苯酚儲罐泡沫發生器的優化應用

朱法廳 楊向東 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

苯酚是具有特殊氣味的無色針狀晶體，常作為酚醛樹脂、殺菌劑、防腐劑等化工產品及中間體的重要生產原料，在國民生產中具有廣泛的應用。其熔點43℃，可燃、高毒，對人體的皮膚及粘膜腐蝕性極強，可至人體灼傷。近年來隨著國內苯酚丙酮裝置的上馬，人們對苯酚的生產、儲存、運輸等積累了一定的寶貴經驗，但仍存在影響裝置安全生產、運行的部分問題。本文針對廣東某大型合資石化企業苯酚儲運方面的現場實際問題進行分析并對泡沫發生器進行改造，以期對同類生產項目或易結晶、易燃物料儲存上遇到的類似問題起到一定的參考作用。

1 項目概況

苯酚儲罐內液相苯酚的正常操作溫度為60℃，每個儲罐均設有四個泡沫發生器，在檢修過程中發現苯酚儲罐泡沫發生器內有大量的苯酚晶體，詳見圖1和圖2。

圖1 泡沫發生器苯酚結晶示意圖

圖2 苯酚結晶現場照片

苯酚結晶附著在泡沫發生器的密封玻璃上，嚴重影響了密封玻璃的正常開啟，一旦遇到火災，將影響泡沫發生器的正常使用。初步分析結晶原因為苯酚的凝固點為43℃，苯酚儲罐頂部的氣相苯酚進入泡沫發生器后遇冷結晶，日積月累后，大量氣相苯酚在泡沫發生器內結晶，附著在泡沫發生器的密封玻璃上，從而影響泡沫發生器密封玻璃的正常開啟。項目組提出泡沫發生器未設置伴熱、保溫，即泡沫發生器內密封玻璃至苯酚儲罐的氣相空間接近常溫，是導致苯酚結晶的主要原因。

欲使泡沫發生器內不發生苯酚結晶，必須控制泡沫發生器內的溫度高于苯酚的凝固點(43℃)；但若泡沫發生器內溫度超過80℃，則會影響泡沫發生器內密封玻璃的密封性和開啟壓力。經項目組初步討論，使用自限溫型電伴熱對泡沫發生器進行伴熱，保持泡沫發生器內45～80℃的溫度。但經過現場勘查，現場不具備使用電伴熱的條件。從后期維護、投資成本、運行成本等方面考慮，項目組決定采用蒸汽伴熱[1]。但蒸汽伴熱溫度不可控，受外界環境溫度、風速、伴熱管規格、保溫層厚度等因素影響較大，本文針對伴熱管規格、伴熱結構形式及保溫層厚度進行分析，以期使泡沫發生器內達到預定的45～80℃。

2 泡沫發生器的改造措施及理論分析

從便于施工及達到預期的控溫效果考慮，基于泡沫發生器與外界環境之間的熱損失Q1等于伴熱管與泡沫發生器之間的熱量輸入Q2原理，進行相關的分析計算。

2.1 伴管規格及伴熱結構型式的選擇

因苯酚具有強腐蝕性，本次改造過程中需全程穿防化服，且泡沫發生器位于苯酚儲罐罐頂約18.5m高，屬于高空作業，為盡可能便于施工，本次采用?12X2的304不銹鋼伴熱管[2][3]，為避免泡沫發生器的伴熱管導熱不均，導致泡沫發生器內局部溫度過高，影響泡沫發生器的正常工作，本改造項目采用圖3所示的伴熱結構型式[4]。

圖3 伴熱結構形式

2.2 泡沫發生器與外界環境之間熱損失的計算

(1)保溫隔熱層表面至周圍環境的給熱系數(a0)

(2)往外界環境散熱的傳熱系數K1

式中，K1為泡沫發生器熱量損耗的傳熱系數，W/(m2·℃)；a1為泡沫發生器外壁至保溫層內側空氣給熱系數，W/(m2·℃)，一般工程上取11.62～13.95W/(m2·℃)[5]，本項目取11.62W/(m2·℃)；ξ1為保溫層厚度，m；λ1為保溫層導熱系數，W/(m2·℃)，本項目取0.048W/(m2·℃)。

(3)傳熱溫差Δt1

因泡沫發生器的熱阻較小，則泡沫發生器外壁溫度tw等于泡沫發生器內壁的工作溫度:

