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丁二烯储罐安全设计探讨

文档作者: 李钊        文档来源: 中国成达工程有限公司成都
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更新时间: 2021年01月07日
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李钊丁二烯储罐安全设计探讨17 丁二烯储罐安全设计探讨 李钊+ 中国成达工程有限公司成都610041 摘要简述T:-烯的危险特性,主要介绍丁二烯储罐工艺系统设计中采取的安全措施,如设置降温设施、 安全泄放装置及注水线等。 关键词丁二烯球罐降温安全泄放 丁二烯广泛用于生产ABS树脂、 丁苯橡胶、丁腈橡胶等聚合物产品‘1|。 顺丁橡胶、2.1设计湿度 丁二烯有1,2一丁二烯和1,3一丁二烯两种 同分异构体,一般所说的丁二烯均指t,3一丁二 烯。1,3一丁二烯熔点为一108.9℃,沸点为一 4.4℃,临界温度152.0。C,临界压力4.33MPa, 闪点为一6℃,爆炸极限(V)为2.0% “11.5%o“。 丁二烯在常温、常压下为无色气体,具有甜 感芳香气味。2001年美国第9次报告致癌物名单 中,将1,3一丁二烯列入“已知的人的致癌物 质’’‘2I。 由于丁二烯在生产、储存、运输和使用过程 中存在着易燃、易爆、易自聚,且自聚物易爆炸、 易自燃、易胀裂阀门及管道等各种危险性,极易 引发着火、爆炸等恶性事故,严重威胁生命和财 产的安全¨j。本文对丁二烯储罐特别是球形储罐 工艺系统安全设计进行探讨。 1储罐选型 丁二烯属于液化烃,火灾危险性分类属于甲A 类,常温储存应选用压力容器∞1。根据设计所需 体积大小可选用球罐或卧(立)罐,工程设计中 200m 3以上液化烃成品储罐通常采用球罐型式。 丁二烯储存温度要求低于27℃,压力低于 0.5MPa。丁二烯储罐的储存系数应小于0.8,并尽 可能缩短物料在储罐内的储存时间,以减少聚合 物的产生‘2I。 2设计参数的确定 设计温度是指压力容器在正常工作情况下设 定的元件金属温度(沿元件金属截面的温度平均 值)。常温储存的压力容器,应当充分考虑在正常 工作状态下大气环境温度条件对容器壳体金属温 度的影响,其最低设计金属温度不得高于历年来 月平均最低气温的最低值H】。按照上述定义,液 化烃储罐的低温设计温度应当选取建设地点历年 来月平均最低气温的最低值。丁二烯储罐最低设 计温度应当选取建设地点历年来“月平均最低气 温”的最低值;最高设计温度可按工作介质的正 常温度加一定余量(15~30℃)来选取”o。 2.2设计压力 设计压力是指设定的容器顶部的最高压力, 与设计温度一起作为设计荷载条件,其值不低于 工作压力。常温储存液化气体压力容器的设计压 力,应当以规定温度下的工作压力为基础确定‘4。。 1,3一丁二烯临界温度>50qC,50℃时饱和蒸 汽压为0.568MPa(A)∽J。由于新容规H o取消了 对常温储存液化气体压力容器设计压力的直接规 定,丁二烯成品储罐的设计压力应以50%时饱和 蒸汽压0.568MPa(A)的工作压力为基础,考虑 适当的设计裕量来确定;原化工部技术规定"1中 推荐取0.79MPa(G)。 3安全防护 3.1球罐降温 丁二烯单体聚合速度受温度影响极大,温度 越高反应越剧烈,聚合为放热反应,从而形成恶 性循环。所以丁二烯球罐要采取适当的降温措施 +李钊:工程师。2008年毕业于北京化工大学化学工程专业获硕士学位。现从事化工工艺系统设计工作。联系电话:(028)65531470 E—mail:lizhso@chengdA tom。 万方数据 18 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 来满足丁二烯储存所要求的温度。相关规范∞'7。