環(huán)氧乙烷裝車計(jì)量方式與差量分析

張宏慶，齊宏偉，王代鵬，林艷濤

(中國(guó)石油吉林石化分公司 乙二醇廠,吉林 吉林 132021)

環(huán)氧乙烷是乙烯衍生物中重要的化工基礎(chǔ)原料,化學(xué)式為C2H4O,是一種有毒的致癌物質(zhì),易燃易爆,常溫常壓下為無色易燃?xì)怏w,低溫時(shí)是無色易流動(dòng)液體,沸點(diǎn)為10.45 ℃.因環(huán)氧乙烷易燃易爆,不宜長(zhǎng)途運(yùn)輸,因此有強(qiáng)烈的區(qū)域限制，其作為僅次于乙烯的化工中間體，被廣泛地應(yīng)用于洗滌、制藥、印染等行業(yè)[1].環(huán)氧乙烷歷年來在價(jià)格動(dòng)蕩的化工市場(chǎng)中始終處于較高的盈利狀態(tài),與價(jià)格密切聯(lián)系的就是其計(jì)量數(shù)據(jù),直接影響供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益，所以環(huán)氧乙烷在儲(chǔ)運(yùn)、交接計(jì)量上一向比較敏感[2].

1 環(huán)氧乙烷裝車和計(jì)量方式

1.1 環(huán)氧乙烷裝車方式

影響環(huán)氧乙烷計(jì)量數(shù)據(jù)的主要原因是裝車工藝和計(jì)量方式.因介質(zhì)易氣化并考慮安全規(guī)范要求，物料裝車一般采用上裝上卸方式,物料管在罐內(nèi)設(shè)置為插底形式.裝卸過程接液相管向罐車輸入環(huán)氧乙烷物料；接氣相管線,排除過高壓力的環(huán)氧乙烷等混合氣體(混合氣體主要為氮?dú)?[3].環(huán)氧乙烷罐車裝車采用泵加壓法,過程如圖1所示.

圖1 環(huán)氧乙烷充裝流程圖

裝車前,要求罐車壓力不低于200 kPa.儲(chǔ)罐中的環(huán)氧乙烷由管路輸送到泵入口,經(jīng)泵加壓后輸入環(huán)氧乙烷罐車中.隨著罐內(nèi)液相增多氣相空間逐漸減小，超過壓力設(shè)定值后，罐車內(nèi)氣相組分通過氣相管排放至回收系統(tǒng).環(huán)氧乙烷裝車過程中，超壓階段將有部分氣相進(jìn)入排放氣洗滌塔[4].

1.2 環(huán)氧乙烷裝車計(jì)量方式

環(huán)氧乙烷裝車計(jì)量一般有兩種方式：

(1)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量

環(huán)氧乙烷罐車的裝車量為裝車后與裝車前質(zhì)量流量計(jì)的差量，即為液相管線輸入罐車的量.流量計(jì)計(jì)量精度為不低于0.2%.

(2)汽車衡稱重計(jì)量

環(huán)氧乙烷罐車裝車量為裝車后與裝車前汽車衡的差量.汽車衡精度等級(jí)為Ⅲ類，精度為0.1%.

目前的裝車方式和計(jì)量方式,空車罐車和重車罐車內(nèi)始終存有氮?dú)夂铜h(huán)氧乙烷的混合氣體.若以汽車衡計(jì)量,對(duì)客戶有利,空車中的氮?dú)獗画h(huán)氧乙烷置換,相當(dāng)多的利益；若以質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量,則純粹屬于液相管道裝車量,氣相返回的混合氣無法重復(fù)利用,當(dāng)作廢氣進(jìn)行工業(yè)處理.因此兩種不同的計(jì)量方式比對(duì)會(huì)產(chǎn)生計(jì)量偏差,正常情況下流量計(jì)的計(jì)量數(shù)據(jù)大于汽車衡計(jì)量數(shù)據(jù),且此偏差無法消除,只能盡量控制偏差大小,減少計(jì)量糾紛.

2 兩種裝車計(jì)量方式偏差分析

2.1 環(huán)氧乙烷罐車裝車流程要求

為防止環(huán)氧乙烷氣化、盡量減少裝車損耗，同時(shí)優(yōu)化裝車時(shí)間，確保安全規(guī)范裝車，環(huán)氧乙烷裝車過程中嚴(yán)格控制相關(guān)工藝參數(shù).裝車前要求罐體內(nèi)壓力不低于0.2 MPa，罐區(qū)裝車泵出口壓力控制在0.9 MPa，裝車氣相壓力控制在0.45 MPa以下，超壓后開始排放，裝車后溫度一般控制在低于0 ℃[5].

為確保質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確，裝車結(jié)束后用氮?dú)鈱⒘髁坑?jì)管線后的全部環(huán)氧乙烷吹掃至罐車內(nèi)，以確保所有經(jīng)過流量計(jì)計(jì)量的環(huán)氧乙烷都裝進(jìn)客戶的罐車中[6].

