乙酸反应器安全阀泄放量的分析计算及选型.pdf

收稿日期２０１２－０５－０３。作者简介关春欣（１９７９），男，陕西西安人，大学本科，工程师，现从事化工工程设计工作。工业技术乙酸反应器安全阀泄放量的分析计算及选型关春欣（华陆工程科技有限责任公司，陕西西安７１００６５）摘要介绍了反应器安全阀可能超压的多种事故工况；结合实际工程经验，以乙酸反应器作为实例，分析计算安全阀最大泄放量，并根据泄放量对安全阀选型。关键词乙酸反应器安全阀中图分类号ＴＱ２２５．１２＋２文献标识码Ａ文章编号１００６－７９０６（２０１２）０５－００４２－０４ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｅｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆａｃｅｔｉｃａｃｉｄｒｅａｃｔｏｒｓａｆｅｔｙｖａｌｖｅＧＵＡＮＣｈｕｎｘｉｎ（ＨｕａｌｕＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ＇ａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｅｖｅｒａｌａｃｃｉｄｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｙｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｒｅａｃｔｏｒｓａｆｅｔｙｖａｌｖｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｕｓｉｎｇｔｈｅａｃｅｔｉｃａｃｉｄｒｅａｃｔｏｒａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｓａｆｅｔｙｖａｌｖｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｖａｌｖｅｓｉｚｅｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｃｈａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｙ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＡｃｅｔｉｃａｃｉｄ；Ｒｅａｃｔｏｒ；Ｓａｆｅｔｙｖａｌｖｅ反应器是化工装置中的核心设备，设置超压保护设施是保证反应器安全生产的重要途径之一。常见的防超压安全泄放装置有安全阀、爆破片和易熔塞３种。安全阀和爆破片同属于压力敏感型，是目前在化工装置中应用最广泛的２种安全泄放装置。对于不同装置的反应器，计算泄放量需要从工艺物料平衡图（ＰＦＤ）或工艺流程模拟计算结果来了解其特点。泄压分析前，也要收集各方面的数据（包括工艺包设备数据、ＰＦＤ流股数据等）。安全分析后由工艺专业算出在不同事故情况下反应器超压保护设施的泄放量。经过反应器可能超压的工况分析计算后，根据单一事故的最大泄放量工况选用反应器超压保护设施。１反应器可能超压的工况分析根据美国石油学会标准ＡＰＩ５２０对反应器进行潜在超压范围的划分，首先需判断反应器系统属于可能超压亦或偶尔超压。可能超压工况包括外部火灾、出口阀门关闭、调节阀故障和压力容器过量进料等；偶尔发生的超压如反应器失控，一般不需要进行泄压安全分析。１．１外部火灾装置中反应器存在面对外部火灾的可能，当反应器暴露于火焰前，按传入容器的热量计算安全阀所需的排放量。