多组分液体容器安全阀外部火灾工况下释放量的计算

罗 娜嘉科工程上海有限公司 上海200122

安全阀是石油化工行业安全系统的重要组成部分，设计时都常会在容器或管道的必要位置设置安全阀以防系统压力超过容器或管道的设计压力而发生事故。对安全阀超压工况的分析、计算是安全设计任务的重要组成部分，火灾工况超压是其最常见工况之一。

多组分液体火灾工况下泄放量的确定是工程计算中的难题。外部火灾情况下对于物质释放压力小于其热力学临界压力的，当为单一物质时如水，含液体容器暴露于火焰使得容器物料被加热、汽化，温度增大至释放压力对应饱和温度下沸腾汽化，温度不再变化，产生蒸汽速率为容器吸收的热量除以该物质释放压力下的汽化潜热;对于多组分液体来说，尤其是宽沸点范围的多元混合物，在容器受热温度升高过程中，首先蒸发出来的是低沸点组分，低沸点汽化完后，液相温度继续升高，更高沸点的组分汽化，随着系统中蒸汽的泄放，蒸汽和液体的组成是变化的，温度和潜热也在变化，泄放压力为设定压力加上累积压力。蒸汽的最大泄放量不仅取决于吸热率，也取决于容器中各组分的实际组成。对多组分的计算，在API 521中简单地提到过，但不够具体，本文基于API 521和设计经验介绍一种针对多组分液体的精确计算方法，希望能为相关设计者提供参考。

1 安全阀释放量基本算法［1］

根据API 521，当容器液体吸热汽化且释放压力小于其热力学临界压力时，安全阀释放量基本算法可按公式(1)计算。式中，Q为润湿表面总吸热量(吸入)，kJ/h;Hvop为释放压力下汽化潜热，kJ/kg;W为气体释放量，kg/h。

2 容器中液相物料的总吸热量［1］［2］

2.1 吸热量计算

计算释放量首先要计算容器液相的总吸热率，暴露于明火中的容器，其热吸收量主要受着火燃料类型、火焰包围程度(与容器大小和形状有关)以及防火措施的影响。

根据API 521及GB 150中规定，对于那些有具体有效的灭火措施和容器有易燃物排放系统的情况下可按公式(2)计算。

式中，Q为润湿表面总吸热量(吸入)，kJ/h;F为环境系数，常见工况环境系数见表1;A为总润湿面积，m2，常见设备润湿面积见表2。

如果没有适当的排放系统和消防设备应按公式(3)计算。

2.2 环境系数

容器外设施可以阻碍火焰热量传至容器，用环境系数反应其对传热的影响，根据API 521及GB 150，工程设计中环境系数F一般取值见表1。

2.3 润湿面积

容器液面之下的面积统称为润湿面积，火灾情况只考虑可以传热的润湿面积。结合API 521及GB 150，火灾工况下常见设备的润湿面积见表2。

表1 常见工况环境系数取值

表2 火灾工况下常见设备润湿面积

3 多组分汽化潜热和连续闪蒸方法［1］［2］

3.1 多组分汽化潜热值

计算释放量在知道外部火灾容器总的吸收量后需要知道释放压力下的汽化潜热，对于单组份液体，外部火灾情况下容器液体吸热至释放压力下组分对应泡点温度开始蒸发，液相温度不再变化，总吸热量全部用来汽化液体，其汽化潜热值可直接从Aspen Hysys或其他资料库中查出;而混合物加热时在释放压力下低沸点的组份先蒸出，这时会有个初沸点，高沸点的组份最后蒸出，这时有个最后沸点，蒸发过程中液相温度、气相组份及汽化潜热都在随时间变化，液相达到初沸点后，总吸热量不仅用于汽化液体，还用于未蒸发液相的升温及克服混合效应(分离出轻组份所要吸收的热量)，因此对于宽沸点混合物来说，公式(1)中计算释放量的汽化潜热应包含汽化液体、液相升温及克服混合效应所吸热量总和;而对于多组分液体，目前国内的设计中常用的汽化潜热取值方法及特点见表3。

表3 常见混合物汽化潜热取值及问题

工程设计中对于窄沸点性质相近混合物，可以近似认为液相温度无变化，忽略混合效应，其汽化潜热计算可按公式(4)或(5)计算或软件模拟获得。

式中，Wi为释放压力、温度下混合液对应饱和蒸汽中i组份质量百分比;Hvopi为释放压力、温度下i组份汽化潜热，kJ/kg。

式中，HL为释放压力、温度下液相焓，kJ/kg;HV为释放压力、温度下气相焓，kJ/kg。

宽沸点混合物不能简单的利用公式(4)或(5)计算。对于宽沸点混合物，释放压力下蒸发时液相温度在一直变化，从液相温度达到初沸点到终沸点过程中可划分为若干微元瞬间段，其瞬时汽化潜热是以蒸发气相微量所需的吸热量除以该蒸发的气相微量，表达式为公式(6)。

