溶解乙炔站設計

朱清水

(山東聯盟化工股份有限公司，山東 壽光 262700)

溶解乙炔站設計

朱清水

(山東聯盟化工股份有限公司，山東 壽光 262700)

介紹了溶解乙炔的生產工藝過程,結合溶解乙炔站的實際設計,對設計過程中的安全危害提出預防措施。

溶解乙炔; 工藝設計; 安全

乙炔是有機合成的重要原料之一，它是合成橡膠、合成纖維和塑料等的原料，也廣泛用于金屬的切割，焊接及各種火焰加工。本文結合某溶解乙炔站設計情況，對電石法溶解乙炔站的工藝設計作初步探討。

乙炔具有高度的易燃易爆性，能與空氣形成爆炸性混合物，在空氣中爆炸范圍為2.1%～82.0%。遇明火、高熱和氧化劑有燃燒、爆炸危險。是國家公布的首批重點監管的危險化學品。因此，良好的設計是保證溶解乙炔的生產安全的前提。

鑒于乙炔的高易燃易爆性，在乙炔生產工藝和設備的選擇上，安全可靠，技術成熟是首要條件。本項目選用電石法制取乙炔氣，該方法具有工藝流程短，設備簡單，操作方便，產品純度高，投資小等優點，被國內外廣泛采用。

電石法生產溶解乙炔主要有以下幾種方案，以電石與水接觸方式主要分為電石入水式(濕法)、水入電石式(干法)兩種方案；以乙炔發生器的操作壓力分為低壓法和中壓法；以凈化方式分為干法凈化(由于污染嚴重已淘汰)和濕法凈化。濕法凈化又分為硫酸法，氯水法和次氯酸鈉法。本項目選用成熟的濕法工藝，在低壓乙炔發生器中反應，通過設計時對乙炔發生器進行的危險因素分析表明，若乙炔發生器的工作壓力較高(如中壓發生器)，加料口嚴密性差，乙炔泄漏損失較大，其危險性必然增大。低壓電石入水式分解較完全，乙炔得率較高；乙炔的冷卻和清洗較充分，操作溫度平穩，易控制；采用全密封加料，且有氮氣吹掃置換裝置，空氣不易混入發生器內，安全性好，操作環境好；容易實現機械化、自動化操作，勞動強度小，生產的乙炔氣體純度高，產量較大等優點受溶解乙炔企業采用。

1 乙炔的生產工藝流程

1.1 反應原理

1.1.1 乙炔反應原理

將粒度≤80mm的電石與水在發生器中連續反應，生成乙炔和氫氧化鈣，并放出熱量，反應熱被乙炔氣及電石渣和過量的水帶出。反應方程式如下：

1.1.2 次氯酸鈉凈化原理

反應器生產出粗乙炔氣，乙炔第一凈化塔、乙炔第二凈化塔，以將氣體中的H2S、PH3、AsH3等雜質氧化成酸性物質，在進一步處理并除去。凈化塔內用次氯酸鈉溶液凈化，反應方程式如下：

1.2 生產工藝流程

圖1 乙炔生產工藝簡圖

圖1為溶解乙炔生產工藝流程的簡圖。開車之前，需用氮氣將乙炔發生器等設備及管道內的空氣進行置換，待測至排出氣體含氧量小于3%后方可投料。

將粒度≤80mm的電石與水在發生器中連續反應，生成乙炔和氫氧化鈣。水與乙炔的比例控制在10：1左右，加入的電石量由貯氣柜的高度決定。反應器內的溫度控制在70℃左右，壓力控制在0.07MPa以下，液面通過溢流口的溢流來控制。

反應器生產出粗乙炔氣，經洗滌器，正、逆水封及貯氣柜后進入乙炔第一凈化塔、乙炔第二凈化塔，在凈化塔內用0.10%的次氯酸鈉溶液凈化，以將氣體中的H2S、PH3、AsH3等雜質氧化成酸性物質，在進一步處理并除去。次氯酸鈉溶液來自次氯酸鈉配液槽，經次鈉泵送至凈化塔頂部，殘液從底部排出，送至渣漿池循環使用。

從乙炔第二凈化塔頂出來的乙炔氣進入乙炔中和塔，用15%氫氧化鈉溶液洗滌，中和掉凈化時產生的酸性物質。氫氧化鈉溶液來自氫氧化鈉配液槽，經堿液泵送至中和塔頂部，殘液從底部排出，送至渣漿池循環使用。

