立式常压储罐的设计分析

王观东

（中石化巴陵石化公司，湖南岳阳 414014）

0 引言

立式常压储罐是指建造于地面，设计压力小于0.1 MPa，用于储存非有毒性石油、非人工制冷等液体的钢制焊接储罐，在炼油行业中被广泛使用。立式常压储罐一般由固定顶罐、内浮、外浮顶罐、储罐高度、溢流保护和伴热盘管等组成，这些结构也是设计时需要重点考虑的问题，其设计的合理度将直接影响到储罐能否安全、正常、经济地储油。下面将对立式常压储罐（以下简称“储罐”）的各个设计方面进行计算和探讨。

1 高度计算

正常情况下，储罐的容积可为三部分，分别是：①可用的有效容积；②底部用于满足泵净正吸入压头或保护浮盘等需要保留在罐底的最小操作容积；③罐顶用于液体膨胀或保护浮盘所需容积。设计储罐时，需要先对其高度进行计算。

H1为储罐顶部与储罐壁角钢下沿与最高液位之间的距离。固定顶罐规定为泡沫生产器下端至储罐壁顶端的距离。

H2是最高液位与高液位之间的距离，固定顶罐和浮顶罐一般都规定为10～15 min、储罐最大进液量折算高度与泡沫混合液厚度、液体膨胀高度的安全裕量之和，取0.3 m。采用PC-4 型、PC-8 型、PC-16 型泡沫生产器时，H1分别为0.213 m、0.240 m 和0.303 m，对于外浮顶罐，H1与H2之和为罐壁顶以下1.5 m 左右，而钢浮盘的内浮顶罐，H1与H2之和为罐壁顶以下1.0 m 左右。泡沫产生器下缘到罐壁顶端的高度，在没有泡沫产生器时H1是0，而浮顶罐的H1为罐壁顶端与设计的浮顶底面最高位置之间的距离。

H3是高液位与低液位之间的距离，其值为储罐总的有效停留时间乘以储罐最大进液量再除以储罐截面积。

H4低液位与最低液位之间的距离，由固定顶罐和浮顶罐在3 min 内最大的泵出量折算出。

H5最低液位与罐底的高度。

储罐的高度为H1、H2、H3、H4、H5之和。

2 溢流保护措施

如果储罐的进料量比出料量大，那么储罐内的液体就会不断上升，一直到罐顶，致使储罐由于满罐压力增大而发生胀裂事故。为了避免这种情况，建议采用自动防溢措施：当液位仪表检测仪检测出储罐内液体到达最高处时，就会按照事先设定好的逻辑运算及时地将进料阀门关闭，避免液位继续上升而出现胀裂情况（图1）。这种溢流保护措施的投入成本较高。

如果储存的液体无毒、无害，也可以通过溢流管的方式来进行保护：图2a 的处理实施最为简单，只设置了一个溢流口，溢流口设置在储罐比较高的位置，通常还要高于最高位HHLL，当管内液体到达溢流口时就会自动溢出，不会继续上升；图2b 是从溢流口中向罐外延伸一段管线，将溢出的液体导向底部的安全位置，防止从溢流口流出的液体飞溅伤人；图2c 是在图2b 的基础上增加了一条向罐内的管线，其作用是如果罐内有毒气体或者可燃气体时，这些气体不能通过溢流口到达大气中。该管线一般在罐内最低位之下，但是也不能太过于接近罐底，防止罐内杂质堵塞溢流口。当储罐内液体不断上升直至溢流管满流时，液位便不再继续上升，罐内液体持续从溢流管流出，液位开始下降，但不会下降到图2c 的溢流口A 处就停止，而是会一直下降，直至外溢流管的最低处B 才会停止，这就是虹吸现象。虹吸现象发生时会出现物料损失、环境污染和人员伤害。为了避免该情况的发生，应该在倒U 形管的最高处设置破虹吸管，来消除倒U 形管内的真空。破虹吸管一般设置在倒U 形管的最高处，与大气进行连通。当储罐液未流至倒U 形管的最高处时，储罐内的气体就会进入倒U 形管内，让倒U 形管内的负压变为常压，从而杜绝虹吸现象的产生。

图1 自动防溢措施

2.1 溢流管径的计算

通过溢流管流出的液体大于或是小于储罐最大储液量，其管径可以采用式（1）来计算。

图2 溢流管的保护方式

其中，Q 是溢流管流出的液体体积；Cd为流量常数，当雷诺数大于10 000 时，Cd可以为常数，其值约为0.6；h 为溢流时储罐内液位与溢流管嘴中心线的高度差，如果没有数据，溢流时储罐内液位可以取罐壁的顶部；A 为溢流管的流通面积，A=0.785D2；g 为重力加速度，D 为溢流管径，L 为溢流管长度，f 为摩擦系数。

