王利強(qiáng),田 鶴,劉立軍,秦玉潔,姜 坤,王旭鋒,楊桂云
苯乙烯儲(chǔ)存方案設(shè)計(jì)及保冷計(jì)算
王利強(qiáng)1,田 鶴1,劉立軍2,秦玉潔1,姜 坤1,王旭鋒1,楊桂云1
(1. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司, 河北 任丘 062550;2. 華北油田公司第二采油廠工程設(shè)計(jì)室,河北 霸州 065700)
根據(jù)苯乙烯的性質(zhì)對其存儲(chǔ)過程中所存在的問題進(jìn)行闡述,分析了溫度、氧含量、阻聚劑、存儲(chǔ)設(shè)備對苯乙烯聚合的影響。根據(jù)各個(gè)影響因素,提出了相應(yīng)的注意事項(xiàng)及應(yīng)對措施。另外,根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行儲(chǔ)罐保冷方案選擇、冷負(fù)荷計(jì)算及設(shè)備選型。
苯乙烯;聚合物;保冷;阻聚劑
苯乙烯是石油化工行業(yè)重要的基礎(chǔ)原料,隨著苯乙烯產(chǎn)能及消費(fèi)量的增加,苯乙烯安全存儲(chǔ)成為生產(chǎn)、使用、倉儲(chǔ)企業(yè)普遍關(guān)注的問題。
1.1 苯乙烯性質(zhì)
苯乙烯的化學(xué)性質(zhì)非?;顫?,不但能進(jìn)行均聚合,也能與其他單體如丁二烯、丙烯腈等發(fā)生共聚合反應(yīng)。此外,分子中雙鍵易收到親電試劑及自由基的進(jìn)攻,可發(fā)生加成、取代、氧化等反應(yīng)。苯乙烯其它物理性質(zhì)如表1所示。
表1 苯乙烯物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of phenyethylene
1.2 存儲(chǔ)難點(diǎn)
苯乙烯閃點(diǎn)為31.1 ℃,當(dāng)環(huán)境溫度高于苯乙烯閃點(diǎn)時(shí)可形成爆炸性蒸汽/空氣混合物,達(dá)到爆炸極限后存在爆炸危險(xiǎn)。另外,苯乙烯很容易發(fā)生聚合反應(yīng),會(huì)生成過多的聚合物,使苯乙烯的粘度增大,色度和透明度下降。聚合物含量較高的苯乙烯在裝卸、運(yùn)輸過程中會(huì)粘在管壁和閥門上,造成閥門、流量計(jì)等部件的堵塞。另外,苯乙烯汽化揮發(fā)產(chǎn)生的蒸汽充滿儲(chǔ)罐上部空間,會(huì)在罐壁和罐頂處聚合、凝結(jié),形成類似鐘乳石形狀、厚度不一的聚合物,如圖1所示。
圖1 苯乙烯儲(chǔ)罐聚合物Fig.1 Phenyethylene polymer in the tank
這些聚合物不僅會(huì)堵塞呼吸閥、阻火器等附件,還會(huì)影響液位計(jì)、報(bào)警器等檢測儀表的正常使用。當(dāng)聚合物與苯乙烯液面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生溶解,造成苯乙烯的品質(zhì)下降及下一批物料的污染。清除儲(chǔ)罐及管線上的聚合物較為困難,需要人工清除及噴砂處理,工作量大,操作費(fèi)用高。
苯乙烯在存儲(chǔ)過程中聚合物的生成主要受到儲(chǔ)存溫度、氧含量、阻聚劑含量、儲(chǔ)存設(shè)施等因素的影響。
2.1 溫度
苯乙烯是少數(shù)幾種能夠用熱引發(fā)聚合的單體,苯乙烯熱引發(fā)機(jī)理為自由基反應(yīng),通過雙分子或三分子引發(fā)[1]。苯乙烯在環(huán)境溫度下就能發(fā)生緩慢的聚合反應(yīng),并且該過程是一個(gè)放熱反應(yīng),隨著熱量的積聚溫度升高,反應(yīng)速率加快,最終易發(fā)生“暴聚”。因此,苯乙烯的存儲(chǔ)過程需要采取降溫措施。
