HYSYS在低溫乙烯貯運中的應用

牛曉敏

(南京揚子石油化工設計工程有限責任公司，江蘇 南京 210048)

乙烯是石油化學工業最重要的基礎有機原料之一，目前約有75%的石油化工產品由乙烯來生產，主要用于生產聚乙烯，環氧乙烷/乙二醇、二氯乙烷/氯乙烷、苯乙烯、乙醇、醋酸乙烯等多種重要的有機化工原料和聚合物。近年來，我國乙烯工業取得了快速發展，已成為國民經濟的重要產業，并帶動了輕工紡織，精細化工、汽車制造業等的發展。隨著經濟的發展，對乙烯的需求必呈不斷增長的趨勢。因此，建立安全可靠、經濟高效的大規模乙烯儲運系統十分必要。

低溫乙烯常用的貯存方法有加壓法和低溫常壓法。

低溫常壓貯存是目前乙烯常用的貯存方法。本項目采用國內成熟可靠，具有國際先水平的液態烴低溫貯運技術，儲存能力大，占地面積小，安全可靠且自動化程度高。由于溫度低，壓力低，貯存安全，有專門的低溫船進行大容量，大規模長距離運輸在貯運過程中，大氣壓變化，裝卸船/車操作，氣化輸出，管道及貯罐的漏熱等操作均會造成貯罐液態乙烯的蒸發，為了維持罐內壓力在正常操作范圍，必須將汽化的乙烯再液化。BOG壓縮機作為BOG液化工藝的核心設備，在貯運過程中發揮著重要作用，因此，正確計算出BOG的液化量對BOG壓縮機和丙烯壓縮機的選型十分必要。

HYSYS是Aspen Tech公司推出的專門進行氣體工藝計算的軟件，可以進行多種氣體的模擬計算，目前在石油化工、貯運、天然氣加工、氣體處理等行業廣泛應用。本文利用HYSYS軟件對低溫乙烯貯運過程進行模擬，得到不同工況下產生BOG的量，根據模擬結果，進行壓縮機的選型。

1 工藝流程簡述

2×20000m3低溫乙烯儲存裝置基本工況有乙烯裝卸船、乙烯儲存及氣化乙烯回收、乙烯汽化輸出、乙烯汽車裝/卸等，及幾種工況的結合作業。具體流體見圖1。

圖1 低溫乙烯貯存流程圖

2.1 乙烯裝卸船操作

2.1.1 卸船操作

為了避免卸船時物料低溫對管線造成沖擊而導致管線應力過大，在卸船前必須進行管道的預冷。利用裝車泵送出一定量的低溫液相乙烯，通過預冷管線預冷卸船管線并返回貯罐，要求返罐溫度不得高于-80℃。在預冷期間，產生的氣體由乙烯壓縮機壓縮后，與丙烯換熱液化，再回貯罐。當卸船管線預冷合格后，開始卸船操作。利用卸船泵將低溫液相乙烯經過卸船臂經約2500m的輸送管道壓送進入低溫乙烯貯罐。

2.1.2 裝船操作

裝船和卸船用的是同一個管線系統，預冷過程同卸船操作，當管線預冷合格后，開始裝船操作。利用裝置的裝船泵低溫液態乙烯經約2500m外管及裝船臂壓送進入低溫乙烯船。

2.2 乙烯氣化輸出

當下游需要氣體乙烯時，乙烯儲罐中的低溫乙烯經輸送泵吸入管線由乙烯輸送泵加壓，液態乙烯通過乙烯輸送泵加壓至3.5MPa后，通過乙烯重疊換熱器加熱至20℃后經管道輸送至下游用戶。這時，壓縮乙烯氣先在乙烯冷卻器中與循環水換熱，再在乙烯冷凝器中與冷劑丙烯換熱而冷凝。冷凝的乙烯進入集液罐，通過液位控制進入閃蒸罐，分離氣相乙烯和液相乙烯。氣相進入壓縮機二段進一步壓縮，液相通過液位控制回到貯罐。

