本文从化工安全角度，阐述化工物质的罐内存放、罐内搅拌和分散等生产工艺中需要重点控制的要素。本文将阐述在化工生产车间中生产用罐及物料的工艺安全设计，详细描述氮封压力的设定，呼吸、泄爆及部分安全联锁设计。

不同物料的混合搅拌及相互接触反应，是大部分化工生产企业中必不可少的工序，而大部分的搅拌都是在特制的罐内进行。化工生产车间中生产用罐及物料的工艺安全设计，氮封压力的设定，呼吸、泄爆及部分安全联锁设计在国外简称PSM（Process Safety Management）。随着我们国家对安全生产的不断重视，PSM概念也将逐步应用到国内中小型企业中。

化工搅拌罐内潜在的不安全因素

大部分化工企业，尤其是制药、涂料、塑料制品生产企业，在其生产及设备清洗过程中，不可避免的要用到易燃-易爆-易挥发或有刺激性气味的物品。该类物品在生产或反应过程中，挥发、泄漏、超温和燃烧等都是化工企业的主要安全控制点。如乙醇、乙醚、甲苯和二甲苯等，都有很低的闪点及爆炸下限，极易燃烧。而操作或维护人员短时间内吸入这些物料，就会出现明显的刺激症状。因此，在工艺安全设计中，必须要对该类生产设备进行严格有效的控制。

推荐的搅拌罐配套工艺安全设计

从图1中可以看出，化工企业搅拌罐的安全设计涵盖：温度和液位控制、惰性气体保护，异常情况下的呼吸与泄放、罐内氧含量检测、阀门和仪表安全性选型等内容。

控制原理与关键点

氮封压力的设定

罐内易燃液体的挥发会导致生产环境恶化，一般是在罐内加惰性气体，从安全及成本考虑，通常采用氮气。

适当的氮气压在液体上方，会减少液体的挥发，并能阻止氧气进入罐内，起到避免火灾的作用。如何确定氮气的压力？按氮气的使用目的可以分为以下几种：

1.减少或抑制罐内易燃和有毒有害液体的挥发。将以罐内液体的蒸汽压决定。例如生产过程中控制罐内温度为X度时，Y%的甲苯的蒸汽压为ZPa，我们就以ZPa的氮气充入罐内,将会达到最佳效果。

2.阻止氧气进入，控制氧含量在爆炸极限内。在化工类工艺设计规范中提到常压储罐的气封压力一般可取500~1000Pa，但如果罐内的液体对环境的危害性不是太大，允许适量的挥发，且车间内有足够的送排风系统，不会造成安全事故。我们可以降低氮气的压力，阻止室外氧气进入罐内即可。例如，根据使用经验，压力设置为300Pa，初步设置好后，可以使用氧气分析仪器进行检测，不同的物料可以允许不同的氧气含量（在氧气含量低于某值时，不会出现燃烧等安全问题）。以罐内允许的氧气含量值与实际值进行不断比较，可调整氮气的设定压力值。

3.氮封压力必须小于呼吸阀的呼出压力，小于泄爆口的泄爆压力，避免常态下排放；小于罐的设计压力，避免安全问题。

氮封阀进气量设定

氮封装置需要达到精确控制效果，才能起到相应的作用，因此正确的进气量选择至关重要。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，当罐内压力升至高呼吸阀呼出压力设定值时，通过呼出口向外界释放。当储罐出液阀开启放料时，液面下降，气相部分容积增大，罐内压力降低，氮封阀需要及时开启，向储罐内注入氮气，使罐内压力上升，升至设定的氮封压力，如果氮封阀不能及时补充氮气，将造成罐内负压，外界的氧气会进入罐内，引发安全隐患。

氮封与人孔、清洗孔的连锁

罐在使用过程中，根据生产工艺需要，不可避免的存在打开人孔、清洗罐口或其他调整口的操作，因为罐内设定有一定压力的氮气。以人孔为例，在开启时，为避免氮气扑面，造成窒息。需要设置相关联锁，方案为在人孔上安装1个接近开关。

当人孔打开时，接近开关输出开关量信号，传送给PLC, PLC输出信号给氮封阀前的电磁阀，电磁阀动作，关闭氮气。

呼吸阀的压力设定与呼吸量选择

呼吸阀的呼出压力必须大于氮封压力，才能确保氮气留在罐内，但为避免氮封阀频繁动作，呼出压力一般取氮封压力的2~3倍为宜。

吸入压力可根据罐的耐压情况设计，一般常压罐可设计为-500Pa以下，在氮封阀正常使用时，罐底出料过程中，呼吸阀也不需要吸入空气，只有在氮封阀故障时，才会有吸入。

呼吸阀的呼出流量在考虑罐内液体汽化的同时，还要考虑氮封阀异常情况下不能正常关闭的流量，以避免罐内积压。

泄爆阀的设定

选择泄爆阀，除考虑最基本的泄放压力-泄爆温度-泄放量-计算泄放口径外，还需要考虑爆破片的形式，尽量选择爆破时不产生碎片，不产生火花的爆破片。同时需要选择爆破片的材质，确保不与罐内物料产生反应。推荐将泄爆阀的泄放口接出室外，并配以阻火器，避免二次事故。

