酸性水罐安全水封罐失效原因及气液分布分析

侯金宝

(中国兵器工业集团盘锦北方沥青股份有限公司，辽宁 盘锦 124022)

酸性水汽提装置一般是加氢裂化或催化裂化装置的配套工程，是用来处理酸性水的环保型装置。其中装置内储存酸性水的罐又称为酸性水汽提装置的原料水罐，酸性水罐的压力突然升高或者在极端天气和操作异常时形成负压会引起设备损坏或发生爆炸事故，因此酸性水罐一般均会设置双重保护设施，第一重保护为安全水封罐，第二重保护为呼吸阀(或压控阀)(只呼出不吸入)或自励式压控阀。为了操作方便，每个原料水罐分别设置一个安全水封罐，且安全水封罐设计在罐顶，水封水依靠自身重力自流至相应的酸性水罐内。另外，为防止酸性水罐内的物料与外界的空气接触，通常还采用氮气稳压系统和安全水封罐相配合，以减少气体排放对环境的污染。通过自励式调节阀调节进入每个酸性水罐的氮气流量，防止被保护的常压酸性水罐因罐内压力或流量的突然变动而对安全水封罐产生波动，来起到缓冲的作用[1-3]。典型酸性水罐保护系统工艺流程如图1所示。

图1 典型酸性水罐保护系统工艺流程图

当泵进料或者外界温度升高导致酸性水罐的压力升高时，安全水封罐下部的水会通过污水出口排出，使酸性水罐维持一定的正压；当酸性水罐的污水被泵抽出或者外界的温度下降导致罐内的压力降低时，安全水封罐会维持一定的负压，防止空气的进入；同时酸性水罐顶部的氮封系统会自动补入氮气，防止罐体抽瘪变形。

1 安全水封罐的作用和工作原理

安全水封罐是酸性水储罐、溶剂罐等大型常压储罐的重要保护设备，其性能的稳定直接影响到后续装置能否安全稳定地运行。工业应用中安全水封罐使用不当失去功能时，可导致酸性水罐顶恶臭气体外溢污染大气、人员中毒，或者出现罐体爆炸破裂等恶性事故，致使酸性水大量泄漏污染水体，形成重大安全隐患。酸性水罐安全运行至关重要，安全水封罐是酸性水罐常用的安全设施之一，确保安全水封罐正常运行是保障酸性水罐安全运行的前提和基础。安全水封罐的主要作用包括：1)维持一定范围内的储罐气压，防止罐体因过度膨胀或收缩而损坏；2)隔绝空气，防止罐内物料与进入的空气接触形成爆炸性混合物；3)防止罐内的有毒有害气体发生泄漏，造成人员伤亡或者环境污染。该装置安全水封罐的结构简图和实物模拟图如图2所示。

从图2可以看出，该安全水封罐被隔板分为上下两部分，上下部分通过连通管形成流动性的水封。安全水封罐所维持的最大表压为Pnor=ρ水gHnor，最小的表压为Pneg=-ρ水gHneg。设计时维持负压的绝对值小于正压的绝对值(Hneg

该安全水封罐的工作原理是，水封水由进水口(N2)进入，正常流程时由出水口(N5)排出，来自酸性水罐顶含硫气体由进气口(N1)进入，由气出口(N4)进入脱臭罐排入大气；水封罐需检修时，打开排净口(N6)，排净水封罐内存水；水封罐内隔板上设有泪孔，停止水封进水后，隔板上部存水由泪孔排净，方便水封罐检修。安全水封罐为露天设备，工作环境比较恶劣，且一般安装在酸性水罐罐顶处，离地面距离较高，检修不方便。一旦安全水封罐失效，则很容易造成安全事故。

