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管壳式换热器安全阀最大泄放量的计算 舒 捷1, 吕国林2 1、 南化集团设计院, 江苏 南京 210048; 2、 扬子石油化工 设计工程有限责任公司, 江苏 南京 210048 摘 要 采用安全泄放装置是防止容器超压发生爆炸最有效的方法。运用流体在管道内作绝热流 动的理论, 结合气体膨胀因数, 推导出一种更为严密的计算管壳式换热器安全阀泄放量的方法, 其计算 结果的精确度较高。 关键词 安全阀; 泄放量; 计算; 探讨 中图分类号 TK172 文献标识码 B 文章编号 1009- 1904 200304- 0008- 05 1 概述 在石油化工装置中, 安全生产是首要任务。采 用安全泄放装置是防止容器超压发生爆炸最有效的 方法。依据我国5钢制压力容器6 GB 150- 1998 的要求, 在操作过程中可能出现超压的设备都应配 备安全泄放装置。 安全泄放装置的选型首先应计算设备在各种超 压工况下的泄放量, 其次求出在最大泄放量下相应 的安全阀喷嘴截面积, 作为安全阀选型的依据。 在API5205石油炼制装置安全泄放装置口径的 计算、 选型及安装6规范中, 列举了安全泄放装置各 种超压工况下确定其泄放量的一般性原则。对于换 热器换热管断裂时, 由其两侧断面产生的泄放量之 和来确定。通常在各种超压工况下的泄放量所确定 的安全阀的喷嘴截面积以换热管断裂时为最大, 所 以换热器上安全阀的直径选择通常也以换热管超压 断裂时的泄放量为准。因此, 准确地计算管壳式换 热器内换热管断裂时流体的泄放量是关系到能否正 确选择安装在换热器上的安全阀的首要条件。 本文将介绍某国外工程项目跟外商合作时所采 用的一种换热管断裂时安全阀最大泄放量的计算及 4 脱硫 411 工作原理 水中的硫化氢采用空气氧化法脱硫, 可以同时 向水中注入空气和蒸汽, 硫化物即被氧化成无毒的 硫代硫酸盐或硫酸盐, 其化学反应方程式如下 2HS- 2O2S2O2-3 H2O 2 S2O2- 3 2O2 2OH-2SO2-4 H2O 3 由式 2 可见, 氧化 1 kg 硫化物生成硫代硫酸 盐约需氧 1 kg, 相当于 313 m3空气, 但由于少部分 约 10 硫代硫酸盐会进一步氧化成硫酸盐, 所以 空气用量要增加。注入蒸汽的目的是加快反应速 度, 但本装置中的地热水源温度达 70 e , 故可不采 用蒸汽。氧化脱硫过程是在二级除铁工序后由臭氧 和水采用水射器混合完成的。 5 操作控制 现代控制技术和微电子技术的飞速发展, 使水 处理过程实现全自动控制成为现实。使用工控计算 机作为中央管理器对运行过程进行监控, 现场控制 室采用开关量和模拟量检测反馈信号, DCS 中以 PLC 为主控制器, 把水处理装置运行过程中不连续 变化的开关量和连续变化的模拟信号送入 PLC 的 输入端。PLC 的输出端控制泵及其他负载。 人机对话则由和 PLC 通讯口相连的 PC 工控机 完成。 工控机作为现场控制室内的人机界面服务器, 可在屏上显示水处理过程的温度、 液位、 流量、 压差、 铁和硫的含量、 pH 值等线性和非线性变量。 在设备自动运行前, 通过工控机上设置的菜单 进行与制水工艺相关参数的设定, 使制水过程在设 定的参数和现场制水时不断变化的工艺参数的要求 下自动运行。 设备的就地控制由设在除铁工序的单独按钮组 完成, 调试或维修设备时可把开关置于手动控制状 下转第 18 页 8 硫磷设计与粉体工程 S P 当 K 大于 15 时为管道进 口压力的 5 ; 对于液体为管道进口压力的 1 。否 则, 由于管道进出口的流体密度不同或射流的影响, 按式 4 计算会得出不正确的结果。 换热器换热管断裂时, 换热管两端的压差一般 都远远大于上述要求的数值。为了计算换热管断裂 时换热管的气体泄放量, 需要应用 Crane 提出的气 体膨胀因数 Y 的概念对上式进行修正。1969 年 Crane 首次将气体的膨胀因数应用到可变密度流体 的流动方程中, 管道系统流体流动方程修正为 p K 1 2Qi m YA 2 5 根据 Crane 的定义, 气体膨胀因数 Y 的定义可 用式 6 表示 p / pi KN 2 i/ Y 2 6 流体流动数是管道系统内任意截面处流体的动 能与静压力比的平方根, 其数学式为 N Q u2 2p 1/2 。 同样将流体的速度采用流体的质量流量表示, 那么 管道内流体流动数的方程式可表达为 92003 年第 4 期 舒 捷, 等 1 管壳式换热器安全阀最大泄放量的计算 N m A 1 2Q p 7 根据式 5 计算在一定压差下管道内的气体质 量流量, 关键在于计算气体的膨胀因数。下面将利 用气体在换热管道内流动的理论对气体膨胀因数的 计算公式进行推导。 根据5石油化工企业工艺装备管径选择导则6规 定, 可压缩流体在不保温的管道内流动, 当管长大于 1 000 倍管内径时按照理想气体的等温流动模型, 当管长小于 1 000 倍管内径时按照理想气体的绝热 流动模型就能满足工程计算精度的要求。对于气体 在管道内进行绝热流动的关系式如下 p1Ma11 C - 1 2 Ma21 1/ 2 p2Ma21 C - 1 2 Ma22 1/ 2 8 气体在管道内的马赫数是该气体在管道内的流 速与声音在该气体中传播的速度 声速 之比, 即 Ma u/ c。 c C RT 1/ 2, 于 是 Ma u/ C RT 1/2。再根据理想气体方程式 p V nRT 及 V m/ Q , 可以得到 N Ma C / 2 1/2。 