精细化工企业氮封改造方案设计

张育敏

(九江中星医药化工有限公司,江西 九江 332500)

根据《GB 50160—2018石油化工企业设计防火标准》《GB 50074—2014石油库设计规范》《GB 51283—2020精细化工企业工程设计防火标准》三个标准的限定范围,如果有相关企业的储罐不属于上述范围,那么从标准的规范角度上来讲,很多储罐可以不用氮封,本文的目的不是从合规的角度来探讨到底哪些储罐应该设置氮封,而是从规避风险、降低或者消除事故发生的角度来讲氮封设置的技术要求,认为储罐是否设置氮封应从以下三方面考虑:1)储存介质接触空气会氧化发生质量变化不合格,需要氮封,如苯酚等;2)储存介质接触空气会聚合,需要氮封,如丙烯腈等;3)储存介质易燃易爆介质且易挥发时,需要氮封,如甲醇等。我公司涉及易燃易爆介质有甲醇、乙醇、氯苯、甲苯等易燃易爆介质,涉及易氧化介质苯酚等原料,原储罐未有系统地进行氮封设计,近年来通过设备设施改造提升,装置储槽和罐区储罐氮封得到应用,本文根据精细化工特点,从氮封原理、装置区内储槽氮封设计、储罐区储槽氮封设计、氮气气源设计、氮封氮气储罐和管道的设计、氮封投运前注意要点、氮封的维护与管理以及实例计算等七个方面对氮封系统做出阐述。

1 氮封原理

当储罐进液阀开启,向罐内添加物料时,液面上升,气相部分容积减小,压力升高,当罐内压力升至高于泄氮装置压力设定值时,泄氮装置打开,向外界释放氮气,使罐内压力下降,降至泄氮装置压力设定点时,泄氮装置自动关闭。当储罐出液阀开启,用户放料时,液面下降,气相部分容积增大,罐内压力降低,供氮装置开启,向储罐注入氮气,使罐内压力上升,当罐内压力上升至供氮装置自动关闭,同时当物料温度变化时,也存在罐内压力的变化,氮封起到同样作用。

2 装置区储槽氮封的设计

装置区储槽一般包括高位槽、中转槽,它们一般体积小,很大部分在室内,储槽受温度影响较小,进出料频繁但进出料流量小。而储罐区储槽却正是相反,因此装置内储槽的氮封和储罐区的氮封是截然不同的。根据以上特点氮封设计从以下几方面着手。

2.1 氮封系统工艺流程

图1是装置内储槽和高位槽氮封系统工艺流程图。

图1 装置内储槽和高位槽氮封系统工艺流程图

2.2 氮气进装置流程设计

氮气总管进入装置—过滤器—止回阀—自力式减压阀—支管进入储槽—止回阀—装置内储槽(高位槽)。

2.3 氮封方案

氮气总管氮气经过减压阀减压,氮气压力由150～300 kPa减压至2.0 kPa。减压后的氮气经过总管,支管进入到储槽内。当装置内储槽在进料时,压力高于呼吸阀呼出压力,呼吸阀阀瓣顶开打开排气至尾气总管,当储槽出料时,压力降低氮气进入储槽内进行氮封,储槽的氮封压力和减压后的氮气总管压力相等,储槽内的氮封压力是恒压不变,这是和储罐区的最大区别。

2.4 设备选型

2.4.1 减压阀选型

减压阀选用自力式的氮封减压阀,其无需外加能源,能在无电、无气的场合工作,既方便,又节约能源,降低成本。氮封阀采用指挥器操作,减压比可达100∶1,减压效果好,控制精度高。

2.4.2 呼吸阀选型

呼吸阀选用带有阻火功能呼吸阀,此类呼吸阀在事后维护上更简单,阻火器的清理保养可以和呼吸阀一起进行维护保养,占用空间小。呼吸阀需要双接管呼吸阀,出口接尾气总管,进气口为大气。呼吸阀工作参数:呼出压力为3 kPa,吸气压力-295 kPa,阀瓣密封座选用软密封,密封性能较好。

