（安全技术及工程专业论文）化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发.pdf

d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fd e v i c e so f p h y s i c a ls u p e r p r e s s v e n t i n g o fv e s s e l a b s t r a c t s u p e r - p r e s sv e n t i n go f v e s s e li sa l li m p o r t a n ts a f e t yi s s u ei nm o d e mc h e m i c a lp l a n t a n e x p l o s i o n a n d g r e a tl o s sw i l lb ec a u s e d i f t h es u p p e r p r e s so f t h ev e s s e lw i l ln o tb es o l v e di n g o o d t i m e a sar e s u l t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ep r o p e r t yo f t h en a t i o na n dt h es a f e t yo f t h ep e o p l et or e s e a r c hh o wt ov e n tt h es u p p e r p r e s sv e s s e li nt i m e i nt h i sp a p e r , v e n t i n go f p r e s s u r eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a n dap r o g r a mf o rv e n t i n go f p r e s s u r ed e s i g nw h i c hi s u s e dw i d e l ya n de a s i l ya n de x a c t l yi sp r o g r a m m e d t h em a j o r w o r ko f t h i sp a p e ri sf o l l o w i n g ： 1 、t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h e _ i e s e a r c hs t a t u so ft h i sa r e a t h ee m p h a s i si sl a i do nt h e d e s i g ns t m t e g i e s ，d e s i g nm o d e l sa n d s o m ec o m m e n t sa r em a d eo nt h e s er e s p e c t s b a s e do n t h ee n e r g ya n dm a s sb a l a n c e ，t w oh y d r o d y n a m i c si n g r e d i e n t sw h i c ha f f e c tt h ev e n t i n g c o e f f i c i e n tc dh a v eb e e nd e r i v a t i v e ，a n dt h es i m p l ec a l c u l a t ef o r m u l ai s g a i n e d t h e m e t h o d sa n da p p l i c a b l es c o p eo f r e l i e v i n ga r e ab y t w o p h a s ef l o wm o d e l w e r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft w op h a s ef l o wm o d e lo fa p l 5 2 0w a sc o m p a r e dw i t h t h a to f d i e r si nt h i sp a p e ra sw e l l 2 、b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ec o d e so f a p l 5 2 0 、i s 0 6 7 1 8a n do b 5 6 7f o rv e n t i n go f p r e s s u r e ，t h ep r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e do n ep h a s ef l o wa c c o r d i n gt oa p l 5 2 0 ，t w op h a s e f l o wa c c o r d i n gt od i e r s t h ep r o g r a mw h i c hi sw