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1、乙烯低温储罐安全设计乙烯低温储罐安全设计化工安全课程设计题 目 大型乙烯低温储罐安全设计 学 院 化学工程学院 专 业 安全工程 学生姓名 学 号 年级 指导教师 年 月 日大型乙烯低温储罐系统安全设计（安全工程专业）学生： 指导教师：摘要：近年来，我国乙烯工业取得了快速发展，已成为国民经济重要产业，并带动了精细化、轻工纺织、汽车制造、机械电子以及现代农业得发展。国家在十一五期间提出了乙烯工业“基地化、大型化、一体化、园区化”的发展模式。基于国家的各种政策和相关文件，在加之我过人口众多，工业和经济正在飞速的发展，我国对乙烯的需求量必将呈现大幅度增长的趋势。乙烯的大型化发展，必然要求乙烯的储存也

2、往大型化发面发展。因为，乙烯储存的单位质量费用随着储罐的体积的增加而减小；其次，大型化的乙烯储存，可实现集中管理和自动化控制，使得乙烯储存的安全性也增加了。然而，随着储罐的大型化，相应的安全要求也将更高，而且乙烯作为一种易燃易爆物质，一旦泄露发生燃烧与爆炸，引起的事故后果难以估量。因而保证乙烯储存的安全就显得尤为的重要。乙烯储罐的安全和环保是我国乙烯工业发展的强大的后盾。本设计对乙烯储罐自身的特点和存在的危险进行分析，在基于危险源辨识的基础上，划分工艺单元，对具体的工艺单元进行安全分析，并进行相应的安全设计。 关键字：乙烯 低温 储罐 安全设计第一章 概论1.1 背景介绍1.1.1. 国家关于

3、乙烯发展的要求 国家发改委文件：由于目前我国乙烯及下游主要衍生产品的自给率还较低，近期炼油产能趋紧，全国各地纷纷提出建设以炼油、乙烯为龙头的石化项目，尤其是沿海地区已开始显现争设石化或化工园区、竞相建设炼油、乙烯大石化项目的无序苗头，近期此风有蔓延趋势。 改革开放以来，我国石化工业取得了长足发展，2004年原油加工量和乙烯产能分别位居世界第二和第三，已形成比较完整的产业，基本适应国民经济和社会事业的发展需求。从世界石化工业发展历程和今后国内市场需求看，我国还需发展炼油和乙烯工业。但是也应清楚地认识到，我国石化工业存在着资源供应掌控能力不足、技术创新能力较弱、总体竞争能力不强等问题，而且面临国际

4、化进程加快、产品市场竞争加剧，跨国公司对技术和市场控制力增强、技术市场竞争激烈，亚太地区石化工业整体发展迅速、产能供大于求，资源供应趋紧，环境保护日趋严格等严峻形势和挑战。 我国乙烯专项规划编制情况和今后发展重点： 根据国务院要求，我委在充分调查研究和广泛征求有关部门和专家意见基础上，已完成了我国乙烯工业中长期发展规划的编制工作。根据我国乙烯工业现状，总结世界石化工业发展经验，分析今后需求和资源供应可能性，按照发展循环经济、提高自主创新能力、增强企业和产品竞争能力的总体要求，提出了“十一五”期间，我国乙烯工业的布局原则和结构调整重点。乙烯工业：坚持科学发展观，以提高乙烯工业整体竞争力和尽量满足

5、国民经济和社会发展需要为目标，主要立足现有企业改扩建，并根据市场、资源条件和地区布局调整，控制布点新建，统筹兼顾中西部地区的乙烯工业布局。采取“基地化、大型化、一体化、园区化”的发展模式，加快乙烯工业的能力建设、结构调整和产业升级，实现资源、规模、效益和环境的可持续发展。加快技术创新和装备国产化，带动相关产业的发展。加快新技术开发和转化进程，积极稳妥推进采用其他原料生产乙烯的工艺路线。在积极扩大生产能力的同时，调整装置结构，增产专用料等高附加值产品；做好乙烯及下游石化产品生产装置的成套工艺技术、催化剂技术以及新产品开发等工作，推进重大装备的国产化、本地化工作，促进我国装备制造业的发展。从环境保