式中，dQ为蒸发的气相微量所需的吸热量，kJ;dV为蒸发的气相微量，kg。

可通过多级连续闪蒸方法达到划分初沸点到终沸点为若干微元瞬时段目的，从而计算出每级每段各参数。

3.2 多级连续闪蒸方法计算释放量

3.2.1 模型的建立

根据以上多组分汽化特征原理及公式(6)可以建立精确的多级连续闪蒸方法来计算混合物汽化潜热，也可通过Aspen等软件模拟该混合物在释放压力下多级闪蒸，开始为容器正常条件下液相混合物，加热液相至初沸点温度T0，然后在释放压力Pr下进行逐级闪蒸，每一级闪蒸都要吸收足够的热量以蒸出相同的气相量(如5%液相原始总量)，用Aspen等模拟软件根据物料、热量平衡原理自动计算每级闪蒸的吸热量也可以手动计算输入吸热量，除非出现闪蒸温度大于容器材质开始破裂温度情况(如碳钢API521建议极限温度593℃，工程经验一般推荐认为400℃碳钢开始破裂)停止闪蒸，否则逐级闪蒸至所有液体都蒸发完，见图1，其中气体闪蒸量V1=V2=…=V20。闪蒸级数越多每次闪蒸出气相越少，汽化潜热计算越精确，设计时可根据组分性质及沸点窄宽适当调整每次释放的气相量如窄沸点混合物可减少级数、纯物质可以是一级等。

图1 多级闪蒸方法模型

3.2.2 各级汽化潜热的计算

根据公式(6)及微元概念，则每级的潜热值(注意Q0为加热至初沸点的显热，无需计算)为:

从而计算出各级闪蒸的潜热值，但这里并不能根据释放量计算公式(1)选用最小的汽化潜热值作为计算最大释放量的潜热值，因为每级的气体组分分子量、温度等也影响所需泄放面积［3］，因此最小汽化潜热所需泄放面积并不一定是最大值，需要根据每级闪蒸时所需的最大泄放面积再确定用于释放量计算的潜热值及安全阀口径大小及计算的气体分子量、压缩因子及释放压力。

3.2.3 各级所需有效泄放表征面积的计算

根据API 520 Part1［3］气体泄放面积计算公式，可以看出无论释放气体是临界流还是亚临界流，其安全阀所需泄放面积都正比于W(ZT/M)1/2即

式中，Z为释放条件下气体压缩因子;T为气体释放温度，℃;M为释放条件下气体分子量。

根据公式(1)，则泄放面积A∞(1/Hvop)(ZT/M)1/2，现定义:

式中，A＇为定义的安全阀有效泄放表征面积，表示安全阀所需泄放面积的大小(不是所需泄放面积)。

按公式(8)计算各级闪蒸对应条件下的A＇。

3.2.4 释放量的计算及安全阀泄放面积计算中工艺参数的确定

A＇最大意味着该级泄放所需有效泄放面积A越大，同样条件下的释放量越大，因此找出各级闪蒸A＇中最大值，并找出该最大值所对应的Hvop、Z、T、M，通过公式(1)计算释放量并选择安全阀大小。

4 结语

多组分液体容器外部火灾工况安全阀释放量计算不像单组份那么简单，尤其是宽沸点混合物如石油、原油等。本文推荐的连续多级闪蒸方法可以相对精确的计算出该复杂工况下安全阀泄放量及所需有效泄放面积，提高安全阀计算的准确性和安全性，该方法在国外同行中广泛使用，其过程计算步骤看似繁琐，但在目前计算软件的支持下其实很简单，比如计算各级汽化潜热和表征面积时，只需在excell或其他工具中输一个简单的公式程序便很快可以计算出结果。

需要注意的是该方法不考虑容器外部加热高于容器材质破裂温度之上的情况，因为此时容器损坏不是因为超压而是超温。如果安全阀不是安装在最高点，气相蒸出时需要先推出相同体积的液体，此时安全阀大小计算时需要以排出相同气体体积的液体计算。另外该方法暂不适用释放压力大于其超临界压力的工况，因为超临界工况下的物质状态变化完全不同于本文所述状态变化，有兴趣或工作遇到该情况的可从参考文献4、5、6、7等中获得更多的信息。

1 Pressure－relieving and depressuring system.ANSI/API standard 521 fifth edition，January，2007.

2 GB 150.1－2011，压力容器 ［S］.

3 Sizing，Selection，and installation of pressure－relieving devices in Refineries.Part1－sizing and selection.API standard 520 eighth edition，December 2008.

4 J.O.FRANCIS and W.E.SHACKELTON，A Calculation of Relieving Requirements in the Critical Region，1985 Proceedings－Refining Department，Volume 64，American Petroleum Institute，pp.179－182.

5 Ouderkirk，R.，“Rigorously Size Relief Valves for Supercritical Fluids，”Chemical Engineering Progress，August 2002.

6 Freeman，S.，and D.Huyen，“Calculation of Relief Rate Due toFluidExpansionandExternalHeat，”APISummer Meeting，2010.

7 Nezami，P.L.，and Price，J.，“Fine－tune relief calculations for supercritical fluids，”Hydrocarbon Processing，June 2012.