多組分液體容器安全閥外部火災工況下釋放量的計算

羅 娜嘉科工程上海有限公司 上海200122

安全閥是石油化工行業(yè)安全系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)計時都常會在容器或管道的必要位置設(shè)置安全閥以防系統(tǒng)壓力超過容器或管道的設(shè)計壓力而發(fā)生事故。對安全閥超壓工況的分析、計算是安全設(shè)計任務(wù)的重要組成部分，火災工況超壓是其最常見工況之一。

多組分液體火災工況下泄放量的確定是工程計算中的難題。外部火災情況下對于物質(zhì)釋放壓力小于其熱力學臨界壓力的，當為單一物質(zhì)時如水，含液體容器暴露于火焰使得容器物料被加熱、汽化，溫度增大至釋放壓力對應飽和溫度下沸騰汽化，溫度不再變化，產(chǎn)生蒸汽速率為容器吸收的熱量除以該物質(zhì)釋放壓力下的汽化潛熱;對于多組分液體來說，尤其是寬沸點范圍的多元混合物，在容器受熱溫度升高過程中，首先蒸發(fā)出來的是低沸點組分，低沸點汽化完后，液相溫度繼續(xù)升高，更高沸點的組分汽化，隨著系統(tǒng)中蒸汽的泄放，蒸汽和液體的組成是變化的，溫度和潛熱也在變化，泄放壓力為設(shè)定壓力加上累積壓力。蒸汽的最大泄放量不僅取決于吸熱率，也取決于容器中各組分的實際組成。對多組分的計算，在API 521中簡單地提到過，但不夠具體，本文基于API 521和設(shè)計經(jīng)驗介紹一種針對多組分液體的精確計算方法，希望能為相關(guān)設(shè)計者提供參考。

1 安全閥釋放量基本算法［1］

根據(jù)API 521，當容器液體吸熱汽化且釋放壓力小于其熱力學臨界壓力時，安全閥釋放量基本算法可按公式(1)計算。式中，Q為潤濕表面總吸熱量(吸入)，kJ/h;Hvop為釋放壓力下汽化潛熱，kJ/kg;W為氣體釋放量，kg/h。

2 容器中液相物料的總吸熱量［1］［2］

2.1 吸熱量計算

計算釋放量首先要計算容器液相的總吸熱率，暴露于明火中的容器，其熱吸收量主要受著火燃料類型、火焰包圍程度(與容器大小和形狀有關(guān))以及防火措施的影響。

根據(jù)API 521及GB 150中規(guī)定，對于那些有具體有效的滅火措施和容器有易燃物排放系統(tǒng)的情況下可按公式(2)計算。

式中，Q為潤濕表面總吸熱量(吸入)，kJ/h;F為環(huán)境系數(shù)，常見工況環(huán)境系數(shù)見表1;A為總潤濕面積，m2，常見設(shè)備潤濕面積見表2。

如果沒有適當?shù)呐欧畔到y(tǒng)和消防設(shè)備應按公式(3)計算。

2.2 環(huán)境系數(shù)

容器外設(shè)施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用環(huán)境系數(shù)反應其對傳熱的影響，根據(jù)API 521及GB 150，工程設(shè)計中環(huán)境系數(shù)F一般取值見表1。

2.3 潤濕面積

容器液面之下的面積統(tǒng)稱為潤濕面積，火災情況只考慮可以傳熱的潤濕面積。結(jié)合API 521及GB 150，火災工況下常見設(shè)備的潤濕面積見表2。

