CN101481034B - 适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐，其特征在于，储罐筒体采用普通碳素钢Q235-B取代低温钢16MnDR制成，内浮顶罐筒体设内浮盘，筒体外设岩棉保温层，保温层外设保护层，储罐进料管自罐壁下部进入，进料管伸至罐内，长度L为2/3R～1R，在进料管上设有多个小孔；本发明有益效果在于，1沸点低于45℃的甲_B、乙_A类液体选用内浮顶储罐，减少易燃易爆液体挥发和对自然环境的污染，2储罐加保温后，提高了储罐的最低设计温度，降低了设备材质，仅一个20000m³储罐，其材料费一项可省112万元，3特殊的进料管设计，保证物料进料均匀的同时，有效防止了由于摩擦和撞击引发的电火花导致爆炸事故的发生，有利于安全生产。

Description

适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐 

技术领域

本发明涉及一种石油化工设备，更具体地说，涉及一种适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐。 

背景技术

在寒冷地区，其最冷月份温度最低，在工程设计过程中，设备的设计温度一般都取最冷月(一月)平均最低温度为设计依据，以吉林地区为例，最冷月平均最低温度-28.9℃，常压碳钢储罐往往选择低温钢(如16MnDR，许用温度＞-40℃)才能满足要求。这样势必造成设备投资增加。为了降低设备的选材，常压碳钢储罐通常采用输入热媒的方式来达到升高介质的操作温度，以降低设计温度和设备材质，而这样又增加了热媒输入的运行费用。 

适于寒冷地区运行的常压碳钢储罐，采取措施，又不需要热媒输入，能够在正常的储存周期内，做到储罐内介质温度不低于-15℃，设备设计温度可取-19℃，碳钢储罐材质采用价格低廉的普通碳素钢Q235-B取代16MnDR。一方面降低了储罐的制造成本，另一方面又减少了不用热媒输入的运行费用，是否可行，在理论和工程实践上都是一个人们应该探索的问题。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐。 

一种适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐，其适用于： 

1、寒冷地区，最冷月平均最低温度大于-40℃，该储罐为无热媒输入的大型常压碳钢储罐； 

2、储罐容积100～30000m3，操作压力为大气压，设计压力为充满液体，工作温度为环境温度，根据加保温层后的传热计算结果，设计温度，以低温取-19℃，高温取60℃为基准； 

3、储罐为立式固定顶罐或内浮顶罐，内浮顶罐适用于沸点低于45℃的甲_B、乙_A类液体，固定顶罐适用于乙_B类及以下等级的液体，设内浮盘可以减少易燃易爆液体挥发；所述甲_B、乙_A、乙_B类液体，应符合《石油化工企业防火设计规范》GB50160-92规定； 

4、储罐内介质应为无腐蚀性、不易聚合、无洁净要求，且沸点低于45℃以下的液体； 

这种大型常压储罐特征在于； 

储罐筒体采用普通碳素钢Q235-B制成，筒体内设内浮盘，内浮盘的材质与筒体材质相同；筒体外设有80～200mm厚的岩棉保温层，可降低设备材质，节省投资，保温层厚度需根据不同介质的物性数据和环境温度条件确定；保温层外设有保护层，储罐进料管自罐壁下部进入，进料管伸至罐内；伸入罐内长度L为2/3R～1R，R为储罐的筒体半径，在进料管上设有多个小孔，小孔均匀分布于管的尾部，小孔面积之和为1.5～2倍进料管的横截 面积，以保证均匀进料，并防止出现电火花。 

实施本发明的有益效果： 

1、沸点低于45℃的甲_B、乙_A类液体选用内浮顶储罐，确保减少易燃易爆液体挥发，减少对自然环境的污染，社会效益显著。 

2、储罐加保温后，减少了热损失，提高了储罐的最低设计温度，降低了设备材质，减少了设备投资，节约了建设费用，仅以一个20000m³的储罐为例，材料一项就可节约112万元，有利于国家项目的建设。 

3、特殊的进料管设计，保证物料进料均匀的同时，有效防止了由于摩擦和撞击引发的电火花导致爆炸事故的发生，有利于安全生产。 

附图说明

图1本发明设备结构简图。 

图中有筒体1、保温层2、保护层3、内浮盘4、进料管5。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作出进一步地详细描述。 

1储罐型式的选择 

原料储罐的设计，根据《石油化工储运系统罐区设计规范》SH3007-1999的要求，铁路运输最大储存天数按20天计，根据需要在容积为100～30000m³的范围内选择需求的储罐，操作压力为大气压，设计压力为充满液 体。根据《石油化工企业防火设计规范》GB 50160-92的规定，沸点低于45℃的甲_B、乙_A类液体选用内浮顶储罐，乙B类及以下等级的液体选择储罐型式为固定顶罐。 

