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1,4-丁二醇装置乙炔管道安全设计浅析章军袁 张权辉袁 焦娟袁 孙媛渊北京石油化工工程有限公司 西安分公司袁 陕西 西安710000冤摘要院1,4-丁二醇 渊BDO冤 是生产可降解塑料的化工原料袁 乙炔是炔醛法生产 BDO 的主要原料遥 介绍了乙炔的物理化学特性袁 论述了 BDO 装置乙炔管道设计中压力分级尧 风险分区尧 壁厚计算尧 输送温度尧 材料选择等关键安全因素的计算依据及工况考虑袁 提出了影响乙炔管道安全的设计方法袁 可为新建或改扩建 BDO 工业装置乙炔管道的安全设计提供借鉴遥关键词院 管道曰 乙炔曰 输送曰 安全曰 设计中图分类号院 TQ055.8文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.05.011flow field in stirred tank equipped with improvedframe type combined impellers 咱J暂.Chemical industryand engineering progress,2019,10(5):523-531.咱6暂孙会,潘家祯.带有新型内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究咱J暂.化工学报,2006,57(1):13-20.SUN H,PAN J Z.Numerical investigation of flowfields in stirred vessels with novel combined inner andouter agitators咱J暂.CIESC journal,2006,57(1):13-20.咱7暂Tamburini A,Gagliano G,Micale G,et al.Directnumerical simulations of creeping to early turbulentflowinunbaffledandbaffledstirredtanks 咱J暂.Chemical engineering science,2018,192:161-175.咱8暂孙存旭,王垒智,周勇军,等.双层侧进式搅拌槽内流场特性数值模拟咱J暂.石油化工设备,2019,48(4):44-50.SUN C X,WANG L Z,ZHOU Y J袁et al.Numericalsimulation of flow field characteristics in a doubleside-entry stirred tank咱J暂.Petro-chemical equipment,2019,48(4):44-50.咱9暂徐昊鹏,周勇军,何华,等.双层改进型 Inter-Mig 桨对带内盘管搅拌釜内流场性能影响 咱J暂.石油化工设备,2019,48(4):15-21.XU H P,ZHOU Y J,HE H,et al.Effect of doublelayer improved Inter-Mig impeller on flow fieldperformance in stirred tank with inner coil咱J暂.Petro-chemical equipment,2019,48(4):15-21.咱10暂 Malik S,Bouaifi M.Shear improved Smagorinskymodel for large eddy simulation of flow in a stirredtank with a Rushton disk turbine咱J暂.Chemicalengineering research and design,2016,108:69-80.咱11暂 郭雪岩,王斌杰,杨帆.水力旋流器流场大涡模拟及其结构改进 咱J暂.排灌机械工程学报,2013,31(8):696-701.GUO X Y,WANG B J,YANG F.LES analyses of flowfields and structure improvements of hydrocyclones咱J暂.Journal of drainage and irrigation machinery en鄄gineering,2013,31(8):696-701.咱12暂 Seyed H,Dineshkumar P,Farhad E M.Study of solid-liquid mixing in a agitated tanks through computa鄄tional fluid dynamics modeling 咱J暂.Ind.Eng.Chem.Res.,2010,49(9):4426-4435.咱13暂 汤俊杰.基于 CFD 对 DTB 结晶器结构的优化及其内部流场模拟咱D暂.