1、第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023丙烯球罐工艺系统设计朱 虹,何 君(上海蓝科石化环保科技股份有限公司,上海 201803)摘 要:依据丙烯介质的属性及工作参数、设计参数,确定应采用压力球罐进行贮存丙烯,丙烯球罐采用 07MnNiMoDR 低温用压力容器钢板,其开口应尽量少并且集中在上极板处。通过工艺系统的安全设计,包括安全阀的计算、注水及脱水系统设计、出料系统的设计,全面保证丙烯球罐的设计的合理性和安全性。并设置温度控制、压力控制、液位控制、可燃气体检测报警的仪表控制系统,确保丙
2、烯球罐的正常运行。关键词:丙烯;球罐;安全工艺;仪表系统;控制中图分类号:TE821;TQ053.2 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0208-04 第一作者:朱虹(1987-),女,工程师,硕士,主要从事石油化工工艺设计、研发工作。Design of Process System for Propylene Spherical TankZHU Hong,HE Jun(Shanghai Lanke Environmental Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201803,China)Abstract:According to the pro
3、perties,working parameters and design parameters of the propylene medium,it wasdetermined that the pressure spherical tank should be used to store propylene and the pressure vessel steel plate07MnNiMoDR should be used for the propylene spherical tank.Through the safety design of the process system,i
4、ncludingthe calculation of the safety valve,the design of the water injection and dewatering system,and the discharge system,therationality and safety for the design of the propylene spherical tank were fully ensured,and the temperature control,pressure control,liquid level control,combustible gas d
5、etection alarm instrument control systemwere set up to ensure thenormal operation of the propylene spherical tank.Key words:propylene;spherical tank;safety process;instrument system;control近年来,随着我国综合国力和科学技术水平的提高,球形储罐的制造及应用也正在高速发展,广泛的应用于石油化工、城市燃气、冶金等领域中,特别是球形储罐的大型化得到了极为广泛的应用1-2。与传统储罐相比,球形储罐的优点在于其特殊结构
6、在占地面积和建设成本一定的前提下,可以实现更高存储能力,有效降低了石化企业设备建造支出费用,提高石化企业经济效益。基于石化企业业对大型球罐设备的实际需求,探寻大型球罐的最佳工艺设计方案迫在眉睫,直接影响整套装置的安全性与稳定性。文中结合山东某炼化公司 2#化工区压力罐区的丙烯球罐(V-0301A D),依据 GB50160-2008 石油化工企业设计防火规范3、HG/T20570-95 工艺系统工程技术规定4、SH/T3007-2014 石 油 化 工 储 运 系 统 罐 区 设 计 规 范5、SH3136-2003 液化烃球形储罐安全设计规范6等标准规范中的相关条文规定以及工作中的实际经验,
7、对球罐的贮存类型、设计参数、工艺安全设计、仪表系统等设计过程进行了详细的分析与说明,可供从事球罐及罐区的工艺设计人员借鉴。1 储罐类型及罐容确定1.1 储罐类型该罐区中的丙烯介质属中度危害介质7,熔点-191.2,沸点-47.7,火灾危险性分类为甲类,爆炸极限为 2.0%11.0%(V/V),液化后属甲 A。根据 SH3136-2003 液化烃球形储罐安全设计规范 规定,15 时饱和蒸气压大于 0.1 MPa的烃类液体及其他类似的烃类液体称之为液化烃,丙烯属 C3组分的液化烃,则其贮存类型选用为压力球罐储存。1.2 储罐罐容表 1 丙烯球罐(V-0301A D)参数Table 1 Parame
8、ters of Propylene Spherical Tank(V-0301A D)名称参数操作温度/AMB操作压力/MPa1.55密度/(Kg/m3)609消耗量/(Kg/h)34000球罐容积/m34000球罐数量/台4装量系数0.9存储天数/天10.7按 SH/T3007 规定/天管道运输 7 10 天;公路运输 7 10 天第 51 卷第 2 期朱虹,等:丙烯球罐工艺系统设计209 根据 SH/T3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范规定及本罐区总体院的设计要求,需 4000 m3的丙烯球罐 4 台,具体参数如表 1 所示。该球罐选用 4000 m3容积,属于大型球罐,因此