凈化后的乙炔氣經水封器和低壓干燥器進入壓縮機加壓至2.5MPa。經高壓油分離器、高壓干燥器除去乙炔氣中的油分和水分，水分含量要求控制在0.60%以下。干燥后的乙炔再通過阻火器后進入充裝排,將乙炔氣充裝入已裝好裝有填料和丙酮的合格乙炔鋼瓶中，充裝時根據不同溫度調整充裝壓力，使乙炔氣溶解在丙酮里，從而得到溶解乙炔。乙炔發生器排放的渣水排進渣漿池，在渣漿池內經過沉淀，上清液進入清水池回用，澄清的渣水經清水泵送至乙炔發生器循環使用，沉淀的渣漿由人工清走或外賣。

1.3 氫氧化鈉溶液及次氯酸鈉溶液的配置

來自外界的濃氫氧化鈉溶液，經堿液泵和工業水分別計量送至氫氧化鈉配液槽，配置成15% 的氫氧化鈉溶液，供乙炔中和塔使用。

來自外界的濃次氯酸鈉溶液，經次鈉泵和工業水分別計量送至次氯酸鈉配液槽，配置成0.10%左右的次氯酸鈉溶液，供乙炔第一凈化塔及乙炔第二凈化塔使用。

1.4 生產操作指標

表1為本項目的主要操作指標。

表1 主要工藝操作指標

2 工藝過程關鍵設備選型

本設計項目為年產300噸乙炔氣體，年運行330天。所涉及到的主要生產設備為1臺乙炔發生器、1個乙炔氣柜、2臺乙炔凈化塔、1臺乙炔中和塔、1個低壓干燥器、2臺活塞式壓縮機、1個油水分離器、1組高壓干燥器、4組乙炔充裝排、1臺渣漿泵、1臺清水泵以及中間的多個水封槽和高位水箱等，共計37臺設備。

設備選型要求主要根據生產任務，反應條件及介質物性選取，首要任務是要保證生產安全。

根據《乙炔站設計規范》(GB50031-91)，低壓乙炔發生器和乙炔壓縮機之間，應設置濕式貯罐，其有效容積不應小于壓縮機10min的排氣量。根據乙炔的產量，選用的壓縮機的排氣量為48m3/h，據此計算濕式貯罐的容積可得：

每小時需要充裝的氣瓶數為：

V=Q□t=48×10/60=8(m3)

式中：Q——壓縮機的排氣量；

N——連接氣瓶數；

V——充裝容積流速，一次充裝不宜超過。

本設計選用每排21個充裝頭的充裝排，則根據計算可知，需選用2組4排充裝排同時充裝。由于充裝速度較慢，為了減少充裝時的準備時間，充裝臺宜設置4組8排充裝排進行切換充裝。

本項目主要的生產設備見表2。

表2 主要設備一覽表

表2(續)

3 設備平面布置

3.1 廠區布置

本工程由溶解乙炔裝置及輔助生產設施組成。

擬建項目廠區呈梯形狀，根據原料供應的特點，保證工藝流程順暢和滿足原料、成品的運輸，設備的操作檢修以及結合當地風向、場地地形、周圍關系等因素進行廠區平面布置。布置依據HG/T20546-2009《化工裝置設備布置設計規定》和GB50016-2014《建筑設計防火規范》等標準和規范進行設計。

根據總平面布置原則和廠區地形，溶解乙炔裝置、輔助生產設施設在Ⅱ臺地。輔助生產設施(包括配電室、消防、生產水池、泵房等)布置在Ⅱ臺地的東南角。

廠前區(辦公樓)布置在廠區西邊，緊鄰廠外公路，交通方便，氧氣充裝裝置、液態二氧化碳充裝裝置布置在Ⅰ臺地，與Ⅱ臺地的溶解乙炔裝置分開，便于生產管理和安全操作。廠區道路采用環形布置。

整個廠區平面布置均按規范要求布置，建、構筑物間距符合消防要求，且平面布置緊湊，工藝流程合理，物料進出順暢，管線簡捷、管理方便。

3.2 車間內布置

乙炔生產車間內部，乙炔充裝間采用敞開式建筑；實瓶間與壓縮機間及凈化塔、中和塔區、乙炔發生車間和中間電石庫之間用防爆墻隔開；電石倉庫與丙酮倉庫之間，乙炔發生站與中間電石庫相鄰較高一面的外墻設置防火墻。

4 管道設計

設備布置確定后進行管道布置，管道布置執行GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》。本項目涉及到的主要介質為乙炔、丙酮、氮氣和水。其中乙炔的工作壓力有低壓和高壓兩類，為該項目設計的重點。本項目管道設計主要遵循以下幾點：

