立方安全泄放量的计算.docx

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立方安全泄放量的计算

安全泄放量计算（VT10-16）

（按GB/T18442.6-2011附录A）

1.容器基本参数（数据）

1.1．容器尺寸数据

内容器内直径Di=1890mm

内容器筒体壁厚t1=10mm

内容器外直径D0=1910mm

内容器封头壁厚t2=12mm

内容器筒体长度h1=3000mm

内容器壳体外表面积S1=π*D0*h1=18m2

内容器封头外表面积S2=4.14m2

内容器壳体外表面积S3=2*S2+S1=26.28m2

外容器内直径D1=2300mm

外容器筒体壁厚t3=8mm

外容器外直径D2=2316mm

外容器筒体长度h3=3860mm

外容器筒体内表面积S4=π*D1*h3=27.89m2

外容器封头内表面积S5=5.53m2

外容器壳体内表面积S6=2*S5+S4=38.95m2

容器内液位高度h4=3955mm

1.2.容器所用绝热材料数据

绝热层材料导热系数（正常工况下）λiv=0.00102W/m*k

绝热材料的导热系数（火灾环境）λif=0.0295W/m*k

绝热层厚度ti=10mm

绝热层内外表面积的算术平均值Aim=（S3+S6）/2=32.62m2

1.3.容器设计参数

内容器设计压力P=1.6MPa

内容器设计温度T1=77K

安全阀整定压力P1=1.6MPa

安全阀泄放压力控制在Pd=1.86MPa

爆破片泄放压力控制在Pb=1.956MPa

1.4.安全阀参数

安全阀型号DAH-15A1

进出口尺寸进口：

M30*1.5外螺纹，出口：

G3/4内螺纹

阀座处直径d1=15mm

排放面积A1=176.71mm2

工厂泄放系数f1=0.18

额定泄放系数f2=0.9*f1=0.162

安全阀出口侧压力P0=0.1MPa

1.5.爆破片参数

爆破片型号YC8-1.86-22

进出口尺寸1/2’’NPT

阀座处直径d2=15mm

额定泄放系数f3=0.62

排放面积A2=176.71mm2

1.6.气体特性参数

0.6.1氮气特性（查工业气体手册）

临界压力P2=3.394MPa

临界温度T2=126.05K

摩尔质量M=28.01g/mol

绝热指数（标准状况）K=1.4014

气体常数C=356

正常工况

泄放温度Td=115K

压缩系数Z1=0.651

气化潜热q=116.718KJ/kg

火灾环境

泄放温度Td=115K

压缩系数Z2=0.625

汽化潜热q=116.718KJ/kg

1从热壁（外壳）传入冷壁（内容器）的总热流量的计算

1.1非火灾情况

1.1.1绝热系统（夹套和绝热材料）完好且处于正常的真空状态下，外部环境温度50℃，内容器为泄放压力（1.86MPa）下储存介质的饱和温度（115K）,此时从热壁传入冷壁的热流量的计算：