也 要求:丁二烯储存周期在两周以下时,丁二烯球 罐应设置水喷淋冷却系统;储存周期在两周以上 时,应设置冷冻循环系统。 南方某工厂,夏季极端最高温度38.3 oC,地 表温度能达到50℃,工厂丁二烯来料温度一4℃, 球罐有保冷,储存周期两周以上。丁二烯球罐外 部设置一5℃冷冻水循环系统,球罐温度超过20。C 时启动泵将罐内丁二烯循环经冷却器进行降温, 当温度下降到15℃以下停止循环。此外丁二烯设 有水喷淋系统,喷水量为9L/(m 2·min),火灾时 使用。 3.2安全泄放装置 3.2.1安全泄放装置的设置 属于液化烃的丁二烯储罐应设置安全阀‘3 J, 类型选用全启式安全阀Mj。值得注意的是,丁二 烯压力储罐安全阀应设在线备用安全阀和1个安全 阀副线。安全阀前后应分别设1个全通径切断阀, 并应在设计图纸上标注LO(铅封开)¨J。 丁二烯易自聚,安全阀前应设置爆破片b’引, 安全阀排出管道上应有充氮接管。6'7』。爆破片在 安全阀入口处串联使用时应注意:①选用的爆破 片爆破后不能产生碎片;②爆破片与安全阀之间 设置压力表和放空阀等,并经常检查压力表,以 确认爆破片是否破裂。某工厂丁二烯球罐安全泄 放装置见图1。 图1 某工厂丁二烯球罐安全泄放装置 3.2.2安全泄放量 某工厂的两台丁二烯球罐,单台500m 3,外径 9882mm,保冷厚度70mm,球心距地面8m,球罐 设计压力0.79MPa(G),设计温度50。C,安全阀 整定压力0.7MPa(G)。《压力容器》旧。中“有完 整的绝热保温层时”安全泄放量计算公式如何使 用并不明确,在设计中没有把握时一般不采用旧J。 丁二烯球罐安全泄放量计算采用如下公式: 一 2.55×10 5FA,o 82 耽2——了—一 式中,w。为容器的安全泄放量,kg/h;F为容器 外壁校正系数,容器置于地面上时F=1.0,保冷 容器F=1.0[10。;A。为容器受热面积,球形容器 A,=1.57D。2或从地面起到7.5m高度以下所包括 的外表面积,取两者中较大值,m 2,此丁二烯球 罐的中心安装高度8 1TI,此处取半球的面积A,= 1.57D。2=153.32m 2;q为泄放压力下液体的汽化 潜热,kJ/kg,丁二烯蒸汽压为0.947MPa(A)时 (火灾工况按安全阀超压21%计)对应的汽化热为 324.4 kJ/kg。 代人数据得: WS=塑型蔷竽-487·4kg/h 3.2.3泄放面积计算 计算公式: 形。厩 肛13.16萄√i 式中,c为气体特性系数,对于1,3一丁二烯,C =329;K为泄放装置的泄放系数,由制造厂提供, 无制造厂数据时,对全启式安全阀常规取0.8,爆 破片与安全阀组合安装时,K=0.8×0.9=0.72; P,为泄放压力(绝压),包括设计压力和超压限度 两部分,MPa,按安全阀超压21%计,取 0.947MPa(A);T,为泄放温度,K,丁二烯在泄 放压力0.947MPa(A)下对应的温度71.1℃ (344.25K);Z为压缩因子,由对比压力、对比温 度查表得出,Z取0.85;M为气体的摩尔质量, 丁二烯M为54.09 kg/kmol。 代人数据计算安全阀泄放面积: A=13.16×———Ii二:‰×.85 x 344.25=6647 mm3290 72 0 947 2 ×. ×. 根据计算结果,选取API一526标准安全阀喉 径代码为Q,喉径面积7129 film 2。 爆破片安装在安全阀人口组合使用时,爆破 万方数据 李钊丁二烯储罐安全设计探讨19 片的标定爆破压力与安全阀的设定压力相同。爆 破片的公称直径不小于安全阀的人口管径。 3.3球罐注水 球罐液相进出管道的第一道阀门破裂而造成 液化烃泄漏时,常通过球罐液相进出管道向球罐 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,所以包括丁二烯在内常温 液化烃储罐应采取防止液化烃泄漏的注水措施, 注水管道宜采用半固定连接方式o 7I。 