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多組分液體容器安全閥外部火災(zāi)工況下釋放量的計(jì)算

文檔作者：羅娜文檔來源：嘉科工程上海有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月07日
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8 化工設(shè)計(jì)2014，24(2)
多組分液體容器安全閥外部火災(zāi)工況下
釋放量的計(jì)算
羅娜 嘉科工程上海有限公司上海200122
摘要 介紹一種火災(zāi)工況下多組分液體容器安全閥釋放量的計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞多組分 釋放量外部火災(zāi)安全
安全閥是石油化工行業(yè)安全系統(tǒng)的重要組成
部分，設(shè)計(jì)時(shí)都常會(huì)在容器或管道的必要位置設(shè)
置安全閥以防系統(tǒng)壓力超過容器或管道的設(shè)計(jì)壓
力而發(fā)生事故。對(duì)安全閥超壓工況的分析、計(jì)算
是安全設(shè)計(jì)任務(wù)的重要組成部分，火災(zāi)工況超壓
是其最常見工況之一。
多組分液體火災(zāi)工況下泄放量的確定是工程
計(jì)算中的難題。外部火災(zāi)情況下對(duì)于物質(zhì)釋放壓
力小于其熱力學(xué)臨界壓力的，當(dāng)為單一物質(zhì)時(shí)如
水，含液體容器暴露于火焰使得容器物料被加熱、
汽化，溫度增大至釋放壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度下沸騰
汽化，溫度不再變化，產(chǎn)生蒸汽速率為容器吸收
的熱量除以該物質(zhì)釋放壓力下的汽化潛熱；對(duì)于
多組分液體來說，尤其是寬沸點(diǎn)范圍的多元混合
物，在容器受熱溫度升高過程中，首先蒸發(fā)出來
的是低沸點(diǎn)組分，低沸點(diǎn)汽化完后，液相溫度繼
續(xù)升高，更高沸點(diǎn)的組分汽化，隨著系統(tǒng)中蒸汽
的泄放，蒸汽和液體的組成是變化的，溫度和潛
熱也在變化，泄放壓力為設(shè)定壓力加上累積壓力。
蒸汽的最大泄放量不僅取決于吸熱率，也取決于
容器中各組分的實(shí)際組成。對(duì)多組分的計(jì)算，在
API 521中簡(jiǎn)單地提到過，但不夠具體，本文基于
API 521和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)介紹一種針對(duì)多組分液體的精
確計(jì)算方法，希望能為相關(guān)設(shè)計(jì)者提供參考。
1 安全閥釋放量基本算法【l J
根據(jù)API 521，當(dāng)容器液體吸熱汽化且釋放壓
力小于其熱力學(xué)臨界壓力時(shí)，安全閥釋放量基本
算法可按公式(1)計(jì)算。
=q／n．, (1)
式中，Q為潤(rùn)濕表面總吸熱量(吸人)，kJ／h；
H唧為釋放壓力下汽化潛熱，kJ／kg；W 為氣體釋
放量，kg／h。
2 容器中液相物料的總吸熱量 【 】
2．1 吸熱量計(jì)算
計(jì)算釋放量首先要計(jì)算容器液相的總吸熱率，
暴露于明火中的容器，其熱吸收量主要受著火燃
料類型、火焰包圍程度(與容器大小和形狀有關(guān))
以及防火措施的影響。
根據(jù)API 521及GB 150中規(guī)定，對(duì)于那些有
具體有效的滅火措施和容器有易燃物排放系統(tǒng)的
情況下可按公式(2)計(jì)算。
Q=155500 FA 犯 (2)
式中，Q為潤(rùn)濕表面總吸熱量(吸人)，kJ／h；F
為環(huán)境系數(shù)，常見工況環(huán)境系數(shù)見表1；A為總潤(rùn)
濕面積，m ，常見設(shè)備潤(rùn)濕面積見表2。
如果沒有適當(dāng)?shù)呐欧畔到y(tǒng)和消防設(shè)備應(yīng)按公
式(3)計(jì)算。
Q=255500 FA (3)
2．2 環(huán)境系數(shù)
