管壳式换热器安全阀的设计分析.pdf

聚蕾技术 石 油 化 工 设 计 P e t r o c he mi c a l De s i g n 管壳式换热器安全阀的设计分析 范振鲁， 刘登峰 ， 粱泽涛 中国石油工程建设公司华东设计分公司， 山东 青岛 2 6 6 0 7 1 摘要通过结合行业规范和国外工程公司的做法， 对管壳式换热器各种泄放工况进行逐一分析， 分别 研究了出口阀关闭、 热胀、 火灾和换热管破裂4种工况下的安全阀泄放， 提 出了管壳式换热器在出12 阀关 闭、 火灾和换热管破裂的工况木设置安全阀的设计方法和行政管理手段。同时每种工况下设置安全阀 时， 通过计算公式说明了泄放量计算所需要的热通量、 受热面积以及潜热等参数， 并对比分析了其它国际 工程公司的一些管壳式安全阀的设置原则， 并列举 了工程应用实例。 关键词管壳式换热器安全阀 出口阀关闭 热胀火灾换热管破裂 1 换热器安全阀泄放工况分析和实际应用 换热器安全阀的设置 ， 需要考虑 4种工况 出 口阀关闭 ； 热胀 ； 火灾； 换热管破裂。管壳式换 热 器应进行逐一工况超压分析⋯ ， 换热器 安全阀设 计涉及换热器安全管理 、 安全 阀设置判断分析 、 换 热器泄放计算等非常复杂 ， 困扰很多设计人员 ， 为 此本文提出了设置安全阀时安全阀泄放量 的详细 计算方法。 2出口阀关闭工况 1 管壳式换热器冷侧介质 出 口阀关 闭， 热侧 介质仍处于操作状态 ， 冷侧 可能会发生 气化引起 超压 ， 如图 1所示。若冷侧介质在热侧 介质入 口 温度下的饱和蒸汽压不超过冷侧设计压力的 1 ． 3 倍 ， 可不考 虑该工 况。否则 ， 冷侧 需要设 置安 全 阀， 冷侧泄放量可按公式 1 、 2 计算 WQ T 。 一T b 。 ／ [ A T 一 t ] 1 t t 1 t 2 ／ 2 2 图 1 管壳式换热器冷侧出口阀关闭安全阀设置示意 2 实例 下文亦以“ 实例” 使用 。以某硫酸 法烷基化装置 的烷 基化油 一循 环碱水 换热器 为 例 ， 换热器的型式为一台 B E S 5 0 01 ． 7 5 ／ 1 ． 4 5 5 5 6 ／ 2 5 4 I ， 管程走冷碱水 ， 壳程走烷基化油 ， 操作 参数如见表 l 。 表 1 换热器的物性参数 参数 烷基化油 冷碱水 人 口温度／ ℃ l 6 l 4 9 出口温度／ o c 1 0 2 7 l 流量／ k g h- 1 2 0 2 2 0 3 4 4 1 5 操作压力／ MP a 表 1 ． O 7 1 ． 4 0 设计压力／ MP a 表 1 ． 4 5 1 ． 7 5 热负荷／ W 8 7 9 2 0 0 8 7 9 2 0 0 冷碱水在热侧烷基化油入 口温度 1 6 1 o C时饱 和蒸汽压 表 0 ． 6 3 MP a ， 小于管程设计压力 表 1 ． 7 5 MP a ， 故无需考虑冷侧出口阀关 闭气化工况。 3 热胀工 况 1 换热器冷侧 出人 口阀或管路上相关 的调节 阀等关闭 ， 热侧仍然处于操作状态 ， 或从 日光 中吸 热 ， 冷侧会发生热膨胀而超压 ， 冷侧需要设置安全 阀， 烃类和水的典 型膨膨胀系数见表 2 ； 泄放量可 由下式求解 Wl O t ／ 1 0 0 0 d 3 收稿 日期 2 0 1 4 0 l 一 0 3 。 作者简介 范振鲁， 男， 2 0 0 6年毕业于天津大学化学工 程与工艺专业， 硕士， 高级工程师， 现从事石油炼制常 减压蒸馏装置和烷基化装置工艺设计工作。联 系电 话 0 5 3 28 0 9 5 0 7 6 6； Ema i l f a n z h e n l u c n p c c e i ． c n 4 0 石 油 化 工 设 计 2 0 1 4 年第 3 期 第 3 1 卷 液体体积膨胀系数也则可 由求解 。 程假定停止。气 化或 膨胀 吸热仅来 源 于外部 火 P P ； ／ [ 2 一T P I P ] 4 源。火灾包括外部池火 可燃液体着火 、 喷射火 表2 烃类和水的典型膨胀系 统 灾 可燃气体着火 或气体云火灾 。 