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浅谈安全阀超压泄放量的计算

文档作者：刘海浪徐建峰文档来源： 1．浙江省天正设计工程有限公司 2．溧阳市乔森塑料有限公司，		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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第10期 一33
浅谈安全阀超压泄放量的计算
刘海浪 ，徐建峰
(1．浙江省天正设计工程有限公司， 浙江杭州31。O12)
(2．溧阳市乔森塑料有限公司， 浙江杭州31 0003)
[摘要]阐述了化工设备中安全阀的超压分类，对国内外的安全阀超压泄放量的计算标准进行了归纳。在此基础上，通过
对某反应釜工艺的分析，具体介绍了超压状态下安全阀泄放量的计算过程，可为石油化工设备的安全阀超压泄放量计算提
供参考。
[关键词]安全阀；超压安全泄放；计算
在石油化工装置中，为了防止生产系统压力
超过容器和管道的设计压力而发生爆炸事故，往
往都会在容器或管道上设置安全阀。安全阀的选
用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最小截面
积，作为安全阀选型的依据。安全阀的超压工况
实际是由于非平衡状态下物料的流动或其能量积
累造成的。从引起累积的途径上可以分为物理超
压和化学超压。物理超压有设备内物料突然积聚
引起的超压、物料受热膨胀引起的超压、过热液
体突沸引起的超压、饱和液化气体受热蒸发引起
的超压和瞬时压力脉动等。化学超压则可分为可
燃气体的燃爆超压、可燃粉尘的燃爆超压和放热
化学反应失控引起的超压等。本文结合上述几种
超压情况进行分析，并进行简单的计算说明。
1国内外安全阀泄放量计算主要标准
1．1 GB150．1～150．4—2011《压力容器》ll
文献[1 在通用要求附录B中对盛装压缩气体或
水蒸汽的容器、产生蒸汽的换热设备、盛装液化
气体和因化学反应使气体体积增大的容器等4种情
况分别给出了安全阀泄放量的计算公式。
1．2 HG／T20570．2—1995《安全阀的设置和选用》[2】
文献口 适用于化工生产装置中压力容器和管道
所用安全阀。该文献分别从阀门误关闭、循环水
故障、不凝气的积累、过度热量输入、化学反应
失控及外部火灾等10种情况给出了安全阀泄放量
的计算公式。
容器建造规则》给出了介质为饱和蒸汽、空气、
天然气和水的安全阀泄放量计算公式。
1．4 API RP 520 Sizing，Selection，and Installation of
Pressure—relieving Devices[4]及API RP 52 1 Pressurerelieving
Depressuring Systems【 ]
文献[4 适用于炼油厂压力释放装置的尺寸选
定、选择和安全。该文献给出了水蒸汽、气体或
蒸汽、液体和气液两相等情况下安全阀泄放量的
计算公式。文献[ 是文献 的补充， 目的是帮助选
择最适用于各种装置在出现危险情况时的泄压和
减压系统。国内现行标准SY／T 10044—2002《炼油
厂压力释放装置的尺寸确定、选择和安装的推荐
作法》[6】相当于API RP 520，SY／T 10043—2002《泄
压和减压系统指南》 实际上相当于API RP 521。
1．5 其他
TSG G0001—2012《锅炉安全技术监察规程》
给出了蒸汽锅炉上的安全阀泄放量的计算公
式。GB／T 12241—2005《安全阀一般要求》『9】分
别从饱和蒸汽、过热蒸汽、空气或其他气体、液
体等4种情况给出了安全阀泄放量的计算公式。
EN ISO 4 1 26—1 Safety Device For Protection Against
Excessive Pressure『l01则给出了气体、水蒸汽和液体
情况下安全阀泄放量的计算公式。
上述标准关于水蒸汽泄放量的计算公式基本
大同小异。对气体介质的泄放量计算公式均划分
为临界和亚临界两种情况，只是其中相关修正系
数有些差异。不过文献 基本引用了文献 的公
