液氨储罐的安全阀的计算、选型和安装

2022-11-02

前言

液氨储罐一般设计压力为2.16MPa, 根据《压力容器安全技术监察规程》, 属于第三类压力容器, 必须设计安全阀【1】。安全阀能有效防止氨罐内部压力超过限度而发生爆裂或泄漏, 准确进行安全阀的计算和选型非常重要。本文针对液氨、气氨的物性, 将液氨储罐安全阀计算公式进一步简化, 以方便设计人员计算和选型。

一、氨罐安全泄放量的计算

氨罐的安全泄放量是氨罐在超压时为保证它的压力不再升高, 在单位时间内所必须泄放的气量。在计算安全阀时, 应该考虑最为苛刻的状态下产生的最大泄放量, 才能满足所有的情况都能使用。当氨罐暴露在外部火灾时, 液氨汽化, 氨罐压力迅速升高, 安全阀的泄放量最大, 一般情况, 氨罐不设置保温层, 氨罐安全泄放量按照下式计算:

式中:W——液氨储罐的安全泄放量, kg/h;

Hl——泄放条件下的汽化热, k J/kg;

Ae——润湿面积, m2;

F——储罐外壁校正系数, 储罐在地面上无保温:F=1.0;储罐在地面下用砂土覆盖:F=0.3;储罐顶部设有大于10L/ (m2·min) 水喷淋装置:F=0.6。

不同型式设备的湿润面积计算不同, 对椭圆封头卧式储罐, Ae=πD (L+0.3D) ;对于立式储罐或半球形封头卧式储罐, Ae=πDL;对于球形储罐, Ae=0.5πD2。上述公式中:D为设备外径, m;L为卧罐总长 (包括封头) 或立罐最高液位, m【3】。

二、最小泄放面积的计算

式中:

Pb——背压 (安全阀出口侧压力, 绝压) , MPa;

Pcf——临界流动压力, MPa;

Pd——泄放压力或排放压力, Pd=1.1 Ps+0.1, (绝压) MPa;

k——绝热指数, 对于氨气, k=1.31;

Ps——安全阀的开启压力或整定压力, 一般为最高工作压力的1.05-1.1倍, (绝压) MPa;

液氨储罐安全阀放空气一般排放至氨气洗涤系统集中处理, 其背压接近当地大气压。一般情况, 液氨储罐的工作温度40℃, 工作压力1.9 MPa, 安全阀的开启压力Ps=1.06×1.9=2.0MPa, 泄放压力Pd=1.1×2.0+0.1=2.3 MPa, 背压Pb约为0.1 MPa。代入上式判断液氨储罐安全阀排放状态一般为临界条件【3】。临界状态下, 安全阀的最小泄放面积计算公式为:

式中:

A——最小泄放面积, mm2;

W——液氨储罐的安全泄放量, kg/h;

K——安全阀的流量系数, 由制造厂提供, 若没有制造厂的数据时, 对于全启式安全阀K=0.6~0.7;对于带调节圈的微启式安全阀:K=0.4~0.5;对于不带调节圈的微启式安全阀:K=0.25~0.35;液氨储罐需要较大的排气能力, 选用全启式安全阀, K取0.6比较合适。

Pd——泄放压力, MPa;

Z——安全阀进口处气体压缩因子, 查气体压缩因子图即可;

T——泄放温度, 即泄放压力下的饱和蒸汽的温度, K;

M——分子量, 氨气取17.03kg/kmol。

公式 (1) 代入 (2) 中, 简化得到液氨储罐安全阀的最小泄放面积。

三、氨罐安全阀的选型

由于液氨容易汽化, 氨罐需要较大的排气能力, 需要选用全启式安全阀。根据上面计算出的安全阀最小泄放面积, 计算安全阀喉径:

对于压力容器, 要求安全阀的排量必须大干等于压力容器的安全泄放量, 上式计算出的喉径是最小理论喉径, 在实际选型时应考虑一定富余。查询安全阀公称直径与喉径关系或喉径代号与喉径截面积关系即可确定安全阀尺寸型号。液氨储罐工作压力比较高, 安全阀一般选用PN25以上的公称压力。

氨罐安全阀必须是密封式, 有效防止氨气外漏, 密封面采用PTFE (聚四氟乙烯) 软密封, 安全阀材质要求不能用铜材料。

四、氨罐安全阀的安装

安全阀收货时检查其产品合格证及出厂压力调试报告, 安装前要送到当地校验所进行再次复校, 加以铅封并出具安全阀校验报告【2】。安全阀应垂直安装, 保持良好的密封性, 并装设在容器或管道气相界面位置上。安全阀的出口阻力尽可能小, 装设排泄总管, 其内径应大于安全阀的出口通径, 低温天气安全阀排除口应注意防冻, 防止水气结冰堵塞。

安全阀入口处应安装氨用切断阀, 正常运行时, 该阀必须保持全开并加铅封, 切断阀的直径不应小于安全阀的入口直径。超过100m3的液氨储罐应设双安全阀。

安全阀宜设旁通线, 旁通线的管径不宜小于安全阀的入口直径。