苯酚儲罐泡沫發(fā)生器的優(yōu)化應用

朱法廳 楊向東 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

苯酚是具有特殊氣味的無色針狀晶體，常作為酚醛樹脂、殺菌劑、防腐劑等化工產品及中間體的重要生產原料，在國民生產中具有廣泛的應用。其熔點43℃，可燃、高毒，對人體的皮膚及粘膜腐蝕性極強，可至人體灼傷。近年來隨著國內苯酚丙酮裝置的上馬，人們對苯酚的生產、儲存、運輸等積累了一定的寶貴經驗，但仍存在影響裝置安全生產、運行的部分問題。本文針對廣東某大型合資石化企業(yè)苯酚儲運方面的現場實際問題進行分析并對泡沫發(fā)生器進行改造，以期對同類生產項目或易結晶、易燃物料儲存上遇到的類似問題起到一定的參考作用。

1 項目概況

苯酚儲罐內液相苯酚的正常操作溫度為60℃，每個儲罐均設有四個泡沫發(fā)生器，在檢修過程中發(fā)現苯酚儲罐泡沫發(fā)生器內有大量的苯酚晶體，詳見圖1和圖2。

圖1 泡沫發(fā)生器苯酚結晶示意圖

圖2 苯酚結晶現場照片

苯酚結晶附著在泡沫發(fā)生器的密封玻璃上，嚴重影響了密封玻璃的正常開啟，一旦遇到火災，將影響泡沫發(fā)生器的正常使用。初步分析結晶原因為苯酚的凝固點為43℃，苯酚儲罐頂部的氣相苯酚進入泡沫發(fā)生器后遇冷結晶，日積月累后，大量氣相苯酚在泡沫發(fā)生器內結晶，附著在泡沫發(fā)生器的密封玻璃上，從而影響泡沫發(fā)生器密封玻璃的正常開啟。項目組提出泡沫發(fā)生器未設置伴熱、保溫，即泡沫發(fā)生器內密封玻璃至苯酚儲罐的氣相空間接近常溫，是導致苯酚結晶的主要原因。

欲使泡沫發(fā)生器內不發(fā)生苯酚結晶，必須控制泡沫發(fā)生器內的溫度高于苯酚的凝固點(43℃)；但若泡沫發(fā)生器內溫度超過80℃，則會影響泡沫發(fā)生器內密封玻璃的密封性和開啟壓力。經項目組初步討論，使用自限溫型電伴熱對泡沫發(fā)生器進行伴熱，保持泡沫發(fā)生器內45～80℃的溫度。但經過現場勘查，現場不具備使用電伴熱的條件。從后期維護、投資成本、運行成本等方面考慮，項目組決定采用蒸汽伴熱[1]。但蒸汽伴熱溫度不可控，受外界環(huán)境溫度、風速、伴熱管規(guī)格、保溫層厚度等因素影響較大，本文針對伴熱管規(guī)格、伴熱結構形式及保溫層厚度進行分析，以期使泡沫發(fā)生器內達到預定的45～80℃。

2 泡沫發(fā)生器的改造措施及理論分析

從便于施工及達到預期的控溫效果考慮，基于泡沫發(fā)生器與外界環(huán)境之間的熱損失Q1等于伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的熱量輸入Q2原理，進行相關的分析計算。

2.1 伴管規(guī)格及伴熱結構型式的選擇

因苯酚具有強腐蝕性，本次改造過程中需全程穿防化服，且泡沫發(fā)生器位于苯酚儲罐罐頂約18.5m高，屬于高空作業(yè)，為盡可能便于施工，本次采用?12X2的304不銹鋼伴熱管[2][3]，為避免泡沫發(fā)生器的伴熱管導熱不均，導致泡沫發(fā)生器內局部溫度過高，影響泡沫發(fā)生器的正常工作，本改造項目采用圖3所示的伴熱結構型式[4]。

圖3 伴熱結構形式

2.2 泡沫發(fā)生器與外界環(huán)境之間熱損失的計算

(1)保溫隔熱層表面至周圍環(huán)境的給熱系數(a0)

(2)往外界環(huán)境散熱的傳熱系數K1

式中，K1為泡沫發(fā)生器熱量損耗的傳熱系數，W/(m2·℃)；a1為泡沫發(fā)生器外壁至保溫層內側空氣給熱系數，W/(m2·℃)，一般工程上取11.62～13.95W/(m2·℃)[5]，本項目取11.62W/(m2·℃)；ξ1為保溫層厚度，m；λ1為保溫層導熱系數，W/(m2·℃)，本項目取0.048W/(m2·℃)。

(3)傳熱溫差Δt1

因泡沫發(fā)生器的熱阻較小，則泡沫發(fā)生器外壁溫度tw等于泡沫發(fā)生器內壁的工作溫度:

Δt1=tw-ta=t-ta

式中，Δt1為泡沫發(fā)生器熱損失的傳熱溫差，℃；tw為泡沫發(fā)生器外壁溫度，℃；ta為外界環(huán)境溫度，℃；t為泡沫發(fā)生器內壁的工作溫度，℃。

(4)泡沫發(fā)生器的散熱面積A

A=πDL

式中，A為泡沫發(fā)生器的散熱面積，m2；D為泡沫發(fā)生器的直徑，m，本項目取D=0.3m；L為被保溫伴熱部分泡沫發(fā)生器的長度，m，本項目取L=0.5m。

(5)泡沫發(fā)生器的熱損失Q1

Q1=K1×A×Δt1[5]

2.3 伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的熱量輸入

(1)伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的傳熱系數K2

式中，K2為伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的給熱系數，W/(m2·℃)；a2為伴熱管內部蒸汽給熱系數，工程上一般取11622.5W/(m2·℃)；ξ2為伴熱管管壁壁厚，m，本項目取ξ2=0.002m；λ2為伴熱管的導熱系數，W/(m2·℃)，本項目取λ2=18.5W/(m2·℃)；a3為伴熱管至保溫隔熱層內空氣給熱系數，W/(m2·℃)，本項目取21.3W/(m2·℃)；a4為保溫隔熱層內空氣至泡沫發(fā)生器的給熱系數，W/(m2·℃)，本項目取13.95W/(m2·℃)。

(2)伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的傳熱溫差△t2

Δt2=tv-tw=tv-t

式中，tv為伴熱管內蒸汽的溫度，℃，本項目取tv=151℃。

(3)伴熱管的傳熱面積F

F=πdL

式中，F為伴熱管傳熱面積，m2；d為伴熱管外徑，m，本項目取d=0.012m；L為伴熱管長度，m，本項目取L=0.5m。

(4)伴熱管與泡沫發(fā)生器之間的熱量輸入Q2

Q2=K2×F×Δt2[5]

3 保溫厚度的分析與確定

根據泡沫發(fā)生器向外界環(huán)境散失的熱量等于伴熱管輸入的熱量，即Q1=Q2[5][6],得出公式(1)。

(1)

3.1 夏季當外界極端最高溫度為38.9℃時，保溫厚度的確定

當夏季外界環(huán)境最高溫度為ta=38.9℃，采用蒸汽伴熱時，既要防止泡沫發(fā)生器內的溫度超過80℃，也要使泡沫發(fā)生器內的溫度不低于45℃，為此將各參數代入(1)式，得出泡沫發(fā)生器內不同控制溫度下，外保溫層的厚度見表1。

表1 夏季泡沫發(fā)生器內不同控制溫度下保溫層的厚度

3.2 冬季外界極端最低溫度為4.5℃時，保溫厚度的確定

當冬季外界環(huán)境最低溫度ta=4.5℃，采用蒸汽伴熱時，既要防止泡沫發(fā)生器內的溫度超過80℃，也要使泡沫發(fā)生器內的溫度不低于45℃，為此將各參數代入(1)式，得出泡沫發(fā)生器內不同控制溫度時，外保溫層的厚度見表2。

表2 冬季泡沫發(fā)生器內不同控制溫度下保溫層的厚度

3.3 結果與分析

當夏季極端最高溫度為38.9℃，保溫層的厚度為2～76.3mm時，泡沫發(fā)生器內的溫度控制在45～80℃。當冬季極端最低溫度為4.5℃，保溫層的厚度為35.1～125.7mm時，泡沫發(fā)生器內的溫度可控制在45～80℃的范圍。全年外界環(huán)境溫度界于4.5～38.9℃之間，因此當保溫層的厚度設定為35.1～76.3mm范圍內時，既滿足極端最高溫度，又滿足極端最低溫度，泡沫發(fā)生器內全年的溫度會維持在45～80℃范圍內，從而保證泡沫發(fā)生器正常工作。從施工、投資等方面綜合考慮，經圓整后本項目保溫厚度按50mm進行設計。經改造后，泡沫發(fā)生器運行正常，未出現結晶問題，有效解決了項目的實際問題。

4 結語

本文針對苯酚儲罐泡沫發(fā)生器內出現結晶的問題，在現場不具備電伴熱改造的實際工況下，考慮施工便利性及經濟性，對伴熱型式、伴熱管的尺寸及保溫厚度進行了分析與計算，最終得出利用151℃的低壓蒸汽為加熱介質；規(guī)格為?12×2,保溫厚度為50mm的304不銹鋼為伴熱管，解決了苯酚儲罐泡沫發(fā)生器內出現結晶的問題。自改造后半年內運行效果良好，未出現結晶，且經試驗測試后，泡沫發(fā)生器正常工作。通過本文，以期對易結晶、易燃物料儲罐上泡沫發(fā)生器的設計提供一定的參考。