超临界压力下火灾工况安全阀泄放量的计算

2010，20() 王江峰 超临界压力下火灾工况安全阀泄放量的计算 29 超临界压力下火灾工况安全阀泄放量的计算 王江峰 北京美盛沃利工程技术有限公司上海分公司 上海 200001 摘要 介绍一种动态计算安全阀泄放量的方法，并与传统的计算方法进行比较。 关键词 超临界 安全阀 泄放量 动态计算方法 在石油化工生产过程中，为了防止生产系统 压力超过容器和管道的设计压力而发生爆炸事 故，都会在容器或管道上设置安全阀。 通常，火灾工况下 ，当容器暴露于火焰时， 由于辐射、对流传热和火焰的直接接触，容器内 存储的物质被加热，压力升高，直到安全阀开启 压力下开始气化，产生蒸气的速度为容器吸收的 热量除该物质在泄放压力下的气化潜热，安全阀 的泄放能力应不小于气化量。 在超临界压力下，气相与液相性质相近，气 化潜热也接近零，如按照通常的安全阀泄放量计 算方法，此时产生气相的速度将非常大。但实际 情况并非如此，考虑一个全充满液体的容器，出 口关闭，安全阀的设定压力大于该物质的临界压 力。如果发生火灾，大量热量传人容器，容器内 的液体不会沸腾。 首先，热量导致液体膨胀并使容器达到泄放 压力，此时安全阀泄放量可按照液体热膨胀考 虑；其次，如果热量持续传人容器，容器内液体 的温度和蒸气压力同时升高，如果液体蒸气压力 大于大气压，液体会在安全阀出口管道闪蒸，应 采用两相流的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算安全阀喉径面积；最后， 持续传热使液体跨过临界温度，进入超临界 状态。 容器内液体在没有气化前，已经开始泄放， 随时间推移，泄放量不断变化，在某一时间点达 到峰值后逐渐回落。本文介绍一种动态计算安全 阀泄放量的方法。 1 动态计算方法的理论推导 假设在火灾工况下，一个装有安全阀的容器 体积为 V，已经处于超临界状态，由t。时刻至 t 时刻之间，推导安全阀的泄放量公式如下： 时间间隔△t： △t=t2一tI (1) t。时刻容器内物质的质量MlI： l， 。= (2) l 加热至 t 时刻，容器内物质受热膨胀，一 部分物质通过安全阀泄放出去，t 时刻容器内剩 余物质的质量 iii ： = V (3) ￡ 时刻至t：时刻之间，安全阀泄放出物质的 质量为体积膨胀量超出容器体积部分所占总体积 的比例，见式 (4)： 而：矾 ! (4) 热量衡算： Q 丽At= 。l×( 一H1) (5) 质量泄放速度： ×60 m 将式 (4)、式 (5)代入上式得： m =等等等= ㈤ m 瓦 J 体积泄放速度： =m× (7) 2 火灾传入热量计算 根据API 520中规定，对于有足够的消防保 护措施和又能及时排走地面上泄漏物料的措施 · 王江峰：工程师。2003年毕业于清华大学化学工程专业获硕士学位。联系电话：(021)61060086。 30 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2010 ，20(1) 时，容器的泄放量为： Q =I．555×10 ×F x sO．。 (8) 式中，F为容器外壁校正系数，容器置于地面上 时F为1．O，容器用砂土覆盖时F为0．03。 3 安全阀泄放面积计算 (1)根据 API 520，气体 泄放面积计 算 公式： A ：丽13160 x W ^ (9)CK aP。 M 式中，C为修正系数，可根据绝热指数 k查API 520的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 8；Kd为排放系数，初步估算可采用 0．975；K 为背压修正系数，传统安全阀和先导 式安全阀取 1．0，波纹管安全阀查表；K 为组合 安装修正系数，安全阀串联爆破片取 0．9；无串 联爆破片取 1．0。 (2)液体泄放面积计算公式 (需要流量认 证)： A= 11． 78 x Q,√P P (10) KdK KtK t一2 、 式中，K 为排放系数，初步估算可采用 0．65； l(T为背压修正系数，传统安全阀取 1．0，波纹 管安全阀查表；K。为组合安装修正系数，安全 阀串联爆破片取 0．9，无串联爆破片取1．0；K 为粘度修正系数，粘度不高的情况下简化 取 1．0。 4 计算实例 一 个容器内全充满液态饱和偏二氟乙烯，温 度 一5℃，安全阀设定压力 6．5MPa(G)，火灾 工况下允许过压 2l％。偏二氟乙烯的临界温度 29．65℃，临界压力4．46 MPa(A)。 容器尺寸 qb219×1000mm，两端蝶形封头。 容器的受热面积 S为 0．79 m ，全容积 V为 0．04 nl。。 假设容器置于地面上，并有足够的消防保护 措施，F取1．0。由式 (8)计算传人热量得： Q：1．282×10 kJ／h 采用ASPEN PLUS软件，物性方法选用 RK — SOAVE方程，计算不同温度条件下的焓值、 比体积，再根据式 (1) 一式 (7)计算泄放量， 计算过程如下： 以表 1中从初始温度 ⋯5 4'E时间间隔为 例，按照式 (2)计算 一5℃时刻容器内物质的 质量为： = V =而 =33．49 kg 按照式 (3)计算 一4'E时刻容器内物质的 质量为： = V = =33．29 kg 从初始温度 一5一一4"C时间间隔内，按照式 (6)计算安全阀的质量泄放速度为： O×AV m —v 2 — x — — , a—H 1．282×10 × r1．20144—1．19445、 1．20144× (-5353．54203+5355．