化工設計中常用的安全泄放裝置

王薇(重慶化工設計研究院有限公司，重慶 400041)

0 引言

化工設計中的物料種類繁多，存在易燃易爆、強腐蝕性、有毒性、揮發(fā)性等危險，在實際儲存和使用中，要根據(jù)這些特點選擇生產設備和運輸管道，防止發(fā)生事故。同時，由于物料形態(tài)不同，在儲存和使用中容易發(fā)生物理超壓，要設計合理的泄壓系統(tǒng)，運用安全泄放裝置，將其單獨或組合應用到設備、管路中，保證安全。在化工設計中，要充分考慮到物料的物理性質和化學性質，選擇適當?shù)陌踩狗叛b置，優(yōu)化安全泄放系統(tǒng)，保證化工設計的科學性和高效性。

1 發(fā)生物理超壓的原因

物理超壓主要是化工設備中化學介質的化學性質不變化，僅是因為外部原因而造成設備內部化學介質的參數(shù)壓力、溫度狀態(tài)、體積都發(fā)生劇烈變化，并在一定時間內釋放能量而破壞設備。引起容器物理超壓的原因很多，具體為以下幾方面。

1.1 物料積聚

針對壓縮機緩沖罐、鍋爐汽包、氣液分離罐等儲存容器而言，一旦出口管線受阻，或是氣體儲罐過量充裝，都會引發(fā)容器內物料積聚而形成超壓。針對高壓設備系統(tǒng)內部的低壓容器而言，在實際運行中，若發(fā)生減壓閥失靈，就會出現(xiàn)低壓容器超壓的情況。化工生產中，物料積聚引發(fā)的物理超壓現(xiàn)象，都是源自于人為操作失誤或是控制閥失靈造成的。

1.2 物料受熱膨脹

在容器內物料運輸中，尤其是液體物料、氣體物料，一旦受到外界熱輸入，比如火災，體積會迅速膨脹造成容器超壓。

1.3 過熱液體蒸發(fā)

過熱液體穩(wěn)定性較弱，在容器內部會破壞過熱狀態(tài)而形成突沸情況，在這一過程中，形成大量的蒸汽，使得容器內部壓力劇增，造成蒸汽爆炸事故。一方面，造成蒸汽爆炸的原因是容器內的飽和液體突然受熱后引發(fā)過飽和狀態(tài)，不同沸點的飽和液體混合，高沸點液體會對低沸點液體進行突然加熱，讓低沸點飽和液體形成過飽和狀態(tài)，過程激烈；另一方面，造成蒸汽爆炸的原因是密閉容器中的飽和液體與飽和蒸汽原有平衡突然打破，形成突然的激烈現(xiàn)象。

2 安全泄放裝置流體力學模型設計

安全泄壓裝置運行原理為：系統(tǒng)壓力快速上升時，會將過剩介質排放到低壓系統(tǒng)或是大氣中，預防超壓事故的發(fā)生。在實際設計中，泄放管簡化模型的建立分為以下三種情況：

2.1 氣態(tài)物質泄放

若容器內泄放物質為氣態(tài)物質，泄放管為漸縮噴管模型，如圖1所示。其進口至出口的截面面積逐漸變小，流體流動時的運動方程為，其中，v 代表氣體流速，A 代表管道截面積，Ma 代表馬赫數(shù)。氣體泄放過程中，流速低于聲速，稱為亞聲速流動，在漸縮噴管中，氣流流速就會上升，使得壓強和密度下降，進而達到安全泄放的目的。

圖1 氣態(tài)物質泄放裝置流體模型

2.2 液態(tài)物質泄放

液態(tài)物質屬于不可壓縮流體，截面管道流動過程中，無法實現(xiàn)增速減壓。對此，液態(tài)物質泄放裝置流體模型如圖2所示，屬于等截面直管段。

圖2 液態(tài)物質泄放裝置流體模型

3 化工設計中常用安全泄放裝置

3.1 儲罐裝置

儲罐裝置是化工設計中常見的安全泄放裝置，具體分為以下幾種類型：

(1)常壓、低壓儲罐。在常壓、低壓儲罐應用中，由于物料進出或是外界溫度變動情況，會造成罐內氣體泄露而污染環(huán)境；或者是因為罐內真空中吸入空氣，會誘發(fā)物料變質，影響罐體質量。基于這種情況，在常壓儲罐設計中，設計人員要安裝氣封系統(tǒng)，合理布設呼吸閥，兩種保護措施共同作用，實現(xiàn)容器安全泄放。儲罐各個泄壓零部件為以下幾方面：

第一，呼吸閥為儲罐頂端通風裝置，不僅可以保證儲存密封性，也可以控制儲罐內部物料揮發(fā)損失，在化工設計中，呼吸閥必須具備極強的密閉性，有呼吸閥、單呼閥兩種類型，呼吸閥可以對正超壓、真空超壓起到保護作用，而單呼閥主要對正過壓進行保護，避免出現(xiàn)空氣吸入的情況。

