王薇(重慶化工設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400041)

0 引言

化工設(shè)計(jì)中的物料種類繁多，存在易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性、有毒性、揮發(fā)性等危險(xiǎn)，在實(shí)際儲(chǔ)存和使用中，要根據(jù)這些特點(diǎn)選擇生產(chǎn)設(shè)備和運(yùn)輸管道，防止發(fā)生事故。同時(shí)，由于物料形態(tài)不同，在儲(chǔ)存和使用中容易發(fā)生物理超壓，要設(shè)計(jì)合理的泄壓系統(tǒng)，運(yùn)用安全泄放裝置，將其單獨(dú)或組合應(yīng)用到設(shè)備、管路中，保證安全。在化工設(shè)計(jì)中，要充分考慮到物料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)陌踩狗叛b置，優(yōu)化安全泄放系統(tǒng)，保證化工設(shè)計(jì)的科學(xué)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(shè)備中化學(xué)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不變化，僅是因?yàn)橥獠吭蚨斐稍O(shè)備內(nèi)部化學(xué)介質(zhì)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(shí)間內(nèi)釋放能量而破壞設(shè)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(duì)壓縮機(jī)緩沖罐、鍋爐汽包、氣液分離罐等儲(chǔ)存容器而言，一旦出口管線受阻，或是氣體儲(chǔ)罐過量充裝，都會(huì)引發(fā)容器內(nèi)物料積聚而形成超壓。針對(duì)高壓設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的低壓容器而言，在實(shí)際運(yùn)行中，若發(fā)生減壓閥失靈，就會(huì)出現(xiàn)低壓容器超壓的情況。化工生產(chǎn)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(nèi)物料運(yùn)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(zāi)，體積會(huì)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(nèi)部會(huì)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(nèi)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(nèi)的飽和液體突然受熱后引發(fā)過飽和狀態(tài)，不同沸點(diǎn)的飽和液體混合，高沸點(diǎn)液體會(huì)對(duì)低沸點(diǎn)液體進(jìn)行突然加熱，讓低沸點(diǎn)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(xué)模型設(shè)計(jì)

安全泄壓裝置運(yùn)行原理為：系統(tǒng)壓力快速上升時(shí)，會(huì)將過剩介質(zhì)排放到低壓系統(tǒng)或是大氣中，預(yù)防超壓事故的發(fā)生。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，泄放管簡(jiǎn)化模型的建立分為以下三種情況：

2.1 氣態(tài)物質(zhì)泄放

若容器內(nèi)泄放物質(zhì)為氣態(tài)物質(zhì)，泄放管為漸縮噴管模型，如圖1所示。其進(jìn)口至出口的截面面積逐漸變小，流體流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)，在漸縮噴管中，氣流流速就會(huì)上升，使得壓強(qiáng)和密度下降，進(jìn)而達(dá)到安全泄放的目的。

圖1 氣態(tài)物質(zhì)泄放裝置流體模型

2.2 液態(tài)物質(zhì)泄放

液態(tài)物質(zhì)屬于不可壓縮流體，截面管道流動(dòng)過程中，無法實(shí)現(xiàn)增速減壓。對(duì)此，液態(tài)物質(zhì)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(zhì)泄放裝置流體模型

3 化工設(shè)計(jì)中常用安全泄放裝置

3.1 儲(chǔ)罐裝置

儲(chǔ)罐裝置是化工設(shè)計(jì)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(chǔ)罐。在常壓、低壓儲(chǔ)罐應(yīng)用中，由于物料進(jìn)出或是外界溫度變動(dòng)情況，會(huì)造成罐內(nèi)氣體泄露而污染環(huán)境；或者是因?yàn)楣迌?nèi)真空中吸入空氣，會(huì)誘發(fā)物料變質(zhì)，影響罐體質(zhì)量。基于這種情況，在常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要安裝氣封系統(tǒng)，合理布設(shè)呼吸閥，兩種保護(hù)措施共同作用，實(shí)現(xiàn)容器安全泄放。儲(chǔ)罐各個(gè)泄壓零部件為以下幾方面：

