驟冷罐的工藝設(shè)計(jì)

德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司上海分公司 上海 200031

安全閥等安全設(shè)施泄放出來的氣相、氣液兩相混合物進(jìn)入排放總管或直接排空前，經(jīng)驟冷罐冷卻、冷凝、與罐內(nèi)液體反應(yīng)等過程后被收集在驟冷罐內(nèi)，從而避免因個(gè)別安全設(shè)施的泄放物導(dǎo)致后續(xù)處理系統(tǒng)復(fù)雜化。如泄放物高溫導(dǎo)致后續(xù)處理系統(tǒng)的材料升級；與其他泄放物發(fā)生劇烈反應(yīng)或形成爆炸性氛圍等[1]。

泄放工況結(jié)束后，驟冷罐收集的泄放物經(jīng)過相應(yīng)的單元操作，如精餾等，回收這些泄放物并返回到正常的生產(chǎn)中。因此，驟冷罐在減少泄放物處理費(fèi)用的同時(shí)還降低了對環(huán)境的承載要求。

驟冷罐的設(shè)計(jì)主要包括驟冷罐主體和分配器這兩部分。分配器將安全設(shè)施的泄放物經(jīng)許多小孔均勻地噴入驟冷罐內(nèi)的驟冷劑，達(dá)到良好的傳熱、傳質(zhì)和攪拌，從而將泄放物收集在驟冷罐內(nèi)。驟冷罐主體的設(shè)計(jì)主要包括驟冷劑的選取、驟冷劑最小量以及驟冷罐尺寸這三部分。限于篇幅，本文僅闡述驟冷罐主體的設(shè)計(jì)原理。

1 驟冷罐的分類

1.1 按安裝方式分類

驟冷罐按安裝方式可以分為立式和臥式兩種，兩種型式僅在所需的安裝空間大小方面有所區(qū)別，在功能方面沒有本質(zhì)的區(qū)別[2]。

1.2 按操作壓力分類

驟冷罐按其操作壓力可以分為常壓操作、氣相介質(zhì)不排放、氣相介質(zhì)受控排放三種形式[2]。

1.2.1 常壓操作

常壓操作常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點(diǎn)高于最高環(huán)境溫度的工況。少量未被冷凝的泄放氣體與因液面上升置換出的原罐內(nèi)氣體一起排放到下游，如直接排空、洗滌器、火炬。下游目的地選擇取決于未冷凝的氣體性質(zhì)，如毒性、可燃性等。

1.2.2 氣相介質(zhì)不排放

氣相介質(zhì)不排放常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點(diǎn)不高于最高環(huán)境溫度且泄放物中的不凝性氣體量非常少的工況。這種操作方式下沒有任何介質(zhì)排放到下游，僅使用驟冷罐就可以完全處理泄放物。

驟冷罐內(nèi)原有氣體因液面上升而被壓縮，罐內(nèi)溫度升高引起的驟冷劑飽和蒸汽壓升高，導(dǎo)致整個(gè)泄放過程中驟冷罐的壓力不斷升高。泄放結(jié)束時(shí)，驟冷罐的壓力 P2(最高操作壓力)可用公式(1)計(jì)算。當(dāng)選用這種操作方式時(shí)，應(yīng)考慮背壓變化對安全設(shè)施泄放能力的影響。

(1)

式中，P為壓力，bar(a)；N為不凝性氣體的摩爾量，mol；V為驟冷罐氣相體積，m3；T為驟冷罐內(nèi)溫度，℃。上標(biāo)v表示驟冷罐內(nèi)液相飽和蒸汽壓；下標(biāo)1、2分別指泄放開始、泄放結(jié)束。

1.2.3 氣相介質(zhì)受控排放

氣相介質(zhì)受控排放常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點(diǎn)不高于最高環(huán)境溫度且泄放物中不凝性氣體量可觀的工況。采用壓控設(shè)施或安全閥來限制驟冷罐的操作壓力。

2 驟冷劑的選取

驟冷劑的選取應(yīng)基于泄放介質(zhì)的特性和處理要求，即冷卻、冷凝、吸收、中和泄放介質(zhì)或與其反應(yīng)等。同時(shí)還應(yīng)考慮泄放工況結(jié)束后，被收集的泄放物易于回收處理。歸納起來，驟冷劑的選擇主要考慮以下四個(gè)方面[3]：