2大型储罐传热计算模型的建立及传热过程计算 

2.1非定态过程的拟定态处理 

无热媒输入的大型储罐与环境空气的热传递过程，由于没有热媒输入，罐内温度的变化是随时间而变化的，因此属非定态过程。非定态过程通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量QT；物料的累积传热量或物料温度t与时间τ的关系。 

无热媒输入的大型储罐与环境空气的传热是一个复杂的变化过程，首先物料温度的变化是随时间而变化的，同时环境空气的温度一天内各段时间也不相同。没有一个可以确定的理论模型进行热量传递计算。 

为了简化上述计算过程，假定环境温度是一个定值(如取吉林地区年最冷月平均最低温度-28.9℃、取年最冷月平均温度-17.9℃和极端最低温度-40.2℃几种工况)，罐内液体温度由于随时间的变化率不大，各传热过程的热量累积可以忽略，此时非定态过程可按拟定态处理。其计算公式为： 

q＝K(T-t)                                (1) 

$K=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2}}---\left(2\right)$

在dτ时段内作热量衡算，可得： 

mc_pdt＝K(T-t)Adτ                        (3) 

将上式积分，可得热交换时间τ与液体温度t₂的关系为： 

$\mathrm{\τ}=\frac{m{c}_P}{\mathrm{KA}}\ln \frac{T-t_1}{T-t_2}---\left(4\right)$

式中，m为罐内液体的质量，kg；c_p为罐内液体的比热容，J/(kg.℃)；A为传热面积，m²；K为总传热系数，W/(m².℃)；α₁为罐内液体给热系数，W/(m².℃)；α₂为环境空气给热系数，W/(m².℃)；λ为保温材料的导热系数，W/(m.℃)；δ为保温材料的厚度，m；τ为时间，s；T为假定的恒定环境温度，℃；t₁为罐内液体初始温度，℃；t为热交换时间τ后罐内液体温度，℃；dt为罐内液体温度函数的微分，℃；dτ为时间自变量的微分，s；q为罐内液体的热流密度，W/m²。 

2.2计算实例 

根据《石油化工储运系统罐区设计规范》SH3007-1999的规定，罐内最低温度达到-19℃以下时，对于常压的固定顶/内浮顶储罐的碳钢材质需选择低温钢，考虑到储罐壁温与罐内液体有温差的存在，为保险起见，计算无热媒输入且设有保温层的大型固定顶/内浮顶储罐在最冷月平均最低温度(-28.9℃)下，罐内液体温度下降到-15℃需要的时间τ作为计算的基点。 

从式(4)可以看出，计算热交换所需要的时间τ，必须知道总传热系数K，从式(2)知：总传热系数K与保温材料的导热系数，保温材料的厚度，环境空气的给热系数，罐内液体的给热系数有关。 

2.2.1保温材料的选择 

根据《石油化工设备和管道隔热技术规范》SH 3010-2000，保温材料的选择符合表1-1、表1-2的要求。 

表1-1隔热材料及使用温度 

材料名称	使用温度℃	备注
			岩棉	≤250	用于隔热
复合硅酸铝镁制品	250～600(含600℃)	用于隔热
			硅酸铝纤维制品	600～900(含900℃)	用于隔热
聚氨酯泡沫塑料制品	-65～80	用于隔冷
			泡沫玻璃	-196～400	用于隔冷或冷热交替

表1-2隔热材料及其制品主要性能 

注1：t_m为保温层平均温度 

由于储罐内介质的温度一般低于250℃，因此选择岩棉作为储罐的保温材料。 

罐内及罐壁初始温度t1＝5℃ 

环境温度取最冷月平均最低温度T＝-28.9℃ 

保温层平均温度t_m＝(5-28.9)/2＝-11.95℃ 

保温层的导热系数λ＝λ₀+0.00018t_m＝0.048+0.00018×(-11.95)＝0.046(W/m.℃) 

t₁＝5℃ 

环境温度取最冷月平均最低温度T 

T＝-28.9℃ 

保温层平均温度t_m

t_m＝(5-28.9)/2＝-11.95℃ 

则，保温层的导热系数λ 

λ＝λ₀+0.00018t_m

＝0.048+0.00018×(-11.95)＝0.046(W/m.℃) 

2.2.2环境空气的给热系数α₂

环境空气的给热系数计算可以按照流体作自然对流时的对流传热系数的计算公式计算。 

${\mathrm{\α}}_2=C\frac{\mathrm{\λ}}{H}{(\mathrm{Gr}\×\mathrm{Pr})}^n---\left(5\right)$