2.4.3 过滤器选型

过滤器选用Y型过滤器,过滤目数为80目数。

2.4.4 安全阀选型

安全阀选用静重式安全阀,起跳压力为6 kPa,回座压力4 kPa。

2.4.5 止回阀选型

总管止回阀选用旋启式止回阀或升降式止回阀,水平安装或竖直安装。进储槽前支管止回阀因压差小需要选用旋启式止回阀,水平安装。

2.5 氮气流量计算

根据《HG/T 20570.16—1995气封的设置》要求:储罐气封装置的供气量大于或等于泵抽出储罐内存储液体所补充的气量与由于外界气温变化而产生储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量之和。由于装置区内储罐体积小,大部分在室内,进出料频繁,气相空间小,氮封气量只考虑物料出料影响因素,不考虑外界气温变化影响。

2.5.1 储槽进氮气流量的计算

1)氮气流量总管流量为Qim3/h,储槽氮气流量为Q1m3/h,则Qi=Q1+Q2+Q3+......+Qn。

Q1为储槽泵最大抽出量或高位槽放料时出料最大流量,m3/h。

3)如果泵出料的储槽,则氮气总流量为Qi=1.5QS1+1.5QS2+......1.5QSn,QSn为泵的额定流量。

5)一个装置大部分氮封储罐有用泵出料的储槽也有用位差出料的高位槽,为此计算时按照以上公式分别相加进行计算氮气流量。

2.5.2 储槽的出气流量计算

1)储槽氮气出气流量为Q0m3/h,Q0为储槽泵最大进料量,m3/h。

2)储槽泵最大进料量等于泵额定流量QS1的1.5倍,则储槽的出气流量Q0=1.5QS1。

2.6 氮气总管设计

2.7 氮气支管设计

2.8 储槽出气管道的设计

2.9 仪表设计

1)压力变送器防爆级别。仪表技术人员要根据装置区内介质选择合适防爆等级压力变送器,不能选用非防爆等级仪表。

2)压力变送器信号4～20 mA传至DCS控制室进行监控,压力变送器进入控制室设置报警:减压阀阀前压力设置低压力报警值:低压报警:150 kPa,低低压报警:100 kPa。减压阀阀后压力设置低压力报警值和高压力报警值:低压报警:1.5 kPa,低低压报警:1 kPa,高压报警:4 kPa,高高压报警:6 kPa。储槽现场压力表设置上下限:低限值:0.5 kPa,高限值:3 kPa。

3)仪表量程。减压阀阀前压力表量程:0～600 kPa,减压阀阀后压力表量程:-10～10 kPa;储槽现场压力表量程:-6～6 kPa。

2.10 配管注意事项

1)主管过滤器和减压阀不能装反,否则起不到作用,减压阀作用是将管道内的机械杂质过滤,防止卡住减压阀,导致减压阀失效。

2)根据《GB 50160—2018石油化工企业设计防火标准》7.2.7条第1小条规定,连续使用的公用工程管道上应设置止回阀,并在根部设置切断阀。为此主管支管需要设置止回阀,主管设置止回阀的作用是:防止当氮封氮气出现故障储槽内压力高于氮气总管压力导致物料反窜至氮气总管,导致公用系统氮气含有可燃物料。支管止回阀的作用是:防止储槽内可燃介质反窜至其他储槽,导致装置内各种物料混料,可能导致安全和产品质量风险。

3)氮气止回阀需要设置并采用软密封的密封面止回阀,软密封止回阀泄漏量小。

4)储槽止回阀需要选用水平安装旋启式止回阀,止回阀后进入储槽管道带有坡度安装,如果竖直安装在止回阀后面会存在易燃易爆介质冷凝液存积,当进氮气时积存液体会进入止回阀前的氮气管道,积存液体甚至进入总管,如水平带有5%坡度安装管道和止回阀,管道内积存液体流入储槽内。

2.11 实例计算

2.11.1 实例一

装置内1个5 m3中间储槽,分别计算中间储罐的供气量、出气量、进气管径、出气管径,假设出料泵额定流量8 m3/h,进料泵额定流量10 m3/h。

计算过程如下:

