立式常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)分析

王觀東

（中石化巴陵石化公司，湖南岳陽(yáng) 414014）

0 引言

立式常壓儲(chǔ)罐是指建造于地面，設(shè)計(jì)壓力小于0.1 MPa，用于儲(chǔ)存非有毒性石油、非人工制冷等液體的鋼制焊接儲(chǔ)罐，在煉油行業(yè)中被廣泛使用。立式常壓儲(chǔ)罐一般由固定頂罐、內(nèi)浮、外浮頂罐、儲(chǔ)罐高度、溢流保護(hù)和伴熱盤(pán)管等組成，這些結(jié)構(gòu)也是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)的合理度將直接影響到儲(chǔ)罐能否安全、正常、經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)油。下面將對(duì)立式常壓儲(chǔ)罐（以下簡(jiǎn)稱“儲(chǔ)罐”）的各個(gè)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行計(jì)算和探討。

1 高度計(jì)算

正常情況下，儲(chǔ)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(hù)浮盤(pán)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(hù)浮盤(pán)所需容積。設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐時(shí)，需要先對(duì)其高度進(jìn)行計(jì)算。

H1為儲(chǔ)罐頂部與儲(chǔ)罐壁角鋼下沿與最高液位之間的距離。固定頂罐規(guī)定為泡沫生產(chǎn)器下端至儲(chǔ)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(guī)定為10～15 min、儲(chǔ)罐最大進(jìn)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(chǎn)器時(shí)，H1分別為0.213 m、0.240 m 和0.303 m，對(duì)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(pán)的內(nèi)浮頂罐，H1與H2之和為罐壁頂以下1.0 m 左右。泡沫產(chǎn)生器下緣到罐壁頂端的高度，在沒(méi)有泡沫產(chǎn)生器時(shí)H1是0，而浮頂罐的H1為罐壁頂端與設(shè)計(jì)的浮頂?shù)酌孀罡呶恢弥g的距離。

H3是高液位與低液位之間的距離，其值為儲(chǔ)罐總的有效停留時(shí)間乘以儲(chǔ)罐最大進(jìn)液量再除以儲(chǔ)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(nèi)最大的泵出量折算出。

H5最低液位與罐底的高度。

儲(chǔ)罐的高度為H1、H2、H3、H4、H5之和。

2 溢流保護(hù)措施

如果儲(chǔ)罐的進(jìn)料量比出料量大，那么儲(chǔ)罐內(nèi)的液體就會(huì)不斷上升，一直到罐頂，致使儲(chǔ)罐由于滿罐壓力增大而發(fā)生脹裂事故。為了避免這種情況，建議采用自動(dòng)防溢措施：當(dāng)液位儀表檢測(cè)儀檢測(cè)出儲(chǔ)罐內(nèi)液體到達(dá)最高處時(shí)，就會(huì)按照事先設(shè)定好的邏輯運(yùn)算及時(shí)地將進(jìn)料閥門(mén)關(guān)閉，避免液位繼續(xù)上升而出現(xiàn)脹裂情況（圖1）。這種溢流保護(hù)措施的投入成本較高。

如果儲(chǔ)存的液體無(wú)毒、無(wú)害，也可以通過(guò)溢流管的方式來(lái)進(jìn)行保護(hù)：圖2a 的處理實(shí)施最為簡(jiǎn)單，只設(shè)置了一個(gè)溢流口，溢流口設(shè)置在儲(chǔ)罐比較高的位置，通常還要高于最高位HHLL，當(dāng)管內(nèi)液體到達(dá)溢流口時(shí)就會(huì)自動(dòng)溢出，不會(huì)繼續(xù)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(dǎo)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(chǔ)上增加了一條向罐內(nèi)的管線，其作用是如果罐內(nèi)有毒氣體或者可燃?xì)怏w時(shí)，這些氣體不能通過(guò)溢流口到達(dá)大氣中。該管線一般在罐內(nèi)最低位之下，但是也不能太過(guò)于接近罐底，防止罐內(nèi)雜質(zhì)堵塞溢流口。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)液體不斷上升直至溢流管滿流時(shí)，液位便不再繼續(xù)上升，罐內(nèi)液體持續(xù)從溢流管流出，液位開(kāi)始下降，但不會(huì)下降到圖2c 的溢流口A 處就停止，而是會(huì)一直下降，直至外溢流管的最低處B 才會(huì)停止，這就是虹吸現(xiàn)象。虹吸現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)物料損失、環(huán)境污染和人員傷害。為了避免該情況的發(fā)生，應(yīng)該在倒U 形管的最高處設(shè)置破虹吸管，來(lái)消除倒U 形管內(nèi)的真空。破虹吸管一般設(shè)置在倒U 形管的最高處，與大氣進(jìn)行連通。當(dāng)儲(chǔ)罐液未流至倒U 形管的最高處時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體就會(huì)進(jìn)入倒U 形管內(nèi)，讓倒U 形管內(nèi)的負(fù)壓變?yōu)槌海瑥亩沤^虹吸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖1 自動(dòng)防溢措施

2.1 溢流管徑的計(jì)算

通過(guò)溢流管流出的液體大于或是小于儲(chǔ)罐最大儲(chǔ)液量，其管徑可以采用式（1）來(lái)計(jì)算。

圖2 溢流管的保護(hù)方式

其中，Q 是溢流管流出的液體體積；Cd為流量常數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)大于10 000 時(shí)，Cd可以為常數(shù)，其值約為0.6；h 為溢流時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)液位與溢流管嘴中心線的高度差，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，溢流時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)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(zhǎng)度，f 為摩擦系數(shù)。