a.在正常的真空状态下,通过绝热材料传入的热流量计算：

Hiv=Uiv*Aim*（Ta-Td）

=0.102*32.62*（323-115）

=691.99W

（1）在正常真空状态下,夹层绝热材料总的传热系数：

Uiv=λiv/ti=0.102（W/m2*k）

式中：

在正常真空状态下，绝热材料在温度Ta与Td之间的平均热导率：

λiv=0.00102（W/m*K）（查《低温绝热与贮运技术》）

（2）非火灾情况下绝热容器外部最高环境温度：

Ta=323K

（3）对应于某一深冷介质的容器或传热构件冷端表面温度：

Td=115K

b.通过内容器的吊带构件传入的热流量：

Hst=Nst*λst*Ast*（Ta-Td）/Lst=8*12.3*0.00064*（323-115）/0.8=16.37W

式中：

（1）内容器吊带或其它金属支撑构件数量，Nst=8

（2）内容器吊带材料（S30408）在温度Ta与Td之间平均导热率：

λst=12.3（W/m*K）（查《低温绝热与贮运技术》）

内容器吊带或其它金属支撑构件材料的长度，L=0.8m

内容器吊带或其它金属支撑构件材料的宽度，w=0.08m

内容器吊带或其它金属支撑构件材料的厚度，t=0.008m

内容器吊带构件材料（S30408）的横截面积，A=0.00064m2

（3）非火灾情况下绝热容器外部最高环境温度：

Ta=323K

（4）对应于某一深冷介质的容器或传热构件冷端表面温度：

Td=115K

c.通过真空夹层的管道传入的热流量的计算：

Htube=

*

）

=0.2618+0.7567+0.1719+0.06617+0.19358+0.0858+0.7944+0.25699+

0.077639+0.17581+0.1724

=3.0132W

顶充管Htube1=

底充管Htube2=

蒸汽返回管Htube3=

气相仪表管Htube4=

液相仪表管Htube5=

溢流管Htube6=

辅助提液管Htube7=

安全管Htube8=

节能管Htube9=

虹吸提液管Htube10=

虹吸提液管Htube11=

式中：

（1）通过真空夹层的管道材料在温度Ta与Td之间平均热导率：

λt=（λa+λc）/2=（35.4+10.6）/2=23W

式中：

真空夹层的管道材料（06Cr19Ni10）在热端的导热率：

λa=35.4（W/m*k）（查《低温绝热与贮运技术》）

真空夹层的管道材料（06Cr19Ni10）在冷端饱和温度下（深冷介质

在泄放压力1.86MPa）的热导率；

λc=10.6（W/m*k）（查《低温绝热与贮运技术》）

（2）穿过真空夹层的内容器第i管的横截面积

Φ34*2管横截面积Atube1=0.000201062m2

Φ48*2管横截面积Atube2=0.000289027m2

Φ18*2管横截面积Atube3=0.000100531m2

Φ14*2管横截面积Atube4=0.0000754m2

（3）第i根管在真空夹层中的长度

顶充管L1=5.286m

底充管L2=1.829m

蒸汽返回管L3=5.602m

气相仪表管L4=5.456m

液相仪表管L5=1.865m

溢流管L6=5.609m

辅助提液管L7=1.742m

安全管L8=5.385m

节能管L9=6.2m

虹吸提液管1L10=5.476m

虹吸提液管2L11=5.584m

（4）所储存介质的气体导热率

λgas=0.0201（W/m*K）（查《低温绝热与贮运技术》）

（5）非火灾情况下绝热熔器外部最高环境温度

Ta=323K

（6）对于某一深冷介质的容器或传热构件冷端表面温度

Td=115K

1.1.2在非火灾和绝热层完好，且处于正常的真空状态下，由热壁传入冷壁的总热流量：

H1=Hiv+Hst+Htube

=691.99+16.37+3.0132=711.372W

式中：

H1——在非火灾和绝热层完好且处于正常的真空状态下，由热壁传入冷壁的总热流量

1.1.3绝热系统完好且处于正常的真空状态下，外部为环境温度，内容器的温度为泄放压力所储存的介质的饱和温度，且增压系统处于全开工作状态下，热壁经由

绝热系统，构件和增压汽化器输入内容器的总热流量：

H2=H1+HPBC=711.372+=W

式中：

（1）增压器产生的热流量，HPBC（W）

HPBC=UPBC*APBC*（Ta-Td）=

式中：

增压器总的对流传热系数，UPBC=

增压器总的外部传热面积，APBC=

非火灾情况下绝热容器外部最高环境温度，Ta=323K

对应于某一深冷介质的容器或传热构件冷端表面温度，Td=115K

注：

汽化器传热系数的推导:

UPBC=1/[1/αf+ζ/λ+1/（α*β*η）]（W/m2*k）

因为，管内汽化换热系数αf及铝的热导率远大于管外的自然对流换热系数α，故在工程计算中可将式中1/αf及ζ/λ略去不计，于是上式可简化为：

UPBC=α*β*η=

式中：

αf——低温流体与管壁的对流换热系数，（W/（m2*k））

ζ——管壁厚度，0.003（m）

λ——铝的热导率，117.23（W/（m*k））（查自《铝制化工设备》表2-59及《深冷手册（下）》表7-29）

α——空气与翅片管的自然对流换热系数，（W/（m2*k））

对于星型翅片管，可按空气对平壁的自然对流换热准则方程求α

α=λ0*Nμ/y=

式中：

Nμ——努塞尔准数

λ0——空气的导热系数，0.02059w/m*k

y——翅片高度，0.12m

推导α的最大值：

层流时：

（Gr*Pr）=Nμ=

α=λ0*Nμ/y=

紊流时：

（Gr*Pr）=Nμ=

α=λ0*Nμ/y=

β——肋化系数，β=F2/F1=

F1，F2——翅片管的内外表面积

η——肋化效率

η=th（my）/my=

式中：

y——翅片高度，0.12m

m=

U=2H=1.6m

H——肋片长或管长

A=HX=

X——翅片长度，0.003m

1.1.4绝热系统完好，但夹层已丧失真空状态下，外部温度为环境温度，内容器的温度为泄放压力下所储存介质的饱和温度，从热壁传入内容器的总热流量计算：

H3=Hi1+Hst+Htube

=20013.3+16.37+3.0132=20032.6832W

式中：

H3——绝热系统完好，但夹层已丧失真空，外部温度为环境温度，内容器的温度为泄放压力下所储存介质的饱和温度，从热壁传入内容器的总热流量

Hi1——夹层丧失真空的状态下，通过绝热材料输入的漏热率

Hi1=Ui1*Aim*（Ta-Td）

=2.95*32.62*（323-115）

=20013.3W

Ui1——在大气压力下和环境温度下，绝热材料总的传热系数

Ui1=λi1/ti

=0.0295/0.01

=2.95（W/m*k）

λi1——夹层已丧失真空，在大气压力下绝热材料充满或吸附空气或介质气体，在温度Ta与温度Td之间的平均热导率

ti——绝热材料的名义厚度

Aim——绝热层内外表面积的算术平均值

Ta——非火灾情况下绝热容器外部最高环境温度

Td——对于某一深冷的容器或传热构件冷端表面温度

1.2火灾情况

1.2.1真空绝热容器的绝热系统完好或部分完好，但夹层真空已丧失，储存的介质（以液氮计）温度达115K,且外部遭遇火灾或922k高温的情况下，由热壁传入内容器的总热流量：

H4=2.6*（922-Td）Uif*Ar0.82=90129.88W

式中：

（1）Td——对应于某一深冷介质（以液氮计）的容器或传热构件冷端表面温度，设定于115K

（2）Uif——在火灾条件下（外部温度为922k和大气压下）绝热材料总的传热系数：

Uif=λif/ti=0.0295/0.01=2.95（W/m2*k）

式中：

λif——真空绝热深冷窗口外部遭遇火灾或遭遇922K的高温，夹层真空已经丧失，在大气压力下，绝热材料充满介质气体或空气，但能有效的阻止热传导、热对流和热辐射;绝热材料在Td与922K之间的平均导热率，取两者（气体或空气）之中的较大值，0.0295（W/m*k）（查《低温绝热与贮运》表3-32）

ti——绝热材料的名义厚度，0.01m

（3）Ar——内容器与外壳面积的平均值，

立式容器，Ar=π*D*h4=3.14*2.095*3.995=26.29m2

式中：

D——内容器与外壳直径的平均值，2.095m

h4——设计最大液位高度，3.995m

1.2.2真空绝热深冷容器夹套外部遭遇火灾或遭遇922K高温，且绝热系统已完全损坏的情况下，由热壁传入内容器的总热流量：

H5=7.1*104*Ar0.82=1036420.297W

式中：

立式容器，Ar=π*D*h4=3.14*2.095*3.995=26.29m2

式中：

D——内容器与外壳直径的平均值，2.095m

h4——设计最大液位高度，3.995m

2内容器的安全泄放量（质量流量）的计算

2.1在非火灾，绝热系统（夹套和绝热材料）完好且处于正常的真空状态下，外部环境为50℃，内容器介质处在泄放压力对应的饱和温度工作状态，容器的安全泄放量（以氮气计）如下：

因为0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394，所以真空绝热压力容器的安全泄放量用下式计算：

