环氧乙烷装车计量方式与差量分析

张宏庆，齐宏伟，王代鹏，林艳涛

(中国石油吉林石化分公司 乙二醇厂,吉林 吉林 132021)

环氧乙烷是乙烯衍生物中重要的化工基础原料,化学式为C2H4O,是一种有毒的致癌物质,易燃易爆,常温常压下为无色易燃气体,低温时是无色易流动液体,沸点为10.45 ℃.因环氧乙烷易燃易爆,不宜长途运输,因此有强烈的区域限制，其作为仅次于乙烯的化工中间体，被广泛地应用于洗涤、制药、印染等行业[1].环氧乙烷历年来在价格动荡的化工市场中始终处于较高的盈利状态,与价格密切联系的就是其计量数据,直接影响供需双方的经济利益，所以环氧乙烷在储运、交接计量上一向比较敏感[2].

1 环氧乙烷装车和计量方式

1.1 环氧乙烷装车方式

影响环氧乙烷计量数据的主要原因是装车工艺和计量方式.因介质易气化并考虑安全规范要求，物料装车一般采用上装上卸方式,物料管在罐内设置为插底形式.装卸过程接液相管向罐车输入环氧乙烷物料；接气相管线,排除过高压力的环氧乙烷等混合气体(混合气体主要为氮气)[3].环氧乙烷罐车装车采用泵加压法,过程如图1所示.

图1 环氧乙烷充装流程图

装车前,要求罐车压力不低于200 kPa.储罐中的环氧乙烷由管路输送到泵入口,经泵加压后输入环氧乙烷罐车中.随着罐内液相增多气相空间逐渐减小，超过压力设定值后，罐车内气相组分通过气相管排放至回收系统.环氧乙烷装车过程中，超压阶段将有部分气相进入排放气洗涤塔[4].

1.2 环氧乙烷装车计量方式

环氧乙烷装车计量一般有两种方式：

(1)质量流量计计量

环氧乙烷罐车的装车量为装车后与装车前质量流量计的差量，即为液相管线输入罐车的量.流量计计量精度为不低于0.2%.

(2)汽车衡称重计量

环氧乙烷罐车装车量为装车后与装车前汽车衡的差量.汽车衡精度等级为Ⅲ类，精度为0.1%.

目前的装车方式和计量方式,空车罐车和重车罐车内始终存有氮气和环氧乙烷的混合气体.若以汽车衡计量,对客户有利,空车中的氮气被环氧乙烷置换,相当多的利益；若以质量流量计计量,则纯粹属于液相管道装车量,气相返回的混合气无法重复利用,当作废气进行工业处理.因此两种不同的计量方式比对会产生计量偏差,正常情况下流量计的计量数据大于汽车衡计量数据,且此偏差无法消除,只能尽量控制偏差大小,减少计量纠纷.

2 两种装车计量方式偏差分析

2.1 环氧乙烷罐车装车流程要求

为防止环氧乙烷气化、尽量减少装车损耗，同时优化装车时间，确保安全规范装车，环氧乙烷装车过程中严格控制相关工艺参数.装车前要求罐体内压力不低于0.2 MPa，罐区装车泵出口压力控制在0.9 MPa，装车气相压力控制在0.45 MPa以下，超压后开始排放，装车后温度一般控制在低于0 ℃[5].

为确保质量流量计的计量准确，装车结束后用氮气将流量计管线后的全部环氧乙烷吹扫至罐车内，以确保所有经过流量计计量的环氧乙烷都装进客户的罐车中[6].

2.2 罐车装车计量的理论计算

2.2.1 计量参数分析

(1)质量流量计的数值M质

M质=装入环氧乙烷质量+装车排放环氧乙烷质量.

(2)汽车衡的数值M衡

M衡=装车后汽车衡数值-装车前汽车衡数值,

装车后汽车衡数值=装车前空车重量(包含EO残余量)+装入环氧乙烷质量+气相空间氮气质量.

装车前汽车衡数值=装车前空车重量(包含EO残余量)+原车氮气质量.

因此：M衡=装入环氧乙烷质量+气相空间氮气质量-原车氮气质量.

(3)计量差值

M质-M衡=原车氮气质量-气相空间氮气质量+装车排放环氧乙烷质量.

2.2.2 理论计算过程

氮气按理想气体方程计算罐车内气相质量.依据克拉伯龙方程式PV=nRT得：

(1)

式中：p为压强(kPa),V为气体体积(m3),m为气体的质量(kg),M为气体的摩尔质量(g/mol),R为气体常数,R=8.314 Pa·M3/mol·K，T为罐车罐体内温度(℃).

环氧乙烷罐车装车前一般存在一定的液态,根据道尔顿分压定律,罐车内压力=环氧乙烷在装车前温度下的环氧乙烷蒸汽分压+氮气分压,故:

p氮=p总-pEO，

(2)

式中,p氮为罐车中氮气分压(kPa),pEO为罐车中环氧乙烷分压 (kPa).

环氧乙烷在初始装车温度10 ℃下饱和蒸气压为66.3 kPa,在装车后温度0 ℃下饱和蒸汽压为100.4 kPa.