我国劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程与美国石油学会标准ＡＰＩ５２０都给出了在各种外部火灾工况下的计算方法。１．２调节阀故障在反应器上游安装调节阀时可能产生容器压力超过最大允许值的情况。对调节阀，不论事故时的位置如何，建议调节阀按事故全开时分析泄放量。安装在设备出口的控制阀发生故障时，若处于全闭位置，则所设安全阀的泄放量为流经此控制阀的最大正常流量。安装在设备入口的控制阀、气相管道和液相管道都有不同的计算方法。１．３过量进料过量进料有可能因为反应器出口阀关闭导致压力源压力比容器最大允许操作压力高。１．４阀门误关闭出口阀门关闭，入口阀门未关闭时，泄放量为被关闭的管道最大正常流量。该工况与调节阀故障及过量进料工况中某些事故工况类似。第３３卷第５期２０１２年１０月化学工业与工程技术ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３３Ｎｏ．５Ｏｃｔ．，２０１２关春欣乙酸反应器安全阀泄放量的分析计算及选型１．５化学反应失控对于放热的化学反应，如果温度、压力和流量等自动控制失灵，使化学反应失控，形成飞温，这时产生大量的热量，使物料急剧大量蒸发，形成超压。这类事故工况，无论在反应时间还是在泄放速率方面，安装安全阀均不能满足要求，应设置爆破片。如果专利所有者能提供准确的化学反应动力学关联式，推算出事故工况下的泄放量，则可以在专利所有者和建设方的同意下设置安全阀。１．６过度热量输入当反应器热催化剂侧的控制阀失灵全开、切断阀误开，或加热夹套、加热盘管的切断阀误开等工况下，以过度热量的输入而引起的气体蒸发量或液体的膨胀量来计算。２计算实例２．１乙酸反应器系统安全分析２．１．１乙酸反应器系统以乙酸反应器系统为例，用一氧化碳与甲醇在催化剂和助催化剂的作用下液相合成乙酸。流程见图１。图１乙酸反应系统流程示意合成乙酸反应式如下ＣＨ３ＯＨ＋→ＣＯＣＨ３ＣＯＯＨ甲醇（４０℃，３．１ＭＰａ）自中间罐区由甲醇泵送来；一氧化碳（４０℃，３．１ＭＰａ）由界区外送至ＣＯ缓冲罐Ｖ－１０１，再进入反应器Ｒ－１０１，经气体分布器进入反应液分散、吸收、溶解，与甲醇反应生成乙酸。反应温度１８５℃，反应压力２．９ＭＰａ。反应器顶部未反应完的一氧化碳及有机蒸汽去下游甲醇吸收工段。反应液中乙酸、乙酸甲酯等，由反应器底部出来，经过流量分析阀进入蒸发器Ｖ－１０２。乙酸合成为放热反应，为了控制反应液温度，需带出反应热，因此设置一外循环系统，该系统由外循环泵Ｐ－１０１及外循环换热器Ｅ－１０１组成。外循环系统带走约１５％的反应热，剩下大部分反应热随着反应器底部乙酸流股带到下游工段。反应器顶部气相出口设置安全阀，以防止各种事故超压工况，安全阀出口管线进火炬总管。２．１．２乙酸反应系统超压工况分析在石油化工企业设计防火规范中，乙酸反应系统内属于火灾、爆炸危险性物料的有一氧化碳、甲醇、乙酸等。一氧化碳火灾危险性为乙类，无嗅、无味的气体；与空气混合物爆炸限１２．５％～７４．２％（物质的量分数，下同），易燃易爆，与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧、爆炸。甲醇火灾危险性为甲Ｂ类，是一种无色、透明、高度挥发、易燃液体；闪点１２℃（闭杯），自燃点３８５℃；蒸汽与空气混合物爆炸限６％～３５．６％；能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶。遇热、明火或氧化剂易着火，遇明火会爆炸。乙酸火灾危险性为乙Ａ类，无色透明液体，有强烈刺激性气味，在常温下是固体，易溶于水和酒精；闪点３９℃、蒸汽与空气混合物爆炸限４％～１７％；与水、乙醇、苯和乙醚混溶，不溶于二硫化碳。以此可见，乙酸反应是在高压（２．