HYSYS在低溫乙烯貯運(yùn)中的應(yīng)用

牛曉敏

(南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210048)

乙烯是石油化學(xué)工業(yè)最重要的基礎(chǔ)有機(jī)原料之一，目前約有75%的石油化工產(chǎn)品由乙烯來生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)聚乙烯，環(huán)氧乙烷/乙二醇、二氯乙烷/氯乙烷、苯乙烯、乙醇、醋酸乙烯等多種重要的有機(jī)化工原料和聚合物。近年來，我國乙烯工業(yè)取得了快速發(fā)展，已成為國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，并帶動(dòng)了輕工紡織，精細(xì)化工、汽車制造業(yè)等的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)乙烯的需求必呈不斷增長的趨勢。因此，建立安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模乙烯儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)十分必要。

低溫乙烯常用的貯存方法有加壓法和低溫常壓法。

低溫常壓貯存是目前乙烯常用的貯存方法。本項(xiàng)目采用國內(nèi)成熟可靠，具有國際先水平的液態(tài)烴低溫貯運(yùn)技術(shù)，儲(chǔ)存能力大，占地面積小，安全可靠且自動(dòng)化程度高。由于溫度低，壓力低，貯存安全，有專門的低溫船進(jìn)行大容量，大規(guī)模長距離運(yùn)輸在貯運(yùn)過程中，大氣壓變化，裝卸船/車操作，氣化輸出，管道及貯罐的漏熱等操作均會(huì)造成貯罐液態(tài)乙烯的蒸發(fā)，為了維持罐內(nèi)壓力在正常操作范圍，必須將汽化的乙烯再液化。BOG壓縮機(jī)作為BOG液化工藝的核心設(shè)備，在貯運(yùn)過程中發(fā)揮著重要作用，因此，正確計(jì)算出BOG的液化量對(duì)BOG壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)的選型十分必要。

HYSYS是Aspen Tech公司推出的專門進(jìn)行氣體工藝計(jì)算的軟件，可以進(jìn)行多種氣體的模擬計(jì)算，目前在石油化工、貯運(yùn)、天然氣加工、氣體處理等行業(yè)廣泛應(yīng)用。本文利用HYSYS軟件對(duì)低溫乙烯貯運(yùn)過程進(jìn)行模擬，得到不同工況下產(chǎn)生BOG的量，根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)行壓縮機(jī)的選型。

1 工藝流程簡述

2×20000m3低溫乙烯儲(chǔ)存裝置基本工況有乙烯裝卸船、乙烯儲(chǔ)存及氣化乙烯回收、乙烯汽化輸出、乙烯汽車裝/卸等，及幾種工況的結(jié)合作業(yè)。具體流體見圖1。

圖1 低溫乙烯貯存流程圖

2.1 乙烯裝卸船操作

2.1.1 卸船操作

為了避免卸船時(shí)物料低溫對(duì)管線造成沖擊而導(dǎo)致管線應(yīng)力過大，在卸船前必須進(jìn)行管道的預(yù)冷。利用裝車泵送出一定量的低溫液相乙烯，通過預(yù)冷管線預(yù)冷卸船管線并返回貯罐，要求返罐溫度不得高于-80℃。在預(yù)冷期間，產(chǎn)生的氣體由乙烯壓縮機(jī)壓縮后，與丙烯換熱液化，再回貯罐。當(dāng)卸船管線預(yù)冷合格后，開始卸船操作。利用卸船泵將低溫液相乙烯經(jīng)過卸船臂經(jīng)約2500m的輸送管道壓送進(jìn)入低溫乙烯貯罐。

2.1.2 裝船操作

裝船和卸船用的是同一個(gè)管線系統(tǒng)，預(yù)冷過程同卸船操作，當(dāng)管線預(yù)冷合格后，開始裝船操作。利用裝置的裝船泵低溫液態(tài)乙烯經(jīng)約2500m外管及裝船臂壓送進(jìn)入低溫乙烯船。

