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；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用的同時還降低了對環(huán)境的承載要求。

驟冷罐的設(shè)計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)計原理。

1 驟冷罐的分類

1.1 按安裝方式分類

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]。

1.2 按操作壓力分類

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)致整個泄放過程中驟冷罐的壓力不斷升高。泄放結(jié)束時，驟冷罐的壓力 P2(最高操作壓力)可用公式(1)計算。當(dāng)選用這種操作方式時，應(yīng)考慮背壓變化對安全設(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)施或安全閥來限制驟冷罐的操作壓力。

2 驟冷劑的選取

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，驟冷劑的選擇主要考慮以下四個方面[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、凝固點高、熱傳導(dǎo)高、無腐蝕性等。

(2)費用。易獲取、價格低等。

(3)操作安全。不易燃、無毒等。

(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)計算模型可能不適用驟冷罐。針對這一事實，在沒有工程應(yīng)用參考時，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)實驗以確保所選的驟冷劑適合泄放物。一些驟冷劑的工程應(yīng)用實例[3]見表1。

3 驟冷劑最小量

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)計還要考慮泄放物的質(zhì)量。當(dāng)有多個安全設(shè)施接入同一驟冷罐時，針對某一泄放工況，需考慮同時處理幾個安全設(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)時間以及各個設(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)時間和各個設(shè)施的泄放速率因泄放工況不同而異。如火災(zāi)工況，一般計算泄放時間為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?；ろ椖恐畜E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，分別用以下兩個公式(2)、(5)確定驟冷劑的最小量。

3.1 泄放介質(zhì)中不含不凝性氣體

當(dāng)泄放介質(zhì)中不含不凝性氣體時，所需驟冷劑的最小量mq可以用公式(2)來計算。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刻和泄放持續(xù)時間,h；RFl、RFg分別為泄放過程t時刻液相、氣相泄放速率，kg/h；H’Fl、H’Fg分別為泄放過程t時刻液相、氣相焓值，kJ/kg。其他符號如前所述。

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，則右邊分子第一項為零。公式(5)同理。

3.2 泄放介質(zhì)中含不凝性氣體

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，故在計算驟冷劑最小量時應(yīng)加以考慮。泄放過程中，某一時刻，驟冷劑蒸汽和可凝性氣體被夾帶的量可基于驟冷罐內(nèi)汽液相平衡計算得到。由于整個泄放過程中，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，為簡化計算，取起始溫度、中間溫度和終止溫度三個點夾帶量的平均值作為整個泄放過程不凝性氣體的夾帶量，可以滿足工程計算精度[3]。

可凝性氣體和驟冷劑在三個溫度點下的夾帶量可以分別由公式(3)、(4)計算得到，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。再對整個泄放系統(tǒng)作熱平衡計算見式(5)，即可求得泄放介質(zhì)含不凝性氣體時驟冷劑的最小量mq。

(3)

(4)

(5)

4 驟冷罐尺寸

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度。

(2)依次計算泄放起始液位、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：對于立式，長度不小于泄放結(jié)束時的膨脹液位與氣相空間之和；對于臥式，筒體直徑不小于泄放結(jié)束時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度，直到滿足要求為止。

4.1 驟冷罐內(nèi)液位的計算

驟冷罐液位的計算包括泄放開始和泄放結(jié)束兩部分。泄放開始時液相的體積Q1可用式(6)計算得到。考慮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]計算驟冷罐泄放起始液位H1。如果計算到得的液位小于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。其他符號如前所述。

泄放結(jié)束時，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)計算。并將結(jié)果與1.1(數(shù)值)相比較，取大者[3]。

(9)

其中

(10)

4.2 氣相空間

對于常壓和氣相介質(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算方法[7]來確定所需的氣相空間。

對于氣相介質(zhì)不排放這種操作方式，為避免泄放結(jié)束時罐內(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]。

5 結(jié)語

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算方法，提供驟冷罐的設(shè)計思路和方法，供驟冷罐設(shè)計參考。