容器外設(shè)施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用
環(huán)境系數(shù)反應(yīng)其對(duì)傳熱的影響，根據(jù)API 521及
GB 150，工程設(shè)計(jì)中環(huán)境系數(shù)F一般取值見表1。
2．3 潤(rùn)濕面積
容器液面之下的面積統(tǒng)稱為潤(rùn)濕面積，火災(zāi)
情況只考慮可以傳熱的潤(rùn)濕面積。結(jié)合API 521及
GB 150，火災(zāi)工況下常見設(shè)備的潤(rùn)濕面積見表2。
· 羅娜：注冊(cè)化工工程師。2006年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事石油化工工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：
(o21)5081881l-623，E—m／ijlI dyjun55@126．conl。
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2014，24(2) 羅娜 多組分液體容器安全閥外部火災(zāi)工況下釋放量的計(jì)算 9
表1 常見工況環(huán)境系數(shù)取值
容器類別 曩警藿
容器在地面上無保溫 1．0
容器有良好保溫時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為22．71W／(m2·k) o．3
容器有良好保溫時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為11．36W／(m2．k) n 15
容器有良好保溫時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為5．68W／(1112．k) 0．075
容器有良好保溫時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為3．SOW／(1112·k) 0．05
容器有良好保溫時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為2．S4W／(1112·k) 0．376
容器有良好保溫時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為2．27W／(m2·k) 0．03
容器有良好保溫時(shí)，保溫t~'g4導(dǎo)熱系數(shù)為1．87W／(m ·k) 0．026
容器置于大于10 L／(1112·min)噴淋裝置時(shí)0．6
容器在地面上砂土覆蓋時(shí)0．3
表2 火災(zāi)工況下常見設(shè)備潤(rùn)濕面積
·注：根據(jù)API 521所有設(shè)備考慮火焰高度7．6 m即從火焰著
火起始平面到火焰高度7．6 m；所有潤(rùn)濕面積均要包括火災(zāi)影響范
圍內(nèi)的管道外表面積。
3 多組分汽化潛熱和連續(xù)閃蒸方法
3．1 多組分汽化潛熱值
計(jì)算釋放量在知道外部火災(zāi)容器總的吸收量
后需要知道釋放壓力下的汽化潛熱，對(duì)于單組份
液體，外部火災(zāi)情況下容器液體吸熱至釋放壓力
下組分對(duì)應(yīng)泡點(diǎn)溫度開始蒸發(fā)，液相溫度不再變
化，總吸熱量全部用來汽化液體，其汽化潛熱值
可直接從Aspen Hysys或其他資料庫中查出；而混
合物加熱時(shí)在釋放壓力下低沸點(diǎn)的組份先蒸出，
這時(shí)會(huì)有個(gè)初沸點(diǎn)，高沸點(diǎn)的組份最后蒸出，這
時(shí)有個(gè)最后沸點(diǎn)，蒸發(fā)過程中液相溫度、氣相組
份及汽化潛熱都在隨時(shí)間變化，液相達(dá)到初沸點(diǎn)
后，總吸熱量不僅用于汽化液體，還用于未蒸發(fā)
液相的升溫及克服混合效應(yīng)(分離出輕組份所要
吸收的熱量)，因此對(duì)于寬沸點(diǎn)混合物來說，公式
(1)中計(jì)算釋放量的汽化潛熱應(yīng)包含汽化液體、
液相升溫及克服混合效應(yīng)所吸熱量總和；而對(duì)于
