冷凝器換熱管破裂超壓分析及安全閥泄放量計算

杜廷棟，徐 艷

(1.山東三維石化工程股份有限公司，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101)

對于蒸餾系統(tǒng)來說，影響其塔頂壓力變化的因素眾多。外部火災(zāi)、自控閥故障、電力故障、誤操作等都有可能造成系統(tǒng)超壓。在大部分情況下，設(shè)計人員在確定塔頂安全閥泄放量的時候，主要考慮的是外部火災(zāi)、冷卻或回流故障[1-2]。對于另一種事故工況。換熱設(shè)備(再沸器、冷凝器)換熱管破裂由于其出現(xiàn)概率小并且較為復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計時考慮很少。而事實上，這類工況，譬如冷凝器換熱管破裂時循環(huán)水進(jìn)入到塔體，若循環(huán)水是輕組分，循環(huán)水將與工藝氣體進(jìn)行換熱而蒸發(fā)，蒸發(fā)后形成的氣相體積若比工藝氣相體積大，則將會在蒸餾系統(tǒng)的塔頂積聚，造成塔頂壓力超壓。本文以蒸餾系統(tǒng)作為討論對象，將對冷凝器換熱管破裂工況進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)而得出此工況下安全閥泄放量計算的一般公式。

1 蒸餾系統(tǒng)能量衡算

最常見的超壓能量來源：一是能量輸入通過氣化或熱膨脹間接導(dǎo)致壓力升高；二是較高壓力的直接引入[3-4]。對于蒸餾塔系統(tǒng)來說，其復(fù)雜性在于影響塔頂壓力變化的因素眾多。通常情況下，需要通過控制塔底能量輸入的平衡，來控制塔頂壓力。

考慮到蒸餾系統(tǒng)的復(fù)雜性，為分析方便，本文基于如下簡化進(jìn)行分析：

(1)進(jìn)料量、回流量、塔底采出量、塔頂采出量在冷凝器換熱管破裂前后保持不變，流體狀態(tài)也不發(fā)生變化；

(2)冷凝器換熱管破裂工況非整體垮塌式斷裂，而是因為孔蝕等原因造成的小孔穿透。循環(huán)水噴射進(jìn)入冷凝器殼體，流量計算參照API520(2014)中關(guān)于安全閥泄放量的計算公式計算[5]；

(3)循環(huán)冷卻水進(jìn)入冷凝器殼體后與工藝物料混合，經(jīng)塔頂回流泵輸送至塔頂回流；塔頂冷凝器的冷凝溫度保持不變，冷凝器的總傳熱系數(shù)在冷凝器換熱管破裂前后保持不變，即冷凝器在換熱管破裂前后其冷凝量近似維持不變；

(4)再沸器總傳熱系數(shù)在再沸器換熱管破裂前后保持不變。

本文首先對蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行能量衡算：

如圖1，將蒸餾塔、再沸器、冷凝器作為系統(tǒng)：Qin=Qout

圖1 蒸餾系統(tǒng)流程圖Fig.1 Process flow diagram of distillation system

Q1+Qf+Qr=Q3+Qx+Qb+Qt

(1)

整理得Q1=Q3+Qx+Qb+Qt-Qf-Qr

(2)

令ΔQ=Qb+Qt-Qf-Qr，則

Q1=Q3+Qx+ΔQ

(3)

式中：Qin流入系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Qout流出系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Q1再沸器輸入系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Q3冷凝器輸出系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Qf進(jìn)料帶入系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Qt塔頂冷凝物料帶出系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Qb塔底物料帶出系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Qr回流物料帶入系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

Qx安全閥帶出系統(tǒng)的能量，kcal/hr；

在正常工況下，再沸器輸入系統(tǒng)的能量Q2，kcal/hr，冷凝器輸出系統(tǒng)的能量Q4，kcal/hr。則式(3)轉(zhuǎn)化為

Q2=Q4+ΔQ

(4)

2 冷凝器換熱管破裂

2.1 冷凝器換熱管破裂工況能量衡算

2.1.1 循環(huán)水為重組分

冷凝器換熱管破裂，循環(huán)水將進(jìn)入蒸餾塔。循環(huán)水經(jīng)塔頂回流泵輸送回流至塔內(nèi)，在塔內(nèi)向下流動的過程中會和工藝蒸汽換熱。如果循環(huán)水是重組分，循環(huán)水不會蒸發(fā)，同時循環(huán)水還能吸收上升工藝蒸汽的熱量，相當(dāng)于增加了冷凝器輸出系統(tǒng)的熱量。最終，所有噴射進(jìn)入蒸餾系統(tǒng)的循環(huán)水將在塔底收集，不會造成蒸餾系統(tǒng)超壓。

