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淺談安全閥超壓泄放量的計(jì)算

文檔作者：劉海浪徐建峰文檔來(lái)源： 1．浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 2．溧陽(yáng)市喬森塑料有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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第10期 一33
淺談安全閥超壓泄放量的計(jì)算
劉海浪 ，徐建峰
(1．浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司， 浙江杭州31。O12)
(2．溧陽(yáng)市喬森塑料有限公司， 浙江杭州31 0003)
[摘要]闡述了化工設(shè)備中安全閥的超壓分類，對(duì)國(guó)內(nèi)外的安全閥超壓泄放量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸納。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)
對(duì)某反應(yīng)釜工藝的分析，具體介紹了超壓狀態(tài)下安全閥泄放量的計(jì)算過(guò)程，可為石油化工設(shè)備的安全閥超壓泄放量計(jì)算提
供參考。
[關(guān)鍵詞]安全閥；超壓安全泄放；計(jì)算
在石油化工裝置中，為了防止生產(chǎn)系統(tǒng)壓力
超過(guò)容器和管道的設(shè)計(jì)壓力而發(fā)生爆炸事故，往
往都會(huì)在容器或管道上設(shè)置安全閥。安全閥的選
用首先應(yīng)計(jì)算設(shè)備在各種超壓工況下的泄放量，
其次求出在最大泄放量下相應(yīng)的安全閥最小截面
積，作為安全閥選型的依據(jù)。安全閥的超壓工況
實(shí)際是由于非平衡狀態(tài)下物料的流動(dòng)或其能量積
累造成的。從引起累積的途徑上可以分為物理超
壓和化學(xué)超壓。物理超壓有設(shè)備內(nèi)物料突然積聚
引起的超壓、物料受熱膨脹引起的超壓、過(guò)熱液
體突沸引起的超壓、飽和液化氣體受熱蒸發(fā)引起
的超壓和瞬時(shí)壓力脈動(dòng)等?；瘜W(xué)超壓則可分為可
燃?xì)怏w的燃爆超壓、可燃粉塵的燃爆超壓和放熱
化學(xué)反應(yīng)失控引起的超壓等。本文結(jié)合上述幾種
超壓情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算說(shuō)明。
1國(guó)內(nèi)外安全閥泄放量計(jì)算主要標(biāo)準(zhǔn)
1．1 GB150．1～150．4—2011《壓力容器》ll
文獻(xiàn)[1 在通用要求附錄B中對(duì)盛裝壓縮氣體或
水蒸汽的容器、產(chǎn)生蒸汽的換熱設(shè)備、盛裝液化
氣體和因化學(xué)反應(yīng)使氣體體積增大的容器等4種情
況分別給出了安全閥泄放量的計(jì)算公式。
1．2 HG／T20570．2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》[2】
文獻(xiàn)口 適用于化工生產(chǎn)裝置中壓力容器和管道
所用安全閥。該文獻(xiàn)分別從閥門誤關(guān)閉、循環(huán)水
故障、不凝氣的積累、過(guò)度熱量輸入、化學(xué)反應(yīng)
失控及外部火災(zāi)等10種情況給出了安全閥泄放量
的計(jì)算公式。
容器建造規(guī)則》給出了介質(zhì)為飽和蒸汽、空氣、
天然氣和水的安全閥泄放量計(jì)算公式。
1．4 API RP 520 Sizing，Selection，and Installation of
Pressure—relieving Devices[4]及API RP 52 1 Pressurerelieving
Depressuring Systems【 ]
文獻(xiàn)[4 適用于煉油廠壓力釋放裝置的尺寸選
定、選擇和安全。該文獻(xiàn)給出了水蒸汽、氣體或
蒸汽、液體和氣液兩相等情況下安全閥泄放量的
計(jì)算公式。文獻(xiàn)[ 是文獻(xiàn) 的補(bǔ)充， 目的是幫助選
擇最適用于各種裝置在出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)的泄壓和
減壓系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)SY／T 10044—2002《煉油
