CN110457722B - 用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置及方法，主要解决现有技术中计算结果准确性较差的问题。本发明通过采用一种用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置，包括泄放容器、泄放管线、气体排放管线、泄放物收集罐、泄放物收集罐排放管线，泄放容器顶部设有出口管线，出口管线与泄放管线和气体排放管线相连，泄放管线和气体排放管线并联，泄放管线和气体排放管线出口均与，泄放物收集罐相连，泄放物收集罐顶部设有泄放物收集罐排放管线；所述放管线、气体排放管线上均设有调节阀门的技术方案较好地解决了上述问题，可用于化学反应失控安全泄放系统中。

Description

用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置及方法。

背景技术

安全泄放是指密闭容器内一旦发生超压，承压设备的特定部位就会自动敞开，将引起设备超压的“多余的”物料或能量(或两者)排放到指定的安全位置，使设备内的压力始终保持在规定的范围之内，从而避免设备因超压造成过度的塑性变形甚至破裂。泄放是以容器的一定抗压强度为前提，通过合理设计泄放压力和泄压面积，及配备合适的泄放处理系统，便可达到安全泄放目的。安全泄放可分为物理泄放与化学反应失控泄放。物理泄放目前已经较为成熟，诸多标准如美国API520及国家GB 150等均提供了物理泄放的计算公式，较为准确。相比较而言，化学反应失控泄放发展较慢，自20世纪70年代以来，美国DIERS协会一直致力于失控反应安全泄放技术及设计方法的研究，提供了用于化学反应失控泄放面积计算的DIERS方法。

化学反应失控泄放面积的计算方法之一是采用公式法，难点是泄放过程产生两相流，计算泄放能力时，需要进行诸多假设，这些假设导致计算结果往往较为保守。另外，计算化学反应失控泄放面积时，所需数据均出自小试试验数据，由于小试试验装置传热较快，热惰性因子较高，也导致计算结果不够准确。DIERS协会为泄放面积计算开发了泄放尺寸实验仪(VSP2)，具有可绝热，热惰性因子小等优点，计算结果相对较为准确。

化学反应失控泄放面积计算的另一种方法是直接等比放大，即通过试验得到安全泄放的最小A/V(泄放面积与容器体积比)值，根据在不同大小容器中A/V为定值的特点直接等比放大计算泄放面积。该方法的优点是直接测试得到泄放面积，不需要公式计算中的多种假设，结果更为准确。用该方法进行计算时，需要足够大的反应器进行模拟，使两相流可充分发展，从而使结果更为准确。目前，国内尚没有成熟的紧急泄放系统模拟装置。

文献“化学反应失控条件下超压安全泄放的研究”利用高性能绝热量热仪(Phi-TECII)对不同反应系统热特性进行了测试，采用DIERS方法计算了紧急泄放面积，为目前进行反应失控泄放系统设计时普遍采用的方法。这些方法计算得到的结果过于保守，不利于工业应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中计算结果准确性较差的问题，提供一种新的用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置，具有计算结果准确性较好的优点。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决的技术问题之一相对应的用于化学反应失控安全泄放系统设计的方法。

为解决上述问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置，包括泄放容器、泄放管线、气体排放管线、泄放物收集罐、泄放物收集罐排放管线，泄放容器顶部设有出口管线，出口管线与泄放管线和气体排放管线相连，泄放管线和气体排放管线并联，泄放管线和气体排放管线出口均与，泄放物收集罐相连，泄放物收集罐顶部设有泄放物收集罐排放管线；所述放管线、气体排放管线上均设有调节阀门。

上述技术方案中，优选地，泄放物收集罐上设有液位计或压差计。

上述技术方案中，优选地，按照物流走向，气体排放管线上依次设有切断阀和泄放调节阀。

上述技术方案中，优选地，泄放管线上还设有手动阀，位于排气调节阀之前。

上述技术方案中，优选地，泄放管线的流通面积A与泄放容器的体积V之比为0.001m^-1≦A/V≦0.14m^-1。

上述技术方案中，优选地，泄放容器的体积V为0.5m³≦V≦5m³。

为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种用于化学反应失控安全泄放系统设计的方法，包括如下步骤：