6、护要求考虑，原则上不在主要河流上游安排乙烯项目，乙烯项目尽可能与炼油一体化建设。1.1.2. 我国乙烯发展现状及前景 （1）、我国乙烯发展现状： 目前，我国现有16家乙烯生产企业，18套装置。2004年生产乙烯62 7万吨，居世界第3位；五大类合成树脂1530万吨，居世界第5位；6种合成橡胶129万吨，居世界第4位；5种合成纤维1043万吨，居世界首位。2005年生产乙烯755万吨。过去15年，我国乙烯消费处于快速增长时期，当量消费量年均递增16.1%；同期 GDP年均增长9.3%，弹性系数1.7。十一五期间，乙烯需求仍保持较快增长。 近年来，我国乙烯工业技术装备水平显著提高，成功开发出大型乙

7、烯裂解炉、聚丙烯、丙烯腈、重质原料催化热裂解、SBS弹性体等成套技术，部分专用设备实现了国产化。三剂基本立足国内，达到或接近世界先进水平。大型乙烯工程建设由成套引进，转为仅引进工艺包和部分关键设备；由国外总承包转为国内自行设计、采购和组织建设。按照今年3月16日国家发改委公布的乙烯工业中长期发展专项规划要求，十一五期间我国将严格实行乙烯行业准入制度，全面提升产业规模、资源利用、安全环保水平。具体措施包括：乙烯项目建设要符合产业布局和 基地化、大型化、一体化、园区化的发展要求；新建乙烯项目原则上要依托现有大型炼油企业，实行炼油化工一体化；新建乙烯项目单线规模达到80万吨级以上；乙烯下游石化装置应

8、具有世界级经济规模；中外合资乙烯项目，外商必须拥有主要装置先进技术或原料供应能力，中方相对控股等。 （2）、我国乙烯发展的前景： 近年来，我国乙烯工业取得了快速发展，已成为国民经济重要产业，并带动了精细化、轻工纺织、汽车制造、机械电子以及现代农业得发展。基于国家的各种政策和相关文件，在加之我过人口众多，工业和经济正在飞速的发展，我国对乙烯的需求量必将呈现大幅度增长的趋势。以此，乙烯的生产、运输和存储的量将会增大，各方面的要求也会更高。对乙烯的集中管理，不仅可以减少经济费用和提高效率，而且会会使得储存更安全。综上所述，乙烯的大型化储存将成为趋势，尤其是大型乙烯低温储罐储存，将是我国未来乙烯储存的

9、主要方式。1.2.乙烯储存技术乙烯贮存主要有两种方式,一是高压常温贮存,即通常采用几十毫米厚的钢板制成的球罐,其特点是储量小、站面积地大、投资多。二是采用国际上先进的低温冷冻储罐贮存。低温冷冻罐贮存,其优点是单罐储量大、投资小占地面积少,且操作安全。乙烯低温冷冻储罐冷却水供给强度按0.25 计, 用于高于防火堤部分罐壁和罐顶的消防(当时由于没有明确的设计规范, 因此, 在设计此项目时, 根据API2510A 标准, 冷却水强度为04.06。参照国外有关规范,由甲方会同设计单位与当地消防审查部门进行协商确定了本工程消防设计方案, 冷却水强度采用0.25 ,即4.17。乙烯低温冷冻储罐喷雾喷头工作

10、压力0.20MPa 。乙烯低温冷冻储罐消防采用固定式消防冷却供水系统, 其系统的供水能力应满足消防冷却总用水量的要求。固定式消防冷却水系统除采用固定式喷雾系统外,还设有固定式远距离遥控防爆水雾、直流水炮系统。1.3.乙烯低温储存基本理论1.3.1. 乙烯低温储存原理存储低温乙烯采用压缩、撤热和节流膨胀制冷原理，以达到保温的目的。具体工艺是：储槽顶部挥发的乙烯气体经过压缩机压缩至7080 、5.0MPa，用30左右的循环水将其冷却到40左右，再经节流膨胀管制冷，以达到对储罐中低温液态乙烯的保温。保温冷量的调节是通过对低温液态乙烯储罐顶部的气相乙烯的抽吸、压缩而得到自控调节的。乙烯在进人系统使用前