(1)從乙炔反應器排出的含濕乙炔的管道設置坡度，且坡度不小于0.003，在管道的最低處應設排水裝置；

(2)乙炔管道沿墻或柱子架空敷設，其高度應不妨礙交通和便于檢修；

(3)架空乙炔管道可與氮氣等不燃氣體管道、給水管道等共架；分層布置時，乙炔應布置在最上層，其固定支架不應固定在其他管道上。

(4)乙炔管道嚴禁穿過生活間和辦公室，車間的乙炔管道，不應穿過不使用乙炔的建筑物和房間；

(5)乙炔的放散或排放引至室外，引出管管口應高出屋脊，且不得小于1m。

(6)高壓干燥裝置出口管路處、高壓乙炔放回低壓設備或儲罐的管路設置阻火器。

(7)乙炔設備的排污管，接至渣漿池，進行集中處理。

(8) 乙炔管道設計時， 當管道壓力在0.02～0.15MPa時，其最大流速為8 m/s,當管

道壓力在2.5MPa及以下時，其最大流速為4 m/s。

(9) 乙炔管道設計時，管道選用20#鋼。低壓管道采用無縫鋼管，高壓管道采用DN20的厚壁管。

5 設計采用的安全措施

由于該項目中的乙炔是重點監管的危險化學品，采取的安全設施和措施應符合《首批重點監管的危險化學品安全措施和應急處置原則的通知》(安監總廳管三【2011】)142號)的要求。本工藝設計中采取的安全設施和措施如下：

(1)乙炔發生裝置設置安全水封、正負壓水封，密閉操作，避免泄漏，防止乙炔氣體泄漏到工作場所空氣中。

(2)乙炔設備、容器及管道在動火進行大、小修之前應作充氮吹掃，所用氮氣的純度應大于98% 。

(3)向乙炔發生裝置加水的高位水箱設置液位低低限報警、低限聯鎖啟動清水泵，高限聯鎖停止清水泵裝置；

(4)乙炔氣柜的鐘罩，設置上、下限位的控制信號報警和低低限聯鎖停壓縮機裝置。信號的位置，應便于操作人員觀察。

(5)乙炔壓縮機設置限壓裝置。即當吸氣壓力低于最低允許壓力，排氣壓力高于最高允許壓力時，壓縮機能自動停車，并發出報警信號。壓縮機間設置能指示儲氣罐儲氣量的信號和與壓縮機聯鎖的裝置。

(6)在有乙炔存在場所的人員，應配備便攜式可燃氣體檢測報警儀。在乙炔發生站、乙炔凈化灌裝站，設置可燃氣體檢測報警儀，并與應急通風軸流風機聯鎖，使用防爆型的通風系統和設備，全面通風。

(7)在乙炔充灌臺上設置噴淋氣瓶的冷卻水管，并設置緊急噴淋水管。

(8)輸送乙炔的管道不靠近熱源敷設；管道采用地上敷設時，在人員活動較多和易遭車輛、外來物撞擊的地段，采取保護措施并設置明顯的警示標志；乙炔管道架空敷設時，管道敷設在非燃燒體的支架或棧橋上。在已敷設的乙炔管道下面，不修建與乙炔管道無關的建筑物和堆放易燃物品；乙炔管道外壁顏色、標志執行《工業管道的基本識別色、識別符號和安全標識》(GB 7231-2003)的規定。

(9)為防止設備超壓而造成的事故，在一些設備有關部位均設有阻火呼吸閥等泄放設施，而且泵出口設置止回閥，防止液體倒流，損壞機泵。

(10)壓縮機后高壓系統在出口管、干燥器后和充裝排分管設置三級高壓阻火器，在每個高壓放空管或放空匯總管上均設置阻火器，在充裝排至氣柜的回氣管線上設置阻火器。充裝排上設置止回閥。

6 結論

本設計選用電石法濕法低壓工藝生產乙炔，該工藝技術成熟，操作條件緩和，設備簡單，結合合理的設備布置和對工藝流程進行可靠的安全分析，在設計中采取了必要的安全設施和措施，這些都對生產安全提供了可靠的保證。

[1] 國家質檢總局.GB50031-1991，乙炔站設計規范[S].北京：中國標準出版社，1991.

[2] 潘 哲，林 洋，王 晗. 溶解乙炔生產工藝與安全[J]. 遼寧化工，2009. 38(9):685-687.

[3] 邱晚茍. 溶解乙炔氣生產工藝及安全技術探討[J]. 科技與企業，2014. (16):390-391.

(本文文獻格式：朱清水.溶解乙炔站設計[J].山東化工，2016，45(08)：107-110.)

2016-03-13

朱清水(1976—)，山東壽光人，工程師，畢業于北京化工大學化學工程專業，主要從事合成氨、尿素生產技術管理。

TQ221.24+2

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