化工安全工程课件-3

第9章泄压量计算泄放尺寸的计算主要用于确定泄放设备的泄放面积泄放尺寸的计算程序包括：采用合适的源模型（第4章）计算物质通过泄放设备的泄漏速率；应用建立在基本流体力学原理基础上的方程计算泄放设备的排放面积。泄放面积的计算依赖于流动类型（液体、蒸气或两相流动）和泄放设备的类型（弹性开启式或爆破片）第9章泄压量计算主要介绍下述结构的泄放设备的泄放面积的方法·用于液体或气-蒸汽系统的爆破片·用于液体或气-蒸汽系统的传统的减压阀·失控反应器减压泄放期间的两相流·粉尘和蒸汽爆炸的减压泄放·火灾环境下过程容器的减压泄放·过程流体热膨胀的减压泄放为穿过弹性减压阀的流动，为排放系数，△p为泄放孔两侧的压力降；为液体密度，为重力常数，与不同单位制有关的常数。9.1用于液体系统的传统的弹性减压阀通过弹性减压阀的流动，近似于通过小孔的流动。可由机械守恒式[式（4-1）]可以得到表达流动过程的描述方程。除了用穿过弹性减压阀的压力差代替压力，结果与式（4-6）相似，但（4-6）中的压力要替换为通过弹性减压阀的压力差：u0ccg（9-1）PgCuc20A为计算得到的泄放面积，；:体积流量，;:泄放系数；为液体密度比；为阀上、下游的压降，。安全阀开启泄放流体时，流体的体积流量为速度乘以面积由此可求出泄放面积A：1220()38.0minrefVinpisQAgalcP2inVQmingal0crefP2flbin（9-2）式（9-2）可转换为常用计算式：（9-3）PgCQAcV20A：；：；：泄放系数；：黏度修正系数；：超压修正系数；：背压修正系数；：压力表的设定压力,；：压力表的背压，。，，取值分别见图9-2，9-3，9-4。美国石油协会对式（9-3）进行了修正，考虑液体的黏度、超压修正系数，背压修正系数等：1220()38.0min1.25refVVpbsbinpisQAgalcKKKPP2inVQmingal0cvKbKSP2flbinvKpKbKpKbP2flbin（9-4）(Qm)chocked：质量排放流量；C0为泄放系数;A为泄放面积；P为上游绝对压力；γ为气体的热容比；gc为重力系数;M为气体的分子量；Rg为理想气体常数；T为热力学泄放温度。9.2用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启式减压阀对通过弹性开启式减压阀的大多数蒸汽排放，其流动是临界流动。对压力不高、温度不太低的理想气体的流动，第4章的（4-50）式有效：11021cmchockedggQCAPRT（4-50）由（4-50）在给出了制定的质量流量之后，求解泄放面积：mQ11021mcgTQMACPgg1121cggg0mQTAMCP（9-6）（9-7）（9-8）令Ｚ：非理想气体压缩因子；：背压修正系数式中的压力P是最大绝对泄放压力，可表示为：0bQmZTAMCPKbKmax14.7PPmaxPmaxmaxsmaxs1.1,P=1.2P,P=1.33P,SPP对于不用火加热的压力容器对于暴露于火灾环境中的容器对于管道对非理想气体进行修正如下：（9-9）（9-11）（9-12）为最大表压,psig。对于蒸汽排放，推荐以下规则对非塞流的蒸汽流动，使用式（4-48）计算泄放面积，此时需要知道下游压力P,并需估算泄放系数C0。[例9-2]9.3液体系统中的爆破片的减压泄放对于通过没有足够长的下游管道的爆破片减压泄放，流量由式（9-2）或描述锐孔的方程[式（9-3）]来表示。不建议进行修正。式（9-2）、（9-3）用于直接排放到大气的爆破片减压泄放。对于泄放系统（包括分液桶、洗涤器或火炬）排放的爆破片或减压泄放，爆破片减压被认为是对流动的限制，要考虑流经整个管道系统的流动。