火灾条件下超临界流体通风口尺寸的实验测量与计算方法

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Experimental Measurement and Calculation Method for Vent Sizing of Supercritical Fluids under Fire Conditions

　　

摘要：

在火灾条件下，当容器中的流体处于超临界状态时，气液界面会消失，且不存在汽化焓，这使得传统的泄压装置尺寸计算方法不再适用。虽然可以利用基于状态方程的模拟或工艺模拟工具，但由于实验数据匮乏，其结果往往缺乏独立验证。本研究提出了一种实验测量与计算方法来弥补这一缺陷。研究使用VSP2量热计模拟超临界流体在火灾环境下的情况，并通过测量绝热降压过程获得近似等熵数据，从而得出用于泄压装置尺寸计算的等熵膨胀条件下的PVT关系。以超临界异丁烯为研究对象，实验得到的泄流速度与模拟结果之间的误差在5%以内；而利用实验得到的等熵P–v数据通过严格积分法计算得到的孔口面积也与模拟结果的误差在5%以内，这一误差范围远低于实验的扩展不确定度（k=2）。实验数据与工艺模拟之间的相互验证表明，该方法适用于纯超临界流体。虽然从概念上而言该方法可扩展到多组分系统，但其在该类混合物上的应用还需进一步通过实验验证。本研究为超临界流体的泄压装置尺寸计算提供了一种可行的、基于实验的方法，尤其适用于那些基于状态方程的预测存在较高不确定性的场景。

章节节选

引言

当流体的温度和压力超过其临界点时，就会进入超临界状态。超临界流体通常在封闭容器中于高温高压条件下存在。当这样的系统遭遇外部火灾时，哪怕温度仅有轻微上升，也可能导致体积急剧膨胀，进而使封闭容器内的压力大幅上升。这就会给装有超临界流体的容器带来严重的超压风险。

火灾加热功率计算

美国石油学会标准API 521提供了以下公式，用于计算外部火焰对容器的热量输入（美国石油学会，2020a）：$$其中，C₁为常数，F为环境因素，A_w为容器的浸湿表面积。对于完全充满气体、蒸汽或超临界流体的容器，其浸湿表面积通常视为容器的总表面积。

泄流速度计算

以下推导建立了泄流速度与超临界流体的PVT参数之间的关系。

实验测试与结果分析

本节以单一组分的超临界流体在火灾条件下的情况为研究对象，运用所提出的实验与理论方法计算泄流速度以及PSV阀门的孔口面积。将这些计算结果与根据API 521标准得出的结果以及工艺模拟的结果进行比较，以此作为一致性检验，而非对该实验方法的独立验证。

结论

本研究提出了一种利用VSP2量热计模拟超临界流体在火灾环境下的情况，并获取用于设计压力泄放装置所需数据的实验方法。研究得出的结论如下：

• (1)
  实验数据获取：在加热阶段，可以直接得到泄流温度以及设定压力下的压缩因子；在绝热降压阶段，剩余的流体会发生近似等熵膨胀，从而可以获取相关数据。

作者贡献说明

梁广荣：负责项目监督、资源协调、项目管理以及资金筹措工作。王凯凯：负责撰写原始稿件、确定研究方法、开展实验研究、进行正式分析以及构思研究方案。赵润楠：负责文章的审阅与编辑工作、方法验证以及数据整理。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢实验平台以及数据测量方面所提供的支持，同时也要感谢编辑和审稿人提出的宝贵意见。

Kaikai Wang|Runnan Zhao|Guangrong Liang

中国山东省烟台市万华化学集团有限责任公司