儲罐冷凍循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探討

（中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030）

關(guān)鍵字：甲基丙烯酸甲酯；冷凍外循環(huán)系統(tǒng)；外循環(huán)換熱器；HTRI

甲基丙烯酸甲酯（MMA）是一種重要的化工原料，作為聚合單體用于生產(chǎn)聚合物和共聚物，如有機(jī)玻璃（PMMA）、聚氯乙烯抗沖助劑ACR 等。MMA廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、樹脂加工、涂料等諸多行業(yè)，具有廣闊的市場空間和發(fā)展前景[1]。MMA 易燃易爆，屬于甲B 類可燃液體，在受到熱、光、紫外線和催化劑作用下，容易發(fā)生聚合反應(yīng)，使MMA 的黏度增大，色度和透明度下降，不僅影響MMA 產(chǎn)品品質(zhì)，還會對設(shè)備的安全帶來隱患。因此，MMA 儲罐一般采用低溫存儲，密閉輸送，當(dāng)其儲存周期在兩周以上時(shí)，應(yīng)設(shè)置冷凍循環(huán)系統(tǒng)和阻聚劑添加系統(tǒng)[2]。本文從分析計(jì)算MMA 儲罐的冷凍循環(huán)系統(tǒng)出發(fā)，為MMA 儲罐的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文以罐區(qū)兩臺單罐容積3 000 m3MMA 儲罐為例，對MMA 儲罐的冷凍循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討。

1 冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷量的確定

MMA 儲罐選用阻燃型硬質(zhì)閉孔聚氨酯泡沫作為保冷層，保冷層的計(jì)算見GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]。當(dāng)設(shè)備和管道公稱直徑大于1 m 時(shí)，應(yīng)按平面計(jì)算保溫層厚度。確定保冷厚度時(shí)應(yīng)根據(jù)工藝要求確定保冷計(jì)算參數(shù)，在無特殊工藝要求時(shí)，應(yīng)按最大允許冷損失量計(jì)算保冷層厚度，并用經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算法對絕熱層厚度進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整，根據(jù)確定后的保冷絕熱層厚度計(jì)算冷損失量，以確定整個(gè)儲罐系統(tǒng)所需的冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷量，計(jì)算過程如下[3]。

最大允許冷損失量，應(yīng)按下列公式進(jìn)行計(jì)算

對平面型單層最大允許熱、冷損失下絕熱層厚度應(yīng)按式（3）進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)平面型絕熱層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算對絕熱層厚度進(jìn)行核算調(diào)整，見式（4）：

根據(jù)絕熱層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算實(shí)際保冷厚度：

在實(shí)際保冷厚度圓整后回推保冷層厚度，并以此計(jì)算平面型單層絕熱結(jié)構(gòu)熱、冷損失量，見式（6）。

其中公式的出處和符號意義見GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]。在計(jì)算保冷時(shí)，環(huán)境溫度Ta按防結(jié)露厚度計(jì)算和最大允許冷損失計(jì)算時(shí)，應(yīng)取夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度；按經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算時(shí)，取歷年年平均溫度。絕熱層外表面與周圍環(huán)境的換熱系數(shù)αs在防結(jié)露和允許冷損失量的保冷計(jì)算中取8.141W/ （m2·K）；按經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)歷年年平均風(fēng)速計(jì)算。

根據(jù)公式（1）分別計(jì)算得最大允許冷損失為-35.0W/m2，根據(jù)最大允許冷損失由式（3）計(jì)算絕熱層厚度為16.6 mm，根據(jù)經(jīng)濟(jì)厚度由式（4）計(jì)算的絕熱層經(jīng)濟(jì)厚度為34.7 mm，保冷厚度修正系數(shù)K取1.2，根據(jù)式（5）計(jì)算得保冷材料厚度（D1-D0） /2為28.9 mm，圓整后取保冷材料厚度為30 mm。并根據(jù)式（6）、（7）計(jì)算冷損失量及總冷損失量，具體計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)冷量計(jì)算表Tab.1 Calculation table of the system cooling loss

根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果可知，對兩臺單罐容積3 000 m3MMA 儲罐為例，其總冷損失量為-25.8kW，以此作為設(shè)計(jì)外循環(huán)換熱器的基礎(chǔ)。