2.2 乙烯氣化輸出

當(dāng)下游需要?dú)怏w乙烯時(shí)，乙烯儲(chǔ)罐中的低溫乙烯經(jīng)輸送泵吸入管線由乙烯輸送泵加壓，液態(tài)乙烯通過乙烯輸送泵加壓至3.5MPa后，通過乙烯重疊換熱器加熱至20℃后經(jīng)管道輸送至下游用戶。這時(shí)，壓縮乙烯氣先在乙烯冷卻器中與循環(huán)水換熱，再在乙烯冷凝器中與冷劑丙烯換熱而冷凝。冷凝的乙烯進(jìn)入集液罐，通過液位控制進(jìn)入閃蒸罐，分離氣相乙烯和液相乙烯。氣相進(jìn)入壓縮機(jī)二段進(jìn)一步壓縮，液相通過液位控制回到貯罐。

乙烯進(jìn)重疊換熱器前亦可先輸送到乙烯換熱器中與來自乙烯壓縮機(jī)的乙烯換熱后，再進(jìn)乙烯重疊換熱器加熱至20℃后送至下游用戶，而這時(shí)的壓縮乙烯進(jìn)入乙烯凝液罐收集后返回大罐，這樣既可合理利用冷能，又降低了蒸汽和甲醇的消耗。

有乙烯氣化輸出的工況下，乙烯通過冷凍機(jī)再液化或通過乙烯換熱器再液化，可以通過DCS預(yù)先設(shè)定。

2.3 乙烯儲(chǔ)存操作及BOG回收

低溫乙烯貯存在低溫罐中，貯罐貯存能力為2×20000m3。

儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)最高正壓為30kPa(G)，最低負(fù)壓 -0.5kPa(G)，設(shè)計(jì)溫度為-104℃～+ 50℃，日蒸發(fā)率為0.08%。乙烯儲(chǔ)罐內(nèi)罐直徑為33m，高度為26.4m，外罐直徑為35m，高度為27.6m。儲(chǔ)罐采用雙金屬單容罐。內(nèi)罐與外罐之間填充膨脹珍珠巖保溫層。

在貯存期間，為了控制低溫乙烯儲(chǔ)罐的壓力和溫度，需要將蒸發(fā)的氣相乙烯進(jìn)行壓縮液化。氣相乙烯經(jīng)乙烯壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入乙烯冷卻器冷卻，再經(jīng)乙烯冷凝器冷凝后進(jìn)入乙烯凝液接受罐，再通過閃蒸罐閃蒸降溫后，液相乙烯進(jìn)入低溫乙烯儲(chǔ)罐，氣相乙烯進(jìn)入乙烯壓縮機(jī)二段壓縮。

乙烯冷凝器的冷劑采用丙烯。

2.4 汽車裝卸設(shè)施

乙烯裝/卸車操作類似于裝/卸船操作。首先對(duì)裝車管線進(jìn)行預(yù)冷，冷卻到一定溫度后開始裝車，乙烯出廠經(jīng)裝車泵輸送到乙烯裝車站臺(tái)，通過乙烯裝車臂裝汽車槽車出廠，為確保泵適當(dāng)?shù)呐艢?，泵裝有旁路返回貯罐，乙烯通過乙烯裝車臂裝車，槽車置換氣送回貯罐。槽車裝車系統(tǒng)設(shè)有乙烯循環(huán)管線，用于維持非裝車作業(yè)時(shí)裝車總管處于低溫狀態(tài)，避免開始裝運(yùn)時(shí)產(chǎn)生過多的BOG氣體進(jìn)入槽車降低裝車速率。

同時(shí)，裝置也可以卸車操作。由乙烯槽車自帶的增壓器或來自乙烯壓縮機(jī)第一級(jí)的出口氣體，與槽車氣相管連接，將槽車中的乙烯壓入儲(chǔ)罐貯存。

