李 釗

中國成達工程有限公司 成都 610041

丁二烯儲罐安全設(shè)計探討

李 釗*

中國成達工程有限公司 成都 610041

簡述丁二烯的危險特性，主要介紹丁二烯儲罐工藝系統(tǒng)設(shè)計中采取的安全措施，如設(shè)置降溫設(shè)施、安全泄放裝置及注水線等。

丁二烯 球罐 降溫 安全泄放

丁二烯廣泛用于生產(chǎn)ABS樹脂、順丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠等聚合物產(chǎn)品[1]。

丁二烯有1,2-丁二烯和1,3-丁二烯兩種同分異構(gòu)體，一般所說的丁二烯均指1,3-丁二烯。1,3-丁二烯熔點為-108.9℃，沸點為-4.4℃，臨界溫度152.0℃，臨界壓力4.33MPa，閃點為-6℃，爆炸極限(V)為2.0%～11.5%[2]。

丁二烯在常溫、常壓下為無色氣體，具有甜感芳香氣味。2001年美國第9次報告致癌物名單中，將1,3-丁二烯列入“已知的人的致癌物質(zhì)”[2]。

由于丁二烯在生產(chǎn)、儲存、運輸和使用過程中存在著易燃、易爆、易自聚，且自聚物易爆炸、易自燃、易脹裂閥門及管道等各種危險性，極易引發(fā)著火、爆炸等惡性事故，嚴重威脅生命和財產(chǎn)的安全[1]。本文對丁二烯儲罐特別是球形儲罐工藝系統(tǒng)安全設(shè)計進行探討。

1 儲罐選型

丁二烯屬于液化烴，火災(zāi)危險性分類屬于甲A類，常溫儲存應(yīng)選用壓力容器[3]。根據(jù)設(shè)計所需體積大小可選用球罐或臥(立)罐，工程設(shè)計中200m3以上液化烴成品儲罐通常采用球罐型式。

丁二烯儲存溫度要求低于27℃，壓力低于0.5MPa。丁二烯儲罐的儲存系數(shù)應(yīng)小于0.8，并盡可能縮短物料在儲罐內(nèi)的儲存時間，以減少聚合物的產(chǎn)生[2]。

2 設(shè)計參數(shù)的確定

2.1 設(shè)計溫度

設(shè)計溫度是指壓力容器在正常工作情況下設(shè)定的元件金屬溫度(沿元件金屬截面的溫度平均值)。常溫儲存的壓力容器，應(yīng)當充分考慮在正常工作狀態(tài)下大氣環(huán)境溫度條件對容器殼體金屬溫度的影響，其最低設(shè)計金屬溫度不得高于歷年來月平均最低氣溫的最低值[4]。按照上述定義，液化烴儲罐的低溫設(shè)計溫度應(yīng)當選取建設(shè)地點歷年來月平均最低氣溫的最低值。丁二烯儲罐最低設(shè)計溫度應(yīng)當選取建設(shè)地點歷年來“月平均最低氣溫”的最低值；最高設(shè)計溫度可按工作介質(zhì)的正常溫度加一定余量(15～30℃)來選取[5]。

2.2 設(shè)計壓力

設(shè)計壓力是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與設(shè)計溫度一起作為設(shè)計荷載條件，其值不低于工作壓力。常溫儲存液化氣體壓力容器的設(shè)計壓力，應(yīng)當以規(guī)定溫度下的工作壓力為基礎(chǔ)確定[4]。

1,3-丁二烯臨界溫度>50℃，50℃時飽和蒸汽壓為0.568MPa(A)[2]。由于新容規(guī)[4]取消了對常溫儲存液化氣體壓力容器設(shè)計壓力的直接規(guī)定，丁二烯成品儲罐的設(shè)計壓力應(yīng)以50℃時飽和蒸汽壓0.568MPa(A)的工作壓力為基礎(chǔ)，考慮適當?shù)脑O(shè)計裕量來確定；原化工部技術(shù)規(guī)定[5]中推薦取0.79MPa(G)。

