HYSYS在低温乙烯贮运中的应用

2020-10-12牛晓敏

山东化工 2020年16期

牛晓敏

(南京扬子石油化工设计工程有限责任公司，江苏南京 210048)

乙烯是石油化学工业最重要的基础有机原料之一，目前约有75%的石油化工产品由乙烯来生产，主要用于生产聚乙烯，环氧乙烷/乙二醇、二氯乙烷/氯乙烷、苯乙烯、乙醇、醋酸乙烯等多种重要的有机化工原料和聚合物。近年来，我国乙烯工业取得了快速发展，已成为国民经济的重要产业，并带动了轻工纺织，精细化工、汽车制造业等的发展。随着经济的发展，对乙烯的需求必呈不断增长的趋势。因此，建立安全可靠、经济高效的大规模乙烯储运系统十分必要。

低温乙烯常用的贮存方法有加压法和低温常压法。

低温常压贮存是目前乙烯常用的贮存方法。本项目采用国内成熟可靠，具有国际先水平的液态烃低温贮运技术，储存能力大，占地面积小，安全可靠且自动化程度高。由于温度低，压力低，贮存安全，有专门的低温船进行大容量，大规模长距离运输在贮运过程中，大气压变化，装卸船/车操作，气化输出，管道及贮罐的漏热等操作均会造成贮罐液态乙烯的蒸发，为了维持罐内压力在正常操作范围，必须将汽化的乙烯再液化。BOG压缩机作为BOG液化工艺的核心设备，在贮运过程中发挥着重要作用，因此，正确计算出BOG的液化量对BOG压缩机和丙烯压缩机的选型十分必要。

HYSYS是Aspen Tech公司推出的专门进行气体工艺计算的软件，可以进行多种气体的模拟计算，目前在石油化工、贮运、天然气加工、气体处理等行业广泛应用。本文利用HYSYS软件对低温乙烯贮运过程进行模拟，得到不同工况下产生BOG的量，根据模拟结果，进行压缩机的选型。

1 工艺流程简述

2×20000m3低温乙烯储存装置基本工况有乙烯装卸船、乙烯储存及气化乙烯回收、乙烯汽化输出、乙烯汽车装/卸等，及几种工况的结合作业。具体流体见图1。

图1 低温乙烯贮存流程图

2.1 乙烯装卸船操作

2.1.1 卸船操作

为了避免卸船时物料低温对管线造成冲击而导致管线应力过大，在卸船前必须进行管道的预冷。利用装车泵送出一定量的低温液相乙烯，通过预冷管线预冷卸船管线并返回贮罐，要求返罐温度不得高于-80℃。在预冷期间，产生的气体由乙烯压缩机压缩后，与丙烯换热液化，再回贮罐。当卸船管线预冷合格后，开始卸船操作。利用卸船泵将低温液相乙烯经过卸船臂经约2500m的输送管道压送进入低温乙烯贮罐。

2.1.2 装船操作

装船和卸船用的是同一个管线系统，预冷过程同卸船操作，当管线预冷合格后，开始装船操作。利用装置的装船泵低温液态乙烯经约2500m外管及装船臂压送进入低温乙烯船。

2.2 乙烯气化输出

当下游需要气体乙烯时，乙烯储罐中的低温乙烯经输送泵吸入管线由乙烯输送泵加压，液态乙烯通过乙烯输送泵加压至3.5MPa后，通过乙烯重叠换热器加热至20℃后经管道输送至下游用户。这时，压缩乙烯气先在乙烯冷却器中与循环水换热，再在乙烯冷凝器中与冷剂丙烯换热而冷凝。冷凝的乙烯进入集液罐，通过液位控制进入闪蒸罐，分离气相乙烯和液相乙烯。气相进入压缩机二段进一步压缩，液相通过液位控制回到贮罐。

乙烯进重叠换热器前亦可先输送到乙烯换热器中与来自乙烯压缩机的乙烯换热后，再进乙烯重叠换热器加热至20℃后送至下游用户，而这时的压缩乙烯进入乙烯凝液罐收集后返回大罐，这样既可合理利用冷能，又降低了蒸汽和甲醇的消耗。

有乙烯气化输出的工况下，乙烯通过冷冻机再液化或通过乙烯换热器再液化，可以通过DCS预先设定。

2.3 乙烯储存操作及BOG回收

低温乙烯贮存在低温罐中，贮罐贮存能力为2×20000m3。

储罐设计最高正压为30kPa(G)，最低负压 -0.5kPa(G)，设计温度为-104℃～+ 50℃，日蒸发率为0.08%。乙烯储罐内罐直径为33m，高度为26.4m，外罐直径为35m，高度为27.6m。储罐采用双金属单容罐。内罐与外罐之间填充膨胀珍珠岩保温层。

在贮存期间，为了控制低温乙烯储罐的压力和温度，需要将蒸发的气相乙烯进行压缩液化。气相乙烯经乙烯压缩机压缩后进入乙烯冷却器冷却，再经乙烯冷凝器冷凝后进入乙烯凝液接受罐，再通过闪蒸罐闪蒸降温后，液相乙烯进入低温乙烯储罐，气相乙烯进入乙烯压缩机二段压缩。

乙烯冷凝器的冷剂采用丙烯。

2.4 汽车装卸设施

乙烯装/卸车操作类似于装/卸船操作。首先对装车管线进行预冷，冷却到一定温度后开始装车，乙烯出厂经装车泵输送到乙烯装车站台，通过乙烯装车臂装汽车槽车出厂，为确保泵适当的排气，泵装有旁路返回贮罐，乙烯通过乙烯装车臂装车，槽车置换气送回贮罐。槽车装车系统设有乙烯循环管线，用于维持非装车作业时装车总管处于低温状态，避免开始装运时产生过多的BOG气体进入槽车降低装车速率。

