反應(yīng)系統(tǒng)安全系統(tǒng)的研究
——安全罐的設(shè)計(jì)

張 宏

(嘉科工程(上海)有限公司，艾仕得涂料系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 201203)

目前我們國(guó)家并沒(méi)有一部完整的設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于對(duì)反應(yīng)器的安全泄放的明確規(guī)定， 反應(yīng)器作為化工裝置中最關(guān)鍵的設(shè)備，特別是一些高溫，高壓，有劇烈化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器，很多跨國(guó)化工公司專門設(shè)有反應(yīng)器安全這樣的部門來(lái)評(píng)估和審查反應(yīng)器的安全，安全罐作為反應(yīng)器失控后的整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的安全的保證，其本身的重要性已經(jīng)不言而喻，幾乎所有由于失控反應(yīng)或其他主要過(guò)程擾動(dòng)而從反應(yīng)器中緊急釋放的物料都會(huì)導(dǎo)致兩相流通過(guò)緊急釋放系統(tǒng)排出。如果沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)，就會(huì)導(dǎo)致爆炸等嚴(yán)重后果。在許多情況下，容器中的大部分液體將被排出，安全罐就是接受反應(yīng)器緊急泄放物料的設(shè)備。安全罐的目的是最大限度地減少液體在緊急情況釋放到周圍環(huán)境。

1 設(shè)計(jì)理念[3]

安全罐是一個(gè)封閉的容器，必須承受緊急釋放的熱力和壓力。安全罐的基本部件如圖1所示。

圖1 安全罐設(shè)備圖和管嘴圖Fig.1 Catch tank equipment drawing and nozzle location drawing

1.1 安全罐的設(shè)計(jì)所須要求

(1)將緊急排放時(shí)產(chǎn)生的泡沫分離為液體和汽相。

(2)密封收集緊急釋放液的液體部分，使其不能為火災(zāi)提供燃料

(3)通過(guò)將氣相向上引導(dǎo)，以減少在地面形成蒸汽云的可能性，以最大限度地減少可燃蒸汽云與火源接觸的可能性的方式釋放到大氣中。

(4)在貯氣罐內(nèi)提供低氧環(huán)境，以減少排放后發(fā)生火災(zāi)的可能性，安全罐須不斷地加入惰性氣體或氮?dú)?，以消除在排氣筒上安裝阻火器的需要。惰性氣體或氮?dú)獗仨氉⑷氲郊瘹夤薜撞堪霃教帯?/p>

(5)安全罐內(nèi)部和排氣口徑是基于從連接到安全罐的最大緊急泄放裝置(通常是反應(yīng)器的爆破片)所產(chǎn)生的最大可能的蒸汽緊急排放量來(lái)確定。以此來(lái)計(jì)算了安全罐直徑、汽液分離器高度和尺寸，以實(shí)現(xiàn)最佳的相分離、最大的泡沫破裂和最小的液滴夾帶蒸汽，在緊急排放期間從安全罐排出。安全罐液相體積必須等于或大于它所連接的最大反應(yīng)器系統(tǒng)的體積。汽液分離器必須設(shè)計(jì)為最大蒸汽速度約30 m/s。排氣筒直徑和高度必須設(shè)計(jì)為最佳的蒸汽分散。

(6)所有可能發(fā)生失控反應(yīng)或失控分解的設(shè)備上的緊急泄放系統(tǒng)必須連接到安全罐。對(duì)于不太可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的緊急泄壓系統(tǒng)和輔助容器的通風(fēng)口，可選擇性與安全罐連接。這包括溶劑進(jìn)料罐、稀釋罐、預(yù)過(guò)濾罐和儲(chǔ)罐。

(7)一個(gè)安全罐可以服務(wù)于一個(gè)以上的反應(yīng)器系統(tǒng)。如果一個(gè)以上的反應(yīng)器系統(tǒng)連接到一個(gè)安全罐，當(dāng)安全罐停止使用時(shí)，這些系統(tǒng)都不能運(yùn)行。

(8)安全罐應(yīng)該盡可能地靠近它所服務(wù)的反應(yīng)器系統(tǒng)，這將使緊急釋放系統(tǒng)中的壓力降降到最小。如果可能的話，安全罐的位置應(yīng)該布置在全年最大風(fēng)向下風(fēng)處，這樣從安全罐排出的蒸汽就可以遠(yuǎn)離操作區(qū)域和任何火源。