相对密度 ， A P I 。 体积膨胀 系统／ ℃ 3～3 4． 9 0． 0 o 0 7 2 3 5～5 0 ． 9 0． o o 0 9 0 5l～6 3 ． 9 0． o o 1 0 8 6 4 ～7 8 ． 9 0． o o 1 2 6 7 9～8 8 ． 9 0． o o 1 4 4 8 9～9 3 ． 9 0． 0 0 I 5 3 9 4或更轻 0 ． 0 0 1 6 2 水 O ． 0 0 0 1 8 为 1 5 ． 6 C F 数值 。 2 以实例 中烷基化油 一循 环碱水换 热器 为 例 ， 冷侧冷碱水在出人 口阀关闭时 ， 热侧烷基化油 仍然给冷侧加热 ， 冷侧冷碱水 的体积膨胀 系数计 算按公式 4 计算得到 5 ． 1 81 0～， 泄放量按 照公式 3 得到 1 ． 1 1 1 0 m ／ s ， 约为4 O O ． 5 k g ／ h 。 4 火灾工况 及参数计算 设备暴露于火灾下， 换热器内介质由于气化 或膨胀而引起 的超压。火灾工况时 ， 所有进 出系 统的物流终止 ， 内部的加热源也停止 ， 所有工艺过 1 火灾工况泄放量 的计算 0 ． 8 5 9 8 b ／ A 5 2 热通量 的计算。若压力容器有消防设施 和足够的可燃物 质排放 系统 ， 火灾热通量采用公 式 6 计算 ； 若无消防设施和足够的可燃物质排放 系统 ， 火灾热通量采用公式 7 计算 J 。 C 。 6 C 7 3 环境因数 F的计算。未保温的容器 F1 ； 采用保温材料的容器， F可由下式求解 F 0一T f ／ C t 8 火灾发生后保温材料不能抵抗 9 0 0 o C达 2 h 以上 ， 则环境因数采用数值 1 J 。 4 受热润湿面积A w 计算 当换热器置于火灾 区域内时 ， 壳程受热 面积计算见表 3， 管程受热面 积见表 4 。 表3 管壳式换热器壳程润湿面积计算方法 浮头式换热器 A w s ， J L 1 L 20 ． 8 D U形管换热器 5 气化潜热可使用文献值或流程模 拟数值 ； 对于临界区域 ， 可采用最小值 1 1 5 k J ／ k g 。对于 有些操作介质 如 ， 常减压蒸馏装置减压塔底油 气化温度高于设备的承受温度 ， 此 时火灾安全阀 2 0 1 4年第3 期 第 3 l 卷 范振鲁等． 管壳式换热器安全阀的设计分析 4 1 应考虑介质的热 裂解 ， 泄放可按表 5假设条件考 虑。 表 5 火灾热裂解假设条件 泄放温 度／ C 4 0 o 分 子量 1 1 4 基 于 C 8组成 气化潜热 热裂解时吸收的热量 ／ 1【 J k g 2 l 0 4 其他国际工程公司对 4种工况的处理方法 1 壳牌公司对于超过 2 h才到达泄放工况， 且 有完好的消防设施， 则此工况可不考虑； 但是排 除 ①介质存在发生反应的危险； ②潜在的设备失 败后会泄放大量的有毒物质。 换热器下列情况可不作为火灾工况考虑 a 通过行政管理手段规定一旦换热器隔断后 ， 立 即 将其 中的液体排放掉 ； b 正常操作时 ， 火灾 的泄放 负荷可泄放至其他处。 换热器介质为液化天然气时， 需考虑火灾工 况气相泄放保护； 火灾时换热器介质有潜在反应 危险时 ， 需考虑火灾气相泄放保护 ； 固定管板式换 热器壳侧按压力容器考虑 ， 对于容积大于 5 0 0 L的 通常需要设置火灾工况安全阀。 2 柏克德公司。对于4 h内， 火灾吸收的热量 在泄放压力下 ， 也不会让液相介质达到泡点 ， 则可 不考虑设置火灾安全 阀， 这基于假设 4 h内， 要么 已经消除危险， 要么业主放弃该设备， 对于不同的 设备这个时问需要进行评估。 3 E x x o n Mo b i l 公司。对于通常的换热器 系统 不需要设置火灾安 全阀， 因为换热器系统在火灾 时可通过畅通通道到达塔或罐 。对于设置前后切 断阀和副线阀的单台换热器， 有两种选择 设置火 灾安全阀或者通过行政管理手段消除该工况 ， 即 一 旦换热器隔断后 ， 应立即将其中的液体排放掉 ， 甚至可在隔断阀和副线阀处设置醒 目标识牌 。 