硫酸法鈦白粉項(xiàng)目罐區(qū)設(shè)計(jì)探討

鄧云川

（中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101）

設(shè)計(jì)總結(jié)

硫酸法鈦白粉項(xiàng)目罐區(qū)設(shè)計(jì)探討

鄧云川

（中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101）

介紹了某公司75 kt／a硫酸法鈦白技術(shù)改造升級(jí)搬遷項(xiàng)目罐區(qū)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題。總結(jié)了硫酸罐區(qū)布置中的常見(jiàn)問(wèn)題，并提出了設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的一些安全措施。

鈦白粉；硫酸；罐區(qū)設(shè)計(jì)

1 概 述

鈦白粉是目前白色顏料中性能最佳的，可謂是白色顏料之王，其與住宅、汽車產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，以產(chǎn)值計(jì)，僅居于合成氨和磷化工之后，為全球第三大無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，在涂料、塑料、造紙、油墨、橡膠、化纖、陶瓷等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

目前，工業(yè)化生產(chǎn)鈦白粉主要有兩種工藝方案［1，2］：如圖1所示。①硫酸法：該法采用廉價(jià)的鈦精礦或鈦渣與硫酸為原料，經(jīng)溶解、結(jié)晶、水解、洗滌、煅燒、后處理等工序得到鈦白粉。硫酸法鈦白粉工藝具有原料品位低、技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、防腐材料易解決、投資費(fèi)用少的優(yōu)點(diǎn)；主要面臨污染物和副產(chǎn)物多、廢酸難以回收、環(huán)保成本高、產(chǎn)品質(zhì)量品位低、生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)。②氯化法：采用高品位鈦原料，如高鈦鐵礦、天然金紅石和人造高鈦原料，加入焦炭和氯氣為氯化原料，經(jīng)氯化、純化、氧化、后處理等工序得到產(chǎn)品。氯化法鈦白粉工藝具有干法生產(chǎn)、流程短、工序少、能耗低、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)主要表現(xiàn)原料品位高、連續(xù)生產(chǎn)、技術(shù)難度大、操作需要復(fù)雜控制系統(tǒng)、生產(chǎn)裝置彈性不大、設(shè)備要求高、腐蝕不易解決等方面。在經(jīng)濟(jì)上，硫酸法生產(chǎn)低檔鈦白粉具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但是目前硫酸法還無(wú)法生產(chǎn)高檔鈦白粉產(chǎn)品。目前，兩條工藝路線均有裝置投產(chǎn)，不過(guò)在我國(guó)仍然以硫酸法為主。

圖1鈦白粉工藝流程

國(guó)家化工行業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心鈦白分中心對(duì)46家正常生產(chǎn)的生產(chǎn)商的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示［3］：2014年我國(guó)鈦白粉總產(chǎn)量為2435014 t；其中，金紅石型為1756 690 t，占72.14%，銳鈦型為494 287 t，占20.30%；搪瓷等用非顏料級(jí)為125 189 t，占5.14%；納米催化類為58848t，占2.42%。其中，錦州鈦業(yè)、河南漯河興茂鈦業(yè)和云南新立3家采用氯化法生產(chǎn)，綜合生產(chǎn)量為43 530噸，占全國(guó)總產(chǎn)量的1.78%，比上年提高了0.67個(gè)百分點(diǎn)，取得新進(jìn)展。

本文以某公司75 kt／a硫酸法鈦白技術(shù)改造升級(jí)搬遷項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，就罐區(qū)的設(shè)備布置、管道布置、支吊架設(shè)計(jì)和安全環(huán)保設(shè)計(jì)所遵循的原則及注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)。

2 設(shè)備布置

罐區(qū)作為項(xiàng)目的重要裝置之一，雖然工藝配置簡(jiǎn)單，卻是存儲(chǔ)、裝運(yùn)和裝卸原料的重要場(chǎng)所，本項(xiàng)目主要包含不同濃度的H2SO4（質(zhì)量濃度20%、60%、98%）、濃鹽酸和45%NaOH堿液。本項(xiàng)目鹽酸和堿液來(lái)自廠外槽車，硫酸來(lái)自廠區(qū)的上游硫磺制酸裝置和廢酸回收。

罐區(qū)主要包含3個(gè)3 000 m3的98%H2SO4罐、1個(gè)1 200 m3的60%H2SO4罐、200 m3的20%H2SO4罐、鹽酸和堿液罐各1個(gè)、10臺(tái)泵和相應(yīng)輔助設(shè)施。罐區(qū)設(shè)備布置圖見(jiàn)圖2。由于該項(xiàng)目處于南方，不需要隔熱和保冷，罐和泵均采用露天布置。不同介質(zhì)的儲(chǔ)罐間設(shè)置隔堤，發(fā)生跑、冒、滴、漏時(shí)，能有效阻擋物料四處流淌和污染環(huán)境。泵組采用成排布置，根據(jù)介質(zhì)不同設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的隔堤。

