石化裝置中緊急洩放過程的模擬裝置的溫度壓力跟蹤方法

2023-06-10 19:02:21 2

專利名稱：石化裝置中緊急洩放過程的模擬裝置的溫度壓力跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及石油化工中化學反應失控緊急洩放的模擬實驗裝置的溫度壓力跟蹤方法，特別是涉及一種用於化學反應危險性評估，測試石油化工裝置的安全洩放裝置的設計和選型所需基礎實驗數據以及模擬發生失控反應時緊急洩放過程的模擬實驗裝置。
背景技術：
安全洩放是指密閉壓力設備內一旦發生超壓，設備的緊急洩放裝置就會自動敞開，從而避免設備內部產生不可承受的爆炸壓力。化學反應失控是造成設備超壓的重要原因之一，若緊急洩放裝置設計不合理將造成設備的超壓破壞。美國緊急洩放系統設計協會 (Design Institute for Emergency Relief Systems, DIERS)在失控反應緊急洩放實驗技術研究方面做了大量工作，開發出了一些實用的實驗技術和方法，如VSP2 (Vent sizing package 2)實驗裝置可進行失控反應實驗過程模擬測試，可以獲得絕熱實驗數據，為失控反應安全洩放裝置設計和選型提供基礎數據。但VSP2實驗裝置存在耗時費力、物料劑量小、無法進行洩放全過程模擬、無法確定洩放物料特性和狀態、實驗功能單一等缺陷和不足。目前，國內在該技術領域的研究尚屬空白。近年來，隨著石化企業的快速發展和自主創新能力的提高，裝置的運行環境和條件更加苛刻，對熱失控反應的安全洩放技術的研究提出更高的要求，急需開發用於失控反應緊急洩放基礎實驗研究的多功能實驗裝置，進行緊急洩放過程的全流程模擬，為反應危險性評估及安全洩放裝置的工程設計和選型提供有用數據。

發明內容
本發明提供一種用於失控反應時緊急洩放基礎實驗研究的多功能實驗裝置的溫度壓力跟蹤方法，在緊急洩放過程的全流程模擬中，本發明通過採用溫度跟蹤和壓力跟蹤特有技術，具有熱慣性即Φ值很低的特點，實現對化學反應過程進行近似絕熱測量，利用該跟蹤方法使其實驗裝置可以對實際工況條件下的反應危險性進行模擬和評估，可以為工業規模的失控反應安全洩放裝置的工程設計提供基礎數據。本發明採用的溫度壓力跟蹤方法，用於失控反應緊急洩放過程的模擬，所述模擬實驗裝置包括設置承壓釜、反應釜，溫度控制系統和壓力控制系統。溫度控制系統包括內部加熱器，外部溫度跟蹤加熱器和多個溫度傳感器，反應釜內的反應物料利用內部加熱器進行加熱，反應釜的壁外纏繞保溫層進行保溫，在保溫層外設置有外部溫度跟蹤加熱器，在反應釜內部和保溫層上分別設置溫度傳感器進行釜內釜外溫度測量，外部溫度跟蹤加熱器採用變功率設計，根據反應釜內的溫度變化快慢調整外部溫度跟蹤加熱器的加熱功率，實現保溫層的溫度與反應釜內部溫度近似同步。壓力控制系統包括多個壓力傳感器，在反應釜內部和反應釜與承壓釜之間的氣相空間中分別設有壓力傳感器進行釜內釜外的壓力測量，根據釜內釜外的壓差變化控制電磁閥組，進行充裝或排放氮氣的控制，隨反應釜內化學反應的進行，反應釜內壓力不斷升高，對反應釜和承壓釜之間的氣相空間通入氮氣補充壓力；在反應釜進行緊急洩放過程中，反應釜內壓力逐漸減低，對反應釜和承壓釜之間氣相空間中的氮氣進行洩放，反應釜內外壓差保持在0. 之內，實現反應釜內外壓力近似同步；所述模擬實驗裝置還包括進料系統、洩放收集處理系統、數據採集存儲系統，洩放收集處理系統包括洩放收集罐和緊急洩放罐，反應釜的頂部和底部均開有洩放孔，通過管線分別與洩放收集罐和緊急洩放罐連接，還開有多個液體進料口和氣體進料口，分別通過進料管線與進料系統的原料罐和儲氣罐連接。所述反應釜的內部容積為5L，壁厚l_3mm，承受最大壓差為0. 