冷凝器換熱管破裂超壓分析及安全閥泄放量計算

杜廷棟，徐 艷

(1.山東三維石化工程股份有限公司，山東 青島 266071；2.中國科學院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101)

對于蒸餾系統來說，影響其塔頂壓力變化的因素眾多。外部火災、自控閥故障、電力故障、誤操作等都有可能造成系統超壓。在大部分情況下，設計人員在確定塔頂安全閥泄放量的時候，主要考慮的是外部火災、冷卻或回流故障[1-2]。對于另一種事故工況。換熱設備(再沸器、冷凝器)換熱管破裂由于其出現概率小并且較為復雜，系統設計時考慮很少。而事實上，這類工況，譬如冷凝器換熱管破裂時循環水進入到塔體，若循環水是輕組分，循環水將與工藝氣體進行換熱而蒸發，蒸發后形成的氣相體積若比工藝氣相體積大，則將會在蒸餾系統的塔頂積聚，造成塔頂壓力超壓。本文以蒸餾系統作為討論對象，將對冷凝器換熱管破裂工況進行詳細分析，進而得出此工況下安全閥泄放量計算的一般公式。

1 蒸餾系統能量衡算

最常見的超壓能量來源：一是能量輸入通過氣化或熱膨脹間接導致壓力升高；二是較高壓力的直接引入[3-4]。對于蒸餾塔系統來說，其復雜性在于影響塔頂壓力變化的因素眾多。通常情況下，需要通過控制塔底能量輸入的平衡，來控制塔頂壓力。

考慮到蒸餾系統的復雜性，為分析方便，本文基于如下簡化進行分析：

(1)進料量、回流量、塔底采出量、塔頂采出量在冷凝器換熱管破裂前后保持不變，流體狀態也不發生變化；

(2)冷凝器換熱管破裂工況非整體垮塌式斷裂，而是因為孔蝕等原因造成的小孔穿透。循環水噴射進入冷凝器殼體，流量計算參照API520(2014)中關于安全閥泄放量的計算公式計算[5]；

(3)循環冷卻水進入冷凝器殼體后與工藝物料混合，經塔頂回流泵輸送至塔頂回流；塔頂冷凝器的冷凝溫度保持不變，冷凝器的總傳熱系數在冷凝器換熱管破裂前后保持不變，即冷凝器在換熱管破裂前后其冷凝量近似維持不變；

(4)再沸器總傳熱系數在再沸器換熱管破裂前后保持不變。

本文首先對蒸餾系統進行能量衡算：

如圖1，將蒸餾塔、再沸器、冷凝器作為系統：Qin=Qout

圖1 蒸餾系統流程圖Fig.1 Process flow diagram of distillation system

Q1+Qf+Qr=Q3+Qx+Qb+Qt

(1)

整理得Q1=Q3+Qx+Qb+Qt-Qf-Qr

(2)

令ΔQ=Qb+Qt-Qf-Qr，則

Q1=Q3+Qx+ΔQ

(3)

式中：Qin流入系統的能量，kcal/hr；

Qout流出系統的能量，kcal/hr；

Q1再沸器輸入系統的能量，kcal/hr；

Q3冷凝器輸出系統的能量，kcal/hr；

Qf進料帶入系統的能量，kcal/hr；

Qt塔頂冷凝物料帶出系統的能量，kcal/hr；

Qb塔底物料帶出系統的能量，kcal/hr；

Qr回流物料帶入系統的能量，kcal/hr；

Qx安全閥帶出系統的能量，kcal/hr；

在正常工況下，再沸器輸入系統的能量Q2，kcal/hr，冷凝器輸出系統的能量Q4，kcal/hr。則式(3)轉化為

Q2=Q4+ΔQ

(4)

