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(chǎn)業(yè)的核心，是生產(chǎn)聚乙烯、苯乙烯、醋酸等產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)原料。隨著經(jīng)濟(jì)的高水平發(fā)展，我國對乙烯的需求量越來越大，國內(nèi)陸續(xù)建成了很多乙烯裝置，規(guī)模和年產(chǎn)量也快速增長[1]。因此，建立安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模低溫液化乙烯儲運(yùn)系統(tǒng)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(dāng)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(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在低溫液化乙烯儲運(yùn)過程中，由于環(huán)境溫度變化、機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)、節(jié)流閃蒸、管線預(yù)冷等原因，會產(chǎn)生大量的閃蒸氣(boil off gas，BOG)，為維持儲罐壓力的穩(wěn)定，出于節(jié)能環(huán)保的考慮，對BOG進(jìn)行再液化。本文以某項(xiàng)目中的低溫液化乙烯儲罐區(qū)為例，探討B(tài)OG的處理工藝。

1 低溫液化乙烯儲罐區(qū)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(qū)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(jìn)、出液系統(tǒng)

進(jìn)液系統(tǒng)：催化裂化裝置生產(chǎn)的低溫液化乙烯經(jīng)管道輸送至儲罐中儲存，可采用頂部進(jìn)液或底部進(jìn)液，兩種方式的進(jìn)液管道上分別設(shè)置切斷閥，在總進(jìn)液管道上設(shè)置總切斷閥，并與儲罐高高液位報(bào)警聯(lián)鎖，防止溢罐事故的發(fā)生。

出液系統(tǒng)：低溫液化乙烯經(jīng)潛液泵增壓輸送到槽車進(jìn)行裝車，槽車置換出的氣體也返回到儲罐中，每臺儲罐內(nèi)設(shè)置兩臺潛液泵。設(shè)置泵后回流線，當(dāng)潛液泵低流量運(yùn)行時，可通過此管線將儲罐內(nèi)的低溫液化乙烯循環(huán)起來。

1.2 低溫乙烯儲存系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用平底圓筒形吊頂式全容儲罐，有效容積為20000 m3，設(shè)計(jì)壓力為-0.5 kPa/25 kPa，設(shè)計(jì)溫度為+50 ℃/-110 ℃。儲罐內(nèi)罐的主要材質(zhì)為S30408，外罐筒體的主要材質(zhì)為S30408、拱頂?shù)闹饕馁|(zhì)為16MnDR。在內(nèi)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(nèi)罐壁、外罐壁和罐底設(shè)置多個溫度測量儀表監(jiān)測內(nèi)外罐的溫度，便于及時發(fā)現(xiàn)泄漏工況；儲罐設(shè)置壓力測量儀表和控制閥門維持儲罐在設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)運(yùn)行；儲罐設(shè)置多套液位測量儀表及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)確保儲罐安全操作和運(yùn)行。

1.3 BOG液化回收系統(tǒng)

BOG液化回收系統(tǒng)主要包括BOG回收壓縮機(jī)、冰機(jī)系統(tǒng)和緩沖罐三部分。儲罐內(nèi)的氣體壓力達(dá)到18 kPa時，儲罐排氣至壓縮機(jī)，BOG經(jīng)三級壓縮后壓力達(dá)到到1.7 MPa；壓縮后的BOG進(jìn)入冰機(jī)系統(tǒng)，制冷劑在蒸發(fā)器的殼程將管程內(nèi)BOG冷卻為液化乙烯；液化乙烯自冰機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)液化乙烯經(jīng)過節(jié)流降壓回流到低溫乙烯儲罐中儲存。

2 BOG壓縮機(jī)選型

BOG回收系統(tǒng)的規(guī)模是低溫乙烯儲運(yùn)的關(guān)鍵，BOG壓縮機(jī)是整個液化回收系統(tǒng)的核心設(shè)備。因此，BOG壓縮機(jī)的選型至關(guān)重要。

2.1 計(jì)算工況

此項(xiàng)目進(jìn)液流量為123 m3/h，出液量為240 m3/h，儲罐內(nèi)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(jìn)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(diào)節(jié)進(jìn)液壓力，在進(jìn)液管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，節(jié)流后一部分低溫液化乙烯閃蒸，造成儲罐內(nèi)BOG的增加。HYSYS模擬結(jié)果如圖2所示，閃蒸量為2.42%，產(chǎn)生BOG為1684 kg/h。

圖2 進(jìn)液閃蒸模擬圖Fig.2 Simulation diagram of liquid inlet flash

(2)潛液泵運(yùn)轉(zhuǎn)的熱量轉(zhuǎn)化(W2)

本項(xiàng)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(yùn)行時的熱量會導(dǎo)致儲罐內(nèi)BOG的增加，產(chǎn)生BOG最多的情況為泵的軸功率全部轉(zhuǎn)換為熱能。潛液泵的流量為240 m3/h，揚(yáng)程為135 m，泵的效率為62%，則泵運(yùn)行時所產(chǎn)生的BOG量計(jì)算結(jié)果如下所示：

