德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司上海分公司 上海 200031
安全閥等安全設(shè)施泄放出來(lái)的氣相、氣液兩相混合物進(jìn)入排放總管或直接排空前,經(jīng)驟冷罐冷卻、冷凝、與罐內(nèi)液體反應(yīng)等過程后被收集在驟冷罐內(nèi),從而避免因個(gè)別安全設(shè)施的泄放物導(dǎo)致后續(xù)處理系統(tǒng)復(fù)雜化。如泄放物高溫導(dǎo)致后續(xù)處理系統(tǒng)的材料升級(jí);與其他泄放物發(fā)生劇烈反應(yīng)或形成爆炸性氛圍等[1]。
泄放工況結(jié)束后,驟冷罐收集的泄放物經(jīng)過相應(yīng)的單元操作,如精餾等,回收這些泄放物并返回到正常的生產(chǎn)中。因此,驟冷罐在減少泄放物處理費(fèi)用的同時(shí)還降低了對(duì)環(huán)境的承載要求。
驟冷罐的設(shè)計(jì)主要包括驟冷罐主體和分配器這兩部分。分配器將安全設(shè)施的泄放物經(jīng)許多小孔均勻地噴入驟冷罐內(nèi)的驟冷劑,達(dá)到良好的傳熱、傳質(zhì)和攪拌,從而將泄放物收集在驟冷罐內(nèi)。驟冷罐主體的設(shè)計(jì)主要包括驟冷劑的選取、驟冷劑最小量以及驟冷罐尺寸這三部分。限于篇幅,本文僅闡述驟冷罐主體的設(shè)計(jì)原理。
驟冷罐按安裝方式可以分為立式和臥式兩種,兩種型式僅在所需的安裝空間大小方面有所區(qū)別,在功能方面沒有本質(zhì)的區(qū)別[2]。
驟冷罐按其操作壓力可以分為常壓操作、氣相介質(zhì)不排放、氣相介質(zhì)受控排放三種形式[2]。
1.2.1 常壓操作
常壓操作常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點(diǎn)高于最高環(huán)境溫度的工況。少量未被冷凝的泄放氣體與因液面上升置換出的原罐內(nèi)氣體一起排放到下游,如直接排空、洗滌器、火炬。下游目的地選擇取決于未冷凝的氣體性質(zhì),如毒性、可燃性等。
1.2.2 氣相介質(zhì)不排放
氣相介質(zhì)不排放常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點(diǎn)不高于最高環(huán)境溫度且泄放物中的不凝性氣體量非常少的工況。這種操作方式下沒有任何介質(zhì)排放到下游,僅使用驟冷罐就可以完全處理泄放物。
驟冷罐內(nèi)原有氣體因液面上升而被壓縮,罐內(nèi)溫度升高引起的驟冷劑飽和蒸汽壓升高,導(dǎo)致整個(gè)泄放過程中驟冷罐的壓力不斷升高。泄放結(jié)束時(shí),驟冷罐的壓力 P2(最高操作壓力)可用公式(1)計(jì)算。當(dāng)選用這種操作方式時(shí),應(yīng)考慮背壓變化對(duì)安全設(shè)施泄放能力的影響。
(1)
式中,P為壓力,bar(a);N為不凝性氣體的摩爾量,mol;V為驟冷罐氣相體積,m3;T為驟冷罐內(nèi)溫度,℃。上標(biāo)v表示驟冷罐內(nèi)液相飽和蒸汽壓;下標(biāo)1、2分別指泄放開始、泄放結(jié)束。
1.2.3 氣相介質(zhì)受控排放
氣相介質(zhì)受控排放常用于驟冷劑與泄放物的混合物泡點(diǎn)不高于最高環(huán)境溫度且泄放物中不凝性氣體量可觀的工況。采用壓控設(shè)施或安全閥來(lái)限制驟冷罐的操作壓力。
驟冷劑的選取應(yīng)基于泄放介質(zhì)的特性和處理要求,即冷卻、冷凝、吸收、中和泄放介質(zhì)或與其反應(yīng)等。同時(shí)還應(yīng)考慮泄放工況結(jié)束后,被收集的泄放物易于回收處理。歸納起來(lái),驟冷劑的選擇主要考慮以下四個(gè)方面[3]:
(1)物性。如驟冷劑應(yīng)與泄放物相兼容、蒸汽壓低、比熱大、密度大、不起泡、低粘度、凝固點(diǎn)高、熱傳導(dǎo)高、無(wú)腐蝕性等。