不同濃度的硫酸合并在一個(gè)隔堤內(nèi)，隔堤高度參照防火堤設(shè)計(jì)，在硫酸罐發(fā)生泄露時(shí)，確保能夠得到有效的處理。《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，防火堤內(nèi)的有效容積不應(yīng)小于罐區(qū)內(nèi)1個(gè)最大儲(chǔ)罐的容積［4］。項(xiàng)目中三個(gè)3000 m3硫酸儲(chǔ)罐布置在86 m×32 m的隔堤內(nèi)，根據(jù)一個(gè)最大儲(chǔ)罐破裂時(shí)泄放的液體計(jì)算出隔堤的高度為1.0 m，在此基礎(chǔ)上提高0.2 m，最終確定隔堤設(shè)計(jì)高度為1.2 m。另外，由于濃硫酸具有強(qiáng)烈的腐蝕性和氧化性，因此罐區(qū)地面應(yīng)做防酸腐、防滲處理。

圖2 罐區(qū)設(shè)備布置圖

罐區(qū)附近設(shè)置噴濺報(bào)警、泄漏探測(cè)和洗眼器等緊急設(shè)備。洗眼器用于人體接觸硫酸后的緊急處理。根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況，布置在人員易于達(dá)到的地方，同時(shí)需注意避免影響生產(chǎn)運(yùn)行。硫酸罐區(qū)四周設(shè)置有地溝，罐區(qū)地面坡向地溝，在罐區(qū)的最低處設(shè)一個(gè)地坑，作為初期雨水、地坪沖洗水和發(fā)生泄漏事故時(shí)的收集池。在地坑附近布置污酸泵，若大量硫酸泄漏，通過(guò)污酸泵導(dǎo)入硫酸儲(chǔ)罐暫時(shí)存儲(chǔ)；若泄漏量較少，則在地坑內(nèi)加入堿液中和處理，通過(guò)污酸泵將污水送入污水處理車間處理，避免發(fā)生環(huán)保事故。

3 管道布置

管道布置設(shè)計(jì)遵守有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定、規(guī)范和規(guī)定，同時(shí)依據(jù)管道布置專業(yè)工程設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定。管道布置過(guò)程中，確保管道系統(tǒng)具有必要的柔性，同時(shí)確保管口應(yīng)力不超限。在保證管道柔性、管道設(shè)備之間接口位置的力和力矩前提下，盡可能做到管道最短，管件用量最少。

罐區(qū)內(nèi)管道采取集中、架空布置，整體走向并列平行敷設(shè)，交叉少，節(jié)省管架材料，便于施工，罐區(qū)管道布置圖見(jiàn)圖3。來(lái)自硫磺制酸工段生產(chǎn)的98%H2SO4，經(jīng)外管廊進(jìn)入儲(chǔ)罐，管道布置采取“步步高”的方式，避免管道形成積聚液體的“液袋”和“盲腸”。外管廊到60%H2SO4罐則采取“步步低”方式進(jìn)行布置。裝置內(nèi)管廊穿過(guò)泵組上方與外管廊對(duì)接，方便操作檢修和節(jié)約成本，整體美觀協(xié)調(diào)。濃硫酸屬于強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)氧化性和有毒介質(zhì)，因此儲(chǔ)罐的出口設(shè)置分別一個(gè)球閥和截止閥用于切斷，便于檢修，提高安全性。

圖3 罐區(qū)管道布置圖

98%硫酸進(jìn)液時(shí)液位會(huì)有波動(dòng)，進(jìn)液管口開(kāi)在儲(chǔ)罐頂部，避開(kāi)液位計(jì)管口。儲(chǔ)罐頂部管口集中開(kāi)口，以便于操作和檢修。上罐管道集中布置，上到罐頂后再分開(kāi)去往各個(gè)管口，儲(chǔ)罐管口管道布置見(jiàn)圖4。

4 支吊架設(shè)計(jì)

支吊架在管道敷設(shè)工程中是必不可少的，其不僅僅起著支撐管道的作用，即承受管道的垂直荷載，還需要承受來(lái)自各方的力和力矩。只有這樣，管道和與之相連的設(shè)備的安全才能得到保證。

滿足支撐管道荷載的同時(shí)，防止管系產(chǎn)生過(guò)量變形是設(shè)置管架必須綜合考慮的兩個(gè)基本問(wèn)題。1.滿足剛度要求：即控制管道擾度不超限，管架間距必須不超過(guò)管道基本跨距；2.滿足柔性要求：盡可能利用管道自支撐作用，少設(shè)置或不設(shè)置管架；管架布置應(yīng)保證安裝、操作、維修的方便，同時(shí)管架的數(shù)量和形式應(yīng)盡可能的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，既能減緩和抑制振動(dòng)，又能抵御地震、風(fēng)載等惡劣環(huán)境的影響。