2 冷凝器換熱管破裂

2.1 冷凝器換熱管破裂工況能量衡算

2.1.1 循環水為重組分

冷凝器換熱管破裂，循環水將進入蒸餾塔。循環水經塔頂回流泵輸送回流至塔內，在塔內向下流動的過程中會和工藝蒸汽換熱。如果循環水是重組分，循環水不會蒸發，同時循環水還能吸收上升工藝蒸汽的熱量，相當于增加了冷凝器輸出系統的熱量。最終，所有噴射進入蒸餾系統的循環水將在塔底收集，不會造成蒸餾系統超壓。

2.1.2 循環水為輕組分

循環水是輕組分，循環水經塔頂回流泵輸送回流至塔內，將首先被加熱至泡點溫度，然后蒸發。水蒸氣在塔頂收集。這種情況實際等效于一種易揮發組分進入系統，受熱膨脹蒸發。

按API STD 521(2014)的說法[6]，由于由液體到氣體的體積膨脹很大，在常壓下約為1∶1400，而且產生氣體是瞬時的，在這種情況下，設置安全閥能否快速打開還是問題。因此，這一偶然事故并不提供壓力排放裝置，膨脹產生的氣體攜帶的熱量最終還會由冷凝器換熱帶走。

然而，由于冷凝器換熱管破裂，造成蒸餾系統組分發生改變，從而改變了換熱器熱負荷Q1。若Q1>Q2，多輸入的能量Qnet=Q1-Q2，卻有可能使蒸餾系統超壓。因此，需要對這種情況進行討論。

令Qt為冷凝器換熱管破裂進入系統的循環水加熱至泡點所需熱量，kcal/hr；Qv為其蒸發所需要消耗的總熱量，kcal/hr；Qc為循環水在塔底收集排出系統帶走的熱量，kcal/hr；Qw為循環水噴射進入系統帶入的熱量，kcal/hr。

Qt=WtCp(Ts-Tw)

(5)

Qv=Qt+Wtλ

(6)

式中：Wt冷凝器換熱管破裂進入蒸餾塔循環水質量流量，kg/hr；

Cp循環水比熱，kcal/kg·℃；

Tw循環水溫度，℃；

Ts循環水在安全閥泄放壓力下泡點，℃；

λs循環水在安全網泄放壓力下汽化潛熱，kcal/kg。

冷凝器換熱管破裂時，對圖1進行能量衡算，式(3)轉化為

Q1=Q3+Qx+ΔQ+Qc-Qw

(7)

式(7)與式(4)相減，得

Q1-Q2=Qx+Qc-Qw

(8)

令Wt'為循環水在塔底收集的質量流量，kg/hr。循環水在塔底收集時的溫度近似等于循環水在系統操作壓力下的泡點溫度，則

Qc-Qw≈Wt'CpTs-WtCpTw

(9)

式(8)轉化為

Q1-Q2=Qx+Wt'CpTs-WtCpTw

(10)

由式(10)，事故工況下再沸器多輸入系統的能量為Qnet，Qnet有三個流向，一是加熱循環水至泡點溫度，二是使循環水蒸發，三是由安全閥排出。

本文在討論前，已假設進入和排出系統的物料流量在冷凝器換熱管破裂前后保持不變；同時，為了簡化分析，假設混合汽進入冷凝器后，工藝蒸汽先冷凝，水蒸氣后冷凝，而非形成共沸物。

在以上兩個前提下，進行安全閥泄放量計算的討論。

2.2 安全閥泄放量計算

2.2.1Qnet≤Qt

忽略水蒸氣的顯熱，要使工藝蒸汽和水蒸氣完全冷凝，需滿足的條件為，再沸器多輸入的熱量僅用來加熱噴射進入系統的循環水，但不足以將循環水的溫度升高至泡點，此時，進入系統的循環水將都在塔底收集，即Q1-Q2≤Qt，則由式(5)與式(10)得

Qx+Wt'CpTs-WtCpTw≤WtCp(Ts-Tw)

(11)

因Wt=Wt'，則由式(11)得Qx≤0，所以安全閥不產生泄放量。

由Q1-Q2≤Qt整理得

(12)

