储罐冷冻循环系统的设计与探讨

（中石化宁波工程有限公司上海分公司，上海 200030）

关键字：甲基丙烯酸甲酯；冷冻外循环系统；外循环换热器；HTRI

甲基丙烯酸甲酯（MMA）是一种重要的化工原料，作为聚合单体用于生产聚合物和共聚物，如有机玻璃（PMMA）、聚氯乙烯抗冲助剂ACR 等。MMA广泛应用于汽车、建筑、树脂加工、涂料等诸多行业，具有广阔的市场空间和发展前景[1]。MMA 易燃易爆，属于甲B 类可燃液体，在受到热、光、紫外线和催化剂作用下，容易发生聚合反应，使MMA 的黏度增大，色度和透明度下降，不仅影响MMA 产品品质，还会对设备的安全带来隐患。因此，MMA 储罐一般采用低温存储，密闭输送，当其储存周期在两周以上时，应设置冷冻循环系统和阻聚剂添加系统[2]。本文从分析计算MMA 储罐的冷冻循环系统出发，为MMA 储罐的设计提供依据。

本文以罐区两台单罐容积3 000 m3MMA 储罐为例，对MMA 储罐的冷冻循环系统的设计进行分析和探讨。

1 冷冻循环系统冷量的确定

MMA 储罐选用阻燃型硬质闭孔聚氨酯泡沫作为保冷层，保冷层的计算见GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》[2]。当设备和管道公称直径大于1 m 时，应按平面计算保温层厚度。确定保冷厚度时应根据工艺要求确定保冷计算参数，在无特殊工艺要求时，应按最大允许冷损失量计算保冷层厚度，并用经济厚度计算法对绝热层厚度进行校验调整，根据确定后的保冷绝热层厚度计算冷损失量，以确定整个储罐系统所需的冷冻循环系统冷量，计算过程如下[3]。

最大允许冷损失量，应按下列公式进行计算

对平面型单层最大允许热、冷损失下绝热层厚度应按式（3）进行计算。

根据平面型绝热层经济厚度计算对绝热层厚度进行核算调整，见式（4）：

根据绝热层经济厚度计算实际保冷厚度：

在实际保冷厚度圆整后回推保冷层厚度，并以此计算平面型单层绝热结构热、冷损失量，见式（6）。

其中公式的出处和符号意义见GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》[2]。在计算保冷时，环境温度Ta按防结露厚度计算和最大允许冷损失计算时，应取夏季空气调节室外计算干球温度；按经济厚度计算时，取历年年平均温度。绝热层外表面与周围环境的换热系数αs在防结露和允许冷损失量的保冷计算中取8.141W/ （m2·K）；按经济厚度计算时应根据历年年平均风速计算。

根据公式（1）分别计算得最大允许冷损失为-35.0W/m2，根据最大允许冷损失由式（3）计算绝热层厚度为16.6 mm，根据经济厚度由式（4）计算的绝热层经济厚度为34.7 mm，保冷厚度修正系数K取1.2，根据式（5）计算得保冷材料厚度（D1-D0） /2为28.9 mm，圆整后取保冷材料厚度为30 mm。并根据式（6）、（7）计算冷损失量及总冷损失量，具体计算参数及结果见表1。

表1 系统冷量计算表Tab.1 Calculation table of the system cooling loss

根据表中计算结果可知，对两台单罐容积3 000 m3MMA 储罐为例，其总冷损失量为-25.8kW，以此作为设计外循环换热器的基础。

从计算结果可得，虽两台储罐表面积较大，但由于储罐整体保冷，其总冷损失量较小。因此对于有储存温度要求的储罐，储罐采取隔热措施也是很有效的一种防护手段。此外，储罐采取隔热措施还能够大幅较少储罐“呼吸”造成的氮气和油气损耗，在节约氮气消耗的同时还能减少后续尾气处理的能耗。由于总冷损失量较小，所需换热面积较小，外循环换热器可选择间歇和连续多种方案，给外循环冷冻换热器的设计保留了多种方案的可能性。

外循环换热器换热负荷的计算是整个冷冻外循环系统设计的基石，因此其计算尤为重要。在查阅书籍及规范并未查到关于外循环换热器换热负荷计算的相关设计过程。在查阅文献中发现有文献 [4]油品储罐内局部加热器的计算方法来计算冷冻循环系统的冷损失量，但在《油品储运设计手册》[5]中有说明该方法针对性强，仅适用于热源为中低压蒸汽的储罐内排管式加热器，该方法能否用于冷冻外循环系统有待商榷。在规范GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》[2]及《油品储运设计手册》[5]均有根据保温厚度计算设备和管道的冷损失量的相应计算过程，工程应用中也以此为依据选择设备保温壁厚，因而笔者认为此规范中冷损失量计算方法的准确度满足工程中冷冻循环系统的冷负荷确定的需求，可以用来确定储罐的冷损失量，从而确定冷冻循环系统设备选 型。