卸車操作對(duì)裝置運(yùn)行的影響遠(yuǎn)小于卸船操作，且卸車操作僅在開車及偶發(fā)情況時(shí)出現(xiàn)，卸車僅做為流程設(shè)計(jì)的要求，不單獨(dú)做物料平衡計(jì)算。

2.5 丙烯制冷系統(tǒng)

丙烯在制冷機(jī)組密閉回路中壓縮并液化。螺桿壓縮機(jī)壓縮來自乙烯冷凝器的氣相丙烯。在丙烯冷凝前，丙烯和油在中分離后，進(jìn)入換熱器中與冷卻水換熱冷凝，進(jìn)入丙烯罐。然后一部分丙烯凝液減壓成中壓氣體，與大部分丙烯凝液換熱，使大部分丙烯凝液過冷，丙烯氣體重新注入螺桿壓縮機(jī)，過冷丙烯進(jìn)入乙烯冷凝器壓縮的BOG。

3 貯存物料性質(zhì)

貯存物料為乙烯，以近海運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)至罐區(qū)貯存，規(guī)格如下：

3.1 乙烯規(guī)格

乙烯規(guī)格見表1。

表1 乙烯規(guī)格

2.2 乙烯的相關(guān)物性

乙烯的相關(guān)物性見表2。

表2 乙烯物性

4 計(jì)算工況結(jié)果

4.1 計(jì)算基礎(chǔ)

(1)本項(xiàng)目乙烯及BOG管道材質(zhì)選用304L不銹鋼管道。

(2)本項(xiàng)目乙烯管道的保冷材料選用PIR+PUR。

(3)PIR的保溫性能，絕熱管道的表面散熱系數(shù)按25W/m2考慮。

(4)卸船前船上壓力(表壓)為0.5MPa.G，卸船能力：170t/h。

(5)儲(chǔ)罐壓力為～115kPa，裝車泵出口壓力0.5MPa，返罐溫度≤-80℃。

(6)氣相乙烯輸出能力：20 t/h；出口壓力為3.5MPa.G；溫度：20℃；壓力：3.0MPa.G(界區(qū)處)。

(7)汽車裝車：設(shè)3個(gè)裝卸車站臺(tái)；每個(gè)站臺(tái)的設(shè)計(jì)裝車量25t/h。裝車泵的能力可滿足兩個(gè)裝車站臺(tái)同時(shí)裝車的要求。

(8)液相乙烯裝船：設(shè)置裝船泵1臺(tái)，裝船能力150t/h。

(9)儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率為0.08%，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體壓力為(≥12kPaG)；

(10)大氣壓變化引起B(yǎng)OG的增加，在此不考慮臺(tái)風(fēng)的情況，因?yàn)橐坏┯捎谂_(tái)風(fēng)引起大氣壓劇烈變化而導(dǎo)致BOG的急劇增加，這時(shí)，BOG直接排放火炬系統(tǒng)進(jìn)行處理。本項(xiàng)目取大氣壓變化率取為2000Pa/h。

大氣壓變化產(chǎn)生的BOG的計(jì)算公式為。

4.2 物性方法

采用Peng-Robinson立方狀態(tài)方程。

4.3 模擬結(jié)果

本項(xiàng)目投產(chǎn)后，各生產(chǎn)過程會(huì)產(chǎn)生大量的BOG，主要包括：儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)的BOG、卸船時(shí)產(chǎn)生的BOG、裝船時(shí)產(chǎn)生的BOG、裝車時(shí)產(chǎn)生的BOG、裝卸船預(yù)冷時(shí)產(chǎn)生的BOG、乙烯氣化輸出產(chǎn)生的BOG以及大氣壓變化是產(chǎn)生的BOG等。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可能幾種生成工藝同時(shí)進(jìn)行，如卸船的同時(shí)，也進(jìn)行乙烯裝車，此時(shí)計(jì)算的BOG將是兩個(gè)過程同時(shí)運(yùn)行時(shí)的BOG產(chǎn)量。