计算与规则管道内的流动（见第4章）完全相同，需迭代计算。9.4蒸汽或气体系统中的爆破片减压泄放本情形可使用与式(9-9)相似的孔泄放流动方程来描述，但不需要额外的修正系数。ZmQTAMP0C1.0式中假设若来自下游泄放系统的背压很大，则需要使用与通过爆破片的液体泄放相似的计算方法，为一迭代过程。（9-13）9.5失控反应泄压释放期间的两相流动当反应容器内发生失控时，泄放过程中可能发生两相流动。图9-7所示的反应器系统，称为缓和反应器。该反应器失控后，按照绝热来处理。能量项包括：①反应器流体的大量热量导致能量聚集，该热量是超压导致温度升高的结果；②反应器内液体气化和随后通过泄放口泄放所导致的能量移除。式中，为泄放的质量流量；ΔHv为液体的汽化热;A为孔洞面积；为闪蒸液体比容的变化；为液体的比定压热容；为液体设定压力下的绝对饱和温度。mQfgvpcsT1.对失控反应导致的两相流泄放，泄放计算的第一步是确定通过泄放设备的质量通量。这可使用通过孔洞的两相塞流的式（4-104）来计算（9-14）SPcfgVmTcgAHQ以上式（9-14）可用于通过孔洞的两相泄放。该式即低质塞流的平衡速率模型ERM（EquilibriumRateModel）。对通过泄放管道的两相流动，可使用总无量纲泄放系数ψ来表示，即：（9-14c）质量通量：（9-14b）SPcfgVmTTcgHAQGSPcfgVmTTcgHAQGLeung指出：式（9-14c）须乘以0.9才能使计算结果与均相平衡模型HEM（HomogeneousEquilibriummodel）相符。即对反应器的均相排放，有：（9-15）SPcfgVmTTcgHAQG9.02.ψ值由图9-8给出对于L=0（即长度为零的管道），ψ=1；随着L变大（长度增加），ψ变小。1.11.00.90.80.70.60.50100200300400图9-8针对通过管道的两相闪蒸流动的修正系数ψ式中A为泄放面结，V为反应器体积；为反应物密度；为通过泄放口的质量通量；为排放时间。式（9-22）由Boyle建立，对泄放面积的定义为：对给定容器在压力上升并超过某容许的超压之前能将该容器排空的尺寸。3.简化的诺膜图方法Fauske针对两相反应器的泄放问题，建立了一种简化的图表方法，其推荐的计算泄放面积的方程为：TvVAGtTGvt（9-22）为与超压相关的温度增量；T为温度；为比定压热容；为泻放系统在设定压力下的单位质量能量泄放率联立式（9-22）、(9-14)及（9-23）可得质量通量由式（9-15）给出。泄放时间近似由下述方程给出TGpvsTctqTpcsqJkgs0.5()scspqAvgTcP（9-24）（9-23）sskgJKkgJK，;Ps，bar。这里假设（9-24）中△p为饱和压力（表压）。设定压力()和反应器物之的量来确定。Fauske诺膜图对于完成快速的估算和检查比较精确的计算结果是有用的。20.00208min(1000)osdTCdtAmkgPbardTdtminoCsP式（9-24）给出了所需的泄漏面积的保守估算。以20%绝对超压为例，假设对于大多数有机物，液体热容的典型值为2510J/(kgk)。另外假设饱和水关系，可以得到下述方程：（9-25）最近的研究表明：图9-9中的数据适用于排放系数=0.5。可表示=400的流动。在其他排放管道长度和不同的条件下，使用该图数据，则需要进行适当的修正。见例［9-6］。调整使用线性调整！LD110100自热速率（0C/min）10-110-210-310-4每1000Kg反应物的泄放面积/m2泄放设定压力/pia图9-9设计两相反应器泄放装置尺寸的诺膜图解法说明：通过泻放设备的两相流动，要比本节介绍的复杂的多。此外，技术仍在不断发展。