乙烯進重疊換熱器前亦可先輸送到乙烯換熱器中與來自乙烯壓縮機的乙烯換熱后，再進乙烯重疊換熱器加熱至20℃后送至下游用戶，而這時的壓縮乙烯進入乙烯凝液罐收集后返回大罐，這樣既可合理利用冷能，又降低了蒸汽和甲醇的消耗。

有乙烯氣化輸出的工況下，乙烯通過冷凍機再液化或通過乙烯換熱器再液化，可以通過DCS預先設定。

2.3 乙烯儲存操作及BOG回收

低溫乙烯貯存在低溫罐中，貯罐貯存能力為2×20000m3。

儲罐設計最高正壓為30kPa(G)，最低負壓 -0.5kPa(G)，設計溫度為-104℃～+ 50℃，日蒸發率為0.08%。乙烯儲罐內罐直徑為33m，高度為26.4m，外罐直徑為35m，高度為27.6m。儲罐采用雙金屬單容罐。內罐與外罐之間填充膨脹珍珠巖保溫層。

在貯存期間，為了控制低溫乙烯儲罐的壓力和溫度，需要將蒸發的氣相乙烯進行壓縮液化。氣相乙烯經乙烯壓縮機壓縮后進入乙烯冷卻器冷卻，再經乙烯冷凝器冷凝后進入乙烯凝液接受罐，再通過閃蒸罐閃蒸降溫后，液相乙烯進入低溫乙烯儲罐，氣相乙烯進入乙烯壓縮機二段壓縮。

乙烯冷凝器的冷劑采用丙烯。

2.4 汽車裝卸設施

乙烯裝/卸車操作類似于裝/卸船操作。首先對裝車管線進行預冷，冷卻到一定溫度后開始裝車，乙烯出廠經裝車泵輸送到乙烯裝車站臺，通過乙烯裝車臂裝汽車槽車出廠，為確保泵適當的排氣，泵裝有旁路返回貯罐，乙烯通過乙烯裝車臂裝車，槽車置換氣送回貯罐。槽車裝車系統設有乙烯循環管線，用于維持非裝車作業時裝車總管處于低溫狀態，避免開始裝運時產生過多的BOG氣體進入槽車降低裝車速率。

同時，裝置也可以卸車操作。由乙烯槽車自帶的增壓器或來自乙烯壓縮機第一級的出口氣體，與槽車氣相管連接，將槽車中的乙烯壓入儲罐貯存。

卸車操作對裝置運行的影響遠小于卸船操作，且卸車操作僅在開車及偶發情況時出現，卸車僅做為流程設計的要求，不單獨做物料平衡計算。

2.5 丙烯制冷系統

丙烯在制冷機組密閉回路中壓縮并液化。螺桿壓縮機壓縮來自乙烯冷凝器的氣相丙烯。在丙烯冷凝前，丙烯和油在中分離后，進入換熱器中與冷卻水換熱冷凝，進入丙烯罐。然后一部分丙烯凝液減壓成中壓氣體，與大部分丙烯凝液換熱，使大部分丙烯凝液過冷，丙烯氣體重新注入螺桿壓縮機，過冷丙烯進入乙烯冷凝器壓縮的BOG。

3 貯存物料性質

貯存物料為乙烯，以近海運輸的方式運至罐區貯存，規格如下：

3.1 乙烯規格

乙烯規格見表1。

表1 乙烯規格

2.2 乙烯的相關物性

乙烯的相關物性見表2。

表2 乙烯物性

4 計算工況結果

4.1 計算基礎

(1)本項目乙烯及BOG管道材質選用304L不銹鋼管道。

(2)本項目乙烯管道的保冷材料選用PIR+PUR。

(3)PIR的保溫性能，絕熱管道的表面散熱系數按25W/m2考慮。

(4)卸船前船上壓力(表壓)為0.5MPa.G，卸船能力：170t/h。

(5)儲罐壓力為～115kPa，裝車泵出口壓力0.5MPa，返罐溫度≤-80℃。

(6)氣相乙烯輸出能力：20 t/h；出口壓力為3.5MPa.G；溫度：20℃；壓力：3.0MPa.G(界區處)。

(7)汽車裝車：設3個裝卸車站臺；每個站臺的設計裝車量25t/h。裝車泵的能力可滿足兩個裝車站臺同時裝車的要求。

(8)液相乙烯裝船：設置裝船泵1臺，裝船能力150t/h。

(9)儲罐日蒸發率為0.08%，儲罐內氣體壓力為(≥12kPaG)；

(10)大氣壓變化引起BOG的增加，在此不考慮臺風的情況，因為一旦由于臺風引起大氣壓劇烈變化而導致BOG的急劇增加，這時，BOG直接排放火炬系統進行處理。本項目取大氣壓變化率取為2000Pa/h。