(1)打开泄放调节阀，并计算泄放等效面积；

(2)打开排气调节阀及前面的手动阀；

(4)在泄放容器中加入模拟物料；

(4)模拟实际工况往泄放容器夹套内通入加热介质；

(5)当泄放容器内压力达到泄放压力时，打开泄放调节阀前切断阀，泄放容器内物料开始泄放，观察容器内压力与温度变化；

(6)若泄放容器内压力继续升高，表明泄放口径设置过小，将泄放调节阀开大，重复步骤(1)至(5)；若容器内压力下降，表明泄放口径设置足够，将泄放调节阀关小，重复步骤(1)至(5)，最终确定口径为能使容器内压力下降的最小口径，即能得到等效面积。

(7)计算工业装置所需泄放面积为：A＝V(A₀/V₀)，式中，V₀、A₀分别为测试泄放容器体积与最小安全等效面积。

上述技术方案中，优选地，在泄放容器中充一定压力气体,设置泄放调节阀的开度，使容器中的压力缓慢泄放，泄放流量通过以下公式计算：

其中，W为质量通量，kg/s，V为泄放容器体积，m³，M为泄放物分子量，kg/mol，R为气体常数，8.314J/(mol·K)，T为温度，K，P为泄放容器压力，Pa，t为时间，s。由上式得到质量通量W与泄放容器压力P的关系；

通过泄放容器的压力，根据气体泄放量计算公式计算W与P之间的关系：

为临界流时：

为非临界流时：

其中，

式中，A为等效面积，m²，γ为绝热指数，ρ为密度，kg/m³，P_atm为大气压，Pa，C_P为定压热容，J/(kg·K)，C_V为定容热容J/(kg·K)，通过上述公式，计算得到等效面积。

本专利中，通过设置泄放管线与阀门，可以在容器达到设定压力后打开切断阀，从而模拟安全阀/爆破片起跳的情况。通过调节阀，可以准确模拟不同的泄放口径；设置气体排放管线，可以及时排出在物料充装和初始加热时产生的气体；通过泄放物收集罐，可以测试排出的物料量，从而为准确的泄放系统计算提供依据；通过等比例放大方法，可以准确计算得到工业装置的安全泄放面积，相比公式计算更为准确，解决了传统模拟装置加料时憋压、泄放等效口径难以量化、泄放物无收集等问题，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为本发明所述装置的流程示意图。

图1中，1、泄放容器；2、泄放管线；3、气体排放管线；4、切断阀；5、泄放调节阀；6、手动阀；7、排气调节阀；8、泄放物收集罐；9、液位计或压差计；10、泄放物收集罐排放管线。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

在化学反应失控安全泄放系统设计中，目前常用的泄放面积计算方法较为保守，导致泄放面积大于实际需求，产生额外的建设、维护成本及安全隐患。化学反应失控安全泄放面积计算的一种有效的方式是建立安全泄放模拟装置，按A/V为定值的方式进行等比例放大。为此，本发明设计了图1所示的紧急泄放模拟装置，装置在传统容器基础上增加以下三个模块：

1、泄放管线与阀门；

2、气体排放管线与阀门；

3、泄放物收集罐。

自泄放容器气相出口接泄放管线，导入泄放物收集罐，气体排放管线与泄放管线2并联，用于排放加料及升温过程产生的气体。

泄放容器的体积0.5m³≦V≦5m³。

泄放管线上设置两个阀门，一个切断阀，用于开关控制，一个可精确调节流量的调节阀，用于调节泄放流量。通过泄放调节阀的不同开度，模拟不同的泄放面积。泄放管线的流通面积与泄放容器的体积比值0.001m^-1≦A/V≦0.14m^-1。

气体排放管线上设置一个阀门，为可精确调节流量的调节阀，用于调节气体排放速率。

泄放物收集罐上安装液位计或压差计，以计算排放物的质量。同时设置放空管线，防止憋压。

利用模拟装置进行测试，并计算工业装置的安全泄放面积，方法如下：

(1)打开泄放调节阀，并计算泄放等效面积；

(2)打开排气调节阀及前面的手动阀；

(3)在泄放容器中加入模拟物料；

(4)模拟实际工况往夹套内通入加热介质；

(5)当泄放容器内压力达到泄放压力时，打开泄放调节阀前切断阀，泄放容器内物料开始泄放，观察容器内压力与温度变化；

(6)若泄放容器内压力继续升高，表明泄放口径设置过小，将泄放调节阀开大，重复步骤(1)至(5)。若容器内压力下降，表明泄放口径设置足够，但为了避免过于保守，可以将泄放调节阀关小，重复步骤(1)至(5)。最终确定口径为可使容器内压力下降的最小口径(等效面积A₀)。

