低溫儲(chǔ)罐置換新工藝的探索與實(shí)踐

譚志遠(yuǎn)

連云港榮泰化工倉(cāng)儲(chǔ)有限公司 江蘇連云港 222000

低溫儲(chǔ)罐因儲(chǔ)存的介質(zhì)是低溫物料而有著特殊的結(jié)構(gòu)，其置換方法與普通常壓罐有很大差異。傳統(tǒng)的低溫罐置換方法是以潛液泵抽到最低液位后，通過儲(chǔ)罐自然吸熱和壓縮機(jī)BOG 對(duì)罐底液相物料加熱氣化、清空，再以氮?dú)庵脫Q掉氣相物料，最終使用新的物料完成實(shí)氣置換和預(yù)冷。但這一方法置換周期長(zhǎng)、能耗和物耗高。因此在特定條件下，探索新的置換工藝成為化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)廠的迫切需求，也是順應(yīng)節(jié)能減排、碳達(dá)峰的時(shí)代要求。

1 低溫丙丁烷儲(chǔ)罐置換方法的選擇

根據(jù)下游工廠的生產(chǎn)需要，某化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)廠的8 萬m3低溫丙丁烷通用儲(chǔ)罐需由儲(chǔ)存丁烷切換為存儲(chǔ)丙烷。通過潛液泵抽到最低液位（經(jīng)過測(cè)試為202mm），罐底料剩余680t 丁烷。若采用傳統(tǒng)的置換方法，通過儲(chǔ)罐自然吸熱和壓縮機(jī)BOG 對(duì)罐底液相物料加熱氣化，每小時(shí)可倒出2.2t，計(jì)耗時(shí)13d、耗電13 萬kWh。再使用氮?dú)鈱?duì)罐內(nèi)氣相丁烷置換耗時(shí)14d，消耗氮?dú)獬^50 萬m3、丁烷約200t、蒸汽100t。最后使用丙烷進(jìn)行實(shí)氣置換和預(yù)冷，需耗時(shí)7d，消耗丙烷約200t、電耗7 萬kWh、蒸汽100t。置換全過程總計(jì)耗時(shí)34d，電耗20 萬kWh，消耗氮?dú)?0 萬m3，丙烷、丁烷、蒸汽各消耗200t。過長(zhǎng)的置換周期和大量的能耗、物耗，給儲(chǔ)運(yùn)廠造成較大的負(fù)擔(dān)，因此探索新的置換工藝很有必要。

無論采用何種置換工藝，都需達(dá)到下游工廠對(duì)原料純度的指標(biāo)要求。鑒于下游工廠使用的丙烷對(duì)丁烷含量要求＜4%，罐底液相物料的氣化清空、氮?dú)庵脫Q、實(shí)氣置換等過程由其他方法替代是可行的。例如使用丙烷與丁烷罐底料進(jìn)行摻混，通過潛液泵打循環(huán)進(jìn)行混合，再打出混合物，從而減少罐內(nèi)丁烷含量。根據(jù)化驗(yàn)分析結(jié)果重復(fù)此過程，直至丁烷含量達(dá)標(biāo)，同時(shí)完成儲(chǔ)罐的預(yù)冷目標(biāo)。

2 低溫丙丁烷儲(chǔ)罐摻混置換工藝

2.1 潛液泵出料到極限液位

利用潛液泵打出的丁烷物料越多，儲(chǔ)罐的置換效率越高，但潛液泵的安裝結(jié)構(gòu)和高度決定了必有一定量的罐底料無法泵送出。根據(jù)泵出廠資料，潛液泵的最低安全運(yùn)行液位是NPSHr+Pump down 液位+ 罐底距離=320+164+50=534mm。即在534mm 以下液位，泵運(yùn)行存在損傷風(fēng)險(xiǎn)。為了將丁烷物料抽到更低液位時(shí)，可讓泵繼續(xù)運(yùn)行。但須對(duì)泵進(jìn)行特護(hù)，即泵在低液位下運(yùn)行過程中，特護(hù)人員一旦發(fā)現(xiàn)泵電流、出口流量異常波動(dòng)或聽到泵井傳來異響（帶氣、干磨），要立即停泵以防損壞。出于對(duì)儲(chǔ)罐計(jì)量精度控制的需要，液位計(jì)零點(diǎn)以下還有180mm。因此，泵運(yùn)行特護(hù)的低液位參考值取354mm。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，丁烷預(yù)冷泵運(yùn)行的極限低液位為202mm。

