化工设计中常用的安全泄放装置

王薇(重庆化工设计研究院有限公司，重庆 400041)

0 引言

化工设计中的物料种类繁多，存在易燃易爆、强腐蚀性、有毒性、挥发性等危险，在实际储存和使用中，要根据这些特点选择生产设备和运输管道，防止发生事故。同时，由于物料形态不同，在储存和使用中容易发生物理超压，要设计合理的泄压系统，运用安全泄放装置，将其单独或组合应用到设备、管路中，保证安全。在化工设计中，要充分考虑到物料的物理性质和化学性质，选择适当的安全泄放装置，优化安全泄放系统，保证化工设计的科学性和高效性。

1 发生物理超压的原因

物理超压主要是化工设备中化学介质的化学性质不变化，仅是因为外部原因而造成设备内部化学介质的参数压力、温度状态、体积都发生剧烈变化，并在一定时间内释放能量而破坏设备。引起容器物理超压的原因很多，具体为以下几方面。

1.1 物料积聚

针对压缩机缓冲罐、锅炉汽包、气液分离罐等储存容器而言，一旦出口管线受阻，或是气体储罐过量充装，都会引发容器内物料积聚而形成超压。针对高压设备系统内部的低压容器而言，在实际运行中，若发生减压阀失灵，就会出现低压容器超压的情况。化工生产中，物料积聚引发的物理超压现象，都是源自于人为操作失误或是控制阀失灵造成的。

1.2 物料受热膨胀

在容器内物料运输中，尤其是液体物料、气体物料，一旦受到外界热输入，比如火灾，体积会迅速膨胀造成容器超压。

1.3 过热液体蒸发

过热液体稳定性较弱，在容器内部会破坏过热状态而形成突沸情况，在这一过程中，形成大量的蒸汽，使得容器内部压力剧增，造成蒸汽爆炸事故。一方面，造成蒸汽爆炸的原因是容器内的饱和液体突然受热后引发过饱和状态，不同沸点的饱和液体混合，高沸点液体会对低沸点液体进行突然加热，让低沸点饱和液体形成过饱和状态，过程激烈；另一方面，造成蒸汽爆炸的原因是密闭容器中的饱和液体与饱和蒸汽原有平衡突然打破，形成突然的激烈现象。

2 安全泄放装置流体力学模型设计

安全泄压装置运行原理为：系统压力快速上升时，会将过剩介质排放到低压系统或是大气中，预防超压事故的发生。在实际设计中，泄放管简化模型的建立分为以下三种情况：

2.1 气态物质泄放

若容器内泄放物质为气态物质，泄放管为渐缩喷管模型，如图1所示。其进口至出口的截面面积逐渐变小，流体流动时的运动方程为，其中，v 代表气体流速，A 代表管道截面积，Ma 代表马赫数。气体泄放过程中，流速低于声速，称为亚声速流动，在渐缩喷管中，气流流速就会上升，使得压强和密度下降，进而达到安全泄放的目的。

图1 气态物质泄放装置流体模型

2.2 液态物质泄放

液态物质属于不可压缩流体，截面管道流动过程中，无法实现增速减压。对此，液态物质泄放装置流体模型如图2所示，属于等截面直管段。

图2 液态物质泄放装置流体模型

3 化工设计中常用安全泄放装置

3.1 储罐装置

储罐装置是化工设计中常见的安全泄放装置，具体分为以下几种类型：

(1)常压、低压储罐。在常压、低压储罐应用中，由于物料进出或是外界温度变动情况，会造成罐内气体泄露而污染环境；或者是因为罐内真空中吸入空气，会诱发物料变质，影响罐体质量。基于这种情况，在常压储罐设计中，设计人员要安装气封系统，合理布设呼吸阀，两种保护措施共同作用，实现容器安全泄放。储罐各个泄压零部件为以下几方面：

第一，呼吸阀为储罐顶端通风装置，不仅可以保证储存密封性，也可以控制储罐内部物料挥发损失，在化工设计中，呼吸阀必须具备极强的密闭性，有呼吸阀、单呼阀两种类型，呼吸阀可以对正超压、真空超压起到保护作用，而单呼阀主要对正过压进行保护，避免出现空气吸入的情况。