9、其工艺系统的设计及设备结构结设计都非常重要。2 设计参数的确定2.1 设计压力的确定根据 SH3136-2003 第 4.1.2 规定,丙烯球罐设计压力为丙烯在 50 饱和蒸汽压为 2.041 MPa 压力容器介质手册,根据以往案例丙烯球罐设计压力多以 2.16 MPa 为主,故本丙烯球罐(V-0301A D)设计压力定 2.16 MPa。2.2 设计温度的确定基于上述设计压力的确定,丙烯球罐最高设计温度为 50。因丙烯球罐运行过程中压力较高,可能生产过程中存在低温工况,则丙烯球罐的最低设计温度应考虑丙烯的沸点-47.7,实际情况中球罐温度不会完全达到沸点,据文献8报道,国内也逐渐采用-50
10、的低温材料,结合经验丙烯球罐(V-0301A D)的设计温度定为-45.0/50.0。3 设备本体设计3.1 选 材根据近 10 年来的丙烯球罐材质选用的研究发现,国外丙烯球罐大多采用-50 低温材料,为了丙烯球罐设计的安全性,国内也逐渐接收并采用-50 低温材料的设计理念9-10。本项目中 V-0301A D 选用的是 07MnNiMoDR 压力容器钢板,其在低温球罐中具有成熟的经验,使用温度范围可达-50 200。3.2 设备强度计算V-0301A D 的设计压力取 2.16 MPa,如果按常规设计,其壁厚大于 50 mm,考虑我国球罐正在向轻量化方向发展的趋势以及球罐失效发生的事故性,故
11、本球罐的壁厚应控制在50 mm以下。采用应力分析计算的方法对 V-0301A D 进行强度设计,最终选定其器壁板材的毛坏厚度为 47 mm,要求其压型后最小厚度不小于 46.2 mm。并且出具专用技术条件,对材料、制造、组焊、安装给出更为具体的技术要求,以保证 V-0301A D 的安全性。3.3 工艺管口在满足工艺要求的前提下,应尽量减少设备本体开孔数目且尽量布置在上极板顶部,这样做可以充分增加管线的柔性,并且一旦发生重大地质灾害导致管线拉断、破裂时,球罐中的介质不会大量溢出11。介质泄漏时,泄漏点位于球罐顶部,对地面操作人员的危害有所降低。本项目中 V-0301A D 管口设计罗列如下,简
12、图见图 1。顶部:液相丙烯进料管口、人孔、气相平衡口,安全阀口和压力表可安装在气相平衡线上,温度计、液位计等仪表管口。底部:液相出料口及人孔。进料、出料管口管道应设置可远程操作的紧急切断阀(带手轮),底部出料管线上设置注水口接注水系统,出料管线上还设置切水器作为脱水设施。气相平衡口可接出安全阀泄压线,放空线及安全阀(膨胀泄压)回流线等,具体见图 1。图 1 丙烯球罐(V-0301A D)管口示意简图Fig.1 Sketch for propylene spherical tank(V-0301A D)3.4 隔热设计因液化丙烯对温度较为敏感,夏季的高温及太阳爆晒则会导致球罐内操作压力极具升高,
13、对安全生产及运营产生巨大危险。为此,对丙烯球罐(V-0301A D)壳体外表面喷涂凉凉胶等隔热油漆,并设置联锁冷却喷淋系统,若球罐压力值超过设定值时,联锁启动冷却喷淋系统。4 安全工艺设计4.1 安全阀的设计对于丙烯液体管线两端有阀门,为避免两端阀门同时关闭而引起管线超压损坏管线,则设置热膨胀式安全阀,安全阀泄压至丙烯球阀顶部气相管线,泄放量可按照 HG/T 20570.2-957.0.1.4 计算,具体计算公式如下:V=BH/(GiCp)式中:V 体积泄放量,m3/hB 体积膨胀系数,L/H 正常工况下的最大传热量,kJ/hGi 液相密度,kg/m3Cp 定压比热,kJ/(kg)对于每台丙烯
14、球罐设置两台安全阀,在线备用。每台安全阀的泄放量不小于计算确定的最大泄放量,安全阀进出口设置不小于安全阀进出口管径的全通径手操阀,在线安全阀进出口手操阀设置锁开或铅封开,备用安全阀进口设置锁关或铅封关而出口手操阀设置为锁开或铅封开。安全阀的泄放量可按照HG/T 20570.2-95 7.0.10 计算或 GB150.1 附录 B.7 计算9,具体计算公式如下:W=(2.55105FA0.82)/Hi式中:W 质量泄放量,kg/h210 广 州 化 工2023 年 1 月Hi 泄放条件下气化热,kJ/kgA 润湿面积,m2F 容器外壁校正系数,无保温时取 1.04.2 注水系统设计根据 GB50
15、160-2008(2018 版)6.3.16“全压力式储罐应采取防止液化烃泄露的注水措施”,以防止球罐底部法兰垫片或者阀门密封损坏而引起介质泄露,从而避免安全事故的发生。注水系统的安全设计可按照“中石化建2011518 号 液化烃球罐注水系统设计规定”进行设计,该规定具体阐述了注水水源、注水点、注水方式及注水量的计算。按照此规定确定用已有高压消防水为注水水源,与消防水管网采用固定式连接,注水点设置于液相出料管线设备管口至第一道自控切断阀之间,简单工艺流程见图 2,选用 DN150 的注水管即可满足项目选用球罐约 80 90 t/h 的用水需求。4.3 脱水系统设计根据 GB50160-2008
16、(2018 版)6.3.14“全压力式液化烃储罐宜采用有防冻措施的二次脱水系统,储罐根部宜设紧急切断阀”。本项目中设置丙烯手动切水器,切水管线自罐底出料管线紧急切断阀后接出,脱水阀采用双阀(常开),切水器设置安全阀,排至工艺火炬,采用低压蒸汽伴热,排水阀采用弹簧快关阀以避免人为失误造成危险。简单的工艺流程如图 2 所示。切水器的排水阀也可采用自动液位控制阀,来实现在线自动切水。图 2 注水、脱水系统工艺流程简图Fig.2 Sketch for process flow of water injection,dewatering system4.4 出料系统设计因丙烯储罐为压力储罐,物料在相平衡态下储存,因此对出料泵汽蚀余量的要求非常高。在机泵运行时,丙烯球罐(V-0301A D)内顶部气相压力即为此操作温度下相平衡压力,出料泵入口管道的摩擦阻力基本为罐与泵之间的位差产生的势能,若摩擦阻力大于此势能,则及泵入口液体即会汽化,从而机泵会产生汽蚀。为避免泵的汽蚀,本项目要求储罐液相出料管道至泵要求“步步低”并保温,减少摩擦阻力及环境温度的影响,同时球罐最低液位应满足选用机泵的 NPSHr 的