r i t t e nw i t hv i s u a lb a s i c6 0i su s e d e a s i l ya n d t h ei n t e r f a c eo ft h ep r o g r a mi sv e r yf r i e n d l ya n dv i s u a l t h ep r o g r a mf o u n dt h e d a t a b a s eo f c r i t i c a l p a r a m e t e r 、t h ed a t a b a s eo f l i q u i d a n dg a sb y a c c e s s 2 0 0 0 i n t h e p r o g r a m ， n o t o n l yt h e u s e ro f t h e p r o g r a m i sf l e eo f d a t a i n p u t ，b u ta l s oa v o i d t h et r o u b l eo f i n q u i r i n g a b o u tt h ed e s i g n i n gc h a r tb yh a n d t h ed a t a b a s ei sl i n k e dw i t ht h e p r o g r a mb yd a o ( d a t a a c c e s so b j e c t ) ，a n du p d a t eb yu s e r si sa l l o w e d 3 、t h e p r o g r a mc a n c a l c u l a t e t h er e l i e f q u a n t i t y 、r e l i e f a r e a a n d r e l i e f c a l i b e r o f v e n t i n g o f p r e s s u r e t h eu s e r sc a nd o t h ef o l l o w i n gv e n t i n gd e s i g n s ：t h es u p p e r p r e s sv e n t i n go ft h e v e s s e lw h i c hi sf u l lo fs t e a m ；t h es u p p e r p r e s sv e n t i n go ft h ev e s s e lw h i c hi sf u l lo fg a s c o m p r e s s o r ；t h es u p p e r p r e s sv e n t i n go ft h ev e s s e lw h i c hi s f u l lo fl i q u e f i e dg a s ；t h e s u p p e r p r e s sv e n t i n go f t h ev e s s e lw h i c hi sf u l lo fl i q u i d ；t h es u p p e r p r e s sv e n t i n go ft h e i i v e s s e lw h i c hi sf u l lo f l i q u i da n dv a p o r 4 、c o n c e p t u a ld e s i g no fp r e s s u r er e l i e fs y s t e m si sa ni m p o r t a n ts t a g ei nt h ed e s i g no fa s a f ep r o c e s sp l a n t t h ec o n c e p t u a ld e s i g ns t a g ec o n s i s t so f t h e f o l l o w i n gs t e p s ：f i r s t l y , a f t e r d e c i d i n go nt h el o c a t i o no fp r e s s u r er e l i e fd e v i c e s ，t h ep r o g r a mc a r la s c e r t a i nt h et y p eo f p r e s s u r er e l i e fd e v i c ea u t o m a t i c a l l yf o re a c hi d e n t i f i e dl o c a t i o ni fi ti sn e e d e d ，i e s a f e t y v a l v ea n d o rb u r s t i n gd i s c ( r u p t u r ed i s c ) ，a n ds e l e c tt h ev e n t i n gd e v i c et y p eo nt h eb a s eo f t h ec o n d i t i o n sa u t o m a t i c a l l y f i v es a f e t yv a l v e sa n d e i g h tb u r s t i n gd i s c sa r eo f f e r e di nt h i s p r o g r a m ，i t w i l lo f f e rt h ec a l c u l a t i n gr e s u l ta n dt h es h o w i n gc h a r t 。 