3 安全防護

3.1 球罐降溫

丁二烯單體聚合速度受溫度影響極大，溫度越高反應(yīng)越劇烈，聚合為放熱反應(yīng)，從而形成惡性循環(huán)。所以丁二烯球罐要采取適當?shù)慕禍卮胧﹣頋M足丁二烯儲存所要求的溫度。相關(guān)規(guī)范[6,7]也要求：丁二烯儲存周期在兩周以下時，丁二烯球罐應(yīng)設(shè)置水噴淋冷卻系統(tǒng)；儲存周期在兩周以上時，應(yīng)設(shè)置冷凍循環(huán)系統(tǒng)。

南方某工廠，夏季極端最高溫度38.3℃，地表溫度能達到50℃，工廠丁二烯來料溫度-4℃，球罐有保冷，儲存周期兩周以上。丁二烯球罐外部設(shè)置-5℃冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，球罐溫度超過20℃時啟動泵將罐內(nèi)丁二烯循環(huán)經(jīng)冷卻器進行降溫，當溫度下降到15℃以下停止循環(huán)。此外丁二烯設(shè)有水噴淋系統(tǒng)，噴水量為9L/ (m2·min)，火災(zāi)時使用。

3.2 安全泄放裝置

3.2.1 安全泄放裝置的設(shè)置

屬于液化烴的丁二烯儲罐應(yīng)設(shè)置安全閥[3]，類型選用全啟式安全閥[6]。值得注意的是，丁二烯壓力儲罐安全閥應(yīng)設(shè)在線備用安全閥和1個安全閥副線。安全閥前后應(yīng)分別設(shè)1個全通徑切斷閥，并應(yīng)在設(shè)計圖紙上標注LO(鉛封開)[7]。

丁二烯易自聚，安全閥前應(yīng)設(shè)置爆破片[3,7]，安全閥排出管道上應(yīng)有充氮接管[6,7]。爆破片在安全閥入口處串聯(lián)使用時應(yīng)注意：① 選用的爆破片爆破后不能產(chǎn)生碎片；② 爆破片與安全閥之間設(shè)置壓力表和放空閥等，并經(jīng)常檢查壓力表，以確認爆破片是否破裂。某工廠丁二烯球罐安全泄放裝置見圖1。

圖1 某工廠丁二烯球罐安全泄放裝置

3.2.2 安全泄放量

某工廠的兩臺丁二烯球罐，單臺500m3，外徑9882mm，保冷厚度70mm，球心距地面8m，球罐設(shè)計壓力0.79MPa(G)，設(shè)計溫度50℃，安全閥整定壓力0.7MPa(G)?！秹毫θ萜鳌穂8]中“有完整的絕熱保溫層時”安全泄放量計算公式如何使用并不明確，在設(shè)計中沒有把握時一般不采用[9]。丁二烯球罐安全泄放量計算采用如下公式：

式中，WS為容器的安全泄放量，kg/h；F為容器外壁校正系數(shù)，容器置于地面上時F=1.0，保冷容器F=1.0[10]；Ar為容器受熱面積，球形容器Ar=1.57DO2或從地面起到7.5m高度以下所包括的外表面積，取兩者中較大值，m2，此丁二烯球罐的中心安裝高度8 m，此處取半球的面積Ar=1.57DO2=153.32m2；q為泄放壓力下液體的汽化潛熱，kJ/kg，丁二烯蒸汽壓為0.947MPa(A)時(火災(zāi)工況按安全閥超壓21%計)對應(yīng)的汽化熱為324.4 kJ/kg。

代入數(shù)據(jù)得：

3.2.3 泄放面積計算

計算公式：

式中，C為氣體特性系數(shù)，對于1,3-丁二烯，C=329；K為泄放裝置的泄放系數(shù)，由制造廠提供，無制造廠數(shù)據(jù)時，對全啟式安全閥常規(guī)取0.8，爆破片與安全閥組合安裝時，K=0.8×0.9=0.72；Pf為泄放壓力(絕壓)，包括設(shè)計壓力和超壓限度兩部分，MPa，按安全閥超壓21%計，取0.947MPa(A)；Tf為泄放溫度，K，丁二烯在泄放壓力0.947MPa(A)下對應(yīng)的溫度71.1℃(344.25K)；Z為壓縮因子，由對比壓力、對比溫度查表得出，Z取0.85；M為氣體的摩爾質(zhì)量，丁二烯M為54.09 kg/kmol。

