酸性水罐安全水封罐失效原因及氣液分布分析

侯金寶

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)盤錦北方瀝青股份有限公司，遼寧 盤錦 124022)

酸性水汽提裝置一般是加氫裂化或催化裂化裝置的配套工程，是用來處理酸性水的環(huán)保型裝置。其中裝置內(nèi)儲(chǔ)存酸性水的罐又稱為酸性水汽提裝置的原料水罐，酸性水罐的壓力突然升高或者在極端天氣和操作異常時(shí)形成負(fù)壓會(huì)引起設(shè)備損壞或發(fā)生爆炸事故，因此酸性水罐一般均會(huì)設(shè)置雙重保護(hù)設(shè)施，第一重保護(hù)為安全水封罐，第二重保護(hù)為呼吸閥(或壓控閥)(只呼出不吸入)或自勵(lì)式壓控閥。為了操作方便，每個(gè)原料水罐分別設(shè)置一個(gè)安全水封罐，且安全水封罐設(shè)計(jì)在罐頂，水封水依靠自身重力自流至相應(yīng)的酸性水罐內(nèi)。另外，為防止酸性水罐內(nèi)的物料與外界的空氣接觸，通常還采用氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)和安全水封罐相配合，以減少氣體排放對(duì)環(huán)境的污染。通過自勵(lì)式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入每個(gè)酸性水罐的氮?dú)饬髁?，防止被保護(hù)的常壓酸性水罐因罐內(nèi)壓力或流量的突然變動(dòng)而對(duì)安全水封罐產(chǎn)生波動(dòng)，來起到緩沖的作用[1-3]。典型酸性水罐保護(hù)系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 典型酸性水罐保護(hù)系統(tǒng)工藝流程圖

當(dāng)泵進(jìn)料或者外界溫度升高導(dǎo)致酸性水罐的壓力升高時(shí)，安全水封罐下部的水會(huì)通過污水出口排出，使酸性水罐維持一定的正壓；當(dāng)酸性水罐的污水被泵抽出或者外界的溫度下降導(dǎo)致罐內(nèi)的壓力降低時(shí)，安全水封罐會(huì)維持一定的負(fù)壓，防止空氣的進(jìn)入；同時(shí)酸性水罐頂部的氮封系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)入氮?dú)?，防止罐體抽癟變形。

1 安全水封罐的作用和工作原理

安全水封罐是酸性水儲(chǔ)罐、溶劑罐等大型常壓儲(chǔ)罐的重要保護(hù)設(shè)備，其性能的穩(wěn)定直接影響到后續(xù)裝置能否安全穩(wěn)定地運(yùn)行。工業(yè)應(yīng)用中安全水封罐使用不當(dāng)失去功能時(shí)，可導(dǎo)致酸性水罐頂惡臭氣體外溢污染大氣、人員中毒，或者出現(xiàn)罐體爆炸破裂等惡性事故，致使酸性水大量泄漏污染水體，形成重大安全隱患。酸性水罐安全運(yùn)行至關(guān)重要，安全水封罐是酸性水罐常用的安全設(shè)施之一，確保安全水封罐正常運(yùn)行是保障酸性水罐安全運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。安全水封罐的主要作用包括：1)維持一定范圍內(nèi)的儲(chǔ)罐氣壓，防止罐體因過度膨脹或收縮而損壞；2)隔絕空氣，防止罐內(nèi)物料與進(jìn)入的空氣接觸形成爆炸性混合物；3)防止罐內(nèi)的有毒有害氣體發(fā)生泄漏，造成人員傷亡或者環(huán)境污染。該裝置安全水封罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和實(shí)物模擬圖如圖2所示。

從圖2可以看出，該安全水封罐被隔板分為上下兩部分，上下部分通過連通管形成流動(dòng)性的水封。安全水封罐所維持的最大表壓為Pnor=ρ水gHnor，最小的表壓為Pneg=-ρ水gHneg。設(shè)計(jì)時(shí)維持負(fù)壓的絕對(duì)值小于正壓的絕對(duì)值(Hneg