气体在管道内各截面处的马赫数与压力的关系 式可改写为 po pi Ni No C C - 1 N 2 i C C - 1 N 2 o 9 再结合气体膨胀因数 Y 的定义式 6 , 消去 po/ pi后, 则 Y KN 2 i 1- Ni No C C - 1 N 2 i C C - 1 N 2 o 10 Streeter 及 Wylie 在 1975 年所著的5流体流动 机理6 第 6 版 , 论述了关于气体在绝热管道中流动 的方程式可表达为 K 1 2N 2 i - 1 2N 2 o - C 1 2 C ln 1 N 2 i C - 1 C 1 N 2 o C - 1 C 11 当气体在断裂的换热管内发生阻流时, 换热管 出口处的气体速度达到了极限值 等于 c , 其管道 出口端气体的 Ma*o 1。根据流动数的定义可知, 此时换热管出口端的流动数 No* C / 2 1/ 2, 于是 根据方程式 11 , 气体进口阻流流动数 Ni*与压力 损失系数 K 的关系式可以表达为 K 1 2Ni* 2- 1 C- C 1 2C ln 1 Ni* 2 C - 1 C C 1 C 12 分析式 12 可知, 管道内流动的气体进口阻流 流动数 Ni*与气体的比热比 C以及管道的压力损 失系数K 有关。在换热管断裂的情况下, 系统的压 力损失系数 K 是己知的, 根据式 12 通过试差法可 以求得此时的气体进口阻流流动数 N * i。用试差法 求上述方程中 N * i的值很不方便, 现以 K 为横坐 标, Ni*为纵坐标, 以不同的 C值绘制成图 3。 图 3 K 与 N*i的关系曲线 将 N * i代入式 7 , 得到换热管断裂时气体在 换热管中的阻流质量流量 m * 。m * 也就是管道系 统中气体的最大质量流量。 m * N * iA2piQi 13 同样, 将 K 、 N * i及 N * o C / 2 1/2 代入式 10 , 可以得到换热管断裂时的气体阻流膨胀因数 Y * 的数值。于是根据气体膨胀因数的定义式 6 , 可以得到断裂的换热管两端的临界压差值 p * 。 当断裂的换热管两端的压差 p 大于 p * 时, 管道 内的气体处于阻流流动状态, 于是安全阀的泄放量 就等于 2m * ; 当 p 小于 p * 时, 气体处于亚临界 流动状态。根据气体膨胀因数 Y 的定义式, 可以得 到下面的方程式 p p * Ni Y N * i Y* 2 14 将式 14 与式 10 和式 11 联列, 消去 No、 Ni 后, 从理论上讲可以得到 Y 与 p 、 K 、 C的函数关 系式。实际上, 要消去 No、 Ni直接得到 Y 与 p、 K 、 C函数关系式是相当困难的。通常通过设定 K 为一整数值, 绘制出 Y 对于 p / p * 的图表, 如图 4 所示。利用图 4, 通过计算得到的 p * 以及己知 的 p、 K 及 C的数值, 得到相应的 Y 值。再根据 式 5 , 计算出管道内亚临界流动状态下的气体质量 流量, 从而得到安全阀的泄放量。 3 安全阀泄放量的计算步骤 依据上述推导的计算模型, 换热管断裂时换热 器壳程安全阀的最大泄放量计算步骤如下 10 硫磷设计与粉体工程 S P 2、 根据换热管几何尺寸计算其总压力损失系数 K 值; 3、 首先计算临界压差 p * , 判断流体是否处于 阻流状态, 如果达到阻流状态就根据方程式 12 计 算 N * i值后, 将 N * i代入其定义式中得到换热管断 裂时的阻流质量流量 m * ; 当流体处于亚临界流动 状态, 根据计算得到的 p * , 以及已知断裂的换热 管两端的 p 和K 、 C , 查图 4 得到气体膨胀因数 Y 的值, 然后根据式 5 求出管道内气体的质量流量 m。 4、 安全阀的最大泄放量为 m 或 m * 值的 2 倍。 4 计算实例及方法比较 己知换热器管程介质为某气体, C 1. 4, 工作 压力 pi为 1 MPa, 密度 Q 9. 29 kg/ m3。换热器壳 程的设计压力 ps为 0. 6 MPa。换热管为长 3 m、 公 称直径 20 mm 的 SCH40 26. 9 mm 2. 87 mm 无 缝碳素钢管。现计算换热管断裂时换热器壳程安全 阀的最大泄放量。 1、 p 1. 0- 0. 6 1. 1 0. 34 MPa 3. 4 105Pa。 2、 查得 E 0. 2 mm, di 21 mm, D 27 mm, f 2 log E 3. 7di - 2 0. 037 K Ko Ki f L / D 1. 0 0. 5 0. 037 3/ 0. 027 5. 61 3、 根据图 3 查得 N * i 0. 247。 将 N * i 0. 247, N * o 1. 4/ 2 1/ 2 0. 837, K 5. 61 代入式 10 Y* 5. 610.2472 1- 0. 247 0. 837 1. 4 1. 4- 1 0. 247 2 1. 4 1. 4- 1 0. 837 2 0. 685 根据式 6 得 p * 1. 0 106 5. 61 0. 2472 0. 6852 7. 29 105Pa 由于 p / p * 0. 466, 因此断裂的换热管内 的气体处于亚临界流动状态。 4、 根据 p / p * 0. 466, K 5. 61, 查图 4 得 到 Y 的值, 同样也可以联列式 10 、 11 和 14 求 得 Y 0. 875。 按式 5 计算断裂的换热管内气体的质量流量 m 0. 875 1 4 0. 0212P 2 3. 4 105 9. 29 5. 61 32. 45 kg/ s 1 158 kg/ h 由上可见, 换热管断裂时换热器壳程安全阀的 最大泄放量为 2 316 kg/ h。 