگی خود مزایای هزینه ای قوی را نشان می دهد. Although the initial investment is slightly higher (180 yuan/㎡), due to its strong durability and only one construction, plus annual energy savings of about 25 yuan/㎡ and maintenance costs of 15 yuan/㎡, a net profit of 120 yuan/㎡ can be achieved within a 10-year cycle, with an input-output ratio of 1:1.67, which is better than the replacement and maintenance costs of traditional rock wool سیستم ها
5. چالش های فنی و مسیرهای توسعه آینده
صنعتی شدن پوشش های هوایی با دو تنگنا اصلی روبرو است: یکی هزینه بالایی است که عمدتاً به دلیل سرمایه گذاری بزرگ در تجهیزات خشک کردن فوق بحرانی و اتکا به مواد اولیه منبع سیلیکون وارداتی است. مورد دیگر سازگاری ضعیف ساخت و ساز است. پاشش سنتی به راحتی می تواند به ساختار هوا آسیب برساند و در ساخت قطعات خاص به شکل خاص مشکل ضخامت ناهموار وجود دارد.
جهت توسعه آینده بر پیشرفت های فناوری و نوآوری کاربرد متمرکز است. از یک طرف ، پیش بینی می شود ارتقاء فناوری خشک کردن فشار جوی و تعویض منبع سیلیکون مبتنی بر زیستی بیش از 70 ٪ هزینه ها را کاهش دهد. از طرف دیگر ، گسترش عملکردی به عنوان مهم تبدیل می شود ، مانند پیوند پلیمرهای گرمازا برای ساخت پوشش های کنترل دمای هوشمند ، که می تواند تخلخل را با توجه به تغییرات دما تنظیم کرده و راندمان اتلاف گرما را بهبود بخشد. در عین حال ، پوشش خود بهبودی عوامل تعمیر را از طریق میکروپسول ها برای دستیابی به ترمیم خودکار ترک و تقویت عمر و قابلیت اطمینان سرویس آزاد می کند. این مسیرهای نوآورانه راه حل های امکان پذیر برای ارتقاء در مقیاس بزرگ پوشش های ایرگل ارائه می دهد.
6. نتیجه گیری
پوشش های عایق حرارتی مبتنی بر آب Airgel از طریق ترکیب نوآورانه نانومواد و پلیمرهای مبتنی بر آب ، مرزهای عملکرد مواد عایق حرارتی سنتی را شکسته اند. هدایت حرارتی آن از 0. 042W/(M ・ K) و چسبندگی 1.58MPA به هم افزایی عملکرد "عایق حرارتی با راندمان بالا - ترکیب قوی و سخت" و سیستم حفاظت از پشتیبانی مشکل خوردگی در زمینه صنعتی را حل می کند. این فناوری که توسط هدف "کربن دوگانه" هدایت می شود ، نه تنها یک راه حل عملی برای صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش هزینه برای صنعت پتروشیمی فراهم می کند ، بلکه باعث توسعه مواد عایق حرارتی به سمت جهت های سبز و هوشمند می شود. با تحقیقات عمیق در مورد فناوری آماده سازی فشار اتمسفر و اصلاح عملکردی ، انتظار می رود که پوشش های هوایی فضای کاربردی گسترده تری را در زمینه های حفاظت از انرژی ساختمان ، تجهیزات انرژی جدید و غیره باز کند و به یکی از مواد اصلی حمایت از انقلاب انرژی تبدیل شود.