存儲(chǔ)溫度直接影響苯乙烯的存儲(chǔ)周期,苯乙烯儲(chǔ)存過程中應(yīng)嚴(yán)格控制存儲(chǔ)溫度。國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用苯乙烯》GB3915-2011中規(guī)定“苯乙烯應(yīng)貯藏在25 ℃以下或冷藏倉庫內(nèi)” 。孟山都聚合石化公司及德克薩斯城裝置推薦長期儲(chǔ)存溫度不能超過 18℃,在此溫度下存儲(chǔ)周期約為 90天[2]。曹學(xué)義[3]對中國石化齊魯分公司儲(chǔ)運(yùn)廠4座6 000 m3苯乙烯儲(chǔ)罐進(jìn)行取樣試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在20℃以下儲(chǔ)存,周期可達(dá)120 d以上。苗夫傳[4]等通過實(shí)驗(yàn)建議苯乙烯存儲(chǔ)溫度控制在 18 ℃。綜上考慮苯乙烯存儲(chǔ)溫度一般控制在10~20 ℃之間,但應(yīng)根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間長短、阻聚劑添加量等實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。
2.2 阻聚劑
苯乙烯熱引發(fā)的聚合反應(yīng)是自由基反應(yīng),當(dāng)加入阻聚劑后苯乙烯自由基離子很快與阻聚劑反應(yīng)生成無活性自由基,進(jìn)而發(fā)生耦合或歧化反應(yīng),從而終止聚合反應(yīng)發(fā)生,起到阻聚效果。阻聚劑的種類有很多,我國目前苯乙烯存儲(chǔ)過程中主要使用對叔丁基鄰本二酚(TBC)。
TBC的加入量沒有嚴(yán)格的規(guī)定,國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用苯乙烯》GB3915-2011中只提到苯乙烯的技術(shù)指標(biāo)為苯乙烯中阻聚劑(TBC)含量為10~15 mg/kg或按供需雙方協(xié)議執(zhí)行。TBC的最低有效濃度是5 mg/kg,理論上TBC添加量為10~15 mg/kg,但根據(jù)不同的存儲(chǔ)條件以及用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求 TBC添加范圍為10~55 mg/kg。夏季溫度高,可適當(dāng)提高TBC添加量,一般控制在20~30 mg/kg;冬季溫度低,可適當(dāng)降低TBC添加量,一般控制在10~25 mg/kg;在運(yùn)輸過程中可提高到55 mg/kg。TBC在阻聚過程中本身不斷被消耗,因而應(yīng)對儲(chǔ)罐中TBC濃度定期檢測,并適時(shí)給予補(bǔ)充。
TBC是氧消耗型阻聚劑,只有在一定濃度的氧存在時(shí)才能發(fā)揮阻聚作用。氧氣濃度必須控制在一定范圍內(nèi),最佳的氧氣濃度為8~10 cm3/m3,但為了保證 TBC充分發(fā)揮作用要求氧氣濃度為 15~20 cm3/m3。當(dāng)儲(chǔ)罐設(shè)置氮封時(shí),應(yīng)增加氧氣的檢測與補(bǔ)充系統(tǒng)。
2.3 存儲(chǔ)設(shè)備
存儲(chǔ)設(shè)備對苯乙烯聚合的影響在于存儲(chǔ)設(shè)施設(shè)置不合理使得苯乙烯局部積存或失去溫度控制。
其表現(xiàn)主要有:1)儲(chǔ)罐設(shè)備不能有效的控制苯乙烯存儲(chǔ)溫度,如系統(tǒng)未設(shè)置制冷系統(tǒng),管線未設(shè)置保溫、儲(chǔ)罐內(nèi)未設(shè)置攪拌器等;2)工藝管線過長,造成苯乙烯升溫,另外管線中有死角或“盲腸”,造成局部物料不能置換而變質(zhì);3)罐頂突出部件過多,罐壁銹蝕粗糙、不平滑,氣相苯乙烯可在此凝結(jié)、聚合。另外,鐵銹中的Fe2+具有催化作用[4],與苯乙烯反應(yīng)生成苯乙烯過氧化物,而過氧化物又能促進(jìn)苯乙烯聚合。
苯乙烯存儲(chǔ)應(yīng)充分考慮聚合問題,在設(shè)計(jì)中要采取一定的措施避免或降低苯乙烯聚合潛在風(fēng)險(xiǎn)。
3.1 優(yōu)化工藝
苯乙烯存儲(chǔ)工藝要簡單、流程短、管線避免“盲腸”或死角,能實(shí)現(xiàn)全流程的循環(huán)置換,避免苯乙烯積存變質(zhì)造成下一批物料的污染。另外,管線外部包覆保溫材料,避免苯乙烯輸送過程中溫度過高發(fā)生聚合。對于苯乙烯儲(chǔ)罐的開孔部位,特別是呼吸閥、檢測孔等部位要定期檢查,防止苯乙烯聚合造成堵塞。在工藝操作中,應(yīng)盡量保持苯乙烯在高液位,以減少苯乙烯的氣相空間。