(7)计算工业装置所需泄放面积为：A＝V(A₀/V₀)，式中，V₀、A₀为测试泄放容器体积与最小安全等效面积，单位分别为m³与m²，V为工业装置实际容积，单位为m³。

其中，泄放等效面积的确定方法为：

在泄放容器中充一定压力的氮气，设置泄放调节阀的开度，使容器中的压力缓慢泄放，泄放流量可以通过以下公式计算：

其中，W为质量通量，单位为kg/s，V为泄放容器体积，单位m³，M为泄放物分子量，单位kg/mol，R为气体常数，单位为8.314J/(mol·K)，T为温度，单位为K，P为泄放容器压力，单位为Pa，t为时间，单位为s。

由式(1)，可以得到质量通量W与容器压力的关系。

另外，通过泄放容器的压力，可以根据气体泄放量计算公式计算W与P之间的关系：为临界流时：

为非临界流时：

其中，

式中，A为等效面积，单位为m²，γ为绝热指数，ρ为密度，单位为kg/m³，P_atm为大气压，单位为Pa，C_P为定压热容，单位为J/(kg·K)，C_V为定容热容，单位为J/(kg·K)。

通过式(1)-式(4)，即可得到等效面积。

【实施例2】

在化学反应失控安全泄放系统设计中，目前常用的泄放面积计算方法较为保守，导致泄放面积大于实际需求，产生额外的建设、维护成本及安全隐患。化学反应失控安全泄放面积计算的一种有效的方式是建立安全泄放模拟装置，按A/V为定值的方式进行等比例放大。为此，本发明设计了图1所示的紧急泄放模拟装置，装置在传统容器基础上增加以下三个模块：

1、泄放管线与阀门；

2、气体排放管线与阀门；

3、泄放物收集罐。

自泄放容器气相出口接泄放管线，导入泄放物收集罐，气体排放管线与泄放管线2并联，用于排放加料及升温过程产生的气体。

泄放容器的体积0.5m³≦V≦5m³。

泄放管线上设置两个阀门，一个切断阀，用于开关控制，一个可精确调节流量的调节阀，用于调节泄放流量。通过泄放调节阀的不同开度，模拟不同的泄放面积。泄放管线的流通面积与泄放容器的体积比值0.001m^-1≦A/V≦0.14m^-1。

气体排放管线上设置两个阀门，一个手动阀，用于开关控制，一个可精确调节流量的调节阀，用于调节气体排放速率。

泄放物收集罐上安装液位计或压差计，以计算排放物的质量。同时设置放空管线，防止憋压。

利用模拟装置进行测试，并计算工业装置的安全泄放面积，方法如下：

(1)打开泄放调节阀，并计算泄放等效面积；

(2)打开排气调节阀及前面的手动阀；

(3)在泄放容器中加入模拟物料；

(4)模拟实际工况往夹套内通入加热介质；

(5)当泄放容器内压力达到泄放压力时，打开泄放调节阀前切断阀，泄放容器内物料开始泄放，观察容器内压力与温度变化；

(6)若泄放容器内压力继续升高，表明泄放口径设置过小，将泄放调节阀开大，重复步骤(1)至(5)。若容器内压力下降，表明泄放口径设置足够，但为了避免过于保守，可以将泄放调节阀关小，重复步骤(1)至(5)。最终确定口径为可使容器内压力下降的最小口径(等效面积A₀)。

(7)计算工业装置所需泄放面积为：A＝V(A₀/V₀)，式中，V₀、A₀为测试泄放容器体积与最小安全等效面积，单位分别为m³与m²，V为工业装置实际容积，单位为m³。

