使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放

使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放

摘要：本文介绍了一种超临界流体火灾工况下超压泄放流率的计算方法，并使用HYSYS 辅助计算了一个示例。

关键字：超临界流体、超压泄放流率、HYSYS

安全阀是一种安全保护用阀，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制其压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。随着科技的发展，石油化工生产操作温度操作压力越来越高，从而使安全阀的泄放压力超过临界条件的情况也越来越多。

对于纯净物质，根据温度和压力的不同会呈现出液体、气体、固体等状态变化。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。当物质所处的温度高于临界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。温度及压力均处于临界点以上的流体叫超临界流体。

在超临界状态下，液体与气体分界面消失，汽化潜热接近于零，如按照通常的安全阀火灾工况泄放量计算方法，泄放量=热量/汽化潜热，由于此时汽化潜热接近于零，安全阀的泄放量将非常大。但实际情况并非如此，超临界流体由于气液不分，会充满整个容器，在火灾工况下，随着热量的输入容器中超临界流体温度（泄放温度）不断升高，压力基本恒定（为泄放压力），受热膨胀，安全阀的泄放量应为超临界流体的体积膨胀量。这一点和安全阀的热膨胀工况相似。

随着大型电子计算机的出现，计算方法得到迅猛发展，应用到化工过程上，形成了化工模拟软件。而HYSYS由于它的编写语言的优势，可以实时进行模拟，也就是修改了某一数据，HYSYS可以实时模拟给出新的物性，使其在这一方面，与其他模拟软件相比具有一定的优越性。

本文主要介绍超临界流体火灾工况下安全阀的泄放量计算方法，以及如何使用HYSYS使计算变得方便简洁。

一、超临界流体火灾工况安全阀泄放速率公式推导

首先将超临界流体火灾工况的泄放过程按泄放温度递增（有利于物性模拟），比如10个点，不同的温度对应着不同的时间点。在时间点t n 时刻，超临界流体的密度为ρn，焓值为H n，质量为M n，体积为容器的体积V；在时间点t n+1时刻，超临界流体的密度为ρn+1，焓值为H n+1，质量为M n+1，体积仍为容器的体积V。

在时间间隔Δt（）内，流体受热膨胀，体积增大，体积膨胀增大的部分通过安全阀泄放出去，安全阀的质量泄放量为m n，体积泄放量为V n。容器内超临界流体吸收热速率为Q，则：

1.在时间点t n时刻：

2.在时间点t n+1时刻：

3.在时间间隔Δt ()内：

安全阀的质量泄放量

吸收的热量为：，从而有，

质量泄放速率为：

体积泄放速率为:

4.吸热速率Q的计算：根据美国石油学会标准API－520中规定,国际单位制：对于有

足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施时，容器的吸热速率Q为：

其中F为容器外壁校正系数，A ws为润湿面积。对于特定的设备，在超临界状态时，我们认为润湿面积为整个内壁，所以Q在超压泄放过程中为一定值。

由上我们可以看出，超临界流体火灾工况下的泄放速率（质量泄放速率或体积泄放速率）与Q和不同时刻的物性有关。而Q为定值，物性在不断变化，所以泄放速率在不断变化。

二、用HYSYS辅助计算超临界流体超压泄放示例

立式容器V-101无保温充满65%(mol)正丁烷与35%(mol)异丁烷，温度90ºC，安全阀整定压力为4.5MPag，火灾工况下允许超压21%。容器尺寸外径2000mm，T/T

5000mm，两端椭圆形封头，容器的内表面为40.1m2。假设容器置于地面上，有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施，试计算火灾工况下此容器安全阀需要具有的超压泄放速率。

1.容器火灾中的吸热速率Q：

容器置于地面上无保温，F取值1.0。A ws为容器的内表面为40.1m2，代入Q的计算式

2.泄放压力为

通过HYSYS模拟发现65%(mol)正丁烷与35%(mol)异丁烷的临界温度 146.2

ºC，临界压力 37.54bar。而容器在不断升温的过程中，气液平衡，直到进入超临界状态，所以超压泄放时，容器内为超临界流体。

HYSYS中临界物性的模拟过程如下：首先，将模拟环境设置好，包括热力学方

法，组份等。建立物料线1（stream 1），输入组份为65%(mol)正丁烷与

35%(mol)异丁烷。点击Attachments标签，选择Analysis，点击右侧的创建

（create）,选择临界物性(critical properties),点击添加（Add），点击查看

（View），可以看到物料线1（stream 1）的临界性质，如下图

3.超压泄放速率的EXCEL表格

根据上面的泄放速率公式编制成EXCEL表格，使其计算关系如下：

4.所需物性的模拟

限于版面问题，此例取11个时间点用HYSYS进行所需物性的模拟，主要是在恒定泄放压力下温度从起始温度（此处取临界温度，这是因为在超临界状态压力与温度不再具备平衡对应关系，我们很难确定在初始泄放时泄放温度是多少）不断升高时的密度与焓值，可以用HYSYS创建一个物性表格，过程如下：双击物料

线1（stream 1），点击Attachments标签，选择Analysis，点击右侧的创建（create）,选择物性表格（Property Table）,点击添加（Add），然后双击

Property Table选项卡，接着物性表格（Property Table）对话框就会出现。按如下步骤生成物性表格。

（1）选择物料线1（stream 1）

（2）对于变量1（Variable 1）,从下拉菜单中选择温度（Temperature），从模式选项（Mode option）里选择递增（Incremental）,下限（Lower Bound）输入起始温度（此处取临界温度146.2℃）上限（Upper Bound）输入196.2 ºC，比146.2 ºC大50 ºC（如果不够大，最大泄放量会出现在最高温处，此时需要重新输入温度上限）。

（3）对于变量2（Variable 2）,从下拉菜单中选择压力（Pressure），从模式选项（Mode option）里选择恒定的（State）,恒定值（State Values）输入泄放压力55.46bar。

（4）然后点击对话框左侧的因变量物性（Dep. Prop），添加需要模拟的物性：密度（Mass Density）、焓值(Mass Enthalpy)。

（5）点击计算（Calculate）来生成物性表格。

（6）点击Performance标签来查看物性表格，如下图：