大氣壓變化產生的BOG的計算公式為。

4.2 物性方法

采用Peng-Robinson立方狀態方程。

4.3 模擬結果

本項目投產后，各生產過程會產生大量的BOG，主要包括：儲罐自然蒸發的BOG、卸船時產生的BOG、裝船時產生的BOG、裝車時產生的BOG、裝卸船預冷時產生的BOG、乙烯氣化輸出產生的BOG以及大氣壓變化是產生的BOG等。在實際運行時，可能幾種生成工藝同時進行，如卸船的同時，也進行乙烯裝車，此時計算的BOG將是兩個過程同時運行時的BOG產量。

通過HYSYS軟件建模并對各工況BOG進行模擬，根據模擬結果見表3：

由表3可知，本項目中，BOG產量最大工況和最小工況如下：

本項目采用壓縮冷凝液化工藝來處理儲罐的蒸發氣體，根據儲罐蒸發氣產生量以及物料平衡計算結果，最大BOG產量發生在卸船加槽車裝車工況，BOG產量在壓縮機一段為2780kg/h，二段為3521kg/h，丙烯的制冷量為7188kg/h；最小工況發生在乙烯僅裝船加裝車工況，BOG產量在壓縮機一段為1159kg/h，二段為1490kg/h，丙烯的制冷量為3010kg/h。

表3 各種工況下BOG量和丙烯量

4.4 BOG壓縮機選型

根據工藝設計原則，BOG壓縮機的處理能力是通過裝置最苛刻工況下產生蒸發氣最大量來確定的。本項目選取的極端工況為：卸船及槽車裝車，設置了三臺相同能力的BOG壓縮機用于BOG壓縮，三臺壓縮機規格功能相同，為便于敘述，將其中一臺壓縮機作為基值負荷壓縮機，一臺作為峰值負荷壓縮機，另一臺為備機(備機僅在其它壓縮機故障時，才能投入使用)。BOG壓縮機的最終選型：采用往復式，二級壓縮，一段排氣量為1390kg/h，二段排氣量為1760kg/h，電動機功率160kW。

4.5 丙烯制冷機組選型

依照BOG壓縮機選型的原則和丙烯制冷機組的特點，本項目丙烯壓縮機采用螺桿式，排氣量為7190kg/h，電動機功率650kW；丙烯制冷機組按照2×100%設置。任1臺機組維修時，另1臺仍然可以正常運行，不影響裝置的正常生產。

4.6 典型的壓縮機操作模式

壓縮機的選型確定后，按照各工況BOG的量，確定壓縮機操作模式。當乙烯氣化輸出時，若乙烯直接進入重疊換熱器進行氣化，這時需要一臺BOG和一臺丙烯壓縮機同時運行，若乙烯先進入乙烯深冷器和乙烯換熱器，充分利用乙烯冷量，則這時只需開一臺BOG壓縮機，而不需丙烯壓縮機工作，兩種方案視具體情況而定。表4列出了典型的壓縮機操作模式：

表4 典型的壓縮機操作模式

5 小結

(1)通過對低溫乙烯貯運過程的模擬，得出在不同工況下產生的BOG值，并結合工藝設計原則，確定壓縮機型式。同時，也可以根據各個節點的參數值，對其他設備進行設計和選型，如閃蒸罐，乙烯換熱器，乙烯冷凝器等設計。

(2)化工過程軟件的應用不僅大大減少了工程設計過程中的計算工作量，而且能精確掌握系統中各個控制參數，充分驗證工程設計的合理性。