2.2 摻混置換

2.2.1 摻混置換的流程

儲(chǔ)運(yùn)廠建有兩條低溫丙烷、丁烷通用卸船線，一條預(yù)冷線。預(yù)冷線可以對(duì)兩條卸船線進(jìn)行預(yù)冷。本次摻混置換流程是通過低溫丙烷罐的預(yù)冷泵打出丙烷，進(jìn)低溫丁烷卸船線將管線內(nèi)丁烷推入低溫丁烷儲(chǔ)罐，并出貨到泵的極限運(yùn)行液位，再繼續(xù)進(jìn)丙烷摻混對(duì)儲(chǔ)罐降溫；當(dāng)丙烷摻混達(dá)到預(yù)定量，且已摻混均勻時(shí)（通過取樣分析判斷），打出混合物到泵的極限運(yùn)行液位，完成一次摻混置換作業(yè)。

2.2.2 摻混置換的時(shí)機(jī)

低溫丁烷儲(chǔ)罐系統(tǒng)的丁烷除了罐內(nèi)液相物料，還包括罐內(nèi)丁烷氣相和卸船線內(nèi)丁烷液相，共計(jì)約500t。這500t 丁烷對(duì)置換合格指標(biāo)同樣產(chǎn)生很大影響。因此，將此部分丁烷融入罐內(nèi)液相丁烷物料中，利用潛液泵出貨到極限運(yùn)行液位，將更有利于達(dá)成置換目標(biāo)。

其中卸船線內(nèi)的液相丁烷，可以利用預(yù)冷線丙烷將其推入低溫丁烷罐；低溫丙烷遇到的丁烷后吸熱膨脹升壓，持續(xù)推動(dòng)丁烷進(jìn)罐；罐內(nèi)丁烷氣相可以借助BOG 再液化系統(tǒng)液化后回收到儲(chǔ)罐內(nèi)；在丙烷進(jìn)罐氣化降溫的作用下，回罐的丁烷BOG 凝液減少了蒸發(fā)量，在一定的時(shí)間內(nèi)，罐內(nèi)丁烷氣相將逐漸減少，丙烷氣相增加。

為了將丁烷罐內(nèi)氣相丁烷和卸船線液相丁烷融入罐內(nèi)液相物料，作為高純丁烷（不被丙烷污染）輸出，需要選擇合適的丙烷摻混時(shí)機(jī)。即做到丁烷出到極限停泵液位時(shí)，卸船線內(nèi)的丁烷和罐內(nèi)氣相丁烷也已回收并輸出（約200t 丁烷氣相按液化回收150t 計(jì)算）。根據(jù)預(yù)冷泵出貨效率60t/ h（2 個(gè)鶴位同時(shí)裝車）和丙烷預(yù)冷流量12.5t/ h，以及丙烷自填充丁烷卸船線開始到進(jìn)罐時(shí)間24h，得出丁烷出貨到極限停泵液位前36h （此時(shí)罐內(nèi)丁烷液位1200mm 左右），即可對(duì)丁烷卸船線填充丙烷推動(dòng)丁烷回罐。其中管線填充24h，再進(jìn)12h，共計(jì)150t（罐內(nèi)飽和氣相丙烷的質(zhì)量）丙烷噴灑氣化冷卻儲(chǔ)罐，同時(shí)氣相丁烷被液化回收，可以最大化減少丁烷的罐內(nèi)存量。丙烷進(jìn)罐初期基本為吸熱氣化，通過取樣分析表明，丙烷、丁烷分層明顯，因此能保證裝出的丁烷純度指標(biāo)合格。

當(dāng)?shù)蜏囟⊥樾洞€回罐溫度降至- 12.78℃時(shí)，BOG壓縮機(jī)吸入溫度為- 10.5℃，運(yùn)行模式由丁烷模式切換至丙烷模式。從丁烷卸船線預(yù)冷開始到壓縮機(jī)運(yùn)行模式切換，時(shí)間間隔為33h，摻混丙烷約424t（卸船線290t，進(jìn)罐134t）。第二批次低溫丙烷摻混到1200mm 時(shí)，儲(chǔ)罐溫度降到- 38℃，氣相組分中丁烷僅占2.29%（約4.7t）。

3 摻混置換的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及關(guān)鍵控制

3.1 儲(chǔ)罐溫度

摻混過程中，儲(chǔ)罐壁板、底板溫度降幅過大或不同點(diǎn)降溫不均，會(huì)造成板材應(yīng)力變形甚至拉裂。因此，須控制內(nèi)罐壁板（底板）任意一點(diǎn)溫度降速＜5℃/ h、內(nèi)罐壁板（底板）任意兩點(diǎn)溫差不大于15℃。否則，要暫時(shí)關(guān)閉丁烷卸船線控制閥PCV- 74301，停止進(jìn)料，待罐壁板（底板）溫度開始回升后再繼續(xù)進(jìn)料。

