低溫乙烯儲罐區蒸發氣處理工藝的研究

2022-10-22 10:27:00邵雪微曹斯亮

廣州化工 2022年18期

邵雪微，曹斯亮，周月，張靜

(北京石油化工工程有限公司，北京 100000)

乙烯是石油化工產業的核心，是生產聚乙烯、苯乙烯、醋酸等產品的重要基礎原料。隨著經濟的高水平發展，我國對乙烯的需求量越來越大，國內陸續建成了很多乙烯裝置，規模和年產量也快速增長[1]。因此，建立安全可靠、經濟高效的大規模低溫液化乙烯儲運系統十分必要。液化乙烯(liquid ethylene gas，LEG)常用的儲存方式有兩種：一是常壓低溫儲存，二是高壓低溫儲存。常壓低溫儲存作為當前低溫液化乙烯最常用的儲存方式，具有儲存能力大、占地面積小、自動化程度高、安全穩定等優點。在低溫液化乙烯儲運過程中，由于環境溫度變化、機泵運轉、節流閃蒸、管線預冷等原因，會產生大量的閃蒸氣(boil off gas，BOG)，為維持儲罐壓力的穩定，出于節能環保的考慮，對BOG進行再液化。本文以某項目中的低溫液化乙烯儲罐區為例，探討BOG的處理工藝。

1 低溫液化乙烯儲罐區的工藝流程

低溫液化乙烯的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 低溫乙烯儲罐區工藝流程圖Fig.1 Engineering flow sheet of low temperature ethylene storage tank area

1.1 低溫液化乙烯進、出液系統

進液系統：催化裂化裝置生產的低溫液化乙烯經管道輸送至儲罐中儲存，可采用頂部進液或底部進液，兩種方式的進液管道上分別設置切斷閥，在總進液管道上設置總切斷閥，并與儲罐高高液位報警聯鎖，防止溢罐事故的發生。

出液系統：低溫液化乙烯經潛液泵增壓輸送到槽車進行裝車，槽車置換出的氣體也返回到儲罐中，每臺儲罐內設置兩臺潛液泵。設置泵后回流線，當潛液泵低流量運行時，可通過此管線將儲罐內的低溫液化乙烯循環起來。

1.2 低溫乙烯儲存系統

本項目采用平底圓筒形吊頂式全容儲罐，有效容積為20000 m3，設計壓力為-0.5 kPa/25 kPa，設計溫度為+50 ℃/-110 ℃。儲罐內罐的主要材質為S30408，外罐筒體的主要材質為S30408、拱頂的主要材質為16MnDR。在內罐和外罐之間填充膨脹珍珠巖絕熱；儲罐底部使用泡沫玻璃磚隔熱。儲罐在內罐壁、外罐壁和罐底設置多個溫度測量儀表監測內外罐的溫度，便于及時發現泄漏工況；儲罐設置壓力測量儀表和控制閥門維持儲罐在設計壓力范圍內運行；儲罐設置多套液位測量儀表及聯鎖保護系統確保儲罐安全操作和運行。

1.3 BOG液化回收系統

BOG液化回收系統主要包括BOG回收壓縮機、冰機系統和緩沖罐三部分。儲罐內的氣體壓力達到18 kPa時，儲罐排氣至壓縮機，BOG經三級壓縮后壓力達到到1.7 MPa；壓縮后的BOG進入冰機系統，制冷劑在蒸發器的殼程將管程內BOG冷卻為液化乙烯；液化乙烯自冰機系統進入緩沖罐，緩沖罐用以緩解管道壓力波動和流量不均勻度，緩沖罐內液化乙烯經過節流降壓回流到低溫乙烯儲罐中儲存。

2 BOG壓縮機選型

BOG回收系統的規模是低溫乙烯儲運的關鍵，BOG壓縮機是整個液化回收系統的核心設備。因此，BOG壓縮機的選型至關重要。

2.1 計算工況

此項目進液流量為123 m3/h，出液量為240 m3/h，儲罐內低溫乙烯液相密度為565 kg/m3，BOG的密度為2.424 kg/m3，汽化潛熱為475 kJ/kg。

(1)進液閃蒸(W1)

由催化煉化裝置輸送來的低溫液化乙烯的壓力為0.5 MPa，儲罐的操作壓力為10 kPa，為調節進液壓力，在進液管道上設置調節閥，節流后一部分低溫液化乙烯閃蒸，造成儲罐內BOG的增加。HYSYS模擬結果如圖2所示，閃蒸量為2.42%，產生BOG為1684 kg/h。

圖2 進液閃蒸模擬圖Fig.2 Simulation diagram of liquid inlet flash

(2)潛液泵運轉的熱量轉化(W2)

本項目低溫液化乙烯輸送泵為立式潛液離心泵，泵組整體浸沒在低溫液化乙烯中，潛液泵運行時的熱量會導致儲罐內BOG的增加，產生BOG最多的情況為泵的軸功率全部轉換為熱能。潛液泵的流量為240 m3/h，揚程為135 m，泵的效率為62%，則泵運行時所產生的BOG量計算結果如下所示：

式中：ρ——介質密度，kg/m3

Q——泵的流量，m3/s

H——泵的揚程，m

η——泵的效率

故潛液泵的軸功率為：

泵運行時最大BOG增加量為：

W2=轉化的熱能/低溫乙烯氣化潛熱

=(80.4×3600)/475≈609 kJ/kg

(3)日蒸發(W3)

