三聚氰胺裝置安全閥泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周紅碧

閆江濤　惠生工程(中國)有限公司　鄭州　450018

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三聚氰胺裝置安全閥泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周紅碧*

閆江濤惠生工程(中國)有限公司鄭州450018

摘要針對意大利歐技公司高壓非催化工藝技術(shù)在生產(chǎn)三聚氰胺過程中溫差、壓差較大，工藝操作條件復(fù)雜，設(shè)置的安全閥較多，排放量較大，泄放過程有相變的情況，對裝置安全閥泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞安全閥泄放系統(tǒng)三聚氰胺

某項(xiàng)目采用意大利歐技公司高壓非催化工藝技術(shù)，以尿素為原料生產(chǎn)三聚氰胺產(chǎn)品。工藝流程：將熔融尿素加壓、加熱至8.0MPa(G)、135℃后進(jìn)入反應(yīng)塔,同時(shí)加入適量420℃的氨，在8.0MPa(G)、380℃條件下反應(yīng)生成三聚氰胺；反應(yīng)塔出料減壓至2.5MPaG進(jìn)入淬冷塔，被來自吸收塔的甲銨液冷卻至160℃，出塔頂?shù)姆磻?yīng)尾氣經(jīng)處理后去尿素裝置，塔底溶液減壓至0.5MPa(G)進(jìn)入氣提塔；氣提出的殘余NH3和CO2被吸收成稀甲銨液，稀甲銨液返回至淬冷塔作冷卻液，出氣提塔的三聚氰胺溶液被循環(huán)母液稀釋，經(jīng)活性炭凈化、脫色后過濾、結(jié)晶、分離、干燥即為產(chǎn)品。高壓非催化工藝技術(shù)屬于液相反應(yīng)，具有反應(yīng)速度較快、連續(xù)穩(wěn)定性高、液體和固體廢物零排放、單套裝置能力大、高壓力的反應(yīng)尾氣可吸收成濃甲銨液直接送往尿素裝置，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理且無需使用催化劑等優(yōu)點(diǎn)，因此高壓非催化工藝技術(shù)發(fā)展迅速。但由于高壓非催化工藝技術(shù)在生產(chǎn)過程中溫差、壓差較大，并存在多種相變，致使工藝操作條件復(fù)雜，不容易控制，因此本裝置安全閥較多，排放量較大，泄放過程有相變，并且含有不同濃度的容易凝結(jié)成固體的三聚氰胺，可燃有毒的氨氣和酸性氣二氧化碳。本文簡要介紹安全閥的設(shè)置、安全閥泄放管線尤其是泄放總管的設(shè)計(jì)及計(jì)算，詳細(xì)介紹氣液分離罐的設(shè)計(jì)。

1設(shè)備或管線出口安全閥設(shè)置

(1)高溫高壓的反應(yīng)器：本裝置的反應(yīng)器工作溫度380℃，工作壓力8.0MPa(G),由470℃熔鹽或者370℃導(dǎo)熱油加熱及保溫，熔融尿素和氨氣在反應(yīng)器里進(jìn)行劇烈反應(yīng)，同時(shí)可燃有毒的氨氣具有很強(qiáng)的腐蝕性，尿素或者生成的三聚氰胺在溫度降低時(shí)容易凝固而發(fā)生堵塞，因此在設(shè)置了同時(shí)泄放雙安全閥(起跳壓力相同)外，每個(gè)安全閥還在入口管道串聯(lián)了爆破片以及相應(yīng)的爆破后的壓力報(bào)警裝置，兩個(gè)安全閥的泄放管道分別直接與氣液分離罐連接，最大限度的降低了失控風(fēng)險(xiǎn)。

(2)其余反應(yīng)器、關(guān)鍵吸收塔、重要中間罐類：這類設(shè)備具有較高的工作溫度和工作壓力，進(jìn)出設(shè)備的物料流量大，物料中同樣含有氨氣和三聚氰胺，因此設(shè)置了一開一備的雙安全閥(起跳壓力有5%～10%的差值)，在其中一個(gè)安全閥故障或者檢修時(shí)，備用安全閥開始生效，兩個(gè)安全閥的泄放管道分別直接與氣液分離罐連接。

(3)其余吸收塔、儲(chǔ)罐、換熱器、泵類：根據(jù)分析外部火災(zāi)、液體和/或蒸汽流入、換熱管破裂、熱膨脹、冷卻水中斷、動(dòng)力故障、調(diào)節(jié)閥故障、閥門誤關(guān)閉等風(fēng)險(xiǎn)因素設(shè)置一個(gè)安全閥，進(jìn)入封閉泄放系統(tǒng)的安全閥設(shè)置旁路閥并鉛封關(guān)，便于安全閥校驗(yàn)或檢修時(shí)泄壓用。

(4)每個(gè)安全閥的泄放量依照《安全閥一般要求》GBT 12241-2005或者《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定-安全閥的設(shè)置和選用》HG 20570.02-95中規(guī)定計(jì)算。