表1 常見工況環(huán)境系數(shù)取值

表2 火災工況下常見設(shè)備潤濕面積

3 多組分汽化潛熱和連續(xù)閃蒸方法［1］［2］

3.1 多組分汽化潛熱值

計算釋放量在知道外部火災容器總的吸收量后需要知道釋放壓力下的汽化潛熱，對于單組份液體，外部火災情況下容器液體吸熱至釋放壓力下組分對應泡點溫度開始蒸發(fā)，液相溫度不再變化，總吸熱量全部用來汽化液體，其汽化潛熱值可直接從Aspen Hysys或其他資料庫中查出;而混合物加熱時在釋放壓力下低沸點的組份先蒸出，這時會有個初沸點，高沸點的組份最后蒸出，這時有個最后沸點，蒸發(fā)過程中液相溫度、氣相組份及汽化潛熱都在隨時間變化，液相達到初沸點后，總吸熱量不僅用于汽化液體，還用于未蒸發(fā)液相的升溫及克服混合效應(分離出輕組份所要吸收的熱量)，因此對于寬沸點混合物來說，公式(1)中計算釋放量的汽化潛熱應包含汽化液體、液相升溫及克服混合效應所吸熱量總和;而對于多組分液體，目前國內(nèi)的設(shè)計中常用的汽化潛熱取值方法及特點見表3。

表3 常見混合物汽化潛熱取值及問題

工程設(shè)計中對于窄沸點性質(zhì)相近混合物，可以近似認為液相溫度無變化，忽略混合效應，其汽化潛熱計算可按公式(4)或(5)計算或軟件模擬獲得。

式中，Wi為釋放壓力、溫度下混合液對應飽和蒸汽中i組份質(zhì)量百分比;Hvopi為釋放壓力、溫度下i組份汽化潛熱，kJ/kg。

式中，HL為釋放壓力、溫度下液相焓，kJ/kg;HV為釋放壓力、溫度下氣相焓，kJ/kg。

寬沸點混合物不能簡單的利用公式(4)或(5)計算。對于寬沸點混合物，釋放壓力下蒸發(fā)時液相溫度在一直變化，從液相溫度達到初沸點到終沸點過程中可劃分為若干微元瞬間段，其瞬時汽化潛熱是以蒸發(fā)氣相微量所需的吸熱量除以該蒸發(fā)的氣相微量，表達式為公式(6)。

式中，dQ為蒸發(fā)的氣相微量所需的吸熱量，kJ;dV為蒸發(fā)的氣相微量，kg。

可通過多級連續(xù)閃蒸方法達到劃分初沸點到終沸點為若干微元瞬時段目的，從而計算出每級每段各參數(shù)。

3.2 多級連續(xù)閃蒸方法計算釋放量

3.2.1 模型的建立

根據(jù)以上多組分汽化特征原理及公式(6)可以建立精確的多級連續(xù)閃蒸方法來計算混合物汽化潛熱，也可通過Aspen等軟件模擬該混合物在釋放壓力下多級閃蒸，開始為容器正常條件下液相混合物，加熱液相至初沸點溫度T0，然后在釋放壓力Pr下進行逐級閃蒸，每一級閃蒸都要吸收足夠的熱量以蒸出相同的氣相量(如5%液相原始總量)，用Aspen等模擬軟件根據(jù)物料、熱量平衡原理自動計算每級閃蒸的吸熱量也可以手動計算輸入吸熱量，除非出現(xiàn)閃蒸溫度大于容器材質(zhì)開始破裂溫度情況(如碳鋼API521建議極限溫度593℃，工程經(jīng)驗一般推薦認為400℃碳鋼開始破裂)停止閃蒸，否則逐級閃蒸至所有液體都蒸發(fā)完，見圖1，其中氣體閃蒸量V1=V2=…=V20。閃蒸級數(shù)越多每次閃蒸出氣相越少，汽化潛熱計算越精確，設(shè)計時可根據(jù)組分性質(zhì)及沸點窄寬適當調(diào)整每次釋放的氣相量如窄沸點混合物可減少級數(shù)、純物質(zhì)可以是一級等。

圖1 多級閃蒸方法模型

3.2.2 各級汽化潛熱的計算

根據(jù)公式(6)及微元概念，則每級的潛熱值(注意Q0為加熱至初沸點的顯熱，無需計算)為:

從而計算出各級閃蒸的潛熱值，但這里并不能根據(jù)釋放量計算公式(1)選用最小的汽化潛熱值作為計算最大釋放量的潛熱值，因為每級的氣體組分分子量、溫度等也影響所需泄放面積［3］，因此最小汽化潛熱所需泄放面積并不一定是最大值，需要根據(jù)每級閃蒸時所需的最大泄放面積再確定用于釋放量計算的潛熱值及安全閥口徑大小及計算的氣體分子量、壓縮因子及釋放壓力。

3.2.3 各級所需有效泄放表征面積的計算

根據(jù)API 520 Part1［3］氣體泄放面積計算公式，可以看出無論釋放氣體是臨界流還是亞臨界流，其安全閥所需泄放面積都正比于W(ZT/M)1/2即

式中，Z為釋放條件下氣體壓縮因子;T為氣體釋放溫度，℃;M為釋放條件下氣體分子量。

根據(jù)公式(1)，則泄放面積A∞(1/Hvop)(ZT/M)1/2，現(xiàn)定義:

式中，A＇為定義的安全閥有效泄放表征面積，表示安全閥所需泄放面積的大小(不是所需泄放面積)。

按公式(8)計算各級閃蒸對應條件下的A＇。

3.2.4 釋放量的計算及安全閥泄放面積計算中工藝參數(shù)的確定

A＇最大意味著該級泄放所需有效泄放面積A越大，同樣條件下的釋放量越大，因此找出各級閃蒸A＇中最大值，并找出該最大值所對應的Hvop、Z、T、M，通過公式(1)計算釋放量并選擇安全閥大小。

4 結(jié)語

多組分液體容器外部火災工況安全閥釋放量計算不像單組份那么簡單，尤其是寬沸點混合物如石油、原油等。本文推薦的連續(xù)多級閃蒸方法可以相對精確的計算出該復雜工況下安全閥泄放量及所需有效泄放面積，提高安全閥計算的準確性和安全性，該方法在國外同行中廣泛使用，其過程計算步驟看似繁瑣，但在目前計算軟件的支持下其實很簡單，比如計算各級汽化潛熱和表征面積時，只需在excell或其他工具中輸一個簡單的公式程序便很快可以計算出結(jié)果。

需要注意的是該方法不考慮容器外部加熱高于容器材質(zhì)破裂溫度之上的情況，因為此時容器損壞不是因為超壓而是超溫。如果安全閥不是安裝在最高點，氣相蒸出時需要先推出相同體積的液體，此時安全閥大小計算時需要以排出相同氣體體積的液體計算。另外該方法暫不適用釋放壓力大于其超臨界壓力的工況，因為超臨界工況下的物質(zhì)狀態(tài)變化完全不同于本文所述狀態(tài)變化，有興趣或工作遇到該情況的可從參考文獻4、5、6、7等中獲得更多的信息。

1 Pressure－relieving and depressuring system.ANSI/API standard 521 fifth edition，January，2007.

2 GB 150.1－2011，壓力容器 ［S］.

3 Sizing，Selection，and installation of pressure－relieving devices in Refineries.Part1－sizing and selection.API standard 520 eighth edition，December 2008.

4 J.O.FRANCIS and W.E.SHACKELTON，A Calculation of Relieving Requirements in the Critical Region，1985 Proceedings－Refining Department，Volume 64，American Petroleum Institute，pp.179－182.

5 Ouderkirk，R.，“Rigorously Size Relief Valves for Supercritical Fluids，”Chemical Engineering Progress，August 2002.

6 Freeman，S.，and D.Huyen，“Calculation of Relief Rate Due toFluidExpansionandExternalHeat，”APISummer Meeting，2010.

7 Nezami，P.L.，and Price，J.，“Fine－tune relief calculations for supercritical fluids，”Hydrocarbon Processing，June 2012.