5 、t h ep r o g r a mf o r v e n t i n gd e s i g n h a sb e e nc h e c k e d u pb y f a c t u a le x a m p l e sa n dt h ee r r o r o f t h ed e s i g ni nu n d e r6 i tc a n p r o v i d e a d e s i g n i n gb a s i sf o r t h e d e s i g n e r k e yw o r d s ：s u p e r - p r e s sv e n t i n go f p h y s i c s ；r e l i e f s e t t i n g ；p r o g r a m m i n g ；t w op h a s e f l o w ；d i s c h a r g e a r e a i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：弛】丝日期：塑：么! 歹 大连理工大学硕士学位论文 引言 在化工、石油、药品以及食品等行业中广泛存在着具有高温高压性质的工艺物料和 产品。这些物质通常都存放于密闭的容器中，一旦发生超压而不采取应急措施，将会发 生爆炸，后果不堪设想。压力容器安全泄放技术是一种降低容器爆炸破坏程度的有效措 施。 本文主要对物理超压的泄放进行研究，编制计算程序，自动进行安全泄放设计。 超压泄放，是指密闭容器内一旦发生超压，容器的规定部位就会自动敞开，容器内 部就不会产生不可承受的高爆炸压力。因而不必使用抗高压的结构。把容器内的超压物 质排放到大气里去，可以把压力限制在容器材料强度所能承受的范围之内。泄放是以容 器的一定抗压强度为前提的，也就是说，泄放后，容器内的最大压力不能高于容器强度 所允许的数值。设计合理的泄放压力，确定恰当的泄压面积可以有效的达到安全泄放的 目的。 物理超压的主要特征是在整个超压过程中，系统本身不发生任何化学反应，因此不 存在燃烧发光那样的火焰形式“1 。由于设备超压具有巨大的破坏性，所以研究超压泄放 技术对于国家财产和人民生命安全具有重大的意义。 压力泄放系统的设计由两个阶段所组成：方案设计阶段和泄放系统尺寸设计阶段。 对于方案设计阶段，如果有适当的决策图，它将会非常有帮助，就能够按照已存在 的指导方针，规范，标准等来设计。p a r r y ( 1 9 9 4 ) 提出了一个决策图用来判定是使用安 全阀还是爆破片“1 。c c p s 在对决策图作了微小的修正后，出现在了c c p s ( 1 9 9 8 ) 中。1 。 本文要对决策图作进一步的校订，并且为方案设计阶段中剩余的步骤确定另外的决策图。 这篇论文为方案设计阶段的不同步骤介绍四个决策图。为了简单的缘故，将我们的 注意力集中在给压力装置增压而没有爆炸危险的系统，也就是气体水蒸汽粉尘液化气 没有爆炸的危险。我们也只考虑正向的压力泄放，也就是在压力容器中不出现负压。 泄放系统尺寸设计阶段主要是指安全装置的安全泄放面积的计算，由于在泄放的时 候，被泄放的流体可能是液体，汽液共存状态，气体或超临界状态。这就给安全系统的 设计带来了难题，就是必须有能力处理各种各样的工艺操作条件。因此安全装置的安全 泄放面积的计算必须依靠准确地分析，这是选择安全装置的类型和尺寸的基础。国外的 设计协会为紧急泄放系统已经进行了泄放系统尺寸设计的系统性的综合研究，主要由两 种计算方法，一种是单相流泄放模型，使用这种方法的有( p a r r y ，1 9 9 4 ：c c p s ，1 9 9 3 ”】， 1 9 9 8 ；d u x b u r y ，r u s h t o n c r o o k s ，1 9 9 8 “；c r o w l & l o u v a r ，1 9 9 0 【6 ；j e n e t t ，1 9 6 3 巴i s a a c s ， 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 1 9 7 1 ”1 ) ，规章，规范和标准有( a p ir p5 2 0 ，1 9 9 0 。1 ：a p ir p5 2 1 ，1 9 9 0 ”；a p is t d2 0 0 0 ， 2 0 0 0 “) ，但是这种方法在应用于临界流动状态和泄放系数的计算时有时是难以获得满 意的结果的。另外一种是两相流模型，直到现在一直在进行对于反应装置的两相流泄放 ( f i s h e r ，f o r r e s t ，g r o s s e l ，1 9 9 2 “”：d i e r s1 9 9 5 “，1 9 9 8 ”4 。) 的研究。由于细节和 保险系数的不同，对于相同的场合施行不同的指导方针可能提供不同的结果。要以一个 审慎的方式评审所有的可适用指导方针，规范，标准等，在设计之前选择一种设计原则。