湘潭:湘潭大学,2019.TANG J J.Optimization of DTB crystallizer structureand its internal flow field simulation based on CFD咱D暂.Xiangtan:Xiangtan University,2019.咱14暂 庞臻.多层桨搅拌槽内过渡区流动特性的研究咱D暂.北京:北京化工大学,2019.PANG Z.Flow characteristics transition region ofmulti-impeller in a stirred tank 咱D暂.Beijing:BeijingUniversity of Chemical Technology,2019.咱15暂 李美婷,李威,李晓光,等.偏心轴搅拌槽内的层流流场特性咱J暂.山东大学学报渊工学版冤,2019,49(4):93-98,107.LI M T,LI W,LI X G,et al.Laminar flow fieldcharacteristics in the stirred vessel equipped with aneccentric-shaft impeller咱J暂.Journal of Shandonguniversity渊(Engineering science冤,2019,49(4):93-98,107.渊柏编冤文章编号院 1000谣7466(2023)05谣0066谣04收稿日期院 2023-03-31作者简介院 章 军（1981-），男，陕西西安人，高级工程师，学士,主要从事管道材料设计工作。第 52 卷第 5 期2023 年 9 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.5Sept.20232020 年叶关于进一步加强塑料污染治理的意见曳咱1暂发布后袁各地相继出台野限塑令冶遥受此影响袁可 降 解 塑 料 聚 己 二 酸/对 苯 二 甲 酸 丁 二 酯渊PBAT冤快速发展袁需求量激增袁原料 1,4-丁二醇渊BDO冤的需求量被大幅拉动袁各地大型 BDO 项目也纷纷上马遥以乙炔和甲醛为原料的炔醛法渊Reppe 法冤是生产 BDO 的主要方法袁 其生产能力占目前国内BDO 总生产能力的 90%以上遥 随着 BDO 装置生产规模的不断扩大袁 主要原料乙炔的管道输送安全问题被各个建造责任方所重视遥乙炔输送管道应依据标准规范进行设计遥 鉴于 GB 50031要1991叶乙炔站设计规范曳咱2暂中明确规定袁 此标准不适用于生产化工原料气的乙炔站和乙炔管道袁 而且此标准已于 2017-08-01 废止的实际情况袁文中参考欧洲工业气体协会标准 EIGADOC 123/21 叶Code of Practice Acetylene曳咱3暂袁从设计角度对乙炔管道应考虑的几点关键因素进行讨论遥1乙炔的物理化学特性乙炔属于甲类可燃气体袁极易燃烧和爆炸袁在空气中的爆炸极限为 2.3%82%渊体积冤袁 其最小点火能量为 0.019 MJ袁爆炸组别为C袁极易发生爆轰咱3暂遥乙炔在常温时的热力学性质很不稳定袁 容易发生聚合袁乙炔聚合时放出的热量使温度升高袁温度越高聚合速度越快袁 当放出的热量使乙炔升高到分解的温度时袁尚未聚合的乙炔就发生分解遥乙炔分解的速度很快袁一旦反应开始袁便会放出大量热能使温度继续迅速升高袁加快分解速度袁直到发生强烈的爆炸咱4暂袁产生爆燃和爆轰遥 爆燃释放能量产生的峰值压力是初始压力的 1011 倍袁高压乙炔爆轰释放能量产生的峰值压力是初始压力的 50 倍咱5暂遥乙炔与水接触时会生成乙炔水合物 渊C2H2窑5.75H2O冤袁此水合物的最高存在温度为 16 遥 水和乙炔水合物在乙炔管道中存在袁 可能会堵塞管道袁 也可能会由于乙炔和水合物摩擦生成静电引发危险遥2乙炔管道压力分级和风险分区2.1压力分级按照工作压力渊表压冤袁乙炔管道分为低压尧中压和高压 3 个压力等级袁见表 1遥 输送乙炔的管道压力越低袁安全性越高遥表 1乙炔管道压力分级压力分级低压乙炔高压乙炔中压乙炔压力 p渊表压冤p 臆0.02 MPa0.15 约p臆2.5 MPa0.02 约p臆0.15 MPa2.2风险分区按照乙炔管道的工作压力渊绝压冤和管道内径组合关系袁EIGA DOC 123/21 叶Code of PracticeAcetylene曳中图 4 用 2 条直线渊A 线和 B 线冤将乙炔管道的风险区划分为尧尧区遥 其中袁 AAnalysis on Acetylene Piping Safety Design ofButane-1,4-diol PlantZHANG Jun袁ZHANG Quan-hui袁JIAO Juan袁SUN Yuan渊Beijing Petrochemical Engineering Co.Ltd.,Xian Branch,Xian 710000袁China冤Abstract:1,4-butanediol(BDO)is a chemical raw material