DMF 抽提丁二烯系統(tǒng)安全閥設(shè)計探討

遲強

（北京燕山玉龍石化工程股份有限公司，北京 102500）

0 引言

在石化工藝系統(tǒng)中，反應(yīng)器、塔、容器等設(shè)備及部分管道系統(tǒng)通常都是在一定操作壓力、操作溫度下運行，當發(fā)生停水、停電等公用工程故障或火災、誤操作等非正常生產(chǎn)及緊急狀態(tài)時，設(shè)備或管道系統(tǒng)會發(fā)生超壓，從而嚴重威脅石化生產(chǎn)裝置的安全運行，有時甚至會造成重大安全事故。安全閥因其有著結(jié)構(gòu)簡單且靈活性的優(yōu)點，作為安全泄壓裝置廣泛應(yīng)用于石油化工系統(tǒng)。安全閥的工作原理是在工作介質(zhì)的操作壓力超過預設(shè)的開啟壓力時，閥門自動開啟，從而釋放出適量的工作介質(zhì)，對被保護設(shè)備或管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力作出反應(yīng)并進行泄放，保障生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行。

丁二烯是一種重要的石油化工中間產(chǎn)物，可通過多種方法在一定壓力及溫度下合成橡膠的單體或高純度聚合級丁二烯-1,3。從化學結(jié)構(gòu)分析，丁二烯的雙鍵為共軛雙鍵，因此丁二烯的化學性質(zhì)非常活潑，極易發(fā)生自聚。

尤其是高純度丁二烯，因生產(chǎn)系統(tǒng)中微量氧的存在或者外界的撞擊、摩擦等熱刺激的作用，易生成爆米花狀聚合物——丁二烯端聚物，由于丁二烯聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，并伴有大量氣體產(chǎn)生，會造成生產(chǎn)系統(tǒng)的溫度局部急劇升高，壓力迅速增大，對安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。

DMF 抽提丁二烯系統(tǒng)以二甲基甲酰胺作為溶劑，通過二段普通精餾及二段萃取精餾來制備用于生產(chǎn)聚合順丁橡膠的高純度丁二烯，故DMF 抽提丁二烯裝置內(nèi)萃取工段及精餾工段的設(shè)備及管道系統(tǒng)均設(shè)置了安全閥，來保障裝置的安全穩(wěn)定運行。

1 安全閥設(shè)計

在國內(nèi)石油化工行業(yè)，安全閥的設(shè)計主要依據(jù)SH/T 3210-2020 《石油化工裝置安全泄壓設(shè)施工藝設(shè)計標準》、HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》及GB 150.1—2011《鋼制壓力容器第1 部分：通用要求》。安全閥設(shè)計過程分為初步設(shè)計選型及最終定型定徑，需要綜合考慮設(shè)備或管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性、密閉性以及操作空間等因素，步驟一般如圖1 所示。

圖1 安全閥設(shè)計步驟Fig.1 Safety valve design steps

首先根據(jù)設(shè)備或管道系統(tǒng)的操作工況分析泄壓設(shè)施的運行工況，并結(jié)合工作介質(zhì)毒性、可燃性等多方因素合理設(shè)計泄放設(shè)施的工藝流程，同時計算工作介質(zhì)在泄放設(shè)施運行工況下物理性質(zhì)參數(shù)，從而確定泄放設(shè)施的泄放能力及泄放面積，完成初步設(shè)計選型；根據(jù)以上計算結(jié)果，與泄放設(shè)施生產(chǎn)廠家溝通，核對泄放設(shè)施的參數(shù)，最終確定泄放設(shè)施的型式及型號。

在石油化工行業(yè)中，安全閥的設(shè)置與安裝也需要考慮多種因素，如：裝置內(nèi)部操作空間、安全閥安裝位置穩(wěn)定性及檢修需求、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)整體安全設(shè)置需求等，其最終確定是多種因素的綜合科學考慮后的結(jié)果，從而使超壓介質(zhì)通過安全閥泄放至指定安全設(shè)施，從而保障生產(chǎn)的安全運行。此外，安全閥配管也是安全閥能否正常泄壓的重要因素，需盡量降低安全閥入口壓降及震顫，同時保障安全閥出口管線泄放性能及泄放處的安全性。