1)Qi=1.5QS1,QS1为出料泵的额定流量,则供气量为:Qi=1.5×8=12 m3/h。

2)Q0=1.5QS1,QS1为进料泵的额定流量,则出气量为:Q0=1.5×10=15 m3/h。

2.11.2 实例二

装置内1个2 m3高位储槽,计算供气量、出气量、进气管径、出气管径,假设高位槽放置在4 m平台,进料泵流量4 m3/h。

计算过程如下:

2)Q0=1.5QS1,QS1为进料泵的额定流量,则出气量为:Q0=1.5×4=6 m3/h。

3 罐区储罐氮封设计

3.1 工艺流程

图2是储罐区卧式储罐氮封系统工艺流程图。

图2 储罐区卧式储罐氮封系统工艺流程图

3.2 氮气进装置流程设计

氮气总管进入装置—过滤器—氮封减压阀—止回阀—储罐—氮封泄氮阀—尾气。

3.3 氮封方案

当储罐内的物料往外输送时,氮气压力由150～300 kPa减压至1 kPa,减压后的氮气经过止回阀进入到储罐内。当罐区储罐在进料时,压力高于泄氮阀压力,泄氮阀打开排至尾气,泄氮阀设置泄压压力2 kPa。

根据《HG/T 20570.16—1995气封的设置》1.0.2.2条规定:为防止泄压阀(泄氮阀)或氮气减压阀失灵而出现储罐内超压或负压情况,可采用氮气液封和氮封装置相结合的系统。1) 当泄压阀(泄氮阀)失灵时,液封可起到呼出气体的作用。即当储罐内压力超过设定值时,储罐内气体可通过氮气液封泄压。2)当氮气减压阀发生故障时,如储罐内压力高于设定值时,可通过氮气液封泄压,减轻泄压阀(泄氮阀)负荷。3)当泄压阀(泄氮阀)和氮封装置同时故障,而储罐内出现负压时,可通过液封吸入空气,保护储罐不致变形损坏,为此设置氮气液封系统,同时《SH/T 3007—2007石油化工储运系统罐区设计规范》5.1.5条规定也有事故泄压,采用氮气或其他惰性气体密封保护的储罐应设置事故泄压。

3.4 供氮气量的计算

1)根据《HG/T 20570.16—1995 气封的设置》2.01和《SH/T 3007—2007石油化工储运系统罐区设计规范》5.1.6条规定,储罐气封装置的供气量应大于或等于由于泵抽出储罐内储存的液体所需的补充气量与由于外界气温变化而产生的储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量之和。1)泵抽出储罐内储存的液体所需补充的气量等于泵的最大输出能力。2)因气温变化而引起储罐内的气体冷凝和收缩需补充的气量,在美国石油学会标准API标准2000《常压和低压储罐的放空》中规定为:对容积≥3 180 m3的储罐,这个气量与储罐外壳和罐顶的表面积有关,每平方米罐外壳和罐顶表面积需补入0.6 m3/h气封气。对容积≤3 180 m3的储罐,每立方米容积需补入0.178 m3/h气封气。上述的气量可以允许罐内气体温度变化 37.8 ℃/h。

根据精细化工企业储罐容积一般小于3 180 m3,为此根据温度变化影响按照每立方米容积需补入0.178 m3/h气封气。

2)定义:储罐体积为V,储罐供氮流量Qim3/h,储罐出料泵最大抽出量Q1m3/h,温度变化供氮流量Q2m3/h,泵额定流量QS1m3/h。

3)储罐出料泵最大抽出量等于泵额定流量QS1的1.5倍,Q1=1.5QS1。

4)储罐温度变化供氮流量:Q2=0.178V。

5)储罐氮气供氮气流量:Qi=1.5QS1+ 0.178V。

3.5 储罐出气量计算

依据《SH/T 3007—2007 石油化工储运系统罐区设计规范》要求,储罐出气量按照储罐介质的闪点来确定,当介质闪点高于45 ℃,出气量按照最大进液体量的1.07倍,当介质闪点≤45 ℃,出气量按照最大进液量的2.14倍计算。