Δt1=tw-ta=t-ta

式中，Δt1為泡沫發生器熱損失的傳熱溫差，℃；tw為泡沫發生器外壁溫度，℃；ta為外界環境溫度，℃；t為泡沫發生器內壁的工作溫度，℃。

(4)泡沫發生器的散熱面積A

A=πDL

式中，A為泡沫發生器的散熱面積，m2；D為泡沫發生器的直徑，m，本項目取D=0.3m；L為被保溫伴熱部分泡沫發生器的長度，m，本項目取L=0.5m。

(5)泡沫發生器的熱損失Q1

Q1=K1×A×Δt1[5]

2.3 伴熱管與泡沫發生器之間的熱量輸入

(1)伴熱管與泡沫發生器之間的傳熱系數K2

式中，K2為伴熱管與泡沫發生器之間的給熱系數，W/(m2·℃)；a2為伴熱管內部蒸汽給熱系數，工程上一般取11622.5W/(m2·℃)；ξ2為伴熱管管壁壁厚，m，本項目取ξ2=0.002m；λ2為伴熱管的導熱系數，W/(m2·℃)，本項目取λ2=18.5W/(m2·℃)；a3為伴熱管至保溫隔熱層內空氣給熱系數，W/(m2·℃)，本項目取21.3W/(m2·℃)；a4為保溫隔熱層內空氣至泡沫發生器的給熱系數，W/(m2·℃)，本項目取13.95W/(m2·℃)。

(2)伴熱管與泡沫發生器之間的傳熱溫差△t2

Δt2=tv-tw=tv-t

式中，tv為伴熱管內蒸汽的溫度，℃，本項目取tv=151℃。

(3)伴熱管的傳熱面積F

F=πdL

式中，F為伴熱管傳熱面積，m2；d為伴熱管外徑，m，本項目取d=0.012m；L為伴熱管長度，m，本項目取L=0.5m。

(4)伴熱管與泡沫發生器之間的熱量輸入Q2

Q2=K2×F×Δt2[5]

3 保溫厚度的分析與確定

根據泡沫發生器向外界環境散失的熱量等于伴熱管輸入的熱量，即Q1=Q2[5][6],得出公式(1)。

(1)

3.1 夏季當外界極端最高溫度為38.9℃時，保溫厚度的確定

當夏季外界環境最高溫度為ta=38.9℃，采用蒸汽伴熱時，既要防止泡沫發生器內的溫度超過80℃，也要使泡沫發生器內的溫度不低于45℃，為此將各參數代入(1)式，得出泡沫發生器內不同控制溫度下，外保溫層的厚度見表1。

表1 夏季泡沫發生器內不同控制溫度下保溫層的厚度

3.2 冬季外界極端最低溫度為4.5℃時，保溫厚度的確定

當冬季外界環境最低溫度ta=4.5℃，采用蒸汽伴熱時，既要防止泡沫發生器內的溫度超過80℃，也要使泡沫發生器內的溫度不低于45℃，為此將各參數代入(1)式，得出泡沫發生器內不同控制溫度時，外保溫層的厚度見表2。

表2 冬季泡沫發生器內不同控制溫度下保溫層的厚度

3.3 結果與分析

當夏季極端最高溫度為38.9℃，保溫層的厚度為2～76.3mm時，泡沫發生器內的溫度控制在45～80℃。當冬季極端最低溫度為4.5℃，保溫層的厚度為35.1～125.7mm時，泡沫發生器內的溫度可控制在45～80℃的范圍。全年外界環境溫度界于4.5～38.9℃之間，因此當保溫層的厚度設定為35.1～76.3mm范圍內時，既滿足極端最高溫度，又滿足極端最低溫度，泡沫發生器內全年的溫度會維持在45～80℃范圍內，從而保證泡沫發生器正常工作。從施工、投資等方面綜合考慮，經圓整后本項目保溫厚度按50mm進行設計。經改造后，泡沫發生器運行正常，未出現結晶問題，有效解決了項目的實際問題。

4 結語

本文針對苯酚儲罐泡沫發生器內出現結晶的問題，在現場不具備電伴熱改造的實際工況下，考慮施工便利性及經濟性，對伴熱型式、伴熱管的尺寸及保溫厚度進行了分析與計算，最終得出利用151℃的低壓蒸汽為加熱介質；規格為?12×2,保溫厚度為50mm的304不銹鋼為伴熱管，解決了苯酚儲罐泡沫發生器內出現結晶的問題。自改造后半年內運行效果良好，未出現結晶，且經試驗測試后，泡沫發生器正常工作。通過本文，以期對易結晶、易燃物料儲罐上泡沫發生器的設計提供一定的參考。