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化学反应失控的泄压系统尺寸:一种简单的综合方法

张贴者 Jim Burelbach博士 上07.01.19

 

A Workshop on Safety Technology by Jim Burelbach博士, Director of Process Safety Consulting, based on original presentation by Ken Kurko, Chief Technology Officer, 福斯克& Associates, LLC

热失控

  • 热失控是化学过程中逐步产生的热量,当热量的产生速度超过热量的去除速度时发生
  • 批料温度上升是因为没有足够的冷却来从系统中除去热量以维持等温条件

发热 src=热损失=热失控" width="389" style="width: 389px;" srcset="//www.yqlife.cn/hs-fs/hubfs/image-13-1.png?width=195&name=image-13-1.png 195w, //www.yqlife.cn/hs-fs/hubfs/image-13-1.png?width=389&name=image-13-1.png 389w, //www.yqlife.cn/hs-fs/hubfs/image-13-1.png?width=584&name=image-13-1.png 584w, //www.yqlife.cn/hs-fs/hubfs/image-13-1.png?width=778&name=image-13-1.png 778w, //www.yqlife.cn/hs-fs/hubfs/image-13-1.png?width=973&name=image-13-1.png 973w, //www.yqlife.cn/hs-fs/hubfs/image-13-1.png?width=1167&name=image-13-1.png 1167w" sizes="(max-width: 389px) 100vw, 389px">

发热>热损失=热失控


压力带来危险

  • 考虑反应危险时,温度本身很少会成为危险。温升对系统压力的影响更为重要。
  • 存在三种潜在的超压来源:
     -正常过程中产生的气体
     -蒸气压力效应(正常过程中产生的热量)
       -正常过程中产生的热量会导致高温下的二次反应(导致气体和/或蒸汽) 
        pressure effects)
  • 紧急救援系统(ERS) 必须设计成安全地排出可能的超压源


沮丧的场景选择

通过过程危害分析(PHA)确定合理的不安定情况

是什么导致或引发失控反应?

  • 试剂不正确或添加顺序错误
  • 反应物积累
  • 污染
  • 腐蚀→有害的催化作用
  • 过充/欠充催化剂
  • 温度错误添加
  • 冷却损失
  • 混合损失
  • 意外加热
  • 着火
  • 材料相容性


绝热量热法

  • 低phi因子量热法可将数据直接应用于过程规模
  • 直接模拟感兴趣的场景

ARSST和VSP2

密闭容器ARSST方法论

  • 低热惯性(φ因子= 1.05)
  • 热扫描以识别中度至高度放热活动
  • 开放系统
    -施加反压以抑制沸腾
    -初始压力取决于测试目标
  • 直接测量样品温度 


VSP2方法论

  • 低热惯性(φ因子= 1.05-1.15)
  • 模拟正常过程或不正常状况
  • 识别轻度到高度放热活动
  • 开室或闭室
  • 使用压力平衡技术

密闭容器-4000 cc

注射活塞

注射活塞


注射泵

注射泵


Setup for 加油站Addition

Setup for 加油站Addition

救济系统设计的源术语确定

  • 系统分类
    -蒸气(钢化)
    -Gassy(不磨砂)
    -混合,回火
    -混合,非回火
  • 根据系统分类确定“来源条款”


蒸气系统

  • 产生压力是由于蒸气压升高
  • 汽化潜热(回火)
  • 温升率用于通风口尺寸
  • 反应温度升高可通过排气控制

时空反应              反应温升


高气系统

  • 产生不凝气体
  • 冷却潜热不可用
  • 典型的分解反应产生气体产物
  • 反应温度上升 不能 通过排气控制

临时时间率            反应温度升高无法通过排气控制


混合动力系统

  • 在释放压力和温度(回火)下可提供冷却潜热
  • 反应温度升高可通过排气控制
  • 产生不凝气体

反应温度升高可通过排气控制             产生不凝气体



流机制注意事项

  • 夹带的液体减少了可用于排气的流通面积

两相流(泡沫)   图片11 所有气体或蒸气流(非泡沫)

 

ARSST的流态检测器(FRED)

图片12

ARSST的流态检测器(FRED)

图片13

如果反应物起泡沫,则传感器温度会冷却到反应物温度

VSP2中的排污测试

  • 对VSP2测试电池减压并确定剩余多少材料
  • 用于模拟表面速度以确定预期的流态

图片14

 图片15   图片16   图片17

 

 

 

 

 