5MPa，設計溫度為 300°C，材質為316L不鏽鋼，採用柱體結構設計。內部加熱器和外部溫度跟蹤加熱器均採用電加熱。所述洩放孔的設計可調，能夠實現洩放孔徑和起跳壓力的調節，其中一種洩放控制方式採用快速氣動閥和不同噴嘴組合使用；另一種洩放控制方式採用安全閥或爆破片或其不同的組合形式。承壓釜的設計壓力為10. OMPa,設計溫度為300°C，材質為304不鏽鋼，採用柱體結構設計，體積為10L。所述進料系統的液體進料管線上設置有進料泵和原料流量計，氣體進樣管線上設置有氣體流量計，單向閥和截止閥，且液體和氣體進料管線上均設置有進樣加熱器。選用k型熱電偶分別對反應釜內的底部、中部和頂部，保溫層，反應釜與承壓釜釜體之間的氣相空間，各路管線以及以及洩放收集罐進行溫度測量，反應釜內部取3-4個溫度測量點，反應釜外保溫層取2-3個溫度測量點。壓力傳感器設置在反應釜內部，反應釜與承壓釜釜體之間的空間以及各路管線上，反應釜內部取3-4個壓力測量點。洩放收集罐的體積為20L，設計壓力為2. OMPa,設計溫度為200°C。所述模擬實驗裝置還包括數據採集存儲系統，包括高速攝像機，數據實時採集和存儲的硬體軟體，對洩放物狀態及液滴大小和分布情況進行測量。所述模擬實驗裝置中的所有設備均採用防爆設計。本發明所設計的緊急洩放小試模擬實驗裝置，結構設計新穎，功能強大，實驗方便，節省時間，反應物劑量大，採用壓力跟蹤和溫度跟蹤技術能較好實現絕熱量熱測試，具有較小的熱慣性，所測實驗數據可直接工程應用，可進行失控反應緊急洩放全流程模擬，可為緊急洩放物處置裝置設計提供有用數據。國內沒有相關技術的研究，與美國美國緊急洩放系統設計協會DIERS開發的小試實驗裝置VSP2相比具有實驗節時省力，功能強大，反應物劑量大，熱慣性小，可進行緊急洩放及洩放物收集處理全流程模擬實驗和技術開發。


圖1為緊急洩放模擬實驗裝置的加熱器，溫度傳感器和壓力傳感器設置示意圖；圖2為緊急洩放模擬實驗裝置的承壓釜頂蓋的示意圖；其中，1、原料罐，2、進料泵，3、原料流量計，4、進料加熱器，5、氣體進料管線，6、緊急洩放罐，7、氮氣管線，8、真空泵，9、電磁閥組，10、反應釜，11、承壓釜，12、保溫層，13、外部溫度跟蹤加熱器，14、氣體流量計，15、可視窗，16、洩放收集罐，17、內部加熱器，18、攪拌器軸套管，19、其他管線，20、承壓鋼體結構，21、絕熱保溫材料，22、鋼板，23、密封，24、承壓釜頂蓋密封處
具體實施例方式本發明所述的石油化工中反應失控緊急洩放過程的模擬實驗裝置主要包括反應釜10、承壓釜11、進料系統、洩放控制系統、溫度控制系統、壓力控制系統、洩放收集處理系統、數據採集存儲系統、自動化操作控制系統和安全附屬設施，如圖1所示。(1)反應釜 10反應釜10內部容積5L，承受最大壓差(正壓或負壓)0. 5MPa左右，設計溫度 300°C，材質要求316L不鏽鋼。結構採用柱體結構設計。採用機械攪拌器進行攪拌。反應釜10具有內部加熱器17，滿足每分鐘加熱速率1°C以上。為了減小反應釜10 的熱慣性值，反應釜釜蓋採用保溫隔熱設計，反應釜10的側面採用保溫層12和外部加熱器 13進行溫度跟蹤，加熱功率可調，溫度跟蹤速率滿足反應釜10的外壁溫度與反應釜10內的溫度基本同步，內部加熱器17和外部加熱器13均採用電加熱。反應釜10的頂部開有2個Φ 20mm孔，採用法蘭連接，與洩放收集處理系統連接。 頂部開有多個液體進料口和氣體進料口，與進料系統連接。底部開有一個Φ20πιπι孔，也與洩放收集處理系統連接，用於底部洩放，以及廢液和清洗液的排放。反應釜10及其各連接管線上設有多個溫度和壓力的傳感器探頭，進行溫度、壓力的採集。