多组分湿壁容器火灾工况安全阀泄放量计算

张怀生

(上海浦景化工技术股份有限公司，上海 201102)

有关湿壁容器火灾工况下安全阀泄放量计算，API520-2014、GB150-2011、HG/T 20570.2-95、SY/T10043-2002、SY/T10044-2002均有相关设计说明及计算公式[1-4]，但主要是针对单组份系统，对于多组分复杂系统仅是定性概述，没有给出可操作的计算程序及相关计算公式。火灾工况下，安全阀泄放量与泄放气体的汽化潜热有关，多组分液体系统安全阀泄放量计算难点在于泄放气体的汽化潜热是不断变化的，且泄放的质量流量最大时对应的泄放面积不一定最大，因此很难确定泄放量的设计值。本文提出了一种多组分湿壁容器火灾工况安全阀泄放量计算方法，该方法是基于泄放面积最大原则、多组分沸点及共沸点切割闪蒸方法来确定安全阀泄放量的设计值，其计算的泄放面积与动态模拟计算结果很接近，因此可应用于工程设计，解决了多组分湿壁容器火灾工况安全阀泄放量计算难题。

1 计算原则

1.1 蒸馏泄放过程

多组分湿壁容器发生火灾时，先加热容器内的液体混合物至泡点，此过程吸收的热量为显热，占总吸收热量较少，可忽略不计；然后轻组分携带部分重组分吸热汽化蒸出，当容器内的压力达到安全阀设定压力时，安全阀开始起跳，泄放气体以免容器因为超压而损坏；随着液体吸热汽化的进行，容器内的轻组分含量逐渐减少，以重组分为主的液体开始吸热汽化，直至液体蒸发殆尽，此即为多组分湿壁容器液体连续蒸馏的安全阀泄放过程。

1.2 泄放面积最大原则

火灾工况下，湿壁容器安全阀泄放量按(1)式计算。临界流动状态泄放面积按(2)式计算，亚临界流动状态泄放面积按(3)式计算。临界流动判定条件按(4)式计算。

式中：W-安全阀泄放量，kg/h； Q-湿壁容器吸收总热量，kJ/h；

HV-汽化潜热，kJ/kg； C-泄放气体特性系数；

Pf-泄放压力(绝压)，包括设定压力和超压两部分，MPa；

Z-泄放气体压缩系数； Tf-泄放温度，K；

M-泄放气体分子量，kg/kmol；K-安全阀泄放系数；

k-泄放气体绝热指数； Pb-安全阀出口背压(绝压)，MPa；

对于单组分液体，泄放气体的潜热、特性系数、分子量、绝热指数、泄放温度为恒定值，安全阀泄放量很容易确定。对于多组分液体，蒸发过程中泄放气体的潜热、特性系数、分子量、绝热指数、泄放温度随蒸馏过程变化，某时刻汽化潜热最小，由式(1)可知对应的泄放气体质量流量最大，而由式(3)、(4)可知，泄放面积还与泄放温度、气体分子量、绝热指数及压缩系数有关，对应的泄放面积不一定最大。若以泄放气体最大质量流量设计安全阀，则有可能导致设计的安全阀泄放面积偏小，从而保护不了设备，因此从安全角度考虑，应以最大泄放面积对应的泄放量作为安全阀设计依据，此即为泄放面积最大原则。

1.3 组分沸点及共沸点切割方法

多组分湿壁容器火灾工况为多组分液体的蒸馏过程，泄放气体的汽化潜热、分子量、绝热指数、压缩系数及泄放温度随过程变化而难以确定。本文采用多级等压闪蒸过程近似模拟液体的连续蒸馏过程，级数越多越接近实际蒸馏过程，当闪蒸级数接近无穷大时，每级闪蒸温差很小，闪蒸吸收显热可忽略不计，闪蒸吸收总热量近似等于闪蒸气的潜热，因此每级闪蒸气的汽化潜热可用每级闪蒸吸收热量除以每级闪蒸气的质量流量近似求得。但是级数越多，设计计算工作量越大，因此需合理设计闪蒸级数。为避免闪蒸温差太大导致相邻两级闪蒸气组成突变及汽化潜热计算精度太差，本文提出设计闪蒸级数依据组分沸点及共沸点切割方法。