多組分液體，目前國內(nèi)的設(shè)計(jì)中常用的汽化潛熱
取值方法及特點(diǎn)見表3。
表3 常見混合物汽化潛熱取值及問題
序號(hào) 方法 問題
工程設(shè)計(jì)中對(duì)于窄沸點(diǎn)性質(zhì)相近混合物，可
以近似認(rèn)為液相溫度無變化，忽略混合效應(yīng)，其
汽化潛熱計(jì)算可按公式(4)或(5)計(jì)算或軟件
模擬獲得。
H唧= · (4)
式中，w；為釋放壓力、溫度下混合液對(duì)應(yīng)飽和蒸
汽中i組份質(zhì)量百分比；H 為釋放壓力、溫度下
i組份汽化潛熱，Ll／kg。
=／／,一 (5)
式中，H 為釋放壓力、溫度下液相焓，kJ／kg；H
為釋放壓力、溫度下氣相焓，kJ／kg。
寬沸點(diǎn)混合物不能簡(jiǎn)單的利用公式(4)或
(5)計(jì)算。對(duì)于寬沸點(diǎn)混合物，釋放壓力下蒸發(fā)
時(shí)液相溫度在一直變化，從液相溫度達(dá)到初沸點(diǎn)
到終沸點(diǎn)過程中可劃分為若干微元瞬間段，其瞬
時(shí)汽化潛熱是以蒸發(fā)氣相微量所需的吸熱量除以
該蒸發(fā)的氣相微量，表達(dá)式為公式(6)。
‰ =dQ／dV (6)
式中，dQ為蒸發(fā)的氣相微量所需的吸熱量，kJ；
dV為蒸發(fā)的氣相微量，kg。
可通過多級(jí)連續(xù)閃蒸方法達(dá)到劃分初沸點(diǎn)到
終沸點(diǎn)為若干微元瞬時(shí)段目的，從而計(jì)算出每級(jí)
每段各參數(shù)。
3．2 多級(jí)連續(xù)閃蒸方法計(jì)算釋放量
3．2．1 模型的建立
根據(jù)以上多組分汽化特征原理及公式(6)可
以建立精確的多級(jí)連續(xù)閃蒸方法來計(jì)算混合物汽
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10 CIⅢMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計(jì)2014，24(2)
化潛熱，也可通過Aspen等軟件模擬該混合物在釋
放壓力下多級(jí)閃蒸，開始為容器正常條件下液相
混合物，加熱液相至初沸點(diǎn)溫度T0，然后在釋放
壓力Pr下進(jìn)行逐級(jí)閃蒸，每一級(jí)閃蒸都要吸收足
夠的熱量以蒸出相同的氣相量(如5％液相原始總
量)，用Aspen等模擬軟件根據(jù)物料、熱量平衡原
理自動(dòng)計(jì)算每級(jí)閃蒸的吸熱量也可以手動(dòng)計(jì)算輸
人吸熱量，除非出現(xiàn)閃蒸溫度大于容器材質(zhì)開始
vO(OKg)氣相@初沸
破裂溫度情況(如碳鋼API521建議極限溫度
593cI=，工程經(jīng)驗(yàn)一般推薦認(rèn)為400℃碳鋼開始破
裂)停止閃蒸，否則逐級(jí)閃蒸至所有液體都蒸發(fā)
完，見圖l，其中氣體閃蒸量V1=V2=? =V20。
閃蒸級(jí)數(shù)越多每次閃蒸出氣相越少，汽化潛熱計(jì)
算越精確，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)組分性質(zhì)及沸點(diǎn)窄寬適
當(dāng)調(diào)整每次釋放的氣相量如窄沸點(diǎn)混合物可減少
級(jí)數(shù)、純物質(zhì)可以是一級(jí)等。
@ 。‘釋放壓 空 -
液體燕,~VI9(5I(g)氣
體吸熱ql9(潛熱)
圖1 多級(jí)閃蒸方法模型
3．2．2 各級(jí)汽化潛熱的計(jì)算
根據(jù)公式(6)及微元概念，則每級(jí)的潛熱值
(注意Q0為加熱至初沸點(diǎn)的顯熱，無需計(jì)算)為：
‰ l=Q1／V1
= ~．／r2
日 =q2o／v2o
從而計(jì)算出各級(jí)閃蒸的潛熱值，但這里并不
能根據(jù)釋放量計(jì)算公式(1)選用最小的汽化潛熱
值作為計(jì)算最大釋放量的潛熱值，因?yàn)槊考?jí)的氣
體組分分子量、溫度等也影響所需泄放面積 】，
因此最小汽化潛熱所需泄放面積并不一定是最大
值，需要根據(jù)每級(jí)閃蒸時(shí)所需的最大泄放面積再
確定用于釋放量計(jì)算的潛熱值及安全閥口徑大小
