立式常壓儲罐的設計分析

王觀東

（中石化巴陵石化公司，湖南岳陽 414014）

0 引言

立式常壓儲罐是指建造于地面，設計壓力小于0.1 MPa，用于儲存非有毒性石油、非人工制冷等液體的鋼制焊接儲罐，在煉油行業中被廣泛使用。立式常壓儲罐一般由固定頂罐、內浮、外浮頂罐、儲罐高度、溢流保護和伴熱盤管等組成，這些結構也是設計時需要重點考慮的問題，其設計的合理度將直接影響到儲罐能否安全、正常、經濟地儲油。下面將對立式常壓儲罐（以下簡稱“儲罐”）的各個設計方面進行計算和探討。

1 高度計算

正常情況下，儲罐的容積可為三部分，分別是：①可用的有效容積；②底部用于滿足泵凈正吸入壓頭或保護浮盤等需要保留在罐底的最小操作容積；③罐頂用于液體膨脹或保護浮盤所需容積。設計儲罐時，需要先對其高度進行計算。

H1為儲罐頂部與儲罐壁角鋼下沿與最高液位之間的距離。固定頂罐規定為泡沫生產器下端至儲罐壁頂端的距離。

H2是最高液位與高液位之間的距離，固定頂罐和浮頂罐一般都規定為10～15 min、儲罐最大進液量折算高度與泡沫混合液厚度、液體膨脹高度的安全裕量之和，取0.3 m。采用PC-4 型、PC-8 型、PC-16 型泡沫生產器時，H1分別為0.213 m、0.240 m 和0.303 m，對于外浮頂罐，H1與H2之和為罐壁頂以下1.5 m 左右，而鋼浮盤的內浮頂罐，H1與H2之和為罐壁頂以下1.0 m 左右。泡沫產生器下緣到罐壁頂端的高度，在沒有泡沫產生器時H1是0，而浮頂罐的H1為罐壁頂端與設計的浮頂底面最高位置之間的距離。

H3是高液位與低液位之間的距離，其值為儲罐總的有效停留時間乘以儲罐最大進液量再除以儲罐截面積。

H4低液位與最低液位之間的距離，由固定頂罐和浮頂罐在3 min 內最大的泵出量折算出。

H5最低液位與罐底的高度。

儲罐的高度為H1、H2、H3、H4、H5之和。

2 溢流保護措施

如果儲罐的進料量比出料量大，那么儲罐內的液體就會不斷上升，一直到罐頂，致使儲罐由于滿罐壓力增大而發生脹裂事故。為了避免這種情況，建議采用自動防溢措施：當液位儀表檢測儀檢測出儲罐內液體到達最高處時，就會按照事先設定好的邏輯運算及時地將進料閥門關閉，避免液位繼續上升而出現脹裂情況（圖1）。這種溢流保護措施的投入成本較高。

如果儲存的液體無毒、無害，也可以通過溢流管的方式來進行保護：圖2a 的處理實施最為簡單，只設置了一個溢流口，溢流口設置在儲罐比較高的位置，通常還要高于最高位HHLL，當管內液體到達溢流口時就會自動溢出，不會繼續上升；圖2b 是從溢流口中向罐外延伸一段管線，將溢出的液體導向底部的安全位置，防止從溢流口流出的液體飛濺傷人；圖2c 是在圖2b 的基礎上增加了一條向罐內的管線，其作用是如果罐內有毒氣體或者可燃氣體時，這些氣體不能通過溢流口到達大氣中。該管線一般在罐內最低位之下，但是也不能太過于接近罐底，防止罐內雜質堵塞溢流口。當儲罐內液體不斷上升直至溢流管滿流時，液位便不再繼續上升，罐內液體持續從溢流管流出，液位開始下降，但不會下降到圖2c 的溢流口A 處就停止，而是會一直下降，直至外溢流管的最低處B 才會停止，這就是虹吸現象。虹吸現象發生時會出現物料損失、環境污染和人員傷害。為了避免該情況的發生，應該在倒U 形管的最高處設置破虹吸管，來消除倒U 形管內的真空。破虹吸管一般設置在倒U 形管的最高處，與大氣進行連通。當儲罐液未流至倒U 形管的最高處時，儲罐內的氣體就會進入倒U 形管內，讓倒U 形管內的負壓變為常壓，從而杜絕虹吸現象的產生。

圖1 自動防溢措施

2.1 溢流管徑的計算

通過溢流管流出的液體大于或是小于儲罐最大儲液量，其管徑可以采用式（1）來計算。

圖2 溢流管的保護方式

其中，Q 是溢流管流出的液體體積；Cd為流量常數，當雷諾數大于10 000 時，Cd可以為常數，其值約為0.6；h 為溢流時儲罐內液位與溢流管嘴中心線的高度差，如果沒有數據，溢流時儲罐內液位可以取罐壁的頂部；A 為溢流管的流通面積，A=0.785D2；g 為重力加速度，D 為溢流管徑，L 為溢流管長度，f 為摩擦系數。