5、 现按5石油化工装置工艺管道安装设计手册6 提出的公式计算换热管破裂时气体介质的安全阀泄 放量, Gg 246. 3 104di2 p Qg 0. 5 2. 463 106 0. 0212 0. 34 9. 29 0. 5 1 930 kg/ h 安全阀的最大泄放量等于 2Gg, 为 3 860 kg/ h。 本文推荐的计算方法计算的结果, 仅为上述数 值的 60 。 5 结论 本文推荐的安全阀最大泄放量计算方法, 已在 国外某工程项目设计中采用, 达到了预期效果。从 其计算结果可见, 该方法所得的计算结果精确度较 高, 可供同仁参考。 符号说明 A 管道截面积,m2; c 声速, m/ s; cp 定压比热容, J/ kgK ; cV 定容比热容, J/ kgK ; d 管道内径, m; D 管道外径,m; f 当量管道单位长度的摩擦阻力系数, 1; Gg 气体泄放量, kg/ h; K 压力损失系数, 1; Ki 管道进口端压力损失系数 Ki 1 , 1; Ko 管道出口端压力损失系数 Ko 0. 5 ,1; L 管道长度, m; m 管道内流体的质量流量, kg/ s; m* 管道内流体的阻流质量流量, kg/s; Ma 气体在管道内的马赫数, 1; Ma* 气体在管道内发生阻流时的马赫数, 1; n 气体的摩尔数, mol; 112003 年第 4 期 舒 捷, 等 1 管壳式换热器安全阀最大泄放量的计算 尿基 NPK 生产工艺及装置优化运行途径探讨 汪根华 南化集团设计院, 江苏 南京 210048 摘 要 介绍了尿基 NPK 生产工艺及特点, 针对以熔融尿素为原料, 采用半料浆团粒法造粒生产尿 基 NPK 装置在运行中出现的问题, 结合熔融尿素和尿基 NPK 的物化特性进行分析, 提出解决这些问题 的相应对策, 并强调了严格操作管理对装置长周期、 满负荷运行的重要性。 关键词 尿基复合肥 生产; 工艺; 操作控制; 工艺参数; 对策 中图分类号 TQ4441506 文献标识码 B 文章编号 1009- 1904 200304- 0012- 05 1 概述 随着我国氮肥工业的不断发展, 高浓度氮肥品 种 尿素的产量已占氮肥总产量的 60 左右。 从单位氮养分的产品成本计算, 尿素的产品成本约 为硝酸铵的 90 , 硫酸铵的 80 , 因此用尿素生产 高浓度 NPK 复合肥是十分合理的事。从我国目前 化肥市场情况看, 由于 NPK 复合 混 肥生产和销 售的经济效益比单一养分的化肥好, 许多化肥生产 企业 包括氮肥、 磷肥企业 利用自身的原料、 技术和 管理等优势调整产品结构, 把发展 NPK 复合肥作为 提高企业经济效益, 扩大产品市场的重要途径来考 虑。 笔者针对以熔融尿素为原料, 采用半料浆团粒 法造粒流程生产尿基复合肥装置在运行中出现的问 题, 结合熔融尿素和尿基复合肥的物化特性进行分 析并提出对策, 期望能给相关企业在生产实践中参 考。 2 尿基 NPK 复合肥生产工艺 211 生产工艺的选择 根据原料路线的不同, 生产尿基复合肥主要采 用以下几种方法。 1、 团粒法造粒流程 采用粉状MAP、 固体尿素和钾盐等为原料, 利用 蒸汽、 水使物料增温增湿造粒, 生产高浓度复合肥。 2、 半料浆团粒法造粒流程 利用尿素厂的熔融尿素或固体尿素熔融后, 与购 入的粉状MAP、 钾盐等生产高浓度复合肥。 3、 料浆法造粒流程 在磷铵厂, 以磷酸和氨为原料, 利用管式反应器 获得磷酸铵料浆, 再搀入固体尿素和钾盐等生产高 浓度复合肥。 4、 双料浆造粒流程 以磷酸和氨为原料利用管式反应器获得磷酸铵 N 管道内的流体流动数, 1; N * 管道内发生阻流时的流体流动数,1; Ni 管道进口端的流体流动数, 1; N * i 管道进口端的流体阻流流动数, 1; No 管道出口端的流体流动数, 1; N * o 管道出口端的流体阻流流动数, 1; p 管道内流体的绝对压力,Pa; pi 管道进口端的流体压力, Pa; po 安全阀最大泄放量时的出口压力, Pa; ps 安全阀的设定压力, Pa; p 流体在管道进出口端的压差, Pa; p * 流体在管道内发生阻流时的临界压差, Pa; pf 流体在管道内因摩擦阻力引起的压力损失, Pa; R 气体摩尔常数, J/ molK ; Re 雷诺数, 1; T 气体温度, K; u 管道内的流体流速, m/ s; Y 气体膨胀因数, 1; Y* 气体的阻流膨胀因数, 1; C 气体的比热比 C cp/ cV , 1; E 管道内壁的绝对粗糙度, m; L 流体黏度, Pas; Q 流体密度, kg/ m3; Qg 气体密度, kg/ m3; Qi 管道进口端的流体密度, kg/m3。 作者简介1、 舒 捷 1968- , 男, 湖南益阳人, 工程师, 从事 石油化工工艺设计工作; 2、 吕国林 1969- , 男, 江苏盐城人, 工程 师, 从事石油化工工艺设计工作。 