2 安全水封罐失效原因及气液分布分析

酸性水罐是利用水和油的密度不同，采用重力沉降法，将酸性水中的污油进行有效地脱出，当酸性水罐进料泵突然开启或关闭时，会造成罐内较大的压力波动。当酸性水罐的出料速度过快时，可能会造成罐内的压力为负压，若此时酸性水罐氮气保护中断或自励式控制阀失灵，就会对酸性水罐罐体造成损害，严重时会导致罐体抽瘪。因酸性水中含有烃类、二氧化碳等易挥发组分，这些气体溶解在酸性水中，当进入接近常压的酸性水罐时，由于压力突然下降，这部分气体会从酸性水中逸出，若上游酸性水中夹带的轻烃组分变轻(或是酸性水量突然增大)，也会导致酸性水罐压力的急剧上升。在生产过程中，特别是夏天，由于昼夜的温差较大，导致酸性水罐压力波动也较大，安全水封罐向大气中突破水封的现象时有发生；另外，当遇台风、骤雨等导致气温急剧下降的天气，会使罐内的压力急剧下降，导致安全水封罐向内突破水封。上述情况不仅会给周围的环境带来不可避免的污染，同时也会给安全生产带来隐患。

除了上述引起安全水封罐失效的原因外，在工业应用过程中由于安全水封罐设计缺陷、操作不当等原因，经常会出现安全水封罐内气相“短路”、罐顶冒气、罐顶喷水等异常现象，导致安全水封罐功能丧失，失去对酸性水罐的保护能力。接下来本文结合安全水封罐的设备结构和工艺过程，对不同工况下安全水封罐失效原因和气液分布原理进行了详细分析，针对不同原因引起的安全水封罐运行异常现象提出了相应的防范措施。

2.1 安全水封罐设计的安装缺陷及气液分布分析

本装置的安全水封罐设备设计的安装及配管图如图3a所示，其出水口(N5)通过与1个向下的90°弯头配对法兰相连，排水直接进入酸性水罐。但此种配管方式会造成安全水封罐内部气相发生“短路”现象，导致安全水封罐失效，此时安全水封罐内部气液分布如图3b所示，酸性水罐内部气相通过安全水封罐出水口(N5)进入，向气出口(N4)方向流动，而不是由顶部进气口(N1)进入，向气出口(N4)方向流动。

图3 安全水封罐设备设计的安装及气液分布图

为了实现设计目的，将安全水封罐出水口(N5)的配管形式改造成与3个90°弯头形成的倒置U型管配对法兰相连，其排水依然进入酸性水罐[4]。经首次改造后安全水封罐设备安装及配管图如图4a所示，在安全水封罐底部出水口(N5)内部形成了一定高度的水封，从而避免了气相“短路”的发生，此时安全水封罐内部气液分布如图4b所示。

图4 首次配管改造后设备安装及气液分布变化图

2.2 出水口(N5)堵塞工况及气液分布分析

正常工况下安全水封罐内部气液分布如图5a所示；若安全水封罐出水口(N5)堵塞，其隔板下部液位将上升，间接导致酸性水罐顶部压力升高，当安全水封罐液位上升至上下连通管底部出口约393 mm时(Psec=ρ水gHsec=3.8 kPa)，酸性水罐顶部设计第二重保护的呼吸阀(或压控阀)应该起跳，此时安全水封罐内部气液分布如图5b所示；若酸性水罐顶部呼吸阀(或压控阀)不起跳，则安全水封罐隔板下部液位继续上升，当安全水封罐液位上升至上下连通管底部出口约425 mm时(Pmid=ρ水gHmid=4.165 kPa)，其隔板下部的水会由气出口(N4)进入脱臭罐内，此时安全水封罐内部气液分布如图5c所示；待与安全水封罐气出口(N4)相连脱臭罐内的水位高度超过425 mm后，安全水封罐隔板下部液位继续上升，当安全水封罐液位上升至上下连通管底部出口约1 656 mm时(Pmax=ρ水gHmax=16.229 kPa)，直至水从其大气口(N3)喷出，此时酸性水罐内部压力达到最高值，酸性水罐因严重超压可能会导致罐体爆裂，此时安全水封罐内部气液分布如图5d所示。因此，工业装置在具备检修条件下应重点检查排水管路是否畅通，可在排水管路上加装视镜或远传流量计。

