侯金寶

(中國兵器工業(yè)集團盤錦北方瀝青股份有限公司，遼寧 盤錦 124022)

酸性水汽提裝置一般是加氫裂化或催化裂化裝置的配套工程，是用來處理酸性水的環(huán)保型裝置。其中裝置內儲存酸性水的罐又稱為酸性水汽提裝置的原料水罐，酸性水罐的壓力突然升高或者在極端天氣和操作異常時形成負壓會引起設備損壞或發(fā)生爆炸事故，因此酸性水罐一般均會設置雙重保護設施，第一重保護為安全水封罐，第二重保護為呼吸閥(或壓控閥)(只呼出不吸入)或自勵式壓控閥。為了操作方便，每個原料水罐分別設置一個安全水封罐，且安全水封罐設計在罐頂，水封水依靠自身重力自流至相應的酸性水罐內。另外，為防止酸性水罐內的物料與外界的空氣接觸，通常還采用氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)和安全水封罐相配合，以減少氣體排放對環(huán)境的污染。通過自勵式調節(jié)閥調節(jié)進入每個酸性水罐的氮氣流量，防止被保護的常壓酸性水罐因罐內壓力或流量的突然變動而對安全水封罐產(chǎn)生波動，來起到緩沖的作用[1-3]。典型酸性水罐保護系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 典型酸性水罐保護系統(tǒng)工藝流程圖

當泵進料或者外界溫度升高導致酸性水罐的壓力升高時，安全水封罐下部的水會通過污水出口排出，使酸性水罐維持一定的正壓；當酸性水罐的污水被泵抽出或者外界的溫度下降導致罐內的壓力降低時，安全水封罐會維持一定的負壓，防止空氣的進入；同時酸性水罐頂部的氮封系統(tǒng)會自動補入氮氣，防止罐體抽癟變形。

1 安全水封罐的作用和工作原理

安全水封罐是酸性水儲罐、溶劑罐等大型常壓儲罐的重要保護設備，其性能的穩(wěn)定直接影響到后續(xù)裝置能否安全穩(wěn)定地運行。工業(yè)應用中安全水封罐使用不當失去功能時，可導致酸性水罐頂惡臭氣體外溢污染大氣、人員中毒，或者出現(xiàn)罐體爆炸破裂等惡性事故，致使酸性水大量泄漏污染水體，形成重大安全隱患。酸性水罐安全運行至關重要，安全水封罐是酸性水罐常用的安全設施之一，確保安全水封罐正常運行是保障酸性水罐安全運行的前提和基礎。安全水封罐的主要作用包括：1)維持一定范圍內的儲罐氣壓，防止罐體因過度膨脹或收縮而損壞；2)隔絕空氣，防止罐內物料與進入的空氣接觸形成爆炸性混合物；3)防止罐內的有毒有害氣體發(fā)生泄漏，造成人員傷亡或者環(huán)境污染。該裝置安全水封罐的結構簡圖和實物模擬圖如圖2所示。

從圖2可以看出，該安全水封罐被隔板分為上下兩部分，上下部分通過連通管形成流動性的水封。安全水封罐所維持的最大表壓為Pnor=ρ水gHnor，最小的表壓為Pneg=-ρ水gHneg。設計時維持負壓的絕對值小于正壓的絕對值(Hneg

該安全水封罐的工作原理是，水封水由進水口(N2)進入，正常流程時由出水口(N5)排出，來自酸性水罐頂含硫氣體由進氣口(N1)進入，由氣出口(N4)進入脫臭罐排入大氣；水封罐需檢修時，打開排凈口(N6)，排凈水封罐內存水；水封罐內隔板上設有淚孔，停止水封進水后，隔板上部存水由淚孔排凈，方便水封罐檢修。安全水封罐為露天設備，工作環(huán)境比較惡劣，且一般安裝在酸性水罐罐頂處，離地面距離較高，檢修不方便。一旦安全水封罐失效，則很容易造成安全事故。

