超临界压力下火灾工况安全阀泄放量计算pdf

  免费在线() 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，并与传统的计算方式进行比较。 关键词 超临界 安全阀 泄放量 动态计算方式 在石油化学工业生产的全部过程中，为避免生产系统 体积为 V，已经处于超临界状态，由t。时刻至 t 压力超过容器和管道 的设计压力而发生爆炸事 时刻之间，推导安全 阀的泄放量公式如下： 故，都会在容器或管道上设置安全阀。 时间间隔△t： 通常，火灾工况下 ，当容器暴露于火焰时， △t=t2一tI (1) 由于辐射、对流传热和火焰的直接接触，容器 内 t。时刻容器内物质的质量MlI： 存储的物质被加热，压力升高，直到安全阀开启 l， 。= (2) 压力下开始气化，产生蒸气的速度为容器吸收的 l 热量除该物质在泄放压力下的气化潜热，安全阀 加热至 t时刻，容器 内物质受热膨胀，一 的泄放能力应不小于气化量。 部分物质通过安全阀泄放出去，t时刻容器内剩 在超临界压力下，气相与液相性质相近，气 余物质的质量 iii 化潜热也接近零，如按照通常的安全阀泄放量计 V (3) ： = 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 ￡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 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 的比例，见式 (4)： 的液体不会沸腾。 而：矾 ! (4) 首先，热量导致液体膨胀并使容器达到泄放 热量衡算： 压力，此时安全阀泄放量可按照液体热膨胀考 Q 丽At= 虑；其次，如果热量持续传人容器，容器内液体 。l×( 一H1) (5) 的温度和蒸气压力同时升高，如果液体蒸气压力 质量泄放速度 ： 大于大气压，液体会在安全阀出口管道闪蒸，应 ×60 m 采用两相流的公式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 将式 (4)、式 (5)代入上式得： 状态。 m = 容器内液体在没有气化前，慢慢的开始泄放， m等等瓦等= ㈤J 随时间推移，泄放量一直在变化，在某一时间点达 体积泄放速度： 到峰值后逐渐回落。本文介绍一种动态计算安全 =m × (7) 阀泄放量的方法。 2 火灾传入热量计算 1 动态计算方式的理论推导 根据API520中规定，对于有足够的消防保 假设在火灾工况下，一个装有安全阀的容器 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。联系电线 CHEMICALENGINEERINGDESIGN 化工设计 2010 ，20(1) 时，容器的泄放量为： 以表 1中从初始温度 …5 4E时间间隔为 Q =I．555×10 ×FxsO．。 (8) 例，按照式 (2)计算 一5℃时刻容器 内物质的 式中，F为容器外壁校正系数，容器置于地面上 质量为： 时F为 1．O，容器用砂土覆盖时F为0．03。 = V =而 =33．49kg 3 安全阀泄放面积计算 按照式 (3)计算 一4E时刻容器 内物质的 质量为： (1)根据 API520，气体 泄放面积计算 V 公式 ： = = =33．29 kg A ：丽13160xW 从初始温度 一5一一4C时间间隔内，按照式 CK ^ (9) P。 M a (6)计算安全阀的质量泄放速度为： 式中，C为修正系数，可根据绝热指数 k查API O×AV — — — m —v a—H 520的表8；Kd为排放系数，初步估算可采用 2 x , 0．975；K 为背压修正系数，传统安全阀和先导 1．282×10 × r1．20144—1．19445、 式安全阀取 1．0，波纹管安全阀查表；K 为组合 1．20144× (-5353．54203+5355．17431) =456．95kg／h 安装修正系数，安全阀串联爆破片取0．9；无串 按照式 (7)计算体积泄放速度为： 联爆破片取 1．0。 口=m × =456．95×1．20144 ×10一’=O ． 549Ill／h (2)液体泄放面积计算公式 (需要流量认 按照式 (5)计算容器 内物料温度由一5~C 证)： 升至 一4~C的时间间隔为： A=1K1d．K78KxtKQ,√Pt一P2 、(10) ^ 一 丝!兰 二丝!兰 ‘‘ Q 式中，K 为排放系数，初步估算可采用 0．65； 一 兰三：里 【=三三： 垫三±三 ：2堡三12 垒Q 一 l(T为背压修正系数，传统安全阀取 1．0，波纹 1．282×105 管安全阀查表；K。为组合安装修正系数，安全 =0．026min 阀串联爆破片取 0．9，无串联爆破片取 1．0；K 其它温度时刻的数据，计算过程与上述计算 为粘度修正系数，粘度不高 的情况下简化 相同，结果见表 1。 取 1．0。 质量泄放速度与时间关系曲线 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 ／ l————＼． 工况下允许过压 2l％。偏二氟乙烯的临界温度 一 — ． ＼ 29．65℃，临界压力4．46MPa(A)。 