11、，与冷冻盐水进行换热，一方面将液态乙烯升温，使之接近新鲜乙烯进人反应器前所具有的一定温度和压力，另一方面利用乙烯的冷量将盐水冷却到一7以供大系统使用。1.3.2. 乙烯低温储存的优点随着低温储存乙烯技术在国内的大量使用，人们对低温储存乙烯技术的优胜有了进一步的了解。低温储存乙烯技术的真正优胜在于完成相同的储存任务，低温储罐的体积小于其他方法，这是由于液态烃的物性所决定的。温度越低乙烯的密度越大。乙烯储存系统：由低温储罐、附属管线及控制仪表组成。乙烯低温储罐采用绝热保冷设计。由于有外界热量或其它能量导入，例如储罐绝热层、附属管件等的漏热、储罐内压力变化及输送泵的散热等，会引起储罐内少量乙烯的蒸发

12、。正常运行时，罐内乙烯的日蒸发率约为0.06%0.08%1.4.大型乙烯低温储罐系统1.4.1. 研究背景最近三四十年来，储罐向大型化发展的趋势已成定局，1962年美国首先建成了10 浮顶储罐，1967年在委内瑞拉建成了15 的浮顶储罐。1971年日本建成了16 的浮顶储罐，其直径达109m、高17.8m，沙特阿拉伯建成20巨型储罐，其直径达110m、高22.5m。我国自1985年从日本引进10浮顶储罐的设计和施工技术并在秦皇岛建造之后，在全国各地相继建成10大型储罐近30台；于2003年在茂名石化公司建成两座12.5浮顶储罐，目前在仪征已开始建设国内最大的15原油储罐。此外，储存石油液化气和

13、天然气（液化）的低温储罐也是储罐建造的发展方向，在国外已较普遍应用，我国目前还是处于刚起步阶段。 大型储罐建设的经济性和安全性已经成为人们日益重视的课题，根据有关资料分析：储罐容积越大，单位容积的钢材耗用量指标越低，建罐投资相应节省，同时罐区总占地面积也越小。但最为经济的是12.5浮顶储罐，15和10次之，容积5储罐的经济性最差。从目前我国现有储罐来看，绝大部分储罐的容积不超过5。因此，我国的储罐必须向大型化方向发展，应以12.5为首选对象，尽可能避免建造5及其以下的小容积浮顶储罐。 1.4.2. 研究现状目前我国建造5及以上储罐所使用的高强钢板，大多是日本产SPV490Q钢，极少部分是国产钢

14、材。国产钢材主要是16MnR，因其强度较低，使5万m3浮顶储罐下部第一节壁板厚达34mm，给大型储罐的建造带来了很大困难。由武汉钢铁设计院、北京燕山石化公司、合肥通用机械厂、中国石化北京设计院组成的攻关小组，对07MnCrMoVR钢进行研究开发，并用于北京燕山石化公司3台10浮顶储罐。今后，为了满足我国大型储罐建设发展的需要，应进一步研制高强度钢材，提高国产大型乙烯储罐的能力。5储罐是目前国内容量最大的储罐。与10储罐用钢相比，其底部的钢板更宽、更厚，对焊接性能也有着特殊要求。在已建的同类型储罐中，国内依赖于进口钢板，价格昂贵。近两年，我国启动超大型储罐国产化研究项目，以提升装备技术得自主创新

15、能力。在国家发改委得组织下，中石化与宝钢、合肥通用机械研究院等单位联合开展了“高强度b610e储罐用钢”研制。今年初，国内权威专家在对宝钢b610e产品评审时指出，宝钢产品各项性能指标达到了国外同类产品水平，完全具备建造超大型储罐能力。1.5 本课题研究目的和任务 提高我国乙烯工业的国际竞争力是当务之急，其涉及石化工业的体制机制、技术开发和创新能力，产业结构调整、市场营销服务等方方面面的问题，非短期内能奏效，但是提高竞争力的关键是要加快技术进步，增强安全环保意识，从本质上促进生产力的增长。随着储罐的大型化，相应的安全要求更高，而且乙烯作为一种易燃易爆物质，一旦泄露发生燃烧与爆炸，引起的事故后果

