列管式固定床反应器安全设计_仪桐辛.pdf

2023年07月|141计标准对爆破片的布置进行设计。1 泄放面积计算1.1 上封头泄放面积在实际生产工艺中，上封头连接进气管道，是设备中原料气浓度最高的部分。虽然设计条件下易爆气体的浓度低于爆炸极限，但实际运行中原料气会出现混合不均匀、易在上封头中形成涡流等情况。导致停留时间延长，反应气产生积聚，进而达到爆炸极限。因此，上封头的安全设计最为关键。美国防火协会 NFPA682018 标准提出了一种密闭空间内混合气体爆炸泄放面积的计算方法，该方法涉及参数较为全面，考虑了正丁烷浓度，容器尺寸等关键参数对设计的影响，是已得到广泛应用的设计标准3-4。在该标准第七章混合气体爆燃排气中指出，在设备长径比 L/D5，爆炸产生的最大压力大于 50 kPa 时，装置的泄放面积可通过式(1)和式(2)计算：1/red001redmax11111buuvsudbPPSAAGCPP+=+(1)0 引言列管式固定床反应器是一种得到广泛应用的通过管内化学反应生产化工产品的管壳式换热器，其多用于强放热反应。本文将依托某项目列管式固定床反应器的实际输入对其爆炸风险进行研究。该项目以正丁烷作为原料经混合器与空气混合，通入反应器进行反应。在反应器运行时，原料正丁烷的氧化过程会释放大量热量，一旦发生火灾或反应失控等突发情况，介质的压力会急速上升，同时伴有爆燃、爆轰等危险情况1。反应器作为承担主反应的压力容器，在丁烷爆轰工况时，爆轰波压力变化值均在 2 MPa 之上2，一般远大于压力容器的设计压力。在严重超压时，反应器存在解体风险，并伴随介质的泄漏造成人员伤亡。因此，有必要对反应器进行安全设计保证装置的安全运行。本文将针对某项目的具体工况对列管式固定床反应器进行计算，其方法可适用于类似的反应器安全设计。压力容器常用的泄压装置为安全阀和爆破片，其中爆破片的反应时间约为 0.001 s 且泄放面积大，更适用于本项目中化学反应较为复杂、升压速率快的化学超压过程。由于化学超压机理复杂，影响因素极多，目前国内并没有统一的设计标准。本项目将依据对正丁烷和列管式反应器设计的现有研究，参考已有的设列管式固定床反应器安全设计仪桐辛1，郝利军2，季敏东2，李由2，周松锐2(1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)摘要：文章以某项目列管式固定床反应器项目为依托，运用美国防火协会 NFPA682018 的泄放面积估算标准对生产泄放装置进行设计，确定了特定输入条件下爆破片的泄放面积和安装位置。针对实际运行工况选择合适的爆炸参数，并结合数值模拟手段进行验证，最终为列管是固定床反应器安全设计提供了一种选型方法。关键词：列管式固定床反应器；泄放面积；爆炸模拟中图分类号：TQ051.3 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)19-0141-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.19.038Safety Design of Tubular Fixed Bed ReactorYI Tong-xin1,HAO Li-jun2,JI Min-dong2,LI You2,ZHOU Song-rui2(1.Sichuan Key Laboratory of Clean Combustion and Flue Gas Purification,Chengdu 611731,China;2.Dongfang Boiler Co.,Ltd.,Zigong 643001,China)Abstract:Based on a tubular fixed bed reactor project,this paper uses the discharge area estimation standard of the American Fire Protection Association to design the discharge device for an anhydride production.The discharge area and installation position of bursting discs under specific input conditions are determined.According to the actual operating conditions,appropriate explosion parameters are selected and verified by means of numerical simulation.Finally,it provides a method for reactor safety design of this type of reaction.Keywords:tubular fixed bed reactor;discharge area;explosion simulation设备运维142|2023年07月烷浓度很低(0.4mol%)，反应器不存在单独由于正丁烷反应引起的超压风险。主产物具有粉尘爆炸风险，但由于其闪点、自燃点较高，无火源一般不会发生事故5。所以下封头的超压泄放可参考物理超压的工况。根据文献的研究，对于气体临界流泄放的公式国内外已经达到统一，该设计方法已得到广泛公认8。通过 GB/T 1502011 和 ASME BPVC.12021的计算，下封头的泄放面积约为 0.3 m2。1.3 爆破片的数量选择和选型根据前文计算的泄放面积，为了兼顾采购成本和运行安全的要求，反应器爆破片统一采用 DN800 的尺寸设计。本项目中，上封头爆破片数量的理论计算结果为 1214 枚。由于该结果未考虑反应器进气管道的丁烷爆炸风险，结合工程经验需要在理论计算的情况下考虑 12 枚余量。