2.2 破虹吸管管径的计算

破虹吸管的管段一般是直的，其最高点一般比溢流口的位置高约5 m，管径一般为DN25 mm～DN80 mm。通常U 形溢流管径和长度与虹吸管的长度成正比。假设某炼油厂酸性水汽提装置的出水口采用图2c、用倒U 形管作为液封，设置的破虹吸管采用DN25 mm，破虹吸管顶部跟塔底的气相空间相连通，当塔液面高于倒U 形管的顶端时，酸性水就会从塔内流出，塔底的液面继续呈现下降趋势。这主要是因为破虹吸管的管径设置太小，不能快速将倒Y 形管内的真空破除。但是当破虹吸管的直径由DN25 mm 改为DN50 mm 时，该现象便不会出现。破虹吸管内的气相介质在管内按照绝热流动来考虑，其质量流动可以通过式（2）计算：

其中，G 是气相介质在破虹吸管内的质量流动，K 为气相介质绝热指数，P1、P2分别为气相介质进入破虹吸管和出破虹吸管时的压力，v1为气相介质在破虹吸管入口处的比体积，d 为破虹吸管的管径，l 为破虹吸管的长度，f 为摩擦系数。气相介质从破虹吸管进入溢流管，让溢流管内的压力从真空转变为常压，建议过程不超过5 s，否则就应该加大破虹吸管的直径。

3 储罐伴热

3.1 伴热型式和伴热介质

储罐的伴热形式主要两种，分别为外盘管和内盘管，内伴热盘管具有传热效率高的特点，结构比较简单，能够适应容器的形状，在储罐内部介质黏度较大且没有腐蚀性时，应该优先使用内盘管。不过当储罐内的介质呈酸性、碱性或者腐蚀性较大时，应该采用外盘管。

根据储罐不同的加热源，储罐的加热介质有蒸汽、热水、导热油和电：采用热水或者导热油进行伴热时，应设置相对应的加热循环系统；采用电伴热时，有耗电量较大、出现故障不易被发觉的缺点；蒸汽伴热有使用方便、冷凝潜热大、温度便于调节的优点，所以使用范围非常广泛。

3.2 储罐内的散热损失

储罐内的散热损失可以分为罐壁、灌顶和罐底的损失之和，可根据式（3）进行计算：

其中，Q 为储罐的总散热，K1为储罐的散热总传热系数，A1为罐壁、罐顶与罐底外表面积之和，t1为储罐内介质温度，ta为周围环境的温度。

K 的计算方式比较繁琐，而且很多数据不容易获取，所以：在设计初始阶段估算时，K 可以取1.74 W/（m2·℃）；计算灌顶散热损失时，无保温层时K 取0.3～0.7 W/（m2·℃），有保温层时K 取0.35 W/（m2·℃）；计算灌底的散热损失时，K 为0.23～0.47 W/（m2·℃）。

3.3 伴热管面积

其中，K2为伴热管内加热介质向储罐内介质散热的总传热系数，t2为伴热管内介质加热温度。

K2的计算过程很繁琐，表1 提供了不同条件下K2的经验数据。

表1 不同条件下K2 的经验数据

3.4 伴热盘管设计

伴热盘管不能太长，否则会导致管内的伴热介压降增加和出口侧温度大幅下降，从而增加伴热管传热面积。采用蒸汽伴热介质时，还可能导致不凝性气体难以排出，影响冷凝效果。因此，当传热面积过大、伴热盘管太长时，应该将多组盘管进行并联，管内的最大蒸汽流速不能超过25 m/s；采用液体伴热介质时，管内流速应不超过0.8 m/s，如果管内伴热介质流速太快，可以将伴热盘管设计为双管程或者四管程（图3）。

伴热盘管不仅仅局限于罐底，而是可以进行分层安装，使盘管内介质散热更好。伴热盘管直径不宜过大，否则加工会出现困难。一般常用的管径为DN25～DN65 mm。

图3 管程的设置

4 结束语

（1）在一些特殊的情况下，根据工艺要求可以增加一些储罐高度，如酸性水汽提装置，原料水罐除了储存酸性水原料之外，还有除油的作用，装置运行时约有40～80 cm 的油层附在原料水之上，所以在计算高度时应该包含这一部分。

（2）如果直径太小，破虹吸管就起不到破除虹吸的作用，建议破虹吸管进溢流管的气相介质在5 s 之内就将溢流管内的压力变至常压，否则就要加大破虹吸管的直径。

（3）伴热管不仅可以安装在罐底，也可以分层安装，从而使盘管内的伴热介质散热更加均匀、效率更高。当伴热盘管太长、流速过高时，应将多组盘管进行并联，以解决压力过大的问题。