第二，氣封系統(tǒng)可以針對易燃易爆、有毒性、吸水性等高危性物料進行泄放保護，防止高危性物料直接接觸大氣。在化工設計中，常用氣封系統(tǒng)進行安全泄放，系統(tǒng)運行中屬于壓力分程控制系統(tǒng)，包括兩組調節(jié)閥，一組主要控制罐內壓力，為罐內真空補氣，而另一組則是根據(jù)罐內壓力進行排氣，保證儲罐安全使用。在氣封閥設計開發(fā)中，優(yōu)化氣封流程，同氣封閥形成罐內壓力連鎖反應，設定壓力限值，一旦罐內壓力超過壓力限值，利用氣封閥排出氣體，若罐內壓力低于壓力限值，則通過氣封閥進入氣體，提高儲罐設備的安全性。

第三，緊急泄放閥與自由泄放孔，這是化工生產中的安全保護措施之一。每一個常壓、低壓儲罐都要安裝配置緊急泄放閥，一旦發(fā)生儲罐內物理超壓的情況，會立即啟動緊急泄放閥進行泄放，防止爆炸等事故。在化工設計中，若物料為無揮發(fā)性液體，在設計儲罐泄放系統(tǒng)時，要安裝自由泄放孔，允許罐內氣體的流動，避免儲罐發(fā)生正過壓、負過壓的情況。

(2)大型低溫儲罐。大型低溫儲罐在空分裝置中使用，主要保存液氧、液氮、液氬等化工物料，以雙層結構為主，中間選擇珠光砂作為保溫材料，保證夾層干燥密封，包括內罐、外罐、安全泄放裝置、測量分析儀表等結構，根據(jù)結構特征和儲存特征，在大型低溫儲罐安全泄放裝置設計中，要安裝兩個以上的安全閥、放空閥、溢流閥等，在外罐安裝安全閥、緊急放空閥和最高液位報警裝置。在設計中，為了保證使用安全性和穩(wěn)定性，內罐選擇先導式安全閥，而在外罐選擇安全閥，在中間夾層選擇緊急泄放閥，以保證儲存罐內部空間氣體的均勻分布，防止超壓情況的發(fā)生。

(3)壓力儲罐。壓力儲罐安全泄放裝置設計中，包括安全閥與緊急泄放閥，壓力儲罐為一般壓力容器，需要設計人員考慮到物料性質和形態(tài)，以便保證壓力儲罐的安全運行。

3.2 管殼式換熱器

由于物料危險性特征，實際運行中，管殼式換熱器的消耗較大，其中高壓側換熱管很容易由于物料物理性超壓造成斷裂，使得物料從高壓側流向低壓側，造成物料泄露情況。對此，在安全泄放裝置設計中，要結合工況情況，選擇適合的安全閥和爆破片，塔設備中安裝安全閥和阻火器，進而提高管殼式換熱器的泄放功能。

3.3 反應器和壓力容器

在化工設計中，反應器和壓力容器由于化學反應或是溫度突然上升的情況，會造成內部壓力迅速上升，為了避免安全事故的發(fā)生，要在反應器和壓力容器中安裝安全泄放裝置，根據(jù)操作介質與操作狀態(tài)，合理選擇的閥型泄放裝置、斷裂型泄放裝置、組合型泄放裝置、熔化型泄放裝置。其中閥型泄放裝置由安全閥和緊急泄放閥組成；斷裂型泄放裝置即為爆破片，應用在反應器中；熔化型泄放裝置即為易熔塞，應用在液化氣體瓶中；組合型泄放裝置融合多種泄放裝置類型，形成組合式泄放裝置。

3.4 壓力管道

考慮到介質管道運輸中容易受到外界溫度變化或是人為操作失誤的影響，形成物理超壓情況，需要設計人員考慮到壓力管道運行使用環(huán)境和要求，在壓力管道上安裝安全泄放裝置，設置安全閥，預測罐內物料壓力變化情況，設置管道內壓力限值，實際壓力值低于壓力限值時，關閉閥門，當實際壓力超過壓力限值，開啟閥門放氣，實現(xiàn)閥門的自動化控制，進而達到壓力管道的安全泄放。

(文章題目:化工設計中常用的安全泄放裝置)

4 結語

綜上所述，在化工設計中，由于物理超壓是導致安全事故的根源，設計人員要深入剖析物理超壓造成的原因，優(yōu)化安全泄放裝置的設計和應用，從儲罐、管殼式換熱器、反應器和壓力容器、壓力管道等方面入手，設置安全泄放裝置，及時排放氣體，保證化工設備的安全有效運行，預防化工安全事故。