1)储槽氮气出气流量为Q0m3/h,储槽泵最大进液量为Q0m3/h,泵额定流量为QS1m3/h。

2)储槽泵最大进液量等于泵额定流量QS1的1.5倍。则储槽的出气流量Q0=1.5QS1。

3)当介质闪点高于45 ℃,出气量按照最大进液体量的1.07倍,为此出气量计算为:Q0=1.07×1.5QS1=1.6QS1。

4)当介质闪点低于等于45 ℃,出气量按照最大进液量的2.14倍,为此出气量计算为:Q0=2.14×1.5QS1=3.21QS1。

3.6 氮气管设计

3.7 储罐出气管道设计

3.8 仪表设计

1)压力变送器防爆级别。仪表技术人员要根据装置区内介质选择合适防爆等级压力变送器,不能选用非防爆等级仪表。

2)储罐内气相空间的压力变送器信号4～20 mA传至DCS控制室进行监控,压力变送器进入控制室设置报警,设置低压力报警值和高压力报警值:低压报警:1 kPa,低低压报警:0.5 kPa,高压报警:2.5 kPa,高高压报警:3 kPa。

3)仪表量程。压力变送器量程:-5～5 kPa。

3.9 配管注意事项

配管注意事项参照装置内储罐氮封设计注意事项进行施工改造。

3.10 设备选型

3.10.1 氮封减压阀选型

减压阀选用自力式的氮封减压阀,氮气泄氮阀选用自力式的氮气泄氮阀。

3.10.2 呼吸阀选型

呼吸阀选用带有阻火功能呼吸阀,呼吸阀工作参数:呼出压力为3 kPa,吸气压力-295 kPa。

3.10.3 过滤器选型

过滤器选用Y型过滤器,过滤目数为80目数。

3.10.4 安全阀选型

安全阀选用静重式安全阀,起跳压力为6 kPa,回座压力4 kPa。

3.10.5 止回阀选型

总管止回阀选用旋启式止回阀或升降式止回阀,水平安装或竖直安装。

3.11 实例计算

罐区内1个100 m3储罐,介质甲醇,闪点12 ℃,分别计算储罐的供气量、进气管径、出气管径,假设出料泵(卸料泵)额定流量50 m3/h。

计算过程如下:

1)储罐氮气供氮气流量:Qi=1.5QS1+ 0.178V,QS1为出料泵的额定流量,则供气量为:Qi=1.5×50+0.178×100=92.8 m3/h。

2)甲醇质闪点低于45 ℃,QS1为卸车泵的额定流量,为此出气量计算为:Q0=2.14×1.5QS1=3.21QS1=3.21×50=160.5 m3/h。

4 氮封氮气气源的设计

4.1 氮气气源制氮途径

增加氮封并不是单纯管道布置上去就能上的,需要配套公用设施,当前有些中小企业特别是一些物流贸易企业,未设置氮气保护主要是企业没有氮气气源配套。氮气气源制氮常有三种途径:一是通过PSA吸附制氮,PSA制氮机利用空气中的氧和氮在碳分子筛表面吸附量的差异及氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同,通过可编程序控制器控制气动阀的启闭,实现加压吸附、减压脱附的过程,完成氧、氮分离,得到所需纯度氮气。二是通过深冷空分制氮,这种方法一般是园区内钢铁企业等附属制气企业,或用氮气量较大的企业采用。三是通过购买液氮气,建立液氮储罐,液氮进行汽化后使用。以上三种氮气气源各有优缺点,对于精细化工企业,用氮气量不是特别大,本文建议企业考虑采用PSA变压吸附制氮,这种方法制氮气成本在0.2～0.3元/Nm3,成本较低,方法简便,开机后几分钟产生氮气,能耗低,氮气成本远低于深冷法空分制氮和液氮。PSA制氮性能可靠,全自动操作,无需要特别训练的操作人员,只需按下启动开关就可自动运转,达到连续供气,确保所需氮气纯度,且仪表均集成到控制箱上方便简洁。

