使用HYSYS輔助計算超臨界流體泄放

1、使用HYSYS輔助計算超臨界流體泄放摘要： 本文介紹了一種超臨界流體火災工況下超壓泄放流率的計算方法，并使用HYSYS輔助計算了一個示例。關鍵字： 超臨界流體、超壓泄放流率、HYSYS安全閥是一種安全保護用閥，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制其壓力不超過規(guī)定值，對人身安全和設備運行起重要保護作用。隨著科技的發(fā)展，石油化工生產(chǎn)操作溫度操作壓力越來越高，從而使安全閥的泄放壓力超過臨界條件的情況也越來越多。對于純凈物質(zhì)，根據(jù)溫度和壓力的不同會呈現(xiàn)出液體、氣體、 固體等狀態(tài)變化。在溫度高于某一數(shù)值時，任何大的壓力均不能使該純物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)化為液相，此時的溫度即被稱之為臨界溫度Tc；而在臨界溫度下，氣

2、體能被液化的最低壓力稱為臨界壓力Pc。當物質(zhì)所處的溫度高于臨界溫度，壓力大于臨界壓力時，該物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)。溫度及壓力均處于臨界點以上的流體叫超臨界流體。在超臨界狀態(tài)下，液體與氣體分界面消失，汽化潛熱接近于零，如按照通常的安全閥火災工況泄放量計算方法，泄放量=熱量/汽化潛熱，由于此時汽化潛熱接近于零，安全閥的泄放量將非常大。但實際情況并非如此，超臨界流體由于氣液不分，會充滿整個容器，在火災工況下，隨著熱量的輸入容器中超臨界流體溫度（泄放溫度）不斷升高，壓力基本恒定（為泄放壓力），受熱膨脹，安全閥的泄放量應為超臨界流體的體積膨脹量。這一點和安全閥的熱膨脹工況相似。隨著大型電子計算機的出現(xiàn)，計算

3、方法得到迅猛發(fā)展，應用到化工過程上，形成了化工模擬軟件。而HYSYS由于它的編寫語言的優(yōu)勢，可以實時進行模擬，也就是修改了某一數(shù)據(jù)，HYSYS可以實時模擬給出新的物性，使其在這一方面，與其他模擬軟件相比具有一定的優(yōu)越性。本文主要介紹超臨界流體火災工況下安全閥的泄放量計算方法，以及如何使用HYSYS使計算變得方便簡潔。一、 超臨界流體火災工況安全閥泄放速率公式推導首先將超臨界流體火災工況的泄放過程按泄放溫度遞增（有利于物性模擬），比如10個點，不同的溫度對應著不同的時間點。在時間點tn 時 刻，超臨界流體的密度為n，焓值為Hn，質(zhì)量為Mn，體積為容器的體積V；在時間點tn+1時刻 ，超臨界流體的

4、密度為n+1，焓值為Hn+1，質(zhì)量為Mn+1，體積仍為容器的體積V。在時間間隔t（t=tn+1-tn）內(nèi)，流體受熱膨脹，體積增大，體積膨脹增大的部分通過安全閥泄放出去，安全閥的質(zhì)量泄放量為mn，體積泄放量為Vn。容器內(nèi)超臨界流體吸收熱速率為Q，則：1. 在時間點tn 時刻：Mn=n×V 2. 在時間點tn+1時刻 ：Mn+1=n+1×V3. 在時間間隔t (t=tn+1-tn)內(nèi)：安全閥的質(zhì)量泄放量 mn=Mn-Mn+1=n-n+1×V=n-n+1×Mnn=Mn1-n+1n 吸收的熱量為：Q×t=Mn×(Hn+1-Hn)，從而有 Mn

5、=Q×tHn+1-Hn，質(zhì)量泄放速率為：m=mnt=Mnt×1-n+1n=Q×tHn+1-Hnt×1-n+1n=QHn+1-Hn×1-n+1n體積泄放速率為:V=mn+1=QHn+1-Hn×1-n+1nn+1=QHn+1-Hn×(1n+1-1n)4. 吸熱速率Q 的計算：根據(jù)美國石油學會標準API520中規(guī)定,國際單位制：對于有足夠的消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏的物料措施時，容器的吸熱速率Q為：Q=43200*F*Aws0.82其中F為容器外壁校正系數(shù)，Aws為潤濕面積。對于特定的設備，在超臨界狀態(tài)時，我們認為潤濕面

6、積為整個內(nèi)壁，所以Q在超壓泄放過程中為一定值。由上我們可以看出，超臨界流體火災工況下的泄放速率（質(zhì)量泄放速率或體積泄放速率）與Q和不同時刻的物性有關。而Q為定值，物性在不斷變化，所以泄放速率在不斷變化。二、 用HYSYS輔助計算超臨界流體超壓泄放示例立式容器V-101無保溫充滿65%(mol)正丁烷與35%(mol)異丁烷，溫度90ºC，安全閥整定壓力為4.5MPag，火災工況下允許超壓21%。容器尺寸 外徑2000mm，T/T 5000mm，兩端橢圓形封頭，容器的內(nèi)表面為40.1m2。假設容器置于地面上，有足夠的消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏的物料措施，試計算火災工況下此容器