從計(jì)算結(jié)果可得，雖兩臺儲罐表面積較大，但由于儲罐整體保冷，其總冷損失量較小。因此對于有儲存溫度要求的儲罐，儲罐采取隔熱措施也是很有效的一種防護(hù)手段。此外，儲罐采取隔熱措施還能夠大幅較少儲罐“呼吸”造成的氮?dú)夂陀蜌鈸p耗，在節(jié)約氮?dú)庀牡耐瑫r(shí)還能減少后續(xù)尾氣處理的能耗。由于總冷損失量較小，所需換熱面積較小，外循環(huán)換熱器可選擇間歇和連續(xù)多種方案，給外循環(huán)冷凍換熱器的設(shè)計(jì)保留了多種方案的可能性。

外循環(huán)換熱器換熱負(fù)荷的計(jì)算是整個(gè)冷凍外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石，因此其計(jì)算尤為重要。在查閱書籍及規(guī)范并未查到關(guān)于外循環(huán)換熱器換熱負(fù)荷計(jì)算的相關(guān)設(shè)計(jì)過程。在查閱文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn) [4]油品儲罐內(nèi)局部加熱器的計(jì)算方法來計(jì)算冷凍循環(huán)系統(tǒng)的冷損失量，但在《油品儲運(yùn)設(shè)計(jì)手冊》[5]中有說明該方法針對性強(qiáng)，僅適用于熱源為中低壓蒸汽的儲罐內(nèi)排管式加熱器，該方法能否用于冷凍外循環(huán)系統(tǒng)有待商榷。在規(guī)范GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]及《油品儲運(yùn)設(shè)計(jì)手冊》[5]均有根據(jù)保溫厚度計(jì)算設(shè)備和管道的冷損失量的相應(yīng)計(jì)算過程，工程應(yīng)用中也以此為依據(jù)選擇設(shè)備保溫壁厚，因而筆者認(rèn)為此規(guī)范中冷損失量計(jì)算方法的準(zhǔn)確度滿足工程中冷凍循環(huán)系統(tǒng)的冷負(fù)荷確定的需求，可以用來確定儲罐的冷損失量，從而確定冷凍循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備選 型。

2 外循環(huán)換熱器的計(jì)算

使用HTRI 作為計(jì)算工具來核算各方案換熱器。換熱器選型計(jì)算中，由于冷熱介質(zhì)進(jìn)出口溫差不大，且介質(zhì)較潔凈、不易腐蝕，可選用BEM 型式換熱器。換熱器長徑比在4 ～ 7。考慮MMA 毒性，MMA 流體走管程，冷凍水走殼程。為提高管內(nèi)流體流速，增強(qiáng)換熱過程，管側(cè)選用雙管程。由于換熱過程無相變，可選用25 mm 外徑換熱管，按30°布置，換熱管實(shí)際管數(shù)一般為軟件計(jì)算管數(shù)0.9 ～ 0.95 倍，以便滿足實(shí)際工程中換熱器布管的需要。折流板選Single-segmental 型式，折流板間距選200 mm，無防沖擋板。

MMA 儲罐冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷負(fù)荷除滿足平衡儲運(yùn)系統(tǒng)總吸收熱量外，還應(yīng)使儲罐內(nèi)MMA 始終在合理溫度范圍內(nèi)，防止聚合過程的發(fā)生。MMA 在30 ℃以上易發(fā)生聚合反應(yīng)，一般而言MMA 儲存溫度不超過20 ℃，現(xiàn)儲存溫度定為10 ℃，換熱后溫度設(shè)定為5 ℃。由于儲罐吸收外界熱量過程主要發(fā)生在日間，而夜間氣溫較低，可停用循環(huán)冷卻系統(tǒng)[4]，因此有連續(xù)和間斷兩類運(yùn)行方案，可設(shè)計(jì)多種外循環(huán)換熱器運(yùn)行方案。

外循環(huán)換熱器的計(jì)算需要明確設(shè)計(jì)方案，方案的不同會影響循環(huán)量、換熱負(fù)荷、換熱面積等多個(gè)參數(shù)來決定換熱器及機(jī)泵規(guī)格[6]。可通過換熱設(shè)備運(yùn)行時(shí)間確定換熱器換熱負(fù)荷及循環(huán)量，從而確定換熱器及機(jī)泵選型。換熱器換熱負(fù)荷的計(jì)算過程見公式（8）。