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 物理超压的特点 在物理超压过程中，参与引起化工设备超压的化学介质的化学性质不发生变化，仅 仅是由于外部原因导致系统内介质的状态参数( 压力，温度，体积) 发生较大变化，并 在一定时间内释放出一定的能量对设备做功而引起破坏。引起容器物理超压的原因很多， 例如高压气体窜入低压设备内：饱和液体的气相空间突然减压( 如设备腐蚀开裂) 而导 致过热液体急剧的沸腾汽化而产生的蒸汽爆炸，两种不同温度的液体经充分搅拌混合， 使得低温液体急剧汽化；容器的进1 ：3 阀或入口阀错误的关闭，造成内部物质聚集引起容 器内压力上升等。 1 2 物理超压的原因 图1 1 压力容器的物理超压原因 f i g1 1 t h e r e a s o n f o r p h y s i c a ls u p p e r p r e s s o f p r e s s u r e v e s s e l ( 1 ) 容器内物料的突然积聚引起的超压 对于某些中间贮存容器( 例如压缩机的缓冲罐，锅炉汽包，气液分离罐等) ，出口 管线受阻( 如错误地将出口阀关闭) ，对于气体贮罐或其它容器的过量充装，均可由于 物料在容器内积聚引起超压e 对于位于高压设备下游的低压容器，由于减压阀失灵，会 使低压容器超压等。这种类型的超压，大都是由于操作失误，或控制阀失灵引起的。 ( 2 ) 物料受热膨胀弓l 起的超压 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 当容器内的液体或气体物料受到意外的热输入时，由于其体积膨胀会使容器超压。 例如发生火灾的情况。 ( 3 ) 过热液体蒸发引起的超压 过热液体是不稳定的，它很容易破坏过热状态产生突沸现象。此时由于大量蒸汽的 突然产生会使容器内的压力急剧上升。这种现象有时称作蒸汽爆炸。 一种类型的蒸汽爆炸是由于饱和液体突然受热后处于过饱和状态引起的。水蒸汽爆 炸是这类爆炸中最常见的形式。例如炼钢厂的熔融铁或高温炉渣，熔融铝，碳化钙制造 厂的熔融碳化钙，造纸厂回收熔融盐等，与水接触时就会引起水蒸汽爆炸。 当具有不同沸点的饱和液体混合时，在一定条件下，由于高沸点的饱和液体对低沸 点的饱和液体突然加热。使低沸点的饱和液体暂时处于过饱和状态。例如在盛有液化丁 烷( 沸点温度为0 5 。c ) 的容器内，注入液化甲烷( 沸点温度为一1 6 2 。c ) ，就会发生激烈 的蒸汽爆炸。对于碳氢化合物，由于它们能在任意比例下混合，所以这种混合极易发生 蒸汽爆炸。 另一类蒸汽爆炸是由于密闭容器内饱和液体与饱和蒸汽的平衡被破坏引起的。例如 锅炉蒸汽包由于某种原因其压力突然降至常压，汽包内的饱和液体失去原有的平衡，而 变为不平衡的过热状态。发生这种蒸汽爆炸的必要条件为： 容器内过热液体量要大； 液体的加热温度和其常压沸点间的温差要大： 接近容器气相部分的液面处，产生尽可能大的裂口，容器内的压力急速下降等。 即使容器产生裂口，如其裂口面积较小，蒸汽爆炸也不会发生。设置在容器气相部 分的超压泄放装毳，由于排放面积较小，即使超压泄放装置动作，容器内压力也不会急 剧下降，无需担心发生蒸汽爆炸。 只有在容器气相部分形成较大裂口，才可能发生蒸汽爆炸。如在液相部分产生裂口 时，尽管液体流出并产生瞬时快速蒸发但由于液体的流动阻力较大，内压的下降速度 缓慢，容器内液体的蒸汽爆炸就难以发生。 万一容器中没有气相部分，而完全被高压状态的液体充满时，即使容器上的很小裂 缝，使少量液体泄漏就能引起内压的显著下降，这时就有可能发生蒸汽爆炸。 ( 4 ) 瞬时压力脉动引起的超压 水锤作用在充满液体的系统中，由于控制阀们迅速关闭，可能会在系统中引起冲 击波通常称之为水锤作用。发生水锤作用时，系统中的压力可以在极短的时间内， 剧增至原来的许多倍，此时现有的任何超压装置都无济于事。因为他们的响应速度太慢。 大连理工大学硕士学位论文 水锤作用对容器和管道的危害极大。在系统中设置脉动阻尼装置，就可以避免形成冲击 波，防止水锤作用发生。 气锤作用对于可压缩流体，如果系统中的控制阀迅速关闭，也可能形成冲击波一 一通常称之为气锤作用，其危害与水锤作用类似，避免使用速动阀门，可防止气锤作用 的发生。 ( 5 ) 饱和液化气体受热蒸发引起的超压 贮存液化气体的贮罐，受到外部热输入时，就可能因液化气体蒸发而发生超压。对 于高压液化气( 临界温度较低) ，受热后有可能全部气化。而低压液化气受热后可能由 于液相因体积膨胀而充满容器。 1 。3 物理超压泄放设计方法 化工厂设计者的一个重要职责就是要确保在符合设计条件的情况下，工厂能够安全 的运转。系统能够承受的最大压力是事先设计好的，但是在运转期间可能出现危险情况。 这可能是由于不正确的操作，设备故障，外部起火，热膨胀或一些其他的理由所引起的。 如果不对系统进行保护，过度压力可能导致机械损伤而产成灾难性的后果，造成财产损 失，有毒化学药质的污染，甚至出现人员的死亡。因此，必须采用压力泄放系统。 泄放设计程序是否具有权威性和广泛的通用性，关键要看它依据的设计标准是否得 到了广泛公认。目前，化工设备的安全泄放装置主要有安全阀和爆破片，国内外有很多 介绍其设计的标准，他们共同的设计思想是先确定容器的泄放量，然后计算容器的泄放 口径。 