收稿日期 2003- 04- 10 12 硫磷设计与粉体工程 S P process; equipment; technical feature; design; analysis Analysis for Fire Protection Design of Sulfur Warehouse L IU Y an Nanjing Chemical Industrial Group Design Institute, Nanjing 210048, China Abstract Sulfur is an inflammable substance with strong chemical activity which may lead to spontaneous combustion under certain conditions. Therefore, fire protection during sulfur storage should be paid attention to. With an explosion accident happened in a su- l fur warehouse of Hu. nan Aluminum Alloy Works, the cause of fire in the sulfur warehouse and highlights of fire protection design for sulfur warehouses are analyzed. It is indicated that it is necessary to strengthen fire protection management for sulfur warehouses so as to fundamentally eliminate fire accidents in sulfur warehouses. Key words sulfur warehouse; fire protection; design; analysis Study of Process Design for Geothermal Water Treatment L U Xiao -binJiangsu Industrial and Civil Architectural Design Institute, Nanjing 210008, China Abstract In order to sufficiently utilize the ample geothermal water resource, geothermalwater is accordingly treated as per its spe - cific application requirements. The processes of iron removal with the combination of two -stage alkalization and aeration, desulfuriza - tion with ozone and fluorine removal through activated bauxite adsorption is introduced, which will achieve iron removal rate over 85 , fluorine removal rate over 92 and sulfide removal rate not less than 90 . The treated water quality meets relative standards. Key words geothermal water; iron removal fluorine removal desulfurization; removal rate; process; design Calculation of Maximum Relieving Capacity of Safety Valve on Tube 2、 YPC Design Engineering Co. , Ltd. , Nanjing 210048, China Abstract Safety relief device is the most effective way to prevent vessel explosion due to excessive pressure. Using the theory of a - diabatic flow of fluid in the pipe and the gas expansion factor, a more rigorous way for calculation of relieving capacity of tube relieving capacity; calculation; study Study of Urea -based NPK Production Process and of Optimizing Plant Operation WANG Gen -hua Nanjing Chemical Industrial Group Design Institute, Nanjing 210048, China Abstract The process and features of urea -based NPK production is introduced, and for problems occurred during the operation of urea -based NPK plant where sem- i slurry granulation isused with molten urea as the feedstock, analysis is done in combination of physical and chemical properties of molten urea and urea -based NPK. T he corresponding solutions for such problems are proposed, and the importance of strict operating management for long -time and ful- l load