图5 排水堵塞不同程度气液分布变化图

2.3 进水口(N2)堵塞或补水中断工况及气液分布分析

若安全水封罐进水口(N2)堵塞或补水中断，因其上下隔板上设计有5 mm泪孔，隔板上部的水封将逐渐消失，当隔板上部的水封高度下降到Hneg(本装置Hneg=50 mm)以下后，安全水封罐中的气相(主要是H2S)会直接从大气口(N3)呼出，此时酸性水罐保护氮气消耗量达到最大，酸性水罐附近会有大量H2S积聚而导致环境污染和人员中毒隐患，安全水封罐隔板顶部水封消失的全过程中其内部气液分布如图6所示。因此，工业装置在生产过程中应保证连续的补水供应，可选用自来水或汽提塔底净化水。

图6 进水堵塞(或中断)不同程度气液分布变化图

2.4 排气口(N4)堵塞工况及气液分布分析

正常工况下安全水封罐内部气液分布如图7a所示；若安全水封罐排气口(N4)堵塞，则安全水封罐内压力上升，间接导致酸性水罐顶部压力升高，酸性水罐内部压力上升后反过来导致安全水封罐排水背压上升，最终导致安全水封罐水封高度上升，当安全水封罐液位上升至上下连通管底部出口约393 mm时(Psec=ρ水gHsec=3.8 kPa)，酸性水罐顶部设计的第二重保护呼吸阀(或压控阀)应该起跳，此时安全水封罐内部气液分布如图7b所示；若酸性水罐顶部呼吸阀(或压控阀)不起跳，则安全水封罐隔板下部液位继续上升，当安全水封罐液位上升至上下连通管底部出口约425 mm时(Pmid=ρ水gHmid=4.165 kPa)，其隔板下部的水可能不会(管道堵塞)由气出口(N4)进入尾气放空管道及后续尾气吸收设备内，但是安全水封罐内部水封高度将迅速上升，此时安全水封罐内部气液分布如图7c所示；当安全水封罐液位上升至上下连通管底部出口约1 656 mm时(Pmax=ρ水gHmax=16.229 kPa)，直至水从其大气口(N3)喷出，此时酸性水罐内部压力达到最高值，酸性水罐因严重超压可能会导致罐体爆裂，此时安全水封罐内部气液分布如图7d所示。因此，工业装置在具备检修条件下还应重点检查排气管路是否畅通或是脱臭罐压差是否增大，可在脱臭罐上下加装压力表，用于监控脱臭罐压差变化。

图7 排气堵塞不同程度气液分布变化图

2.5 内部溢流挡板腐蚀内漏工况及气液分布分析

正常工况下安全水封罐内部气液分布如图8a所示；若安全水封罐内部溢流挡板(或焊口)内漏，当内漏位置靠近隔板上部，将导致隔板右侧水封高度下降，间接导致酸性水罐顶部压力下降，此时安全水封罐内部压力<200 mm H2O(即：Pmin

图8 溢流挡板内漏不同位置气液分布变化图

3 结语

安全水封罐虽然是一种结构简单、价格低廉的稳压设备，但其在装置正常生产过程中的作用需引起足够的重视，实际上往往由于人们对其功能了解不够，对其所发挥的作用认识不深，导致水封罐在设计、操作过程中出现了种种问题。通过对工业应用过程中使用经验分析总结，在配管设计上应保证在安全水封罐的排水线上形成有效水封，即设置高度足够的倒置U型管，不但可以代替安全水封罐内部挡板，而且可以有效避免酸性水罐内气相反串形成气相“短路”；由于安全水封罐排水管路腐蚀堵塞，在设计时应充分考虑排水管路管径足够且有排水监控手段；安全水封罐的供水选择非常关键，需要充分考虑供水水质、流量和压力稳定，且在北方地区应充分考虑冬季防冻；安全水封罐的尾气排放后续设备(脱臭罐)在运行过程中可能发生进水或是吸附剂破损，导致排气背压上升同样应加强监控。安全水封罐失效会产生巨大的安全隐患，如环境污染、被保护设备的损坏，甚至会导致爆炸性事故的发生，设计人员和操作人员需在了解安全水封罐失效的主要因素的前提下进行合理的设计和操作才能保证整个装置安全稳定地运行。