朱法廳 楊向東 中海油石化工程有限公司 濟(jì)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(chǎn)品及中間體的重要生產(chǎn)原料，在國(guó)民生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。其熔點(diǎn)43℃，可燃、高毒，對(duì)人體的皮膚及粘膜腐蝕性極強(qiáng)，可至人體灼傷。近年來隨著國(guó)內(nèi)苯酚丙酮裝置的上馬，人們對(duì)苯酚的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)确e累了一定的寶貴經(jīng)驗(yàn)，但仍存在影響裝置安全生產(chǎn)、運(yùn)行的部分問題。本文針對(duì)廣東某大型合資石化企業(yè)苯酚儲(chǔ)運(yùn)方面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題進(jìn)行分析并對(duì)泡沫發(fā)生器進(jìn)行改造，以期對(duì)同類生產(chǎn)項(xiàng)目或易結(jié)晶、易燃物料儲(chǔ)存上遇到的類似問題起到一定的參考作用。

1 項(xiàng)目概況

苯酚儲(chǔ)罐內(nèi)液相苯酚的正常操作溫度為60℃，每個(gè)儲(chǔ)罐均設(shè)有四個(gè)泡沫發(fā)生器，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)苯酚儲(chǔ)罐泡沫發(fā)生器內(nèi)有大量的苯酚晶體，詳見圖1和圖2。

圖1 泡沫發(fā)生器苯酚結(jié)晶示意圖

圖2 苯酚結(jié)晶現(xiàn)場(chǎng)照片

苯酚結(jié)晶附著在泡沫發(fā)生器的密封玻璃上，嚴(yán)重影響了密封玻璃的正常開啟，一旦遇到火災(zāi)，將影響泡沫發(fā)生器的正常使用。初步分析結(jié)晶原因?yàn)楸椒拥哪厅c(diǎn)為43℃，苯酚儲(chǔ)罐頂部的氣相苯酚進(jìn)入泡沫發(fā)生器后遇冷結(jié)晶，日積月累后，大量氣相苯酚在泡沫發(fā)生器內(nèi)結(jié)晶，附著在泡沫發(fā)生器的密封玻璃上，從而影響泡沫發(fā)生器密封玻璃的正常開啟。項(xiàng)目組提出泡沫發(fā)生器未設(shè)置伴熱、保溫，即泡沫發(fā)生器內(nèi)密封玻璃至苯酚儲(chǔ)罐的氣相空間接近常溫，是導(dǎo)致苯酚結(jié)晶的主要原因。

欲使泡沫發(fā)生器內(nèi)不發(fā)生苯酚結(jié)晶，必須控制泡沫發(fā)生器內(nèi)的溫度高于苯酚的凝固點(diǎn)(43℃)；但若泡沫發(fā)生器內(nèi)溫度超過80℃，則會(huì)影響泡沫發(fā)生器內(nèi)密封玻璃的密封性和開啟壓力。經(jīng)項(xiàng)目組初步討論，使用自限溫型電伴熱對(duì)泡沫發(fā)生器進(jìn)行伴熱，保持泡沫發(fā)生器內(nèi)45～80℃的溫度。但經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，現(xiàn)場(chǎng)不具備使用電伴熱的條件。從后期維護(hù)、投資成本、運(yùn)行成本等方面考慮，項(xiàng)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(huán)境溫度、風(fēng)速、伴熱管規(guī)格、保溫層厚度等因素影響較大，本文針對(duì)伴熱管規(guī)格、伴熱結(jié)構(gòu)形式及保溫層厚度進(jìn)行分析，以期使泡沫發(fā)生器內(nèi)達(dá)到預(yù)定的45～80℃。

2 泡沫發(fā)生器的改造措施及理論分析

從便于施工及達(dá)到預(yù)期的控溫效果考慮，基于泡沫發(fā)生器與外界環(huán)境之間的熱損失Q1等于伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的熱量輸入Q2原理，進(jìn)行相關(guān)的分析計(jì)算。

