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石油化工厂火炬设计及运转操作的安全性(一)

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石 油化 工 厂 火 炬 设 计 及 运 转 操 作 的安 全 性 ( 一 02

( 国 化 州 院,o 中 石 兰 设计 7 o 3 印)
— 广


摘要 : 较详细地论述了火炬系统的流程 . 火炬头 的结构形 式与产生的噪声; 辐射热强度对 人体、 备 火焰 设 及材料 的危害; 火炬系统可能发生的危险事故及 原因, 在设计和运转操作方 面的预防措施 
关词!婪室 一堕 五 - ! 皇萼 茎 竺 油 
火炬是石油化工厂保障生产安全的一种设施。
虽然目前石油化工厂、 炼油厂在正常生产和事故状 态停车条件下, 工艺装置排放的可燃气体 ( 也称火炬 
炬 ” 。

停车排放 的可燃气体量较小时 , 可设置装置“ 内火 
气) 被集中输入总管 , 用气体储罐缓冲贮存, 经压缩 
机增压后送人燃料气管网, 回收用作燃料。但在重 大事故和火灾情况下, 需紧急排放大量低沸点的、 易 燃物料及可燃气体; 尤其是生产或加工烯烃的装置, 排放的液化烃 , 时不可能全部回收。其气体烃还 有 应送人火炬系统烧掉, 防止发生二次火灾、 爆炸。因 此, 对于石油化工厂、 炼油厂的设计还应设置火炬, 将不能 回收的多余可燃气体 送人火炬烧掉。所谓 “ 消灭火炬”是指在正常生产和一般事故停车时装 , 置排放的液态烃及可燃气体回收作燃料 。换言之, 此时不送人或送人火炬系统的处理量少 , 从外观看 火炬就无燃烧火焰或火焰小。所 以, 生产烯烃或加 工烯烃及液态烃的装置应设置火炬系统, 其火炬一 般布置在装置界区以外。如一个装置正常生产或开 
1 高槊火炬系统的流程 火炬系统的流程 不包括装置 内的火炬气 ( 可燃 
气体) 管道系统 , 仅仅是装置外的火炬气支总管道系 
统和火炬简体及有关设备的流程见 图 1 。火炬气总 管道系统可为一套或几套装置进出界区外的火炬气 管汇集成的系统 , 并在其管道的最低点有排液回收 设备 。一般说火炬系统主要是装置界区以外的火炬 
气管道系统和火炬简体。
11 火炬系统 . 火炬气从装置进出界区外进入火炬气 总管, 由 总管输送至火炬简体附近的分离罐

进行气液分离 , 分出夹带液体的火炬气通过防止回火的液封罐进入 火炬简体, 并流过简体上部的分子密封器在火炬头 部的燃烧器( 又称“ 火炬头”进行燃烧。分子密封器 ) 的结构见图 2 。火炬气在分离罐分出的烃类液体和 
收稿 日期 :98—1 —0 。 19 2 9 
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4 ? 8
石 油 化 工 设 计 
第1 6卷 
排水 
排水 
图 1 火炬系统流程简 图
液封罐沉降分出的烃类液体用泵送至 回收罐。分离 
法是常用电点火 , 电点火有在火炬上部发火和下部 发火两种 , 前者是脉冲点火器 , 直接安装在常明灯喷 嘴内点燃常明灯; 后者是下部发火, 较先进的点火方 式是火花塞发火 , 密闭传导火种到火炬头部点燃 常 明灯 。点火系统示意图见图 3 。
罐和液封罐内均设置蒸汽加热管 , 加热使液态烃等 
低沸点烃类液体汽化所需的热量 , 维持一定温度 , 防 止产生过低温度 , 避免低温冷脆破坏事故或使水结 冰, 不致发生堵塞设备及管道的事故。
脉 冲点火 器 常明灯 
上鄢发火?
下部发火 
圉 3 点火 系统示意 图 分子密封器之一 
13 液体烃的回收 . 火炬气支、 总管道如受地形的限制, 安装的管道 
有最低点时, 就会有液体烃积存在最低点处的问题。
因此, 在火炬气支、 总管道沿途低点处应设排液管, 将液体烃排入收集罐内用泵迭至 回收设施 。
图 2 分 子密封器示意 图
14 蒸汽消烟冷却系统 . 火炬气 的组成主要是烃类, 其完全燃烧的必要 条件之一要有充足的氧 。仅靠燃烧过程中由大气中 自然供氧是达不到完全燃烧的, 因此必须人工强制 
12 点火 系统 .
火炬必须设有点火系统以点燃火炬气。通常是 在火炬头设常明灯来点燃火炬气。点燃常明灯的方 
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胡景沧. 石油化工厂火炬 设计及运转操作 的安全性 ( 一)
.4 q.
补充氧。常用的方法是在火炬头向火炬气内喷人水 蒸汽。由于喷人水蒸汽提高了氧化程度 , 强化燃烧 , 减少甚至消除游离碳 , 这样起到了消烟的目的, 还能 起到冷却保护火炬头的作用。如果长时间停止喷人 水蒸汽则有可能烧毁火炬头。为使水蒸汽与火炬气 能充分混合并有较好的助燃 效果 , 一般除在火炬头 上部设有一圈蒸汽喷嘴外 , 在火炬头内腔里也须喷 人水蒸汽。其喷人蒸汽的结构形式及喷射 方式不 同, 产