定性温度t_m＝-11.95℃，在此温度下， 

空气的体积膨胀系数 

β＝1/(273-11.95)＝3.83×10^-3 K^-1

λ_空气＝0.0234W/(m.℃)； 

c_p＝1.009kJ/(kg.℃)； 

μ＝1.66×10^-5Pa.s 

ρ＝1.3523kg/m³  取罐高H＝10m 

则，普兰特准数 

Pr＝c_pμ/λ_空气

＝1.009×10³×1.66×10^-5/0.0234＝0.716 

格拉斯霍夫准数 

$\mathrm{Gr}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{g\βA}1H^3}{{\mathrm{\μ}}^3}=\frac{{\left(1.3523\right)}^2\×9.81\×3.83\×{10}^{-3}\×(5-(-28.9))\×{10}^3}{{(1.66\×{10}^{-5})}^2}=8.45\×{10}^{12}$

Gr×Pr＝0.716×8.45×10¹²＝6.05×10¹²

当Gr×Pr＞2×10⁷时，给热系数α与加热面的几何尺寸无关。 

查化工原理式(5)中的C和n的取值表得：C＝0.135，n＝1/3 

求得空气的给热系数为： 

α₂＝Cλ_空气/H(Gr×Pr)ⁿ

＝(0.135×0.0234/10)(6.05×10¹²)^1/3＝5.76W/(m².℃) 

2.2.3罐内液体的给热系数α₁

罐内液体的给热系数，同空气的给热系数计算相同，按式(5)计算。由于不同的液体其物性不同，计算结果也不同，选取了甲苯、甲醇、丙酮作为典型计算。 

罐内及罐壁初始温度t₁

t₁＝5℃ 

罐内液体允许下降的最低温度t₂

t₂＝-15℃ 

定性温度取 

(-15+5)/2＝-5℃ 

通过计算甲苯、甲醇、丙酮的给热系数分别为431、821、664W/(m²·℃)， 

可以看出一般液体的给热系数远远大于空气的给热系数5.76W/(m².℃)。 

基本在400～900W/(m²·℃)之间。 

2.2.4总传热系数计算 

总传热系数按式(2)计算： 

其中， 

1/α₁＝1/(400～900)＝0.001～0.0025 

1/α₂＝1/5.76＝0.1736 

取保温材料的厚度为80～200mm 

δ/λ＝(0.08～0.12)/0.046＝1.74～2.6 

由表1-3、1-4通过对传热系数K值的计算，可以看出，罐内液体的种类和给热系数对传热系数K值的影响可以忽略，而保温层的厚度对K值的影响较大。 

2.2.5计算结果分析 

由于储罐的容积不同，液体质量、换热面积各不相同，热交换需要的时间也不同；罐内液体的初始温度和室外环境温度不同，热交换需要的时间也不同。现以甲苯为例，根据式(4)就不同工况的热交换需要的时间进行了详细的计算和分析，详见表1-7～1-16。 

(1)环境温度取最冷月份平均最低温度-28.9℃，以保温层厚度为变量，计算了不同容积储罐的罐内液体温度由初始温度5℃下降到-15℃对需要时间τ的影响。 

通过分析和实际的计算结果得知：储罐罐内液体温度由初始温度由5℃下降到-15℃需要的时间τ与储罐的容积、保温厚度成正比，即储罐容积越大，保温厚度越厚，τ值越大。 

(2)环境温度取最冷月份平均最低温度-28.9℃，保温层厚度为100mm，以罐内液体初始温度为变量，计算了不同容积储罐内液体温度下降到-15℃对需要时间τ的影响 

通过分析和实际的计算结果得知：不同容积储罐、相同保温厚度储罐内液体温度的初始温度越高，由初始温度下降到-15℃需要的时间τ越长。 

(3)保温层厚度为100mm，环境温度分别取最冷月份平均温度-17.9℃和极端最低温度-40.2℃两种工况，计算了不同容积储罐的罐内液体温度由初始温度0℃下降到-15℃对需要时间τ的影响 

通过分析和实际的计算结果得知：环境温度越低，由初始温度0℃下降到-15℃需要的时间τ越短，即便是100m³甲苯储罐由初始温度0℃下降到-15℃仍需要20天，但随着储罐容积增加，需要的天数会更多。 

(4)环境温度取极端最低温度-40.2℃，增加保温层厚度，计算了不同容积储罐的罐内液体温度由初始温度0℃下降到-15℃对需要时间τ的影响 

通过分析和实际的计算结果得知：保温层厚度由100mm增加120mm，100m³甲苯储罐由初始温度0℃下降到-15℃需要的时间由20天增加到24天，但随着储罐容积越大，需要的天数将会延长。 

