環氧乙烷裝車計量方式與差量分析

張宏慶，齊宏偉，王代鵬，林艷濤

(中國石油吉林石化分公司 乙二醇廠,吉林 吉林 132021)

環氧乙烷是乙烯衍生物中重要的化工基礎原料,化學式為C2H4O,是一種有毒的致癌物質,易燃易爆,常溫常壓下為無色易燃氣體,低溫時是無色易流動液體,沸點為10.45 ℃.因環氧乙烷易燃易爆,不宜長途運輸,因此有強烈的區域限制，其作為僅次于乙烯的化工中間體，被廣泛地應用于洗滌、制藥、印染等行業[1].環氧乙烷歷年來在價格動蕩的化工市場中始終處于較高的盈利狀態,與價格密切聯系的就是其計量數據,直接影響供需雙方的經濟利益，所以環氧乙烷在儲運、交接計量上一向比較敏感[2].

1 環氧乙烷裝車和計量方式

1.1 環氧乙烷裝車方式

影響環氧乙烷計量數據的主要原因是裝車工藝和計量方式.因介質易氣化并考慮安全規范要求，物料裝車一般采用上裝上卸方式,物料管在罐內設置為插底形式.裝卸過程接液相管向罐車輸入環氧乙烷物料；接氣相管線,排除過高壓力的環氧乙烷等混合氣體(混合氣體主要為氮氣)[3].環氧乙烷罐車裝車采用泵加壓法,過程如圖1所示.

圖1 環氧乙烷充裝流程圖

裝車前,要求罐車壓力不低于200 kPa.儲罐中的環氧乙烷由管路輸送到泵入口,經泵加壓后輸入環氧乙烷罐車中.隨著罐內液相增多氣相空間逐漸減小，超過壓力設定值后，罐車內氣相組分通過氣相管排放至回收系統.環氧乙烷裝車過程中，超壓階段將有部分氣相進入排放氣洗滌塔[4].

1.2 環氧乙烷裝車計量方式

環氧乙烷裝車計量一般有兩種方式：

(1)質量流量計計量

環氧乙烷罐車的裝車量為裝車后與裝車前質量流量計的差量，即為液相管線輸入罐車的量.流量計計量精度為不低于0.2%.

(2)汽車衡稱重計量

環氧乙烷罐車裝車量為裝車后與裝車前汽車衡的差量.汽車衡精度等級為Ⅲ類，精度為0.1%.

目前的裝車方式和計量方式,空車罐車和重車罐車內始終存有氮氣和環氧乙烷的混合氣體.若以汽車衡計量,對客戶有利,空車中的氮氣被環氧乙烷置換,相當多的利益；若以質量流量計計量,則純粹屬于液相管道裝車量,氣相返回的混合氣無法重復利用,當作廢氣進行工業處理.因此兩種不同的計量方式比對會產生計量偏差,正常情況下流量計的計量數據大于汽車衡計量數據,且此偏差無法消除,只能盡量控制偏差大小,減少計量糾紛.

2 兩種裝車計量方式偏差分析

2.1 環氧乙烷罐車裝車流程要求

為防止環氧乙烷氣化、盡量減少裝車損耗，同時優化裝車時間，確保安全規范裝車，環氧乙烷裝車過程中嚴格控制相關工藝參數.裝車前要求罐體內壓力不低于0.2 MPa，罐區裝車泵出口壓力控制在0.9 MPa，裝車氣相壓力控制在0.45 MPa以下，超壓后開始排放，裝車后溫度一般控制在低于0 ℃[5].

為確保質量流量計的計量準確，裝車結束后用氮氣將流量計管線后的全部環氧乙烷吹掃至罐車內，以確保所有經過流量計計量的環氧乙烷都裝進客戶的罐車中[6].

2.2 罐車裝車計量的理論計算

2.2.1 計量參數分析

(1)質量流量計的數值M質

M質=裝入環氧乙烷質量+裝車排放環氧乙烷質量.

(2)汽車衡的數值M衡

M衡=裝車后汽車衡數值-裝車前汽車衡數值,

裝車后汽車衡數值=裝車前空車重量(包含EO殘余量)+裝入環氧乙烷質量+氣相空間氮氣質量.

裝車前汽車衡數值=裝車前空車重量(包含EO殘余量)+原車氮氣質量.

因此：M衡=裝入環氧乙烷質量+氣相空間氮氣質量-原車氮氣質量.

(3)計量差值

M質-M衡=原車氮氣質量-氣相空間氮氣質量+裝車排放環氧乙烷質量.

2.2.2 理論計算過程

氮氣按理想氣體方程計算罐車內氣相質量.依據克拉伯龍方程式PV=nRT得：

(1)

式中：p為壓強(kPa),V為氣體體積(m3),m為氣體的質量(kg),M為氣體的摩爾質量(g/mol),R為氣體常數,R=8.314 Pa·M3/mol·K，T為罐車罐體內溫度(℃).

環氧乙烷罐車裝車前一般存在一定的液態,根據道爾頓分壓定律,罐車內壓力=環氧乙烷在裝車前溫度下的環氧乙烷蒸汽分壓+氮氣分壓,故:

p氮=p總-pEO，

(2)

式中,p氮為罐車中氮氣分壓(kPa),pEO為罐車中環氧乙烷分壓 (kPa).

環氧乙烷在初始裝車溫度10 ℃下飽和蒸氣壓為66.3 kPa,在裝車后溫度0 ℃下飽和蒸汽壓為100.4 kPa.