生的雾化效果及噪声大小也有差异。
1s 氮气 系统 .
强度 。
21 辐射热强度计算的基本公式 . 火炬 的火焰辐射热强度、 辐射距离 , 应通过计算 确定。有关文献资料推荐的辐射热强度计算的基本 公式如下 :
q 盟
一 一
4r  ̄ X2
式中口 ——辐射热强度 , 4 16k/ eh × .88Jm ? Q——火炬气燃烧产生的总热量 , 41 6k/ × .88 J 1 1 e ——辐射 率 ( 辐射 热量与燃烧产生的总热量 之比率) % , X ——辐 射距 离 ( 焰 中心至 防护对 象 的距 火
离 )m ,
当火炬气的流量、 流速过小或意外事故造成火 炬的火焰熄灭时 , 大气 中的冷空气有可能进人火炬 头内腔, 并与火炬气混合达到爆炸极限范围 , 从而形 成爆炸气体 , 此时如遇明火或火炬头过热 , 即可引起 爆炸回火。为防止这类事故应保证火炬系统处于正 压工作状态 , 以避免出现负压情况 , 设计中除规定 了 火炬气的最小流量及流速外 , 还设有氨气系统及分 子密封器 , 以便在排放过程中补充一定流量的氨气, 积聚在分子密封器内( 图 2 , 见 )阻止空气进人火炬 头 内, 并将火炬气与空气隔开 , 以防止形成爆炸性混 合气体。同时也有利于维持火 炬气 的正压 工作状 态, 防止回火现象。
从上述基本公式分析 , 假设火炬气 的量及组成 不变时, 其燃烧产生的总热量( 可视为不变 , 值 Q) e 恒定 , 则辐射热强度( ) 口 与辐射距离( 的平方成反 X) 比的关系。此基本公式未直接涉及火炬高度 ( 、 H) 安全距离 ( 即火炬至周 围防护对象 的水平距离 R) 与辐射距离( 的关 系。 X) 22 辐射热对设备及一些材科的影响 .
石油化工厂的设备材质根据物料的物理化学性 
质和操作条件 , 一般选用碳钢、 合金钢。对有腐蚀性 
的物料选用耐腐蚀的不锈钢或碳钢 内村新耐腐蚀材 
2 高架火炬的火焰辐射热强度 火炬在燃烧过程中产生大量的热能。热能的传 
料。设备 的外表面涂防护漆 , 高温设备外有绝热材 
料的隔热层。在一定时间内很强的辐射热强度会使 有机物质着火 , 金属材料强度降低 。一些材料的极 限辐射热强度见表 1 。曾有研究者在一定时间内将 干杉木板与火花 ( 火源) 共存 , 实澜着火时的热强度 值为 20 × .88Jm ? , 50 4 16k/ 2h 但一般在热强度 4O 0O ×4 88 Jm .16 k/ 2?h 0 分 钟;或 者 70 × 、2 0