通常规定，在整个泄压过程中，不管设备内的压力继续增长与否，容器内的压力都 须限制在该设备的设计压力之下。为此，为了设计出合理的泄放口径，必须首先确定化 工容器的安全泄放量“1 。 在分析了安全装置的泄放量计算的基础上，进一步讨论泄放口径的设计方法。 紧急压力泄放系统设计的技术在最近1 0 年内取得了重大的进步。物理超压泄放是泄 放研究中较为成熟的种，国内外有很多相应的设计标准。较有代表性的有：a s m e 一1 9 8 9 卷附录1 1 “、a p l 5 2 0 2 0 0 0 、i s 0 6 7 1 8 1 9 9 1 。6 1 及g b 5 6 7 1 9 9 9n 7 1 等。其中，i s 0 6 7 1 8 和 g b 5 6 7 适用于爆破片装置设计，a p l 5 2 0 主要适用于安全阀装置设计。对于泄放面积的计 算，两类标准的差别不大。4 种标准共采用了两种不同的设计方法，一种是泄放系数法， 另一种是流动阻力法。 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 ( 1 ) 泄放系数法将泄放装置简化为渐缩喷管模型。假设流体流经泄放管的时间极 短，与管壁间的热交换极少，可近似看成绝热过程。利用气体动力学和热力学定律推导 出计算公式，再根据不同的设计条件，在公式中引入相应的泄放设计系数。采用这种方 法设计，必须满足以下条件： 安全装置必须安装在距容器出口8 倍泄放管直径的范围内。由于流体在泄放管入 口管段的流动不可避免地要产生压力损失，使得安全装置处的压力低于设计的泄放压力。 泄放系数法为了简化计算，忽略了入口管段的压力损失。为了保证压力损失与泄放压力 相比可以忽略不计，满足设计计算的精度要求，经过精密的研究计算，标准将泄放管入 口段的长度限制在8 倍的泄放管直径范围内。如果工作环境特殊，入口管段超过标准的 限制，采用泄放系数法得到的设计结果将不能保证计算精度的要求，甚至将产生重大的 设计错误。 泄放装置的入口管和出口管的直径至少与爆破片装置的泄放口径或安全阀装置的 喉径相同。流通面积的变化是引起流体压力损失的一个重要原因，保持各管段流通面积 的一致性，可以减少泄放流体在入口管段内流动时产生的压力损失，而且保证出口管直 径不小于爆破片装置的泄放口径或安全阀装置的喉径，这样可以避免泄放过程由于流通 面积的不足而产生的阻塞现象。 ( 2 ) 流动阻力法考虑了流体在泄放过程中的压力变化，把泄放装置看成是一种引 起流体流动阻力的阻力源，与其他阻力源( 如管径变化，流体流动方向改变等) 一起使 泄放流体产生流动损失。流动阻力法考虑到流动物系的热力学方程、伯努利方程、水平 管中的绝热流体特性、连续性方程及管路中流体的摩擦阻力等诸多条件，使设计结果十 分精确。流动阻力法对管路的分析详细，计算量大，一般在泄放系数法不适用的条件下 使用。 a p l 5 2 0 2 0 0 0 ，i s 0 6 7 1 8 1 9 9 1 以及g b 5 6 7 1 9 9 9 等标准都采用的是泄放系数法进行设 计，a s 肛一1 9 8 9 卷附录1 l 包含了以上两种设计方法，是最为全面的设计准则。 另外，以美国紧急泄放系统设计协会( d i e r s ) 提供的方法为基础得出的具体设计的 方法也被工业广泛的承认并且得到不断的发展实践。d i e r s 经过努力已经提供了一种将 潜在的不适当的压力泄放能力的危险性减到最小的方法。可惜的是，这一种方法会导致 计算出的出口尺寸比需求的大很多。问题可能就是出现在基本设计原理的选择上。 还有一些安全装置制造商，如美国的b s b 公司，研制了一些设计方法。由于它们具 有丰富的设计经验，因此，这些设计方法也具有相当的权威性。 大连理工大学硕士学位论文 美国的8 s & b 公司“”在爆破片和夹持器的设计和生产方面在世界上处于领导地位。自 从1 9 3 1 年第一个爆破片装置诞生以来，b s b 就一直是这个领域内的技术标准的制定者。 他们在设计手段上主要开发了两种基本方法，在工厂中得到广泛应用。第一中是表格法， 分为供气体，液体和水蒸气使用的三个表格，是一种非常简单但是比较近似的计算方法。 第二种是用简化的流量公式进行比较精确的计算法。该简化公式是根据美国芝加哥克兰 公司( c r a n ec o ) 4 1 0 号技术报告流体通过阀、管接头与管道的流量中的公式演变 而来的。克兰公司通过大量试验得出达西公式( d a r c yf o r m u l a ) 。该公司用一个修正系 数来补偿由于膨胀引起的流体性质的变化。达西公式是一种普遍应用于计算流体通过管 道的流量公式。公式中除了摩擦系数需要依靠经验确定以外，其余的参数都可以用因次 分析法推导出来。为了便于计算，该公司设计了三张诺模图，分别适用于气体，液体和 蒸汽。 ( 1 ) 适用于气体： 公式： 爿：型塑 2 6 0 只 其中，a 为需要的泄放面积，英寸2 ；w 为标准条件下( 1 4 7 磅英寸2 ) 的流量，英 寸。分；s 。为气体相对空气的比重：p 。为泄放压力( 绝) ，磅英寸2 ；t 为绝对温度，t = 4 6 0 + t ： t 为温度，下。 冀 韪w ； 喇 螺 | | ! 