該安全水封罐的工作原理是，水封水由進(jìn)水口(N2)進(jìn)入，正常流程時(shí)由出水口(N5)排出，來自酸性水罐頂含硫氣體由進(jìn)氣口(N1)進(jìn)入，由氣出口(N4)進(jìn)入脫臭罐排入大氣；水封罐需檢修時(shí)，打開排凈口(N6)，排凈水封罐內(nèi)存水；水封罐內(nèi)隔板上設(shè)有淚孔，停止水封進(jìn)水后，隔板上部存水由淚孔排凈，方便水封罐檢修。安全水封罐為露天設(shè)備，工作環(huán)境比較惡劣，且一般安裝在酸性水罐罐頂處，離地面距離較高，檢修不方便。一旦安全水封罐失效，則很容易造成安全事故。

2 安全水封罐失效原因及氣液分布分析

酸性水罐是利用水和油的密度不同，采用重力沉降法，將酸性水中的污油進(jìn)行有效地脫出，當(dāng)酸性水罐進(jìn)料泵突然開啟或關(guān)閉時(shí)，會(huì)造成罐內(nèi)較大的壓力波動(dòng)。當(dāng)酸性水罐的出料速度過快時(shí)，可能會(huì)造成罐內(nèi)的壓力為負(fù)壓，若此時(shí)酸性水罐氮?dú)獗Ｗo(hù)中斷或自勵(lì)式控制閥失靈，就會(huì)對(duì)酸性水罐罐體造成損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致罐體抽癟。因酸性水中含有烴類、二氧化碳等易揮發(fā)組分，這些氣體溶解在酸性水中，當(dāng)進(jìn)入接近常壓的酸性水罐時(shí)，由于壓力突然下降，這部分氣體會(huì)從酸性水中逸出，若上游酸性水中夾帶的輕烴組分變輕(或是酸性水量突然增大)，也會(huì)導(dǎo)致酸性水罐壓力的急劇上升。在生產(chǎn)過程中，特別是夏天，由于晝夜的溫差較大，導(dǎo)致酸性水罐壓力波動(dòng)也較大，安全水封罐向大氣中突破水封的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；另外，當(dāng)遇臺(tái)風(fēng)、驟雨等導(dǎo)致氣溫急劇下降的天氣，會(huì)使罐內(nèi)的壓力急劇下降，導(dǎo)致安全水封罐向內(nèi)突破水封。上述情況不僅會(huì)給周圍的環(huán)境帶來不可避免的污染，同時(shí)也會(huì)給安全生產(chǎn)帶來隱患。

除了上述引起安全水封罐失效的原因外，在工業(yè)應(yīng)用過程中由于安全水封罐設(shè)計(jì)缺陷、操作不當(dāng)?shù)仍?，?jīng)常會(huì)出現(xiàn)安全水封罐內(nèi)氣相“短路”、罐頂冒氣、罐頂噴水等異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致安全水封罐功能喪失，失去對(duì)酸性水罐的保護(hù)能力。接下來本文結(jié)合安全水封罐的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝過程，對(duì)不同工況下安全水封罐失效原因和氣液分布原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對(duì)不同原因引起的安全水封罐運(yùn)行異?，F(xiàn)象提出了相應(yīng)的防范措施。

2.1 安全水封罐設(shè)計(jì)的安裝缺陷及氣液分布分析

本裝置的安全水封罐設(shè)備設(shè)計(jì)的安裝及配管圖如圖3a所示，其出水口(N5)通過與1個(gè)向下的90°彎頭配對(duì)法蘭相連，排水直接進(jìn)入酸性水罐。但此種配管方式會(huì)造成安全水封罐內(nèi)部氣相發(fā)生“短路”現(xiàn)象，導(dǎo)致安全水封罐失效，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖3b所示，酸性水罐內(nèi)部氣相通過安全水封罐出水口(N5)進(jìn)入，向氣出口(N4)方向流動(dòng)，而不是由頂部進(jìn)氣口(N1)進(jìn)入，向氣出口(N4)方向流動(dòng)。

