浅谈丁二烯球罐安全设施工艺设计

1、引言

笔者参与了江苏昌华化工有限公司在江苏省连云港市赣榆区柘汪镇临港产业区产新建30 万吨水性树脂项目的设计，项目涉及两座 3000m³ 丁二烯球罐。本文主要谈谈在该项目丁二烯球罐安全设施工艺设计方面的一些工作体会，具体内容包括丁二烯球罐安全阀喉径和罐底注水量的工艺计算。

丁二烯常温常压下为具有微弱芳香气味的无色气体，易液化。沸点 -4.5^∘C 。相对密度（水=1）0.62，闪点 <-6C ，临界温度 152^qC 。临界压力 4.33MPa 。与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 1.4%～16.3%（V/V）， 。溶于丙酮、苯、乙酸、酯等多数有机溶剂，不溶于水，在氧气存在下易聚合。丁二烯易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。接触热、火星、火焰或氧化剂易燃烧爆炸。若遇高热，可发生聚合反应，放出大量热量而引起容器破裂和爆炸事故。 因此，对丁二烯球罐安全设施设计应给予高度重视。

2、超压泄放装置

根据《液化烃球形储罐安全设计规范》SH3136-2003 要求，液化烃球形储罐应设置全启式安全阀。安全阀的规格应按《压力容器安全技术监察规程》的有关规定确定；安全阀的开启压力（ 定压） 不得大于球形储罐的设计压力；安全阀应安装在液化烃球形储罐的气相空间。

《压力容器安全技术监察规程》规定安全阀泄放量应按《压力容器 8 GB150-2011 有关规定进行计算 [1]。

式中：A——泄放装置最小泄放面积， mm² ； c ——气体特性系数； K——泄放装置泄放系数，全启式安全阀取 0.6～0.7 ； k ——气体绝热系数； M——气体摩尔质量， Kg/Kmol ；Po——泄放装置出口侧压力（绝压），MPa ； P_f ——泄放装置泄放压力（绝压），MPa ；Tf——泄放装置泄放温度，K ； Z——气体压缩系数。

安全阀喉径的计算：

丁二烯球罐采用全启式安全阀，阀瓣开启高度 h⩾d_t/4 时，需满足式（4）：

0.785d_t²gtrsimA

式中：A——泄放装置最小泄放面积， mm² ； h ——安全阀阀瓣开启高度，mm ；

dt——安全阀阀座喉部直径，

该项目 3000m³ 丁二烯球罐直径 18000mm ，设计压力 0.79MPa（表压）、设计温度 68.5℃（球罐相关数据由球罐厂家提供）；安全阀泄放出口侧压力 Po=0.1MPa （表压），安全阀开启压力 0.70MPa（表压），安全阀泄放压力 P_i=0.87 （绝对压力），在此压力下，丁二烯泄放温度为 65°C 。查《化学化工物性数据手册》得丁二烯临界温度为 152% ，临界压力为 4.33MPa ，泄放压力下汽化潜热 q=335kJ/kg ；由此可知，丁二烯对比温度 Tr=0.80，对比压力 Pr=0.2 ，查 GB150 图 B.1 可得，气体压缩系数 Z=0.83_⨀ 。气体摩尔质量 M=54Kg/mol ，多原子气体绝热系数 k=1.33 。

将以上数据带入式（1）可得 3000m³ 丁二烯球罐安全泄放量：

Ws=127322.90 （kg/h ）；

该工况下， ，在临界条件时，将相关数据代入式（2）可得安全阀最小泄放面积：

A=19305.56 （mm² ）

根据式（4），查安全阀数据选取喉径 d_t=150mm 时， 0.785d_t²=17671.46mm²t=200mm 时， 0.785d_t²=31415.93mm²>A ，满足式（4）要求。