16、难以估量，因而保证乙烯储存的安全就显得尤为的重要，发展和安全都在于细节的把握，乙烯储罐的安全和环保是我国乙烯工业发展的强大的后盾。本课题的研究任务就是对大型储罐系统进行相应的危险源辩识，并进行安全分析和安全设计。 第二章 工艺过程简介2.1 乙烯的几种贮存方式与简单比较2.1.1. 加压法 （1）工艺流程 乙烯分离流程中如采用高压乙烯精馏方案时，一般由乙烯精馏塔的侧线采出液态乙烯(2.OMPa,-30左右)可以直接输送至球罐贮存，球罐内的液态乙烯经乙烯产品泵加压，加热汽化和过热后送出。 正常操作时，球罐因冷损失蒸发的气体通过气相管线返回乙烯精馏塔。在乙烯装置停产时，气化的乙烯放人火炬系统。送至

17、乙烯装置的下游加工装置的乙烯一般在常温气态下用管线输送。一般用丙烯冷剂或甲醇进行加热和汽化操作。 （2）储存设备 贮存乙烯的采用的容器主要是球罐。与圆筒形立式或卧式贮罐比较，在相同的压力和直径下，球罐的受力情况最好，钢材消耗量也较小。此外，球罐还具有占地面积较小，维护简单，土建工程量小等优点。球罐的材质在很大程度上决定了球罐贮存乙烯的先进性，国内过去一般进口国外板材(如LT-50-V-40G等)，现在也可以采用国产板材(如CF-62钢等)，做到选材国产化。2.1.2 . 低温法 （1）工艺流程乙烯低温贮存的操作条件是:操作压力接近常压(正常操作压力0.102-0.112MPa )，操作温度略低

18、于常压沸点-103.8)。为处理界外输送来的高压乙烯产品、回收由于外界热量或其它能量导人，引起的贮罐内少量乙烯的蒸发，低温法贮存乙烯需建设一套较加压法复杂的完整工艺流程。典型的工艺图见图2-1。图2-1.低温储罐储存乙烯产品工艺流程简图 由乙烯精馏塔的送来的液态乙烯经过预处理进人低温贮罐贮存，罐内的液态乙烯经乙烯产品泵加压，加热汽化和过热并回收冷量后送出至下游用户。 正常操作时，低温贮罐因冷损失蒸发的气体通过乙烯压缩机加压，再经过制冷机提供的冷剂冷凝冷却，最终被回收回到低温贮罐。在事故时，气化的乙烯放人火炬系统。过去普遍认为，低温乙烯贮存技术复杂，自动化水平要求高，实际上自1966年提出低温常

19、压贮存这项技术以来，低温贮存液化气产品，在LNG及合成氨工业中运用非常广泛，随着科学技术的进步，利用低温贮存技术储存乙烯也被人们逐步接受。 （2）主要设备 低温乙烯贮罐:一般为耐低温金属壁壳圆形拱顶罐，由耐低温合金钢制成(一般为9%Ni钢)，罐外用高效绝热材料保冷，最大限度降低冷损。减少系统的能耗。其他设备:由于低温法工艺需要，因此还需要乙烯蒸汽压缩机、冷冻压缩机组、换热器、安全火炬、分离罐等设备。2.1.3 .盐洞贮存乙烯上世纪七十年代石油危机后，美国从其战略储备的要求出发，采用了盐洞贮存技术，在美国本土合适的地区建成地下盐洞数十个，用于贮存石油、石油液化气、乙烯、乙烷、天然气等战略物资。据

20、报道，盐洞深度一般在900-1500m之间，乙烯贮存压力为10-12MPa。洞底温度约在45左右。乙烯由压缩机送人盐洞贮存，使用时，由盐洞中送出的乙烯需要经过分离罐分离水份，再经干燥后输送到用户。2.1.4. 三种贮存方案的简单比较 三种乙烯贮存方案中，加压法较为常用，低温法近年来也得到了大量的运用。而盐洞法由于其建设地点的特殊性，运用较少。三种贮存方案的简单比较如表1所示。 表1三种贮存方案简单比较表加压法 低温法 盐洞法优点可以耐受高压。在相同的压力和直径下，球罐内应力最小，钢材消耗最小。占地相对较少。配套设备少，维护简单。土建工程量小。常压储存。单台容积较大。有利于乙烯物料的大规模长途运

