超临界乙烯在长距离管道输送中的工程问题

匡顺强

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

超临界乙烯在长距离管道输送中的工程问题

匡顺强

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

概述了物质超临界状态的定义并介绍了超临界流体的物性。通过Aspen Plus软件模拟了某两化工厂之间的超临界乙烯互送管线，确定了该互送管线的合理的起始输送温度范围并建议地面以上管道保冷。通过Aspen Plus软件设计规定功能，模拟分析出新增的超临界乙烯输送管线只需提高设计压力而无需另外考虑设置热膨胀安全阀。

超临界状态；乙烯；超临界条件；长距离输送；Aspen Plus流程模拟软件

纯物质根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提高温度和压力，来观察状态的变化，那么会发现，如果达到特定的温度、压力，会出现液体与气体界面消失的现象，该点被称为临界点。在临界点附近，会出现流体的密度、黏度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象[1]。

物质的压力和温度同时超过它的临界压力（Pc）和临界温度（Tc）的状态，或者说，物质的对比压力（P / Pc）和对比温度（T / Tc）同时大于1的状态称为该物质的超临界状态[2]。

超临界流体具有许多独特的性质，如黏度、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感：黏度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力却接近液体。超临界流体由于液体与气体分界消失，即使提高压力也不液化。超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质。它基本上仍是一种气态，但又不同于一般气体，是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级，与液体相近。它的黏度比液体小，但扩散速度比液体快（约两个数量级），所以有较好的流动性和传递性能[3]。

利用超临界流体的这种较好的流动性和传递性，工业上已实现将天然气[4-5]、乙烯（乙烯的超临界条件为5.04 MPa / 9.2 ℃）等转变为超临界态后在管道中长距离输送，这样既可以节省动力，又可以增加运输速率，具有很好的经济效益。

本文简单介绍了乙烯的主要物理性质，根据乙烯的主要物理性质并利用软件分析解决了超临界乙烯输送过程中的两个工程问题：乙烯输送条件的确定和乙烯输送管线的热膨胀。

1 乙烯的主要物理性质及工程核算软件

1.1 乙烯的主要物理性质

乙烯是现代石油化学工业最重要的基础原料之一，在常温、常压下为无色可燃性气体，具有烃类特有的臭味，微溶于水。文献中[6]其主要物理性质如表1所示。

表1 文献中[6]乙烯的主要物理性质Tab. 1 The main physical property of ethylene from referenced literature

利用Aspen Plus软件（Version 2007）和PR-BM物性方法模拟乙烯的主要物性如表2所示。

对比表1和表2可以看出，利用Aspen Plus软件模拟出的乙烯主要物性和文献中的数据非常接近，说明Aspen Plus软件和PR-BM物性方法适合乙烯体系。

1.2 乙烯的超临界条件

从文献中[6]可以知道，乙烯的临界压力为5.04 MPa，临界温度为9.2 ℃。在操作温度高于临界温度同时操作压力高于临界压力时，乙烯流体处于超临界状态。

1.3 工程核算软件

本文利用Aspen Plus软件（Version 2007）和PR-BM物性方法并运用灵敏度分析和设计规定等分析方法核算分析了超临界乙烯输送过程中的两个工程问题。

表2 模拟的乙烯主要物理性质Tab. 2 The main physical property of ethylene from simulation

2 乙烯输送过程中的工程问题分析及讨论

2.1 超临界乙烯输送过程中输送条件的确定

华东地区某一石油化工炼化一体化区域中现有两厂（A和B）需要实现乙烯原料的互送，即两厂之间有一根可以互送乙烯的管线，且距离大约为33.5 km（两厂外约32.5 km管道埋地，两厂内管廊上管道共1 km），输送正常流量为37 500 kg / h，起点压力为7.0 MPa，终点可接受压力为3.9 MPa，管道内径为193.68 mm。现需要确定合理的起始输送温度范围（该温度范围可由输送源头乙烯汽化器控制）。

用Aspen Plus软件（Version 2007）搭建乙烯输送管线模块，其中物性方法选用PR-BM。模拟流程如图1所示。

图1 输送管线模拟流程Fig. 1 The simulation of transfer line

2.1.1 乙烯输送管线各种温度（0 ～ 36 ℃）输送工况下的压降及物性

在Aspen Plus中，利用搭建的乙烯输送管线模块，起始压力恒定为 7.0MPa，输送流量恒定为37 500 kg / h，分别模拟了输送起始温度为0、5、10、20、36 ℃工况下输送管线的压力降及输送起点和输送终点的物性。结果如表3所示。

表3 输送管线的压降及物性Tab. 3 The list of pressure drop and physical property

分析表3结果可知，在输送起点压力和输送流量恒定的工况下，随着输送起点温度降低，乙烯密度增加，黏度增加，但输送管线的压降反而减少，即温度低对乙烯长距离输送反而有利。

2.1.2 灵敏度分析输送温度对输送管线压降的影响

在Aspen Plus中，利用搭建的乙烯输送管线模块和模块分析工具中的灵敏度分析方法，起始压力恒定为 7.0 MPa，输送流量恒定为37 500 kg / h，以输送起始温度为自变量，输送出口压力为因变量。结果如表4和图2所示。

表4 出口压力随输送温度变化Tab. 4 The result of outlet pressure due to temperature change

图2 出口压力随输送温度变化Fig. 2 The result of outlet pressure due to temperature change

从图2可以看出，在起始压力恒定为 7.0 MPa、输送流量恒定为37 500 kg / h的工况下，随着输送温度的提高，输送出口的压力反而下降，尤其输送温度高于25 ℃后出口压力随着温度的上升反而下降得更快。