此時，蒸餾系統不會產生超壓。

2.2.2Qt

要使冷凝器的熱負荷可以將工藝蒸汽全部冷凝，但是只有部分水蒸氣可以被冷凝，需要滿足的條件為，再沸器多輸入的熱量可以將噴射進入系統的循環水的溫度升高至泡點，并能將部分循環水加熱蒸發，即Qt

WtCpTs-WtCpTw

(13)

因Wt'0，所以安全閥產生泄放量。

由Qt

(14)

此時，不能被冷凝的水蒸氣會在塔頂積聚，造成蒸餾系統超壓。安全閥的泄放量為

(15)

2.2.3 Qnet>Qv

要使冷凝器的熱負荷只能將部分工藝蒸汽冷凝，水蒸氣不能被冷凝，需要滿足的條件為，再沸器多輸入的熱量可以將噴射進入系統的循環水的溫度升高至泡點，并能將全部循環水加熱蒸發，即Q1-Q2>Qv，則由式(10)得

Qx+ Wt'CpTs-WtCpTw>Qt+Wtλs

(16)

因Wt'0，所以安全閥產生泄放量。

由Q1-Q2>Qv整理得

(17)

此時，不能冷凝的工藝蒸汽和水蒸氣會在塔頂積聚，使塔頂壓力迅速升高，造成蒸汽系統超壓。安全閥的泄放量為

綜上，冷凝器換熱管破裂安全閥泄放量的計算公式總結如表1。

表1 冷凝器換熱管破裂工況下安全閥泄放量計算公式Table 1 Formula of PSV relieving flowrate in the scenario of condenser tube rupture

3 Q1、Q2、Wt的確定

3.1 Q1、Q2的確定

正常工況下再沸器的換熱量Q2計算公式為

Q2=UA(t1-T1)

(19)

式中：U再沸器的總傳熱系數(系統設計時給出)，kcal/(m2·K·hr)；

A再沸器的換熱面積，m2；

t1高壓蒸汽入口溫度，K；

T1工藝蒸汽出口溫度，K。

假定再沸器的總傳熱系數U在冷凝器換熱管破裂前后保持不變，冷凝器換熱管破裂后，當蒸餾系統的操作壓力升至安全閥的起跳壓力時，工藝蒸汽的出口溫度變為T1'，K，則此時再沸器的換熱量Q1的計算公式為

Q1=UA(t1-T1')

(20)

3.2 Wt的確定

冷凝器換熱管破裂時，噴射進入蒸餾系統的循環水量Wt的計算公式為

(21)[5]

式中：Wt換熱管破裂進入系統的循環水量，L/min；

Kd泄放因子，取0.65；

n換熱管破裂數量；

At錯流面積，mm2；

ρ 循環水相對密度，取1；

P1循環水壓力，kPa(G)；

P2低壓側壓力，取安全閥泄放壓力，kPa(G)。

4 結論

本文分析了冷凝器換熱管破裂造成蒸餾系統超壓這類特殊工況。冷凝器換熱管破裂，若循環水為重組分，相當于增加了冷凝器輸出系統的熱量，塔頂不會超壓，安全閥不起跳；若循環水為輕組分：(1)當Qnet≤Qt，工藝蒸汽和因循環水蒸發產生的水蒸氣完全冷凝，安全閥不起跳；(2)當QtQv，僅有部分工藝蒸汽可被冷凝，不能被冷凝的工藝蒸汽及循環水產生的水蒸汽會在塔頂積聚，造成安全閥起跳。

冷凝器換熱管破裂工況十分復雜，本文在分析此工況時做了諸多簡化，事實上，由于循環水進入系統，塔頂采出量和塔底采出量也會相應變化，在實際運用本文結論時需結合模擬軟件的分析計算，以便得出最接近真實的系統的工作條件。為了分析方便，本文假定ΔQ不發生改變。由于工程實際千差萬別，在應用本文研究結論時，也需結合各自項目的特點，靈活應用。在確定安全閥泄放量的時候，可以在計算結果的基礎上附加一定的安全系數。安全系數也可以根據系統的特點及項目的工藝要求合理選取。