炼化企业乙烯球罐设计分析

炼化企业乙烯球罐设计分析

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（ 07MoN iCrMoVDR ） 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：07MnN iC rMoVDR、15MnN iDR 及09MnN iDR。最近又新研发了一种新型低温球罐用钢15MnN iNbDR。

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07MnN iC

rMoVDR， 15MnN iDR及09MnN iDR 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15MnN iNbDR 钢板， 1500m3低温乙烷球罐设计温度- 50℃， 采用09MnN iDR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。

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