在Aspen Plus中，利用搭建的乙烯输送管线模块和模块分析工具中的灵敏度分析方法，起始压力恒定为 7.0 MPa，输送流量恒定为37 500 kg / h，以输送起始温度为自变量，输送管线压力降为因变量。结果如表5和图3所示。

表5 压力降随输送温度变化Tab. 5 The result of pressure drop due to temperature change

图3 输送管线压力降随输送温度变化Fig. 3 The result of pressure drop due to temperature change

从图3可以看出，在起始压力恒定为 7.0 MPa、输送流量恒定为37 500 kg / h的工况下，随着输送温度的提高，输送管线的压力降也增加，尤其输送温度高于25 ℃后输送管线压力降随着温度的上升而增加得更快。

分析图2、图3可以看出，随着温度降低，出口压力增加，即压降减少，且温度在25 ℃以下时，压降随温度变化的速率较平缓，但考虑到乙烯的超临界点为（50.4 MPa / 9.2 ℃）且温度太低将导致输送管外结冰、结露等不利现象，因此建议输送温度在10 ～ 25 ℃较合适。且为了使输送温度控制在10 ～ 25 ℃，建议将两厂内1 km的地面上管道进行保冷设计。

2.2 超临界乙烯输送管线的热膨胀问题

现由于石油化工厂A改扩建，需要新建一根管线接入到原两厂（A和B）之间的互送乙烯的管线，且距离大约为1 900 m。此新建乙烯输送管线的操作条件为压力7.0 MPa / 温度36 ℃。对此新增管道进行可能的超压分析，可排除调节阀失效、火灾（该管道布置在装置外管廊上，装置外管廊区域属于非爆炸危险区，也属于非防火区）等各种工况，只需考虑此段管线两端的切断阀关闭，且在夏季阳光下爆晒（假设爆晒最高温度为60 ℃），此段输送管线是否需要设计热膨胀阀以保证此新增输送管线的安全。

因为考虑乙烯输送管线两端阀门关闭，所以乙烯质量恒定，当温度从36 ℃升高到60 ℃时，若压力不变，则体积膨胀；现假设体积不变（体积略有膨胀，可忽略不考虑），则压力升高，当60 ℃时的密度（因为质量恒定，体积不变，也即密度不变）和7.0 MPa / 36 ℃工况下的密度相同时，此时的压力即为膨胀后的压力。

在Aspen Plus中，在Flowsheeting Options下，利用设计规定（Design Specif i cation），定义换热器模块的出口密度和入口密度（152.74 kg / m3）一致（质量恒定，也即体积不变），即可迭代计算出压力为8.83 MPa。即乙烯从7.0 MPa / 36 ℃升温到60 ℃的压力为8.83 MPa。

从以上计算结果可知，当乙烯输送管线两端用阀门关闭，且温度从36 ℃升高到60 ℃时，乙烯输送管线压力升高为8.83 MPa。又由于查此管线等级的温压曲线可知，对于DN 200，温度-48 ～ 204 ℃时，其压力可达到12.406 MPa，因此建议将此管线的设计压力从原来的8.0 MPa提高到9.36 MPa（与原A-B乙烯互送管线的设计压力相同，管道等级不变），此新增管道上相应的阀门、管件等的设计压力都按9.36 MPa设计制造，即可无需另外考虑设置热膨胀安全阀，从而达到了本质安全的设计。

图4 输送管线热膨胀模拟流程Fig. 4 The simulation of thermal expansion for transfer line

3 结论

通过Aspen Plus软件模拟了某两化工厂之间的超临界乙烯互送管线，通过灵敏度分析建议了该互送管线的合理的起始输送温度范围为10 ～ 25 ℃并建议两厂内地面以上的管道进行保冷设计；通过Aspen Plus软件设计规定功能，模拟分析出新增的超临界乙烯输送管线（包括阀门、所有管件等）只需提高设计压力（管道等级不变）而无需另外考虑设置热膨胀安全阀。

[1]沈耀忠.超临界流体. 化工百科全书（第一卷）[M].北京：化学工业出版社，1999：325

[2]朱自强.超临界流体技术-原理和应用[M]. 北京：化学工业出版社，2000.3.

[3]韩布兴.超临界流体科学与技术[M]. 北京：中国石化出版社，2005.4.

[4]GB 50251—2003，输气管道工程设计规范[S].

[5]黄春芳.天然气管道输送技术[M]. 北京：中国石化出版社，2009年6月.

[6]张旭之，等.乙烯衍生物工学[M]. 北京：化学工业出版社，1995年4月.

Problems Occurred in Supercritical Ethylene Transportation Using Long Pipeline

Kuang Shunqiang
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In this article, the definition of supercritical mass was briefly depicted and the properties of supercritical mass were introduced. By using Aspen Plus, the pipeline for transporting supercritical ethylene between two chemical plants was simulated. The proper initial transportation temperature scope for this pipeline was determined, and it was suggested that the piping above ground be insulated. With the supplied functions in Aspen Plus, the results were obtained from the simulation and analysis that for new pipeline used in transporting supercritical ethylene it is only necessary to increase design pressure but unnecessary to set safety valve for hot expansion.

supercritical state; ethylene; supercritical condition; long distance transportation; Aspen Plus process simulation software

TQ 086

A

2095-817X（2017）01-0017-005

2016-03-16

匡顺强（1982—），男，高级工程师，主要从事石化工程项目工艺设计。