放面黪ia 英寸2 a 图工3 适用于气体的诺模图示意图 f 培1 3n o m o g r a m f o rg a s 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 2 ) 适用于液体 删肼，s 压 公式 ( 1 2 ) 其中，a 为需要的泄放面积，英寸2 ；w 为流量，加仑分；s 为液体对水的比重；p 为压力差( 通常等于爆破压力) 。 ( 3 ) 适用于蒸汽 求w 中 异 、 莹 喇 蜡 公式 爿：w ( 1 + o o 0 0 6 5 a t ) 3 0 只 爿：里g 二! ：! ! 必 3 0 圪 图1 4 适用于液体的诺模图示意图 f i g1 4n o m o g r a m f o rl i q u i d 善 林 ； 器 旧 裢 掣 a ( 1 3 ) ( 1 4 ) 其中t a 为需要的泄放面积，英寸2 ；w 为流量，磅小时；t 为过热温度，下：y 为湿度，等于1 0 0 一蒸发量；p b 为泄放压力( 绝) ，磅英寸2 。 以上二式中， ( 1 3 ) 式适用于过热蒸汽；( 1 4 ) 式适用于湿蒸汽。 大连理工大学硕士学位论文 曹 茸 始 喇 蜡 图15 适用于蒸汽的诺模图示意图 f i g 1 5n o m o g r a mf o rs t e a m 1 4 物理超压泄放的流体力学模型分析 安全泄压装置是确保当系统中的压力过分升高时，自动把过剩的液态、蒸汽态或气 态的介质排放到低压系统或大气中去，以保证设备安全运行和防止发生事故的一类管路 附件。在实际应用中，安全泄压装置的泄放面积决不能小于理论计算值，否则将不能满 足安全泄放的要求。但是，泄放面积也不能过分的大于理论计算值，否则将造成操作异 常或不必要的损失：当泄放装置为安全阀时，将使开启后压力急剧下降到工作压力以下， 并会造成安全阀频跳；当泄放装置为爆破片时，将降低爆破压力，甚至使爆破片在容器 正常工作时爆破，给生产带来不必要的损失。因此。正确的计算泄压装置的泄放面积是 关系到安全生产的重要环节。 本节将从流体力学、气体动力学和热力学的角度出发，对物理超压泄放进行流体力 学模型研究。 1 4 1 泄放管的模型简化及基本方程 虽然，安全阀与爆破片这两大类泄压安全装置的结构特性完全不同，但是从热力学 的观点分析，这两类泄压装置的泄放过程均可看作是相同的热力学过程。 ( 1 ) 气态物质泄放时泄放管的模型简化及基本方程 当容器内的泄放物质处于气态时，可将泄放管简化成为渐缩喷管模型“1 ，如图1 6 所示。 渐缩喷管的形状特点是管的截面积从进口到出口逐渐变小。流体在这种管道内流动， 对流动过程列运动方程和连续性方程，经过数学推导后得到以下关系式： 化 ：容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 尘： !坐 vm a 2 1a 坐：型坐 p m a 2 1a d p ：_ k m a 2 d a pm a 2 1a d 丁 r 化一1 ) m a 2d a m a 2 一ia 图i 6 气态物质泄放管的流体力学模型 f i gi 6h y d r o d y n a m i c sm o d e lo f g a sv e n t i n g ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 其中，v 为气体流速，a 为管道截面积，p 为气体密度，m a 为马赫数，p 为气体压 力，k 为气体绝热系数，t 为气体温度。 一般情况下，气体在泄放时的流速都远低于当地声速，即流动属于亚声速流动， m a l ，m a 2 l ，即m a 2 - 1 鲁，压力比不能用绝热系数的表达式来表示 因此： q 。= a 2 令c = 翮 q 。= a 2 c 4 z p o p o 则上式整理得 ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) 同气体临界流泄放相同，引入实际气体的状态方程r t o p 产p 。并将q 。，m ，p 2 的单位换 成k g h ，m m 2 ，m p a ，整理得： 铲s s 删z 晶c 层 ( 1 2 5 ) 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 引入系数c 是为了使气体临界流泄放和亚临界流泄放设计公式在形式上保持相同。 但是，与气体临界流泄放设计中的气体特性常数c 不同的是，系数c 不再是气体的特性 参数，除了与气体的种类有关外，它还是泄放压力比詈的函数。考虑到实际的泄放管与 d 理想的渐缩喷管之间的差别，在式( 1 2 5 ) 的基础上，引入泄放系数，整理后得到适用 于气体压临界流泄放设计的公式： 铲s s s 蝴c 压 ( 1 2 6 ) 1 4 3 液体泄放理论的研究 在对泄放管内的流体所列的伯努利方程的基础上，忽略泄放管进出口的为差，即z 2 = z 。， 可将式( 1 9 ) 整理为： 将式( 1 。2 6 ) 代入流体的连续性方程式( 1 1 0 ) ，整理得到： g = a 2 v 2 p ( p o - 8 ) ( 1 2 7 ) ( 1 2 8 ) 其中，g 单位是k g s ，a 2 单位是m 2 ，p 0 ，p 。单位是p a ，p 单位是k g m 3 ，将它们转换 成工程上常用的单位，即g 单位是k g h a 。