其中，泄放等效面积的确定方法为：

在泄放容器中充一定压力的氩气，设置泄放调节阀的开度，使容器中的压力缓慢泄放，泄放流量可以通过以下公式计算：

其中，W为质量通量，单位为kg/s，V为泄放容器体积，单位m³，M为泄放物分子量，单位kg/mol，R为气体常数，单位为8.314J/(mol·K)，T为温度，单位为K，P为泄放容器压力，单位为Pa，t为时间，单位为s。

由式(1)，可以得到质量通量W与容器压力的关系。

另外，通过泄放容器的压力，可以根据气体泄放量计算公式计算W与P之间的关系：为临界流时：

为非临界流时：

其中，

式中，A为等效面积，单位为m²，γ为绝热指数，ρ为密度，单位为kg/m³，P_atm为大气压，单位为Pa，C_P为定压热容，单位为J/(kg·K)，C_V为定容热容，单位为J/(kg·K)。

通过式(1)-式(4)，即可得到等效面积。

【实施例3】

某生产有机过氧化物的反应釜，体积为100m³，物料质量76500kg，泄放物分子量M为0.152kg/mol，泄放压力P为900000Pa，绝热指数γ为1.3，密度为900kg/m³。为确定反应失控所需安全泄放面积，设计了图1所示的紧急泄放模拟装置，装置在传统容器基础上增加以下三个模块：

1、泄放管线与阀门；

2、气体排放管线与阀门；

3、泄放物收集罐。

自泄放容器气相出口接泄放管线，导入泄放物收集罐，气体排放管线与泄放管线2并联，用于排放加料及升温过程产生的气体。

泄放容器的体积为110ml。

泄放管线上设置两个阀门，一个切断阀，用于开关控制，一个可精确调节流量的调节阀，用于调节泄放流量。通过泄放调节阀的不同开度，模拟不同的泄放面积。泄放管线的流通面积与泄放容器的体积比值0.03m^-1。

气体排放管线上设置一个阀门，为可精确调节流量的调节阀，用于调节气体排放速率。

泄放物收集罐上安装液位计或压差计，以计算排放物的质量。同时设置放空管线，防止憋压。

利用模拟装置进行测试，并计算工业装置的安全泄放面积，方法如下：

(1)打开泄放调节阀，并计算泄放等效面积；

(2)打开排气调节阀及前面的手动阀；

(3)在泄放容器中加入模拟物料；

(4)模拟实际工况往夹套内通入加热介质；

(5)当泄放容器内压力达到泄放压力时，打开泄放调节阀前切断阀，泄放容器内物料开始泄放，观察容器内压力与温度变化；

(6)若泄放容器内压力继续升高，表明泄放口径设置过小，将泄放调节阀开大，重复步骤(1)至(5)。若容器内压力下降，表明泄放口径设置足够，但为了避免过于保守，可以将泄放调节阀关小，重复步骤(1)至(5)。最终确定口径为可使容器内压力下降的最小口径(等效面积A₀)。

(7)计算工业装置所需泄放面积为：A＝V(A₀/V₀)，式中，V₀、A₀为测试泄放容器体积与最小安全等效面积，单位分别为m³与m²，V为工业装置实际容积，单位为m³。

测试温度为303K。在泄放容器中充一定压力的氮气，设置泄放调节阀的开度，使容器中的压力缓慢泄放，测试所得参数为：泄放压力下压力下降速率dP/dt为185000Pa/s，泄放时为临界流动。

通过以下公式，即可计算得到工业反应釜所需安全泄放面积：

其中，W为质量通量，单位为kg/s，V为泄放容器体积，单位m³，M为泄放物分子量，单位kg/mol，R为气体常数，单位为8.314J/(mol·K)，T为温度，单位为K，P为泄放容器压力，单位为Pa，t为时间，单位为s。

式中，A为等效面积，单位为m²，γ为绝热指数，ρ为密度，单位为kg/m³，P_atm为大气压，单位为Pa，C_P为定压热容，单位为J/(kg·K)，C_V为定容热容，单位为J/(kg·K)。