for the production of degradable plastics,whileacetylene is an important raw material for the preparation of BDO by the Reppe method.The physical andchemical properties of acetylene were introduced,and the calculation basis and working conditions of keysafety factors such as pressure classification,risk zoning,wall thickness calculation,transportation temperature,and material selection in the design of acetylene pipelines in the BDO plant were discussed,and the designmethods affecting the safety of acetylene piping was put forward,and it provided a reference for the safetydesignofacetylenepipinginneworreconstructedBDOplant.Key words:piping曰acetylene曰 transport曰safety曰design第 5 期章 军袁等院1,4-丁二醇装置乙炔管道安全设计浅析67窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备线为爆燃极限压力线袁 其函数曲线公式为 di(15.1/Pabs)1.792 12曰B 线为爆轰极限压力线袁 其函数曲线公式为 di(20.2/Pabs)1.818 1遥 这 2 个函数曲线中的 di为管道内径袁Pabs为工作压力渊表压冤袁其单位与 EIGA DOC 123/21 中相同遥当乙炔管道的工作范围在 A 线以下 渊I 区冤袁乙炔有可能会发生轻微分解袁 但仅发生在较高的点火能量条件下袁风险最小遥当乙炔管道的工作范围在 A 线上或 A 线和 B 线之间渊区冤袁中等的点火能量即会引起乙炔分解袁 分解将以爆燃形式沿管道传播遥 当乙炔管道的工作范围在 B 线上或 B线以上渊区冤袁分解将以爆燃形式开始袁并在管道中逐渐转变为爆轰遥 总之袁I 区的风险最小袁区的风险最大遥 因此袁在设计工程中袁应尽可能将乙炔管道的工作范围控制在 I 区袁 降低乙炔发生爆燃和爆轰的风险遥由 EIGA DOC 123/21 中图 4 和 A 线公式可知袁当高压乙炔工作压力渊绝压冤为 0.42 MPa袁管径在 10 mm 及以下时才能将风险控制在 I 区袁乙炔管道相对安全遥为了达到这一要求袁工程建设中常采用管道内填充 tube 管束 渊准10 mm尧准6 mm冤的方法渊图 1冤袁将高压乙炔的实际流通直径控制在10 mm 以下袁该方法的目的是利用 tube 管将管道中的热量及时分散开和传导出袁 从而降低乙炔的点火能量袁以确保管道的安全运行遥图 1 内部填充 tube 管的乙炔管道3乙炔管道壁厚计算与一般流体不同袁 乙炔极易分解并发生爆燃进而形成爆轰袁 其输送管道因而也与一般工业管道不同袁除了需要承受最大允许工作压力袁还要承受乙炔分解时产生的热应力和机械应力遥 当管道发生爆轰时的能量传播速度不小于 1 900 m/s咱6暂袁泄压装置的反应速度无法满足爆轰时能量的传播速度袁 因此乙炔壁厚计算方法和一般工业管道也有较大差别袁 其设计应考虑爆燃或爆轰的峰值压力袁按照风险区分情况计算遥3.1风险 I 区I 区乙炔管道壁厚可根据 GB/T 20801要2020叶压力管道规范 工业管道曳咱7暂尧GB 50316要2000叶工业金属管道设计规范 渊2008 年版冤曳咱8暂尧SH/T3059要2012 叶石油化工管道设计器材选用规范曳咱9暂等国家和行业标准规范进行计算袁也可以按照式渊1冤进行计算遥式渊1冤中 p尧f 分别按照式渊2冤尧式渊3冤计算遥e=pDe20f+p(1)p=2pW渊2冤f=fy1.3渊3冤式中院e 为最小管道壁厚的数值袁De为管道外径的数值袁p 为计算压力的数值袁pW为最大允许工作压力的数值袁fy为材料屈服应力的数值袁各变量计算单位与 EIGA DOC 123/21 相同遥3.2风险域区处于风险区的乙炔管道袁应能承受乙炔分解发生爆燃时的峰值压力袁最小管道壁厚应当按照式渊1冤进行计算袁其中 p尧f 按照式渊4冤尧式渊5冤进行计算遥p=11(pW+1)-1渊4冤f=fy1.1渊5冤3.3风险芋区在区范围内袁 乙炔管道壁厚应能承受乙炔分解发生爆轰时的峰值压力袁 爆轰是以冲击波的形式沿管道传播的袁在弯头尧三通尧阀门和盲端等引起冲击波反射的位置会产生更高的压力袁 