容器尺寸 qb219×1000mm，两端蝶形封头。 (rain) 容器的受热面积 S为 0．79m ，全容积 V为 图1 质量泄放速度与时间关系曲线 nl。。 体积泄放速度与时间关系曲线。 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：1．282×10kJ／h 采用ASPENPLUS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， (rain) 计算过程如下： 图2 体积泄放速度与时间关系曲线) 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 相变为气相 (超临界态)，ASPENPLUS计算该 值点分别计算所需要的安全阀泄放面积，取最大 条件下气化潜热为52．45kJ／kg，按照传统方法， 的面积作为选取安全 阀的依据，其 中 27cI=、 安全阀的泄放量为吸收的热量除以气化潜热，即 28：12为液体泄放，64cc、87~C为气体泄放。 1．282X10 +52．45 =2444．2 kg／h 泄放气经安全阀直接排放大气，选用传统安 5 比较 全阀，不串联爆破片。应用式 (9)和式 (1O) 按照传统方法计算安全阀泄放量，在泄放压 计算安全阀泄放面积，计算结果见表2。 力下，达到临界温度 29．65℃，偏二氟乙烯 由液 表2 安全阀泄放面积计算 注：根据绝热指数k=1．172，查API520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 CHEMICALENGINEERINGDESIGN 化工设计 2010，20(I) SOAVE方程 。 V2 t2时刻容器内物质的比体积，nl／kg 根据表2计算结果，选用喉径代号为D的安 AV At时间间隔内容器内物质的比体积差，m3／kg 全阀，其喉径面积为71rnIll2。虽然动态方法与传 Q 传人的热量，kJ／kg Hl tl时刻容器内物质的焓，kJ／kg 统方法所选用的安全阀为同一型号，但是采用传 H2 t2时刻容器内物质的焓，k,J／kg 统方法计算出的安全阀面积比动态方法大78％， AH At时间间隔内容器内物质的焓差 。kJ／kg 在某些情况下可导致选用安全阀尺寸升级。 m At时间问隔内质量泄放速度，kr,／h 如果泄放压力接近临界压力，气化潜热接近 v △t时间间隔内体积泄放速度 ，m3／h Q 传人热量，lJ【／h 0，采用传统方法计算得到的泄放量将会非常大， F 容器外壁校正系数 选用的安全阀也会超过经济上可接受的限度。 A 安全阀泄放面积，mm 6 结语 w 安全阀泄放量 ，kr／h c 修正系数 (1)应用状态方程如 RK方程，计算气相 Pl 泄放压力，kPa(A) T 泄放温度．K PⅥ’数据，拥有足够的精度，但当计算液相体积 z 压缩因子 时就难以达到所需要的准确度，尤其在高温高压 M 平均分子量 条件下，但状态方程的选取以及修正并非本文讨 Kd 排放系数 论重点。 背压修正系数 (2)本文旨在给出一种可操作的动态方法， K 组合安装修正系数 计算超临界压力下 ，火灾工况安全阀的泄放量以 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 及如何选用合适的安全阀。与传统火灾工况下计 Pl 泄放压力，kPa(G) 算安全阀泄放量的方法相比，传统方法计算的泄 P2 背压，kPa(G) 放面积过大，当泄放压力接近临界压力，气化潜 K 背压修正系数 热接近0时，传统方法计算的泄放面积将会非常 K 粘度修正系数 大，超过经济上可接受的限度。 参 考 文 献 符号说明 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 △t 时间间隔，rain 2 AP1RecommendedPractice521，4hEdition March1997 ， tl 初始时间。rain 3 APIRceommendedPractice520，Partl，7 Edition，Janu． t2 终止时问，min ary2000 面 △I时间间隔内泄放出的量，kg 4 Ryan，O．，Cepmagazine，August2002 jii。I tI时刻容器内物质的质量，kg 5 HG／T20570．2—95，安全阀的设置和选用 [S]． 丽。2 t2时刻容器内物质的质量，kg V 容器的体积，m3 (修改回稿 2009一o7-02) Vl tl时刻容器内物质的比体积，In’／kg (上接 第 45页) 阜了++阜丁 ：0丁．25++—0丁．20：0．·083+0．·1：0．1‘83 通过大量工程设计实践证明，基底最大压力 计算图表使用起来更便捷。此图表也弥补了 《建筑地 该结果大于 1／6，表示竖向力 F的作用点位 基基础设计规范》中的空白。 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 参 考 文 献 压力p 为244．9kN／m 。 1 GB50007-2002，建筑地基基础设计规范 [s] 6 结语 (修改回稿2009一O9—07)

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