2.1.2 循環(huán)水為輕組分

循環(huán)水是輕組分，循環(huán)水經(jīng)塔頂回流泵輸送回流至塔內(nèi)，將首先被加熱至泡點溫度，然后蒸發(fā)。水蒸氣在塔頂收集。這種情況實際等效于一種易揮發(fā)組分進(jìn)入系統(tǒng)，受熱膨脹蒸發(fā)。

按API STD 521(2014)的說法[6]，由于由液體到氣體的體積膨脹很大，在常壓下約為1∶1400，而且產(chǎn)生氣體是瞬時的，在這種情況下，設(shè)置安全閥能否快速打開還是問題。因此，這一偶然事故并不提供壓力排放裝置，膨脹產(chǎn)生的氣體攜帶的熱量最終還會由冷凝器換熱帶走。

然而，由于冷凝器換熱管破裂，造成蒸餾系統(tǒng)組分發(fā)生改變，從而改變了換熱器熱負(fù)荷Q1。若Q1>Q2，多輸入的能量Qnet=Q1-Q2，卻有可能使蒸餾系統(tǒng)超壓。因此，需要對這種情況進(jìn)行討論。

令Qt為冷凝器換熱管破裂進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水加熱至泡點所需熱量，kcal/hr；Qv為其蒸發(fā)所需要消耗的總熱量，kcal/hr；Qc為循環(huán)水在塔底收集排出系統(tǒng)帶走的熱量，kcal/hr；Qw為循環(huán)水噴射進(jìn)入系統(tǒng)帶入的熱量，kcal/hr。

Qt=WtCp(Ts-Tw)

(5)

Qv=Qt+Wtλ

(6)

式中：Wt冷凝器換熱管破裂進(jìn)入蒸餾塔循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/hr；

Cp循環(huán)水比熱，kcal/kg·℃；

Tw循環(huán)水溫度，℃；

Ts循環(huán)水在安全閥泄放壓力下泡點，℃；

λs循環(huán)水在安全網(wǎng)泄放壓力下汽化潛熱，kcal/kg。

冷凝器換熱管破裂時，對圖1進(jìn)行能量衡算，式(3)轉(zhuǎn)化為

Q1=Q3+Qx+ΔQ+Qc-Qw

(7)

式(7)與式(4)相減，得

Q1-Q2=Qx+Qc-Qw

(8)

令Wt'為循環(huán)水在塔底收集的質(zhì)量流量，kg/hr。循環(huán)水在塔底收集時的溫度近似等于循環(huán)水在系統(tǒng)操作壓力下的泡點溫度，則

Qc-Qw≈Wt'CpTs-WtCpTw

(9)

式(8)轉(zhuǎn)化為

Q1-Q2=Qx+Wt'CpTs-WtCpTw

(10)

由式(10)，事故工況下再沸器多輸入系統(tǒng)的能量為Qnet，Qnet有三個流向，一是加熱循環(huán)水至泡點溫度，二是使循環(huán)水蒸發(fā)，三是由安全閥排出。

本文在討論前，已假設(shè)進(jìn)入和排出系統(tǒng)的物料流量在冷凝器換熱管破裂前后保持不變；同時，為了簡化分析，假設(shè)混合汽進(jìn)入冷凝器后，工藝蒸汽先冷凝，水蒸氣后冷凝，而非形成共沸物。

在以上兩個前提下，進(jìn)行安全閥泄放量計算的討論。

2.2 安全閥泄放量計算

2.2.1Qnet≤Qt

忽略水蒸氣的顯熱，要使工藝蒸汽和水蒸氣完全冷凝，需滿足的條件為，再沸器多輸入的熱量僅用來加熱噴射進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水，但不足以將循環(huán)水的溫度升高至泡點，此時，進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水將都在塔底收集，即Q1-Q2≤Qt，則由式(5)與式(10)得

Qx+Wt'CpTs-WtCpTw≤WtCp(Ts-Tw)

(11)

因Wt=Wt'，則由式(11)得Qx≤0，所以安全閥不產(chǎn)生泄放量。

由Q1-Q2≤Qt整理得

(12)