这里给出的方程并不能普遍使用，但代表了目前最广为接受的方法适用于排放系数等于0.5的场合9.6粉尘和蒸汽爆炸的爆燃泄压1.对某些情况下，危害是不可避免的。例子有：将小麦或谷物磨成面粉的过程中，会产生大量可燃性粉尘。仓库、贮藏柜或过程单元的无约束粉尘爆炸能喷射出高速的结构碎片，并在大范围内散布，使事故传播，增加伤亡。通过控制爆炸能量的泄放，可减少粉尘和蒸汽爆炸的影响，引起爆炸能，从而使工厂中的职员和设备受的危害降低。建筑物和过程容器内爆燃泄放，通常通过采用图9-10的爆破片（对于厂房类建筑物，转为泄爆面）来完成。一般，爆破片的强度比结构刚性壁面低（得多）。爆炸时，爆破片首先破碎，部分爆炸能被释放出去，可降低对剩余结构和设备的破坏。对于特殊的爆炸性粉尘或蒸汽，通常情况下，整个结构的壁面（一般是屋顶）被设计作为爆破片。附加机械装置：爆破片破碎后，破片会以很高的速度运动，造成很大危害。可附加设计机械装置挡住爆破片。2.爆破片的设计a.目的是提供正确的泄放面积，这取决于多个设计参数，包括：粉尘或蒸汽的爆炸行为、结构中容许的最大超压和结构的体积等。可参考一些标准。b.爆炸设计分为两类：低压结构和高压结构。b1:低压结构的泄放低压结构包括：具有薄金属边缘的结构及其他低强度的建筑材料、低压结构所能承受的压力不超过1.5psig(0.1bar,表压)此为Runes方程。A为所需的泄放面积；为常数，取决于可燃物质的特性;为所泄放的矩形建筑物结构的最小尺寸；为所泄放的封闭区域的第二小尺寸；P为封闭区域最薄弱的部分所能承受的最大内部压力。·设计公式：12A=pventCLLventC1L2L（9-26）Swift和Epstein给出了更复杂的公式，包括了许多重要的燃烧特性。1max0011suufoAsPCGPAPPA：所需的泄放面积;：封闭空间的内表面积（受力面）；为泄放系数；a为湍流增强系数；为层流燃烧速率；为未燃气体的密度；G为质量通量；为最大未泄爆炸压力；为初始压力；为泄放最终的峰值压力；为热容比。（9-27）0CuussAmaxPoPfP式（9-27）可进一步转化为：P为最薄弱的结构单元所能承受的最大内部超压，与Runes方程相似ventSCAAP（9-28）式中的值见表9-1ventC可燃物质Cvent/psi1/2Cvent/kPa1/2无水氨甲烷脂肪族气体（不包括甲烷）或气体基本燃烧速度小于1.3倍的丙烷燃烧速度St-1粉尘St-2粉尘St-3粉尘0.050.140.170.100.120.200.130.370.450.260.300.51表9-1Swift-Epstein方程的燃烧特性常数式中为气体或蒸汽的爆燃指数；为粉尘的爆燃指数；为最大压力增量，由试验确定；V为容器体积。GK13maxstdPKVdtGKstKmaxdPdtb2:高压结构的泄放·高压结构能承受的压力大于1.5psig(0.1bar,表压)。泄放口设计基于气体或粉尘爆燃指数：（9-29）或通过大量的粉尘和蒸汽试验，已得到了计算泄放面积的一系列详细试验方程。封闭空间的长径（）决定了计算泄放面积所需的方程。对于非圆形的封闭空间，可使用当量直径，，A是与该空间的纵（长）轴向垂直的横截面面积。LD2nDA对于低惯性排放的燃烧蒸汽流和封闭空间的〈2的情况，可使用下述由NFPA68的方程来确定LD0.5820.582230.127log0.05670.175(0.1)vGredredstartAKPPPV式中A：泄放面积，㎡；：蒸汽爆燃指数，bar·m/s;为泄放期间的最大压力，bar;为泄放压力，bar.(9-30)GKstartPredP式（9-30）的限制条件：·容器体积为2.4、10、25、250m3·初始压力为大气压，1atm(绝压)或零（表压）·点燃能量为10J·无湍动的静止气体混合物引燃式（9-30）的试验条