2.1 伴管規(guī)格及伴熱結(jié)構(gòu)型式的選擇

因苯酚具有強(qiáng)腐蝕性，本次改造過程中需全程穿防化服，且泡沫發(fā)生器位于苯酚儲(chǔ)罐罐頂約18.5m高，屬于高空作業(yè)，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(fā)生器的伴熱管導(dǎo)熱不均，導(dǎo)致泡沫發(fā)生器內(nèi)局部溫度過高，影響泡沫發(fā)生器的正常工作，本改造項(xiàng)目采用圖3所示的伴熱結(jié)構(gòu)型式[4]。

圖3 伴熱結(jié)構(gòu)形式

2.2 泡沫發(fā)生器與外界環(huán)境之間熱損失的計(jì)算

(1)保溫隔熱層表面至周圍環(huán)境的給熱系數(shù)(a0)

(2)往外界環(huán)境散熱的傳熱系數(shù)K1

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

(3)傳熱溫差Δt1

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

Δt1=tw-ta=t-ta

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

(4)泡沫發(fā)生器的散熱面積A

A=πDL

式中，A為泡沫發(fā)生器的散熱面積，m2；D為泡沫發(fā)生器的直徑，m，本項(xiàng)目取D=0.3m；L為被保溫伴熱部分泡沫發(fā)生器的長(zhǎng)度，m，本項(xiàng)目取L=0.5m。

(5)泡沫發(fā)生器的熱損失Q1

Q1=K1×A×Δt1[5]

2.3 伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的熱量輸入

(1)伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的傳熱系數(shù)K2

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

(2)伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的傳熱溫差△t2

Δt2=tv-tw=tv-t

式中，tv為伴熱管內(nèi)蒸汽的溫度，℃，本項(xiàng)目取tv=151℃。

(3)伴熱管的傳熱面積F

F=πdL

式中，F(xiàn)為伴熱管傳熱面積，m2；d為伴熱管外徑，m，本項(xiàng)目取d=0.012m；L為伴熱管長(zhǎng)度，m，本項(xiàng)目取L=0.5m。

(4)伴熱管與泡沫發(fā)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(jù)泡沫發(fā)生器向外界環(huán)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(dāng)外界極端最高溫度為38.9℃時(shí)，保溫厚度的確定

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

表1 夏季泡沫發(fā)生器內(nèi)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(shí)，保溫厚度的確定

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

表2 冬季泡沫發(fā)生器內(nèi)不同控制溫度下保溫層的厚度

3.3 結(jié)果與分析

當(dāng)夏季極端最高溫度為38.9℃，保溫層的厚度為2～76.3mm時(shí)，泡沫發(fā)生器內(nèi)的溫度控制在45～80℃。當(dāng)冬季極端最低溫度為4.5℃，保溫層的厚度為35.1～125.7mm時(shí)，泡沫發(fā)生器內(nèi)的溫度可控制在45～80℃的范圍。全年外界環(huán)境溫度界于4.5～38.9℃之間，因此當(dāng)保溫層的厚度設(shè)定為35.1～76.3mm范圍內(nèi)時(shí)，既滿足極端最高溫度，又滿足極端最低溫度，泡沫發(fā)生器內(nèi)全年的溫度會(huì)維持在45～80℃范圍內(nèi)，從而保證泡沫發(fā)生器正常工作。從施工、投資等方面綜合考慮，經(jīng)圓整后本項(xiàng)目保溫厚度按50mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)改造后，泡沫發(fā)生器運(yùn)行正常，未出現(xiàn)結(jié)晶問題，有效解決了項(xiàng)目的實(shí)際問題。

4 結(jié)語

本文針對(duì)苯酚儲(chǔ)罐泡沫發(fā)生器內(nèi)出現(xiàn)結(jié)晶的問題，在現(xiàn)場(chǎng)不具備電伴熱改造的實(shí)際工況下，考慮施工便利性及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)伴熱型式、伴熱管的尺寸及保溫厚度進(jìn)行了分析與計(jì)算，最終得出利用151℃的低壓蒸汽為加熱介質(zhì)；規(guī)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(chǔ)罐泡沫發(fā)生器內(nèi)出現(xiàn)結(jié)晶的問題。自改造后半年內(nèi)運(yùn)行效果良好，未出現(xiàn)結(jié)晶，且經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試后，泡沫發(fā)生器正常工作。通過本文，以期對(duì)易結(jié)晶、易燃物料儲(chǔ)罐上泡沫發(fā)生器的設(shè)計(jì)提供一定的參考。