1．3 ASME VII．1 Rules for construction of pressure ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·-·
vess
一 硕士研究生
ASME锅炉及压力容器规范Ⅷ 卷第一册《压力
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．
34． ■论文广场 2石0油15和年化第工18设卷备
式，两者可以通用。
2安全阀泄放量计算
安全阀作为石油化工设备中的一种超压保护
装置，在确定设备或系统所配置的安全阀口径和
数量时必须进行泄放量计算。安全阀的额定排量
大于并尽可能接近被保护设备或系统在超压事故
情况下必须的泄放量。设备一旦发生超压，安全
阀立即敞开泄放通道，将造成超压的多余能量和
物料排放到设备以外的安全处，使设备内的压力
始终保持在某一规定值以内，从而避免设备或系
统因超压造成过度塑性变形甚至破裂。以下为计
算实例。
一台编号为A1l4的带夹套反应釜， 容器规格
1600／ 1700×2960，两端椭圆形封头， 设各
外部有保温层。反应釜中投入丙酰氯、二氯甲烷
和氯化锌，滴加异丁醛，保温反应一段时间。滴
加异丁醛时控制体系温度为10±5℃ ，然后升温
至20±3℃保温。反应时体系内含有1200LZ．氯甲
烷，600 kg丙酰氯，0．6 kg氯化锌及480 kg异丁醛，
反应后生成约1050 kg左．4。经分析，左一4生产过
程中可能出现三种因内部或外部原因引起的设备
超压情况。以下为工况分析汇总表。
表1 工况分析汇总表
工况 可能的工况分析 后果
工况一 夹套水蒸气不断汽化放热 反应釜内不断升温，物料蒸发形成超压
工况二 外部火灾或危险工况时意外热量输入 同上
工况三 放热化学反应失控 同上
(1)I况一
当反应釜进行蒸馏操作时，夹套中通水蒸汽
加热。当蒸汽阀门或仪表出现异常，导致水蒸汽
在夹套中不断汽化放热，不断传递热量给反应釜
内筒， 最终会导致反应釜内的液体和气体物料受
到意外的热量输入。查资料可得，二氯甲烷共沸
物约为55℃左右。二氯甲烷遇明火、高热可燃，
属于易燃液化气体。当热量持续输入，二氯甲烷
就在密闭的空间内迅速达到饱和蒸汽状态，并且
反应釜内同时还有部分空气受热膨胀等，综合作
用下超压时排放主要以二氯甲烷气体为主。由能
量守恒原理可知，在最极端工况下，夹套中水蒸
汽汽化放出的热量完全被反应液吸收，导致反应
釜内低沸点介质不断汽化。查资料可得，饱和水
蒸汽流速为15．30 m／s，水蒸汽密度为0．583 kg／m ，
水蒸汽在该温度下的汽化潜热为2360 kJ／kg，则夹
套中水蒸汽完全汽化放出的最大热量Q =7．2 X 10
kg／h。已知二氯甲烷的汽化潜热329．4 kJ／kg，则夹
套中水蒸汽放热导致二氯甲烷气体排量W =21 8．6
／Il。
(2)工况二
当设备外部发生火灾极端情况时，设备内
部也会出现热量的积聚，最终也会导致二氯甲烷
不断汽化和膨胀，最后形成超压现象。按相关标
准， 有完善的绝热保温层时， 外部火灾引起的安
全泄放量按下式计算
wo ：：—2．61(650-—t)AA,．~8-~
一
×
式中：W。为外部热源产生的安全泄放量，t
为泄放压力下介质的饱和温度， 入为绝热材料的
导热系数，0．126 kJ／m，At=3．14D。(L+0．3D。)，D。
为容器外直径，1600 mm；L为总长2960 mm。
6为容器保温层厚度，0．05 Irl，q为在泄放压力
下，泄放介质的汽化潜热，329．4 kJ／kg。计算可得
Ar=17-3 m ，则因外部热源原因设备的安全排放量
Wo=122．9 kg／I1。
f3)I况三
在左．4药物制备过程的正常工况下，滴加异
丁醛时伴有发热产生。由已知资料可得， 该化
学反应属于放热反应。反应釜装设夹套冷却装置
以排除反应热，防止设备内压力和温度的过分升
高，使反应平稳进行。但如果由于阀门故障、冷
冻盐水故障等异常情况下造成冷却不足，设备内
就会积聚反应热，物料的温度将逐渐升高。温度
的上升又促使反应速度加快，随之而来的是反应
热的不断增加和温度的急剧升高，即反应失控。
这种恶性循环有时会在很短时间内使反应釜内的