0 4 16k / 2h 8 .88Jm ?、分钟时为着火界限值 。为防止设 
递有 3 种方式 , 导、 即传 对流、 辐射。高架火炬 的火 
焰距地面有较高 的高度 , 通过导热性很差的空气 , 周 
围的防护对象得到的传导热量是很小的 ; 对流传热 
主要发生在火炬高度 以上的大气空间, 而在地面上 
的防护对象所得到的对流传热的热量也是很少的;
火炬周围的防护对象因受到热辐射会受到损伤。所 以, 由计算确定火炬与其周围的设备 、 建筑物、 构筑 物的安全距离时主要考虑辐射热对人体和设备的影 响, 并首先合理地确定对人体和设备的安全辐射热 
备材料强度的降低 , 油漆木材等可燃材料长时间接 
受较强的辐射热强度而着火。因此, 设备 、 建构筑物 至火炬应有一定 的安全距 离 , 否则应采取有效的防 
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护措施。
表 1 某些材料的极限辐射热 
材 料 辐射强 度( .88 I ah ×4 16 k / ) m 着火 点火 
3 裔架火炬头结构及其产生的噪声 火炬在燃烧过程中会产生较大的噪声 , 对环境 造成噪声污染。噪声的大小与火炬头的结构有关 , 在设计中应尽量选用结构合理 、 噪声较小的火炬头 , 以减轻对环境的污染。 31 噪声的声源 . 火炬燃烧过程中产生的噪声 , 声源主要是火炬 头, 一般认为是由燃烧火焰跳动的一种无规性 , 表现 为其能量以燃烧的噪声形式转放出来; 另一种是燃 烧过程中向火炬头喷人高速蒸汽的喷嘴而产生的噪 
声。
32 火炬头绪构与噪声的关系 . 火炬燃烧过程产生的噪声大小与火炬头结构型 式有较大的关系, 高架火炬 的火炬头结构有 四种类 
型 , 图 4 见 。
I型 
Ⅲ 型 

Ⅳ型 
囤 4 火炬头类型 
3 2 1 I、 . . Ⅱ型火炬 头 
3 2 2 Ⅲ型火炬 头 ..
在火炬头部设一环形蒸 汽管装上等距的喷嘴, 向其顶部排放出的火炬气喷人蒸汽, 以达到助燃 目 的, 这是一种最简单的火炬头结构称为 I 型火炬头。
Ⅱ型火炬 头 的结 构 是在 I型火 炬 头 基 础上 稍加 改 
Ⅲ型火炬头结构是综合 I Ⅱ型火炬头的蒸汽 、 喷嘴的设置, 除了火炬头的顶部及 内腔设置蒸汽喷 嘴外 , 并设有一个喷射蒸汽的喷嘴以吸人一次空气 , 这样就可以将蒸汽与空气混合后进人火焰燃烧区。 这种 Ⅲ型火炬头较先进 , 如燕山石化公