2安全閥泄放管線的設(shè)計(jì)

(1)蒸汽等非可燃無毒氣體可直接排入大氣。水等非可燃無毒液體可直接排至地溝，或者去地下廢液罐(如熔融尿素)。安全閥進(jìn)口要加切斷閥并鉛封開，便于安全閥校驗(yàn)或檢修，與設(shè)備直接連接的除外。

(2)泄放物料為純氨氣的安全閥并入氨氣放空總管直接去氨火炬。

(3)排入封閉泄放系統(tǒng)的安全閥除了與設(shè)備直接連接的外，均在安全閥進(jìn)口和出口加切斷閥并鉛封開，同時(shí)在出口切斷閥前加軟管接頭便于安全閥泄放后吹掃或者沖洗泄放管線，物料中含有尿素或者三聚氰胺的泄放管線需要蒸汽伴熱防止結(jié)晶或凝固，必須有1%～3%的坡度，坡向氣液分離罐，不應(yīng)有袋形積液處。

(4)安全閥進(jìn)口管道設(shè)計(jì)：安全閥進(jìn)口管線依照《安全閥一般要求》GBT 12241-2005中的相關(guān)要求設(shè)計(jì)。

(5)安全閥出口管道設(shè)計(jì)：① 安全閥出口管線依照《安全閥一般要求》GBT 12241-2005中的相關(guān)要求設(shè)計(jì)；② 出口管道的管徑計(jì)算：出口管道的管徑必須大于或等于安全閥的出口，在背壓允許的范圍內(nèi)，應(yīng)保持排放管內(nèi)的物流具有較高的流速,使之經(jīng)濟(jì)合理；直排大氣的管道,排放管出口馬赫數(shù)取小于或等于0.5，對排入密閉系統(tǒng)的管道，馬赫數(shù)取0.5～0.7。核算管徑時(shí)有兩個(gè)省力方法：對于安全閥定壓不高，要求出口阻力降小于定壓10%，需要仔細(xì)計(jì)算阻力降，確定管徑，此時(shí)，一般不需要計(jì)算馬赫數(shù)，馬赫數(shù)肯定不超標(biāo)；安全閥定壓較高，出口阻力降一般不可能超過定壓10%，此時(shí)需要計(jì)算馬赫數(shù)，尋找滿足要求的管徑。對于多數(shù)安全閥定壓不算太高、也沒有相變的安全閥,出口管徑一般可選取比安全閥出口大1～2級。

3泄放總管及支總管的設(shè)計(jì)

3.1泄放量確定

本裝置除導(dǎo)熱油系統(tǒng)及熔融鹽系統(tǒng)外，還有約120個(gè)安全閥，按照物料毒性及氨氣含量大致可以分為五類：非可燃無毒氣體(包括蒸汽、氮?dú)?、空?、水、尿素、純氨氣、含氨物料。前四類的泄放量及去向在上一章節(jié)已有敘述，下面詳細(xì)介紹最復(fù)雜的含氨物料類。

含氨物料的安全閥有60多個(gè)，泄放量較大，泄放物料除含有不同濃度的氨外，還含有三聚氰胺、二氧化碳等介質(zhì)，泄放溫度、泄放壓力高達(dá)380℃和10.5MPa(G)，單個(gè)安全閥的瞬時(shí)泄放量可達(dá)21t/h(氣體物料)或者101t/h(液體物料)，而且在某些故障情況下，有些安全閥會(huì)同時(shí)起跳并泄放。本項(xiàng)目分類統(tǒng)計(jì)了循環(huán)水故障、電力故障、循環(huán)水+電力故障、外部火災(zāi)、誤操作、運(yùn)行意外(如換熱管破裂、自控故障、額外物流流入等)六大類安全閥泄放工況統(tǒng)計(jì)同時(shí)泄放流量總量，以循環(huán)水+電力故障情況下泄放總量最大，其中含氨氣體泄放總量最大約60t/h(背壓0.2MPa(G)，相應(yīng)密度約2.5kg/m3)；含氨液體泄放量最大約101t/h(相應(yīng)密度約860kg/m3)。泄放總管和氣液分離罐將以此作為計(jì)算依據(jù)。

3.2管徑核算

在保持排放管內(nèi)的物流具有較高流速及馬赫數(shù)小于等于0.5的前提下,管道的阻力降能滿足安全閥的最大允許背壓。

3.3設(shè)計(jì)要求

(1)必須要有1%～3%的坡度，坡向氣液分離罐，并用蒸汽伴熱防凍防冷凝。

(2)每20m設(shè)置一個(gè)內(nèi)窺鏡檢查口，便于檢查。

(3)離氣液分離罐的最遠(yuǎn)端設(shè)置低壓沖洗水管線，同時(shí)設(shè)置軟管接頭便于吹掃。

4氣液分離罐的設(shè)計(jì)

