低温储罐置换新工艺的探索与实践

谭志远

连云港荣泰化工仓储有限公司 江苏连云港 222000

低温储罐因储存的介质是低温物料而有着特殊的结构，其置换方法与普通常压罐有很大差异。传统的低温罐置换方法是以潜液泵抽到最低液位后，通过储罐自然吸热和压缩机BOG 对罐底液相物料加热气化、清空，再以氮气置换掉气相物料，最终使用新的物料完成实气置换和预冷。但这一方法置换周期长、能耗和物耗高。因此在特定条件下，探索新的置换工艺成为化学品储运厂的迫切需求，也是顺应节能减排、碳达峰的时代要求。

1 低温丙丁烷储罐置换方法的选择

根据下游工厂的生产需要，某化学品储运厂的8 万m3低温丙丁烷通用储罐需由储存丁烷切换为存储丙烷。通过潜液泵抽到最低液位（经过测试为202mm），罐底料剩余680t 丁烷。若采用传统的置换方法，通过储罐自然吸热和压缩机BOG 对罐底液相物料加热气化，每小时可倒出2.2t，计耗时13d、耗电13 万kWh。再使用氮气对罐内气相丁烷置换耗时14d，消耗氮气超过50 万m3、丁烷约200t、蒸汽100t。最后使用丙烷进行实气置换和预冷，需耗时7d，消耗丙烷约200t、电耗7 万kWh、蒸汽100t。置换全过程总计耗时34d，电耗20 万kWh，消耗氮气50 万m3，丙烷、丁烷、蒸汽各消耗200t。过长的置换周期和大量的能耗、物耗，给储运厂造成较大的负担，因此探索新的置换工艺很有必要。

无论采用何种置换工艺，都需达到下游工厂对原料纯度的指标要求。鉴于下游工厂使用的丙烷对丁烷含量要求＜4%，罐底液相物料的气化清空、氮气置换、实气置换等过程由其他方法替代是可行的。例如使用丙烷与丁烷罐底料进行掺混，通过潜液泵打循环进行混合，再打出混合物，从而减少罐内丁烷含量。根据化验分析结果重复此过程，直至丁烷含量达标，同时完成储罐的预冷目标。

2 低温丙丁烷储罐掺混置换工艺

2.1 潜液泵出料到极限液位

利用潜液泵打出的丁烷物料越多，储罐的置换效率越高，但潜液泵的安装结构和高度决定了必有一定量的罐底料无法泵送出。根据泵出厂资料，潜液泵的最低安全运行液位是NPSHr+Pump down 液位+ 罐底距离=320+164+50=534mm。即在534mm 以下液位，泵运行存在损伤风险。为了将丁烷物料抽到更低液位时，可让泵继续运行。但须对泵进行特护，即泵在低液位下运行过程中，特护人员一旦发现泵电流、出口流量异常波动或听到泵井传来异响（带气、干磨），要立即停泵以防损坏。出于对储罐计量精度控制的需要，液位计零点以下还有180mm。因此，泵运行特护的低液位参考值取354mm。经过实际测试，丁烷预冷泵运行的极限低液位为202mm。

2.2 掺混置换

2.2.1 掺混置换的流程

储运厂建有两条低温丙烷、丁烷通用卸船线，一条预冷线。预冷线可以对两条卸船线进行预冷。本次掺混置换流程是通过低温丙烷罐的预冷泵打出丙烷，进低温丁烷卸船线将管线内丁烷推入低温丁烷储罐，并出货到泵的极限运行液位，再继续进丙烷掺混对储罐降温；当丙烷掺混达到预定量，且已掺混均匀时（通过取样分析判断），打出混合物到泵的极限运行液位，完成一次掺混置换作业。

2.2.2 掺混置换的时机

低温丁烷储罐系统的丁烷除了罐内液相物料，还包括罐内丁烷气相和卸船线内丁烷液相，共计约500t。这500t 丁烷对置换合格指标同样产生很大影响。因此，将此部分丁烷融入罐内液相丁烷物料中，利用潜液泵出货到极限运行液位，将更有利于达成置换目标。

其中卸船线内的液相丁烷，可以利用预冷线丙烷将其推入低温丁烷罐；低温丙烷遇到的丁烷后吸热膨胀升压，持续推动丁烷进罐；罐内丁烷气相可以借助BOG 再液化系统液化后回收到储罐内；在丙烷进罐气化降温的作用下，回罐的丁烷BOG 凝液减少了蒸发量，在一定的时间内，罐内丁烷气相将逐渐减少，丙烷气相增加。