1.2 設(shè)備內(nèi)部件

安全罐必須能夠有效地分離液體和蒸汽。它還必須能夠打破在緊急排放過(guò)程中產(chǎn)生的泡沫。

(1)安全罐通過(guò)沖擊截流槽對(duì)緊急排放的高速兩項(xiàng)流來(lái)實(shí)現(xiàn)相分離。安全罐進(jìn)口的流動(dòng)是徑向沖擊截流槽，產(chǎn)生液-氣分離。蒸氣和剩余的液體然后進(jìn)入提升管。提升管的速度不大于30 m/s。

(2)通過(guò)安裝在立管上方的帽，可以實(shí)現(xiàn)反向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)額外的汽液分離和泡沫破碎。這個(gè)帽起到夾帶分離器的作用。夾帶分離器位于安全罐上方，可防止蒸汽流中殘留的液體夾帶進(jìn)入排氣筒，可以讓大多數(shù)夾帶的液滴沉淀。

(3)從反應(yīng)釜和稀釋罐到安全罐的緊急排放管道的詳細(xì)路線必須通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析確定。如果使用管匯，見(jiàn)圖1所示，那么管匯必須安裝在高于整個(gè)系統(tǒng)最大單個(gè)容器容積的高度。所有管路必須以與管匯軸線成45°的角度進(jìn)入管匯，以便流體流向安全。管匯的直徑應(yīng)該比它所服務(wù)的最大緊急排放管道的直徑大一個(gè)的尺寸。

(4)降液器：為了允許液體從錐板的頂部排放到安全罐的底部，必須在安全罐的相對(duì)兩側(cè)安裝兩個(gè)直徑至少為DN80的降液器。它們必須延伸到距底頭切線半徑150 mm以內(nèi)。

(5)排氣筒的功能是在緊急排放時(shí)安全地驅(qū)散從安全罐中流出的易燃?xì)怏w。這對(duì)于防止危險(xiǎn)的蒸汽云至關(guān)重要。在足夠的高度釋放氣體有兩個(gè)目的。首先，它使空氣稀釋，以減少易燃性危險(xiǎn)。第二，它能使風(fēng)將氣體帶離作業(yè)區(qū)域建筑物和火源。排氣筒必須延伸到鄰近最高建筑的屋頂之上至少5 m。

(6)安全罐排氣筒的確切尺寸和路線必須由動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析確定，重點(diǎn)是保持壓力降足夠低，以防止安全罐的過(guò)度加壓。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該使用小的排氣筒直徑，因?yàn)檎羝麑⒁愿叩乃俣葒娚涑鰜?lái)。然而，更小直徑的排氣筒會(huì)導(dǎo)致更高的壓降，這可能會(huì)導(dǎo)致安全罐內(nèi)的過(guò)度壓力積聚。排氣筒的頂部必須一直打開(kāi)，沒(méi)有任何障礙。此外，不需要在排氣筒上安裝阻火器。

(7)排氣筒防雨帽：應(yīng)使用圓柱形防雨頭，來(lái)保護(hù)安全罐不受雨水的影響。該頭由一個(gè)同心套管組成，該套管比排氣筒的直徑大25 mm，并被夾裝到排氣筒上，這樣如果下雨， 雨水會(huì)沿夾套管壁流入地面。見(jiàn)圖2所示[3]。

圖2 排氣筒防雨帽Fig.2 Stack rain head

(8)排氣筒出口安裝環(huán)型圈， 避免排氣筒出口管壁過(guò)于尖銳，與高速流動(dòng)的可燃蒸汽產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生靜電引燃蒸汽，排氣筒尺寸對(duì)應(yīng)環(huán)型圈尺寸見(jiàn)圖3所示[3]。

圖3 環(huán)型圈設(shè)計(jì)Fig.3 Toroidal ring

1.3 防雷與接地

直徑大于600 mm、高度大于23 m的金屬排氣筒必須有防雷保護(hù)。進(jìn)行防雷接地設(shè)計(jì)，必須在安全罐接地面安裝兩個(gè)接地端子，以確保正確接地。集水槽和排氣筒對(duì)地電阻必須小于或等于10歐姆。如果排氣筒在建筑物或結(jié)構(gòu)的2 m之內(nèi)，那么它必須連接到建筑物的防雷系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)鋼上。