得益于儲(chǔ)罐開工噴淋環(huán)管的設(shè)計(jì)，其安裝于內(nèi)罐頂中心位置，不僅可以在儲(chǔ)罐氣相空間內(nèi)均勻噴灑丙烷，而且更易霧化，避免儲(chǔ)罐內(nèi)部冷卻不均。為利用噴淋環(huán)管，本次從丁烷卸船線罐頂甩頭閥使用金屬軟管連接了噴淋環(huán)管，同時(shí)關(guān)閉卸船線進(jìn)罐根部閥。從本次儲(chǔ)罐溫度變化趨勢(shì)看，儲(chǔ)罐的冷卻速度平穩(wěn)均勻。

3.2 儲(chǔ)罐壓力

向存有680t 液相丁烷的儲(chǔ)罐摻混低溫丙烷，常壓下丙烷的飽和溫度遠(yuǎn)低于丁烷的飽和溫度。因此丙烷進(jìn)丁烷罐后，在罐內(nèi)氣相空間迅速氣化或遇到“熱的”丁烷迅速氣化，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力上升甚至超壓排放。那么是否會(huì)出現(xiàn)“翻滾”現(xiàn)象呢？“翻滾”是指低溫儲(chǔ)罐收料過程中大量的氣體被裹挾在液相物料中進(jìn)入儲(chǔ)罐，導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓的現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)超過儲(chǔ)罐安全泄壓裝置的釋放量，導(dǎo)致儲(chǔ)罐拱頂被掀開，發(fā)生重大事故。但這種情況多是由于收料線設(shè)計(jì)了太多的立式膨脹彎，導(dǎo)致管線預(yù)冷過程氣相不易回罐，在卸船時(shí)被物料推回儲(chǔ)罐時(shí)發(fā)生的。而丁烷罐摻混丙烷是通過預(yù)冷流程進(jìn)行的（丁烷卸船線多采用水平膨脹彎補(bǔ)償），全開閥門的流量不超過12.5t/ h，這些丙烷進(jìn)罐后即便全部氣化。此時(shí)根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)條件，通過安全閥可以泄放10.5t/ h，泄壓調(diào)節(jié)閥泄放3.9t/ h，加上BOG再液化系統(tǒng)的能力（丁烷凝液回收7t/ h，丙烷凝液回收3.8t/ h），可保證儲(chǔ)罐不會(huì)出現(xiàn)超壓破壞事故。本次摻混過程中，罐壓受控，未出現(xiàn)超壓排放情況。

儲(chǔ)罐摻混初期，氣相空間內(nèi)含較多丁烷，因此前期壓縮機(jī)選擇丁烷模式運(yùn)行。若選擇丙烷模式，壓縮機(jī)背壓即凝液罐壓力控制過高(＞1.4MPa），則丁烷會(huì)凝結(jié)損傷壓縮機(jī)（70℃的丁烷飽和蒸汽壓1.07MPa）。隨著丙烷氣化增多，因丁烷模式下的壓縮機(jī)排壓較低（高報(bào)值為0.55MPa），丙烷無法水冷液化（丙烷38℃的飽和蒸汽是1.2MPa），相當(dāng)于被壓縮機(jī)抽出來再回到儲(chǔ)罐打循環(huán)。此時(shí)儲(chǔ)罐壓力將快速上升，因此壓縮機(jī)運(yùn)行應(yīng)該切換為丙烷模式。本次壓縮機(jī)切換運(yùn)行模式是在壓縮機(jī)吸入口溫度降到- 10.5℃，罐壓快速上升到13.8kPa 時(shí)進(jìn)行的。此時(shí)應(yīng)該取樣分析儲(chǔ)罐氣相組分，用于分析判斷。因取樣分析耗時(shí)較長(zhǎng)，需提前確定時(shí)機(jī)，如BOG 組分中丙烷占比超過70%，則具備了切換條件。

丙丁烷壓縮機(jī)在不同運(yùn)行模式下，壓縮機(jī)的活塞沖程沒有區(qū)別，即壓縮比是相同的。唯一區(qū)別是丙烷模式下設(shè)定的各級(jí)排壓、排溫、級(jí)間壓差等控制指標(biāo)高于丁烷模式，可以獲得更高的背壓液化特定的BOG。

3.3 物料純度指標(biāo)

