二硝基甲苯储罐伴热系统可靠性分析及设计优化

张德志 杨向东

中海油石化工程有限公司 济南 250101

二硝基甲苯(DNT)是一种重要的化工原料，是甲苯二异氰酸酯(TDI)生产过程中的原料之一[1]，且在燃料、医药等行业中也有广泛的应用。传统的生产方法为甲苯和硝酸在硫酸的催化作用下反应，然后通过分离、洗涤等工序制得[2] [3]，产品多为2,4-二硝基甲苯和2,6-二硝基甲苯两种异构体的混合物[4]。二硝基甲苯的凝固点较高(66～71℃)，固态DNT虽然可以通过伴热水系统加热再融化后继续用于生产，但直接影响下游装置的连续运行，且固体DNT受外力撞击或DNT粉尘与空气混合容易发生爆炸危险，因此，为保证DNT缓存时的安全性，化工生产中一般将液态二硝基甲苯储存在设置有伴热的储罐中。

1 储罐伴热系统可靠性分析

1.1 工艺流程简述

二硝基甲苯作为TDI生产过程中的中间物料，常规设计储存在常压储罐中，并设置热水伴热系统。伴热系统为闭式热水循环系统，主要包括换热器、热水罐、热水泵及储罐伴热管道等设施，工艺流程简图见图1。

如图1所示，DNT储罐侧壁和罐底设置伴热管道，并设置保温层以减少热量散失。闭式热水循环系统通过控制加热蒸汽的流量来控制伴热水的上水温度，经换热器加热后的热水通过泵输送至储罐外部盘管进行伴热。

图1 DNT储罐常规伴热系统工艺流程简图

1.2 可靠性分析

DNT储罐的安全风险主要源于罐内温度的降低而使DNT凝固，而罐内温度的保证主要依靠储罐伴热系统，因此储罐伴热系统的可靠性显得尤为重要。储罐伴热系统可能存在的风险主要有以下2种情况：

(1)断电。因特殊情况生产装置会出现断电的可能，此时热水泵将无法正常运行，DNT储罐则无法获得稳定的伴热温水进行伴热，长时间会造成储罐内热量散失，温度下降至DNT的凝固点，罐内液体凝固，影响下游装置的正常生产。另外相比于液态DNT，固态DNT的危险程度更大，一但与空气接触容易发生爆炸危险。

(2)蒸汽中断。因特殊情况生产装置也会出现蒸汽中断的可能，此时加热器将无法正常换热，来自储罐的伴热水回水不能进行加热升温，伴热系统则无法提供所需的伴热水温度，时间一长也会造成罐内温度下降至DNT的凝固点导致DNT凝固。

2 设计优化

2.1 工艺流程优化

在图1工艺流程的基础上，结合第1.2节中对断电和蒸汽中断两种工况的分析，分别采取以下工艺优化措施：

(1)针对断电工况，设置备用热水泵，并将热水泵的供电等级设计为一级，配备柴油发电机紧急供电。当生产装置正常供电中断时，柴油发电机可及时启动，为热水泵提供紧急电源，保证闭式伴热水循环系统的连续、稳定运行。

(2)为避免蒸汽中断带来的风险，在热水泵的出口管线上增设电加热器，同时设置电加热器旁路管线。正常情况下(蒸汽正常供应)，伴热水经电加热器的旁路输送进行闭式循环；当蒸汽中断后切换至电加热器系统，由电加热器对伴热水进行升温，保证储罐伴热水的不间断供应。电加热器自带电控柜，可自动调节出水温度及水温过热断电保护，满足伴热水水温的要求。

经过设计优化后的工艺流程简图见图2。

图2 DNT储罐伴热系统优化工艺流程简图

2.2 其他设计优化

储罐底部伴热管道通常采用点焊的方式固定在罐底，受罐底施工精度及储罐基础不均匀沉降等不确定因素影响，罐底伴热管存在破裂的风险，破裂的伴热管难以进行检修、更换，储罐的伴热则存在一定的安全隐患。

为应对可能发生的储罐底部伴热管破裂工况，对储罐底部伴热管布置及储罐支撑结构进行优化设计：① 尽量增多底部伴热管的分组数量，缩短单组伴热管长度，减少弯头数量；② 储罐底部采用工字钢支撑，将储罐安放在平整混凝土基础上，设计合适的工字钢间距，方便将破裂的伴热管管组从底部抽出进行检修和更换。

3 结语

本文对二硝基甲苯储罐伴系统的可靠性进行分析，通过对断电、蒸汽中断等工况的发生及其可能的后果进行分析，分别提出了对应的伴热水系统设计优化方案，即：设置备用泵、将泵的电源负荷等级提高至一级并连接柴油发电机紧急供电、增设电加热器及旁路管线；另外，优化储罐底部伴热管道分组及储罐支撑结构设计。通过以上设计优化，可有效提高伴热系统的可靠性，提高二硝基甲苯储存的安全性。