式中τ——換熱器運(yùn)行時(shí)間，h；

Qex——換熱負(fù)荷，kW。

根據(jù)現(xiàn)有情況，共選擇三種設(shè)計(jì)方案。方案1為連續(xù)運(yùn)行方案，方案2/3 為間歇運(yùn)行方案。方案1為24 h 連續(xù)運(yùn)行，換熱器冷負(fù)荷與冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷損失量相同，換熱器考慮30%換熱面積余量，MMA循環(huán)量為12.4 m3/h。方案2 可在化工廠每天日間操作班組中連續(xù)開啟循環(huán)泵8 h，換熱器冷負(fù)荷是冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷損失量的3 倍，換熱器考慮30%換熱面積余量，MMA 循環(huán)量為37.3 m3/h。方案3 可在化工廠每天日間操作班組中連續(xù)開啟循環(huán)泵4 h，換熱器冷負(fù)荷是冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷損失量的6 倍，換熱器考慮30%換熱面積余量，MMA 循環(huán)量為75 m3/h，與MMA 裝船泵流量相同，可只增加一臺機(jī)泵，與裝船泵兩開一備共用。間歇方案中，停用冷卻循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，儲罐內(nèi)儲存液會隨之升溫，可根據(jù)儲罐存儲液量計(jì)算儲存液體溫升。儲罐在90%高液位及10%低液位的情況下，方案2/3 間歇工況所造成的溫升后儲罐內(nèi)儲存溫度仍在合理范圍之內(nèi)。

表3 給出了三種方案換熱器及泵的選型信息。方案1 需增加一臺換熱器及兩臺機(jī)泵，方案2 需增加一臺換熱器及兩臺機(jī)泵，換熱器尺寸及電機(jī)功率與方案一相差不大。方案3 循環(huán)冷卻泵可與MMA 裝船泵共用，只需增加一臺機(jī)泵，可節(jié)約設(shè)備購置費(fèi)用，便于設(shè)備檢維修管理。但由于方案3 外循環(huán)量大，換熱器尺寸及機(jī)泵電機(jī)都有增大，且機(jī)泵多工況共用所選揚(yáng)程偏高，方案3 電機(jī)功率增大較多。

表2 外循環(huán)換熱設(shè)計(jì)方案Tab.2 Comparison of external circulation heat exchange design schemes

表3 方案設(shè)備選型Tab.3 Scheme equipment selection

為了進(jìn)一步比較三種設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性，表4中給出了三種方案設(shè)備購置費(fèi)及年消耗的比較。三方案年冷量消耗量相同，但用電量消耗差別較大，此處按電量0.67 元/ （k·Wh）計(jì)算年用電費(fèi)用，并與換熱器及機(jī)泵的購置費(fèi)用共同列于表4 中。從表中可以看出，方案2 與方案1 設(shè)備購置費(fèi)相差不大，由于機(jī)泵間歇運(yùn)行，方案2年用電費(fèi)用低于方案1，所需用電消耗僅為方案1 的50%，極大地節(jié)省了電能消耗。方案3 由于只增加一臺機(jī)泵，設(shè)備購置費(fèi)較方案1/2低。但由于方案3 機(jī)泵軸功率較高，日常運(yùn)行用電消耗很大，是方案2 用電消耗的3 倍。從設(shè)備購置費(fèi)用的角度，方案3 更為經(jīng)濟(jì)；但從長期運(yùn)行的角度，間歇方案2 更為經(jīng)濟(jì)，較方案3 多花費(fèi)的設(shè)備購置費(fèi)可在3.2年內(nèi)收回。

3 結(jié)束語

由于MMA 儲存介質(zhì)的特殊性，需設(shè)置儲罐冷凍外循環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)置過程中需要確定設(shè)計(jì)方案，以便確定換熱設(shè)備及循環(huán)泵的選型。本文對冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷損失量的計(jì)算方法進(jìn)行了探討，并以某項(xiàng)目MMA 儲罐冷凍循環(huán)系統(tǒng)實(shí)例計(jì)算儲罐冷損失量，文中結(jié)合換熱計(jì)算軟件HTRI 對比了外循環(huán)冷卻器計(jì)算的三種方案，希望可以為讀者提供冷凍循環(huán)系統(tǒng)冷量計(jì)算及設(shè)備選型的思路，與讀者共同探討，以加深對冷凍循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解，以達(dá)到優(yōu)化冷凍循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的目的。

表4 設(shè)備購置費(fèi)及消耗Tab.4 Equipment purchase cost and consumption