在正常情況下，從排氣筒排放的氣體將由少量的可燃?xì)怏w組成，從呼吸通風(fēng)口被安全罐中的惰性氣體稀釋。這里的危險(xiǎn)被認(rèn)為是最小的，不需要特別的保護(hù)。在惡劣條件下，緊急排放的量要大得多，而且排放量有限持續(xù)時(shí)間。緊急泄放與大氣閃電同時(shí)發(fā)生的可能性被認(rèn)為是非常低的，因此認(rèn)為不需要特別保護(hù)。

1.4 惰性氣體吹掃

為防止儲(chǔ)氣罐內(nèi)可燃蒸汽被外部火源點(diǎn)燃，儲(chǔ)氣罐底部附近必須用惰性氣體吹掃，以保持氧含量低于8%。由于大多數(shù)反應(yīng)器系統(tǒng)排放口與安全罐連接，并且在反應(yīng)器頂部設(shè)有阻火器，必須始終保持惰性氣體的吹掃。以下概述了兩種可供選擇的凈化方案。

(1)連續(xù)吹掃：使安全罐惰性化的最常見(jiàn)的方法是提供一種連續(xù)流動(dòng)的惰性氣。

(2)氧分析儀控制吹掃：安裝一個(gè)氧分析儀靠近安全罐頂部安裝一個(gè)氧分析儀，分析儀的輸出用于控制惰性氣體流量，保持罐內(nèi)的氧氣水平低于8%。這有助于大大減少惰性氣體或氮?dú)獾南模谝恍怏w的成本較高的地方是最有用的。氧分析儀需要定期維護(hù)，以確保氧水平的準(zhǔn)確測(cè)量。

(3)快速啟動(dòng)：如果安全罐有一段時(shí)間沒(méi)有使用，則可以通過(guò)注入相當(dāng)于總罐容積兩倍的惰性氣體來(lái)獲得滿意的吹掃。氧氣分析儀也可以用來(lái)確保氧氣濃度低于8%。

1.5 清洗、排水和檢查

(1)液體將從冷凝的蒸汽進(jìn)入安全罐，這將隨操作和天氣條件而變化。開(kāi)始時(shí)，安全罐必須每周排水一次。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，引流頻率可增加或減少。必須保留排水量的記錄。收集到的數(shù)據(jù)可以為與冷凝器和惰性氣體使用不當(dāng)有關(guān)的各種操作問(wèn)題提供早期線索。

(2)在緊急釋放后，所有與安全罐連接的反應(yīng)器系統(tǒng)必須按照標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)罐進(jìn)入程序的要求關(guān)閉。然后，必須通過(guò)清洗端口徹底清洗安全罐。在儲(chǔ)罐完全清洗、關(guān)閉和完全惰化之前，不能操作與儲(chǔ)罐連接的設(shè)備。在清洗之前，必須關(guān)閉惰性氣體清洗，并用空氣清洗罐，直到證明可以安全進(jìn)入。必須遵守既定的進(jìn)罐程序。清洗應(yīng)通過(guò)沖洗、刮擦或使用高壓水來(lái)完成。如果緊急排放中存在有毒溶液，所有暴露的人員必須佩戴個(gè)人防護(hù)設(shè)備，所有物料必須從相關(guān)的管道中取出。必須采用經(jīng)批準(zhǔn)的方法處理污染物質(zhì)。在清洗槽后，內(nèi)部部件在重新使用前必須目視檢查。內(nèi)部必須沒(méi)有污染，所有內(nèi)部部件必須處于正常的工作狀態(tài)。

(3)安全罐必須定期檢查，以確認(rèn)安全罐是否清空，并有足夠的容量容納緊急排放。這可以通過(guò)目視檢查、端口法蘭的拆卸或液位傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.6 安裝在被保護(hù)容器上的爆破片和安全閥(也稱為安全裝置)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)滿足以下要求