2 安全閥種類

根據(jù)不同分類方法，安全閥有著多種類別，不同類別安全閥分別適用于不同工況。根據(jù)GB/T 12241 《安全閥一般要求》分類，共分為直接荷載式、帶動力輔助裝置式、帶補充載荷式及先導式4種。其中直接荷載式安全閥結(jié)構(gòu)簡單，是一種僅靠直接機械加載裝置如重錘、杠桿加重錘或者彈簧來設(shè)定安全起跳壓力，從而保護系統(tǒng)的安全泄壓的設(shè)施。根據(jù)安全閥閥瓣開啟高度，分為全啟式和微啟式2 種，其中全啟動式安全閥起跳高度大于等于最小喉徑的25%，微啟式安全閥起跳高度范圍為最小喉徑的2.5%～25%。在實際工況中，全啟式安全閥適用于泄放量較大，工作介質(zhì)為氣體或蒸汽的工況。此外，根據(jù)安全閥的結(jié)構(gòu)型式不同，分為：封閉彈簧式和不封閉彈簧式、帶扳手和不帶扳手、帶散熱片和不帶散熱片、有波紋管和無波紋管。其中封閉彈簧式適用于工作介質(zhì)為可燃、易燃或有毒的工況。

3 安全閥設(shè)置

對運行于一定工作壓力、工作溫度的生產(chǎn)裝置，安全閥是其能長期穩(wěn)定運行的重要保障。安全閥的設(shè)置是遵從一定的設(shè)置原則和技術(shù)原理的。根據(jù)GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準(2018 年版)》規(guī)定，對在非正常條件下，可能超壓的設(shè)備應(yīng)設(shè)安全閥，比如：頂部最高操作壓力≥0.1 MPa 的壓力容器，頂部最高操作壓力＞0.03 MPa 的蒸餾塔、蒸發(fā)塔和汽提塔，部分壓縮機及泵的出口，因可燃氣體或液體受熱膨脹可能超過設(shè)計壓力的設(shè)備，及根據(jù)工藝要求需要的部分系統(tǒng)。以上設(shè)備或管道系統(tǒng)之所以設(shè)置安全閥，主要是因為存在超壓情況，如：操作溫度超過設(shè)定值，閥門誤操作關(guān)閉或開啟，儀表閥門因公用工程動力故障等。但也存在不易設(shè)置安全閥的情況及設(shè)備，如：加熱爐爐管，同一壓力系統(tǒng)中壓力來源已設(shè)置安全閥的情況，吹掃蒸汽系統(tǒng)。

4 丁二烯儲罐工況參數(shù)

某化工企業(yè)，DMF 抽提裝置中丁二烯成品罐F-206,是第二精餾塔塔頂餾出產(chǎn)品冷卻罐，儲罐型式為：橢圓封頭臥式儲罐，存儲介質(zhì)為≥97%丁二烯，罐容15 m3，外形尺寸φ1 800 mm×6 220 mm，設(shè)計厚度10 mm，操作壓力0.36 MP（G），操作溫度38 ℃，設(shè)計壓力0.59MP（G），設(shè)計溫度50℃，保溫材質(zhì)：復合硅酸鹽，保溫厚度：30 mm。

基于以上丁二烯儲罐信息，下文對應(yīng)用于此儲罐的安全閥進行設(shè)計與計算。

5 安全閥選型分析

在DMF 抽提丁二烯生產(chǎn)過程中，塔頂蒸出的高純度丁二烯容易發(fā)生自聚，從而堵塞安全閥入口，因此F-206 罐增設(shè)的安全閥入口需配備爆破片，同時在安全閥入口管線設(shè)置氮氣吹掃線及壓力顯示報警儀表；通過與裝置生產(chǎn)管理人員深入溝通，結(jié)合丁二烯為毒性及可燃性介質(zhì)，確定安全閥開啟工況為火災工況，泄放介質(zhì)物理狀態(tài)為氣態(tài)，排放至裝置火炬管網(wǎng)系統(tǒng)，工作壓力0.05 MP（G）。綜合以上分析及儲罐實際數(shù)據(jù)，確定安全閥設(shè)定壓力為0.59 MP（G），初步選定為封閉彈簧直接荷載式安全閥，根據(jù)丁二烯易自聚特性，在安全閥入口增設(shè)爆破片，安全閥及爆破片數(shù)量為2 個。