代入數(shù)據(jù)計算安全閥泄放面積：

根據(jù)計算結(jié)果，選取API-526標準安全閥喉徑代碼為Q，喉徑面積7129 mm2。

爆破片安裝在安全閥入口組合使用時，爆破片的標定爆破壓力與安全閥的設(shè)定壓力相同。爆破片的公稱直徑不小于安全閥的入口管徑。

3.3 球罐注水

球罐液相進出管道的第一道閥門破裂而造成液化烴泄漏時，常通過球罐液相進出管道向球罐內(nèi)注水，使從破裂的閥門泄漏出的液體是水而不是液化烴，以便搶修，所以包括丁二烯在內(nèi)常溫液化烴儲罐應(yīng)采取防止液化烴泄漏的注水措施，注水管道宜采用半固定連接方式[7]。

3.3.1 注水水源

注水系統(tǒng)應(yīng)選擇合適的水源，以確保液化烴儲罐泄漏時，水質(zhì)、壓力、流量和溫度等符合注水要求。一般情況下，優(yōu)先選用穩(wěn)壓消防給水作為注水水源，如選擇其他水源應(yīng)特別注意水溫，水溫過高易造成罐內(nèi)壓力升高，險情加劇[7]。

3.3.2 注水點最小工作壓力

向液化烴儲罐注水，必須提供足夠的壓力來克服系統(tǒng)阻力，使水能順暢地注入罐內(nèi)，因此，注水系統(tǒng)的最小工作壓力至少應(yīng)同時考慮罐內(nèi)液化烴最高操作壓力；罐內(nèi)液化烴液位高度所形成的靜壓力；水在管道內(nèi)流動時形成的管道輸送系統(tǒng)摩阻損失：

Pmin=P烴飽+Δh+ΔZ+10-2V2/2g+10-6ρ烴gh

式中，Pmin為注水泵的最小工作壓力，即泵最小揚程，MPa；P烴飽為液態(tài)烴最高操作壓力，MPa；Δh為水系統(tǒng)摩擦阻力損失及局部損失，MPa；ΔZ為儲罐泄漏點與泵入口的位能；V為水量的最小流速。

一般高壓消防水系統(tǒng)壓力基本穩(wěn)定在0.7～1.2MPa(G)，對于操作壓力低于0.4MPa(G)的液化烴球罐，高壓消防水可以滿足液化烴球罐的注水壓力要求；高壓消防水系統(tǒng)壓力不能保證穩(wěn)定時，需考慮借用物料泵或設(shè)置專有泵進行提壓的方案。對于操作壓力高于0.4MPa(G)的液化烴球罐，可根據(jù)注水流量及壓力考慮借用工藝泵，工藝泵不能滿足時，需要設(shè)置專有注水泵完成注水[11]。文中工廠丁二烯球罐操作壓力0.3MPa(G)，消防管網(wǎng)供水壓力1.0MPa(G)，直接采用穩(wěn)壓消防水注水。

3.3.3 注水流量及流速

文獻12建議設(shè)計注水流量取40～60 m3/h，液化烴球形儲罐可取中低限，臥式儲罐宜取高限。設(shè)計注水流速1.5～2.5m/s。

3.4 其他安全措施

3.4.1 儲罐管口

液化烴球形儲罐的接口，在滿足工藝要求的情況下，盡可能減少球形儲罐底部的接口數(shù)量[6]。球殼上、下極應(yīng)各設(shè)置一個公稱直徑不小于500mm的人孔[13]。

液化烴儲罐底部的液化烴出入口管道應(yīng)設(shè)可遠程操作的緊急切斷閥。緊急切斷閥的執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有故障安全保障措施[7]。