及計(jì)算的氣體分子量、壓縮因子及釋放壓力。
3．2．3 各級(jí)所需有效泄放表征面積的計(jì)算
根據(jù)API 520 Partl 氣體泄放面積計(jì)算公式，
可以看出無論釋放氣體是臨界流還是亞臨界流，
V19(5K口'氣糨
力Pr
19級(jí)l
閃蒸I
— __』
＼1 SKg)~
t堡! 墜登墼堡 ：
液體燕~v2o(sr,g)
其安全閥所需泄放面積都正比于W (ZT／M) 即
Ao：W(ZT／M) (7)
式中，z為釋放條件下氣體壓縮因子；T為氣體釋
放溫度，℃；M為釋放條件下氣體分子量。
根據(jù)公式(1)，則泄放面積A∞ (1／H~p)
(ZT／M) ，現(xiàn)定義：
A，- (1／ )(ZT／M) (8)
式中，A 為定義的安全閥有效泄放表征面積，表
示安全閥所需泄放面積的大小(不是所需泄放面
積>。
按公式(8)計(jì)算各級(jí)閃蒸對(duì)應(yīng)條件下的A 。
3．2．4 釋放量的計(jì)算及安全閥泄放面積計(jì)算中工
藝參數(shù)的確定
A 最大意味著該級(jí)泄放所需有效泄放面積A
越大，同樣條件下的釋放量越大，因此找出各級(jí)
閃蒸A 中最大值，并找出該最大值所對(duì)應(yīng)的H 、
z、T、M，通過公式(1)計(jì)算釋放量并選擇安全
閥大小。
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2014，24(2) 羅娜 多組分液體容器安全閩外部火災(zāi)．z-~T釋放量的計(jì)算 1l
4 結(jié)語
多組分液體容器外部火災(zāi)工況安全閥釋放量
計(jì)算不像單組份那么簡(jiǎn)單，尤其是寬沸點(diǎn)混合物
如石油、原油等。本文推薦的連續(xù)多級(jí)閃蒸方法
可以相對(duì)精確的計(jì)算出該復(fù)雜工況下安全閥泄放
量及所需有效泄放面積，提高安全閥計(jì)算的準(zhǔn)確
性和安全性，該方法在國外同行中廣泛使用，其
過程計(jì)算步驟看似繁瑣，但在目前計(jì)算軟件的支
持下其實(shí)很簡(jiǎn)單，比如計(jì)算各級(jí)汽化潛熱和表征
面積時(shí)，只需在excell或其他工具中輸一個(gè)簡(jiǎn)單的
公式程序便很快可以計(jì)算出結(jié)果。
需要注意的是該方法不考慮容器外部加熱高
于容器材質(zhì)破裂溫度之上的情況，因?yàn)榇藭r(shí)容器
損壞不是因?yàn)槌瑝憾浅瑴亍Ｈ绻踩y不是安
裝在最高點(diǎn)，氣相蒸出時(shí)需要先推出相同體積的
液體，此時(shí)安全閥大小計(jì)算時(shí)需要以排出相同氣
體體積的液體計(jì)算。另外該方法暫不適用釋放壓
力大于其超臨界壓力的工況，因?yàn)槌R界工況下
的物質(zhì)狀態(tài)變化完全不同于本文所述狀態(tài)變化，
有興趣或工作遇到該情況的可從參考文獻(xiàn)4、5、
6、7等中獲得更多的信息。
參考文獻(xiàn)
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2012．
(收稿日期2013—12—17)
(上接第5頁)
塔板數(shù)N
塔板數(shù)N
圖9 萃取精餾塔內(nèi)溫度沿塔板分布
4 結(jié)語
采用ASPEN PLUS流程模擬軟件，對(duì)醋酸甲酯
一甲醇體系萃取精餾過程進(jìn)行模擬研究。模擬優(yōu)
化結(jié)果：理論板數(shù)N=28，氣相進(jìn)料位置F=17，
溶劑比S=3．86，萃取劑溫度t=10~C，操作回流
比R控制在O．1O—O．2O之間(本文取O．15)。此
時(shí)，塔頂餾出液溫度57．9℃，塔釜液溫度94．6~C，
塔頂餾出液和塔釜液均能達(dá)工藝分離要求。模擬
結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)均具有參考
意義。
參考文獻(xiàn)
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(收稿日期2014—01一o6)

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