二硝基甲苯儲(chǔ)罐伴熱系統(tǒng)可靠性分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

張德志 楊向東

中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

二硝基甲苯(DNT)是一種重要的化工原料，是甲苯二異氰酸酯(TDI)生產(chǎn)過程中的原料之一[1]，且在燃料、醫(yī)藥等行業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法為甲苯和硝酸在硫酸的催化作用下反應(yīng)，然后通過分離、洗滌等工序制得[2] [3]，產(chǎn)品多為2,4-二硝基甲苯和2,6-二硝基甲苯兩種異構(gòu)體的混合物[4]。二硝基甲苯的凝固點(diǎn)較高(66～71℃)，固態(tài)DNT雖然可以通過伴熱水系統(tǒng)加熱再融化后繼續(xù)用于生產(chǎn)，但直接影響下游裝置的連續(xù)運(yùn)行，且固體DNT受外力撞擊或DNT粉塵與空氣混合容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，因此，為保證DNT緩存時(shí)的安全性，化工生產(chǎn)中一般將液態(tài)二硝基甲苯儲(chǔ)存在設(shè)置有伴熱的儲(chǔ)罐中。

1 儲(chǔ)罐伴熱系統(tǒng)可靠性分析

1.1 工藝流程簡述

二硝基甲苯作為TDI生產(chǎn)過程中的中間物料，常規(guī)設(shè)計(jì)儲(chǔ)存在常壓儲(chǔ)罐中，并設(shè)置熱水伴熱系統(tǒng)。伴熱系統(tǒng)為閉式熱水循環(huán)系統(tǒng)，主要包括換熱器、熱水罐、熱水泵及儲(chǔ)罐伴熱管道等設(shè)施，工藝流程簡圖見圖1。

如圖1所示，DNT儲(chǔ)罐側(cè)壁和罐底設(shè)置伴熱管道，并設(shè)置保溫層以減少熱量散失。閉式熱水循環(huán)系統(tǒng)通過控制加熱蒸汽的流量來控制伴熱水的上水溫度，經(jīng)換熱器加熱后的熱水通過泵輸送至儲(chǔ)罐外部盤管進(jìn)行伴熱。

圖1 DNT儲(chǔ)罐常規(guī)伴熱系統(tǒng)工藝流程簡圖

1.2 可靠性分析

DNT儲(chǔ)罐的安全風(fēng)險(xiǎn)主要源于罐內(nèi)溫度的降低而使DNT凝固，而罐內(nèi)溫度的保證主要依靠儲(chǔ)罐伴熱系統(tǒng)，因此儲(chǔ)罐伴熱系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。儲(chǔ)罐伴熱系統(tǒng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)主要有以下2種情況：

(1)斷電。因特殊情況生產(chǎn)裝置會(huì)出現(xiàn)斷電的可能，此時(shí)熱水泵將無法正常運(yùn)行，DNT儲(chǔ)罐則無法獲得穩(wěn)定的伴熱溫水進(jìn)行伴熱，長時(shí)間會(huì)造成儲(chǔ)罐內(nèi)熱量散失，溫度下降至DNT的凝固點(diǎn)，罐內(nèi)液體凝固，影響下游裝置的正常生產(chǎn)。另外相比于液態(tài)DNT，固態(tài)DNT的危險(xiǎn)程度更大，一但與空氣接觸容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。

(2)蒸汽中斷。因特殊情況生產(chǎn)裝置也會(huì)出現(xiàn)蒸汽中斷的可能，此時(shí)加熱器將無法正常換熱，來自儲(chǔ)罐的伴熱水回水不能進(jìn)行加熱升溫，伴熱系統(tǒng)則無法提供所需的伴熱水溫度，時(shí)間一長也會(huì)造成罐內(nèi)溫度下降至DNT的凝固點(diǎn)導(dǎo)致DNT凝固。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 工藝流程優(yōu)化

在圖1工藝流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合第1.2節(jié)中對斷電和蒸汽中斷兩種工況的分析，分別采取以下工藝優(yōu)化措施：

(1)針對斷電工況，設(shè)置備用熱水泵，并將熱水泵的供電等級設(shè)計(jì)為一級，配備柴油發(fā)電機(jī)緊急供電。當(dāng)生產(chǎn)裝置正常供電中斷時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)可及時(shí)啟動(dòng)，為熱水泵提供緊急電源，保證閉式伴熱水循環(huán)系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)為避免蒸汽中斷帶來的風(fēng)險(xiǎn)，在熱水泵的出口管線上增設(shè)電加熱器，同時(shí)設(shè)置電加熱器旁路管線。正常情況下(蒸汽正常供應(yīng))，伴熱水經(jīng)電加熱器的旁路輸送進(jìn)行閉式循環(huán)；當(dāng)蒸汽中斷后切換至電加熱器系統(tǒng)，由電加熱器對伴熱水進(jìn)行升溫，保證儲(chǔ)罐伴熱水的不間斷供應(yīng)。電加熱器自帶電控柜，可自動(dòng)調(diào)節(jié)出水溫度及水溫過熱斷電保護(hù)，滿足伴熱水水溫的要求。

經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后的工藝流程簡圖見圖2。

圖2 DNT儲(chǔ)罐伴熱系統(tǒng)優(yōu)化工藝流程簡圖

2.2 其他設(shè)計(jì)優(yōu)化

儲(chǔ)罐底部伴熱管道通常采用點(diǎn)焊的方式固定在罐底，受罐底施工精度及儲(chǔ)罐基礎(chǔ)不均勻沉降等不確定因素影響，罐底伴熱管存在破裂的風(fēng)險(xiǎn)，破裂的伴熱管難以進(jìn)行檢修、更換，儲(chǔ)罐的伴熱則存在一定的安全隱患。

為應(yīng)對可能發(fā)生的儲(chǔ)罐底部伴熱管破裂工況，對儲(chǔ)罐底部伴熱管布置及儲(chǔ)罐支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：① 盡量增多底部伴熱管的分組數(shù)量，縮短單組伴熱管長度，減少彎頭數(shù)量；② 儲(chǔ)罐底部采用工字鋼支撐，將儲(chǔ)罐安放在平整混凝土基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的工字鋼間距，方便將破裂的伴熱管管組從底部抽出進(jìn)行檢修和更換。

3 結(jié)語

本文對二硝基甲苯儲(chǔ)罐伴系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，通過對斷電、蒸汽中斷等工況的發(fā)生及其可能的后果進(jìn)行分析，分別提出了對應(yīng)的伴熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，即：設(shè)置備用泵、將泵的電源負(fù)荷等級提高至一級并連接柴油發(fā)電機(jī)緊急供電、增設(shè)電加熱器及旁路管線；另外，優(yōu)化儲(chǔ)罐底部伴熱管道分組及儲(chǔ)罐支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過以上設(shè)計(jì)優(yōu)化，可有效提高伴熱系統(tǒng)的可靠性，提高二硝基甲苯儲(chǔ)存的安全性。