3.3.1注水水源 注水系统应选择合适的水源,以确保液化烃 储罐泄漏时,水质、压力、流量和温度等符合注 水要求。一般情况下,优先选用稳压消防给水作 为注水水源,如选择其他水源应特别注意水温, 水温过高易造成罐内压力升高,险情加剧171。 3.3.2注水点最小工作压力 向液化烃储罐注水,必须提供足够的压力来 克服系统阻力,使水n-N畅地注入罐内,因此, 注水系统的最小工作压力至少应同时考虑罐内液 化烃最高操作压力;罐内液化烃液位高度所形成 的静压力;水在管道内流动时形成的管道输送系 统摩阻损失: P~=P烃饱+址+△Z+10—2V2/29+10一。P烃gh 式中,P。i。为注水泵的最小工作压力,即泵最小扬 程,MPa;P烃饱为液态烃最高操作压力,MPa;Ah 为水系统摩擦阻力损失及局部损失,MPa;AZ为 储罐泄漏点与泵入口的位能;V为水量的最小 流速。 一般高压消防水系统压力基本稳定在0.7~ 1.2MPa(G),对于操作压力低于0.4MPa(G)的 液化烃球罐,高压消防水可以满足液化烃球罐的 注水压力要求;高压消防水系统压力不能保证稳 定时,需考虑借用物料泵或设置专有泵进行提压 的方案。对于操作压力高于0.4MPa(G)的液化 烃球罐,可根据注水流量及压力考虑借用工艺泵, 工艺泵不能满足时,需要设置专有注水泵完成注 水Eli J。文中工厂丁二烯球罐操作压力0.3MPa (G),消防管网供水压力1.0MPa(G),直接采用 稳压消防水注水。 3.3.3注水流量及流速 文献12建议设计注水流量取40~60 m 3/h, 液化烃球形储罐可取中低限,卧式储罐宜取高限。 设计注水流速1.5~2.5m/s。 3.4其他安全措施 3.4.1储罐管口 液化烃球形储罐的接口,在满足工艺要求的 情况下,尽可能减少球形储罐底部的接口数量Mj。 球壳上、下极应各设置一个公称直径不小于 500mm的人孔¨“。 液化烃储罐底部的液化烃出入口管道应设可 远程操作的紧急切断阀。紧急切断阀的执行机构 应有故障安全保障措施一1。 3.4.2管道安全阀的设置 两端阀门关闭且因外界影响可能造成介质压 力升高的液化烃类液体管道应采取泄压安全 措施‘3I。 在天气炎热时,液态丁二烯管道两端阀门关 闭易导致管道内所残留的液态丁二烯介质因太阳 光曝晒而使压力急剧升高,造成管道爆裂或阀门 破坏,对液态丁二烯管道(含气相和液相管线) 设置安全泄压阀,泄放的气态丁二烯可通过管线 回流到球罐内或去火炬系统。 3.4.3脱水系统 全压力式液化烃储罐宜采用有防冻措施的二次 脱水系统,储罐根部宜设紧急切断阀。若液化烃中 不含水时,可不设二次脱水系统I 33。二次脱水系统 要另设一个脱水容器,将储罐内底部的水先放至脱 水容器内,再把罐上脱水阀关闭,待气水分离后, 再打开脱水容器的排水阀把水放掉。脱水容器的设 计压力应与液化烃储罐的设计压力一致。 丁二烯储罐设计时要根据当地气象条件及丁 二烯的含水量来确定是否设置二次脱水系统。文 中工厂冬季极端最低温度为0.1℃,丁二烯纯度≥ 99.5%(wt),所以不设二次脱水系统。 3.4.4氦封,喷淋,添加剂 (1)丁二烯球罐应设置氮封系统∞o。 (2)丁二烯储存周期在两周以下时,丁二烯 球罐应设置水喷淋冷却烯烃;储存周期在两周以 上时,应设置冷冻循环系统和阻聚剂添加系统∞1。 (3)储存丁二烯时要添加一定量的阻聚剂, 常用的阻聚剂有:对叔丁基邻苯二酚(TBC)、二 乙基羟胺(DEHA)、NaNO,等¨⋯。 3.4.5液位温度压力指示与报警 丁二烯球罐应按规定设计液位计、温度计、压 (下转第35页) 万方数据 吴梦楚压力容器壳体开孔允许不另行补强要求条件的分析35 力容器》GB 150.3—2011中的条件已修正为两相 邻开孔中心距(对曲面间距以弧长计算)应不小 于两孔直径之和;对于3个或以上相邻开孔,任意 两孔中心间距(对曲面以弧长计算)应不小于该 两孑L直径之和的2.5倍。 