2.2 罐車裝車計(jì)量的理論計(jì)算

2.2.1 計(jì)量參數(shù)分析

(1)質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)值M質(zhì)

M質(zhì)=裝入環(huán)氧乙烷質(zhì)量+裝車排放環(huán)氧乙烷質(zhì)量.

(2)汽車衡的數(shù)值M衡

M衡=裝車后汽車衡數(shù)值-裝車前汽車衡數(shù)值,

裝車后汽車衡數(shù)值=裝車前空車重量(包含EO殘余量)+裝入環(huán)氧乙烷質(zhì)量+氣相空間氮?dú)赓|(zhì)量.

裝車前汽車衡數(shù)值=裝車前空車重量(包含EO殘余量)+原車氮?dú)赓|(zhì)量.

因此：M衡=裝入環(huán)氧乙烷質(zhì)量+氣相空間氮?dú)赓|(zhì)量-原車氮?dú)赓|(zhì)量.

(3)計(jì)量差值

M質(zhì)-M衡=原車氮?dú)赓|(zhì)量-氣相空間氮?dú)赓|(zhì)量+裝車排放環(huán)氧乙烷質(zhì)量.

2.2.2 理論計(jì)算過程

氮?dú)獍蠢硐霘怏w方程計(jì)算罐車內(nèi)氣相質(zhì)量.依據(jù)克拉伯龍方程式PV=nRT得：

(1)

式中：p為壓強(qiáng)(kPa),V為氣體體積(m3),m為氣體的質(zhì)量(kg),M為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol),R為氣體常數(shù),R=8.314 Pa·M3/mol·K，T為罐車罐體內(nèi)溫度(℃).

環(huán)氧乙烷罐車裝車前一般存在一定的液態(tài),根據(jù)道爾頓分壓定律,罐車內(nèi)壓力=環(huán)氧乙烷在裝車前溫度下的環(huán)氧乙烷蒸汽分壓+氮?dú)夥謮?故:

p氮=p總-pEO，

(2)

式中,p氮為罐車中氮?dú)夥謮?kPa),pEO為罐車中環(huán)氧乙烷分壓 (kPa).

環(huán)氧乙烷在初始裝車溫度10 ℃下飽和蒸氣壓為66.3 kPa,在裝車后溫度0 ℃下飽和蒸汽壓為100.4 kPa.

氮?dú)赓|(zhì)量與罐車容積有關(guān)，以常見裝車情況，罐車體積36.7 m3,裝車前罐體氮?dú)獬鋲?00 kPa，絕壓300 kPa，溫度10 ℃時(shí)工藝條件計(jì)算，質(zhì)量為：

M原=pVM/R(273+T)=(300-66.3)×36.7×28/[8.314×(273+10)]=102.1 kg.

(3)

環(huán)氧乙烷裝車27 t，罐內(nèi)物料保持在0 ℃，體積VEO=m/ρ=27/0.87=31.0 m3,則罐車容積減少31.0 m3.

按裝車控制壓力0.45 MPa，絕壓550 kPa，則氣相空間中氮?dú)庠? ℃下的質(zhì)量為：

M氣=pVM/R(273+T)=(550-100.4)×(36.7-31.0)×28×(8.314×273)=31.6 kg,

(4)

M質(zhì)-M衡=M原-M氣=102.1-31.6=70.5 kg.

(5)

同理，可計(jì)算不同罐車容積下，罐車中氮?dú)赓|(zhì)量、氣相質(zhì)量如表1所示.

表1 不同罐車容積下質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差量

由表1可以看出，裝車后氣相空間越大，兩種計(jì)量方式差量越小.

在200 kPa初始裝車壓力，450 kPa設(shè)定裝車壓力下，36.7 m3罐車中裝27 t環(huán)氧乙烷，由于氮?dú)庠跍囟炔煌闆r下密度不同，對(duì)罐車內(nèi)初始氮?dú)赓|(zhì)量會(huì)有影響.以裝車后罐內(nèi)溫度為0 ℃計(jì)算.不同溫度下質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差量，見表2.

表2 不同初始裝車溫度下質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差量

由表2可以看出，隨著初始裝車溫度的上升，質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差值在減小，因?yàn)殡S著溫度的升高，氮?dú)饷芏冉档?，隨之空車內(nèi)留存氮?dú)赓|(zhì)量下降.

在200 kPa初始裝車壓力，恒定初始裝車溫度10 ℃，裝車后罐內(nèi)溫度為0 ℃，改變裝車泄壓控制壓力情況下，質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差量，見表3.

由表3可以看出，隨著設(shè)定泄壓壓力的上升，質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差值在逐漸減小.因?yàn)殡S著設(shè)定壓力的升高，留存在罐車內(nèi)的氮?dú)饷芏忍嵘?，隨之罐車內(nèi)留存氮?dú)赓|(zhì)量提高.