司化工一厂 的火炬, 上海石化总厂化工一厂的火炬等引进装置 
的火 炬大多是 Ⅲ型火炬头 , 生 的噪声 比 I、 其产 Ⅱ型 火炬 头要小些 。 3 23 Ⅳ受火 炬头 ..
进, 是在火炬头内腔中设有蒸汽喷嘴。 I、 两种类 Ⅱ 型的火炬头结构 , 均靠喷人蒸汽的搅动作用 , 将空气 卷人燃烧区。当火炬气排放量较大时, 相应的喷人 
较多 量的蒸 汽 , 因而产生 的噪声 较大 , 尤其是 I型火 
炬头外部喷嘴产生的噪声要 比Ⅱ型的大。
, 
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j ;
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5 1?
Ⅳ型火炬头是一种应用“ 附壁效应”C a ) ( o ̄ 的 喷射蒸汽来吸人空气的独特结构 , 见图 5 。所谓“ 附 壁效应 ” 是蒸汽从细缝中喷出汽流在转向旋涡处成 负压 , 改变蒸汽流向后进入类似文丘里管状的喷嘴, 喷嘴成组地装在火炬头 内周围。由于形成负压可吸 
汽用量 , 又能提高燃烧效率。由于不在火炬头外部设 
有蒸汽喷嘴则产生的噪声比其它类型的火炬头要小。
辽 阳石 油4. 司 1 g ̄公 - 号火炬是 引进 的Ⅳ型火炬 
头, 从国内石油化工厂几个大型火炬的运行情况看, 认为Ⅳ型火炬头的噪声 比较小的说法 , 尚没有实测 
人大量的空气与蒸汽相混合后喷送到火焰燃烧区。
Ⅳ型火炬头结构可使蒸汽、 空气、 火炬气在燃烧前就 
数据。但国外有关资料介绍 , 采用“ 附壁效应” 结构 
的Ⅳ型火炬头所产生的噪声可减少 1d A左右, 0B 见 
。 混合得较均匀 , 能有效地使用蒸汽, 从而既能节约蒸 表 2 
国 5 附壁效应 
衰 2 火炬头结构型 式与噪声 的关 系 
41 火炬 系统的安全 设计 应考虑 的问题 .
() 1按可能发生各种事故停车、 火灾等情况 , 取 其中最大的可燃性气体及蒸气排放量, 确定为火炬 系统的最大处理能力。 () 2 装置泄放排人火炬系统的可燃性、 毒性的气 
4 火炬 系统设计 和运转操作 的安 全 
体及蒸气 , 可参照表 3中的状态条件来确定。但禁 止将液态烃 、 重质烃液体、 腐蚀性液体 , 以及空气 、 富 氧气排人火炬系统。 () 3 如果装置发生火灾、 爆炸 的重大灾害时 , 必 须向火炬系统排放少量液态烃应在装置内设置加热 汽化、 分离系统的设备。 () 4 选用带分子密封器的先进结构型式的火炬 
在尚没有引进石

化装置及其火炬 以前, 国内有 的中小型炼油厂、 石化厂的小型火炬 曾发生过火炬 头上部火焰下“ 雨” 火 的事 故,火 雨” 散距离 约 “ 扩 10m左右。但引进装置的几座大火炬和国产化设 0 计的大火炬运转至今未发生过下“ 火雨” 。但曾发生 过因工艺装置的操作有误 , 在紧急事故状态下将碳 三馏分液体排进火炬管道系统 , 造成装置外的火炬 
头, 以提高燃烧效率 , 降低噪声, 防止火炬形成负压 
回火爆炸, 减少环境污染。
总管受低温应力 的作用 , 管道的法兰焊缝被拉裂 , 管 架拉斜 , 泄漏出大量可燃气体 , 由于在可燃气体扩散 
区域内及时采取禁止一切火源的措施 , 因而没有发 
生火灾 。
() 5 合理地计算 : 一旦有液态烃排人火炬系统的 
火炬气管道 内和环境温度在零下 的最低温度 , 且能 产生过大应力而造成金属管道的低温冷脆性破坏。
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因此 , 应选用合适的管道材质 , 并采取消除局部应力
过 大的措 施 。
及事故处理安全规程。 42 1 火炬气管道的低温冷脆破坏事故 .. 国内外有的炼油厂、 石油化工厂曾发生过液态 烃进入火炬系统 , 使火炬气管道产生低温冷脆破坏 事故。美国路易斯安那州一个炼油厂的一条直径 8 英寸火炬管道发生冷脆性破坏 , 泄漏出的油气持续 了 1 时之多的时间, 小 扩散距离约 6m范 围, 0 幸亏 扩散的油气未遇明火而没有发生火灾。发生低温冷 脆性破坏 的主要原因是火炬系统的火炬气管道中偶 
() 6 火炬简体应有足够的高度 , 其火焰辐射热对 周围的人体和设备等防护对象应是安全的。因此 , 应合理确定安全的辐射热强度 , 并通过计算确定火 炬的水平安全距离。
裹 3 工艺装置泄放气体及蒸气 的基本方式 
序 号
物和 态 质 状 
要簧 金 盎 羹 藉囊 蓁
然进入了 液态烃 , 汽化产生 的低温效应 , 使管道 
内温度突然降低至零下几十度 , 同时产生了很大 并 应力的冲击作用 , 造成 了火炬气管道的低温冷脆性 破坏。 液态烃进入火炬系统的火炬气管道 , 其原 因是相当复杂的, 一般认为是 由于在装置发生事故 状态下进行紧急排放液态烃 的程序或操作有误 , 或 液态烃储罐的液位控制失灵 , 满罐溢流人火炬气管 
道。
4 22 火炬气管道设计应考虑的问题 .. 生产烯烃及其加工装置 , 、 、 液态烃加工