对应国外相应规范心,31的规定,在压力容器常 规设计中对于3个或以上的开孔,满足不另行补强 的要求时,对于在圆筒型壳体或者锥壳上开孔, 其任意两孔的中心间距应满足L≥(1+cos0)d1 +d2(0为开孔中心连线与壳体纵轴间的夹角), 在通常垂直壳壁开孔的情况下时,即得到L≥d1+ d2,即满足要求。因此,在本文所述的容器圆筒 体上密集开孔,若控制相邻两孔中心间距l≥d1+ d2,应该仍是安全的, 《压力容器》GB 150.3— 2011版本标准对比GB 150—1998版本标准,关于 不另行补强的条件的细化修正是合理的,这对遇 到密集布置的小直径接管开孑L,可以更加有效地 利用空间,从而减免开孔补强计算,加快设计 速度。 (2)目前在设计中尚需尽可能将开孔间距调 整到现行规范的规定值,若其他条件均能满足而 两孔中心间距确实无法达到要求时,则需增加开 孔补强计算,按计算结果确定另行补强与否。 5 结语 不需另行补强的原因主要还是考虑开孔处峰 值应力的局限性和衰减性。开孔附近的峰值应力 不会引起壳体整体屈服,要保证容器安全必须对 应一定限制,因此标准才设置了适用条件。 当开孔接管完全满足《压力容器》GB 150.3 的6.1.3条款不另行补强最大开孔直径条件,标准 不要求进行补强计算。若不能满足标准中所列的 全部条件,应进行补强计算,需要另行补强时, 应按标准要求予以补强。 参考文献 1 GB 150—2011,压力容器[s]. 2 ASMEⅧ一I,压力容器建造规则[S]. 3 ASMEⅧ一Ⅱ,压力容器建造另一规则[s]. (收稿13期2017一03—28) ··—·卜··—+-··—-卜“+··+”+··+··+-·—卜”—卜一——卜··+··—·卜”+··—卜 (上接第19页) 力表以及高低液位报警和高高液位自动连锁切断 进料措施等一J。 丁二烯球罐液位计应同时设置就地和远传两 种№]。目前普遍的做法:设两个不同形式带就地 显示功能的自控液位计(如:设置一个雷达液位 计,另一个采用伺服液位计),两个液位计相互 校验。 3,4.6消防 丁二烯罐组应按照规范∞1设置防火堤,安装 可燃气体报警装置,设置消防冷却水系统,并配 置移动式干粉灭火设施等。 4 结语 丁二烯的用途广泛,由于其具有容易聚合和 爆炸的危险性,在工程设计中必须严格遵守国家 标准及规范的有关规定,以本质安全设计的理念, 全面考虑,精心设计,为企业安全生产打下坚实 的基础。 参考文献 I 刘彬.丁二烯及其自聚物的危险性与风险防控[J].化工 科技,201l,19(3):79~83. 2章龙江.丁二烯安全生产的理论与实践[M].北京:化学 工业出版社,2010,23~77. 3 GB 50160—2008,石油化工企业设计防火规范[s]. 4 TSG R0004—2009,固定式压力容器安全技术监察规程 [s]. 5 HG/T 20570.1—95,设备和管道系统设计压力和设计温度 的确定[S]. 6 SH 3136—2003,液化烃球形储罐安全设计规范[s]. 7 SH/T 3007—2014.石油化工储运系统罐区设计规范[s]. 8 GB 150.1—2011,压力容器第1部分:通用要求[s]. 9张建华,高耸,特殊工况安全阎泄放量的计算[J].石油 化工安全环保技术,2012,28(5):21~22. 10任美凤,卞潮渊,杨健.火灾工况压力容器安全阀泄放 量计算公式的探讨[J].化工设计,2006,16(1):47 ~49. 11 中国石化.液化烃球罐注水系统设计规定.中国石化建 [201I]518号,2011,4~9. 12徐敏,李明波,于永东等.全压力式液化烃储罐注水措 施设计[J].炼油技术与工程,2012,42(7):57~60. 13 GB 12337—1998,钢制球形储罐[s]. 14陆书来,马志彪,宋岩等.丁二烯的危险性与防范措施 [J].合成橡胶工业,2005,28(4):311~315. (收稿日期2015—06—06) 万方数据
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