FA-207 安全閥流程如圖2 所示。

圖2 FA-207 安全閥流程Fig.2 FA-207 safety valve flow

6 安全閥工藝計算

6.1 泄放量計算

安全閥泄放量由工藝過程中具體超壓原因決定，結(jié)合DMF 抽提生產(chǎn)工藝流程，確定F-206 罐火災工況計算泄放量。根據(jù)SH/T 3210-2020 中，系統(tǒng)介質(zhì)可汽化，有完整保溫層的，在火災工況計算公式為

式中：W 為安全閥泄放量，kg/h；t 為泄放壓力下泄放液體的飽和溫度，℃；λ 為常溫下絕熱材料的導熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）；A 為容器受熱表面積，m2；δ 為保溫層厚度，m；Γ 為泄放壓力下泄放液體的汽化潛熱，kJ/kg。

利用Aspen 模擬軟件計算出在安全閥開啟壓力0.56 MP（G）條件下，泄放液體丁二烯的飽和溫度t=55.9 ℃、化潛熱γ=352.6 kJ/kg、熱系數(shù)k=1.172，時計算出F-206 儲罐受熱表面積A=38.213 m2，查表可知保溫材料復合硅酸鹽保溫層λ=0.07 kJ/（m·h·℃），將以上數(shù)值及δ=0.03 m 帶入計算可得，安全閥泄放量W=427 kg/h。

6.2 最小泄放面積計算

泄壓設(shè)施的最小泄放面積決定了泄放設(shè)施的泄放能力，安全閥的最小泄放面積為泄放介質(zhì)通過安全閥時最小截面積。安全閥的泄放能力與泄放氣體的狀態(tài)有關(guān)，氣體狀態(tài)分為臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)兩種。經(jīng)計算此案例中符合臨界條件。根據(jù)GB 150.1-2011Z 中附錄B，系統(tǒng)介質(zhì)為氣體且為臨界條件，計算公式為：

式中：A 為最小泄放面積，mm2；Ws為容器的安全泄放量，kg/h；C 為氣體特征系數(shù)，C=520；K 為泄放裝置的泄放系數(shù)；Pf為泄放裝置的泄放壓力（絕壓），MPa；Z 為氣體的壓縮系數(shù)；Tf為泄放裝置泄放溫度，K；M 為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

SH/T 3210-2020 條文說明中規(guī)定爆破片串聯(lián)在安全閥入口側(cè)時，安全閥額定泄放量×0.9 作為組合裝置的泄放量，故Ws=475 kg/h。安全閥的泄放系數(shù)K 通常由安全閥制造廠家提供，在安全閥初步設(shè)計選型階段本次計算取K=0.6。之后將C=334.38，pf=0.72 MPa，Z=1，Tf=328.9 K，M=52 kg/kmol，帶入計算可得，安全閥最小泄放面積A=101 mm2。

6.3 安全閥喉徑

7 安全閥最終定型定徑

實際工程中，安全閥的泄放量從安全角度考慮必須大于等于計算泄放量，因此安全閥選型時需對安全閥擴徑。通過與廠家溝通，校正泄放系數(shù)后，最終選取入口管徑為DN80，出口管徑DN100，閥門喉徑為38.9 mm 的彈簧封閉全啟式安全閥。

8 結(jié)語

結(jié)合DMF 抽提丁二烯生產(chǎn)工藝實踐和相關(guān)規(guī)范與標準，分析了安全閥設(shè)計過程及選型計算過程。合理設(shè)置泄壓裝置是保證石油化工生產(chǎn)工藝安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要措施，安全閥設(shè)計需綜合考慮泄放介質(zhì)性質(zhì)、工藝流程、事故工況及各型式安全閥適用條件。通過分析泄放介質(zhì)性質(zhì)及事故工況，可以初步設(shè)計泄放設(shè)施的種類和數(shù)量、泄放設(shè)施材質(zhì)、泄放設(shè)施開啟壓力及工藝流程順序；通過分析工藝流程及事故工況，可以具體計算泄放設(shè)施泄放量及泄放面積；之后結(jié)合不同型式安全閥適用條件及實際安全閥閥門數(shù)據(jù)，最終確定了安全閥型式及型號。