同时，装置也可以卸车操作。由乙烯槽车自带的增压器或来自乙烯压缩机第一级的出口气体，与槽车气相管连接，将槽车中的乙烯压入储罐贮存。

卸车操作对装置运行的影响远小于卸船操作，且卸车操作仅在开车及偶发情况时出现，卸车仅做为流程设计的要求，不单独做物料平衡计算。

2.5 丙烯制冷系统

丙烯在制冷机组密闭回路中压缩并液化。螺杆压缩机压缩来自乙烯冷凝器的气相丙烯。在丙烯冷凝前，丙烯和油在中分离后，进入换热器中与冷却水换热冷凝，进入丙烯罐。然后一部分丙烯凝液减压成中压气体，与大部分丙烯凝液换热，使大部分丙烯凝液过冷，丙烯气体重新注入螺杆压缩机，过冷丙烯进入乙烯冷凝器压缩的BOG。

3 贮存物料性质

贮存物料为乙烯，以近海运输的方式运至罐区贮存，规格如下：

3.1 乙烯规格

乙烯规格见表1。

表1 乙烯规格

2.2 乙烯的相关物性

乙烯的相关物性见表2。

表2 乙烯物性

4 计算工况结果

4.1 计算基础

(1)本项目乙烯及BOG管道材质选用304L不锈钢管道。

(2)本项目乙烯管道的保冷材料选用PIR+PUR。

(3)PIR的保温性能，绝热管道的表面散热系数按25W/m2考虑。

(4)卸船前船上压力(表压)为0.5MPa.G，卸船能力：170t/h。

(5)储罐压力为～115kPa，装车泵出口压力0.5MPa，返罐温度≤-80℃。

(6)气相乙烯输出能力：20 t/h；出口压力为3.5MPa.G；温度：20℃；压力：3.0MPa.G(界区处)。

(7)汽车装车：设3个装卸车站台；每个站台的设计装车量25t/h。装车泵的能力可满足两个装车站台同时装车的要求。

(8)液相乙烯装船：设置装船泵1台，装船能力150t/h。

(9)储罐日蒸发率为0.08%，储罐内气体压力为(≥12kPaG)；

(10)大气压变化引起BOG的增加，在此不考虑台风的情况，因为一旦由于台风引起大气压剧烈变化而导致BOG的急剧增加，这时，BOG直接排放火炬系统进行处理。本项目取大气压变化率取为2000Pa/h。

大气压变化产生的BOG的计算公式为。

4.2 物性方法

采用Peng-Robinson立方状态方程。

4.3 模拟结果

本项目投产后，各生产过程会产生大量的BOG，主要包括：储罐自然蒸发的BOG、卸船时产生的BOG、装船时产生的BOG、装车时产生的BOG、装卸船预冷时产生的BOG、乙烯气化输出产生的BOG以及大气压变化是产生的BOG等。在实际运行时，可能几种生成工艺同时进行，如卸船的同时，也进行乙烯装车，此时计算的BOG将是两个过程同时运行时的BOG产量。

通过HYSYS软件建模并对各工况BOG进行模拟，根据模拟结果见表3：

由表3可知，本项目中，BOG产量最大工况和最小工况如下：

本项目采用压缩冷凝液化工艺来处理储罐的蒸发气体，根据储罐蒸发气产生量以及物料平衡计算结果，最大BOG产量发生在卸船加槽车装车工况，BOG产量在压缩机一段为2780kg/h，二段为3521kg/h，丙烯的制冷量为7188kg/h；最小工况发生在乙烯仅装船加装车工况，BOG产量在压缩机一段为1159kg/h，二段为1490kg/h，丙烯的制冷量为3010kg/h。

表3 各种工况下BOG量和丙烯量

4.4 BOG压缩机选型

根据工艺设计原则，BOG压缩机的处理能力是通过装置最苛刻工况下产生蒸发气最大量来确定的。本项目选取的极端工况为：卸船及槽车装车，设置了三台相同能力的BOG压缩机用于BOG压缩，三台压缩机规格功能相同，为便于叙述，将其中一台压缩机作为基值负荷压缩机，一台作为峰值负荷压缩机，另一台为备机(备机仅在其它压缩机故障时，才能投入使用)。BOG压缩机的最终选型：采用往复式，二级压缩，一段排气量为1390kg/h，二段排气量为1760kg/h，电动机功率160kW。

4.5 丙烯制冷机组选型

依照BOG压缩机选型的原则和丙烯制冷机组的特点，本项目丙烯压缩机采用螺杆式，排气量为7190kg/h，电动机功率650kW；丙烯制冷机组按照2×100%设置。任1台机组维修时，另1台仍然可以正常运行，不影响装置的正常生产。

4.6 典型的压缩机操作模式

压缩机的选型确定后，按照各工况BOG的量，确定压缩机操作模式。当乙烯气化输出时，若乙烯直接进入重叠换热器进行气化，这时需要一台BOG和一台丙烯压缩机同时运行，若乙烯先进入乙烯深冷器和乙烯换热器，充分利用乙烯冷量，则这时只需开一台BOG压缩机，而不需丙烯压缩机工作，两种方案视具体情况而定。表4列出了典型的压缩机操作模式：