21、输、装卸。贮存大型化从而降低了贮运成 .储运安全可靠充分利用自然资源。建设和经营成本低。不渗翻，自封闭能力强。安全性高。对环境危害小。地上配套设施少。缺点设备材质要求高。应力分析设计在我国起步较普通压力容器晚。 整体热处理复杂。现场安装焊接要求高。 设备材料要求高。配套设备多，需要一整套制冷流程。自动化水平要求高。国内尚无前例。建设地点相对有限制。国内在盐穴设计、监控技术、盐井热交换技术等方面与国!外还有明显差距。2.2 乙烯低温储存工艺简介2.2.1. 工艺技术 乙烯低温贮运的原理是：在接近常压(正常操作压力102l12kPa)下和略低于沸点(常压下沸点-103.71)贮存和运输。低温乙烯贮

22、罐容量较大，单台贮存容量达数干立方米至数万立方米，适合需要销售和外购大量乙烯的地区。 该低温乙烯贮存装置的工艺流程如图2-1所示。由船上乙烯罐T-03卸来的乙烯经气相输油臂Y02、液相输油臂Y01分别与气体返回线、液相进料线相建，温度约104C的液态乙烯经液相进料线直接由常压低温乙烯贮罐T01的喷嘴进罐，流量计将记录液态乙烯流过的量。气相乙烯线是为平衡船上乙烯罐T03和岸上常压低温乙烯罐T01的压力而设置的，这条线分别与火炬(只在事故状态才用)、闪蒸气压缩机c02和循环气压缩机C03的第一级、乙烯过冷器K01的壳层相连。气态乙烯将由于压差，由船上流人乙烯过冷器E0l，或由闪蒸气压缩机c02和循

23、环气压缩机C03的第一级流到船上。在此过程中，气相乙烯线上的流量计将记录下流过的乙烯量并能给出方向(即是流向常压低温乙烯略T01或船上乙烯罐T03)。常压低温乙烯罐T01内的液态乙烯通过泵P01AB输送到码头，流量计将自动记量液态乙烯输出量，气相乙烯线上的流量计将计量气态乙烯返回量。P02、P03为两台返输泵，液态乙烯经P02升压到2600kPa后送到乙烯加热器E02，E02将乙烯加热到约37辽，再通过管线输送到烯烃厂压力球罐T02，或经P03加压到4000kPa后送到乙烯蒸发器E03，蒸发气化到约30后经过气态乙烯返输线送至烯烃厂。 由烯烃厂乙烯球罐T02来的乙烯由泵P04加压到4100kP

24、a，经外管进入闪蒸罐D01，温度约20。气相进氨冷却器E04后返回D0l罐，并与D01罐中的液态乙烯一起经节流膨胀阀节流膨胀后进入D02闪蒸罐，温度降至约56。 D02中的乙烯约25经节流膨胀网节流膨胀后进入乙烯过冷器E01的壳程闪蒸，温度降至101102，作为E0l的冷源。D02中的乙烯约75进入乙烯过冷器E01的管程，与E01壳程的l01乙烯进行热交换，冷却到97，再经节流膨胀阀节流膨胀降温到约103，压力降至107kPa后由低温乙烯略T0l的喷嘴进罐。20在E01壳程中蒸发的乙烯气相进入压缩机的级人口压缩制冷，再送人D01中如此循环达到制冷的目的。常压低温乙烯罐T01不断与环境热交换，罐

25、内温度逐渐升高，乙烯气化量增加，当罐内气相温度达到90时蒸发气压缩机C0lAB自动启动，温度降至98停机。气化的乙烯由喷嘴出来，进入蒸发气压缩机c01AB人口，压缩机出来的乙烯通过管线进到冷冻单元冷却器E04中冷却成液态乙烯后流到一段闪蒸罐D01。罐中的液态乙烯靠重力流到管线，并经管线上的节流膨胀阀降温降压生成气液混合物。两相乙烯流到二段闪蒸罐D02中进行气液分离，部分液态乙烯流到乙烯过冷器E0l的管程，部分液态乙烯经管线上的节流膨胀阀再次降温降压后流到乙烯过冷器E01的壳程，作为冷却管程乙烯的冷源。管程乙烯与壳程乙烯经过直接换热降温至97左右，进入管线并经管线上的节流膨胀阀后冷却至103左右