单位是m 2 ，p o ，p ：单位是m p a ，p 单位是k g r a 3 ： g = 5 1 爿p 廿( 1 2 9 ) 其中，p = ( p o - p 2 ) 为泄放压力差，a 为泄放管下游开口处面积。 与气体的泄放类似，考虑到实际的泄放管与理想模型之间的差别，在式( 1 - 2 9 ) 的 基础上，引入泄放系数，整理后得到： p i i 大连理工大学硕士学位论文 g = 5 1 2 a 、p a p ( 1 3 0 ) 1 4 4 泄放系数的研究与计算 在前一节以及前几级中都提到了泄放系数，在不同的标准中，用不同的符号表示。 为了说明问题方便，现在统一用c 。来表示。泄放系数c 。是考虑安全装置阻力时，介质在 单位时间内的实际质量排量与同一介质在同一参数和同一压差下通过理想喷嘴时的排量 之比，即q m 女= c 。q 。，。泄放系数取决于安全装置的结构、流道部分的形状和尺寸比例以及 流道内壁的粗糙程度等因素。这里，安全装置的形状和尺寸比例具有决定性的意义。可 以认为，安全装置的泄放系数与雷诺数无关，因而也就与介质的性质和参数无关。这是 因为经过安全装置的流动通常是在大大高于临界雷诺数的情况下发生的，所以流道的几 何相似足以保证流动的相似性n ”。 实际的质量排量与理想喷管的排量之所以有差别，主要有两方面的原因。第一，因 为泄放管的直径小于容器的直径，泄放管与容器直接相连，管道突然收缩，流体的流道 缩小，造成了流体质点的流动轨迹朝管道内收缩，产生能量损失。如图1 8 所示。 v 2 、 图1 8 流道突然收缩造成的流动界面的收缩现象 f i g1 8s h r i n ko f f l o ws e c t i o n l 由图1 8 可见，由于流道突然收缩造成了流体与管壁的分离，导致流道内形成大量 的漩涡。流体与管壁的分离必然导致流动面积的收缩。图中，收缩面积是截面发生收缩 时的最小流通面积，从此截面之后，流通面积逐渐扩大直到下游管的整个横断面为止。 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 实验证明”，大多数压强损失的产生是由于流通截面从收缩断面开始扩大直到下游 管的整个横断面所形成的漩涡的结果，因此，可用截面突然扩大的研究方法来研究截面 收缩所造成的压强损失。分别在泄放管内选取断面2 和收缩断面为研究对象，如图1 8 所示。设收缩断面的面积为a 。由上面的论述可知，断面l 与断面2 之间的压强损失可 用收缩断面与断面2 之间的损失代替。 令p 。和p 。分别表示收缩断面和截面2 处的压强，用流体的连续性方程阐述两截面处 的平均流速： 其中，a 。，a ：分别为泄放管两个断面的横截面积。 在收缩断面和断面2 之间应用动量方程，可导出下列关系式： 沿流动方向的合力= 沿流动方向动量的变化率： 只哇。+ p + ( 爿：一爿。) 一只一：= p q f ：一；。) ( 1 - 3 1 ) ( 1 3 2 ) 其中，p 。，z 为收缩断面和截面2 处的压力，m p a ；q 为体积流量，o = a ：v ：，m 3 s ；p 7 为作用在截面面积为( a z a 。) 的环域上的压力，m p a ；p 为流体的密度，k g m 3 。 可以假定e o = p ，而p 是由于流体从大截面处向小截面流动时产生的径向加速度而 造成的，这一结论是完全得到实验的支持的嘲。因此，式( 1 3 2 ) 可简化为： ( 只一p 2 扭：= 厦弗，一；。) = 茚：。：书：一；。) 只一只= 历：f ：一；。) 在收缩断面和截面2 之间应用伯努利方程，用h 代表分离损失 旦+ 立忆：旦+ 堕+ z ，+ h - 二+ + z ，= 二+ 一+ z ，+ p gz gp gz g ( 1 3 3 ) ( 1 3 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 忽略两截面之间的位差，即z 。：z 2 ，因而 。：坠型+ 煎 熙2 9 同时，将式( 1 ，3 3 ) 代入上式 一=越+亟=上(2-b。；z帆-2pg2 92 9 一锭)、 ， ：正盟 2 9 将式( 1 3 1 ) 代入上式 一= 丢w c ( 一去 2 = 专- - 2 o c 。r ( 1 3 5 ) ( 1 3 6 ) ( 1 3 7 ) 其中，c 。为收缩系数，它取决于不同的泄放管入口形式，可由实验确定。实际的泄 放最小面积a 。= a ，c 。= a 。c 。对于任意给定的容器和泄放管的面积比，c 。都有不同的值相对 应，下表列出了几个c 的实验值。 表1 1 突然收缩的收缩系数 t a b1 1f a c t o r o f s n k l a z 0 10 30 5o 。7l ，o ia 1 厂 c c0 6 10 6 3 20 6 7 30 7 31 0 表中，a 是截面1 的面积，即容器垂直于泄放管方向的横截面积，a 。是截面2 的面积， 即泄放管的横截面积。从表中可以看出，不同的面积比，收缩系数相差很大。在实际应 用的泄放装置中，面积比兰2 一般都不会达到1 o ，通常的都小于o 5 。 4 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 实际泄放管的质量排量与理论排量之所以有差别的第二方面原因是，在实际的流动 中，截面1 与收缩断面之间不可避免的有能量损失，所以流动速度小于理论计算值： v “= c 。