廠壓力釋放裝置的尺寸確定、選擇和安裝的推薦
作法》[6】相當(dāng)于API RP 520，SY／T 10043—2002《泄
壓和減壓系統(tǒng)指南》 實(shí)際上相當(dāng)于API RP 521。
1．5 其他
TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》
給出了蒸汽鍋爐上的安全閥泄放量的計(jì)算公
式。GB／T 12241—2005《安全閥一般要求》『9】分
別從飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽、空氣或其他氣體、液
體等4種情況給出了安全閥泄放量的計(jì)算公式。
EN ISO 4 1 26—1 Safety Device For Protection Against
Excessive Pressure『l01則給出了氣體、水蒸汽和液體
情況下安全閥泄放量的計(jì)算公式。
上述標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于水蒸汽泄放量的計(jì)算公式基本
大同小異。對(duì)氣體介質(zhì)的泄放量計(jì)算公式均劃分
為臨界和亞臨界兩種情況，只是其中相關(guān)修正系
數(shù)有些差異。不過(guò)文獻(xiàn) 基本引用了文獻(xiàn) 的公
1．3 ASME VII．1 Rules for construction of pressure ????????????????????????????????????·-·
vess
一 碩士研究生
ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅷ 卷第一冊(cè)《壓力
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．
34． ■論文廣場(chǎng) 2石0油15和年化第工18設(shè)卷備
式，兩者可以通用。
2安全閥泄放量計(jì)算
安全閥作為石油化工設(shè)備中的一種超壓保護(hù)
裝置，在確定設(shè)備或系統(tǒng)所配置的安全閥口徑和
數(shù)量時(shí)必須進(jìn)行泄放量計(jì)算。安全閥的額定排量
大于并盡可能接近被保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)在超壓事故
情況下必須的泄放量。設(shè)備一旦發(fā)生超壓，安全
閥立即敞開(kāi)泄放通道，將造成超壓的多余能量和
物料排放到設(shè)備以外的安全處，使設(shè)備內(nèi)的壓力
始終保持在某一規(guī)定值以內(nèi)，從而避免設(shè)備或系
統(tǒng)因超壓造成過(guò)度塑性變形甚至破裂。以下為計(jì)
算實(shí)例。
一臺(tái)編號(hào)為A1l4的帶夾套反應(yīng)釜， 容器規(guī)格
1600／ 1700×2960，兩端橢圓形封頭， 設(shè)各
外部有保溫層。反應(yīng)釜中投入丙酰氯、二氯甲烷
和氯化鋅，滴加異丁醛，保溫反應(yīng)一段時(shí)間。滴
加異丁醛時(shí)控制體系溫度為10±5℃ ，然后升溫
至20±3℃保溫。反應(yīng)時(shí)體系內(nèi)含有1200LZ．氯甲
烷，600 kg丙酰氯，0．6 kg氯化鋅及480 kg異丁醛，
反應(yīng)后生成約1050 kg左．4。經(jīng)分析，左一4生產(chǎn)過(guò)
程中可能出現(xiàn)三種因內(nèi)部或外部原因引起的設(shè)備
超壓情況。以下為工況分析匯總表。
表1 工況分析匯總表
工況 可能的工況分析 后果
工況一 夾套水蒸氣不斷汽化放熱 反應(yīng)釜內(nèi)不斷升溫，物料蒸發(fā)形成超壓
工況二 外部火災(zāi)或危險(xiǎn)工況時(shí)意外熱量輸入 同上
工況三 放熱化學(xué)反應(yīng)失控 同上
(1)I況一
當(dāng)反應(yīng)釜進(jìn)行蒸餾操作時(shí)，夾套中通水蒸汽
加熱。當(dāng)蒸汽閥門或儀表出現(xiàn)異常，導(dǎo)致水蒸汽
在夾套中不斷汽化放熱，不斷傳遞熱量給反應(yīng)釜
內(nèi)筒， 最終會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)的液體和氣體物料受
到意外的熱量輸入。查資料可得，二氯甲烷共沸
物約為55℃左右。二氯甲烷遇明火、高熱可燃，
屬于易燃液化氣體。當(dāng)熱量持續(xù)輸入，二氯甲烷
就在密閉的空間內(nèi)迅速達(dá)到飽和蒸汽狀態(tài)，并且