通過HYSYS軟件建模并對(duì)各工況BOG進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果見表3：

由表3可知，本項(xiàng)目中，BOG產(chǎn)量最大工況和最小工況如下：

本項(xiàng)目采用壓縮冷凝液化工藝來處理儲(chǔ)罐的蒸發(fā)氣體，根據(jù)儲(chǔ)罐蒸發(fā)氣產(chǎn)生量以及物料平衡計(jì)算結(jié)果，最大BOG產(chǎn)量發(fā)生在卸船加槽車裝車工況，BOG產(chǎn)量在壓縮機(jī)一段為2780kg/h，二段為3521kg/h，丙烯的制冷量為7188kg/h；最小工況發(fā)生在乙烯僅裝船加裝車工況，BOG產(chǎn)量在壓縮機(jī)一段為1159kg/h，二段為1490kg/h，丙烯的制冷量為3010kg/h。

表3 各種工況下BOG量和丙烯量

4.4 BOG壓縮機(jī)選型

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)原則，BOG壓縮機(jī)的處理能力是通過裝置最苛刻工況下產(chǎn)生蒸發(fā)氣最大量來確定的。本項(xiàng)目選取的極端工況為：卸船及槽車裝車，設(shè)置了三臺(tái)相同能力的BOG壓縮機(jī)用于BOG壓縮，三臺(tái)壓縮機(jī)規(guī)格功能相同，為便于敘述，將其中一臺(tái)壓縮機(jī)作為基值負(fù)荷壓縮機(jī)，一臺(tái)作為峰值負(fù)荷壓縮機(jī)，另一臺(tái)為備機(jī)(備機(jī)僅在其它壓縮機(jī)故障時(shí)，才能投入使用)。BOG壓縮機(jī)的最終選型：采用往復(fù)式，二級(jí)壓縮，一段排氣量為1390kg/h，二段排氣量為1760kg/h，電動(dòng)機(jī)功率160kW。

4.5 丙烯制冷機(jī)組選型

依照BOG壓縮機(jī)選型的原則和丙烯制冷機(jī)組的特點(diǎn)，本項(xiàng)目丙烯壓縮機(jī)采用螺桿式，排氣量為7190kg/h，電動(dòng)機(jī)功率650kW；丙烯制冷機(jī)組按照2×100%設(shè)置。任1臺(tái)機(jī)組維修時(shí)，另1臺(tái)仍然可以正常運(yùn)行，不影響裝置的正常生產(chǎn)。

4.6 典型的壓縮機(jī)操作模式

壓縮機(jī)的選型確定后，按照各工況BOG的量，確定壓縮機(jī)操作模式。當(dāng)乙烯氣化輸出時(shí)，若乙烯直接進(jìn)入重疊換熱器進(jìn)行氣化，這時(shí)需要一臺(tái)BOG和一臺(tái)丙烯壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行，若乙烯先進(jìn)入乙烯深冷器和乙烯換熱器，充分利用乙烯冷量，則這時(shí)只需開一臺(tái)BOG壓縮機(jī)，而不需丙烯壓縮機(jī)工作，兩種方案視具體情況而定。表4列出了典型的壓縮機(jī)操作模式：

表4 典型的壓縮機(jī)操作模式

5 小結(jié)

(1)通過對(duì)低溫乙烯貯運(yùn)過程的模擬，得出在不同工況下產(chǎn)生的BOG值，并結(jié)合工藝設(shè)計(jì)原則，確定壓縮機(jī)型式。同時(shí)，也可以根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值，對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，如閃蒸罐，乙烯換熱器，乙烯冷凝器等設(shè)計(jì)。

(2)化工過程軟件的應(yīng)用不僅大大減少了工程設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算工作量，而且能精確掌握系統(tǒng)中各個(gè)控制參數(shù)，充分驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)的合理性。