圖3 安全水封罐設(shè)備設(shè)計(jì)的安裝及氣液分布圖

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，將安全水封罐出水口(N5)的配管形式改造成與3個(gè)90°彎頭形成的倒置U型管配對(duì)法蘭相連，其排水依然進(jìn)入酸性水罐[4]。經(jīng)首次改造后安全水封罐設(shè)備安裝及配管圖如圖4a所示，在安全水封罐底部出水口(N5)內(nèi)部形成了一定高度的水封，從而避免了氣相“短路”的發(fā)生，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖4b所示。

圖4 首次配管改造后設(shè)備安裝及氣液分布變化圖

2.2 出水口(N5)堵塞工況及氣液分布分析

正常工況下安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖5a所示；若安全水封罐出水口(N5)堵塞，其隔板下部液位將上升，間接導(dǎo)致酸性水罐頂部壓力升高，當(dāng)安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約393 mm時(shí)(Psec=ρ水gHsec=3.8 kPa)，酸性水罐頂部設(shè)計(jì)第二重保護(hù)的呼吸閥(或壓控閥)應(yīng)該起跳，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖5b所示；若酸性水罐頂部呼吸閥(或壓控閥)不起跳，則安全水封罐隔板下部液位繼續(xù)上升，當(dāng)安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約425 mm時(shí)(Pmid=ρ水gHmid=4.165 kPa)，其隔板下部的水會(huì)由氣出口(N4)進(jìn)入脫臭罐內(nèi)，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖5c所示；待與安全水封罐氣出口(N4)相連脫臭罐內(nèi)的水位高度超過425 mm后，安全水封罐隔板下部液位繼續(xù)上升，當(dāng)安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約1 656 mm時(shí)(Pmax=ρ水gHmax=16.229 kPa)，直至水從其大氣口(N3)噴出，此時(shí)酸性水罐內(nèi)部壓力達(dá)到最高值，酸性水罐因嚴(yán)重超壓可能會(huì)導(dǎo)致罐體爆裂，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖5d所示。因此，工業(yè)裝置在具備檢修條件下應(yīng)重點(diǎn)檢查排水管路是否暢通，可在排水管路上加裝視鏡或遠(yuǎn)傳流量計(jì)。

圖5 排水堵塞不同程度氣液分布變化圖

2.3 進(jìn)水口(N2)堵塞或補(bǔ)水中斷工況及氣液分布分析

若安全水封罐進(jìn)水口(N2)堵塞或補(bǔ)水中斷，因其上下隔板上設(shè)計(jì)有5 mm淚孔，隔板上部的水封將逐漸消失，當(dāng)隔板上部的水封高度下降到Hneg(本裝置Hneg=50 mm)以下后，安全水封罐中的氣相(主要是H2S)會(huì)直接從大氣口(N3)呼出，此時(shí)酸性水罐保護(hù)氮?dú)庀牧窟_(dá)到最大，酸性水罐附近會(huì)有大量H2S積聚而導(dǎo)致環(huán)境污染和人員中毒隱患，安全水封罐隔板頂部水封消失的全過程中其內(nèi)部氣液分布如圖6所示。因此，工業(yè)裝置在生產(chǎn)過程中應(yīng)保證連續(xù)的補(bǔ)水供應(yīng)，可選用自來水或汽提塔底凈化水。