此時，蒸餾系統(tǒng)不會產(chǎn)生超壓。

2.2.2Qt

要使冷凝器的熱負(fù)荷可以將工藝蒸汽全部冷凝，但是只有部分水蒸氣可以被冷凝，需要滿足的條件為，再沸器多輸入的熱量可以將噴射進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水的溫度升高至泡點，并能將部分循環(huán)水加熱蒸發(fā)，即Qt

WtCpTs-WtCpTw

(13)

因Wt'0，所以安全閥產(chǎn)生泄放量。

由Qt

(14)

此時，不能被冷凝的水蒸氣會在塔頂積聚，造成蒸餾系統(tǒng)超壓。安全閥的泄放量為

(15)

2.2.3 Qnet>Qv

要使冷凝器的熱負(fù)荷只能將部分工藝蒸汽冷凝，水蒸氣不能被冷凝，需要滿足的條件為，再沸器多輸入的熱量可以將噴射進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水的溫度升高至泡點，并能將全部循環(huán)水加熱蒸發(fā)，即Q1-Q2>Qv，則由式(10)得

Qx+ Wt'CpTs-WtCpTw>Qt+Wtλs

(16)

因Wt'0，所以安全閥產(chǎn)生泄放量。

由Q1-Q2>Qv整理得

(17)

此時，不能冷凝的工藝蒸汽和水蒸氣會在塔頂積聚，使塔頂壓力迅速升高，造成蒸汽系統(tǒng)超壓。安全閥的泄放量為

綜上，冷凝器換熱管破裂安全閥泄放量的計算公式總結(jié)如表1。

表1 冷凝器換熱管破裂工況下安全閥泄放量計算公式Table 1 Formula of PSV relieving flowrate in the scenario of condenser tube rupture

3 Q1、Q2、Wt的確定

3.1 Q1、Q2的確定

正常工況下再沸器的換熱量Q2計算公式為

Q2=UA(t1-T1)

(19)

式中：U再沸器的總傳熱系數(shù)(系統(tǒng)設(shè)計時給出)，kcal/(m2·K·hr)；

A再沸器的換熱面積，m2；

t1高壓蒸汽入口溫度，K；

T1工藝蒸汽出口溫度，K。

假定再沸器的總傳熱系數(shù)U在冷凝器換熱管破裂前后保持不變，冷凝器換熱管破裂后，當(dāng)蒸餾系統(tǒng)的操作壓力升至安全閥的起跳壓力時，工藝蒸汽的出口溫度變?yōu)門1'，K，則此時再沸器的換熱量Q1的計算公式為

Q1=UA(t1-T1')

(20)

3.2 Wt的確定

冷凝器換熱管破裂時，噴射進(jìn)入蒸餾系統(tǒng)的循環(huán)水量Wt的計算公式為

(21)[5]

式中：Wt換熱管破裂進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水量，L/min；

Kd泄放因子，取0.65；

n換熱管破裂數(shù)量；

At錯流面積，mm2；

ρ 循環(huán)水相對密度，取1；

P1循環(huán)水壓力，kPa(G)；

P2低壓側(cè)壓力，取安全閥泄放壓力，kPa(G)。

4 結(jié)論

本文分析了冷凝器換熱管破裂造成蒸餾系統(tǒng)超壓這類特殊工況。冷凝器換熱管破裂，若循環(huán)水為重組分，相當(dāng)于增加了冷凝器輸出系統(tǒng)的熱量，塔頂不會超壓，安全閥不起跳；若循環(huán)水為輕組分：(1)當(dāng)Qnet≤Qt，工藝蒸汽和因循環(huán)水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣完全冷凝，安全閥不起跳；(2)當(dāng)QtQv，僅有部分工藝蒸汽可被冷凝，不能被冷凝的工藝蒸汽及循環(huán)水產(chǎn)生的水蒸汽會在塔頂積聚，造成安全閥起跳。

冷凝器換熱管破裂工況十分復(fù)雜，本文在分析此工況時做了諸多簡化，事實上，由于循環(huán)水進(jìn)入系統(tǒng)，塔頂采出量和塔底采出量也會相應(yīng)變化，在實際運用本文結(jié)論時需結(jié)合模擬軟件的分析計算，以便得出最接近真實的系統(tǒng)的工作條件。為了分析方便，本文假定ΔQ不發(fā)生改變。由于工程實際千差萬別，在應(yīng)用本文研究結(jié)論時，也需結(jié)合各自項目的特點，靈活應(yīng)用。在確定安全閥泄放量的時候，可以在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上附加一定的安全系數(shù)。安全系數(shù)也可以根據(jù)系統(tǒng)的特點及項目的工藝要求合理選取。