温度、压力发生激增，最终导致反应釜内的液化
气体受热膨胀，形成超压爆炸。因化学反应使气
体体积增大的设备，其安全泄放量应根据设备内
化学反应可能生成的最大气体量及反应时间来确
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第10期 刘海浪等浅谈安全阀超压泄放量的计算 一35一
定。作为辅助泄放装置，考虑在有可能遇到火灾
或接近不能预料的外来热源需要增加泄放面积
的，应考虑设置安全阀和爆破片并联使用。反应
釜中化学反应方程式如图l所示。
／／^、 +
o
C3H 5ClO 92 52
丙酰艇 骅r醚
图1 左一4反应方程式
／
o7
C7H13CIO2 164 62
杰．4
由化学反应热效应原理可知： 化学反应的标
准焓变等于生成物标准生成热之和减去反应物标
准生成热之和。查资料可知，生成lmol的左一4，
该反应会放出252 kJ的热量。在左一4缩合反应中，
生成的热量大部分被二氯甲烷汽化吸收，排放气
体主要以二氯甲烷为主，反应釜在较短的时间内
迅速达到饱和蒸汽压，最终导致安全阀的安全开
启。异丁醛的最大滴加速率v=137．14 kg／h，则计算
出该时的设备安全泄放量Wr=1454．8 kg／Il。
综上所述， 反应釜的最终安全泄放量应为
三种工况下的泄放量总和，再通过泄放面积的相
关计算公式获得最小泄放面积以及安全阀阀座口
径，参照安全阀样本或其他资料，选用适当的安
全阀。结合反应釜盛装介质的特性，按相关标准
选用封闭全启式安全阀和爆破片并联使用。同时
针对其易燃易爆的特性，还应在安全阀的排出口
装设导管，将泄放介质引至安全地点并进行妥善
处理，不能直接排入大气。
3结束语
安全阀泄放量的计算涉及热力学知识，同时
不同的标准计算公式又存在一些差异，所以安全
阀泄放量的计算是长期困扰设计者的难题。本文
结合工程设计中遇到的实际问题，介绍带夹套的
反应釜事故时安全阀泄放量的计算方法，并对可
能遇到的工况进行了分析，可为石油化工设备的
安全阀超压泄放量的计算提供参考。
◆参考文献
[1]GB150．1～150．4．2011，压力容器【S]．
【2]HG／T20570．2．1995，安全阀的设置和选用[S]．
f31 AS／VIEⅧ ．1．2013，Rules for construction ofpressure vessels[S]．
[4】API RP 520—1—20 1 4，Sizing，Selection，and Installation of
Pressure-relieving Devices[S]．
[5]API RP 521—2014，Pressure relieving Depressuring Systems[S]．
[6】SY／T 10044．2002，炼油厂压力释放装置的尺寸确定、选
择和安装的推荐作法[S】．
[7]SⅥ 10043．2002，泄压和减压系统指南[S]．
[8]TSG GO001．2012，锅炉安全技术监察规程[S]．
[9】GB／T 12241．2005，安全阀一般要求[S】．
[10]EN ISO 4126—1—2013，Safety Device For Protection Against
Excessive Pressure[S]．
(上接32页)
件和时间的限制，本文未能建立更加准确的模
型，未能更好的优化此封头，更未能计算出最佳
厚度，以上问题将在今后的研究中加以考虑和解
决。
◆参考文献
[1】贺匡国．压力容器的分析设计基础[M]．北京：机械工业出
版社，1995．
[2】王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法(第二
版)[M]．北京：清华大学出版社，1997．
[3】嘉木工作室．ANSYS5．7有限元实例分析教程[M】 E京：机
械工业出版社，2002．
[4】郭乙木，陶伟明．线性与非线性有限元及其应用【M】．北
京：机械工业出版社，2003．
[5]ANSYS11．0结构分析工程应用实例解析(第二版)IS]．北
京：机械工业出版社，2008．
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