①與反應(yīng)性材料接觸的安全裝置需要SS316不銹鋼或鉻鎳鐵合金。

②鎳不能用于與氨和胺，醇酸和聚酯產(chǎn)品接觸的安全裝置。

③未涂覆石墨和蒙乃爾的爆破片不能使用。

(1)安全裝置安裝應(yīng)明確標(biāo)明流向。

(2)與安全裝置和安全罐封頭連接的緊急泄放管線，應(yīng)采用與所服務(wù)反應(yīng)器相同的材料。

(3)緊急泄壓管道的直徑應(yīng)與其爆破片直徑相同或大于安全裝置直徑。

(4)所有緊急泄放管線應(yīng)經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析評(píng)估后使用。

(5)反應(yīng)器應(yīng)急泄放系統(tǒng)中使用的爆破片的設(shè)計(jì)類型要求反向彎曲。

(6)安裝在緊急泄放管道上的任何其他可能連接到安全罐的設(shè)備，應(yīng)采取措施使之不超壓或真空狀態(tài)。

(7)反應(yīng)器系統(tǒng)和裝有緊急減壓裝置的罐的壓力額定值應(yīng)等于或大于泄放裝置的壓力設(shè)定值。

(8)在緊急泄壓管線上不應(yīng)該安裝閥門，以保護(hù)在高于大氣下運(yùn)行的反應(yīng)器、進(jìn)料罐和稀釋的工藝操作。

2 具體的案列

反應(yīng)器系統(tǒng)如表1所示。

表1 反應(yīng)器系統(tǒng)Table 1 Reactor system

我提出的設(shè)計(jì)是基于只有緊急泄放管道將連接到安全罐，而工藝排氣管道將連接到一個(gè)單獨(dú)的罐(氣液分離罐)，并連接到廢氣焚燒爐焚燒后排放。請(qǐng)注意，整個(gè)工藝廢氣的排放通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不在本文討論的范圍內(nèi)。

2.1 安全罐體積的確定

圖4三維圖顯示本案列有5個(gè)反應(yīng)器， 從10～30 m3，反應(yīng)器的爆破片設(shè)定壓力為1.5 barg，稀釋罐，主要調(diào)配從反應(yīng)器中的樹(shù)脂，并使物料最終降低至50～60 ℃，體積從20～60 m3，具體物料見(jiàn)表1所示。反應(yīng)器位于12.5 m的平臺(tái)， 稀釋罐位于底層。 安全罐位于裝置樓外部靠近反應(yīng)器。對(duì)于安全罐的設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀兡壳坝?jì)劃安裝最大30 m3的反應(yīng)器，生產(chǎn)PE聚酯，PEI聚酯亞胺樹(shù)脂和一個(gè)15 m3的PAI聚酰胺酰亞胺樹(shù)脂反應(yīng)器(R505)，反應(yīng)溫度大約在230～280 ℃之間，在反應(yīng)失控條件下將釋放出氣體并夾帶大量液體，(反應(yīng)失控可能是加熱系統(tǒng)失控，如導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)失控，使反應(yīng)溫度不斷上升，也可能是冷凝器中冷凝水泄漏，流到反應(yīng)器內(nèi)，或反應(yīng)失控)安全罐液相部分需要的體積比反應(yīng)器的體積大。稀釋罐主要作用是降溫和調(diào)漆，由于溫度較低，一般不高于100 ℃，最惡劣的工況，一般是火災(zāi)，不會(huì)傳送反應(yīng)液體去安全罐，但他們也會(huì)通過(guò)緊急泄放裝置，釋放氣液兩相流來(lái)降低蒸汽壓力，而液相將更有可能留在稀釋罐內(nèi)。因此，安全罐的體積能完全滿足稀釋罐的緊急排放要求，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)液量大于反應(yīng)器的體積，這里把安全罐的液相體積部分定為35 m3。而氣相部分一般和液相部分的體積相同，所以安全罐得總體積需65 m3，見(jiàn)圖5所示。

圖5 安全罐的具體尺寸Fig.5 Catch tank size

2.2 火災(zāi)工況的計(jì)算

按反應(yīng)器和稀釋罐內(nèi)的溶劑為基準(zhǔn)，來(lái)計(jì)算火災(zāi)工況下的泄放量。見(jiàn)表2所示。

表2 火災(zāi)工況下的泄放量(外部火災(zāi))Table 2 Fire case calculation sheet

根據(jù)API2000《排放大氣的低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)》[1]，環(huán)境因子取值依據(jù)，雖罐體有50 mm保溫，但保守按1.0考慮。