(1)物性。如驟冷劑應(yīng)與泄放物相兼容、蒸汽壓低、比熱大、密度大、不起泡、低粘度、凝固點(diǎn)高、熱傳導(dǎo)高、無腐蝕性等。

(2)費(fèi)用。易獲取、價(jià)格低等。

(3)操作安全。不易燃、無毒等。

(4)泄放工況結(jié)束后，被收集的泄放物易回收處理。

泄放過程中，驟冷劑與泄放物發(fā)生劇烈的傳熱，或傳熱傳質(zhì)以及反應(yīng)。常規(guī)的傳熱傳質(zhì)計(jì)算模型可能不適用驟冷罐。針對這一事實(shí)，在沒有工程應(yīng)用參考時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)以確保所選的驟冷劑適合泄放物。一些驟冷劑的工程應(yīng)用實(shí)例[3]見表1。

3 驟冷劑最小量

驟冷劑最小量的確定是基于熱平衡，與泄放物的質(zhì)量和焓、系統(tǒng)的反應(yīng)熱、混合熱、泄放工況結(jié)束允許驟冷劑的溫升相關(guān)。與設(shè)計(jì)火炬、火炬總管等泄放物處理系統(tǒng)不同的是，驟冷罐的設(shè)計(jì)還要考慮泄放物的質(zhì)量。當(dāng)有多個(gè)安全設(shè)施接入同一驟冷罐時(shí)，針對某一泄放工況，需考慮同時(shí)處理幾個(gè)安全設(shè)施的泄放物。如發(fā)生池火災(zāi)工況，一般考慮230m2～460m2區(qū)域所包含的安全設(shè)施[1]。確定工況涉及的安全設(shè)施后，再確定泄放工況的持續(xù)時(shí)間以及各個(gè)設(shè)施的泄放速率就可確定某一泄放工況的泄放物質(zhì)量。泄放工況的持續(xù)時(shí)間和各個(gè)設(shè)施的泄放速率因泄放工況不同而異。如火災(zāi)工況，一般計(jì)算泄放時(shí)間為2h[1], 泄放速率則由外部輸入熱量和泄放介質(zhì)的比熱、蒸發(fā)焓決定[4]。因此，待處理泄放物的質(zhì)量應(yīng)合理確定，以確保驟冷劑的量合理。

驟冷劑的溫升，是指驟冷罐的終止溫度(泄放結(jié)束)與起始溫度(泄放開始)的差值?；ろ?xiàng)目中驟冷罐一般露天布置，故起始溫度取當(dāng)?shù)刈罡攮h(huán)境溫度。推薦終止溫度為：比驟冷劑與泄放物的混合物在最高工作壓力下的泡點(diǎn)低10～20 ℃[2,3,5]。

按泄放介質(zhì)中是否含有不凝性氣體，分別用以下兩個(gè)公式(2)、(5)確定驟冷劑的最小量。

3.1 泄放介質(zhì)中不含不凝性氣體

當(dāng)泄放介質(zhì)中不含不凝性氣體時(shí)，所需驟冷劑的最小量mq可以用公式(2)來計(jì)算。公式(2)假定:① 泄放介質(zhì)中的氣體全部被冷凝；② 忽略驟冷劑比熱的變化，采用泄放過程中的平均比熱；③ 無外部熱量輸入；④ 忽略驟冷罐的散熱。

(2)

式中，mFl、mFg分別為泄放物中液相、氣相的質(zhì)量，kg； HFl、HFg、Hp分別為泄放物中液相、氣相、泄放結(jié)束凝液焓值，kJ/kg；Cq為驟冷劑的比熱，kJ/(kg·℃)；t，tend分別為泄放過程中某一時(shí)刻和泄放持續(xù)時(shí)間,h；RFl、RFg分別為泄放過程t時(shí)刻液相、氣相泄放速率，kg/h；H’Fl、H’Fg分別為泄放過程t時(shí)刻液相、氣相焓值，kJ/kg。其他符號如前所述。

公式(2)中，如果泄放物與驟冷劑發(fā)生反應(yīng)或混合熱量可觀，應(yīng)將反應(yīng)熱、混合熱或兩者之和加到右邊分子上。如果泄放物中不含液相，則右邊分子第一項(xiàng)為零。公式(5)同理。

3.2 泄放介質(zhì)中含不凝性氣體

泄放介質(zhì)中不凝性氣體夾帶驟冷劑蒸汽以及可凝性氣體到氣相中，故在計(jì)算驟冷劑最小量時(shí)應(yīng)加以考慮。泄放過程中，某一時(shí)刻，驟冷劑蒸汽和可凝性氣體被夾帶的量可基于驟冷罐內(nèi)汽液相平衡計(jì)算得到。由于整個(gè)泄放過程中，驟冷罐內(nèi)的溫度不斷升高，汽液相平衡不斷變化，夾帶量也不斷變化，為簡化計(jì)算，取起始溫度、中間溫度和終止溫度三個(gè)點(diǎn)夾帶量的平均值作為整個(gè)泄放過程不凝性氣體的夾帶量，可以滿足工程計(jì)算精度[3]。