计算得到等效面积为：6.47E-8m²。

工业反应所需安全泄放面积为：0.0588m²，直径为274mm。

【比较例】

对实施例3中的工业反应釜进行安全泄放系统设计。采用传统的方法，利用VSP2进行模拟实验，实验结果见下表1。

表1反应釜数据及测试所得数据

(1)泄放量W计算

其中，Q_G为体积通量，单位为m³/s；V为体积，单位m³；P为压力，单位为Pa；t为时间，单位s；T为温度，单位K；m为样品质量，单位kg；m_e为测试样品质量，单位kg；W为质量通量，单位为kg/s；α₀为空隙率。

(2)泄放能力G计算

利用Tangren法计算泄放能力，适用无摩擦流动。

首先计算η_c：

P₀η_c＝3.33bara

P₀η_c大于大气压，因此为阻塞流，η_c与η相等，计算泄放能力G为：

其中，η_c为临界压力比；υ为比体积，单位为m³/kg；G为泄放能力，单位为kg/(m²s)。

(3)泄放面积A计算

A＝W/G＝0.084m²

d＝328mm

其中，A为面积，d为直径。

可见，通过传统方法计算所得安全泄放面积高于本专利所述方法，过于保守，不利于工业应用。

Claims (4)

1.一种用于化学反应失控安全泄放系统设计的方法，采用用于化学反应失控安全泄放系统设计的装置进行，该装置包括泄放容器、泄放管线、气体排放管线、泄放物收集罐、泄放物收集罐排放管线，泄放容器顶部设有出口管线，出口管线与泄放管线和气体排放管线相连，泄放管线和气体排放管线并联，泄放管线和气体排放管线出口均与，泄放物收集罐相连，泄放物收集罐顶部设有泄放物收集罐排放管线；所述放管线、气体排放管线上均设有调节阀门；按照物流走向，泄放管线上依次设有切断阀和泄放调节阀；气体排放管线上还设有手动阀，位于排气调节阀之前；

所述方法包括如下步骤：

(1)打开泄放调节阀，并计算泄放等效面积a；

(2)打开排气调节阀及前面的手动阀；

(3)在泄放容器中加入模拟物料；

(4)模拟实际工况往泄放容器夹套内通入加热介质；

(5)当泄放容器内压力达到泄放压力时，打开泄放调节阀前切断阀，泄放容器内物料开始泄放，观察容器内压力与温度变化；

(6)若泄放容器内压力继续升高，表明泄放口径设置过小，将泄放调节阀开大，重复步骤(1)至(5)；若容器内压力下降，表明泄放口径设置足够，将泄放调节阀关小，重复步骤(1)至(5)，最终确定口径为能使容器内压力下降的最小口径，即能得到最小安全等效面积A₀；

(7)计算工业装置所需泄放面积为：A＝V(A₀/V₀)，式中，V₀、A₀分别为测试泄放容器体积与最小安全等效面积，V为工业装置体积；

其中，泄放等效面积a的确定方法为：

在泄放容器中充一定压力气体,设置泄放调节阀的开度，使容器中的压力缓慢泄放，泄放流量通过以下公式计算：

其中，W为泄放流量，kg/s，V₀为泄放容器体积，m³，M为泄放物分子量，kg/mol，R为气体常数，8.314J/(mol·K)，T为温度，K，P为泄放容器压力，Pa，t为时间，s，由上式得到泄放流量W与泄放容器压力P的关系；

通过泄放容器的压力，根据气体泄放量计算公式计算W与P之间的关系：

为临界流时：

为非临界流时：

其中，γ＝C_P/C_V

式中，a为泄放等效面积，m²，γ为绝热指数，ρ为密度，kg/m³，P_atm为大气压，Pa，C_P为定压热容，J/(kg·K)，C_V为定容热容J/(kg·K)，通过上述公式，计算得到泄放等效面积a。

2.根据权利要求1所述用于化学反应失控安全泄放系统设计的方法，其特征在于泄放物收集罐上设有液位计或压差计。

3.根据权利要求1所述用于化学反应失控安全泄放系统设计的方法，其特征在于泄放管线的泄放等效面积a与泄放容器的体积V₀之比为0.001m^-1≦a/V₀≦0.14m^-1。

4.根据权利要求1所述用于化学反应失控安全泄放系统设计的方法，其特征在于泄放容器的体积V₀为0.5m³≦V₀≦5m³。

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