圖4 濃硫酸儲(chǔ)罐管口管道布置圖

由于儲(chǔ)罐較大，為消除儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降對(duì)管道柔性的破壞，在出液口切斷閥后都設(shè)置了金屬軟管。儲(chǔ)罐出液管支架具體做法：如圖5所示，在設(shè)備基礎(chǔ)上預(yù)埋鋼板，焊接三角托架支撐出液口管道和閥門重量，在金屬軟管后就近設(shè)置第一個(gè)T型架，確保管道具有一定的柔性。

圖5 濃硫酸儲(chǔ)罐出液管支架示意圖

5 安全和環(huán)保設(shè)計(jì)

罐區(qū)的安全設(shè)計(jì)尤為重要，是整個(gè)設(shè)計(jì)成功的決定性因素。儲(chǔ)罐區(qū)的安全主要分為罐區(qū)安全和運(yùn)行安全。

儲(chǔ)罐安全。腐蝕是影響硫酸儲(chǔ)罐安全、性能和使用壽命的首要因素。常溫下，濃硫酸會(huì)在碳鋼表面形成一層致密的鈍化膜，鈍化膜能阻止進(jìn)一步的氧化腐蝕，因此采用碳鋼材質(zhì)存儲(chǔ)濃硫酸需要留一定的腐蝕裕量。稀硫酸的存儲(chǔ)，因稀硫酸對(duì)碳鋼的腐蝕速度即使在較低的溫度下也很大，因此需要采用更耐腐蝕的材質(zhì)或耐腐蝕的非金屬材質(zhì)制造，如316L不銹鋼或玻璃鋼。因此，常溫下的濃硫酸儲(chǔ)罐通常選用碳鋼，稀硫酸儲(chǔ)罐選用玻璃鋼等材質(zhì)制造［5］。通過(guò)正確選材，合理設(shè)計(jì)，減輕腐蝕及危害，同時(shí)生產(chǎn)中加強(qiáng)管理，延長(zhǎng)儲(chǔ)罐使用年限，保證儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。

運(yùn)行安全。裝置運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)減少人、酸接觸實(shí)現(xiàn)人身保護(hù)的目的，泵及管接頭是需要重點(diǎn)關(guān)注的位置。管接頭或法蘭處應(yīng)安裝保護(hù)裝置，防止管接頭斷開(kāi)、泄漏，造成酸液噴濺。硫酸儲(chǔ)罐的材質(zhì)采用碳鋼制造，儲(chǔ)罐本體須做防雷接地，罐區(qū)須按照規(guī)范要求安裝避雷針。硫酸罐區(qū)安裝鐵門并設(shè)警示牌，罐區(qū)附近存儲(chǔ)有防化物品，如沙坑，堿液罐等。濃硫酸具有吸水性，要防止空氣中的水分進(jìn)入到儲(chǔ)罐內(nèi)，因此罐頂排氣口應(yīng)設(shè)干燥器，且放空管口（線）可能因硫酸鐵積聚而造成堵塞管道，由此運(yùn)行中應(yīng)定期檢查，確保運(yùn)行安全。

為確保罐區(qū)的安全運(yùn)行，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)全面而綜合的考慮。作為設(shè)計(jì)人，一方面必須深刻認(rèn)識(shí)罐區(qū)安全和設(shè)計(jì)的重要性；另一方面，伴隨新技術(shù)的進(jìn)步，需要不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，針對(duì)罐區(qū)的預(yù)防保護(hù)措施更加全面的考慮和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的作品。

［1］陳朝華，劉長(zhǎng)河.編著.鈦白粉生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］張益都.編著.硫酸法鈦白粉生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］http：／／www.chinairn.com／news／20150126／141351564.shtml.

［4］GB 50160.石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

［5］左景伊，等.腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

Discussion on tank yard in tianium dioxide production by sulfuric acid process project

Deng Yun-chuan
（CNOOCShandong Chemical Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250101 China）

The article introduces some problems which encountered in the design of tank in the project，which 75kt／a titanium dioxide production by sulfuric acid process and transformation upgrade relocation，and summarizes the common problems in the arrangement of sulfuric acid tank，and put forward some of security measures in design and operation.

Titanium dioxide；Sulfuric acid；Tank yard design

TQ072

B

1003-6490（2015）04-0059-04

2015－07－24

鄧云川（1986－），男，四川雷波人，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工藝專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，助理工程師，從事化工設(shè)計(jì)。郵箱：dengych2＠cnooc.con.cn