使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放..doc

使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放 摘要： 本文介绍了一种超临界流体火灾工况下超压泄放流率的计算方法，并使用HYSYS辅助计算了一个示例。 关键字： 超临界流体、超压泄放流率、HYSYS 安全阀是一种安全保护用阀，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制其压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。随着科技的发展，石油化工生产操作温度操作压力越来越高，从而使安全阀的泄放压力超过临界条件的情况也越来越多。 对于纯净物质，根据温度和压力的不同会呈现出液体、气体、 固体等状态变化。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。当物质所处的温度高于临界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。温度及压力均处于临界点以上的流体叫超临界流体。 在超临界状态下，液体与气体分界面消失，汽化潜热接近于零，如按照通常的安全阀火灾工况泄放量计算方法，泄放量=热量/汽化潜热，由于此时汽化潜热接近于零，安全阀的泄放量将非常大。但实际情况并非如此，超临界流体由于气液不分，会充满整个容器，在火灾工况下，随着热量的输入容器中超临界流体温度（泄放温度）不断升高，压力基本恒定（为泄放压力），受热膨胀，安全阀的泄放量应为超临界流体的体积膨胀量。这一点和安全阀的热膨胀工况相似。 随着大型电子计算机的出现，计算方法得到迅猛发展，应用到化工过程上，形成了化工模拟软件。而HYSYS由于它的编写语言的优势，可以实时进行模拟，也就是修改了某一数据，HYSYS可以实时模拟给出新的物性，使其在这一方面，与其他模拟软件相比具有一定的优越性。 本文主要介绍超临界流体火灾工况下安全阀的泄放量计算方法，以及如何使用HYSYS使计算变得方便简洁。 超临界流体火灾工况安全阀泄放速率公式推导 首先将超临界流体火灾工况的泄放过程按泄放温度递增（有利于物性模拟），比如10个点，不同的温度对应着不同的时间点。在时间点tn 时 刻，超临界流体的密度为ρn，焓值为Hn，质量为Mn，体积为容器的体积V；在时间点tn+1时刻 ，超临界流体的密度为ρn+1，焓值为Hn+1，质量为Mn+1，体积仍为容器的体积V。在时间间隔Δt（）内，流体受热膨胀，体积增大，体积膨胀增大的部分通过安全阀泄放出去，安全阀的质量泄放量为mn，体积泄放量为Vn。容器内超临界流体吸收热速率为Q，则： 在时间点tn 时刻： 在时间点tn+1时刻 ： 在时间间隔Δt ()内： 安全阀的质量泄放量 吸收的热量为：，从而有 ， 质量泄放速率为： 体积泄放速率为: 吸热速率Q 的计算：根据美国石油学会标准API－520中规定,国际单位制：对于有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施时，容器的吸热速率Q为： 其中F为容器外壁校正系数，Aws为润湿面积。对于特定的设备，在超临界状态时，我们认为润湿面积为整个内壁，所以Q在超压泄放过程中为一定值。 由上我们可以看出，超临界流体火灾工况下的泄放速率（质量泄放速率或体积泄放速率）与Q和不同时刻的物性有关。而Q为定值，物性在不断变化，所以泄放速率在不断变化。 二、 用HYSYS辅助计算超临界流体超压泄放示例 立式容器V-101无保温充满65%(mol)正丁烷与35%(mol)异丁烷，温度90oC，安全阀整定压力为4.5MPag，火灾工况下允许超压21%。容器尺寸 外径2000mm，T/T 5000mm，两端椭圆形封头，容器的内表面为40.1m2。假设容器置于地面上，有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施，试计算火灾工况下此容器安全阀需要具有的超压泄放速率。 容器火灾中的吸热速率Q： 容器置于地面上无保温，F取值1.0。Aws为容器的内表面为40.1m2，代入Q的计算式 泄放压力为 通过HYSYS模拟发现65%(mol)正丁烷与35%(mol)异丁烷的临界温度 146.2 oC，临界压力 37.54bar。而容器在不断升温的过程中，气液平衡，直到进入超临界状态，所以超压泄放时，容器内为超临界流体。 HYSYS中临界物性的模拟过程如下：首先，将模拟环境设置好，包括热力学方法，组份等。建立物料线1（stream 1），输入组份为65%(mol)正丁烷与35%(mol)异丁烷。点击Attachments标签，选择Analysis，点击右侧的创建（create）,选择临界物性(critical properties),点击添加（Add），点击查看（View），可以看到物料线1（stream 1）的临界性质，如下图 超压泄放速率的EXCEL表格 根据上面的泄放速率公式编制成EXCEL表格，使其计算关系如下： 所需