7、安全閥需要具有的超壓泄放速率。1. 容器火災中的吸熱速率Q：容器置于地面上無保溫，F(xiàn)取值1.0。Aws為容器的內(nèi)表面為40.1m2，代入Q的計算式Q=43200*F*Aws0.82=43200*1.0*40.10.82=891378(J/s)=3208961(kJ/h)2. 泄放壓力為4.5×1+21%=5.445MPag=5.546MPa=55.46 bar通過HYSYS模擬發(fā)現(xiàn)65%(mol)正丁烷與35%(mol)異丁烷的臨界溫度 146.2 ºC，臨界壓力 37.54bar。而容器在不斷升溫的過程中，氣液平衡，直到進入超臨界狀態(tài)，所以超壓泄放時，容器內(nèi)為超臨界流體。

8、HYSYS中臨界物性的模擬過程如下：首先，將模擬環(huán)境設置好，包括熱力學方法，組份等。建立物料線1（stream 1），輸入組份為65%(mol)正丁烷與35%(mol)異丁烷。點擊Attachments標簽，選擇Analysis，點擊右側(cè)的創(chuàng)建（create）,選擇臨界物性(critical properties),點擊添加（Add），點擊查看（View），可以看到物料線1（stream 1）的臨界性質(zhì)，如下圖3. 超壓泄放速率的EXCEL表格根據(jù)上面的泄放速率公式編制成EXCEL表格，使其計算關系如下：4. 所需物性的模擬限于版面問題，此例取11個時間點用HYSYS進行所需物性的模擬，主要是

9、在恒定泄放壓力下溫度從起始溫度（此處取臨界溫度，這是因為在超臨界狀態(tài)壓力與溫度不再具備平衡對應關系，我們很難確定在初始泄放時泄放溫度是多少）不斷升高時的密度與焓值，可以用HYSYS創(chuàng)建一個物性表格，過程如下：雙擊物料線1（stream 1），點擊Attachments標簽，選擇Analysis，點擊右側(cè)的創(chuàng)建（create）,選擇物性表格（Property Table）,點擊添加（Add），然后雙擊Property Table選項卡，接著物性表格（Property Table）對話框就會出現(xiàn)。按如下步驟生成物性表格。（1） 選擇物料線1（stream 1）（2） 對于變量1（Variable

10、1）,從下拉菜單中選擇溫度（Temperature），從模式選項（Mode option）里選擇遞增（Incremental）,下限（Lower Bound）輸入起始溫度（此處取臨界溫度146.2）上限（Upper Bound）輸入196.2 ºC，比146.2 ºC大50 ºC（如果不夠大，最大泄放量會出現(xiàn)在最高溫處，此時需要重新輸入溫度上限）。（3） 對于變量2（Variable 2）,從下拉菜單中選擇壓力（Pressure），從模式選項（Mode option）里選擇恒定的（State）,恒定值（State Values）輸入泄放壓力55.46bar。（4）

11、 然后點擊對話框左側(cè)的因變量物性（Dep. Prop），添加需要模擬的物性：密度（Mass Density）、焓值(Mass Enthalpy)。（5） 點擊計算（Calculate）來生成物性表格。（6） 點擊Performance標簽來查看物性表格，如下圖： 5. 超壓泄放速率的計算將模擬的物性復制(Control+C)粘貼(Control+V)到泄放速率的EXCEL表格中，并輸入Q的值，其計算結(jié)果如下：時間點吸熱速率Q溫度 T密度焓值H體積泄放速率v質(zhì)量泄放速率mm/(1/2) (kJ/h)ºCkg/m3kJ/kgm3/hkg/hق

12、323.1-2222.026.68137.8465.323208961151.2305.9-2201.031.38964.0529.433208961156.2286.7-2178.537.59934.0610.143208961161.2265.2-2154.345.610994.6707.753208961166.2241.4-2128.155.111938.7811.263208961171.2216.6-2100.564.012411.6891.573208961176.2193.8-2073.369.712221.0923.083208961181.2175.3-2048.371.7

13、11554.1910.593208961186.2161.0-2025.671.510713.3875.0103208961191.2149.9-2004.970.19877.9831.9113208961196.2141.0-1985.6-6. 計算結(jié)果分析從表格里的計算結(jié)果可以看出，超臨界流體火災工況超壓泄放時，不僅容器內(nèi)的流體物性在不斷變化，而且泄放速率也在隨泄放時間變化，無論是體積泄放速率還是質(zhì)量泄放速率都隨著時間先增大后減??；但體積泄放速率的最大值與質(zhì)量泄放速率的最大值并不是在同一溫度下出現(xiàn)的，也就是說兩者不是同時出現(xiàn)的。7. 安全閥喉徑計算物性數(shù)據(jù)選擇我們計算容器的超壓泄放速率主要

14、是為了計算安全閥的喉徑，而計算安全閥的喉徑需要選擇一組使喉徑面積最大的數(shù)據(jù)。根據(jù)HG/T 20570.2-95,a) 對于氣體、蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積為：a=13.16WCOXPZTM，使其與理想氣體狀態(tài)方程的變形式：PM=RT結(jié)合，可以推導出泄放面積與m/成正比。b) 對于液體的最小泄放面積為：a=0.196VCOKPKWKVG1P-Pb，其中V=m/,Gl=/1000，也可以推導出泄放面積與m/成正比。由此可見，在臨界流動條件下，安全閥喉徑與m/成正比；而m/介于m與v（V=m/）之間，所以最大的安全閥喉徑應該出現(xiàn)在最大質(zhì)量泄放速率（m）與最大體積泄放速率v之間，在m/最大時，安全閥喉徑最大。對于此示例，采用第七組數(shù)據(jù)進行安全閥的喉徑計算，計算方法在這里不再贅述。三、 結(jié)語1. 本文介紹了一種超臨界流體火災工況下超壓泄放流率的計算方法，此方法相對于傳統(tǒng)計算方法更加精確