3.2 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)
苯乙烯采用固定頂儲(chǔ)罐,儲(chǔ)罐可采用碳鋼、不銹鋼、鋁等材質(zhì),避免使用銅及銅合金罐體或內(nèi)部構(gòu)件。碳鋼材料由于價(jià)格經(jīng)濟(jì)使用較多,但在使用碳鋼前必須進(jìn)行噴砂處理,或采用其他方法除去鐵銹,并做防腐涂層。為防止苯乙烯聚合,儲(chǔ)罐內(nèi)可噴涂阻聚涂層,以提高儲(chǔ)罐頂部、罐壁的表面光滑度,減少凝液的滯留,特別是阻聚涂層中添加的阻聚劑,控制其釋放速度達(dá)到長期阻聚的效果。據(jù)報(bào)道,有工業(yè)應(yīng)用4年未見明顯聚合現(xiàn)象[5]。
儲(chǔ)罐內(nèi)應(yīng)設(shè)置攪拌裝置,使儲(chǔ)罐內(nèi)苯乙烯充分混合,防止局部溫度過高聚合加劇。儲(chǔ)罐筒體不能加視鏡,避免光線直接照射,另外罐體需要包覆保溫材料。對于環(huán)境溫度超過 24 ℃時(shí)應(yīng)設(shè)置降溫或制冷設(shè)備。
3.3 氮封裝置
苯乙烯存儲(chǔ)可以用空氣進(jìn)行保護(hù),但只適用于短期存儲(chǔ)。苯乙烯長期存儲(chǔ)應(yīng)設(shè)置氮?dú)饷芊庋b置。
儲(chǔ)罐內(nèi)氮供應(yīng)管線位置應(yīng)遠(yuǎn)離呼吸閥接口,并由頂部插入200 mm,以防氮?dú)膺M(jìn)罐立即排出。氮封系統(tǒng)中宜設(shè)置水封罐,以防氮封閥及呼吸閥出現(xiàn)故障或被苯乙烯聚合物堵塞時(shí)儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓[6]。
TBC為需氧型阻聚劑,苯乙烯儲(chǔ)罐在設(shè)置氮封的同時(shí)應(yīng)考慮氧氣的檢測與補(bǔ)充。氧氣的補(bǔ)充可利用空氣作為氣源,通空氣鼓泡器等方法補(bǔ)充氧氣,空氣補(bǔ)充速度一般控制為0.085~0.110 m3/h。另外也可通過混合器將氮?dú)馀c空氣按一定比例混合進(jìn)氣。一般混合氣體中氧含量控制在5%~7%范圍內(nèi),在此濃度下苯乙烯中氧濃度為15~20 cm3/m3,能保證苯乙烯的安全存儲(chǔ)。
3.4 儲(chǔ)罐保冷方式對比
儲(chǔ)罐降溫制冷方式主要有盤管冷卻、噴淋冷卻和強(qiáng)制循環(huán)冷卻三種方式。儲(chǔ)罐保冷方法的選擇根據(jù)儲(chǔ)罐的大小、類型以及環(huán)境溫度來確定。
(1)盤管冷卻
盤管冷卻方式是在儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)置盤管及攪拌器,將制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷媒介質(zhì)通入到盤管中與苯乙烯進(jìn)行冷熱量交換,補(bǔ)充苯乙烯存儲(chǔ)時(shí)損失的冷量,使苯乙烯維持正常的存儲(chǔ)溫度。
盤管冷卻方裝置的優(yōu)點(diǎn):1)冷媒介質(zhì)直接與苯乙烯冷熱交換,系統(tǒng)簡單;2)盤管冷卻時(shí),冷媒只需要抵消苯乙烯儲(chǔ)存時(shí)吸收的熱量,制冷機(jī)組冷負(fù)荷低,設(shè)備投資低。
盤管冷卻裝置的缺點(diǎn):1)儲(chǔ)罐內(nèi)盤管數(shù)量較多,安裝復(fù)雜;2)需要敷設(shè)冷媒循環(huán)輸送管線,冷媒管網(wǎng)與工藝管網(wǎng)交錯(cuò)復(fù)雜,長距離輸送冷量損耗較大;3)盤管冷卻時(shí),底部物料密度增大沉積在底部,上面的物料無法移動(dòng),儲(chǔ)罐對流熱交換效果不好,需要設(shè)置攪拌裝置;4)盤管易發(fā)生腐蝕,一旦泄漏整罐化工將被污染,清罐維修費(fèi)用高;5)制冷系統(tǒng)需要長期運(yùn)行,運(yùn)行費(fèi)用高。
(2)噴淋冷卻
儲(chǔ)罐噴淋裝置是油罐上安裝的一種水冷卻降溫設(shè)施。在夏天氣溫高時(shí),通過該設(shè)施對地面油罐不斷均勻地進(jìn)行噴淋水冷卻,水由罐頂經(jīng)罐壁流下,使冷卻水帶走油罐所吸收的熱量。