根據規定，金屬全容罐的日最大BOG蒸發量不超過儲罐總容積的0.08%[2]。本項目設置兩臺容積為20000 m3的全容型儲罐，因此儲罐內的最大BOG量的計算如下所示：

W3=儲罐最大有效容積×低溫乙烯密度×最大日蒸發率×2/24

=20000×565×0.08%×2/24≈753 kg/h

(4)緩沖罐回收閃蒸(W4)

緩沖罐的操作壓力為1.6 MPa，需在低溫乙烯回流線上設置調節閥降壓，緩沖罐內低溫乙烯的返回量為5500 kg/h。HYSYS模擬結果如圖3所示，節流后的氣相分數為35.63%，即BOG的量W4約為1959 kg/h。

圖3 緩沖罐回流閃蒸模擬圖Fig.3 Reflux flash simulation diagram of buffer tank

(5)泵最小回流閃蒸(W5)

圖4 泵最小回流線閃蒸模擬圖Fig.4 Flash simulation diagram of minimum return line of pump

儲罐停止出液后，為避免潛液泵的頻繁啟停，在泵后設置一條最小回流線，回流線上設置調節閥來調節壓力。最小回流量為40680 kg/h，壓力由0.085 MPa降低為10 kPa。HYSYS模擬結果如圖4所示，節流后的氣相分數為0.43%，即BOG的量W5約為174 kg/h。

(6)裝車氣相返回(W6)

低溫乙烯裝車時，由于儲罐與槽車的壓差，一部分氣體會從槽車回到儲罐，儲罐內的液位下降，壓力變小，由槽車返回的氣體可以補充一定的氣體壓力。槽車體積為30 m3，壓力為0.1 MPa，溫度-104 ℃。計算如下所示[3]：

BOG的標準密度：

ρ標況=M摩爾質量/V摩爾體積=28.05/22.4=1.25 kg/m3

∵PV=nRT，且V=m/ρ

∴P/ρ=RT/M

又∵對于同一種氣體，R、M為常數

∴任意溫度壓力下的密度ρ=(P/P標況)(T標況/T)ρ標況

∴槽車內BOG的密度ρ裝車=(0.2/0.1)×(273/169)×1.25

≈4.038 kg/m3

∴槽車返回儲罐內的BOG量：

W6=Q裝車×ρ裝車=240×4.038≈969 kg/h

(7)管道與外界熱交換(W7)

外界環境溫度與管內低溫乙烯存在溫差，管道與外界進行熱交換會產生一定量的BOG。本項目環境溫度ta為31 ℃，露點溫度td為25 ℃，管道漏熱引起的BOG增加量計算如下[4-5]：

管道絕熱層外表面最大允許冷損失：ta-td≤4.5時，Q=(ta-td)α;ta-td>4.5時，Q=4.5α。

式中，α為隔熱層外表面向大氣的放熱系數。W/m2·℃，取8.141。

本項目低溫管道公稱直徑為250 mm，保溫層厚度為120 mm，長度為415 m，產生BOG的量：

W7=管道外表面積×最大允許損失量/乙烯氣化潛熱

=(3.14×0.5131×415)×(4.5×8.141)×3600/(475×1000)

≈186 kg/h

2.2 計算結果

經上述分析可知，低溫乙烯儲罐區在運行過程中會產生大量的BOG，日常運行過程中可能出現幾種工藝共同工作的情況[6]。因此，合理的分析BOG的量，對罐區系統的安全運行至關重要。各工況下的BOG量見表1所示。

表1 主要工況產生的BOGTable 1 BOG generated under main working conditions

2.3 BOG壓縮機選型

由表1可知，BOG產生量最大的工況為正常進料、正常出料，BOG產生量為6160 kg/h，考慮機泵正常出料時機泵的軸功率大部分用來輸送低溫乙烯等因素，取一臺BOG壓縮機的處理能力為5500 kg/h，設置兩臺壓縮機，正常運行時啟動一臺，處理量大時開啟兩臺，另一臺壓縮機兼具備用壓縮機的功能。

3 冰機選型

本項目冰機應具備冷卻兩臺壓縮機全負荷運轉時壓縮出BOG的能力，將溫度40 ℃、壓力1.7 MPa的BOG冷卻為溫度為-38 ℃、壓力為1.6 MPa的低溫乙烯，流量為1100 kg/h。HYSYS模擬結果如圖5所示，整個過程冰機的熱負荷為5339000 kJ/h。因此，取冰機的總制冷量應為1550 kW。

圖5 冰機制冷量模擬Fig.5 Ice machine cooling capacity simulation

冰機的制冷流程：丙烯制冷劑在蒸發器的殼程將BOG冷卻為液化乙烯，丙烯吸熱蒸發成飽和丙烯返回丙烯壓縮機，被壓縮為高壓丙烯氣經油分離器分離出排氣中的潤滑油后，進入水冷凝器被冷凝成為液化丙烯。從冷凝器出來的液化丙烯一部分經供液閥節流到氣液兩相進入經濟器后吸熱為氣態丙烯吸入到丙烯壓縮機中，另一部分液化丙烯在經濟器中被過冷后進入蒸發器的殼程與乙烯進行熱量交換，如圖6所示[7]。