4.2 氮气气源的质量要求

氮气保护易燃易爆介质,其主要作用是确保储槽内不形成保证性混合物,为此氮气纯度是氮气气源质量的关键指标,根据《输气管道工程设计规范》GB 50251—2015要求“当可燃气体爆炸下限大于4%时,分析检测数据小于0.5%为合格;可燃气体爆炸下限小于等于4%时,分析检测数据小于0.2%为合格。化工企业很多易燃易爆介质的爆炸下限小于等于4%,为此对于氮封气源的氮气纯度确保大于99.8%。氮气气源压力的要求:氮封氮气的气源压力大于0.3 MPa。

5 氮封氮气储罐和管道设计

5.1 氮封氮气储罐材质

从经济角度考虑氮气储罐材质选取Q245R,管道选用根据GB 8163—1999要求:氮气管道材质选取20#碳钢。

5.2 氮封氮气储罐设计压力

氮封氮气储罐压力的设计压力为P=1.5倍的工作压力。氮气管道选用B系列1.6 MPa压力等级。

5.3 氮气储罐安全设置

氮气储罐设置安全阀、压力表等安全附件,GB 150—201《压力容器》附录B规定要求安全阀起跳压力为1.05～1.1倍工作压力,压力表量程为1.5～3倍的工作压力。

5.4 氮气管道氮气流速设计

根据HG/T 20570.6—1995《管径选择》表2.0.1中氮气管道氮气流速选用15～25 m/s。

5.5 特种设备的管理

根据《特种设备目录》-2014版目录要求,氮气储罐属于压力容器。氮气管道如果≥150 mm,属于压力管道,目前根据精细化工企业用气的使用量来看,氮气管道达不到属于压力管道规定要求。

6 氮封投用前的注意事项

1)投用前管线必须吹扫干净管线内的铁锈焊渣,氮封阀投入前将前过滤器清理干净。防止杂质进入氮封阀,将氮封阀卡死,导致氮封阀失效,发生设备超压等安全事故。

2)投运前对选用的氮封阀进行性能(通气流量、设定压力、排气压力)测试,防止投运后通气量不足,导致储槽吸瘪。

3)氮封系统投运前通过氮封阀的旁通阀进入氮气对氮封储罐进行置换,置换合格后氮封投入使用。

4)氮封投运前需要对操作人员进行培训,了解氮封系统的作用和操作,做到“四懂三会”。

5)对氮封系统的手动阀门、旁通阀门进行上锁和挂牌管理,未经允许不得擅自关闭氮封系统阀门。

7 氮封系统的维护与管理

1)氮封系统在运行过程中定期巡检,检查压力是否在规定的范围内,氮封系统完整的有效性,明确压力范围和报警值,制定偏离正常参数的措施。

2)定期对氮封系统的呼吸阀、阻火器、过滤器、泄压装置进行检查,保证安全设施的完好。

3)日常检查氮封储槽有无泄漏、变形,对储罐的密封有效性进行检查,确保储罐不泄露,对储罐各个密封点定期检查。

4)氮封管线止回阀定期检查,查看止回阀是否可以有效防止倒流。

5)制定停氮应急处置预案,当氮气供应系统无法保障氮气正常供应时,需要及时和装置部门主管、操作人员进行交底,启动停氮应急处置预案。

8 结语

氮封系统保护在国家和行业规范标准中一直有明确规定要求,在《GB 50160—2018石油化工企业设计防火标准》《GB 50074—2014石油库设计规范》《GB 51283—2020精细化工企业工程设计防火标准》这些国家标准和《SH/T 3007—2014 石油化工储运系统罐区设计规范》《HG/T 20570.16—1995气封的设置》行业标准规范中有明确氮封要求。在石油化工领域氮封系统得到比较成熟应用,但在精细(医药)化工行业氮封系统的应用起步较晚。在过去精细化工项目设计中均对氮封系统设计没有很好执行规范标准,这与规范定位石油化工领域标准规范有关,目前精细原料产品和工艺日趋复杂、危险,精细化工更趋于大型化、模块化,精细化工企业的事故发生带来的危害损失已经严重冲击人们对幸福的追求,为此氮封系统在精细化工企业中的推广应用刻不容缓,为企业安全生产保驾护航。