(2)費(fèi)用。易獲取、價(jià)格低等。
(3)操作安全。不易燃、無(wú)毒等。
(4)泄放工況結(jié)束后,被收集的泄放物易回收處理。
泄放過程中,驟冷劑與泄放物發(fā)生劇烈的傳熱,或傳熱傳質(zhì)以及反應(yīng)。常規(guī)的傳熱傳質(zhì)計(jì)算模型可能不適用驟冷罐。針對(duì)這一事實(shí),在沒有工程應(yīng)用參考時(shí),應(yīng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)以確保所選的驟冷劑適合泄放物。一些驟冷劑的工程應(yīng)用實(shí)例[3]見表1。
驟冷劑最小量的確定是基于熱平衡,與泄放物的質(zhì)量和焓、系統(tǒng)的反應(yīng)熱、混合熱、泄放工況結(jié)束允許驟冷劑的溫升相關(guān)。與設(shè)計(jì)火炬、火炬總管等泄放物處理系統(tǒng)不同的是,驟冷罐的設(shè)計(jì)還要考慮泄放物的質(zhì)量。當(dāng)有多個(gè)安全設(shè)施接入同一驟冷罐時(shí),針對(duì)某一泄放工況,需考慮同時(shí)處理幾個(gè)安全設(shè)施的泄放物。如發(fā)生池火災(zāi)工況,一般考慮230m2~460m2區(qū)域所包含的安全設(shè)施[1]。確定工況涉及的安全設(shè)施后,再確定泄放工況的持續(xù)時(shí)間以及各個(gè)設(shè)施的泄放速率就可確定某一泄放工況的泄放物質(zhì)量。泄放工況的持續(xù)時(shí)間和各個(gè)設(shè)施的泄放速率因泄放工況不同而異。如火災(zāi)工況,一般計(jì)算泄放時(shí)間為2h[1], 泄放速率則由外部輸入熱量和泄放介質(zhì)的比熱、蒸發(fā)焓決定[4]。因此,待處理泄放物的質(zhì)量應(yīng)合理確定,以確保驟冷劑的量合理。
驟冷劑的溫升,是指驟冷罐的終止溫度(泄放結(jié)束)與起始溫度(泄放開始)的差值。化工項(xiàng)目中驟冷罐一般露天布置,故起始溫度取當(dāng)?shù)刈罡攮h(huán)境溫度。推薦終止溫度為:比驟冷劑與泄放物的混合物在最高工作壓力下的泡點(diǎn)低10~20 ℃[2,3,5]。
按泄放介質(zhì)中是否含有不凝性氣體,分別用以下兩個(gè)公式(2)、(5)確定驟冷劑的最小量。
當(dāng)泄放介質(zhì)中不含不凝性氣體時(shí),所需驟冷劑的最小量mq可以用公式(2)來(lái)計(jì)算。公式(2)假定:① 泄放介質(zhì)中的氣體全部被冷凝;② 忽略驟冷劑比熱的變化,采用泄放過程中的平均比熱;③ 無(wú)外部熱量輸入;④ 忽略驟冷罐的散熱。
(2)
式中,mFl、mFg分別為泄放物中液相、氣相的質(zhì)量,kg; HFl、HFg、Hp分別為泄放物中液相、氣相、泄放結(jié)束凝液焓值,kJ/kg;Cq為驟冷劑的比熱,kJ/(kg·℃);t,tend分別為泄放過程中某一時(shí)刻和泄放持續(xù)時(shí)間,h;RFl、RFg分別為泄放過程t時(shí)刻液相、氣相泄放速率,kg/h;H’Fl、H’Fg分別為泄放過程t時(shí)刻液相、氣相焓值,kJ/kg。其他符號(hào)如前所述。
公式(2)中,如果泄放物與驟冷劑發(fā)生反應(yīng)或混合熱量可觀,應(yīng)將反應(yīng)熱、混合熱或兩者之和加到右邊分子上。如果泄放物中不含液相,則右邊分子第一項(xiàng)為零。公式(5)同理。
泄放介質(zhì)中不凝性氣體夾帶驟冷劑蒸汽以及可凝性氣體到氣相中,故在計(jì)算驟冷劑最小量時(shí)應(yīng)加以考慮。泄放過程中,某一時(shí)刻,驟冷劑蒸汽和可凝性氣體被夾帶的量可基于驟冷罐內(nèi)汽液相平衡計(jì)算得到。由于整個(gè)泄放過程中,驟冷罐內(nèi)的溫度不斷升高,汽液相平衡不斷變化,夾帶量也不斷變化,為簡(jiǎn)化計(jì)算,取起始溫度、中間溫度和終止溫度三個(gè)點(diǎn)夾帶量的平均值作為整個(gè)泄放過程不凝性氣體的夾帶量,可以滿足工程計(jì)算精度[3]。