为了将丁烷罐内气相丁烷和卸船线液相丁烷融入罐内液相物料，作为高纯丁烷（不被丙烷污染）输出，需要选择合适的丙烷掺混时机。即做到丁烷出到极限停泵液位时，卸船线内的丁烷和罐内气相丁烷也已回收并输出（约200t 丁烷气相按液化回收150t 计算）。根据预冷泵出货效率60t/ h（2 个鹤位同时装车）和丙烷预冷流量12.5t/ h，以及丙烷自填充丁烷卸船线开始到进罐时间24h，得出丁烷出货到极限停泵液位前36h （此时罐内丁烷液位1200mm 左右），即可对丁烷卸船线填充丙烷推动丁烷回罐。其中管线填充24h，再进12h，共计150t（罐内饱和气相丙烷的质量）丙烷喷洒气化冷却储罐，同时气相丁烷被液化回收，可以最大化减少丁烷的罐内存量。丙烷进罐初期基本为吸热气化，通过取样分析表明，丙烷、丁烷分层明显，因此能保证装出的丁烷纯度指标合格。

当低温丁烷卸船线回罐温度降至- 12.78℃时，BOG压缩机吸入温度为- 10.5℃，运行模式由丁烷模式切换至丙烷模式。从丁烷卸船线预冷开始到压缩机运行模式切换，时间间隔为33h，掺混丙烷约424t（卸船线290t，进罐134t）。第二批次低温丙烷掺混到1200mm 时，储罐温度降到- 38℃，气相组分中丁烷仅占2.29%（约4.7t）。

3 掺混置换的风险评估及关键控制

3.1 储罐温度

掺混过程中，储罐壁板、底板温度降幅过大或不同点降温不均，会造成板材应力变形甚至拉裂。因此，须控制内罐壁板（底板）任意一点温度降速＜5℃/ h、内罐壁板（底板）任意两点温差不大于15℃。否则，要暂时关闭丁烷卸船线控制阀PCV- 74301，停止进料，待罐壁板（底板）温度开始回升后再继续进料。

得益于储罐开工喷淋环管的设计，其安装于内罐顶中心位置，不仅可以在储罐气相空间内均匀喷洒丙烷，而且更易雾化，避免储罐内部冷却不均。为利用喷淋环管，本次从丁烷卸船线罐顶甩头阀使用金属软管连接了喷淋环管，同时关闭卸船线进罐根部阀。从本次储罐温度变化趋势看，储罐的冷却速度平稳均匀。

3.2 储罐压力

向存有680t 液相丁烷的储罐掺混低温丙烷，常压下丙烷的饱和温度远低于丁烷的饱和温度。因此丙烷进丁烷罐后，在罐内气相空间迅速气化或遇到“热的”丁烷迅速气化，导致储罐压力上升甚至超压排放。那么是否会出现“翻滚”现象呢？“翻滚”是指低温储罐收料过程中大量的气体被裹挟在液相物料中进入储罐，导致储罐超压的现象，严重的会超过储罐安全泄压装置的释放量，导致储罐拱顶被掀开，发生重大事故。但这种情况多是由于收料线设计了太多的立式膨胀弯，导致管线预冷过程气相不易回罐，在卸船时被物料推回储罐时发生的。而丁烷罐掺混丙烷是通过预冷流程进行的（丁烷卸船线多采用水平膨胀弯补偿），全开阀门的流量不超过12.5t/ h，这些丙烷进罐后即便全部气化。此时根据储罐设计条件，通过安全阀可以泄放10.5t/ h，泄压调节阀泄放3.9t/ h，加上BOG再液化系统的能力（丁烷凝液回收7t/ h，丙烷凝液回收3.8t/ h），可保证储罐不会出现超压破坏事故。本次掺混过程中，罐压受控，未出现超压排放情况。