另外考虑到由于上封头内部体系较为不稳定，其爆破片可能会因为操作压力的变化、内外介质腐蚀、自身设计不满足要求等原因导致部分爆破片存在一定的失效概率，因此上封头的爆破片数量还需要额外再考虑 15%25%的失效概率。综合以上的方法，设计出爆破片在上封头的最终的数量。下封头处只需要满足压力容器的物理泄放要求，针对下封头仅需要考虑加装 1 枚 DN800 的爆破片，另外为了安全起见，在反应器下封头后端的冷却器的进口管道加装 1 枚 DN800 的爆破片，做到备用的要求。本项目中由于混合气流动时存在不均匀的情况，反应的进行也会对爆破片本体造成脉动压力的冲击，针对以上实际运行中会出现的情况，在选型时可选择受脉动压力影响较小的反拱带刀架型爆破片，该类型爆破片属于拱面受压，在设定的压力失稳翻转后，被夹持器内的刀切坡，从而泄放压力并保护设备。2 反应器超压数值模拟由于气体爆炸引发的反应器超压是一个迅速的过程，因此升压速率对于设备本体和爆破片的选用均有影响9-10。由第一章的分析中可知，反应器的爆炸风险体现在上封头内部遇明火时正丁烷的爆炸，该工况可简化为预混气体在受限空间内的爆炸问题。本研究将依靠流体力学(CFD)软件对丁烷-空气默认模型和已有的丁烷反应机理进行仿真，验证第一章中相关参数的可靠性。基于封头内部气体流动均匀的假设，问题简化为二维平面易爆气体点燃问题。通过流体力学软件平台建立矩形通道，在软件中选择已有的正丁烷-空气混合模型进行非稳态模拟。湍流模型选择标准 k-模型方程，压力速度耦合方式采用 SIMPLE 模式。可燃气体由容器左侧的中间部分通入，空气则从两侧流入，其混合过程对应装置中混合器的作用；后1stat01maxred111111bbPPPP+=+(2)式中：Av0表示泄放面积(m2)，依据其结果可确定本项目中选用的爆破片数量；As表示研究对象的表面积(m2)，根据现有工程的应用5，爆轰风险出现在正丁烷浓度最高的进气管道和上封头处(2.5 mol%)，故 As取上封头的表面积，本项目中采用标准 EHA 型封头，可通过封头直径确定表面积大小；Su表示混合气体的层流燃烧速度(m/s)，相关文献6 表明在 470 K，0.17 MPag 下，丁烷预混气的层流燃烧速度约为 0.7 m/s；u表示进气密度(kg/m3)，依据本项目的进口气体成分确定；Pmax表示该体系在密闭空间下爆炸产生的最大压力(MPag)，可由理想气体状态方程确定；Pred表示泄爆过程中产生的最大压力(MPag)，对于平衡泄放，该数值等于爆破压力，对于非平衡泄放，压力有可能出现短时间的陡增，稍大于爆破片的爆破压力1,7；P0表示初始压力(MPag)；Pstat表示爆破片的爆破压力(MPag)；b表示可燃气体的比热比；Cd表示流量系数，依据标准可确定为 0.7；Gu表示未燃混合气的声速质量流量(kg/m2 s)，依据标准数值确定为 230.1；表示湍流及燃烧不稳定性等因素影响下的层流燃烧速率放大系数，在设备稳定运行的条件下仅与容器尺寸相关，依据标准可确定为 1.5。综上所述，在采用最保守的设计参数条件下，本项目中设计的相关参数数值如表 1 所示。表1 反应器爆破片设计参数参数数值参数数值As/(m2)110Su/(m/s)0.7P0/(MPag)0.17Gu/(kg/m2s)230.1Pred/(MPag)0.311.5Pstat/(MPag)0.31Cd0.7Pmax/(MPag)1.52u/(kg/m3)2.156b1.15计算确定了最小泄放面积为 5.79 m2。该计算方法对参数的敏感度高，需结合现有的工程经验和其他的设计方法进行验证。美国 API521 规范推荐在缺少实验数据时，空气-碳氢化合物的混合体系可按每 100 m3不小于 6.6 m2考虑。上封头容积约为 106 m3，应用于本项目中其泄放面积为 7 m2。1.2 下封头泄放面积依据设计条件，反应末期体系温度较高，且正丁2023年07月|143的尾部，内部温度可达初始温度的 78 倍，对应压力也将接近相同的倍数，造成容器严重超压。因此，反应的安全装置应对压力非常敏感，才能保证反应器本体安全。1 s 后，由速度场可知气体出现了回流，温度场出现了温度涡流区。同时高温区域温度进一步增加，反映到实际运行中就会出现气体在封头中积聚，对容器的损伤也将更大。因此，对于此类有爆炸风险的反应器，安全装置的压力敏感程度和反应时间尤为重要。一旦混合器遇明火，内部压力会出现陡增现象，只有设计足够的泄放面积才能将物料及时排放出去，防止反应在密闭空间内不断发生，造成温度和压力的积聚。通过爆炸过程气体流速的传播可知，压力与温度的峰值并未出现在点火处，而是存在一个传播时间，导致安全装置并不能在第一时间发生动作，而爆破片是通过设备外伸的接管并配合夹持器等装置进行安装的。因此从安全角度考虑，其接管一旦过长，爆破片附近的流速将出现显著降低，对于压力变化的反应时间也将变长；而从设备运行角度考虑，爆破片在设备正常运行时也会受到来自混合气的机械冲刷，一段时间后也会因为压力的波动造成提前动作，这无疑是不经济的。图 5 为本项目中混合器的流场示意图，接口距管道轴线距离为 1 m 时，气体流速为 12.5 m/s；接口距管道轴线距离为 1.5 m 时，气体流速为 5.6 m/s；接口距管道轴线距离为 2 m 时，气体流速为 2 m/s,。由图可知，若爆破片距流场大于 2 m，爆破片将难以及时接受到设备的压力变化，本项目中建议将接管长度设置为 1 m 左右，保障设备安全和设备运行的可靠性。1 0001 5002 000图5 混合器正常运行时流场示意图3 结语本文基于某项目中正丁烷浓度较高时在混合器和反应器中存在的的爆炸风险，应用美国防火协会NFPA682018 标准对反应器进行了安全设计，通过数值模拟的方式观测了丁烷爆炸的发生过程，分析了爆炸过程中的速度场和温度场，明确了反应器安全设计的必要性，验证了输入参数的合理性。本研究针对特定的丁烷输入和封头型式进行泄放面积计算，为相似的反应器安全设计提供了一种设计方法，用以