罐内液位与温度的控制

使用温度及液位传感器监测罐内的温度与液位，确保罐内液体在搅拌或分散过程中，不会出现高温或高液位，避免异常事故。部分搅拌设备，因为搅拌轴过长或桨叶的机械设计问题，还不允许空罐搅拌，所以还需要避免低液位。

温度的测量通常采用热电偶类传感器。如果罐内液体太黏，与传感器接触会难以清洗，导致传感器不准，则需要考虑给传感器制造夹套，使用导热介质，对于测量精度要求不高的场合，也可以在夹套内设计弹簧片压接。

液位传感器的选型，应依据罐内液体特性及报警点的数量。可以与液体接触的，只设置1个报警点的，可选用音叉、浮球等液位开关。需要设置多个报警点的，如高液位、低液位和超高液位等，则需要选用可以输出模拟量的传感器，如压差式液位传感器、磁翻板液位传感器等。无法与液体接触的，需要使用超声波、管脚重量传感器等装置监测罐内液位或通过液体比重，换算罐内液位。

设备仪表的选型要点

微压氮封装置的特点

微压氮封装置宜使用大膜片并采用导向阀两级调节型式，便于微小压力的调节。

微压氮封阀主要由两个依次运行的独立阀门构成。由感应到的搅拌罐内压力控制导向阀 (A) 继而控制主阀 (B) 的开与关，主阀控制惰性气体供应流入搅拌罐内。导向阀的主要组件是压力感测室 (C) 和可以上下移动的压力平衡阀 (D)。主阀有一个可以移动以控制气体进入搅拌罐的活塞 (E)。

导向阀中感应到的压力，与距离氮封阀接口足够远的远程测感管 （F）相连，一般距离可设为600mm以上，这样阀门接口就不会受到进入罐内气流的影响。将感应到的罐内压力（J）引到测感隔膜 （K）下侧，这样压力会增加，而顶部气压（L） 和设定弹簧 （M） 会向下推。在罐内压力降到低于设定压力（由设定弹簧的初始压缩固定）时，连接到测感隔膜的限位（N）将向下推压力平衡阀，致使导向阀打开。压力平衡阀稍移1in，通过让气流经过两个阀座并流出导向阀排气装置 （O）空出顶部调节室。这样主阀中的活塞将打开以允许气体流入搅拌罐内。在顶部压力（P）与入口压力相等时，该活塞通常处于关闭状态，这是因为顶部压力处暴露的面积比入口压力处暴露的面积大。然而，顶部压力的大幅下降，会导致入口压力将活塞推开。进入搅拌罐的气流使罐内压力上升至高于设定压力时，将向上推动测感隔膜，以便限位和压力平衡阀上升（由压力平衡阀下面的弹簧压力作用）至压力平衡阀重新密封。在压力平衡阀重新密封时，顶部压力将重新上升到入口压力，并再次将活塞推动至关闭状态，从而关闭流向罐内的气流。

呼吸阀与阻火器的配套

呼吸阀宜与阻火器配套，避免罐内异常情况时，罐内产生的火星通过呼吸阀出口扩散到车间内。阻火器性能应符合GB 979规定，阻火层应选用在使用条件下耐腐蚀的不锈钢材料。阻火层内连接处的垫片应采用不燃性材料。

氧气分析仪器的选配

选择氧气分析仪的基本原则为：测量准确、便于取样、便于安装维护、不受环境及背景气体干扰等。

一般情况下检测气体要经过仪表取样系统的过滤、干燥和减压等环节处理，才能进入分析仪。本文中搅拌罐内为微正压，因此需要选配取样泵，抽取罐内的微压气体，压缩后送至仪器内部。需要考虑背景气体的干扰，如热磁式氧分仪与磁力机械式氧分仪存对含有NO和NO2等磁化率较高的气体检测不准。氧化锆氧分析仪对含有H2和CO等还原性气体敏感，会导致检测值偏低。

控制元件&仪表安全

在工艺安全设计中，控制元件和执行器及仪表的选型，须考虑如下因素。

故障安全设计。搅拌罐的进料及出料阀门采用自动或远程控制时，如罐内液体有毒有害，在紧急情况下，不能与外界接触，宜采用常闭型。当控制用气源或电源切断时，阀门处于关闭状态，避免紧急情况时罐内有毒有害液体流出。

冗余安全设计。在DCS系统中，通常采用冗余技术来获得系统的可用性，安全仪表系统也不例外。前文中提到了搅拌罐使用液位开关或液位计来监视罐内液位，但当罐内搅拌速度快，或产生高温高压时，会给液位测量带来误差。例如罐内液位传感器实测液位为4.0m，搅拌转速大于设定转速（例如500r/min），页面会产生较大波动，用于控制的液位输入按实测值增加给定值（例如0.2m）计算，最终为4.2m。

信号及故障报警，宜采用声光一体型，并且在现场及上位机旁同时设置报警。

遵循防爆标准，尽量使用Ex ia和Ex ib本质安全型仪表，正常工作状态下以及电路中存在一起故障时，电路元件不发生燃爆炸。在ia型电路中，工作电流被限制在100mA以下，适用于0区、1区和2区，在ib型电路中，工作电流被限制在150mA以下，适用于1区和2区。

小结

本文通过对搅拌罐上各项安全装置进行分析。重点简述了氮封装置设计、泄爆装置设计、安全仪表选型等，便于化工企业工艺设计及设备安装工作人员逐步掌握搅拌罐的PSM。