储罐掺混初期，气相空间内含较多丁烷，因此前期压缩机选择丁烷模式运行。若选择丙烷模式，压缩机背压即凝液罐压力控制过高(＞1.4MPa），则丁烷会凝结损伤压缩机（70℃的丁烷饱和蒸汽压1.07MPa）。随着丙烷气化增多，因丁烷模式下的压缩机排压较低（高报值为0.55MPa），丙烷无法水冷液化（丙烷38℃的饱和蒸汽是1.2MPa），相当于被压缩机抽出来再回到储罐打循环。此时储罐压力将快速上升，因此压缩机运行应该切换为丙烷模式。本次压缩机切换运行模式是在压缩机吸入口温度降到- 10.5℃，罐压快速上升到13.8kPa 时进行的。此时应该取样分析储罐气相组分，用于分析判断。因取样分析耗时较长，需提前确定时机，如BOG 组分中丙烷占比超过70%，则具备了切换条件。

丙丁烷压缩机在不同运行模式下，压缩机的活塞冲程没有区别，即压缩比是相同的。唯一区别是丙烷模式下设定的各级排压、排温、级间压差等控制指标高于丁烷模式，可以获得更高的背压液化特定的BOG。

3.3 物料纯度指标

下游工厂对丙烷中丁烷含量要求＜4%，通过潜液泵打到极限液位，再掺混定量的丙烷；打出混合物后，在理想条件下（掺混均匀）计算，接卸入22000t 丙烷（纯度99.4%）能够达到下游工厂的用料指标要求。但低温丁烷罐的直径约60m，而潜液泵打循环从罐内抽出再从罐顶回流到罐内都是在同一角，难免混合不均。且潜液泵口环以下还有16cm，口环以下的丁烷不易被抽取。加上丙烷、丁烷分层明显（根据掺混丙烷结束启泵打循环初期的分析结果），故推测取样分析的结果并不能保证代表罐内物料的真实组分。因此，需要在22000t 丙烷卸入后，开两台潜液泵打循环掺混，再倒出后检测确认置换效果。

4 掺混置换过程中存在的问题

4.1 BOG再液化系统准备不足

丁烷罐内物料温度接近常温，掺混低温丙烷势必迅速气化升压。但只有一台BOG 压缩机可直接启用，若罐压升高过快，只能暂停掺混，如此又会造成丁烷罐内温度回升，导致储罐冷却进程出现反复，增加丙烷用量。后来采用临时软管连接了丙烷BOG 压缩机后凝液罐到丁烷凝液返罐线，罐压才得以控制，但临时软管并不符合安全标准。若提前将冷冻机出口BOG 凝液去丁烷罐的盲板倒通，则可实现2 台BOG 压缩机和1 台冷冻机都用于丁烷罐的压控，充分利用BOG 再液化系统的能力。

4.2 取样分析不足

本次掺混过程，仅对罐内液相物料采样分析，忽略了对不同阶段储罐气相样的分析，没有留下数据可供分析总结。

5 掺混置换过程中的特别现象

低温罐中原始存储为丁烷，所以低温罐保冷夹层中的珠光砂间隙充满了丁烷气。当储罐切换存储为低温丙烷时，因常压下低温丙烷的温度远低于低温丁烷的存储温度，故珠光砂间隙中的丁烷将液化并沉积在低温罐保冷夹层底部，且温度低于- 10℃。此时液相丁烷变成冷桥将冷量传导到外罐，在外罐底部壁板上结冰。本次储罐切换存储介质后，外罐壁底部结冰30cm 高。

丁烷液相形成的冷桥在一定程度上会增加制冷系统的能耗，但此“冷桥效应”会随着外界环境温度变化而变化。在夏季环境温度升高时，大部分丁烷气化，冷桥被隔断，外壁冰层逐渐融化消失；反之随着环境温度降低，冰层高度会再升高。消除此“冷桥效应”的办法是将储罐介质彻底置换，包括夹层内的物料也使用氮气置换清除，如此可避免外罐壁底部结冰现象，但彻底置换不满足生产实际需要。此外，还可以考虑在夹层底板或外罐壁板底部预留引流管，将残液引出来消除“冷桥”，但是引流管增加了泄漏的风险，不符合全容罐的设计条件。

6 结语

综上所述，对于低温丙丁烷储罐存储介质的切换，通过掺混置换的方法可以大幅缩短工期，降低能耗、物耗，给企业带来可观的经济效益和环保效益。即便因掺混产生的混合物拉低了售价，但更短的置换周期提高了储罐周转量所带来的效益远多于混合物造成的损失，因此掺混置换工艺是科学可行的。