氮气质量与罐车容积有关，以常见装车情况，罐车体积36.7 m3,装车前罐体氮气充压200 kPa，绝压300 kPa，温度10 ℃时工艺条件计算，质量为：

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

(3)

环氧乙烷装车27 t，罐内物料保持在0 ℃，体积VEO=m/ρ=27/0.87=31.0 m3,则罐车容积减少31.0 m3.

按装车控制压力0.45 MPa，绝压550 kPa，则气相空间中氮气在0 ℃下的质量为：

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

(4)

M质-M衡=M原-M气=102.1-31.6=70.5 kg.

(5)

同理，可计算不同罐车容积下，罐车中氮气质量、气相质量如表1所示.

表1 不同罐车容积下质量流量计与汽车衡数据差量

由表1可以看出，装车后气相空间越大，两种计量方式差量越小.

在200 kPa初始装车压力，450 kPa设定装车压力下，36.7 m3罐车中装27 t环氧乙烷，由于氮气在温度不同情况下密度不同，对罐车内初始氮气质量会有影响.以装车后罐内温度为0 ℃计算.不同温度下质量流量计与汽车衡数据差量，见表2.

表2 不同初始装车温度下质量流量计与汽车衡数据差量

由表2可以看出，随着初始装车温度的上升，质量流量计与汽车衡数据差值在减小，因为随着温度的升高，氮气密度降低，随之空车内留存氮气质量下降.

在200 kPa初始装车压力，恒定初始装车温度10 ℃，装车后罐内温度为0 ℃，改变装车泄压控制压力情况下，质量流量计与汽车衡数据差量，见表3.

由表3可以看出，随着设定泄压压力的上升，质量流量计与汽车衡数据差值在逐渐减小.因为随着设定压力的升高，留存在罐车内的氮气密度提升，随之罐车内留存氮气质量提高.

表3 不同装车泄压指标下质量流量计与汽车衡数据差量

综上，罐车容积、装车初始和装车后的温度、压力均对质量流量计与汽车衡数据差量的大小存在影响.装车前后的氮气质量差实际是装车后以相同质量的氮气置换为环氧乙烷产品，对销售企业来说存在计量损失.故在质量流量计与汽车衡数据比前，应该对汽车衡数据进行修正，以使汽车衡数据准确体现实际环氧乙烷装车量.

修正公式为：

M差量=p0V0M/R(273+T0)-p1V1M/R(273+T1),

(6)

式中:p0为初始装车压力，V0为罐车容积，T0为罐车装车前温度，p1为泄压压力，V1为罐车容积-装入环氧乙烷容积，T1为罐车装车后温度.同时要考虑装车前后不同温度下氮气在罐车内的气相分压.

为了便于操作人员计算，可将常见的工况参数计算出来制作出工况对照表，或制作Excel快捷计算表，供操作工参照使用.将修正后的汽车衡数据与质量流量计进行对比.

2.3 实际装车数据修正分析

通过表4可以看出，参照某企业实际装车计量数据，以汽车衡为计算依据，对比质量流量计数据，存在平均15 kg环氧乙烷/车的差量，虽差率绝对值-0.05%较低，满足计量偏差管控要求，但是基本为负偏差，企业环氧乙烷计量受损.如按理论计算，因罐内氮气排放，相同质量替换为环氧乙烷，损失环氧乙烷质量平均为46 kg/车，修正后偏差为0.12%.

表4 实际装车差量与修正

3 结 论

由以上分析可以看出，环氧乙烷装车采用汽车衡计量为结算依据，存在原车部分保压氮气置换为环氧乙烷产品的产品计量损失，不利于销售企业利益.如采用质量流量计计量，则存在装车过程中超压需排放，必然排出质量流量计已经计量的环氧乙烷，不利于客户利益.从装车量复验可行性、减少纠纷角度，最佳方案是采用汽车衡计量为结算依据，且控制计量偏差在双方都能接受的最佳范围之内.

控制计量偏差的措施：

(1)尽量采用较高的泄压压力，以减少装车过程中的外排环氧乙烷损失量.此项要综合考虑罐车承压能力确保安全装车；考虑装车泵进料压力能力，确保在规定的装车时间内顺利完成装车.

(2)尽量降低罐体内环氧乙烷温度，减少环氧乙烷气相分压，有利于减小超压外排的环氧乙烷损失量.此项要综合考虑冰机能力，制冷运营成本[7].实际装车过程中环氧乙烷0 ℃时气相分压为66.3 kPa，仅占550 kPa气相排放体积组成的12%，且氮气大部分集中于气相上部，更有利于排出，实际排出组成环氧乙烷占比低于气相分压比例.

(3)环氧乙烷装车检斤前控制尽量低的压力，且尽量减少氮气组分.环氧乙烷装车前一般在罐车内存留有少部分液态环氧乙烷.理想情况如环氧乙烷罐车充装前压力控制在常压，罐内10 ℃(环氧乙烷饱和蒸汽压100.4 kPa接近常压)且无氮气存在，均为环氧乙烷，则环氧乙烷装车汽车衡计量将比质量流量计计量具有更高准确性.

(4)如采用汽车衡计量结算，需对装车后汽车衡数值依据实际装车前后的温度、压力、容积进行适当修正，以缩小氮气置换损失，促进公平贸易.