简单的排气口配方

  • 与低phi因子量热数据一起使用
  • 需要的材料特性有限
  • 排气口尺寸基于所有蒸气或气体排放
    -这 表示没有两相流
    -两相流仍然可能发生,但是通过允许高于释放设定压力的足够超压来容纳不确定性
  • 此处给出的方程式适用于临界流量
    • “用于失控化学反应的减压系统尺寸:一种简单的综合方法”,第十一届全球过程安全大会,2015年,K。Kurko
    • “反应堆系统的通风口尺寸应用”,AIChE 2001,第五届过程工厂安全研讨会,J。Burelbach

图片18

A  = 所需通风面积(米2)

CD  = 放电系数(-)

m  = 容器内容物质量(kg)

cp  = 容器内容物的热容量  (J/kg·K)

图片19 = 温升率从 量热法(K / s)

无题-2-9 = 容器内含物的潜热  (J/kg)

T  = 排气压力(Pa)

R  = 通用气体常数  (8,314.47 J/kmol·K)

T  = 排气温度(K)

兆瓦 v  = 蒸气分子量  (kg/kmol) 

v  = 干舷试验量(米3)

图片20     = 压力上升率从 量热法(Pa / s)

mt  = 试样质量(kg)

兆瓦 g  = 气体分子量  (kg/kmol)

简化公式的使用准则

  • 蒸气系统
    -在泄压装置设定压力下评估材料性能
    -使用设定压力作为排气压力
    -在设定压力下使用升温速率(通过量热法测试)
    -使用方程式需要40%的超压(绝对值)
    -对于泡沫系统,排气面积乘以2
  • 高气系统
    -在峰值气体产生速率下评估材料性能
    -使用最大允许累积压力(1.1×MAWP)作为排气压力
    -使用峰值压力上升率(通过量热法测试)
  • 混合动力系统
    -在泄压装置设定压力下评估材料性能
    -使用设定压力作为排气压力
    -在设定压力下使用温度和压力上升率(根据量热法测试)

蒸气系统实例

  • 在5立方米的反应器中生产3500公斤的酚醛树脂
  • 反应堆MAWP为30 psig
  • 反应在50°C进行
  • 将氢氧化钠添加到苯酚,水和甲醛的反应混合物中
  • PHA结果表明快速添加氢氧化钠会淹没冷却能力
  • 破裂盘的理想设定压力为10 psig
  • 封闭式测试单元VSP2测试运行

蒸气系统实例 (闭孔VSP2测试数据)

无题-2-10    无题-1-26

无题-3-6  无题-4-5

 

蒸气系统实例计算

图片28

图片29

图片30

高气系统示例(开孔ARSST测试数据,P0 = 88 psig)

  • 将210 kg 40%过氧化二枯基的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯溶液储存在340 L的储罐中
  • 储罐MAWP为80 psig
  • PHA的结果表明,周围区域发生火灾会升高储罐的温度,从而导致过氧化二枯基分解
  • 火灾暴露速率确定为0.5°C / min
  • 破裂盘的理想设定压力为50 psig
  • 开放式测试室ARSST测试在88 psig下运行

无题-5-3  无题-6-5

无题-7-4 

 

高气系统实例计算

图片35

图片36

图片37

混合系统示例(开孔VSP2测试数据,P0 = 110 psig)

  • 将700千克的25%过氧化氢存储在700加仑的水箱中
  • 储罐MAWP为100 psig
  • PHA的结果表明,铁污染物可能由于过氧化氢的加速分解而导致失控反应
  • 破裂盘的理想设定压力为20 psig
  • 开放式测试室VSP2测试在110 psig和20 psig下运行

无题-8-3    无题-10-2

无题-5-2 无题-11-2

 

混合系统示例–计算

图片39

图片40

图片41

图片42

摘要–泄压设备尺寸

  • 确定所有可信的不安情景
  • 执行量热测试
    -使用低热惯性绝热量热法
  • -模拟实际的不安定情况
  • 将实验数据应用于排气口尺寸公式
    -需要最少的物理属性数据
    -结果与大规模实验数据比较好

 

了解有关FAI大学的救济系统设计课程的更多信息。  

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“没有数据,您所拥有的只是一种意见”

Burelbach博士于1989年获得西北大学化学工程博士学位。 从那时起,他一直担任Fauske的高级职员&Associates,LLC,在化学和核工业的过程安全中担任各种领导职务。该研讨会向制药罐化学过程安全技术(STPCP)展示。 

话题: 热稳定性, 失控的反应, 救济系统设计, 化学的, 热失控

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