因此在设计过程中直管及反射位置的承压均应考虑遥有 2 种方法计算区乙炔管道的壁厚袁 第一种方法是将管道元件的壁厚均按承受冲击波反射的压力进行计算袁 第二种方法是分别计算直管及反射位置的壁厚遥3.3.1第一种算法乙炔管道最小壁厚按照式渊1冤计算遥其中 p 按照式渊6冤计算袁f 按照式渊5冤计算遥68窑窑p=35(pW+1)-1渊6冤3.3.2第二种算法乙炔管道最小壁厚按照式渊1冤计算遥曲率半径为管道内径 5 倍及以上的弯管视为直管袁也按此条计算遥 其中 p 按照式渊7冤计算袁f 按式渊5冤计算遥p=20(pW+1)-1渊7冤冲击波反射位置的壁厚应较直管壁厚有所增加袁增加壁厚的范围不小于管道内径的 3 倍遥增加后的壁厚宜不小于 2 倍的直管计算壁厚遥3.4注意事项I 区尧区尧区的乙炔管道壁厚计算方法来自于 EIGA DOC 123/21袁 其壁厚计算结果为最小管道壁厚袁均未附加腐蚀裕量尧壁厚负偏差尧加工减薄量等因素袁 在设计过程中应按实际需要做相应考虑遥BDO 装置的乙炔管道属于工业管道范畴袁管道的承压除了需要满足壁厚要求外袁 还应执行现行国家和行业标准规范及相应的计算内容遥4乙炔管道输送温度要求在实际生产过程中袁 引发乙炔分解爆炸的能量源一般包括静电电弧和高温热源两种袁 乙炔遇到这些能量源发生分解爆炸时所需要的压力称为分解爆炸临界压力遥 Mizulania T尧朱云峰尧高凯等咱10-12暂进行了震荡电弧模拟静电能量源引发乙炔分解爆炸试验袁 获得了温度与乙炔分解爆炸临界压力的关系袁推导出了一致的研究结论袁即分解爆炸临界压力随着温度的升高而降低袁 温度每升高1 袁 分解爆炸临界压力就降低 3.510-43.910-4MPa遥 因此乙炔管道对输送温度的要求较为苛刻袁对管道进行有效的绝热处理袁防止太阳暴晒及临近热源影响非常重要遥 在工程建设中常采用具有较强反辐射功能的涂料或绝热结构袁防止热量在管道表面累积导致介质升温遥5乙炔输送管道材料选择乙炔与铜尧银尧汞及其合金接触时会生成金属炔化物袁金属炔化物对振动尧摩擦非常敏感袁受到管内介质流体冲击时容易发生爆炸遥 因此乙炔禁止与铜尧银尧汞及其合金接触袁尤其应该注意管道上的阀门和内件不得采用含有铜与铜合金的零部件袁 同时运行维护过程中也应禁止采用含有上述物质的工具遥钢是乙炔管道的首选材料遥 由于管道内部的清洁程度会直接影响乙炔的聚合和分解温度袁例如管道内部生锈的情况下会导致乙炔在较低的温度发生聚合遥 因此一般情况下袁中尧高压管道的材料应选用奥氏体不锈钢袁 低压乙炔管道的材料可选用优质碳素钢并在投入运行前进行充分除锈袁降低安全风险遥6结束语当前国内还没有完全适用于生产化工原料的乙炔管道专用设计标准袁BDO 装置乙炔管道的设计可参照 EIGA DOC 123/21 叶Code of PracticeAcetylene曳和现有工程实践经验遥 除了压力尧管径尧温度尧承压尧材料等因素外袁还应控制乙炔管道介质流速尧管道长度等设计条件袁采取设置静电接地尧阻火装置等一系列安全措施袁综合保证乙炔管道运行安全袁避免发生事故咱13-14暂遥参考文献院咱1暂 国家发展改革委,生态环境部.关于进一步加强塑料污染治理的意见渊发改环资也2020页80 号冤咱Z暂.2020-01-16.咱2暂 乙炔站设计规范院GB 50031要1991咱S暂.咱3暂 Code of practice acetylene院EIGA DOC 123/21咱S暂.咱4暂 邹泽平.乙炔生产过程危险性分析咱J暂.化学工程与装备,2012(8):195-197.咱5暂 任怀文.乙炔管道输送的本质安全设计 咱J暂.化工设计,2014(4):42-45.咱6暂章军.工艺装置中阻火器的选用 咱J暂.天然气与石油,2017,35(4):54-57,62.咱7暂 压力管道规范 工业管道院GB/T 20801要2020咱S暂.咱8暂 工业金属管道设计规范渊2008 年版冤院GB 50316要2000咱S暂.咱9暂石油化工管道设计器材选用规范院SH/T 3059要2012咱S暂.咱10暂MizulaniaT袁Miyakeba袁MatsuiH.Decomposingdeflagrationpropertiesofacetyleneunderlowtemperatures 咱J暂.Journal of loss prevention in theprocess industries袁2007袁20院688-690.咱11暂 朱云峰,孙峰,李亚辉,等.压力对乙炔分解爆炸过程的影响规律咱J暂.安全尧健康和环境,2019,19(11):49-52.咱12暂 高凯,熊新宇,凤文桢,等.初始温度和压力对乙炔分解爆炸参数影响的实验研究咱J暂.爆破器材,2021,50(2):7-11.咱13暂 邹大伟.乙炔管道的安全输送问题讨论咱J暂.石河子科技,2012(2):31-33.咱14暂 屈战成.干法乙炔发生装置工艺系统优化总结咱J暂.中氮肥,2018(5):68-71.渊柏编冤第 5 期章 军袁等院1,4-丁二醇装置乙炔管道安全设计浅析69窑窑