可凝性氣體和驟冷劑在三個(gè)溫度點(diǎn)下的夾帶量可以分別由公式(3)、(4)計(jì)算得到,并進(jìn)行算術(shù)平均即可求得泄放過程中可凝性氣體和驟冷劑的夾帶量mel、meq。再對(duì)整個(gè)泄放系統(tǒng)作熱平衡計(jì)算見式(5),即可求得泄放介質(zhì)含不凝性氣體時(shí)驟冷劑的最小量mq。
(3)
(4)
(5)
驟冷罐除了能盛裝泄放結(jié)束氣液相的物質(zhì)外,還為驟冷罐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)創(chuàng)造了有利的條件。其中罐內(nèi)液位是關(guān)鍵參數(shù)。泄放起始液位過低,泄放物中的氣相在驟冷劑內(nèi)停留時(shí)間短,不能達(dá)到汽液平衡;泄放結(jié)束液位過高,安全設(shè)施背壓相應(yīng)升高,以及可用于分配器小孔的壓降減少,導(dǎo)致泄放介質(zhì)不能有效噴入驟冷劑內(nèi)。基于這些原因,驟冷罐尺寸的設(shè)計(jì)一般按以下四步進(jìn)行:
(1)首先根據(jù)可利用的安裝空間,確定驟冷罐的型式為立式或臥式,并初選驟冷罐的直徑以及筒體長(zhǎng)度。
(2)依次計(jì)算泄放起始液位、結(jié)束液位。
(3)確定氣相空間大小。
(4)最后判斷初選的驟冷罐尺寸是否滿足要求:對(duì)于立式,長(zhǎng)度不小于泄放結(jié)束時(shí)的膨脹液位與氣相空間之和;對(duì)于臥式,筒體直徑不小于泄放結(jié)束時(shí)的膨脹液位與氣相空間之和。如果不滿足,則重選驟冷罐的直徑和筒體長(zhǎng)度,直到滿足要求為止。
驟冷罐液位的計(jì)算包括泄放開始和泄放結(jié)束兩部分。泄放開始時(shí)液相的體積Q1可用式(6)計(jì)算得到??紤]泄放過程中的不確定因素,起始液體的質(zhì)量mq取本文中第3.1中計(jì)算得到的最小驟冷劑量并加10%~20%的裕量[2]。根據(jù)驟冷罐的不同型式,立式或臥式,采用不同公式、圖、表[6,7]計(jì)算驟冷罐泄放起始液位H1。如果計(jì)算到得的液位小于0.5m[3],應(yīng)增加驟冷劑用量以滿足液位最低要求。
(6)
(7)
(8)
上述兩式中,m2、r2分別為泄放結(jié)束驟冷罐液相總質(zhì)量(kg)和密度(kg/m3);Ps為分配器的最小要求壓降,推薦值取0.7bar[2];Ploss為安全設(shè)施到分配器的壓損,bar。其他符號(hào)如前所述。
泄放結(jié)束時(shí),由于泄放介質(zhì)中的少量氣體停留在液相內(nèi),導(dǎo)致驟冷罐內(nèi)液相體積膨脹,液位相應(yīng)升高,液位增加比E可以用式(9)計(jì)算。并將結(jié)果與1.1(數(shù)值)相比較,取大者[3]。
(9)
其中
(10)
對(duì)于常壓和氣相介質(zhì)受控排放這兩種操作方式,為減少液滴被氣體夾帶到下游,應(yīng)預(yù)留一定的氣相空間。推薦泄放結(jié)束時(shí)驟冷罐的氣相空間高度至少0.9m或20%容器直徑,取大者[3]。也可借鑒重力式氣液分離器的計(jì)算方法[7]來(lái)確定所需的氣相空間。
對(duì)于氣相介質(zhì)不排放這種操作方式,為避免泄放結(jié)束時(shí)罐內(nèi)操作壓力過高,也應(yīng)預(yù)留一定的氣相空間,一般推薦至少10%容器直徑[2]。
通過介紹驟冷劑的選擇、驟冷劑最小量、驟冷罐尺寸的工藝計(jì)算方法,提供驟冷罐的設(shè)計(jì)思路和方法,供驟冷罐設(shè)計(jì)參考。