根据以上计算可知， 3000m³ 丁二烯球罐选用弹簧全启密闭式安全阀，安全阀喉部直径d_t=200mm 。

关于球罐安全阀的设置在工艺设计中还需注意以下几点 [2] ：

（1）、球罐需设置两个或两个以上的安全阀。任意一个安全阀的排放能力，应大于或等于球罐的安全泄放量。排放能力和安全泄放量按照GB 150 的有关规定进行计算。

（2）、两个或两个以上的安全阀装设在球罐的一个连接口时，该连接口的截面积，应不小于安全阀的进口截面积之和。

（3）、如果设置两个或两个以上的安全阀时，安全阀的整定压力宜有梯度，但不得大于球罐的设计压力。

（4）、安全阀与球罐之间安装全通径球阀。球阀必须全开，并应铅封或锁定。

（5）、安全阀排放口需接至火炬系统。同时，应考虑排放时对火炬系统的冲击。

3、丁二烯球罐防泄漏注水设施

《液化烃球形储罐安全设计规范》SH3136-2003 及《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007-2007 均明确规定液化烃储罐应采取防止液化烃泄漏的注水措施。设置注水设施旨在储罐液相进出管道的第一道阀门发生液化烃泄漏事故时，通过储罐液相进出管道向储罐内注水，使从破裂的阀门泄漏出的液体是水而不是液化烃，以便抢修。

由设置防泄漏注水设施的目的可知，液化烃球罐防泄漏注水设施的设计要求必须满足以下两点 [3] ：

（1）、通过注水管道向储罐内注入的水量应大于等于从泄漏处流出的水量，以保证从泄漏处流出的是水而不是液化烃，从而防止液化烃的泄漏。罐内液位不上升，从泄漏处流出的完全是水时的水量就是保证注水管道能有效工作的最小水量。

（2）、注水管道内的水必须具备足够的压力，此压力应大于沿程摩阻、局部摩阻，升高的位能（注水点到球罐最高液位的位能差）、破损处的压力（为液化烃在操作温度下的饱和蒸气压和该处的位能差引起的压力之和）。

本文以项目中 3000m³ 丁二烯球罐防泄漏注水设施设计为例，把因法兰密封的破损而引起的泄漏近似地看作容器壁上开一孔口，把此种泄露近似看作孔口出流，泄漏量按式（5）计算 [4] ：

（5）

式中：P ——气相饱和蒸汽压，Pa ； P₀^- ——大气压，Pa ；ρ——密度， kg/m³ ；Q ——泄漏量，m³/h ； μ ——流量系数，0.62 ；g——重力加速度， 9.8m/s² ； h——从罐的最高液位到泄漏点的高差，m ；A——破损处泄漏面积， m² 。

3000m³ 丁二烯球罐直径 18m ，最高液位到泄漏点的高差 h=15.87m ，罐底和管线的高差确定为 1.4 米，操作压力 0.35MPa（表压），球罐底部开口管径 DN200，丁二烯密度 ）=620 kg/m3 。

实际泄漏面积宜按缠绕式垫片的破损裂缝一般不会超过圆周的 1/7，裂缝宽度 S 取 5mm 进行计算，即泄露面积 A=1/7πDS=4.91×10^-4m² 。

将以上数据带入式（5）可得 3000m³ 丁二烯球罐泄漏量： Q=41.58m³/h

3000m³ 丁二烯球罐操作压力 0.35MPa （表压），最高液位到泄漏点的高差 h=15.87m，产生最大液位压差 P_h=0.096MPa 。由于球罐组四周的稳高压消防水系统压力基本在1.0MPa 左右，因此稳高压消防水管网的系统压力完全可以满足丁二烯球罐球罐的注水压力要求。在进行稳高压消防水系统管网的设计时考虑球罐泄漏状态下注水用量需求，可采用稳高压消防水系统作为事故状态下球罐的注水水源进行直接注水。

关于丁二烯防泄漏注水设施在工艺设计中还需注意以下几点：

（1）、注水接入点位置宜设在泵入口过滤器与切断阀之间。

（2）、注水点宜采用半固定式连接，需要注水时连接快装接头，实现迅速注水。

（3）、快装接头及连接软管宜采用LPG 装卸车专用系列产品。

（4）、实现半固定连接时除在连接端设双阀外还应加设单向阀（单向阀流向为从消防水管道流往工艺管道）及检查阀，注水阀前后需设压力测量仪表。

（5）、寒冷地区的注水管道需采取必要的防冻措施，如：保温、伴热等。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 压力容器GB150-2011.

[2]

[5] 中华人民共和国国家发展和改革委员会 . 液化烃球形储罐安全设计规 SH3136-2003.

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会 .《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007-2007.

[4] 王松汉. 石油化工设计手册第四卷. 化学工业出版社.2002