2.2 破虹吸管管徑的計(jì)算

破虹吸管的管段一般是直的，其最高點(diǎn)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(zhǎng)度與虹吸管的長(zhǎng)度成正比。假設(shè)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(shè)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(dāng)塔液面高于倒U 形管的頂端時(shí)，酸性水就會(huì)從塔內(nèi)流出，塔底的液面繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槠坪缥艿墓軓皆O(shè)置太小，不能快速將倒Y 形管內(nèi)的真空破除。但是當(dāng)破虹吸管的直徑由DN25 mm 改為DN50 mm 時(shí)，該現(xiàn)象便不會(huì)出現(xiàn)。破虹吸管內(nèi)的氣相介質(zhì)在管內(nèi)按照絕熱流動(dòng)來(lái)考慮，其質(zhì)量流動(dòng)可以通過(guò)式（2）計(jì)算：

其中，G 是氣相介質(zhì)在破虹吸管內(nèi)的質(zhì)量流動(dòng)，K 為氣相介質(zhì)絕熱指數(shù)，P1、P2分別為氣相介質(zhì)進(jìn)入破虹吸管和出破虹吸管時(shí)的壓力，v1為氣相介質(zhì)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(zhǎng)度，f 為摩擦系數(shù)。氣相介質(zhì)從破虹吸管進(jìn)入溢流管，讓溢流管內(nèi)的壓力從真空轉(zhuǎn)變?yōu)槌?，建議過(guò)程不超過(guò)5 s，否則就應(yīng)該加大破虹吸管的直徑。

3 儲(chǔ)罐伴熱

3.1 伴熱型式和伴熱介質(zhì)

儲(chǔ)罐的伴熱形式主要兩種，分別為外盤(pán)管和內(nèi)盤(pán)管，內(nèi)伴熱盤(pán)管具有傳熱效率高的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)容器的形狀，在儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)黏度較大且沒(méi)有腐蝕性時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先使用內(nèi)盤(pán)管。不過(guò)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的介質(zhì)呈酸性、堿性或者腐蝕性較大時(shí)，應(yīng)該采用外盤(pán)管。

根據(jù)儲(chǔ)罐不同的加熱源，儲(chǔ)罐的加熱介質(zhì)有蒸汽、熱水、導(dǎo)熱油和電：采用熱水或者導(dǎo)熱油進(jìn)行伴熱時(shí)，應(yīng)設(shè)置相對(duì)應(yīng)的加熱循環(huán)系統(tǒng)；采用電伴熱時(shí)，有耗電量較大、出現(xiàn)故障不易被發(fā)覺(jué)的缺點(diǎn)；蒸汽伴熱有使用方便、冷凝潛熱大、溫度便于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，所以使用范圍非常廣泛。

3.2 儲(chǔ)罐內(nèi)的散熱損失

儲(chǔ)罐內(nèi)的散熱損失可以分為罐壁、灌頂和罐底的損失之和，可根據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算：

其中，Q 為儲(chǔ)罐的總散熱，K1為儲(chǔ)罐的散熱總傳熱系數(shù)，A1為罐壁、罐頂與罐底外表面積之和，t1為儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)溫度，ta為周圍環(huán)境的溫度。

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

3.3 伴熱管面積

其中，K2為伴熱管內(nèi)加熱介質(zhì)向儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)散熱的總傳熱系數(shù)，t2為伴熱管內(nèi)介質(zhì)加熱溫度。

K2的計(jì)算過(guò)程很繁瑣，表1 提供了不同條件下K2的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 不同條件下K2 的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 伴熱盤(pán)管設(shè)計(jì)

伴熱盤(pán)管不能太長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)的伴熱介壓降增加和出口側(cè)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(zhì)時(shí)，還可能導(dǎo)致不凝性氣體難以排出，影響冷凝效果。因此，當(dāng)傳熱面積過(guò)大、伴熱盤(pán)管太長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)該將多組盤(pán)管進(jìn)行并聯(lián)，管內(nèi)的最大蒸汽流速不能超過(guò)25 m/s；采用液體伴熱介質(zhì)時(shí)，管內(nèi)流速應(yīng)不超過(guò)0.8 m/s，如果管內(nèi)伴熱介質(zhì)流速太快，可以將伴熱盤(pán)管設(shè)計(jì)為雙管程或者四管程（圖3）。

伴熱盤(pán)管不僅僅局限于罐底，而是可以進(jìn)行分層安裝，使盤(pán)管內(nèi)介質(zhì)散熱更好。伴熱盤(pán)管直徑不宜過(guò)大，否則加工會(huì)出現(xiàn)困難。一般常用的管徑為DN25～DN65 mm。

圖3 管程的設(shè)置

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在一些特殊的情況下，根據(jù)工藝要求可以增加一些儲(chǔ)罐高度，如酸性水汽提裝置，原料水罐除了儲(chǔ)存酸性水原料之外，還有除油的作用，裝置運(yùn)行時(shí)約有40～80 cm 的油層附在原料水之上，所以在計(jì)算高度時(shí)應(yīng)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(jìn)溢流管的氣相介質(zhì)在5 s 之內(nèi)就將溢流管內(nèi)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(pán)管內(nèi)的伴熱介質(zhì)散熱更加均勻、效率更高。當(dāng)伴熱盤(pán)管太長(zhǎng)、流速過(guò)高時(shí)，應(yīng)將多組盤(pán)管進(jìn)行并聯(lián)，以解決壓力過(guò)大的問(wèn)題。