暴露在火源中的熱輸入(Q)：熱輸入Q的計(jì)算根據(jù)API2000《排放大氣的低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)》[1]， 暴露在火源中容器的要求泄放能力：2171 kW。

泄放量q：

q=3.091QF/L(T/M)0.5

式中：Q——暴露在火源中的熱輸入，kJ/h

L——汽化產(chǎn)生的潛熱，kJ/kg

F——環(huán)境因子

M——蒸汽的相對(duì)摩爾質(zhì)量

泄放口徑的確定(根據(jù)HG/T 20570.3-95 《爆破片的設(shè)置和選用》[2])：根據(jù)計(jì)算選125 mm的爆破片最終反應(yīng)器干管，稀釋罐總管選400 mm，他們分別連接到安全罐。

通過(guò)分析，稀釋罐在火災(zāi)工況下，是最苛刻的工況。

2.3 安全罐的設(shè)計(jì)壓力

安全罐的設(shè)計(jì)壓力為0.7～1.0 barg。此外，所有的間隔段(提升管、汽液分離器等)都必須按此壓力設(shè)計(jì)。

2.4 安全罐的設(shè)計(jì)溫度

安全罐的設(shè)計(jì)溫度為樹(shù)脂合成最高溫度的+20%。例如，如果聚酯的最高批處理溫度應(yīng)為250 ℃， 設(shè)計(jì)溫度為應(yīng)為300 ℃。

2.5 液位測(cè)量

必須在罐底端連接低液位開(kāi)關(guān)，向樹(shù)脂區(qū)控制室報(bào)警。如果容器中有任何液體，在開(kāi)始新批次之前，容器必須清空。

2.6 安全罐排氣筒[5]

(1)高度： 安全罐儲(chǔ)罐排氣筒高度必須用分散模型來(lái)驗(yàn)證，這里我們?cè)O(shè)計(jì)為35 m高，DN600。

(2)防雨：可進(jìn)行防雨保護(hù)，避免大量雨水進(jìn)入。在這種情況下，必須在開(kāi)口和保護(hù)裝置之間提供足夠的空間，以便仍然允許蒸汽適當(dāng)?shù)蒯尫藕头稚ⅰ?/p>

(3)形狀：請(qǐng)避免在排氣筒開(kāi)口處有鋒利的邊緣。一個(gè)圓形的輪廓將有助于避免在釋放的氣相中任何靜態(tài)能量的積累，因此最小化氣相自燃的概率。

排氣筒不能完全垂直。如圖6所示，方向的角度應(yīng)該不超過(guò)30°，以便將其附著在建筑的墻壁上，提供靜態(tài)穩(wěn)定性。[5]

圖6 安全罐排氣筒Fig.6 Catch tank stack

2.7 其 他

需對(duì)從反應(yīng)器到安全罐和其他容器連接到安全罐的管線進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，以保證整個(gè)管路系統(tǒng)的安全。

2.8 對(duì)排氣筒的高度做分散模型分析[4]

設(shè)計(jì)安全罐的位置和其排氣筒的高度，以便在安全罐釋放蒸汽的情況下，周圍區(qū)域的化學(xué)物質(zhì)暴露或來(lái)自外部源的著火風(fēng)險(xiǎn)降到最低。目前的安全罐布置需盡量得靠近被保護(hù)得反應(yīng)器系統(tǒng)， 并遠(yuǎn)離明火設(shè)備，如導(dǎo)熱油爐，廢氣焚燒爐，廢液焚燒爐，盡量使這些設(shè)備布置在安全罐得上風(fēng)側(cè)。同時(shí)注意到離安全罐200 m處有精餾塔，調(diào)查到精餾塔頂部管道最高溫度為100 ℃， 統(tǒng)過(guò)擴(kuò)散模型分析， 不會(huì)引起火災(zāi)。

3 結(jié) 論

根據(jù)本案列和前面描述的安全罐設(shè)計(jì)規(guī)則，使化工生產(chǎn)中的反應(yīng)器系統(tǒng)有了安全的保障，這也是國(guó)外化工設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，可以避免由于反應(yīng)失控造成的巨大損失，極大的提高了反應(yīng)的安全系數(shù)，在緊急情況下， 保護(hù)了裝置不受大的影響，在火災(zāi)工況下，使容器內(nèi)的蒸汽得到有效的釋放。值得國(guó)內(nèi)企業(yè)大力推廣。