噴淋冷卻裝置的優(yōu)點(diǎn):1)利用自然水冷卻降溫,設(shè)備簡單無需制冷設(shè)備;2)不設(shè)置保溫層,減少投資;3)由于冷卻水一直噴淋,減少了火災(zāi)安全隱患。
噴淋冷卻裝置的缺點(diǎn):1)儲(chǔ)罐噴淋裝置一般現(xiàn)場制作,施工環(huán)境差,受天氣影響施工時(shí)間長,施工設(shè)備不全,質(zhì)量無法保證;2)噴淋裝置耗水量大,運(yùn)行成本高;3)噴淋冷卻過程產(chǎn)生大量廢水,需增設(shè)收集處理設(shè)施;4)噴淋冷卻速度相對較慢,并且自然水溫度相對較高無法滿足低溫存儲(chǔ)化工品的要求,溫度不易控制;5)需增加消防水罐的容積,增大占地面積。
(3)強(qiáng)制循環(huán)冷卻
強(qiáng)制循環(huán)冷卻是當(dāng)化工品升高到一定溫度時(shí),將化工品通過出罐管線輸送到外置換熱器,在換熱器中化工品與制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷媒介質(zhì)進(jìn)行冷熱量的交換,降溫后的化工品輸送回儲(chǔ)罐中。
強(qiáng)制循環(huán)冷卻的主要優(yōu)點(diǎn):1)利用原有的工藝管線循環(huán),新建管線少;2)通過外置換熱器進(jìn)行換熱,避免了盤管腐蝕泄漏和清罐維修的風(fēng)險(xiǎn);3)冷媒介質(zhì)輸送距離短,冷量損失少;4)系統(tǒng)設(shè)備簡單,間歇操作,便于維護(hù)與檢修。
強(qiáng)制循環(huán)冷卻的主要缺點(diǎn):1)化工品升溫需要冷量大,制冷設(shè)備負(fù)荷大,設(shè)備投資高;2)需要設(shè)置換熱器和化工品循環(huán)泵,設(shè)備投資增加;3)每次循環(huán)后需要清管,造成化工品損失。
某項(xiàng)目中有4座4 000 m3拱頂儲(chǔ)罐用于存儲(chǔ)苯乙烯,采用強(qiáng)制循環(huán)冷卻方式保冷。項(xiàng)目所在地最熱月平均氣溫25.6 ℃,當(dāng)苯乙烯升溫到18 ℃時(shí)開始強(qiáng)制循環(huán),通過換熱器降溫到11 ℃輸送回儲(chǔ)罐。
4.1 冷負(fù)荷計(jì)算
苯乙烯儲(chǔ)罐熱量主要通過罐壁、罐頂、罐底三部分傳遞,三部分傳熱系數(shù)分別為Ktw、Ktr、Ktb。通過傳熱系數(shù)的計(jì)算得出儲(chǔ)罐的吸熱量及升溫時(shí)間。苯乙烯強(qiáng)制循環(huán)制冷量通過管道散熱量、循環(huán)流量及換熱器負(fù)荷計(jì)算。
(1)傳熱系數(shù)及吸熱量計(jì)算
① 壁傳熱系數(shù)
② 罐頂傳熱系數(shù)
③ 罐底傳熱系數(shù)
④ 儲(chǔ)罐吸熱量
根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果如表 2所示。通過計(jì)算,1座4 000 m3苯乙烯儲(chǔ)罐溫度由11 ℃自然升溫到18℃需要的16.9 d,單罐的吸熱功率為21.8 kW。
表2 儲(chǔ)罐的吸熱量表Table 2 Heat absorption capacity of the tank
(2)強(qiáng)制循環(huán)制冷量計(jì)算
苯乙烯循環(huán)采用300 m3/h循環(huán)泵,循環(huán)降溫時(shí)間為11.9 h,冷負(fù)荷為658 kW。苯乙烯進(jìn)出罐管線采用導(dǎo)熱系數(shù)0.044 W/(m·℃)的硅酸鹽進(jìn)行保冷,管線的吸熱量為9 kW。因此,單罐苯乙烯循環(huán)的總冷負(fù)荷為667 kW。
4.2 設(shè)備選型
根據(jù)苯乙烯循環(huán)總冷負(fù)荷,選用1臺(tái)制冷量為675 kW的水冷螺桿式冷水機(jī)組,通過1臺(tái)換熱面積384 m2翅板式換熱器進(jìn)行冷熱交換。
冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要包括:冷水機(jī)組、換熱器、冷卻塔、保溫水箱、冷卻循環(huán)泵、冷凍循環(huán)泵等。
(1)水冷螺桿式冷水機(jī)組