Ws1=3.6*（Vg-Ve）/Vg*H1/q

=3.6*（0.0115-0.0017）/0.0115*711.372/116.718

=18.7Kg/h

式中：

Ws1——当安全泄压装置的气体泄放压力Pd小于介质的临界压力，但大于或等于临界压力的40％，即0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394时，真空绝热压力容器的安全泄放量

Vg——泄放压力下，饱和气体介质的比容积，0.0115m3/kg

Ve——泄放压力下，饱和液体介质的比容积，0.0017m3/kg

H1——由热壁（夹套）传入冷壁（内容器）的总热流量，711.372w

q——在泄放压力下液体介质的汽化潜热，116.718KJ/kg

2.2在非火灾，绝热系统（夹套和绝热材料）完好且处于正常的真空状态下，外部环境为50℃，内容器介质处在泄放压力对应的饱和温度下，且增压系统处于全开工作状态下，容器的安全泄放量（以氮气计）如下：

因为0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394，所以真空绝热压力容器的安全泄放量用下式计算：

Ws2=3.6*（Vg-Ve）/Vg*H2/q

=3.6*（0.0115-0.0017）/0.0115*/116.718

=Kg/h

式中：

Ws2——当安全泄压装置的气体泄放压力Pd小于介质的临界压力，但大于或等于临界压力的40％，即0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394时，真空绝热压力容器安全泄放量

Vg——泄放压力下，饱和气体介质的比容积，0.0115m3/kg

Ve——泄放压力下，饱和液体介质的比容积，0.0017m3/kg

H2——由热壁（夹套）传入冷壁（内容器）的总热流量，W

q——在泄放压力下液体介质的汽化潜热，116.718KJ/kg

2.3在非火灾，绝热系统（夹套和绝热材料）真空状态破坏情况下，外部环境温度为50℃，内容器介质处在泄放压力对应的饱和温度工作状态下，容器的安全泄放量计算（以氮气计）如下：

因为0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394，所以真空绝热压力容器的安全泄放量用下式计算：

Ws3=3.6*（Vg-Ve）/Vg*H3/q

=3.6*（0.0115-0.0017）/0.0115*20032.68/116.718

=526.54Kg/h

式中：

Ws3——当安全泄压装置的气体泄放压力Pd小于介质的临界压力，但大于或等于临界压力的40％，即0.4P2〈P4=1.86〈P2=3.394时，真空绝热压力容器的安全泄放量

Vg——泄放压力下，饱和气体介质的比容积，0.0115m3/kg

Ve——泄放压力下，饱和液体介质的比容积，0.0017m3/kg

H3——由热壁（夹套）传入冷壁（内容器）的总热流量，526.54w

q——在泄放压力下液体介质的汽化潜热，116.718KJ/kg

2.4在火灾情况下，真空绝热容器的绝热系统完好或部分完好，但夹层真空已丧失，储存的介质（以液氮计）温度达117K，且外部遭遇大火或遭遇922K高温情况下，容器的安全泄放量计算（以氮气计）：

因为0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394，所以真空绝热压力容器安全泄放量用下式计算：

Ws4=3.6*（Vg-Ve）/Vg*H4/q

=3.6*（0.0115-0.0017）/0.0115*90129.88/116.718

=2458.76Kg/h

式中：

Ws4——当安全泄压装置的气体泄放压力Pd小于介质的临界压力，但大于或等于临界压力的40％，即0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394时，真空绝热压力容器的安全泄放量

Vg——泄放压力下，饱和气体介质的比容积，0.0115m3/kg

Ve——泄放压力下，饱和液体介质的比容积，0.0017m3/kg

H4——由热壁（夹套）传入冷壁（内容器）的总热流量，90129.88W

q——在泄放压力下液体介质的汽化潜热，116.718KJ/kg

2.5在火灾情况下，真空绝热深冷容器夹套外部遭遇火灾或遭遇922k高温，且绝热系统已完全损坏的情况下，容器的安全泄放量计算（以氮气计）：

因为0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394，所以真空绝热压力容器的安全泄放量用下式计算：

Ws5=3.6*（Vg-Ve）/Vg*H5/q

=3.6*（0.0115-0.0017）/0.0115*1036420.297/116.718

=28273.69Kg/h

式中：

Ws4——当安全泄压装置的气体泄放压力Pd小于介质的临界压力，但大于或等于临界压力的40％，即0.4P2〈Pd=1.86〈P2=3.394时，真空绝热压力容器安全泄放量