3.4.2 管道安全閥的設(shè)置

兩端閥門關(guān)閉且因外界影響可能造成介質(zhì)壓力升高的液化烴類液體管道應(yīng)采取泄壓安全措施[3]。

在天氣炎熱時，液態(tài)丁二烯管道兩端閥門關(guān)閉易導致管道內(nèi)所殘留的液態(tài)丁二烯介質(zhì)因太陽光曝曬而使壓力急劇升高，造成管道爆裂或閥門破壞，對液態(tài)丁二烯管道(含氣相和液相管線)設(shè)置安全泄壓閥，泄放的氣態(tài)丁二烯可通過管線回流到球罐內(nèi)或去火炬系統(tǒng)。

3.4.3 脫水系統(tǒng)

全壓力式液化烴儲罐宜采用有防凍措施的二次脫水系統(tǒng)，儲罐根部宜設(shè)緊急切斷閥。若液化烴中不含水時，可不設(shè)二次脫水系統(tǒng)[3]。二次脫水系統(tǒng)要另設(shè)一個脫水容器，將儲罐內(nèi)底部的水先放至脫水容器內(nèi)，再把罐上脫水閥關(guān)閉，待氣水分離后，再打開脫水容器的排水閥把水放掉。脫水容器的設(shè)計壓力應(yīng)與液化烴儲罐的設(shè)計壓力一致。

丁二烯儲罐設(shè)計時要根據(jù)當?shù)貧庀髼l件及丁二烯的含水量來確定是否設(shè)置二次脫水系統(tǒng)。文中工廠冬季極端最低溫度為0.1℃，丁二烯純度≥99.5%(wt)，所以不設(shè)二次脫水系統(tǒng)。

3.4.4 氮封，噴淋，添加劑

(1)丁二烯球罐應(yīng)設(shè)置氮封系統(tǒng)[6]。

(2)丁二烯儲存周期在兩周以下時，丁二烯球罐應(yīng)設(shè)置水噴淋冷卻烯烴；儲存周期在兩周以上時，應(yīng)設(shè)置冷凍循環(huán)系統(tǒng)和阻聚劑添加系統(tǒng)[6]。

(3)儲存丁二烯時要添加一定量的阻聚劑，常用的阻聚劑有：對叔丁基鄰苯二酚(TBC)、二乙基羥胺(DEHA)、NaNO2等[14]。

3.4.5 液位溫度壓力指示與報警

丁二烯球罐應(yīng)按規(guī)定設(shè)計液位計、溫度計、壓力表以及高低液位報警和高高液位自動連鎖切斷進料措施等[7]。

丁二烯球罐液位計應(yīng)同時設(shè)置就地和遠傳兩種[6]。目前普遍的做法：設(shè)兩個不同形式帶就地顯示功能的自控液位計(如：設(shè)置一個雷達液位計，另一個采用伺服液位計)，兩個液位計相互校驗。

3.4.6 消防

丁二烯罐組應(yīng)按照規(guī)范[3]設(shè)置防火堤，安裝可燃氣體報警裝置，設(shè)置消防冷卻水系統(tǒng)，并配置移動式干粉滅火設(shè)施等。

4 結(jié)語

丁二烯的用途廣泛，由于其具有容易聚合和爆炸的危險性，在工程設(shè)計中必須嚴格遵守國家標準及規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，以本質(zhì)安全設(shè)計的理念，全面考慮，精心設(shè)計，為企業(yè)安全生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。

1 劉 彬. 丁二烯及其自聚物的危險性與風險防控 [J]. 化工科技，2011，19(3): 79～83.

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6 SH 3136-2003，液化烴球形儲罐安全設(shè)計規(guī)范 [S].

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12 徐 敏，李明波，于永東等. 全壓力式液化烴儲罐注水措施設(shè)計 [J]. 煉油技術(shù)與工程，2012，42(7): 57～60.

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14 陸書來，馬志彪，宋巖等.丁二烯的危險性與防范措施 [J]. 合成橡膠工業(yè)，2005，28(4): 311～315.

2015-06-06)

*李 釗：工程師。2008年畢業(yè)于北京化工大學化學工程專業(yè)獲碩士學位。現(xiàn)從事化工工藝系統(tǒng)設(shè)計工作。聯(lián)系電話：(028)65531470， E-mail：lizhao@chengda.com。