氮氣質量與罐車容積有關，以常見裝車情況，罐車體積36.7 m3,裝車前罐體氮氣充壓200 kPa，絕壓300 kPa，溫度10 ℃時工藝條件計算，質量為：

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

(3)

環氧乙烷裝車27 t，罐內物料保持在0 ℃，體積VEO=m/ρ=27/0.87=31.0 m3,則罐車容積減少31.0 m3.

按裝車控制壓力0.45 MPa，絕壓550 kPa，則氣相空間中氮氣在0 ℃下的質量為：

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

(4)

M質-M衡=M原-M氣=102.1-31.6=70.5 kg.

(5)

同理，可計算不同罐車容積下，罐車中氮氣質量、氣相質量如表1所示.

表1 不同罐車容積下質量流量計與汽車衡數據差量

由表1可以看出，裝車后氣相空間越大，兩種計量方式差量越小.

在200 kPa初始裝車壓力，450 kPa設定裝車壓力下，36.7 m3罐車中裝27 t環氧乙烷，由于氮氣在溫度不同情況下密度不同，對罐車內初始氮氣質量會有影響.以裝車后罐內溫度為0 ℃計算.不同溫度下質量流量計與汽車衡數據差量，見表2.

表2 不同初始裝車溫度下質量流量計與汽車衡數據差量

由表2可以看出，隨著初始裝車溫度的上升，質量流量計與汽車衡數據差值在減小，因為隨著溫度的升高，氮氣密度降低，隨之空車內留存氮氣質量下降.

在200 kPa初始裝車壓力，恒定初始裝車溫度10 ℃，裝車后罐內溫度為0 ℃，改變裝車泄壓控制壓力情況下，質量流量計與汽車衡數據差量，見表3.

由表3可以看出，隨著設定泄壓壓力的上升，質量流量計與汽車衡數據差值在逐漸減小.因為隨著設定壓力的升高，留存在罐車內的氮氣密度提升，隨之罐車內留存氮氣質量提高.

表3 不同裝車泄壓指標下質量流量計與汽車衡數據差量

綜上，罐車容積、裝車初始和裝車后的溫度、壓力均對質量流量計與汽車衡數據差量的大小存在影響.裝車前后的氮氣質量差實際是裝車后以相同質量的氮氣置換為環氧乙烷產品，對銷售企業來說存在計量損失.故在質量流量計與汽車衡數據比前，應該對汽車衡數據進行修正，以使汽車衡數據準確體現實際環氧乙烷裝車量.

修正公式為：

M差量=p0V0M/R(273+T0)-p1V1M/R(273+T1),

(6)

式中:p0為初始裝車壓力，V0為罐車容積，T0為罐車裝車前溫度，p1為泄壓壓力，V1為罐車容積-裝入環氧乙烷容積，T1為罐車裝車后溫度.同時要考慮裝車前后不同溫度下氮氣在罐車內的氣相分壓.

為了便于操作人員計算，可將常見的工況參數計算出來制作出工況對照表，或制作Excel快捷計算表，供操作工參照使用.將修正后的汽車衡數據與質量流量計進行對比.

2.3 實際裝車數據修正分析

通過表4可以看出，參照某企業實際裝車計量數據，以汽車衡為計算依據，對比質量流量計數據，存在平均15 kg環氧乙烷/車的差量，雖差率絕對值-0.05%較低，滿足計量偏差管控要求，但是基本為負偏差，企業環氧乙烷計量受損.如按理論計算，因罐內氮氣排放，相同質量替換為環氧乙烷，損失環氧乙烷質量平均為46 kg/車，修正后偏差為0.12%.

表4 實際裝車差量與修正

3 結 論

由以上分析可以看出，環氧乙烷裝車采用汽車衡計量為結算依據，存在原車部分保壓氮氣置換為環氧乙烷產品的產品計量損失，不利于銷售企業利益.如采用質量流量計計量，則存在裝車過程中超壓需排放，必然排出質量流量計已經計量的環氧乙烷，不利于客戶利益.從裝車量復驗可行性、減少糾紛角度，最佳方案是采用汽車衡計量為結算依據，且控制計量偏差在雙方都能接受的最佳范圍之內.

控制計量偏差的措施：

(1)盡量采用較高的泄壓壓力，以減少裝車過程中的外排環氧乙烷損失量.此項要綜合考慮罐車承壓能力確保安全裝車；考慮裝車泵進料壓力能力，確保在規定的裝車時間內順利完成裝車.

(2)盡量降低罐體內環氧乙烷溫度，減少環氧乙烷氣相分壓，有利于減小超壓外排的環氧乙烷損失量.此項要綜合考慮冰機能力，制冷運營成本[7].實際裝車過程中環氧乙烷0 ℃時氣相分壓為66.3 kPa，僅占550 kPa氣相排放體積組成的12%，且氮氣大部分集中于氣相上部，更有利于排出，實際排出組成環氧乙烷占比低于氣相分壓比例.

(3)環氧乙烷裝車檢斤前控制盡量低的壓力，且盡量減少氮氣組分.環氧乙烷裝車前一般在罐車內存留有少部分液態環氧乙烷.理想情況如環氧乙烷罐車充裝前壓力控制在常壓，罐內10 ℃(環氧乙烷飽和蒸汽壓100.4 kPa接近常壓)且無氮氣存在，均為環氧乙烷，則環氧乙烷裝車汽車衡計量將比質量流量計計量具有更高準確性.

(4)如采用汽車衡計量結算，需對裝車后汽車衡數值依據實際裝車前后的溫度、壓力、容積進行適當修正，以縮小氮氣置換損失，促進公平貿易.