下游工廠對(duì)丙烷中丁烷含量要求＜4%，通過潛液泵打到極限液位，再摻混定量的丙烷；打出混合物后，在理想條件下（摻混均勻）計(jì)算，接卸入22000t 丙烷（純度99.4%）能夠達(dá)到下游工廠的用料指標(biāo)要求。但低溫丁烷罐的直徑約60m，而潛液泵打循環(huán)從罐內(nèi)抽出再?gòu)墓揄敾亓鞯焦迌?nèi)都是在同一角，難免混合不均。且潛液泵口環(huán)以下還有16cm，口環(huán)以下的丁烷不易被抽取。加上丙烷、丁烷分層明顯（根據(jù)摻混丙烷結(jié)束啟泵打循環(huán)初期的分析結(jié)果），故推測(cè)取樣分析的結(jié)果并不能保證代表罐內(nèi)物料的真實(shí)組分。因此，需要在22000t 丙烷卸入后，開兩臺(tái)潛液泵打循環(huán)摻混，再倒出后檢測(cè)確認(rèn)置換效果。

4 摻混置換過程中存在的問題

4.1 BOG再液化系統(tǒng)準(zhǔn)備不足

丁烷罐內(nèi)物料溫度接近常溫，摻混低溫丙烷勢(shì)必迅速氣化升壓。但只有一臺(tái)BOG 壓縮機(jī)可直接啟用，若罐壓升高過快，只能暫停摻混，如此又會(huì)造成丁烷罐內(nèi)溫度回升，導(dǎo)致儲(chǔ)罐冷卻進(jìn)程出現(xiàn)反復(fù)，增加丙烷用量。后來采用臨時(shí)軟管連接了丙烷BOG 壓縮機(jī)后凝液罐到丁烷凝液返罐線，罐壓才得以控制，但臨時(shí)軟管并不符合安全標(biāo)準(zhǔn)。若提前將冷凍機(jī)出口BOG 凝液去丁烷罐的盲板倒通，則可實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)BOG 壓縮機(jī)和1 臺(tái)冷凍機(jī)都用于丁烷罐的壓控，充分利用BOG 再液化系統(tǒng)的能力。

4.2 取樣分析不足

本次摻混過程，僅對(duì)罐內(nèi)液相物料采樣分析，忽略了對(duì)不同階段儲(chǔ)罐氣相樣的分析，沒有留下數(shù)據(jù)可供分析總結(jié)。

5 摻混置換過程中的特別現(xiàn)象

低溫罐中原始存儲(chǔ)為丁烷，所以低溫罐保冷夾層中的珠光砂間隙充滿了丁烷氣。當(dāng)儲(chǔ)罐切換存儲(chǔ)為低溫丙烷時(shí)，因常壓下低溫丙烷的溫度遠(yuǎn)低于低溫丁烷的存儲(chǔ)溫度，故珠光砂間隙中的丁烷將液化并沉積在低溫罐保冷夾層底部，且溫度低于- 10℃。此時(shí)液相丁烷變成冷橋?qū)⒗淞總鲗?dǎo)到外罐，在外罐底部壁板上結(jié)冰。本次儲(chǔ)罐切換存儲(chǔ)介質(zhì)后，外罐壁底部結(jié)冰30cm 高。

丁烷液相形成的冷橋在一定程度上會(huì)增加制冷系統(tǒng)的能耗，但此“冷橋效應(yīng)”會(huì)隨著外界環(huán)境溫度變化而變化。在夏季環(huán)境溫度升高時(shí)，大部分丁烷氣化，冷橋被隔斷，外壁冰層逐漸融化消失；反之隨著環(huán)境溫度降低，冰層高度會(huì)再升高。消除此“冷橋效應(yīng)”的辦法是將儲(chǔ)罐介質(zhì)徹底置換，包括夾層內(nèi)的物料也使用氮?dú)庵脫Q清除，如此可避免外罐壁底部結(jié)冰現(xiàn)象，但徹底置換不滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。此外，還可以考慮在夾層底板或外罐壁板底部預(yù)留引流管，將殘液引出來消除“冷橋”，但是引流管增加了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，不符合全容罐的設(shè)計(jì)條件。

6 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于低溫丙丁烷儲(chǔ)罐存儲(chǔ)介質(zhì)的切換，通過摻混置換的方法可以大幅縮短工期，降低能耗、物耗，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。即便因摻混產(chǎn)生的混合物拉低了售價(jià)，但更短的置換周期提高了儲(chǔ)罐周轉(zhuǎn)量所帶來的效益遠(yuǎn)多于混合物造成的損失，因此摻混置換工藝是科學(xué)可行的。