第一，呼吸閥為儲(chǔ)罐頂端通風(fēng)裝置，不僅可以保證儲(chǔ)存密封性，也可以控制儲(chǔ)罐內(nèi)部物料揮發(fā)損失，在化工設(shè)計(jì)中，呼吸閥必須具備極強(qiáng)的密閉性，有呼吸閥、單呼閥兩種類型，呼吸閥可以對(duì)正超壓、真空超壓起到保護(hù)作用，而單呼閥主要對(duì)正過壓進(jìn)行保護(hù)，避免出現(xiàn)空氣吸入的情況。

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

第三，緊急泄放閥與自由泄放孔，這是化工生產(chǎn)中的安全保護(hù)措施之一。每一個(gè)常壓、低壓儲(chǔ)罐都要安裝配置緊急泄放閥，一旦發(fā)生儲(chǔ)罐內(nèi)物理超壓的情況，會(huì)立即啟動(dòng)緊急泄放閥進(jìn)行泄放，防止爆炸等事故。在化工設(shè)計(jì)中，若物料為無揮發(fā)性液體，在設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐泄放系統(tǒng)時(shí)，要安裝自由泄放孔，允許罐內(nèi)氣體的流動(dòng)，避免儲(chǔ)罐發(fā)生正過壓、負(fù)過壓的情況。

(2)大型低溫儲(chǔ)罐。大型低溫儲(chǔ)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(jié)構(gòu)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(nèi)罐、外罐、安全泄放裝置、測(cè)量分析儀表等結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和儲(chǔ)存特征，在大型低溫儲(chǔ)罐安全泄放裝置設(shè)計(jì)中，要安裝兩個(gè)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(bào)警裝置。在設(shè)計(jì)中，為了保證使用安全性和穩(wěn)定性，內(nèi)罐選擇先導(dǎo)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(chǔ)存罐內(nèi)部空間氣體的均勻分布，防止超壓情況的發(fā)生。

(3)壓力儲(chǔ)罐。壓力儲(chǔ)罐安全泄放裝置設(shè)計(jì)中，包括安全閥與緊急泄放閥，壓力儲(chǔ)罐為一般壓力容器，需要設(shè)計(jì)人員考慮到物料性質(zhì)和形態(tài)，以便保證壓力儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。

3.2 管殼式換熱器

由于物料危險(xiǎn)性特征，實(shí)際運(yùn)行中，管殼式換熱器的消耗較大，其中高壓側(cè)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(cè)流向低壓側(cè)，造成物料泄露情況。對(duì)此，在安全泄放裝置設(shè)計(jì)中，要結(jié)合工況情況，選擇適合的安全閥和爆破片，塔設(shè)備中安裝安全閥和阻火器，進(jìn)而提高管殼式換熱器的泄放功能。

3.3 反應(yīng)器和壓力容器

在化工設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器和壓力容器由于化學(xué)反應(yīng)或是溫度突然上升的情況，會(huì)造成內(nèi)部壓力迅速上升，為了避免安全事故的發(fā)生，要在反應(yīng)器和壓力容器中安裝安全泄放裝置，根據(jù)操作介質(zhì)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(yīng)用在反應(yīng)器中；熔化型泄放裝置即為易熔塞，應(yīng)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(zhì)管道運(yùn)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(shè)計(jì)人員考慮到壓力管道運(yùn)行使用環(huán)境和要求，在壓力管道上安裝安全泄放裝置，設(shè)置安全閥，預(yù)測(cè)罐內(nèi)物料壓力變化情況，設(shè)置管道內(nèi)壓力限值，實(shí)際壓力值低于壓力限值時(shí)，關(guān)閉閥門，當(dāng)實(shí)際壓力超過壓力限值，開啟閥門放氣，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)化控制，進(jìn)而達(dá)到壓力管道的安全泄放。

(文章題目:化工設(shè)計(jì)中常用的安全泄放裝置)

4 結(jié)語

綜上所述，在化工設(shè)計(jì)中，由于物理超壓是導(dǎo)致安全事故的根源，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和應(yīng)用，從儲(chǔ)罐、管殼式換熱器、反應(yīng)器和壓力容器、壓力管道等方面入手，設(shè)置安全泄放裝置，及時(shí)排放氣體，保證化工設(shè)備的安全有效運(yùn)行，預(yù)防化工安全事故。