多組分濕壁容器火災工況安全閥泄放量計算

張懷生

(上海浦景化工技術股份有限公司，上海 201102)

有關濕壁容器火災工況下安全閥泄放量計算，API520-2014、GB150-2011、HG/T 20570.2-95、SY/T10043-2002、SY/T10044-2002均有相關設計說明及計算公式[1-4]，但主要是針對單組份系統，對于多組分復雜系統僅是定性概述，沒有給出可操作的計算程序及相關計算公式。火災工況下，安全閥泄放量與泄放氣體的汽化潛熱有關，多組分液體系統安全閥泄放量計算難點在于泄放氣體的汽化潛熱是不斷變化的，且泄放的質量流量最大時對應的泄放面積不一定最大，因此很難確定泄放量的設計值。本文提出了一種多組分濕壁容器火災工況安全閥泄放量計算方法，該方法是基于泄放面積最大原則、多組分沸點及共沸點切割閃蒸方法來確定安全閥泄放量的設計值，其計算的泄放面積與動態模擬計算結果很接近，因此可應用于工程設計，解決了多組分濕壁容器火災工況安全閥泄放量計算難題。

1 計算原則

1.1 蒸餾泄放過程

多組分濕壁容器發生火災時，先加熱容器內的液體混合物至泡點，此過程吸收的熱量為顯熱，占總吸收熱量較少，可忽略不計；然后輕組分攜帶部分重組分吸熱汽化蒸出，當容器內的壓力達到安全閥設定壓力時，安全閥開始起跳，泄放氣體以免容器因為超壓而損壞；隨著液體吸熱汽化的進行，容器內的輕組分含量逐漸減少，以重組分為主的液體開始吸熱汽化，直至液體蒸發殆盡，此即為多組分濕壁容器液體連續蒸餾的安全閥泄放過程。

1.2 泄放面積最大原則

火災工況下，濕壁容器安全閥泄放量按(1)式計算。臨界流動狀態泄放面積按(2)式計算，亞臨界流動狀態泄放面積按(3)式計算。臨界流動判定條件按(4)式計算。

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；

Pf-泄放壓力(絕壓)，包括設定壓力和超壓兩部分，MPa；

Z-泄放氣體壓縮系數； Tf-泄放溫度，K；

M-泄放氣體分子量，kg/kmol；K-安全閥泄放系數；

k-泄放氣體絕熱指數； Pb-安全閥出口背壓(絕壓)，MPa；

對于單組分液體，泄放氣體的潛熱、特性系數、分子量、絕熱指數、泄放溫度為恒定值，安全閥泄放量很容易確定。對于多組分液體，蒸發過程中泄放氣體的潛熱、特性系數、分子量、絕熱指數、泄放溫度隨蒸餾過程變化，某時刻汽化潛熱最小，由式(1)可知對應的泄放氣體質量流量最大，而由式(3)、(4)可知，泄放面積還與泄放溫度、氣體分子量、絕熱指數及壓縮系數有關，對應的泄放面積不一定最大。若以泄放氣體最大質量流量設計安全閥，則有可能導致設計的安全閥泄放面積偏小，從而保護不了設備，因此從安全角度考慮，應以最大泄放面積對應的泄放量作為安全閥設計依據，此即為泄放面積最大原則。

1.3 組分沸點及共沸點切割方法

多組分濕壁容器火災工況為多組分液體的蒸餾過程，泄放氣體的汽化潛熱、分子量、絕熱指數、壓縮系數及泄放溫度隨過程變化而難以確定。本文采用多級等壓閃蒸過程近似模擬液體的連續蒸餾過程，級數越多越接近實際蒸餾過程，當閃蒸級數接近無窮大時，每級閃蒸溫差很小，閃蒸吸收顯熱可忽略不計，閃蒸吸收總熱量近似等于閃蒸氣的潛熱，因此每級閃蒸氣的汽化潛熱可用每級閃蒸吸收熱量除以每級閃蒸氣的質量流量近似求得。但是級數越多，設計計算工作量越大，因此需合理設計閃蒸級數。為避免閃蒸溫差太大導致相鄰兩級閃蒸氣組成突變及汽化潛熱計算精度太差，本文提出設計閃蒸級數依據組分沸點及共沸點切割方法。

組分沸點及共沸點切割分兩步，第一步以較大溫差等分閃蒸溫度區間，初步篩選出最大泄放面積對應的閃蒸溫度區間，第二步在篩選的溫度區間范圍內，以較小閃蒸溫差在篩選的溫度區間等分插入閃蒸點，計算最大泄放面積對應的閃蒸溫度區間，重復此步驟，直至閃蒸溫差小于設定值，計算出的最大泄放面積對應閃蒸點泄放量即為安全閥火災工況設計泄放量。其詳細計算過程為第一步首先計算進料混合物泡點、各組分沸點、組分間共沸點，以進料混合物泡點為最低溫度點，沸點及共沸點中的最高者為最高溫度點，在此最低與最高溫度區間范圍內，對各沸點及共沸點做升序排列，以各沸點及共沸點為基本閃蒸點，其次在相鄰閃蒸溫度點間等分插入不少于2個閃蒸點，使相鄰兩閃蒸點溫差不超過5℃(在不致汽化潛熱計算精度下降太大情況下，可適當提高相鄰閃蒸點溫差)，組成閃蒸系列一，計算并篩選出最大泄放面積對應的閃蒸溫度區間；第二步在篩選的閃蒸溫度區間內等分插入不少于4個閃蒸點，組成閃蒸系列二，計算并篩選出最大泄放面積對應的閃蒸溫度區間，重復以上步驟，直至閃蒸溫差不大于0.5℃，計算出的最大泄放面積對應閃蒸點泄放量即為安全閥火災工況設計泄放量。

2 實例分析

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

表1 雜醇組成、安全閥設定壓力及允許超壓

2.1 組分沸點及共沸點切割

表2 泄放壓力下沸點、共沸點、混合物泡點

根據表2泄放壓力下各組分沸點、共沸點、液體混合物的泡點，按“組分沸點及共沸點切割方法”對雜醇混合物進行閃蒸切割。從表3、4閃蒸計算結果可以看出，總共有兩個閃蒸系列，其中系列一閃蒸級數為15級，閃蒸溫差最大不超過2.3℃，終餾點153.4℃，低于水及丁醇沸點，這是由于丁醇含量相對較少，同時丁醇與水存在最低共沸點，系列二閃蒸級數為5級，閃蒸溫差為0.4℃，由于系列二閃蒸溫差已小于設定值0.5℃，因此不必再增加閃蒸系列。

2.2 計算泄放面積

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

表3 閃蒸系列一計算結果

表4 閃蒸系列二計算結果

2.3 設計泄放量

設計泄放量應從末級閃蒸系列計算結果中篩選，為最大泄放面積下泄放量，本文閃蒸系列二為末級閃蒸系列，從計算結果中可以看出設計泄放量為1243.2 kg/h。

2.4 結果與討論

圖1比較了按不同組分閃蒸汽化計算的泄放面積，由圖可知采用多級閃蒸法計算的泄放面積與動態模擬計算結果很接近，這是由于逐級閃蒸法近似模擬了火災工況下液體的蒸餾過程，因此在工程設計中，可采用此方法計算多組分濕壁容器火災工況下安全閥泄放量。

圖1 按不同汽化組分計算的泄放面積

3 結論

基于泄放面積最大原則、多組分沸點及共沸點切割閃蒸方法來計算多組分濕壁容器火災工況安全閥泄放量是可靠的，計算結果與動態模擬結果相近，此計算方法可應用于工程設計中。