x v ( 1 3 8 ) 其中，；。为收缩断面的实际速度；，为截面l 的理论速度：c 。为流速系数，必须由 实验确定。 现在我们来计算实际的流量q 。： q = 爿。v c f 根据以上分析，将式( 1 3 8 ) 代入上式，并且由a o = c 。a ：得 q = c 。a ，c v ；t = c 。c ，a ：；l _ c o c ，理论流量 ( 1 3 9 ) ( 1 4 0 ) 其中，a 2 为与截面2 面积相同的泄放管入口面积。 由此可见，泄放系数c 。等于速度系数c 。与收缩系数c 。的乘积。 当泄放管入口管道的外形为如图1 9 所示的嵌入式入口时，取表1 1 种常用的容器 横截面积与泄放面积之比砉所对应的收缩系数的平均值o 6 4 嘲作为收缩系数值c 。实 验测得，嵌入式入口的速度系数c ，又由于这种形式的入口其速度系数c ，约为0 9 7 “，这 样， 图1 9 泄放管接口示意图 f i g1 9l i n k o f v e n t i n g t u b e 大连理工大学硕士学位论文 c a = c 。c 。= o 6 4x0 9 7 = 0 6 2 0 8 为了准确的计算泄放面积应该采用试差法计算收缩系数。但是工程上为了方便计算， 对于液体泄放，选取了最危险工况下的数值作为设计使用的泄放系数。美国的b s b 公司 采用0 6 2 作为泄放系数，这一数值被广泛采用；对于气体泄放，不同的泄放管入口形式， 泄放系数不同，详细情况可以参见i s 0 6 7 1 8 种的表a 1 。 化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发 2 压力泄放系统的尺寸设计 2 1 概述 w 泄放面积a 是安全装置几何上最小的流通面积，其定义式为a = = ，通过它才能确 i r 定安全装置的尺寸。因此，研究如何精确、简便地计算泄放面积，具有实用价值和实际 意义。 目前，计算泄放面积的方法很多，大致分为试验测定法和公式计算法。试验测定法 获得的数据准确，误差小，可信度高，但耗费时间且成本较高。公式计算法是在缺乏试 验数据的情况下计算泄放面积有效简便的方法，特别适用于计算机程序化的实现。采用 合适的计算公式，用较少的物性参数得到较为准确的计算结果，是人们多年来的追求。 公式计算法采用的公式分两类，第类是单相流模型，参数较少，适用于单项流泄放和 两相流泄放的简化计算，用这种方法计算临界流动状态时误差较大。第二类是两相流模 型，参数比较多，适用于两相流泄放和临界流体泄放。 化学过程扰动包括冷凝的损失，动力故障，生产设备或管道的堵塞，控制设备的故 障，异常的进料速度等。随之将产生某些过程设备的压力上升。设备的设计压力不应该 超过设备能允许的最大压力，因为那样可能会引起设备的破裂。压力泄放装置能够防止 作用于装置的过度压力和错误操作，此时，装置为使物质泄放到安全的区域而打开一条 通道。在泄放的时候，被泄放的流体可能是液体，汽液共存状态，气体或超临界状态。 这给安全系统的设计带来的难题就是必须有能力处理各种各样的工艺操作条件。最通常 的设计方法是a p l 5 2 0 ( 美国石油协会。1 9 9 3 年3 月) 和d i e r s ( 美国紧急泄放系统设 计协会，1 9 9 6 年) 。这些方法都是以均相流模型为基础来考虑流体泄放的问题。下文中， 将对a p l 5 2 0 和d i e r s 的模型进行比较。在设计压力泄放系统的时候，模型选择和具体 情况都是很重要的。 2 2 压力容器的安全泄放量计算 压力容器绝对禁止超压运行。在容器上装设安全泄救装置的目的就是为容器超压时， 能把压力介质及时排出。显然，安全泄放装置的泄放量只有大于容器的安全泄放量，容 器内的压力才不会继续升高，从而保证压力容器安全运行。压力容器的安全泄放量就是 指压力容器在超压时为保证它的压力不再升高，在单位时间内所必须泄放的气量。 大连理工大学硕士学位论文 对于超压的允许值，当装有单个泄放装置时，在泄放期间应能防止容器内的压力增 加不超过其最大允许压力的1 0 或2 0 k p a 中的较大值：当具有多个泄放装置时，在泄放 期间应能防止容器内的压力增加不超过其最大允许压力的1 2 或3 0 k p a 中的较大值；当 容器与火焰或其它不能预料的外来热源接近而能酿成意外危险时，应安装辅助的泄放装 置，使容器内的压力增加不超过其最大允许压力的1 6 。 显然，所有容器或系统上装接的各种泄放装置可泄放的总容量应满足泄放该容器或 系统所产生的、或供给附属设备的最大物料量。否则，容器内的压力就要上升，并可能 超过允许值而发生意外爆炸事故。 对于各种不同用途的压力容器，应分别按不同的方法来确定其安全泄放量。 2 2 1 压缩气体或水蒸汽容器的安全泄放量 对于产生压力气体设备的附属容器，例如与压缩机直接相连的缓冲器、油水分离器 及其他压缩机贮气罐等，其安全泄放量应该取压缩机的最大产气量：废热锅炉的气包等 容器的安全泄放量，应该取该废热锅炉的最大生产能力。这是因为这类压力容器内不可 能产生气体，其安全泄放量主要取决于输入容器的气量多少。 对于非设备附属容器，如气体贮槽、分蒸气包等，他们不是由单一设备直