2.2 破虹吸管管徑的計算

破虹吸管的管段一般是直的，其最高點一般比溢流口的位置高約5 m，管徑一般為DN25 mm～DN80 mm。通常U 形溢流管徑和長度與虹吸管的長度成正比。假設某煉油廠酸性水汽提裝置的出水口采用圖2c、用倒U 形管作為液封，設置的破虹吸管采用DN25 mm，破虹吸管頂部跟塔底的氣相空間相連通，當塔液面高于倒U 形管的頂端時，酸性水就會從塔內流出，塔底的液面繼續呈現下降趨勢。這主要是因為破虹吸管的管徑設置太小，不能快速將倒Y 形管內的真空破除。但是當破虹吸管的直徑由DN25 mm 改為DN50 mm 時，該現象便不會出現。破虹吸管內的氣相介質在管內按照絕熱流動來考慮，其質量流動可以通過式（2）計算：

其中，G 是氣相介質在破虹吸管內的質量流動，K 為氣相介質絕熱指數，P1、P2分別為氣相介質進入破虹吸管和出破虹吸管時的壓力，v1為氣相介質在破虹吸管入口處的比體積，d 為破虹吸管的管徑，l 為破虹吸管的長度，f 為摩擦系數。氣相介質從破虹吸管進入溢流管，讓溢流管內的壓力從真空轉變為常壓，建議過程不超過5 s，否則就應該加大破虹吸管的直徑。

3 儲罐伴熱

3.1 伴熱型式和伴熱介質

儲罐的伴熱形式主要兩種，分別為外盤管和內盤管，內伴熱盤管具有傳熱效率高的特點，結構比較簡單，能夠適應容器的形狀，在儲罐內部介質黏度較大且沒有腐蝕性時，應該優先使用內盤管。不過當儲罐內的介質呈酸性、堿性或者腐蝕性較大時，應該采用外盤管。

根據儲罐不同的加熱源，儲罐的加熱介質有蒸汽、熱水、導熱油和電：采用熱水或者導熱油進行伴熱時，應設置相對應的加熱循環系統；采用電伴熱時，有耗電量較大、出現故障不易被發覺的缺點；蒸汽伴熱有使用方便、冷凝潛熱大、溫度便于調節的優點，所以使用范圍非常廣泛。

3.2 儲罐內的散熱損失

儲罐內的散熱損失可以分為罐壁、灌頂和罐底的損失之和，可根據式（3）進行計算：

其中，Q 為儲罐的總散熱，K1為儲罐的散熱總傳熱系數，A1為罐壁、罐頂與罐底外表面積之和，t1為儲罐內介質溫度，ta為周圍環境的溫度。

K 的計算方式比較繁瑣，而且很多數據不容易獲取，所以：在設計初始階段估算時，K 可以取1.74 W/（m2·℃）；計算灌頂散熱損失時，無保溫層時K 取0.3～0.7 W/（m2·℃），有保溫層時K 取0.35 W/（m2·℃）；計算灌底的散熱損失時，K 為0.23～0.47 W/（m2·℃）。

3.3 伴熱管面積

其中，K2為伴熱管內加熱介質向儲罐內介質散熱的總傳熱系數，t2為伴熱管內介質加熱溫度。

K2的計算過程很繁瑣，表1 提供了不同條件下K2的經驗數據。

表1 不同條件下K2 的經驗數據

3.4 伴熱盤管設計

伴熱盤管不能太長，否則會導致管內的伴熱介壓降增加和出口側溫度大幅下降，從而增加伴熱管傳熱面積。采用蒸汽伴熱介質時，還可能導致不凝性氣體難以排出，影響冷凝效果。因此，當傳熱面積過大、伴熱盤管太長時，應該將多組盤管進行并聯，管內的最大蒸汽流速不能超過25 m/s；采用液體伴熱介質時，管內流速應不超過0.8 m/s，如果管內伴熱介質流速太快，可以將伴熱盤管設計為雙管程或者四管程（圖3）。

伴熱盤管不僅僅局限于罐底，而是可以進行分層安裝，使盤管內介質散熱更好。伴熱盤管直徑不宜過大，否則加工會出現困難。一般常用的管徑為DN25～DN65 mm。

圖3 管程的設置

4 結束語

（1）在一些特殊的情況下，根據工藝要求可以增加一些儲罐高度，如酸性水汽提裝置，原料水罐除了儲存酸性水原料之外，還有除油的作用，裝置運行時約有40～80 cm 的油層附在原料水之上，所以在計算高度時應該包含這一部分。

（2）如果直徑太小，破虹吸管就起不到破除虹吸的作用，建議破虹吸管進溢流管的氣相介質在5 s 之內就將溢流管內的壓力變至常壓，否則就要加大破虹吸管的直徑。

（3）伴熱管不僅可以安裝在罐底，也可以分層安裝，從而使盤管內的伴熱介質散熱更加均勻、效率更高。當伴熱盤管太長、流速過高時，應將多組盤管進行并聯，以解決壓力過大的問題。