可凝性氣體和驟冷劑在三個(gè)溫度點(diǎn)下的夾帶量可以分別由公式(3)、(4)計(jì)算得到，并進(jìn)行算術(shù)平均即可求得泄放過程中可凝性氣體和驟冷劑的夾帶量mel、meq。再對整個(gè)泄放系統(tǒng)作熱平衡計(jì)算見式(5)，即可求得泄放介質(zhì)含不凝性氣體時(shí)驟冷劑的最小量mq。

(3)

(4)

(5)

4 驟冷罐尺寸

驟冷罐除了能盛裝泄放結(jié)束氣液相的物質(zhì)外，還為驟冷罐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)創(chuàng)造了有利的條件。其中罐內(nèi)液位是關(guān)鍵參數(shù)。泄放起始液位過低，泄放物中的氣相在驟冷劑內(nèi)停留時(shí)間短，不能達(dá)到汽液平衡；泄放結(jié)束液位過高，安全設(shè)施背壓相應(yīng)升高，以及可用于分配器小孔的壓降減少，導(dǎo)致泄放介質(zhì)不能有效噴入驟冷劑內(nèi)?；谶@些原因，驟冷罐尺寸的設(shè)計(jì)一般按以下四步進(jìn)行：

(1)首先根據(jù)可利用的安裝空間，確定驟冷罐的型式為立式或臥式，并初選驟冷罐的直徑以及筒體長度。

(2)依次計(jì)算泄放起始液位、結(jié)束液位。

(3)確定氣相空間大小。

(4)最后判斷初選的驟冷罐尺寸是否滿足要求：對于立式，長度不小于泄放結(jié)束時(shí)的膨脹液位與氣相空間之和；對于臥式，筒體直徑不小于泄放結(jié)束時(shí)的膨脹液位與氣相空間之和。如果不滿足，則重選驟冷罐的直徑和筒體長度，直到滿足要求為止。

4.1 驟冷罐內(nèi)液位的計(jì)算

驟冷罐液位的計(jì)算包括泄放開始和泄放結(jié)束兩部分。泄放開始時(shí)液相的體積Q1可用式(6)計(jì)算得到?？紤]泄放過程中的不確定因素，起始液體的質(zhì)量mq取本文中第3.1中計(jì)算得到的最小驟冷劑量并加10%～20%的裕量[2]。根據(jù)驟冷罐的不同型式，立式或臥式，采用不同公式、圖、表[6,7]計(jì)算驟冷罐泄放起始液位H1。如果計(jì)算到得的液位小于0.5m[3]，應(yīng)增加驟冷劑用量以滿足液位最低要求。

(6)

(7)

(8)

上述兩式中，m2、r2分別為泄放結(jié)束驟冷罐液相總質(zhì)量(kg)和密度(kg/m3)；Ps為分配器的最小要求壓降，推薦值取0.7bar[2]；Ploss為安全設(shè)施到分配器的壓損，bar。其他符號如前所述。

泄放結(jié)束時(shí)，由于泄放介質(zhì)中的少量氣體停留在液相內(nèi)，導(dǎo)致驟冷罐內(nèi)液相體積膨脹，液位相應(yīng)升高，液位增加比E可以用式(9)計(jì)算。并將結(jié)果與1.1(數(shù)值)相比較，取大者[3]。

(9)

其中

(10)

4.2 氣相空間

對于常壓和氣相介質(zhì)受控排放這兩種操作方式，為減少液滴被氣體夾帶到下游，應(yīng)預(yù)留一定的氣相空間。推薦泄放結(jié)束時(shí)驟冷罐的氣相空間高度至少0.9m或20%容器直徑，取大者[3]。也可借鑒重力式氣液分離器的計(jì)算方法[7]來確定所需的氣相空間。

對于氣相介質(zhì)不排放這種操作方式，為避免泄放結(jié)束時(shí)罐內(nèi)操作壓力過高，也應(yīng)預(yù)留一定的氣相空間，一般推薦至少10%容器直徑[2]。

5 結(jié)語

通過介紹驟冷劑的選擇、驟冷劑最小量、驟冷罐尺寸的工藝計(jì)算方法，提供驟冷罐的設(shè)計(jì)思路和方法，供驟冷罐設(shè)計(jì)參考。