q 装置( M B 、 如 T E 烷基化装置等) 在发生事故状况下 应有处理事故的操作规程, 严禁将液态烃( c 、 } Q、 3c 馏分) 排人火炬系统 的火炬气管道。火炬 系统 的火 炬气管道设计应考虑如下问题 : () 1无论是为一个工艺装置服务的专用火炬系 统或为几个工艺装置服务的公用性火炬系统 , 在任 
何事故情况下都严禁将 液态烃、 重质烃及高沸点的 
注: 所谓 可凝性, 是指在大气 的强度 、 压力下有 5 %睁凝的物质。 0
可燃液体 , 腐蚀性物料 、 空气、 富氧气及水蒸汽排人 
火炬 系统 。 c
42 火炬系统可能发生的事故及预防 . 火炬系统可能发生的危险事故, 如火炬简体内 部爆炸带出重质烃液体 ,下火雨”局部低温凝固堵 “ 、 塞, 火炬气管道的低温冷脆性破坏及检修作业时引
() 2对烯烃装置和液态烃储罐区有时在 自控仪 
表失灵或重大火灾事故 时, 需紧急排放设备与储罐 
内的液态烃 , 一旦有可能将液化烃排人火炬系统 . 应 在装置或储罐区内设有蒸发器和分离罐系统, 将蒸 发分离出液体后的气相烃排人火炬系统。 () 3火炬系统的火炬气管道材质须考虑一旦有 
发的危险。为防止上述危险事故而引发的灾害, 对 
火炬系统的设计应安全可靠、 经济合理 , 运转操作也 应科学管理, 严格执行运转操作和检修作业的规 程 
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.5 . 3 
可能将 液态烃排入火炬气管道内, 由于汽化突然 有可能使空气渗入火炬气管道内形成爆炸性混合气 降低温度至一3 ~一 0 , 0 4 ℃ 同时产生过太的应力 和 冲击力 , 造成管道的低温冷脆性破坏。因此 , 要选用 具有一定冲击强度 的金属材质 , 管道的各种焊缝质 量应符合有关标准的要求 。 () 4火炬气管道应在地面上架空敷设 , 根据管道 的实际布置和可能 降至最低温度的条件, 进行管道 体, 流向火炬顶部遇火焰发生爆炸 ; 以致于破坏了水 封罐之后可能出现第二次爆炸, 但若在水封罐的破 坏开口处( 爆破片处) 泄放压力而不会有破坏性的损 害。预防空气进入火炬系统的措施 : () 1火炬系统的设计应尽量减少火炬气管道的 法兰连接数量和焊缝数量 。在运转操作上也应消除 空气进入火炬系统。 () 2 当与火炬系统有连接 的装置或储罐需要维 修时, 如果火炬气流量很小有可能形

成 负压而渗入 空气, 可将一定量的燃料气补加入火炬系统。 () 3在火炬系统检修期间, 空气进入系统内也会 导致爆炸的危险。若用空气吹扫火炬系统时 , 必须 熄灭火炬的火焰 常明灯及锁闭电点火系统。 ()1 4  ̄果火炬气中含有一定量的硫化氢 , 在管道 中可能会生成并析 出硫化铁 ; 在检修时它与空气接 触可成为一种引燃源。当氨与硫化氢同时存在的条 件下, 特别是存在微量水分的情况下 , 生成 自 燃性化 合物的可能性最大。但有酸性气体存在的条件下 , 硫化铁引燃着火的危险性则会相应地降低。因此 , 氨气不宜排入有硫化氢的火炬气管道。 () 5在点燃火炬前或允许空气进入火炬系统前 , 都必须用蒸汽吹扫火炬系统。国外某炼油厂大型球 罐, 虽已与火炬系统隔绝, 但由于火炬点火前未用蒸 汽吹扫, 在点火时发生爆炸 , 破坏 了一个新建 的火 
炬。
应力的计算分析 , 可通过改变固定管道的位置和增 
设补偿器, 防止产生应力过太而造成管道焊缝的低 温冷脆性破坏或管架被拉斜的事故。 () 5火炬气管道发生低温冷脆性破坏的主要 因
素。
①操作温度突然降至摄氏零下几十度 , 并低 于 管道金属材料从塑性状态转变为脆性状态的过渡温 
度。
②由于温度骤 降至低温而产生一定的应力 , 这 

