炼化企业乙烯球罐设计

摘 要：根据某蜡化乙烯罐区的设计,从乙烯球罐的设计参数、材料的选择、乙烯的气化输送、等方面,分析乙烯球罐及罐区的设计要点,提出设计应考虑的问题及建议.

关 键 词：球罐乙烯设计

随着我国经济的稳步快速发展,石油化工产品的消费量明显提高,化工原料的需求量逐步增大,越来越多的炼油型石化企业增上了乙烯装置,炼油和化工一体化已经成为大型石化企业发展的模式.炼油型石化企业的储运罐区也由过去单一的常温储存形式,发展为低温和常温混合储存的形式.过去大型乙烯球罐受钢材制造能力等因素限制,多采用进口钢材和设计.随着国产低温钢的研发和生产,目前乙烯球罐用钢正在逐步国产化,各种乙烯球罐及罐区的设计也越来越多.

一、乙烯球罐设计的参数

低温球罐最重要的设计参数是设计温度和设计压力.在储存过程中,尽管球罐有保冷设施,但总会吸收环境中的热量使介质气化,导致球罐内的压力升高,因此,低温球罐的设计温度和压力需要根据球罐的材质、介质的性质及工艺要求综合确定.国内现有部分大型乙烯球罐的温度和压力参数,如燕山石化操作温度-30（℃）,操作压力（MPa）1.812,设计温度-31（℃）设计压力（MPa）2.06；金三石化：操作温度-30（℃）,操作压力（MPa）1.88,设计温度-35（℃）设计压力（MPa）2.16；扬子石化：操作温度-30（℃）,操作压力（MPa）1.88,设计温度-35（℃）设计压力（MPa）2.16；齐鲁石化操作温度-30（℃）,操作压力（MPa）1.88,设计温度-35（℃）设计压力（MPa）2.16；大庆石化：操作温度-27（℃）,操作压力（MPa）2.058,设计温度-30（℃）设计压力（MPa）2.2；兰州石化操作温度-36（℃）,操作压力（MPa）1.67,设计温度-40（℃）设计压力（MPa）2.2等.

从这些数据可以看出：乙烯球罐的操作温度一般为-36～-27℃,设计温度从-31℃有逐步降低的倾向,这主要是考虑乙烯球罐出现不正常低温工况时,使球罐有一定的抗过冷能力；球罐的操作压力是操作温度下的饱和压力,球罐设计压力为2.16～2.2MPa.这主要是考虑乙烯球罐低温特性,使操作温度有一个波动的范围.

乙烷球罐和乙烯球罐同属易燃易爆介质低温球罐,但其操作工况与乙烯球罐不同,单台乙烷球罐没有气体连通及回收设施,为更长久地稳定控制,减少排放,设定乙烷球罐的操作温度为-46.5～-13.5℃,操作压力为0.5256～1.60MPa,因此,某蜡化乙烷球罐选择设计温度-50℃,设计压力1.77MPa.

二、乙烯球罐材料的选择

上世纪70年代,我国先后引进了几套乙烯装置,并引进了一些容积在1500m3左右的大型乙烯球罐,当时,主要是采用国外设计、制造球片,国内安装.80年代末,我国自行研发了新型低温球罐用钢（07MoNiCrMoVDR）国产CF-62,并于90年代初在大庆用此钢材自行设计并制造出1500m3乙烯球罐,开创了用国产钢材制造大型乙烯球罐的先例,形成了大型乙烯球罐制造采用国产钢材与进口钢材并存的局面.本世纪,随着钢厂生产能力的不断扩大,品种的逐步增多,大型低温球罐用钢已逐渐国产化.目前,根据乙烯球罐的设计温度要求,国产用钢主要为以下几种：07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR及09MnNiDR.最近又新研发了一种新型低温球罐用钢15MnNiNbDR.

国内低温乙烯球罐设计温度大多≤-40℃,球罐钢板使用较多的是07MnNiCrMoVDR,15MnNiDR及09MnNiDR用于大型低温球罐较少,某蜡化2000m3低温乙烯球罐设计温度-45℃,采用15MnNiNbDR钢板,1500m3低温乙烷球罐设计温度-50℃,采用09MnNiDR钢板,成功采用这两种钢板制造了大型低温球罐.

三、乙烯气化输送系统

乙烯装置生产的乙烯送罐区储存.当下游装置需要时,罐区气化输送系统将乙烯加压、气化、升温后送下游装置.乙烯气化输送系统主要包括乙烯蒸发器、乙烯输送泵及乙烯过热器.其中最重要的设备是乙烯蒸发器及乙烯输送泵.

由于乙烯的低温性质,乙烯蒸发器需要特殊设计.不选用蒸汽直接加热低温乙烯,而是先用蒸汽加热中间媒介丙烯或甲醇,再用丙烯或甲醇蒸气加热低温乙烯.这主要考虑蒸汽冷凝到低温时会结冰,影响介质的传热.在同样操作温度下,如选用甲醇做中间媒介,可以降低蒸发器的设计压力；在同样设计压力的条件下,如选用甲醇作为中间媒介,蒸发器可以选用普通碳钢；而选用丙烯,则需要选用低温钢.因此,尽管用甲醇作为中间媒介有一定毒性危害,但通过采取措施,使其密闭循环,可以降低投资.

四、罐区的气体回收

由于低温球罐中液化烃的贮存温度低于环境温度,因此,尽管球罐采取保冷措施,但在贮存过程中还是会与外界发生传热而使部分液化烃气化,少量低温液化烃气化后吸热,利用低温液化烃的气化吸热原理可实现低温液态储存.但不断气化的液化烃会使球罐压力升高,目前,保持低温球罐压力平衡的办法：（1）将低温球罐中的气相介质送往可接收装置；（2）增加一套小型压缩机系统.对于可接收装置为两套以上装置,当一套检修时,可送往另一套装置的情况,采用第一种办法；对于只有一套接收装置或没有接收装置的情况,可根据球罐介质储存量、介质的特性,综合比较后确定采用何种办法.

五、乙烯临时卸车系统

乙烯球罐开工置换一般有两种形式：一种是乙烯装置开车后用装置产生的乙烯气体进行置换；另一种是装置未开工,需用常压低温乙烯罐车中的乙烯对球罐进行置换,某蜡化计划用球罐中乙烯返回乙烯装置进行倒开车,因此,球罐置换只能采用第二种方式.

采用常压低温乙烯罐车对乙烯球罐进行置换,需要设置一套卸车系统,系统主要包括一台乙烯卸车加压泵和一套乙烯加热器.由于乙烯球罐最低设计温度为-45℃,而常压下乙烯的最低温度可达-104℃,因此,卸车时,乙烯进料的相态、温度及球罐的压力需要认真匹配和协调,保证球罐温度不低于设计温度,球罐上、下部温差小于40℃,降温速率为≤5℃/h.

某蜡化乙烯加热器采用空气加热.设置三台可串可并的空气加热器,以适应开工置换中的各种工况.空气加热器结构简单、投资较低.但空气加热受开车时气温、风速等影响较大,加热器投用后极易表面结霜后失效,出口温度较难控制.这是今后设计中需要注意的问题,建议采用可控热源的加热方式.

六、结语

目前,乙烯球罐储存在我国发展较快,已有越来越多的炼油厂、化工厂正在建设或投用.某蜡化乙烯球罐于2011年3月开始进乙烯,4月上旬完成乙烯球罐的置换,其系统完善,包括了从开工进料、储存、气化外送及乙烯气体回收等设施,至今已经投运一年,运行正常.为乙烯球罐及罐区的设计积累了宝贵的经验和数据.