圖6 進(jìn)水堵塞(或中斷)不同程度氣液分布變化圖

2.4 排氣口(N4)堵塞工況及氣液分布分析

正常工況下安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖7a所示；若安全水封罐排氣口(N4)堵塞，則安全水封罐內(nèi)壓力上升，間接導(dǎo)致酸性水罐頂部壓力升高，酸性水罐內(nèi)部壓力上升后反過來導(dǎo)致安全水封罐排水背壓上升，最終導(dǎo)致安全水封罐水封高度上升，當(dāng)安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約393 mm時(shí)(Psec=ρ水gHsec=3.8 kPa)，酸性水罐頂部設(shè)計(jì)的第二重保護(hù)呼吸閥(或壓控閥)應(yīng)該起跳，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖7b所示；若酸性水罐頂部呼吸閥(或壓控閥)不起跳，則安全水封罐隔板下部液位繼續(xù)上升，當(dāng)安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約425 mm時(shí)(Pmid=ρ水gHmid=4.165 kPa)，其隔板下部的水可能不會(huì)(管道堵塞)由氣出口(N4)進(jìn)入尾氣放空管道及后續(xù)尾氣吸收設(shè)備內(nèi)，但是安全水封罐內(nèi)部水封高度將迅速上升，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖7c所示；當(dāng)安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約1 656 mm時(shí)(Pmax=ρ水gHmax=16.229 kPa)，直至水從其大氣口(N3)噴出，此時(shí)酸性水罐內(nèi)部壓力達(dá)到最高值，酸性水罐因嚴(yán)重超壓可能會(huì)導(dǎo)致罐體爆裂，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖7d所示。因此，工業(yè)裝置在具備檢修條件下還應(yīng)重點(diǎn)檢查排氣管路是否暢通或是脫臭罐壓差是否增大，可在脫臭罐上下加裝壓力表，用于監(jiān)控脫臭罐壓差變化。

圖7 排氣堵塞不同程度氣液分布變化圖

2.5 內(nèi)部溢流擋板腐蝕內(nèi)漏工況及氣液分布分析

正常工況下安全水封罐內(nèi)部氣液分布如圖8a所示；若安全水封罐內(nèi)部溢流擋板(或焊口)內(nèi)漏，當(dāng)內(nèi)漏位置靠近隔板上部，將導(dǎo)致隔板右側(cè)水封高度下降，間接導(dǎo)致酸性水罐頂部壓力下降，此時(shí)安全水封罐內(nèi)部壓力<200 mm H2O(即：Pmin

圖8 溢流擋板內(nèi)漏不同位置氣液分布變化圖

3 結(jié)語(yǔ)

安全水封罐雖然是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的穩(wěn)壓設(shè)備，但其在裝置正常生產(chǎn)過程中的作用需引起足夠的重視，實(shí)際上往往由于人們對(duì)其功能了解不夠，對(duì)其所發(fā)揮的作用認(rèn)識(shí)不深，導(dǎo)致水封罐在設(shè)計(jì)、操作過程中出現(xiàn)了種種問題。通過對(duì)工業(yè)應(yīng)用過程中使用經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié)，在配管設(shè)計(jì)上應(yīng)保證在安全水封罐的排水線上形成有效水封，即設(shè)置高度足夠的倒置U型管，不但可以代替安全水封罐內(nèi)部擋板，而且可以有效避免酸性水罐內(nèi)氣相反串形成氣相“短路”；由于安全水封罐排水管路腐蝕堵塞，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮排水管路管徑足夠且有排水監(jiān)控手段；安全水封罐的供水選擇非常關(guān)鍵，需要充分考慮供水水質(zhì)、流量和壓力穩(wěn)定，且在北方地區(qū)應(yīng)充分考慮冬季防凍；安全水封罐的尾氣排放后續(xù)設(shè)備(脫臭罐)在運(yùn)行過程中可能發(fā)生進(jìn)水或是吸附劑破損，導(dǎo)致排氣背壓上升同樣應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。安全水封罐失效會(huì)產(chǎn)生巨大的安全隱患，如環(huán)境污染、被保護(hù)設(shè)備的損壞，甚至?xí)?dǎo)致爆炸性事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員和操作人員需在了解安全水封罐失效的主要因素的前提下進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和操作才能保證整個(gè)裝置安全穩(wěn)定地運(yùn)行。