第二，气封系统可以针对易燃易爆、有毒性、吸水性等高危性物料进行泄放保护，防止高危性物料直接接触大气。在化工设计中，常用气封系统进行安全泄放，系统运行中属于压力分程控制系统，包括两组调节阀，一组主要控制罐内压力，为罐内真空补气，而另一组则是根据罐内压力进行排气，保证储罐安全使用。在气封阀设计开发中，优化气封流程，同气封阀形成罐内压力连锁反应，设定压力限值，一旦罐内压力超过压力限值，利用气封阀排出气体，若罐内压力低于压力限值，则通过气封阀进入气体，提高储罐设备的安全性。

第三，紧急泄放阀与自由泄放孔，这是化工生产中的安全保护措施之一。每一个常压、低压储罐都要安装配置紧急泄放阀，一旦发生储罐内物理超压的情况，会立即启动紧急泄放阀进行泄放，防止爆炸等事故。在化工设计中，若物料为无挥发性液体，在设计储罐泄放系统时，要安装自由泄放孔，允许罐内气体的流动，避免储罐发生正过压、负过压的情况。

(2)大型低温储罐。大型低温储罐在空分装置中使用，主要保存液氧、液氮、液氩等化工物料，以双层结构为主，中间选择珠光砂作为保温材料，保证夹层干燥密封，包括内罐、外罐、安全泄放装置、测量分析仪表等结构，根据结构特征和储存特征，在大型低温储罐安全泄放装置设计中，要安装两个以上的安全阀、放空阀、溢流阀等，在外罐安装安全阀、紧急放空阀和最高液位报警装置。在设计中，为了保证使用安全性和稳定性，内罐选择先导式安全阀，而在外罐选择安全阀，在中间夹层选择紧急泄放阀，以保证储存罐内部空间气体的均匀分布，防止超压情况的发生。

(3)压力储罐。压力储罐安全泄放装置设计中，包括安全阀与紧急泄放阀，压力储罐为一般压力容器，需要设计人员考虑到物料性质和形态，以便保证压力储罐的安全运行。

3.2 管壳式换热器

由于物料危险性特征，实际运行中，管壳式换热器的消耗较大，其中高压侧换热管很容易由于物料物理性超压造成断裂，使得物料从高压侧流向低压侧，造成物料泄露情况。对此，在安全泄放装置设计中，要结合工况情况，选择适合的安全阀和爆破片，塔设备中安装安全阀和阻火器，进而提高管壳式换热器的泄放功能。

3.3 反应器和压力容器

在化工设计中，反应器和压力容器由于化学反应或是温度突然上升的情况，会造成内部压力迅速上升，为了避免安全事故的发生，要在反应器和压力容器中安装安全泄放装置，根据操作介质与操作状态，合理选择的阀型泄放装置、断裂型泄放装置、组合型泄放装置、熔化型泄放装置。其中阀型泄放装置由安全阀和紧急泄放阀组成；断裂型泄放装置即为爆破片，应用在反应器中；熔化型泄放装置即为易熔塞，应用在液化气体瓶中；组合型泄放装置融合多种泄放装置类型，形成组合式泄放装置。

3.4 压力管道

考虑到介质管道运输中容易受到外界温度变化或是人为操作失误的影响，形成物理超压情况，需要设计人员考虑到压力管道运行使用环境和要求，在压力管道上安装安全泄放装置，设置安全阀，预测罐内物料压力变化情况，设置管道内压力限值，实际压力值低于压力限值时，关闭阀门，当实际压力超过压力限值，开启阀门放气，实现阀门的自动化控制，进而达到压力管道的安全泄放。

(文章题目:化工设计中常用的安全泄放装置)

4 结语

综上所述，在化工设计中，由于物理超压是导致安全事故的根源，设计人员要深入剖析物理超压造成的原因，优化安全泄放装置的设计和应用，从储罐、管壳式换热器、反应器和压力容器、压力管道等方面入手，设置安全泄放装置，及时排放气体，保证化工设备的安全有效运行，预防化工安全事故。