4 实际工程应用。以“ 实例” 中烷基化油 一循 环碱水换热器为例 ， 发 生火灾 时壳 程前后切断阀 关闭 ， 壳程侧烷基化油可能会发生超压 ， 但是最终 与业主进行 沟通 ， 通 过在换 热器前 后切断阀和副 线阀处设置醒 目标示牌 ， 并且要求操作人员在换 热器前后切断阀关闭时， 立即排放掉换热器内操 作介质， 从而将火灾工况安全阀泄放消除掉。 5 换热管破裂工况 1 换热器低压侧 包括上下游系统 的水压试 验压力低于高压侧 的设计 压力 ， 则应考虑换热器 换热管断裂工况口 ] 。若管程和壳程设计压力中， 低压侧大于高压侧 的 1 0 ／ 1 3 ， 可以不考虑该工况 ， 否则需要考虑换热管破裂 _ 3 J 。 2 换热管破裂泄放量计算 。换热管破裂考虑 单根管高压侧介质流人低压侧介质 ， 可假定换 热 管在管板背面一侧， 高压流体假定通过留在管板 中的管接头和另一较长部分管子 的断面 ] 。此时 泄放量可按照限流孔板进 行计算 j ， 泄放 量为两 倍 的限流孑 L 板流量 ， 限流孔板 的操作条件是 1 限 流孔板人 口压力为换热器高压侧操作压力 ； 2 限 流孑 L 板出口压力为换热器低压侧设计压力 集聚 压力 ； 3 限流孔板的孔径为换热器换热管内径 。 综上所述， 管壳式换热器安全阀的设计， 应考 虑出口阀关闭、 热胀 、 火灾 、 换热管破裂 4种工况 ， 同时还 应 结 合 换 热 器 的 生 产 维修 方 式 进 行 设 计 。 文中符号说明 A w s 受热润 湿 面积 ， m2 ； c 常 数 ， 6 6 5 7 0； c l 常 数 ， 4 3 2 0 0 ； C 2 常数， 7 0 9 O O ； 环境因数； Q 换热器正常操作 热负荷， k c a l ／ h ； T l 热侧流体入 口温度， ； 第二点温 度 ， o C； 泄 放 条 件 下 容 器 温 度， ℃； 一泄 放 量 ， k g ／ h ； ，泄放流量， m ／ s ； 保温材料外表面温度， ℃； c 介 质 比热， J ／ k g K ； d 操作介质 相对密 度 相对 于 1 5 ． 6℃下 水的密度 ； 保温材料的热导率， W／ m K ； t 保温材料 厚 度 ， m； t 2 冷 侧 出 口 温 度 ， ℃ ； t l 冷 侧 人 口 温 度 ， ℃ ； t 冷侧平 均温 度 ， c c； t b p 冷侧 泄放压 力 下饱 和温度 ， q c； n 体积膨胀系数， 1 ／ ％， 可查文献， 或采用表 2中烃类和水的 典型膨胀系统数据； 传热速率， W； p 。 l 温度下的液体 密度 ， k s ／ m ； p 2 r 2 温度下 的液体密度 ， k s ／ m ； A 在 t b p 时的 气化潜热 ， k c a l ／ k g 。 参考文献 [ 1 ] A P I 5 2 0 ． 1 2 0 0 o ． S i z i n g ，S e l e c t i o n ，a n d I n s t a l l a t i o n o f P r e s s a l e r e l i e v i n g De v i c e s i n Re fin e rie s P a r t I - S i z i n g a n d S e l e c t i o n [ S ] ． [ 2 ] A N S I ／ A P I S T A N D A R D 5 2 1 ． A D D E N D U M， M A Y 2 0 0 8 ． P r e s - s u r e - r e l i e v i n g a n d D e p r e s s u r i n g S y s t e m s [ S ] ． [ 3 ] A S M E S e c t i o n V I I I ， U G - 9 9 ． S ta n d a r d S y d r o s t a t i c T e s t [ S ] ．