组分沸点及共沸点切割分两步，第一步以较大温差等分闪蒸温度区间，初步筛选出最大泄放面积对应的闪蒸温度区间，第二步在筛选的温度区间范围内，以较小闪蒸温差在筛选的温度区间等分插入闪蒸点，计算最大泄放面积对应的闪蒸温度区间，重复此步骤，直至闪蒸温差小于设定值，计算出的最大泄放面积对应闪蒸点泄放量即为安全阀火灾工况设计泄放量。其详细计算过程为第一步首先计算进料混合物泡点、各组分沸点、组分间共沸点，以进料混合物泡点为最低温度点，沸点及共沸点中的最高者为最高温度点，在此最低与最高温度区间范围内，对各沸点及共沸点做升序排列，以各沸点及共沸点为基本闪蒸点，其次在相邻闪蒸温度点间等分插入不少于2个闪蒸点，使相邻两闪蒸点温差不超过5℃(在不致汽化潜热计算精度下降太大情况下，可适当提高相邻闪蒸点温差)，组成闪蒸系列一，计算并筛选出最大泄放面积对应的闪蒸温度区间；第二步在筛选的闪蒸温度区间内等分插入不少于4个闪蒸点，组成闪蒸系列二，计算并筛选出最大泄放面积对应的闪蒸温度区间，重复以上步骤，直至闪蒸温差不大于0.5℃，计算出的最大泄放面积对应闪蒸点泄放量即为安全阀火灾工况设计泄放量。

2 实例分析

某装置一立式容器，直径1500 mm，最高液位2000 mm，设备不保温，容器内盛装多组分杂醇液体，杂醇组成及安全阀设定压力如表1所示，安全阀背压为0.03 MPaG，需计算火灾工况下安全阀泄放量。

表1 杂醇组成、安全阀设定压力及允许超压

2.1 组分沸点及共沸点切割

表2 泄放压力下沸点、共沸点、混合物泡点

根据表2泄放压力下各组分沸点、共沸点、液体混合物的泡点，按“组分沸点及共沸点切割方法”对杂醇混合物进行闪蒸切割。从表3、4闪蒸计算结果可以看出，总共有两个闪蒸系列，其中系列一闪蒸级数为15级，闪蒸温差最大不超过2.3℃，终馏点153.4℃，低于水及丁醇沸点，这是由于丁醇含量相对较少，同时丁醇与水存在最低共沸点，系列二闪蒸级数为5级，闪蒸温差为0.4℃，由于系列二闪蒸温差已小于设定值0.5℃，因此不必再增加闪蒸系列。

2.2 计算泄放面积

从表3、4结果可以看出，安全阀背压均小于临界压力，因此安全阀均在临界状态下泄放。火灾工况吸收总热量1604212.6 kJ/h。表三闪蒸系列一计算结果表明，泄放量大并不一定对应泄放面积大。从表3可筛选出最大泄放面积对应的闪蒸温度区间为130.6～132.7℃，表四最大泄放面积对应的闪蒸温度为131℃。

表3 闪蒸系列一计算结果

表4 闪蒸系列二计算结果

2.3 设计泄放量

设计泄放量应从末级闪蒸系列计算结果中筛选，为最大泄放面积下泄放量，本文闪蒸系列二为末级闪蒸系列，从计算结果中可以看出设计泄放量为1243.2 kg/h。

2.4 结果与讨论

图1比较了按不同组分闪蒸汽化计算的泄放面积，由图可知采用多级闪蒸法计算的泄放面积与动态模拟计算结果很接近，这是由于逐级闪蒸法近似模拟了火灾工况下液体的蒸馏过程，因此在工程设计中，可采用此方法计算多组分湿壁容器火灾工况下安全阀泄放量。

图1 按不同汽化组分计算的泄放面积

3 结论

基于泄放面积最大原则、多组分沸点及共沸点切割闪蒸方法来计算多组分湿壁容器火灾工况安全阀泄放量是可靠的，计算结果与动态模拟结果相近，此计算方法可应用于工程设计中。