26、，压力降至107kPa，最后经管线由常压低温乙烯罐T01的喷嘴进罐。每日蒸发量约为略容积的0.08。图2-2 常压低温乙烯储存装置的工艺流程2.2.2. 设备介绍 低温乙烯贮存装置包括一台双层金属壁壳常压低温乙烯贮罐(T01)、4台往复式压缩机、2台氨制冷机、4台低温乙烯输送泵、5台套换热器、3台容器、一座火炬、 台钻油臂.表2-1. 设备及工艺指标一览表位 号设备名称容量/功率设计温度/设计压力/kPaT-01乙烯储罐净工作容积9000-1076015/-0.5E-01乙烯过冷器热负荷327kW壳层：-10760管层：-10760壳层：400管层：1100E-02乙烯加热器热负荷1.576k

27、W壳层：-4390管层：-10760管层：-10180壳层：-1003000管层：3500管层：-100600E-03乙烯蒸发器热负荷3.295 kW壳层：-10100管层：-10780管层：-1018005400管层：-100600E-04氨冷却器热负荷1.43 kW壳层：管层：-45602800E-05乙烯蒸发器热负荷121.8 kW-107501530P-01A/B乙烯输出泵流量250 /h电机功率kW-1076016001800P-02乙烯返输泵流量65.5/h电机功率95kW-1076025003500P-03乙烯返输泵流量35.4/h电机功率95kW-1076016005600C-

28、01A/B蒸发气压缩机（包括级间冷却和后冷器）轴功率60kW电机功率80kW-107130-40130-1016040011002800C-02闪蒸气压缩机（包括级间冷却和后冷器）轴功率496kW电机功率570kW-10760-50130-2516040011002800C-03循环气压缩机（包括级间冷却和后冷器）轴功率496kW电机功率570kW-10760-50130-2516040011002800C-04A/B氨制冷机轴功率439 kW电机功率500 kWD-01乙烯闪蒸罐20.996kg/h-45602800D-02乙烯闪蒸罐20.996 kg/h-80601100D-03排污罐-1

29、0760400Y-01/-2输油臂500 /h-107501530Y-02返输线输油臂327 /h-107501530Y-03火炬-107501530 该装置的主要设备是低温乙烯贮罐、住复式压缩机、制冷机、乙烯输送泵、乙烯加热或蒸发器，共同的特点是在低温或超低温下运行。下面叙述有关主要设备的情况。 (1)低温乙烯贮罐 国内位于扬子石化公司和上海石化(股份)公司的常压低温乙烯贮绍都是德国林德公司的技术专利，是低温乙烯贮存装置的关镊设备，其工艺设计参数如表2-2.表2-2 低温乙烯储罐的工艺设计参数项目指标项目指标罐直径/mm30000设计压力（G）/kPa15/-0.5介质液态乙烯-10760密

30、度/(kg/)569107标定容量/t5000-103净工作容积/9000常压低温乙烯罐的结构如图2-2所示，为双层外拱顶形式，内罐吊顶悬挂于外罐顶的结构，这种贮罐的结构形式是为了满足在103、107kPa操作条件下贮存液态乙烯。内罐为圆柱型吊顶式结构的金属罐，罐底、罐壁的材质为9Ni钢(A 353)，吊顶悬挂在外罐的顶部。外罐为拱顶结构的金属罐，罐底及罐壁的第一层壁板为及罐顶采用普通碳钢(283)。内外罐之间的环行空间填满了珠光砂散料保温材料，内罐底与外罐底座之间的空间采用珍珠岩、矿物棉干砂泥凝土等保冷结构，内罐顶部装有铝合金吊顶，并有珍珠岩棉保冷。图2-3 常压低温乙烯贮罐结构简 由于常压低温乙烯贮罐的贮存温度低，在充人乙烯后其内罐收缩量很大。一个15000吨的常压低温乙烯贮罐(直径约328m)如内罐采用不锈钢，其直径收缩量约达46mm，如内耀采用铝，其直径收缩量约达90mm以上。因此，在常压低温乙烯贮罐的设计中必须充分考虑到温度变化产生的罐板径向收缩。 (2)往复式压缩机 乙烯压缩机选