多組分濕壁容器火災(zāi)工況安全閥泄放量計(jì)算

張懷生

(上海浦景化工技術(shù)股份有限公司，上海 201102)

有關(guān)濕壁容器火災(zāi)工況下安全閥泄放量計(jì)算，API520-2014、GB150-2011、HG/T 20570.2-95、SY/T10043-2002、SY/T10044-2002均有相關(guān)設(shè)計(jì)說(shuō)明及計(jì)算公式[1-4]，但主要是針對(duì)單組份系統(tǒng)，對(duì)于多組分復(fù)雜系統(tǒng)僅是定性概述，沒(méi)有給出可操作的計(jì)算程序及相關(guān)計(jì)算公式。火災(zāi)工況下，安全閥泄放量與泄放氣體的汽化潛熱有關(guān)，多組分液體系統(tǒng)安全閥泄放量計(jì)算難點(diǎn)在于泄放氣體的汽化潛熱是不斷變化的，且泄放的質(zhì)量流量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的泄放面積不一定最大，因此很難確定泄放量的設(shè)計(jì)值。本文提出了一種多組分濕壁容器火災(zāi)工況安全閥泄放量計(jì)算方法，該方法是基于泄放面積最大原則、多組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割閃蒸方法來(lái)確定安全閥泄放量的設(shè)計(jì)值，其計(jì)算的泄放面積與動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果很接近，因此可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，解決了多組分濕壁容器火災(zāi)工況安全閥泄放量計(jì)算難題。

1 計(jì)算原則

1.1 蒸餾泄放過(guò)程

多組分濕壁容器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，先加熱容器內(nèi)的液體混合物至泡點(diǎn)，此過(guò)程吸收的熱量為顯熱，占總吸收熱量較少，可忽略不計(jì)；然后輕組分?jǐn)y帶部分重組分吸熱汽化蒸出，當(dāng)容器內(nèi)的壓力達(dá)到安全閥設(shè)定壓力時(shí)，安全閥開(kāi)始起跳，泄放氣體以免容器因?yàn)槌瑝憾鴵p壞；隨著液體吸熱汽化的進(jìn)行，容器內(nèi)的輕組分含量逐漸減少，以重組分為主的液體開(kāi)始吸熱汽化，直至液體蒸發(fā)殆盡，此即為多組分濕壁容器液體連續(xù)蒸餾的安全閥泄放過(guò)程。

1.2 泄放面積最大原則

火災(zāi)工況下，濕壁容器安全閥泄放量按(1)式計(jì)算。臨界流動(dòng)狀態(tài)泄放面積按(2)式計(jì)算，亞臨界流動(dòng)狀態(tài)泄放面積按(3)式計(jì)算。臨界流動(dòng)判定條件按(4)式計(jì)算。

式中：W-安全閥泄放量，kg/h； Q-濕壁容器吸收總熱量，kJ/h；

HV-汽化潛熱，kJ/kg； C-泄放氣體特性系數(shù)；

Pf-泄放壓力(絕壓)，包括設(shè)定壓力和超壓兩部分，MPa；

Z-泄放氣體壓縮系數(shù)； Tf-泄放溫度，K；

M-泄放氣體分子量，kg/kmol；K-安全閥泄放系數(shù)；

k-泄放氣體絕熱指數(shù)； Pb-安全閥出口背壓(絕壓)，MPa；

對(duì)于單組分液體，泄放氣體的潛熱、特性系數(shù)、分子量、絕熱指數(shù)、泄放溫度為恒定值，安全閥泄放量很容易確定。對(duì)于多組分液體，蒸發(fā)過(guò)程中泄放氣體的潛熱、特性系數(shù)、分子量、絕熱指數(shù)、泄放溫度隨蒸餾過(guò)程變化，某時(shí)刻汽化潛熱最小，由式(1)可知對(duì)應(yīng)的泄放氣體質(zhì)量流量最大，而由式(3)、(4)可知，泄放面積還與泄放溫度、氣體分子量、絕熱指數(shù)及壓縮系數(shù)有關(guān)，對(duì)應(yīng)的泄放面積不一定最大。若以泄放氣體最大質(zhì)量流量設(shè)計(jì)安全閥，則有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全閥泄放面積偏小，從而保護(hù)不了設(shè)備，因此從安全角度考慮，應(yīng)以最大泄放面積對(duì)應(yīng)的泄放量作為安全閥設(shè)計(jì)依據(jù)，此即為泄放面積最大原則。

1.3 組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割方法

多組分濕壁容器火災(zāi)工況為多組分液體的蒸餾過(guò)程，泄放氣體的汽化潛熱、分子量、絕熱指數(shù)、壓縮系數(shù)及泄放溫度隨過(guò)程變化而難以確定。本文采用多級(jí)等壓閃蒸過(guò)程近似模擬液體的連續(xù)蒸餾過(guò)程，級(jí)數(shù)越多越接近實(shí)際蒸餾過(guò)程，當(dāng)閃蒸級(jí)數(shù)接近無(wú)窮大時(shí)，每級(jí)閃蒸溫差很小，閃蒸吸收顯熱可忽略不計(jì)，閃蒸吸收總熱量近似等于閃蒸氣的潛熱，因此每級(jí)閃蒸氣的汽化潛熱可用每級(jí)閃蒸吸收熱量除以每級(jí)閃蒸氣的質(zhì)量流量近似求得。但是級(jí)數(shù)越多，設(shè)計(jì)計(jì)算工作量越大，因此需合理設(shè)計(jì)閃蒸級(jí)數(shù)。為避免閃蒸溫差太大導(dǎo)致相鄰兩級(jí)閃蒸氣組成突變及汽化潛熱計(jì)算精度太差，本文提出設(shè)計(jì)閃蒸級(jí)數(shù)依據(jù)組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割方法。