９ＭＰａ）、较高温度的条件下进行，且系统内包含有大量火灾危险介质，这些介质随时都有燃烧、爆炸的可能。所以对乙酸反应系统超压工况的安全分析十分重要。该系统里可能超压的几种工况如下外部火灾；进口管线调节阀故障；公用工程失效（装置停电、停水时）；过量进料；出口阀门故障，如人工误操作等。以上各种超压工况原因见表１。３４化学工业与工程技术２０１２年第３３卷第５期表１各种超压工况原因类别原因解释工况一外部火灾工况工况二ＣＯ进口管线调节阀故障工况三反应热量不能及时移出工况四反应器液相出口阀门关闭反应器存在面对外部火灾的可能，按最不利环境计算外部火灾泄放量乙酸反应器的ＣＯ进料管线设一流量调节阀ＦＶ，若调节阀ＦＶ故障全开，此时ＣＯ缓冲罐Ｖ－１０１中的高压气体可在很短时间内冲入乙酸反应器，导致反应器超压在本反应系统中，特殊工况下如停水、停电时，用来移出热量的泵Ｐ－１０１和换热器Ｅ－１０１将停止工作，此时反应热不能及时带出，反应器内产生超温、超压反应器底部粗产品去蒸发器Ｖ－１０２，该管线上设置了一个流量分析调节阀ＺＦＬ，当反应器物料出口阀门误关闭时，反应器超压２．２安全泄放设施的设置乙酸反应器顶部气相出口设置超压保护设施，采用爆破片串联于安全阀入口侧的设置方式，这种组合方式也称隔离式安全阀。见图２。图２隔离式安全阀结构示意隔离式安全阀集中了安全阀和爆破片的各自优点，同时避免了二者的缺点。就应用于乙酸反应器而言，隔离式安全阀有以下优点①不泄漏；②彻底泄放；③维护简单； ④乙酸是强腐蚀介质，需采用锆材，由于隔离式安全阀前面串连一个锆材爆破片，爆破片后的安全阀就可以使用不锈钢材料，大大节省了材料投资；⑤针对乙酸易结晶的特性，采用隔离式安全阀，可以防止安全阀内腔体被堵塞，从而保证安全泄压。２．３乙酸反应器系统安全阀泄放量计算２．３．１外部火灾工况反应器存在面对外部火灾的可能，根据美国石油学会标准ＡＰＩ５２０的规定，对于有足够的消防保护措施又能及时排走地面上泄漏物料的情况，容器的泄放量计算如下Ｗ＝１．５５５１０５ＦＡ０．８２Ｈｌ（１）否则，采用下式进行计算Ｗ＝２．５５１０５ＦＡ０．８２Ｈｌ（２）式中Ｗ质量泄放量，ｋｇ／ｈ；Ｈｌ泄放条件下汽化潜热，ｋＪ／ｋｇ；Ａ反应器润湿面积，ｍ２；Ｆ容器外壁校正系数，无单位量纲。根据我国劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程的规定，无保温层容器的泄放量计算如下Ｗ＝２．６１１０５ＦＡ０．８２Ｈｌ（３）有保温层容器的泄放量计算如下Ｗ＝２．６１（６５０－ｔ） λ Ａ０．８２ｄ０Ｈｌ（４）式中 λ 保温材料的导热系数，ｋＪ／（ｍｈ℃）；ｄ０保温材料厚度，ｍ；ｔ泄放温度，℃。其中容器外壁校正系数Ｆ值也有所不同，表示如下１）容器在地面上无保温时，Ｆ＝１．０；２）容器在地面下用砂土覆盖时，Ｆ＝０．３；３）容器顶部设有大于１０１ｍ２／ｍｉｎ水喷淋装置时，Ｆ＝０．６；４）容器在地面上有完好保温，使用有保温层的计算公式。采用美国石油学会标准与我国劳动部压力容器安全技术监察规程推荐的外部火灾泄放量计算方式，计算出的泄放量大致相同。现使用我国劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程推荐的计算方法，计算乙酸反应器系统外部火灾泄放量，假设在无合适的消防设备和良好的下水系统时，根据（２）式计算泄放量。Ｗ＝２．５５１０５ＦＡ０．８２Ｈｌ＝２０７１４ｋｇ／ｈ式中Ｈｌ取乙酸泄压工况汽化潜热４０１ｋＪ／ｋｇ；Ｆ容器外壁校正系数，取１．０；Ａ乙酸反应器润湿面积为６９．９８ｍ２。２．３．２调节阀故障根据化工装置工艺系统工程设计规定（ＨＧ／Ｔ２０５７０．