苯酚储罐泡沫发生器的优化应用

朱法厅 杨向东 中海油石化工程有限公司 济南 250101

苯酚是具有特殊气味的无色针状晶体，常作为酚醛树脂、杀菌剂、防腐剂等化工产品及中间体的重要生产原料，在国民生产中具有广泛的应用。其熔点43℃，可燃、高毒，对人体的皮肤及粘膜腐蚀性极强，可至人体灼伤。近年来随着国内苯酚丙酮装置的上马，人们对苯酚的生产、储存、运输等积累了一定的宝贵经验，但仍存在影响装置安全生产、运行的部分问题。本文针对广东某大型合资石化企业苯酚储运方面的现场实际问题进行分析并对泡沫发生器进行改造，以期对同类生产项目或易结晶、易燃物料储存上遇到的类似问题起到一定的参考作用。

1 项目概况

苯酚储罐内液相苯酚的正常操作温度为60℃，每个储罐均设有四个泡沫发生器，在检修过程中发现苯酚储罐泡沫发生器内有大量的苯酚晶体，详见图1和图2。

图1 泡沫发生器苯酚结晶示意图

图2 苯酚结晶现场照片

苯酚结晶附着在泡沫发生器的密封玻璃上，严重影响了密封玻璃的正常开启，一旦遇到火灾，将影响泡沫发生器的正常使用。初步分析结晶原因为苯酚的凝固点为43℃，苯酚储罐顶部的气相苯酚进入泡沫发生器后遇冷结晶，日积月累后，大量气相苯酚在泡沫发生器内结晶，附着在泡沫发生器的密封玻璃上，从而影响泡沫发生器密封玻璃的正常开启。项目组提出泡沫发生器未设置伴热、保温，即泡沫发生器内密封玻璃至苯酚储罐的气相空间接近常温，是导致苯酚结晶的主要原因。

欲使泡沫发生器内不发生苯酚结晶，必须控制泡沫发生器内的温度高于苯酚的凝固点(43℃)；但若泡沫发生器内温度超过80℃，则会影响泡沫发生器内密封玻璃的密封性和开启压力。经项目组初步讨论，使用自限温型电伴热对泡沫发生器进行伴热，保持泡沫发生器内45～80℃的温度。但经过现场勘查，现场不具备使用电伴热的条件。从后期维护、投资成本、运行成本等方面考虑，项目组决定采用蒸汽伴热[1]。但蒸汽伴热温度不可控，受外界环境温度、风速、伴热管规格、保温层厚度等因素影响较大，本文针对伴热管规格、伴热结构形式及保温层厚度进行分析，以期使泡沫发生器内达到预定的45～80℃。

2 泡沫发生器的改造措施及理论分析

从便于施工及达到预期的控温效果考虑，基于泡沫发生器与外界环境之间的热损失Q1等于伴热管与泡沫发生器之间的热量输入Q2原理，进行相关的分析计算。

2.1 伴管规格及伴热结构型式的选择

因苯酚具有强腐蚀性，本次改造过程中需全程穿防化服，且泡沫发生器位于苯酚储罐罐顶约18.5m高，属于高空作业，为尽可能便于施工，本次采用Ø12X2的304不锈钢伴热管[2][3]，为避免泡沫发生器的伴热管导热不均，导致泡沫发生器内局部温度过高，影响泡沫发生器的正常工作，本改造项目采用图3所示的伴热结构型式[4]。

图3 伴热结构形式

2.2 泡沫发生器与外界环境之间热损失的计算

(1)保温隔热层表面至周围环境的给热系数(a0)

(2)往外界环境散热的传热系数K1

式中，K1为泡沫发生器热量损耗的传热系数，W/(m2·℃)；a1为泡沫发生器外壁至保温层内侧空气给热系数，W/(m2·℃)，一般工程上取11.62～13.95W/(m2·℃)[5]，本项目取11.62W/(m2·℃)；ξ1为保温层厚度，m；λ1为保温层导热系数，W/(m2·℃)，本项目取0.048W/(m2·℃)。

(3)传热温差Δt1

因泡沫发生器的热阻较小，则泡沫发生器外壁温度tw等于泡沫发生器内壁的工作温度:

Δt1=tw-ta=t-ta

式中，Δt1为泡沫发生器热损失的传热温差，℃；tw为泡沫发生器外壁温度，℃；ta为外界环境温度，℃；t为泡沫发生器内壁的工作温度，℃。

(4)泡沫发生器的散热面积A

A=πDL

式中，A为泡沫发生器的散热面积，m2；D为泡沫发生器的直径，m，本项目取D=0.3m；L为被保温伴热部分泡沫发生器的长度，m，本项目取L=0.5m。

(5)泡沫发生器的热损失Q1

Q1=K1×A×Δt1[5]

2.3 伴热管与泡沫发生器之间的热量输入

(1)伴热管与泡沫发生器之间的传热系数K2

式中，K2为伴热管与泡沫发生器之间的给热系数，W/(m2·℃)；a2为伴热管内部蒸汽给热系数，工程上一般取11622.5W/(m2·℃)；ξ2为伴热管管壁壁厚，m，本项目取ξ2=0.002m；λ2为伴热管的导热系数，W/(m2·℃)，本项目取λ2=18.5W/(m2·℃)；a3为伴热管至保温隔热层内空气给热系数，W/(m2·℃)，本项目取21.3W/(m2·℃)；a4为保温隔热层内空气至泡沫发生器的给热系数，W/(m2·℃)，本项目取13.95W/(m2·℃)。

(2)伴热管与泡沫发生器之间的传热温差△t2

Δt2=tv-tw=tv-t

式中，tv为伴热管内蒸汽的温度，℃，本项目取tv=151℃。

(3)伴热管的传热面积F

F=πdL

式中，F为伴热管传热面积，m2；d为伴热管外径，m，本项目取d=0.012m；L为伴热管长度，m，本项目取L=0.5m。

(4)伴热管与泡沫发生器之间的热量输入Q2

Q2=K2×F×Δt2[5]

3 保温厚度的分析与确定

根据泡沫发生器向外界环境散失的热量等于伴热管输入的热量，即Q1=Q2[5][6],得出公式(1)。

(1)

3.1 夏季当外界极端最高温度为38.9℃时，保温厚度的确定

当夏季外界环境最高温度为ta=38.9℃，采用蒸汽伴热时，既要防止泡沫发生器内的温度超过80℃，也要使泡沫发生器内的温度不低于45℃，为此将各参数代入(1)式，得出泡沫发生器内不同控制温度下，外保温层的厚度见表1。

表1 夏季泡沫发生器内不同控制温度下保温层的厚度

3.2 冬季外界极端最低温度为4.5℃时，保温厚度的确定

当冬季外界环境最低温度ta=4.5℃，采用蒸汽伴热时，既要防止泡沫发生器内的温度超过80℃，也要使泡沫发生器内的温度不低于45℃，为此将各参数代入(1)式，得出泡沫发生器内不同控制温度时，外保温层的厚度见表2。

表2 冬季泡沫发生器内不同控制温度下保温层的厚度

3.3 结果与分析

当夏季极端最高温度为38.9℃，保温层的厚度为2～76.3mm时，泡沫发生器内的温度控制在45～80℃。当冬季极端最低温度为4.5℃，保温层的厚度为35.1～125.7mm时，泡沫发生器内的温度可控制在45～80℃的范围。全年外界环境温度界于4.5～38.9℃之间，因此当保温层的厚度设定为35.1～76.3mm范围内时，既满足极端最高温度，又满足极端最低温度，泡沫发生器内全年的温度会维持在45～80℃范围内，从而保证泡沫发生器正常工作。从施工、投资等方面综合考虑，经圆整后本项目保温厚度按50mm进行设计。经改造后，泡沫发生器运行正常，未出现结晶问题，有效解决了项目的实际问题。

4 结语

本文针对苯酚储罐泡沫发生器内出现结晶的问题，在现场不具备电伴热改造的实际工况下，考虑施工便利性及经济性，对伴热型式、伴热管的尺寸及保温厚度进行了分析与计算，最终得出利用151℃的低压蒸汽为加热介质；规格为Ø12×2,保温厚度为50mm的304不锈钢为伴热管，解决了苯酚储罐泡沫发生器内出现结晶的问题。自改造后半年内运行效果良好，未出现结晶，且经试验测试后，泡沫发生器正常工作。通过本文，以期对易结晶、易燃物料储罐上泡沫发生器的设计提供一定的参考。