operation of the plant is emphasized. Key words urea -based compound fertilizer production; process; operating control; process parameter; measure Increasing KCl Recovery Rate with Combined Process of Floatation and Crystallization -cold XIAO Y ou -hua, CHEN Zhao -ping Lianyungang Design and Research Institute of the Ministry of Chemical Industry, Lianyungang 222004, China Abstract Qinghai salt lake is the largest kali salt production base in China. Dozens of small KCl enterprises in the region normally use floatation process for KCl production, tail salt and tail water are dischargedon site, which is a waste of resource and environmen- tally polluting. It is recommended to use the combined process of floatation and crystallization -cold. The process flow, equipment se - lection and outlines of production technology are introduced. It is indicated that KCl production using this process will increase KCI recovery rate and avoid wasting of resource and environmental pollution. Key words KCl production; floatation crystallization -cold; process; equipment selection; technical outline Ammonium Sulfate Process and Its Application in Nitric Phosphate Fertilizer Production WANG Cheng -guang, L IU J ian -quan, L IU Chang -jinKaifeng Kaihua Co. , Ltd. , Kaifeng 475002, China Abstract Kaifeng Kaihua Group Co. , Ltd. has suffered considerable economic loss because by -product ammonium sulfite is over - stocked as a result of market fluctuations and it is also oxidized into ammonium sulfate. T he production process, equipment perfor - mance and control objectives for production change from ammonium sulfite to ammonium sulfate, as well as the application of ammo - nium sulfate in nitric phosphate fertilizer production are introduced. Key words ammonium sulfate production; process; equipment; control objective; nitric phosphate fertilizer; application Quick Start UA SB AF Reactor HE J ian -zong YPC Co. , Ltd. , Water Plant, Nanjing 210048, China Abstract UASB AF reactor is suitable for treatment of high concentration PTA waste water. The process flow, equipment, oper - ating procedures of quick start and load increase, and problems to be taken care of for PTA waste water treatment with the reactor are introduced. It is indicated that by selecting anaerobic sludge and soft combined packing and controlling the process parameters, the S P Published on Jul. 31, 2003 Initial Issue in Dec. of 1991