２９５），对于气相管道，如果满足低压侧的４４关春欣乙酸反应器安全阀泄放量的分析计算及选型设计压力小于高压侧的设计压力的２／３，则安全阀的泄放量应按下式计算Ｗ＝３１７１．３（ＣＶ１－ＣＶ２）Ｐｈ（Ｇｇ／Ｔ）０．５（５）式中ＣＶ１控制阀最大流量下的ＣＶ值；ＣＶ２控制阀最小流量下的ＣＶ值；Ｐｈ高压侧工作压力，ＭＰａ；Ｇｇ气相密度，ｋｇ／ｍ３；Ｔ泄放温度，Ｋ。如果高压侧物料有可能向低压侧传热，则必须考虑传热的影响。对于液相管道，安全阀的泄放量为控制阀最大通过量与正常流量之差，并且要估计高压侧物料有无闪蒸。在乙酸反应器系统中，ＣＯ气相进料管线设置有调节阀，若调节阀故障，ＣＯ缓冲罐内高压ＣＯ可在很短时间内冲入乙酸反应器，此时反应器超压，调节阀故障时若为全开状态，则根据气相管道泄放量计算公式（５）计算Ｗ＝３１７１．３（ＣＶ１－ＣＶ２）Ｐｈ（Ｇｇ／Ｔ）０．５＝２０１４０９ｋｇ／ｈＣＶ１计算值为６０，ＣＶ２计算值为９．９。其中ＣＶ１，ＣＶ２值是根据流量、温度、密度、阀前后压力等工艺参数由自控专业计算得出。２．３．３反应热量不能及时移出由于乙酸反应器内为放热反应，故设置外循环系统。外循环系统带走约１５％的反应热，剩下大部分反应热随着反应器底部乙酸带到下游工段。在公用工程失效工况下如停水、停电时，用来移出热量的外循环系统中泵Ｐ－１０１及Ｅ－１０１将停止工作，此时，反应器内的反应热不能通过外循环系统带走，反应器内温度上升，压力也随之上升，可引起反应器超压。计算正常操作下换热器Ｅ－１０１热侧物料热负荷Ｑ＝ＣＰｍΔＴ（６）则Ｑ＝２．６７２３１１７６（１８５－１６９．８）＝９３８２０４７ｋＪ／ｈ式中ＣＰ热侧等压热容，ｋＪ／（ｋｇ ℃）；ｍ质量流量，ｋｇ／ｈ； ΔＴ换热器热侧温差，℃。当反应器内热量不能通过外循环换热器移出时，反应器内聚集热量即为９３８２０４７ｋＪ／ｈ，取乙酸在泄压工况汽化潜热４０１ｋＪ／ｋｇ，则泄放量为Ｗ＝Ｑ／Ｈｌ＝９３８２０４７／４０１＝２３３９７ｋｇ／ｈ２．３．４出口阀门关闭反应液中乙酸甲酯、乙酸等，由反应器底部出来进入蒸发器Ｖ－１０２。该管线上设置了一个流量分析调节阀ＺＦＬ，当反应器出口阀门误关闭或由于故障关闭时，ＺＦＬ可根据管线无流量状态联锁关闭甲醇进料阀门，以避免反应器过量进料引起的超压问题。通过以上几种事故工况下安全阀泄放量分析计算，得出了乙酸反应器泄放量值，见表２。表２乙酸反应器泄放量值类别泄放量／（ｋｇｈ－１）事故工况一外部火灾工况Ｗ＝２０７１４事故工况二ＣＯ进口调节阀故障Ｗ＝２０１４０９事故工况三反应热量不能移出Ｗ＝２３３９７事故工况四反应器出口阀门关闭可避免出现超压泄放由表２可见，ＣＯ进口调节阀故障时计算出的安全阀泄放量最大，所以确认该泄放量为选择乙酸反应器安全阀的依据。２．４安全阀选型根据泄放量计算安全阀最小泄放面积，按制造厂产品资料选择安全阀。原则是所选安全阀的实际泄放面积不得小于最小泄放面积。美国石油学会标准ＡＰＩ５２６中规定了安全阀的喉径截面积及其代号，根据计算的最小泄放面积（喉径截面积），选取喉径代号，再根据喉径代号按制造厂产品资料，对安全阀选型。经过与安全阀制造厂交流、核算，最终选用弹簧式安全阀（全启式），安全阀进、出口径为ＤＮ１５０／ＤＮ２５０，材质为３１６Ｌ。３结语从工艺系统安全设计的角度，介绍了乙酸反应器系统可能超压的几种事故工况，对超压工况泄放量逐一进行分析、计算，根据单一事故的最大泄放量工况选用安全阀，并简单介绍了安全阀的选型。对于不同的化工产品，各装置单元反应器系统也有所不同，但也存在一些类似事故超压工况（如外部火灾等），本文也可以起到一些借鉴作用。５４

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