反應(yīng)釜內(nèi)同時(shí)還有部分空氣受熱膨脹等，綜合作
用下超壓時(shí)排放主要以二氯甲烷氣體為主。由能
量守恒原理可知，在最極端工況下，夾套中水蒸
汽汽化放出的熱量完全被反應(yīng)液吸收，導(dǎo)致反應(yīng)
釜內(nèi)低沸點(diǎn)介質(zhì)不斷汽化。查資料可得，飽和水
蒸汽流速為15．30 m／s，水蒸汽密度為0．583 kg／m ，
水蒸汽在該溫度下的汽化潛熱為2360 kJ／kg，則夾
套中水蒸汽完全汽化放出的最大熱量Q =7．2 X 10
kg／h。已知二氯甲烷的汽化潛熱329．4 kJ／kg，則夾
套中水蒸汽放熱導(dǎo)致二氯甲烷氣體排量W =21 8．6
／Il。
(2)工況二
當(dāng)設(shè)備外部發(fā)生火災(zāi)極端情況時(shí)，設(shè)備內(nèi)
部也會(huì)出現(xiàn)熱量的積聚，最終也會(huì)導(dǎo)致二氯甲烷
不斷汽化和膨脹，最后形成超壓現(xiàn)象。按相關(guān)標(biāo)
準(zhǔn)， 有完善的絕熱保溫層時(shí)， 外部火災(zāi)引起的安
全泄放量按下式計(jì)算
wo ：：—2．61(650-—t)AA,．~8-~
一
×
式中：W。為外部熱源產(chǎn)生的安全泄放量，t
為泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度， 入為絕熱材料的
導(dǎo)熱系數(shù)，0．126 kJ／m，At=3．14D。(L+0．3D。)，D。
為容器外直徑，1600 mm；L為總長(zhǎng)2960 mm。
6為容器保溫層厚度，0．05 Irl，q為在泄放壓力
下，泄放介質(zhì)的汽化潛熱，329．4 kJ／kg。計(jì)算可得
Ar=17-3 m ，則因外部熱源原因設(shè)備的安全排放量
Wo=122．9 kg／I1。
f3)I況三
在左．4藥物制備過(guò)程的正常工況下，滴加異
丁醛時(shí)伴有發(fā)熱產(chǎn)生。由已知資料可得， 該化
學(xué)反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)。反應(yīng)釜裝設(shè)夾套冷卻裝置
以排除反應(yīng)熱，防止設(shè)備內(nèi)壓力和溫度的過(guò)分升
高，使反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行。但如果由于閥門故障、冷
凍鹽水故障等異常情況下造成冷卻不足，設(shè)備內(nèi)
就會(huì)積聚反應(yīng)熱，物料的溫度將逐漸升高。溫度
的上升又促使反應(yīng)速度加快，隨之而來(lái)的是反應(yīng)
熱的不斷增加和溫度的急劇升高，即反應(yīng)失控。
這種惡性循環(huán)有時(shí)會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)使反應(yīng)釜內(nèi)的
溫度、壓力發(fā)生激增，最終導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)的液化
氣體受熱膨脹，形成超壓爆炸。因化學(xué)反應(yīng)使氣
體體積增大的設(shè)備，其安全泄放量應(yīng)根據(jù)設(shè)備內(nèi)
化學(xué)反應(yīng)可能生成的最大氣體量及反應(yīng)時(shí)間來(lái)確
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第10期 劉海浪等淺談安全閥超壓泄放量的計(jì)算 一35一
定。作為輔助泄放裝置，考慮在有可能遇到火災(zāi)
或接近不能預(yù)料的外來(lái)熱源需要增加泄放面積
的，應(yīng)考慮設(shè)置安全閥和爆破片并聯(lián)使用。反應(yīng)
釜中化學(xué)反應(yīng)方程式如圖l所示。
／／^、 +
o
C3H 5ClO 92 52
丙酰艇 驊r醚
圖1 左一4反應(yīng)方程式
／
o7
C7H13CIO2 164 62
杰．4
由化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)原理可知： 化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)
準(zhǔn)焓變等于生成物標(biāo)準(zhǔn)生成熱之和減去反應(yīng)物標(biāo)
準(zhǔn)生成熱之和。查資料可知，生成lmol的左一4，
該反應(yīng)會(huì)放出252 kJ的熱量。在左一4縮合反應(yīng)中，
