驟冷罐的工藝設計

德希尼布化學工程(天津)有限公司上海分公司 上海 200031

安全閥等安全設施泄放出來的氣相、氣液兩相混合物進入排放總管或直接排空前，經驟冷罐冷卻、冷凝、與罐內液體反應等過程后被收集在驟冷罐內，從而避免因個別安全設施的泄放物導致后續處理系統復雜化。如泄放物高溫導致后續處理系統的材料升級；與其他泄放物發生劇烈反應或形成爆炸性氛圍等[1]。

泄放工況結束后，驟冷罐收集的泄放物經過相應的單元操作，如精餾等，回收這些泄放物并返回到正常的生產中。因此，驟冷罐在減少泄放物處理費用的同時還降低了對環境的承載要求。

驟冷罐的設計主要包括驟冷罐主體和分配器這兩部分。分配器將安全設施的泄放物經許多小孔均勻地噴入驟冷罐內的驟冷劑，達到良好的傳熱、傳質和攪拌，從而將泄放物收集在驟冷罐內。驟冷罐主體的設計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計原理。

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別，在功能方面沒有本質的區別[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、氣相介質不排放、氣相介質受控排放三種形式[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高于最高環境溫度的工況。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，如毒性、可燃性等。

1.2.2 氣相介質不排放

氣相介質不排放常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點不高于最高環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。

驟冷罐內原有氣體因液面上升而被壓縮，罐內溫度升高引起的驟冷劑飽和蒸汽壓升高，導致整個泄放過程中驟冷罐的壓力不斷升高。泄放結束時，驟冷罐的壓力 P2(最高操作壓力)可用公式(1)計算。當選用這種操作方式時，應考慮背壓變化對安全設施泄放能力的影響。

(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為驟冷罐內溫度，℃。上標v表示驟冷罐內液相飽和蒸汽壓；下標1、2分別指泄放開始、泄放結束。

1.2.3 氣相介質受控排放

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

2 驟冷劑的選取

驟冷劑的選取應基于泄放介質的特性和處理要求，即冷卻、冷凝、吸收、中和泄放介質或與其反應等。同時還應考慮泄放工況結束后，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方面[3]：

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

(2)費用。易獲取、價格低等。

(3)操作安全。不易燃、無毒等。

(4)泄放工況結束后，被收集的泄放物易回收處理。

泄放過程中，驟冷劑與泄放物發生劇烈的傳熱，或傳熱傳質以及反應。常規的傳熱傳質計算模型可能不適用驟冷罐。針對這一事實，在沒有工程應用參考時，應進行相關實驗以確保所選的驟冷劑適合泄放物。一些驟冷劑的工程應用實例[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，與泄放物的質量和焓、系統的反應熱、混合熱、泄放工況結束允許驟冷劑的溫升相關。與設計火炬、火炬總管等泄放物處理系統不同的是，驟冷罐的設計還要考慮泄放物的質量。當有多個安全設施接入同一驟冷罐時，針對某一泄放工況，需考慮同時處理幾個安全設施的泄放物。如發生池火災工況，一般考慮230m2～460m2區域所包含的安全設施[1]。確定工況涉及的安全設施后，再確定泄放工況的持續時間以及各個設施的泄放速率就可確定某一泄放工況的泄放物質量。泄放工況的持續時間和各個設施的泄放速率因泄放工況不同而異。如火災工況，一般計算泄放時間為2h[1], 泄放速率則由外部輸入熱量和泄放介質的比熱、蒸發焓決定[4]。因此，待處理泄放物的質量應合理確定，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(泄放結束)與起始溫度(泄放開始)的差值。化工項目中驟冷罐一般露天布置，故起始溫度取當地最高環境溫度。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低10～20 ℃[2,3,5]。

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

3.1 泄放介質中不含不凝性氣體

當泄放介質中不含不凝性氣體時，所需驟冷劑的最小量mq可以用公式(2)來計算。公式(2)假定:① 泄放介質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、氣相的質量，kg； HFl、HFg、Hp分別為泄放物中液相、氣相、泄放結束凝液焓值，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刻和泄放持續時間,h；RFl、RFg分別為泄放過程t時刻液相、氣相泄放速率，kg/h；H’Fl、H’Fg分別為泄放過程t時刻液相、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生反應或混合熱量可觀，應將反應熱、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，則右邊分子第一項為零。公式(5)同理。

3.2 泄放介質中含不凝性氣體

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

可凝性氣體和驟冷劑在三個溫度點下的夾帶量可以分別由公式(3)、(4)計算得到，并進行算術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。再對整個泄放系統作熱平衡計算見式(5)，即可求得泄放介質含不凝性氣體時驟冷劑的最小量mq。

(3)

(4)

(5)

4 驟冷罐尺寸

驟冷罐除了能盛裝泄放結束氣液相的物質外，還為驟冷罐內的傳熱、傳質、反應創造了有利的條件。其中罐內液位是關鍵參數。泄放起始液位過低，泄放物中的氣相在驟冷劑內停留時間短，不能達到汽液平衡；泄放結束液位過高，安全設施背壓相應升高，以及可用于分配器小孔的壓降減少，導致泄放介質不能有效噴入驟冷劑內。基于這些原因，驟冷罐尺寸的設計一般按以下四步進行：

(1)首先根據可利用的安裝空間，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)依次計算泄放起始液位、結束液位。

(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，長度不小于泄放結束時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束時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 驟冷罐內液位的計算

驟冷罐液位的計算包括泄放開始和泄放結束兩部分。泄放開始時液相的體積Q1可用式(6)計算得到。考慮泄放過程中的不確定因素，起始液體的質量mq取本文中第3.1中計算得到的最小驟冷劑量并加10%～20%的裕量[2]。根據驟冷罐的不同型式，立式或臥式，采用不同公式、圖、表[6,7]計算驟冷罐泄放起始液位H1。如果計算到得的液位小于0.5m[3]，應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分別為泄放結束驟冷罐液相總質量(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為安全設施到分配器的壓損，bar。其他符號如前所述。

泄放結束時，由于泄放介質中的少量氣體停留在液相內，導致驟冷罐內液相體積膨脹，液位相應升高，液位增加比E可以用式(9)計算。并將結果與1.1(數值)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，應預留一定的氣相空間。推薦泄放結束時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算方法[7]來確定所需的氣相空間。

對于氣相介質不排放這種操作方式，為避免泄放結束時罐內操作壓力過高，也應預留一定的氣相空間，一般推薦至少10%容器直徑[2]。

5 結語

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算方法，提供驟冷罐的設計思路和方法，供驟冷罐設計參考。