应力一般低于相应于最大允许工作压力的应力。 ③选用管道的材料不合理, 管道上的焊缝不合 
格, 有裂痕或裂纹。
国外有关 研究 者关 于低 温冷脆 性破 坏的研究 结 
果, 目前尚不能充分确定所 推荐 的最大安全应力。 但是 已有的资料表 明, 如果应力控制在 40 6 2 ~50 l / n 之间, 【 d2 g 则可减小低温冷脆性破坏的危险性。 火炬系统的火炬气管道的设计和运转操作 , 如果能 消除上述三个因素之一 , 就能预防低温冷脆性破坏 
的发生 。 423 火炬 内部爆炸的预 防措施 ..
在火炬系统内部由于进入空气可能形成爆炸性 混合气体或易燃混合物而引起爆炸或着火。火炬系 统流程( 见图 1 中设有气液分离罐、 ) 水封罐及其蒸 汽加热管 ; 火炬头设置氮气系统的分子密封器; 基本 能预防火炬气带出液体烃“ 下火雨” 回火爆炸及 防 、 止负压时空气进入火炬头形成爆炸性混合气体。当
5 结语 
火炬系统的设计、 运转操作及检查作业过程中 都应重视其安全性。预防发生危险事故而造成生命 和财产的损害。以上论述了

火炬系统可能发生的危 险事故的因素、 灾害及预防措施, 并列举了国内外发 
( 下转 第 6 2百)
火炬气流量显著减少时会造成真空或其它现象 , 就 
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计》 编委会 , 及时解决办刊中出现的问题和提出新的 要求 , 使刊物越办越好。 () 6 近几年, 中心站各成员单位 的技术委员和联 络员因种种原 因变动很大, 为了使中心站的活动正 常开展 , 需要重新确认编委会委员 、 技术委员及联络 
员的人选 。希 望各单位 在收到确认 表两周 内将表填 
设备数据库》 很感兴趣 , 希望能了解该数据库的内容 及性能。秘书处决定在近期将数据库的简介和样页 发送给大家, 希望大家提出意见。 () 9本次会议决定 , 20 年 l 月上旬在镇海 于 00 0 召开中心站年会 ( 技术交流会 )并 同时召开中心站 ,
技术委员 会暨联络员会 议 。
好, 加盖公章后寄到中心站。 () 7为了加强对各成员单位的信息服务 , 秘书处 
(0 会议决定 , 19 1) 自 99年开始, 中心站各成员 单位每年交纳活动经费 10 元 , 19 00 因 98年未收活 动经费(0 元)所以 19 60 , 99年各单位共需交纳活动 经费 10 元。交费通知将在近期发出。 60
将建立综合信息网, 内容包括工程建设信息、 科研信 
息和专利信息 , 全年入 网费为 50 0 元 () 8在会上大多数代表对中心站于 19 年完成 95 并通过鉴定的《 中国石油化工总公司引进装置非标 
中国石化集团公司设计情报中心站 
( 上接 第 5 3页)
生的危险事故, 力求说明如何通过合理 的安全可靠 的设计和编制严格的操作规程及检修作业规程, 使 由危险事故而引发的灾害减至最低程度 。 火炬系统的设计人员和操作人员不能忽视气相 
的知识 , 但若能加深设计人员和操作人员对火炬系
统特有的危险性的认识 , 以使设计更加合理 , 运转操 作更加安全, 就可使危险事故降至最低限度。
参 考 文 献 
或液相的物质进入火炬系统。设计人员应认真判定 进入火炬系统的物质及其相态; 运转操作应遵循严 密合理的操作规程 , 并禁止向火炬系统排放设计未 考虑的任何物质。本文所论及的内容可能没有新鲜 
l [ 难波桂纺编 . 日) 化工厂安全工程 .9 5年 17 2 【 查尔斯 ? 弗瓦林著 石油 化工厂防火手册,9 3年 英) H? 17
3 [

] 希芬列依著 . 气淋浴的设计与使用,95 俄 M? 空 15 年

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