生成的熱量大部分被二氯甲烷汽化吸收，排放氣
體主要以二氯甲烷為主，反應(yīng)釜在較短的時(shí)間內(nèi)
迅速達(dá)到飽和蒸汽壓，最終導(dǎo)致安全閥的安全開(kāi)
啟。異丁醛的最大滴加速率v=137．14 kg／h，則計(jì)算
出該時(shí)的設(shè)備安全泄放量Wr=1454．8 kg／Il。
綜上所述， 反應(yīng)釜的最終安全泄放量應(yīng)為
三種工況下的泄放量總和，再通過(guò)泄放面積的相
關(guān)計(jì)算公式獲得最小泄放面積以及安全閥閥座口
徑，參照安全閥樣本或其他資料，選用適當(dāng)?shù)陌?
全閥。結(jié)合反應(yīng)釜盛裝介質(zhì)的特性，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
選用封閉全啟式安全閥和爆破片并聯(lián)使用。同時(shí)
針對(duì)其易燃易爆的特性，還應(yīng)在安全閥的排出口
裝設(shè)導(dǎo)管，將泄放介質(zhì)引至安全地點(diǎn)并進(jìn)行妥善
處理，不能直接排入大氣。
3結(jié)束語(yǔ)
安全閥泄放量的計(jì)算涉及熱力學(xué)知識(shí)，同時(shí)
不同的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式又存在一些差異，所以安全
閥泄放量的計(jì)算是長(zhǎng)期困擾設(shè)計(jì)者的難題。本文
結(jié)合工程設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，介紹帶夾套的
反應(yīng)釜事故時(shí)安全閥泄放量的計(jì)算方法，并對(duì)可
能遇到的工況進(jìn)行了分析，可為石油化工設(shè)備的
安全閥超壓泄放量的計(jì)算提供參考。
◆參考文獻(xiàn)
[1]GB150．1～150．4．2011，壓力容器【S]．
【2]HG／T20570．2．1995，安全閥的設(shè)置和選用[S]．
f31 AS／VIEⅧ ．1．2013，Rules for construction ofpressure vessels[S]．
[4】API RP 520—1—20 1 4，Sizing，Selection，and Installation of
Pressure-relieving Devices[S]．
[5]API RP 521—2014，Pressure relieving Depressuring Systems[S]．
[6】SY／T 10044．2002，煉油廠壓力釋放裝置的尺寸確定、選
擇和安裝的推薦作法[S】．
[7]SⅥ 10043．2002，泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S]．
[8]TSG GO001．2012，鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]．
[9】GB／T 12241．2005，安全閥一般要求[S】．
[10]EN ISO 4126—1—2013，Safety Device For Protection Against
Excessive Pressure[S]．
(上接32頁(yè))
件和時(shí)間的限制，本文未能建立更加準(zhǔn)確的模
型，未能更好的優(yōu)化此封頭，更未能計(jì)算出最佳
厚度，以上問(wèn)題將在今后的研究中加以考慮和解
決。
◆參考文獻(xiàn)
[1】賀匡國(guó)．壓力容器的分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出
版社，1995．
[2】王勖成，邵敏．有限單元法基本原理和數(shù)值方法(第二
版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1997．
[3】嘉木工作室．ANSYS5．7有限元實(shí)例分析教程[M】 E京：機(jī)
械工業(yè)出版社，2002．
[4】郭乙木，陶偉明．線性與非線性有限元及其應(yīng)用【M】．北
京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．
[5]ANSYS11．0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析(第二版)IS]．北
京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．
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