2 外循环换热器的计算

使用HTRI 作为计算工具来核算各方案换热器。换热器选型计算中，由于冷热介质进出口温差不大，且介质较洁净、不易腐蚀，可选用BEM 型式换热器。换热器长径比在4 ～ 7。考虑MMA 毒性，MMA 流体走管程，冷冻水走壳程。为提高管内流体流速，增强换热过程，管侧选用双管程。由于换热过程无相变，可选用25 mm 外径换热管，按30°布置，换热管实际管数一般为软件计算管数0.9 ～ 0.95 倍，以便满足实际工程中换热器布管的需要。折流板选Single-segmental 型式，折流板间距选200 mm，无防冲挡板。

MMA 储罐冷冻循环系统冷负荷除满足平衡储运系统总吸收热量外，还应使储罐内MMA 始终在合理温度范围内，防止聚合过程的发生。MMA 在30 ℃以上易发生聚合反应，一般而言MMA 储存温度不超过20 ℃，现储存温度定为10 ℃，换热后温度设定为5 ℃。由于储罐吸收外界热量过程主要发生在日间，而夜间气温较低，可停用循环冷却系统[4]，因此有连续和间断两类运行方案，可设计多种外循环换热器运行方案。

外循环换热器的计算需要明确设计方案，方案的不同会影响循环量、换热负荷、换热面积等多个参数来决定换热器及机泵规格[6]。可通过换热设备运行时间确定换热器换热负荷及循环量，从而确定换热器及机泵选型。换热器换热负荷的计算过程见公式（8）。

式中τ——换热器运行时间，h；

Qex——换热负荷，kW。

根据现有情况，共选择三种设计方案。方案1为连续运行方案，方案2/3 为间歇运行方案。方案1为24 h 连续运行，换热器冷负荷与冷冻循环系统冷损失量相同，换热器考虑30%换热面积余量，MMA循环量为12.4 m3/h。方案2 可在化工厂每天日间操作班组中连续开启循环泵8 h，换热器冷负荷是冷冻循环系统冷损失量的3 倍，换热器考虑30%换热面积余量，MMA 循环量为37.3 m3/h。方案3 可在化工厂每天日间操作班组中连续开启循环泵4 h，换热器冷负荷是冷冻循环系统冷损失量的6 倍，换热器考虑30%换热面积余量，MMA 循环量为75 m3/h，与MMA 装船泵流量相同，可只增加一台机泵，与装船泵两开一备共用。间歇方案中，停用冷却循环系统时，储罐内储存液会随之升温，可根据储罐存储液量计算储存液体温升。储罐在90%高液位及10%低液位的情况下，方案2/3 间歇工况所造成的温升后储罐内储存温度仍在合理范围之内。

表3 给出了三种方案换热器及泵的选型信息。方案1 需增加一台换热器及两台机泵，方案2 需增加一台换热器及两台机泵，换热器尺寸及电机功率与方案一相差不大。方案3 循环冷却泵可与MMA 装船泵共用，只需增加一台机泵，可节约设备购置费用，便于设备检维修管理。但由于方案3 外循环量大，换热器尺寸及机泵电机都有增大，且机泵多工况共用所选扬程偏高，方案3 电机功率增大较多。

表2 外循环换热设计方案Tab.2 Comparison of external circulation heat exchange design schemes

表3 方案设备选型Tab.3 Scheme equipment selection

为了进一步比较三种设计方案的经济性，表4中给出了三种方案设备购置费及年消耗的比较。三方案年冷量消耗量相同，但用电量消耗差别较大，此处按电量0.67 元/ （k·Wh）计算年用电费用，并与换热器及机泵的购置费用共同列于表4 中。从表中可以看出，方案2 与方案1 设备购置费相差不大，由于机泵间歇运行，方案2年用电费用低于方案1，所需用电消耗仅为方案1 的50%，极大地节省了电能消耗。方案3 由于只增加一台机泵，设备购置费较方案1/2低。但由于方案3 机泵轴功率较高，日常运行用电消耗很大，是方案2 用电消耗的3 倍。从设备购置费用的角度，方案3 更为经济；但从长期运行的角度，间歇方案2 更为经济，较方案3 多花费的设备购置费可在3.2年内收回。

3 结束语

由于MMA 储存介质的特殊性，需设置储罐冷冻外循环系统。在设置过程中需要确定设计方案，以便确定换热设备及循环泵的选型。本文对冷冻循环系统冷损失量的计算方法进行了探讨，并以某项目MMA 储罐冷冻循环系统实例计算储罐冷损失量，文中结合换热计算软件HTRI 对比了外循环冷却器计算的三种方案，希望可以为读者提供冷冻循环系统冷量计算及设备选型的思路，与读者共同探讨，以加深对冷冻循环系统设计的理解，以达到优化冷冻循环系统设计过程的目的。

表4 设备购置费及消耗Tab.4 Equipment purchase cost and consumption