2 安全水封罐失效原因及氣液分布分析

酸性水罐是利用水和油的密度不同，采用重力沉降法，將酸性水中的污油進行有效地脫出，當酸性水罐進料泵突然開啟或關閉時，會造成罐內較大的壓力波動。當酸性水罐的出料速度過快時，可能會造成罐內的壓力為負壓，若此時酸性水罐氮氣保護中斷或自勵式控制閥失靈，就會對酸性水罐罐體造成損害，嚴重時會導致罐體抽癟。因酸性水中含有烴類、二氧化碳等易揮發(fā)組分，這些氣體溶解在酸性水中，當進入接近常壓的酸性水罐時，由于壓力突然下降，這部分氣體會從酸性水中逸出，若上游酸性水中夾帶的輕烴組分變輕(或是酸性水量突然增大)，也會導致酸性水罐壓力的急劇上升。在生產(chǎn)過程中，特別是夏天，由于晝夜的溫差較大，導致酸性水罐壓力波動也較大，安全水封罐向大氣中突破水封的現(xiàn)象時有發(fā)生；另外，當遇臺風、驟雨等導致氣溫急劇下降的天氣，會使罐內的壓力急劇下降，導致安全水封罐向內突破水封。上述情況不僅會給周圍的環(huán)境帶來不可避免的污染，同時也會給安全生產(chǎn)帶來隱患。

除了上述引起安全水封罐失效的原因外，在工業(yè)應用過程中由于安全水封罐設計缺陷、操作不當?shù)仍颍?jīng)常會出現(xiàn)安全水封罐內氣相“短路”、罐頂冒氣、罐頂噴水等異常現(xiàn)象，導致安全水封罐功能喪失，失去對酸性水罐的保護能力。接下來本文結合安全水封罐的設備結構和工藝過程，對不同工況下安全水封罐失效原因和氣液分布原理進行了詳細分析，針對不同原因引起的安全水封罐運行異?，F(xiàn)象提出了相應的防范措施。

2.1 安全水封罐設計的安裝缺陷及氣液分布分析

本裝置的安全水封罐設備設計的安裝及配管圖如圖3a所示，其出水口(N5)通過與1個向下的90°彎頭配對法蘭相連，排水直接進入酸性水罐。但此種配管方式會造成安全水封罐內部氣相發(fā)生“短路”現(xiàn)象，導致安全水封罐失效，此時安全水封罐內部氣液分布如圖3b所示，酸性水罐內部氣相通過安全水封罐出水口(N5)進入，向氣出口(N4)方向流動，而不是由頂部進氣口(N1)進入，向氣出口(N4)方向流動。

圖3 安全水封罐設備設計的安裝及氣液分布圖

為了實現(xiàn)設計目的，將安全水封罐出水口(N5)的配管形式改造成與3個90°彎頭形成的倒置U型管配對法蘭相連，其排水依然進入酸性水罐[4]。經(jīng)首次改造后安全水封罐設備安裝及配管圖如圖4a所示，在安全水封罐底部出水口(N5)內部形成了一定高度的水封，從而避免了氣相“短路”的發(fā)生，此時安全水封罐內部氣液分布如圖4b所示。

圖4 首次配管改造后設備安裝及氣液分布變化圖

2.2 出水口(N5)堵塞工況及氣液分布分析

正常工況下安全水封罐內部氣液分布如圖5a所示；若安全水封罐出水口(N5)堵塞，其隔板下部液位將上升，間接導致酸性水罐頂部壓力升高，當安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約393 mm時(Psec=ρ水gHsec=3.8 kPa)，酸性水罐頂部設計第二重保護的呼吸閥(或壓控閥)應該起跳，此時安全水封罐內部氣液分布如圖5b所示；若酸性水罐頂部呼吸閥(或壓控閥)不起跳，則安全水封罐隔板下部液位繼續(xù)上升，當安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約425 mm時(Pmid=ρ水gHmid=4.165 kPa)，其隔板下部的水會由氣出口(N4)進入脫臭罐內，此時安全水封罐內部氣液分布如圖5c所示；待與安全水封罐氣出口(N4)相連脫臭罐內的水位高度超過425 mm后，安全水封罐隔板下部液位繼續(xù)上升，當安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約1 656 mm時(Pmax=ρ水gHmax=16.229 kPa)，直至水從其大氣口(N3)噴出，此時酸性水罐內部壓力達到最高值，酸性水罐因嚴重超壓可能會導致罐體爆裂，此時安全水封罐內部氣液分布如圖5d所示。因此，工業(yè)裝置在具備檢修條件下應重點檢查排水管路是否暢通，可在排水管路上加裝視鏡或遠傳流量計。