式中：ρ——介質(zhì)密度，kg/m3

Q——泵的流量，m3/s

H——泵的揚(yáng)程，m

η——泵的效率

故潛液泵的軸功率為：

泵運(yùn)行時最大BOG增加量為：

W2=轉(zhuǎn)化的熱能/低溫乙烯氣化潛熱

=(80.4×3600)/475≈609 kJ/kg

(3)日蒸發(fā)(W3)

根據(jù)規(guī)定，金屬全容罐的日最大BOG蒸發(fā)量不超過儲罐總?cè)莘e的0.08%[2]。本項(xiàng)目設(shè)置兩臺容積為20000 m3的全容型儲罐，因此儲罐內(nèi)的最大BOG量的計(jì)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(fā)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(shè)置調(diào)節(jié)閥降壓，緩沖罐內(nèi)低溫乙烯的返回量為5500 kg/h。HYSYS模擬結(jié)果如圖3所示，節(jié)流后的氣相分?jǐn)?shù)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(shè)置一條最小回流線，回流線上設(shè)置調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)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(jié)果如圖4所示，節(jié)流后的氣相分?jǐn)?shù)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(nèi)的液位下降，壓力變小，由槽車返回的氣體可以補(bǔ)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(jì)算如下所示[3]：

BOG的標(biāo)準(zhǔn)密度：

ρ標(biāo)況=M摩爾質(zhì)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(shù)

∴任意溫度壓力下的密度ρ=(P/P標(biāo)況)(T標(biāo)況/T)ρ標(biāo)況

∴槽車內(nèi)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(nèi)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(huán)境溫度與管內(nèi)低溫乙烯存在溫差，管道與外界進(jìn)行熱交換會產(chǎn)生一定量的BOG。本項(xiàng)目環(huán)境溫度ta為31 ℃，露點(diǎn)溫度td為25 ℃，管道漏熱引起的BOG增加量計(jì)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(shù)。W/m2·℃，取8.141。

本項(xiàng)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(chǎn)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(jì)算結(jié)果

經(jīng)上述分析可知，低溫乙烯儲罐區(qū)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的BOG，日常運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)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(qū)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。各工況下的BOG量見表1所示。

表1 主要工況產(chǎn)生的BOGTable 1 BOG generated under main working conditions

2.3 BOG壓縮機(jī)選型

由表1可知，BOG產(chǎn)生量最大的工況為正常進(jìn)料、正常出料，BOG產(chǎn)生量為6160 kg/h，考慮機(jī)泵正常出料時機(jī)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(jī)的處理能力為5500 kg/h，設(shè)置兩臺壓縮機(jī)，正常運(yùn)行時啟動一臺，處理量大時開啟兩臺，另一臺壓縮機(jī)兼具備用壓縮機(jī)的功能。

3 冰機(jī)選型

本項(xiàng)目冰機(jī)應(yīng)具備冷卻兩臺壓縮機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)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(jié)果如圖5所示，整個過程冰機(jī)的熱負(fù)荷為5339000 kJ/h。因此，取冰機(jī)的總制冷量應(yīng)為1550 kW。

圖5 冰機(jī)制冷量模擬Fig.5 Ice machine cooling capacity simulation

冰機(jī)的制冷流程：丙烯制冷劑在蒸發(fā)器的殼程將BOG冷卻為液化乙烯，丙烯吸熱蒸發(fā)成飽和丙烯返回丙烯壓縮機(jī)，被壓縮為高壓丙烯氣經(jīng)油分離器分離出排氣中的潤滑油后，進(jìn)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(jīng)供液閥節(jié)流到氣液兩相進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器后吸熱為氣態(tài)丙烯吸入到丙烯壓縮機(jī)中，另一部分液化丙烯在經(jīng)濟(jì)器中被過冷后進(jìn)入蒸發(fā)器的殼程與乙烯進(jìn)行熱量交換，如圖6所示[7]。

圖6 冰機(jī)制冷流程Fig.6 Refrigeration process of ice machine

4 緩沖罐的選型

本項(xiàng)目緩沖罐的主要作用是緩解整個液化系統(tǒng)的流量和壓力波動，將冰機(jī)冷凝的低溫乙烯輸送到緩沖罐后，經(jīng)節(jié)流降壓回流到低溫乙烯儲罐內(nèi)。本項(xiàng)目緩沖罐的內(nèi)徑為1.2 m，切線長度為3.6 m，設(shè)計(jì)溫度為-104 ℃，設(shè)計(jì)壓力為2.16 MPa，使用丁腈橡膠發(fā)泡制品進(jìn)行保冷。

5 結(jié) 論

(1)通過分析低溫液化乙烯儲罐區(qū)發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)、冰機(jī)、緩沖罐的選型等都受BOG量的制約。因此，正確計(jì)算低溫儲罐區(qū)BOG的量是保證罐區(qū)安全運(yùn)行和精細(xì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

(2)本文分析了不同工況下低溫液化乙烯儲罐區(qū)產(chǎn)生BOG的量，取最大的BOG量作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并考慮了極端工況和備用情況，選取兩臺壓縮機(jī)，在保證罐區(qū)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上降低整個項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用。