(1)本項(xiàng)目含氨泄放物料均進(jìn)入氣液分離罐進(jìn)行氣液分離，并噴水降溫。

(2)氣液分離罐的外形參數(shù)：該氣液分離罐是用于分離液滴直徑大于600μm的重力式氣液分離器。

4.1直徑

根據(jù)HG/T 20570中的分離器內(nèi)氣速近似估算法計(jì)算直徑：

式中，Vt為浮動(dòng)(沉降)流速，m/s；ρL/ρG為液體密度和氣體密度，kg/m3；Ks為系數(shù)，液滴直徑d"=200μm時(shí)，Ks=0.0512，液滴直徑d"=350μm時(shí)，Ks=0.0675。

根據(jù)外延法，當(dāng)液滴直徑d"=600μm時(shí)，Ks=0.0947，代入上式得Vt=1.75m/s，分離器內(nèi)的氣速ue應(yīng)小于Vt，取ue=1.2m/s。再根據(jù)HG/T20570中的分離器直徑估算法：

式中，D為分離器直徑，m；VGmax為氣體最大體積流量，VGmax=60×1000÷2.5=24000m3/h；ue為容器中氣體流速，m/s。代入上式中得D=2.66m，取整后得D=2.8m。

4.2高度

分為氣相空間高度和液相高度，此處所指的高度，是指設(shè)備的圓柱體部分，低液位(LL)與高液位(HL)之間的距離可以根據(jù)HG/T20570中公式估算：

式中，HL為液體高度，m；VL為液體體積流量,m3/h；t為停留時(shí)間，min；D為分離器直徑，m。

停留時(shí)間t取15min，代入上式中得HL=4.77m，取整后的HL=4.8m。根據(jù)HG/T20570中附圖見圖1。分別計(jì)算得：筒體高度H=50+4800+0.1×2800+1.2×2800=8490mm，取整后得H=8.5m；同時(shí)得到氣液物料進(jìn)口管高度(距離筒體底部切線高度)為5.2m。

圖1　立式重力分離器

4.3入口接管

根據(jù)HG/T20570中公式：

式中，Dp為氣液入口接管管徑，m；ρG為氣體密度，kg/m3；VG為氣體體積流量,m3/h；VL為液體體積流量,m3/h。

計(jì)算得DP>0.652m，本項(xiàng)目因安全閥泄放堵塞及配管時(shí)間情況有多個(gè)管徑為200～500mm的入口接管環(huán)向布置，總接管面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述數(shù)值的單一接管面積。

4.4出口接管

氣相出口接管管經(jīng)計(jì)算方法同泄放總管，但較小的氣速有利于氣液分離。

液相出口管的流速要小于等于1m/s。

5分離罐附件的設(shè)計(jì)

(1)氣液入口設(shè)置擋板，增大泄放物料在分離罐中的停留時(shí)間。

(2)設(shè)置現(xiàn)場液位計(jì)和遠(yuǎn)傳液位計(jì)，遠(yuǎn)傳液位計(jì)與液相出口管開關(guān)閥聯(lián)鎖并報(bào)警。

(3)設(shè)置沖洗水管線，用于降低泄放物料的溫度，沖洗水采用霧化噴頭，兩級噴淋，由分離罐的壓力和溫度信號(hào)開啟和關(guān)閉沖洗水入口閥，同時(shí)設(shè)置冬季防凍用的旁路閥在冬季維持小流量防凍。

(4)設(shè)置蒸汽吹掃及氮?dú)獯祾吖芫€，設(shè)置溫度和壓力的遠(yuǎn)傳儀表并高報(bào)警高聯(lián)鎖開啟沖洗水入口閥，常規(guī)設(shè)置人孔及備用口。

(5)氣相出口物料主要含有可燃有毒的氨氣，去全廠事故氨火炬，設(shè)置止回閥及鉛封開的切斷閥。閥前設(shè)置放空管線，止回閥設(shè)置小流量旁路以便于氣相出口管道的冷凝液回流至分離罐，其余設(shè)置同泄放總管。

(6)液相出口物料主要為含有三聚氰胺的氨水溶液，管線要求有坡度、無液袋，蒸汽伴熱防凝固，由液位開關(guān)閥控制，物料去地下廢液罐回收。

6結(jié)語

安全閥的泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)三聚氰胺裝置的安全，其安全閥數(shù)量之多、泄放量之大、高溫高壓、可燃有毒及易凝固的物料屬性給設(shè)計(jì)帶來難度。本文綜合考慮以上各種因素，精細(xì)設(shè)計(jì)出了以氣液分離罐為核心的安全閥泄放系統(tǒng)，確保了本裝置安全有效的運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，氣液分離罐可以長期通入小流量的氮?dú)?，將整個(gè)泄放系統(tǒng)維持微正壓狀態(tài)，防止空氣進(jìn)入。

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(收稿日期2015-07-22)

*周紅碧：注冊化工工程師。2009年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)系獲碩士學(xué)位。主要從事化工工藝設(shè)計(jì)。聯(lián)系電話：(0371)68567988-2208，

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