使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放

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。一、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：1.在时间点tn时刻：2.在时间点tn+1时刻：3.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:4.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/T5000mm，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。1.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2.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146.2ºC，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（stream1），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(criticalproperties),点击添加（Add），点击查看（View），可以看到物料线1（stream1）的临界性质，如下图3.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：4.所需物性的模拟限于版面问题，此例取11个时间点用HYSYS进行所需物性的模拟，主要是在恒定泄放压力下温度从起始温度（此处取临界温度，这是因为在超临界状态压力与温度不再具备平衡对应关系，我们很难确定在初始泄放时泄放温度是多少）不断升高时的密度与焓值，可以用HYSYS创建一个物性表格，过程如下：双击物料线1（stream1），点击Attachments标签，选择Analysis，点击右侧的创建（create）,选择物性表格（PropertyTable）,点击添加（Add），然后双击PropertyTable选项卡，接着物性表格（PropertyTable）对话框就会出现。按如下步骤生成物性表格。（1）选择物料线1（stream1）（2）对于变量1（Variable1）,从下拉菜单中选择温度（Temperature），从模式选项（Modeoption）里选择递增（Incremental）,下限（LowerBound）输入起始温度（此处取临界温度146.2℃）上限（UpperBound）输入196.2ºC，比146.2ºC大50ºC（如果不够大，最大泄放量会出现在最高温处，此时需要重新输入温度上限）。（3）对于变量2（Variable2）,从下拉菜单中选择压力（Pressure），从模式选项（Modeoption）里选择恒定的（State）,恒定值（StateValues）输入泄放压力55.46bar。（4）然后点击对话框左侧的因变量物性（Dep.Prop），添加需要模拟的物性：密度（MassDensity）、焓值(MassEnthalpy)。（5）点击计算（Calculate）来生成物性表格。（6）点击Performance标签来查看物性表格，如下图：5.超压泄放速率的计算将模拟的物性复制(Control+C)粘贴(Control+V)到泄放速率的EXCEL表格中，并输入Q的值，其计算结果如下：时间点吸热速率Q温度T密度ρ焓值H体积泄放速率νv质量泄放速率νmνm/(ρ1/2)(kJ/h)ºCkg/m3kJ/kgm3/hkg/h13208961146.2323.1-2222.026.68137.8465.323208961151.2305.9-2201.031.38964.0529.433208961156.2286.7-2178.537.59934.0610.143208961161.2265.2-2154.345.610994.6707.753208961166.2241.4-2128.155.111938.7811.263208961171.2216.6-2100.564.012411.6891.573208961176.2193.8-2073.369.712221.0923.083208961181.2175.3-2048.371.711554.1910.593208961186.2161.0-2025.671.510713.3875.0103208961191.2149.9-2004.970.19877.9831.9113208961196.2141.0-1985.6---6.计算结果分析从表格里的计算结果可以看出，超临界流体火灾工况超压泄放时，不仅容器内的流体物性在不断变化，而且泄放速率也在随泄放时间变化，无论是体积泄放速率还是质量泄放速率都随着时间先增大后减小；但体积泄放速率的最大值与质量泄放速率的最大值并不是在同一温度下出现的，也就是说两者不是同时出现的。7.安全阀喉径计算物性数据选择我们计算容器的超压泄放速率主要是为了计算安全阀的喉径，而计算安全阀的喉径需要选择一组使喉径面积最大的数据。根据HG/T20570.2-95,a)对于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积为：，，使其与理想气体状态方程的变形式：PM=ρRT结合，可以推导出泄放面积与成正比。b)对于液体的最小泄放面积为：，其中,，也可以推导出泄放面积与成正比。由此可见，在临界流动条件下，安全阀喉径与成正比；而介于νm与νv（）之间，所以最大的安全阀喉径应该出现在最大质量泄放速率（νm）与最大体积泄放速率νv之间，在最大时，安全阀喉径最大。对于此示例，采用第七组数据进行安全阀的喉径计算，计算方法在这里不再赘述。三、结语1.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，此方法相对于传统计算方法更加精确，有利于选择合适的安全阀，节省了投资。2.通过示例介绍了如何使用HYSYS辅助计算超临界流体火灾工况下的超压泄放流率，并对计算结果进行了分析，给出了安全阀喉径计算所需物性数据的选取原则。利用HYSYS辅助计算，并编制成EXCEL表格，使计算变得简洁明了。参考文献1.APIRecommendedPractice520,PartI,7thEdition,January20002.HG/T20570.2–95,安全阀的设置和选用