圖5 排水堵塞不同程度氣液分布變化圖

2.3 進水口(N2)堵塞或補水中斷工況及氣液分布分析

若安全水封罐進水口(N2)堵塞或補水中斷，因其上下隔板上設計有5 mm淚孔，隔板上部的水封將逐漸消失，當隔板上部的水封高度下降到Hneg(本裝置Hneg=50 mm)以下后，安全水封罐中的氣相(主要是H2S)會直接從大氣口(N3)呼出，此時酸性水罐保護氮氣消耗量達到最大，酸性水罐附近會有大量H2S積聚而導致環(huán)境污染和人員中毒隱患，安全水封罐隔板頂部水封消失的全過程中其內部氣液分布如圖6所示。因此，工業(yè)裝置在生產(chǎn)過程中應保證連續(xù)的補水供應，可選用自來水或汽提塔底凈化水。

圖6 進水堵塞(或中斷)不同程度氣液分布變化圖

2.4 排氣口(N4)堵塞工況及氣液分布分析

正常工況下安全水封罐內部氣液分布如圖7a所示；若安全水封罐排氣口(N4)堵塞，則安全水封罐內壓力上升，間接導致酸性水罐頂部壓力升高，酸性水罐內部壓力上升后反過來導致安全水封罐排水背壓上升，最終導致安全水封罐水封高度上升，當安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約393 mm時(Psec=ρ水gHsec=3.8 kPa)，酸性水罐頂部設計的第二重保護呼吸閥(或壓控閥)應該起跳，此時安全水封罐內部氣液分布如圖7b所示；若酸性水罐頂部呼吸閥(或壓控閥)不起跳，則安全水封罐隔板下部液位繼續(xù)上升，當安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約425 mm時(Pmid=ρ水gHmid=4.165 kPa)，其隔板下部的水可能不會(管道堵塞)由氣出口(N4)進入尾氣放空管道及后續(xù)尾氣吸收設備內，但是安全水封罐內部水封高度將迅速上升，此時安全水封罐內部氣液分布如圖7c所示；當安全水封罐液位上升至上下連通管底部出口約1 656 mm時(Pmax=ρ水gHmax=16.229 kPa)，直至水從其大氣口(N3)噴出，此時酸性水罐內部壓力達到最高值，酸性水罐因嚴重超壓可能會導致罐體爆裂，此時安全水封罐內部氣液分布如圖7d所示。因此，工業(yè)裝置在具備檢修條件下還應重點檢查排氣管路是否暢通或是脫臭罐壓差是否增大，可在脫臭罐上下加裝壓力表，用于監(jiān)控脫臭罐壓差變化。

圖7 排氣堵塞不同程度氣液分布變化圖

2.5 內部溢流擋板腐蝕內漏工況及氣液分布分析

正常工況下安全水封罐內部氣液分布如圖8a所示；若安全水封罐內部溢流擋板(或焊口)內漏，當內漏位置靠近隔板上部，將導致隔板右側水封高度下降，間接導致酸性水罐頂部壓力下降，此時安全水封罐內部壓力<200 mm H2O(即：Pmin

圖8 溢流擋板內漏不同位置氣液分布變化圖

3 結語

安全水封罐雖然是一種結構簡單、價格低廉的穩(wěn)壓設備，但其在裝置正常生產(chǎn)過程中的作用需引起足夠的重視，實際上往往由于人們對其功能了解不夠，對其所發(fā)揮的作用認識不深，導致水封罐在設計、操作過程中出現(xiàn)了種種問題。通過對工業(yè)應用過程中使用經(jīng)驗分析總結，在配管設計上應保證在安全水封罐的排水線上形成有效水封，即設置高度足夠的倒置U型管，不但可以代替安全水封罐內部擋板，而且可以有效避免酸性水罐內氣相反串形成氣相“短路”；由于安全水封罐排水管路腐蝕堵塞，在設計時應充分考慮排水管路管徑足夠且有排水監(jiān)控手段；安全水封罐的供水選擇非常關鍵，需要充分考慮供水水質、流量和壓力穩(wěn)定，且在北方地區(qū)應充分考慮冬季防凍；安全水封罐的尾氣排放后續(xù)設備(脫臭罐)在運行過程中可能發(fā)生進水或是吸附劑破損，導致排氣背壓上升同樣應加強監(jiān)控。安全水封罐失效會產(chǎn)生巨大的安全隱患，如環(huán)境污染、被保護設備的損壞，甚至會導致爆炸性事故的發(fā)生，設計人員和操作人員需在了解安全水封罐失效的主要因素的前提下進行合理的設計和操作才能保證整個裝置安全穩(wěn)定地運行。