17431) =456．95 kg／h 按照式 (7)计算体积泄放速度为： 口=m × =456．95×1．20144×10一’=O ． 549 Ill ／h 按照式 (5)计算容器内物料温度由 一5~C 升至 一4~C的时间间隔为： ^ 一丝!兰 二丝! 兰 ‘‘ Q 一 兰三： 里 【= 三 三： 垫三± 三 ： 2堡三1 2 垒Q 一 1．282×105 =0．026 min 其它温度时刻的数据，计算过程与上述计算 相同，结果见表 1。 质量泄放速度与时间关系曲线见图 1。 ，、 ／＼ — ／ l————＼ ．． 一 ＼ (rain) 图 1 质量泄放速度与时间关系曲线 体积泄放速度与时间关系曲线见图2。 (rain) 图 2 体积泄放速度与时间关系曲线 2010，20(1) 王江峰 超临界压力下火灾工况安全阀泄放量的计算 31 根据泄放速度与时间关系曲线，选取四个极 值点分别计算所需要的安全阀泄放面积，取最大 的面积作为选取 安全 阀的依据，其 中 27cI=、 28'：12为液体泄放，64cc、87~C为气体泄放。 5 比较 按照传统方法计算安全阀泄放量，在泄放压 力下，达到临界温度 29．65℃，偏二氟乙烯由液 相变为气相 (超临界态)，ASPEN PLUS计算该 条件下气化潜热为52．45 kJ／kg，按照传统方法， 安全阀的泄放量为吸收的热量除以气化潜热，即 1．282 X10 +52．45 =2444．2 kg／h 泄放气经安全阀直接排放大气，选用传统安 全阀，不串联爆破片。应用式 (9)和式 (1O) 计算安全阀泄放面积，计算结果见表2。 表2 安全阀泄放面积计算 注：根据绝热指数 k=1．172，查API 520的表 8得修正系数 C=334．2。 表2中的绝热指数、压缩因子通过 ASPEN PLUS软件模拟获得，物性方法选用 RK— 32 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2010，20(I) SOAVE方程 。 根据表2计算结果，选用喉径代号为 D的安 全阀，其喉径面积为71 rnIll2。虽然动态方法与传 统方法所选用的安全阀为同一型号，但是采用传 统方法计算出的安全阀面积比动态方法大78％， 在某些情况下可导致选用安全阀尺寸升级。 如果泄放压力接近临界压力，气化潜热接近 0，采用传统方法计算得到的泄放量将会非常大， 选用的安全阀也会超过经济上可接受的限度。 6 结语 (1)应用状态方程如 RK方程，计算气相 PⅥ’数据，拥有足够的精度，但当计算液相体积 时就难以达到所需要的准确度，尤其在高温高压 条件下，但状态方程的选取以及修正并非本文讨 论重点。 (2)本文旨在给出一种可操作的动态方法， 计算超临界压力下 ，火灾工况安全阀的泄放量以 及如何选用合适的安全阀。与传统火灾工况下计 算安全阀泄放量的方法相比，传统方法计算的泄 放面积过大，当泄放压力接近临界压力，气化潜 热接近0时，传统方法计算的泄放面积将会非常 大，超过经济上可接受的限度。 符号说明 △t 时间间隔，rain tl 初始时间。rain t2 终止时问，min 面 △I时间间隔内泄放出的量，kg jii。I tI时刻容器内物质的质量，kg 丽。2 t2时刻容器内物质的质量，kg V 容器的体积，m3 Vl tl时刻容器内物质的比体积，In’／kg V2 t2时刻容器内物质的比体积，nl ／kg AV At时间间隔内容器内物质的比体积差，m3／kg Q 传人的热量，kJ／kg Hl tl时刻容器内物质的焓，kJ／kg H2 t2时刻容器内物质的焓，k,J／kg AH At时间间隔内容器内物质的焓差 。kJ／kg m At时间问隔内质量泄放速度，kr,／h v △t时间间隔内体积泄放速度 ，m3／h Q 传人热量，l【J／h F 容器外壁校正系数 A 安全阀泄放面积，mm w 安全阀泄放量 ，kr／h c 修正系数 Pl 泄放压力，kPa(A) T 泄放温度．K z 压缩因子 M 平均分子量 Kd 排放系数 背压修正系数 K 组合安装修正系数 Q’ 安全阀体积泄放量，L／rain G 液体相对于标准状况下水的比重 Pl 泄放压力，kPa(G) P2 背压，kPa(G) K 背压修正系数 K 粘度修正系数 参 考 文 献 1 朱自强．超l临界流体技术．原理和应用 [M]．北京： 化学工业出版社。2001 2 AP1 Recommended Practice 521，4'h Edition ， March 1997 3 API Recommended Practice 520，Part l，7 Edition，Janu． ary 2000 4 Ryan，O．，Cep magazine，August 2002 5 HG／T 20570．2—95，安全阀的设置和选用 [S]． (修改回稿 2009一o7-02) (上接 第 45页) 阜+阜 ：0 ．25+0—． 20：0．083+0．1：0．183 了+丁 丁 +丁 · · ‘ 该结果大于 1／6，表示竖向力 F的作用点位 于基础底面核心区之外，查表 1得 为 2．099。 将 、F、b、l值代人式 (21)得基础底面最大 压力p 为 244．9 kN／m 。 6 结语 通过大量工程设计实践证明，基底最大压力 计算图表使用方便。此图表也弥补了 《建筑地 基基础设计规范》中的空白。 参 考 文 献 1 GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范 [s] (修改回稿 2009一O9—07)