3无热媒输入的大型常压碳钢储罐设计温度的确定及钢材的选择 

通过计算，100m³甲苯储罐在保温层厚度100mm，室外极端最低温度-40.2℃的情况下，储罐内液体温度由初始温度0℃下降到-15℃需要时间τ为20天；相同条件下300m³甲苯储罐可维持-15℃以上温度的时间为30天，而且储罐越大，维持-15℃以上温度的时间越长。 

如果保温层厚度改为150mm，室外极端最低温度-40.2℃的情况下，储罐内液体温度由初始温度0℃下降到-15℃需要时间τ为29天；相同条件下300m³甲苯储罐可维持-15℃以上温度的时间为42天，而且储罐越大，维持-15℃以上温度的时间越长。 

通常在一年中最冷月份，由于白天有日晒，往往白天温度稍高，储罐散热较少；夜晚温度较低，储罐散热相对白天较多，取环境温度为最冷月 份平均温度-17.9℃时，100m³甲苯储罐在保温层厚度100mm的情况下，储罐内液体温度由初始温度0℃下降到-15℃需要时间τ为82天；相同条件下300m³甲苯储罐可维持-15℃以上温度的时间为134天，而且储罐越大，维持-15℃以上温度的时间就更长。 

综上所述，根据《石油化工储运系统罐区设计规范》SH3007-1999的规定，铁路运输或公路运输的原料或成品最长储运天数按20天计，则其操作温度不可能达到-19℃以下，无热媒输入的大型储罐，在有合适的保温层隔热的情况下，设计温度可取-19℃。因此对于常压储罐，碳钢材质的选择可以由低温钢(16MnDR)改用为价格相对低廉的普通碳素钢Q235-B。筒体1外设保温层2，保温层2外设保护层3，保护层3可以是镀锌铁皮或铝皮，也可以是金属网，水泥抹面。 

4、进料管的特殊设计，保证物料进料均匀，有效预防因电火花引发爆炸事故的发生。 

易燃易爆液体储罐进料管采用罐壁下部进料，并伸至储罐内，伸入罐内长度L为2/3R～1R，R为储罐的筒体半径，在进料管尾端设多个均匀分布的小孔，所有小孔的流通面积和流量不能小于物料进料需要的的进料管的截面积和流量，小孔面积之和为1.5～2倍进料管的横截面积。此设计保证了物料进料的均匀性，并有效防止了由于摩擦和撞击引发的电火花导致爆炸事故的发生，有利于安全生产。 

5节约成本估算 

取碳钢钢材16MnDR与Q235-B的差价按2200元/吨计算。不同容积的固定顶罐和内浮顶罐材质降低后节约的成本见表1-5和1-6，可以看出储罐越大，节约的成本越多。 

本发明在理论研究和实践应用上都具有重要价值。 

表1-5  100m³～30000m³固定顶罐节约成本名细表 

表1-6  100m³～30000m³内浮顶罐节约成本名细表 

Claims (3)

1.一种适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐，

A、适于寒冷地区，最冷月平均最低温度大于-40℃，该储罐为无热媒输入的大型常压碳钢储罐；

B、储罐容积100～30000m³，操作压力为大气压，设计压力为充满液体，工作温度为环境温度，根据加保温层后的传热计算，设计温度，以低温取-19℃，高温取60℃为基准；

C、储罐为立式固定顶罐或内浮顶罐，内浮顶罐适用于沸点低于45℃的甲_B、乙_A类液体，固定顶罐适用于乙_B类及以下等级的液体，所述的甲_B、乙_A、乙_B类液体，应符合《石油化工企业防火设计规范》GB50160-92规定；

D、储罐内介质应为无腐蚀性、不易聚合、无洁净要求，且沸点低于45℃以下的液体；

这种大型常压储罐特征在于；

储罐筒体(1)采用普通碳素钢Q235-B制成，筒体(1)内设内浮盘(4)、筒体(1)外设有80～200mm厚的岩棉保温层(2)，保温层(2)外设有保护层(3)，储罐进料管(5)自罐壁下部进入，进料管伸至罐内。

2.按照权利要求1所述适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐，其特征在于，所述进料管(5)，其伸入罐内长度L为2/3R～1R，R为储罐的筒体半径。

3.按照权利要求1或2所述适于寒冷地区无热媒输入的大型常压储罐，其特征在于，所述进料管(5)，其上设有多个小孔，小孔均匀分布于管的尾部，小孔面积之和为1.5～2倍进料管的横截面积。

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