冷水機(jī)組為 380 V三相電源,工況輸入功率128.6 kW,運(yùn)行電流219.6 A,冷水進(jìn)水溫度10~25℃,冷水出水溫度5~20 ℃。
(2)其它設(shè)備
冷卻循環(huán)系統(tǒng)其他設(shè)備主要參數(shù)見表3。
表3 其他設(shè)備參數(shù)Table 3 Other device parameters
苯乙烯存儲(chǔ)過程影響因素很多,做好苯乙烯儲(chǔ)存條件的完善、工藝流程的優(yōu)化、儲(chǔ)存設(shè)備的改進(jìn)以及管理水平的提高是各生產(chǎn)、儲(chǔ)存單位所關(guān)注的問題,因此需要從設(shè)計(jì)、施工、工藝操作、生產(chǎn)管理等方面進(jìn)行深入研究,不斷改進(jìn)和完善,保證苯乙烯的存儲(chǔ)安全。
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表4 主要產(chǎn)品收率及主要性質(zhì)Table 4 The main products yield and main properties
(3)FC-32A齒球型催化劑工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明,催化劑具有適宜的活性和選擇性,主要目的產(chǎn)品滿足了企業(yè)生產(chǎn)清潔燃料和優(yōu)質(zhì)化工原料的需求。其采用的齒球形結(jié)構(gòu)使得催化劑的機(jī)械強(qiáng)度大大增強(qiáng),改善了反應(yīng)床層壓降,使催化劑使用周期延長。
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Design of Phenylethylene Storage Program and Cooling Load Calculation
WANG Li-qiang1,TIAN He2,LIU Li-jun2,QIN Yu-jie1,JIANG Kun1,WANG Xv-feng1,YANG Gui-yun1
(1. China Petroleum Engineering Huabei Company, Hebei Renqiu 062552,China;2. Engineering Designing Division of No.2 Oil Production Plant, Huabei Oilfield Company, Hebei Bazhou 065700,China)
Based on the properties of phenyethylene, the problems during storing phenyethylene in the tank were introduced. The influence of temperature, oxygen content, inhibitor content and storage equipments on phenylethylene polymerization was analyzed. According to the various influencing factors, the corresponding precautions and solutions were put forward. In addition, the selection of tank cold insulation program and cooling load calculation and equipment selection were also introduced according to actual project.
Phenyethylene; Polymer; Cold insulation; Polymerization inhibitor
TQ 325
: A
: 1671-0460(2015)04-0821-04
2015-02-14
王利強(qiáng)(1986-),男,河北唐山人,助理工程師,碩士,2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,現(xiàn)就職于CPE華北分公司。E-mail:cpewlq@163.com。