組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割分兩步，第一步以較大溫差等分閃蒸溫度區(qū)間，初步篩選出最大泄放面積對(duì)應(yīng)的閃蒸溫度區(qū)間，第二步在篩選的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，以較小閃蒸溫差在篩選的溫度區(qū)間等分插入閃蒸點(diǎn)，計(jì)算最大泄放面積對(duì)應(yīng)的閃蒸溫度區(qū)間，重復(fù)此步驟，直至閃蒸溫差小于設(shè)定值，計(jì)算出的最大泄放面積對(duì)應(yīng)閃蒸點(diǎn)泄放量即為安全閥火災(zāi)工況設(shè)計(jì)泄放量。其詳細(xì)計(jì)算過(guò)程為第一步首先計(jì)算進(jìn)料混合物泡點(diǎn)、各組分沸點(diǎn)、組分間共沸點(diǎn)，以進(jìn)料混合物泡點(diǎn)為最低溫度點(diǎn)，沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)中的最高者為最高溫度點(diǎn)，在此最低與最高溫度區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)各沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)做升序排列，以各沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)為基本閃蒸點(diǎn)，其次在相鄰閃蒸溫度點(diǎn)間等分插入不少于2個(gè)閃蒸點(diǎn)，使相鄰兩閃蒸點(diǎn)溫差不超過(guò)5℃(在不致汽化潛熱計(jì)算精度下降太大情況下，可適當(dāng)提高相鄰閃蒸點(diǎn)溫差)，組成閃蒸系列一，計(jì)算并篩選出最大泄放面積對(duì)應(yīng)的閃蒸溫度區(qū)間；第二步在篩選的閃蒸溫度區(qū)間內(nèi)等分插入不少于4個(gè)閃蒸點(diǎn)，組成閃蒸系列二，計(jì)算并篩選出最大泄放面積對(duì)應(yīng)的閃蒸溫度區(qū)間，重復(fù)以上步驟，直至閃蒸溫差不大于0.5℃，計(jì)算出的最大泄放面積對(duì)應(yīng)閃蒸點(diǎn)泄放量即為安全閥火災(zāi)工況設(shè)計(jì)泄放量。

2 實(shí)例分析

某裝置一立式容器，直徑1500 mm，最高液位2000 mm，設(shè)備不保溫，容器內(nèi)盛裝多組分雜醇液體，雜醇組成及安全閥設(shè)定壓力如表1所示，安全閥背壓為0.03 MPaG，需計(jì)算火災(zāi)工況下安全閥泄放量。

表1 雜醇組成、安全閥設(shè)定壓力及允許超壓

2.1 組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割

表2 泄放壓力下沸點(diǎn)、共沸點(diǎn)、混合物泡點(diǎn)

根據(jù)表2泄放壓力下各組分沸點(diǎn)、共沸點(diǎn)、液體混合物的泡點(diǎn)，按“組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割方法”對(duì)雜醇混合物進(jìn)行閃蒸切割。從表3、4閃蒸計(jì)算結(jié)果可以看出，總共有兩個(gè)閃蒸系列，其中系列一閃蒸級(jí)數(shù)為15級(jí)，閃蒸溫差最大不超過(guò)2.3℃，終餾點(diǎn)153.4℃，低于水及丁醇沸點(diǎn)，這是由于丁醇含量相對(duì)較少，同時(shí)丁醇與水存在最低共沸點(diǎn)，系列二閃蒸級(jí)數(shù)為5級(jí)，閃蒸溫差為0.4℃，由于系列二閃蒸溫差已小于設(shè)定值0.5℃，因此不必再增加閃蒸系列。

2.2 計(jì)算泄放面積

從表3、4結(jié)果可以看出，安全閥背壓均小于臨界壓力，因此安全閥均在臨界狀態(tài)下泄放。火災(zāi)工況吸收總熱量1604212.6 kJ/h。表三閃蒸系列一計(jì)算結(jié)果表明，泄放量大并不一定對(duì)應(yīng)泄放面積大。從表3可篩選出最大泄放面積對(duì)應(yīng)的閃蒸溫度區(qū)間為130.6～132.7℃，表四最大泄放面積對(duì)應(yīng)的閃蒸溫度為131℃。

表3 閃蒸系列一計(jì)算結(jié)果

表4 閃蒸系列二計(jì)算結(jié)果

2.3 設(shè)計(jì)泄放量

設(shè)計(jì)泄放量應(yīng)從末級(jí)閃蒸系列計(jì)算結(jié)果中篩選，為最大泄放面積下泄放量，本文閃蒸系列二為末級(jí)閃蒸系列，從計(jì)算結(jié)果中可以看出設(shè)計(jì)泄放量為1243.2 kg/h。

2.4 結(jié)果與討論

圖1比較了按不同組分閃蒸汽化計(jì)算的泄放面積，由圖可知采用多級(jí)閃蒸法計(jì)算的泄放面積與動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果很接近，這是由于逐級(jí)閃蒸法近似模擬了火災(zāi)工況下液體的蒸餾過(guò)程，因此在工程設(shè)計(jì)中，可采用此方法計(jì)算多組分濕壁容器火災(zāi)工況下安全閥泄放量。

圖1 按不同汽化組分計(jì)算的泄放面積

3 結(jié)論

基于泄放面積最大原則、多組分沸點(diǎn)及共沸點(diǎn)切割閃蒸方法來(lái)計(jì)算多組分濕壁容器火災(zāi)工況安全閥泄放量是可靠的，計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果相近，此計(jì)算方法可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。