表3 不同裝車泄壓指標(biāo)下質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差量

綜上，罐車容積、裝車初始和裝車后的溫度、壓力均對(duì)質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)差量的大小存在影響.裝車前后的氮?dú)赓|(zhì)量差實(shí)際是裝車后以相同質(zhì)量的氮?dú)庵脫Q為環(huán)氧乙烷產(chǎn)品，對(duì)銷售企業(yè)來說存在計(jì)量損失.故在質(zhì)量流量計(jì)與汽車衡數(shù)據(jù)比前，應(yīng)該對(duì)汽車衡數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以使汽車衡數(shù)據(jù)準(zhǔn)確體現(xiàn)實(shí)際環(huán)氧乙烷裝車量.

修正公式為：

M差量=p0V0M/R(273+T0)-p1V1M/R(273+T1),

(6)

式中:p0為初始裝車壓力，V0為罐車容積，T0為罐車裝車前溫度，p1為泄壓壓力，V1為罐車容積-裝入環(huán)氧乙烷容積，T1為罐車裝車后溫度.同時(shí)要考慮裝車前后不同溫度下氮?dú)庠诠捃噧?nèi)的氣相分壓.

為了便于操作人員計(jì)算，可將常見的工況參數(shù)計(jì)算出來制作出工況對(duì)照表，或制作Excel快捷計(jì)算表，供操作工參照使用.將修正后的汽車衡數(shù)據(jù)與質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比.

2.3 實(shí)際裝車數(shù)據(jù)修正分析

通過表4可以看出，參照某企業(yè)實(shí)際裝車計(jì)量數(shù)據(jù)，以汽車衡為計(jì)算依據(jù)，對(duì)比質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)，存在平均15 kg環(huán)氧乙烷/車的差量，雖差率絕對(duì)值-0.05%較低，滿足計(jì)量偏差管控要求，但是基本為負(fù)偏差，企業(yè)環(huán)氧乙烷計(jì)量受損.如按理論計(jì)算，因罐內(nèi)氮?dú)馀欧?，相同質(zhì)量替換為環(huán)氧乙烷，損失環(huán)氧乙烷質(zhì)量平均為46 kg/車，修正后偏差為0.12%.

表4 實(shí)際裝車差量與修正

3 結(jié) 論

由以上分析可以看出，環(huán)氧乙烷裝車采用汽車衡計(jì)量為結(jié)算依據(jù)，存在原車部分保壓氮?dú)庵脫Q為環(huán)氧乙烷產(chǎn)品的產(chǎn)品計(jì)量損失，不利于銷售企業(yè)利益.如采用質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，則存在裝車過程中超壓需排放，必然排出質(zhì)量流量計(jì)已經(jīng)計(jì)量的環(huán)氧乙烷，不利于客戶利益.從裝車量復(fù)驗(yàn)可行性、減少糾紛角度，最佳方案是采用汽車衡計(jì)量為結(jié)算依據(jù)，且控制計(jì)量偏差在雙方都能接受的最佳范圍之內(nèi).

控制計(jì)量偏差的措施：

(1)盡量采用較高的泄壓壓力，以減少裝車過程中的外排環(huán)氧乙烷損失量.此項(xiàng)要綜合考慮罐車承壓能力確保安全裝車；考慮裝車泵進(jìn)料壓力能力，確保在規(guī)定的裝車時(shí)間內(nèi)順利完成裝車.

(2)盡量降低罐體內(nèi)環(huán)氧乙烷溫度，減少環(huán)氧乙烷氣相分壓，有利于減小超壓外排的環(huán)氧乙烷損失量.此項(xiàng)要綜合考慮冰機(jī)能力，制冷運(yùn)營(yíng)成本[7].實(shí)際裝車過程中環(huán)氧乙烷0 ℃時(shí)氣相分壓為66.3 kPa，僅占550 kPa氣相排放體積組成的12%，且氮?dú)獯蟛糠旨杏跉庀嗌喜?，更有利于排出，?shí)際排出組成環(huán)氧乙烷占比低于氣相分壓比例.

(3)環(huán)氧乙烷裝車檢斤前控制盡量低的壓力，且盡量減少氮?dú)饨M分.環(huán)氧乙烷裝車前一般在罐車內(nèi)存留有少部分液態(tài)環(huán)氧乙烷.理想情況如環(huán)氧乙烷罐車充裝前壓力控制在常壓，罐內(nèi)10 ℃(環(huán)氧乙烷飽和蒸汽壓100.4 kPa接近常壓)且無氮?dú)獯嬖?，均為環(huán)氧乙烷，則環(huán)氧乙烷裝車汽車衡計(jì)量將比質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量具有更高準(zhǔn)確性.

(4)如采用汽車衡計(jì)量結(jié)算，需對(duì)裝車后汽車衡數(shù)值依據(jù)實(shí)際裝車前后的溫度、壓力、容積進(jìn)行適當(dāng)修正，以縮小氮?dú)庵脫Q損失，促進(jìn)公平貿(mào)易.