Vg——泄放压力下，饱和气体介质的比容积，0.0115m3/kg

Ve——泄放压力下，饱和液体介质的比容积，0.0017m3/kg

H5——由热壁（夹套）传入冷壁（内容器）的总热流量，1036420.297w

q——在泄放压力下液体介质的汽化潜热，116.718KJ/kg

3.将泄放气体（以氮气计）的质量流量Wsi换算成标态空气流量：

Qi=92.34*Wsi/C*

Q1=92.34*Ws1/C*

=92.34*18.7/356*

=10（N*m3/h）

Q2=92.34*Ws2/C*

=92.34*/356*

=（N*m3/h）

Q3=92.34*Ws3/C*

=92.34*526.54/356*

=277（N*m3/h）

Q4=92.34*Ws4/C*

=92.34*2458.76/356*

=1292（N*m3/h）

式中：

Qi——将泄放量的质量流量Wsi换算成的标态空气流量

Wsi——当容器的安全泄放装置的泄放压力Pd小于40﹪的介质临界压力上述各种状态下的真空绝热压力容器的安全泄放量（注：

与18442上面要求的不一致）

C——气体特性系数，查表（

C=520*

式中：

k——气体绝热指数，k=Cp/Cv

Cp——标准状态下气体定压比热

Cv——标准状态下气体定容比热

Z——在泄放压力Pd下饱和气体的压缩系数

T——泄放装置进口侧的气体温度

M——气体的摩尔质量

4.安全阀排放能力（以氮气）计算：

当

《

时，属于临界流动状态，安全阀排放能力计算按下式：

Ws=7.6*0.01*C*K*Pd*A*

，由于

=0.054《

=0.69，所以

采用Ws=7.6*0.01*C*K1*Pd*A*

=0.076*356*0.67*1.86*176.71*

=2941.09Kg/h

式中：

P0——安全阀出口压力，0.1MPa

K1——安全阀的额定泄放系数，与安全阀结构有关，应根据实验决定。

无参与未参考数据时，可按下列规定选取：

全启式安全阀K=0.67

Pd——安全阀的排放压力，1.86MPa

P——容器的设计压力，1.6MPa

A——安全阀最小排气截面积，全启式安全阀，即h》1/4dt时，A=176.71mm2

dt——安全阀的最小流道直径（阀座喉部直径），15mm

5.爆破片装置（以氮气计）排放能力计算

当

《

时，属于临界流动状态，安全阀排放能力计算按下式：

WR=7.6*0.01*C*K2*Pb*A*

，由于

=0.054《

=0.69，所以

采用Ws=7.6*0.01*C*K2*Pb*A*

=0.076*356*0.73*1.956*176.71*

=3944.13Kg/h

式中：

A——爆破片装置的排放面积，176.71mm2

K2——爆破片装置的额定泄放系数，取0.73

Pd——安全阀的排放压力，1.956MPa

T——泄放装置进口侧的气体温度，115K

6.校核安全泄放装置的安全性

6.1在非火灾情况

绝热系统完好且处于正常的真空状态下：

Ws=2941Kg/h〉Ws1=18.7Kg/h

Ws+WR=2941+3944=6885Kg/h〉Ws2=155Kg/h

绝热系统夹层真空破坏状态下：

Ws=2941Kg/h〉Ws3=527Kg/h

6.2在火灾情况

真空绝热熔器的绝热系统完好或部分完好，但夹层真空已丧失的情况下（以氮气计）：

Ws=2941Kg/h〉Ws4=2458Kg/h

真空绝热容器绝热系统已完全损坏的情况下（以氮气计）：

Ws+WR=2941+3944=6885Kg/h﹤Ws5=28273Kg/h

结论：

1、设备的安全泄放装置能满足，在非火灾情况下容器的安全泄放量

2、设备的安全泄放装置能满足，夹层真空已丧失但绝热系统基本完好的火灾情况

3、设备的安全泄放装置不能满足，绝热系统完全损坏的火灾情况，此时应另外打开放空阀。