( 承壓釜 11承壓釜11的設計壓力為10. OMPa，設計溫度為300°C，材質要求304不鏽鋼。結構採用柱體結構設計，體積IOL左右。承壓釜11的頂部裝有爆破片，防止承壓釜11超壓。承壓釜11內的壓力根據反應釜10內壓力變化，利用氮氣補償進行壓力跟蹤，內外壓差保持在反應釜10所承受壓力之內。(3)進料系統進料系統具有多種進料方式，包括原料罐1，與反應釜10的液體進料口連接的液體進料管線，儲氣罐和與反應釜10的氣體進料口連接的氣體進料管線5，可以進行底部或頂部等多個位置的進料。進料管線上還設置有進樣加熱器4，可對氣態或液態物料進行溫度控制和調節。同時，具有高壓進樣的功能，液體進料管線上設置有進料泵2和原料流量計3，氣體進樣管線5上設置有氣體流量計，可實現反應物料的計量控制和測量，可調節進料速率， 對進料總量進行計量。其中，進料泵應具有較好的抗防腐能力。氣體進樣管線5上還設置單向閥和截止閥，防止發生失控時，因超溫超壓引起物料的反串。(4)洩放控制系統具有可調的洩放口設計，可實現洩放口徑和起跳壓力的調節。具有多種洩放控制方式，一種方式是採用快速氣動閥和不同孔板(噴嘴)組合使用；另一種是採用安全閥或爆破片或其不同組合形式進行洩放特性實驗測試。洩放管線具有可視功能，可實現洩放物流動狀態的觀察和測試，利用高速攝像機進行洩放管內狀態進行記錄。採用相應測試技術，對洩放物流量和流速進行測量。在洩放孔進行壓力和溫度的監控，利用壓差傳感器對洩放孔兩端的壓差進行監控。(5)溫度控制系統溫度控制系統包括內部加熱器17和外部加熱器13。內部加熱器17的加熱速率在 rc /min以上。反應釜10外部採取玻璃棉進行保溫，玻璃棉外部設置外部加熱器，利用電加熱進行溫度跟蹤。選用k型熱電偶對釜內和釜外溫度進行測量。在反應釜10內部設3 4點進行溫度測量，反應釜外保溫層12設2 3個溫度測量點。外部加熱器13隨釜內反應液溫度的變化調整功率，進行內外的溫度跟蹤和調節。洩放收集處理系統內設相應的溫度測量點。(6)壓力控制系統反應體系的壓力測量選用壓力傳感器，由於發生失控反應時壓升速率較快，因此壓力傳感器具有較高的響應頻率。在反應釜內部設3 4點進行壓力測量。承壓釜11 內壓力根據反應釜10內壓力變化，進行氮氣補償和洩放，進行壓力跟蹤，內外壓差保持在 0. 之內。洩放孔的進出口設有壓力採集點及壓差傳感器。洩放收集處理系統內設有壓力測量點。洩放收集處理系統設有氮氣管線，進行背壓控制和調節。(7)洩放收集處理系統對洩放物的量(瞬時和總量)進行定量測量。包括20L的洩放收集罐16，設計壓力為2. OMPa，設計溫度為200°C，還包括緊急洩放罐6。在洩放收集罐16的入口處開有可視窗15，利用高速照相機對洩放物液滴大小、分布進行記錄，為洩放裝置的設計提供基礎數據。洩放收集罐內設置相應的溫度測量點和壓力測量點。洩放方式有頂部洩放和底部洩放兩種洩放形式可供選擇，反應釜10頂部與底部均設置與洩放收集罐16相連的洩放孔，以及與緊急洩放罐6相連的洩放孔。8.數據採集存儲系統具有專業的數據採集存儲設備，包括硬體和軟體。可實現對溫度、壓力、液位、洩放物的氣液組成、洩放量等數據實時快速採集和存儲。具有高速攝像等影像記錄設備，對洩放物狀態及液滴大小和分布情況進行測量。為石化裝置中的緊急洩放物處置裝置設計提供有用數據。9.自動化操作控制系統具有專業的操作控制軟體，實現系統反應進料、數據採集、洩放控制、密封性檢測、 氣體置換、清洗等操作的自動化控制和操作。10.安全附屬設施承壓釜11裝有爆破片，防止設備超壓。具有可燃和有毒氣體報警儀，防止可燃、有毒物質發生洩漏。所有電器設備採用防爆設計。
權利要求
1.一種石油化工中模擬實驗裝置的溫度壓力跟蹤方法，用於失控反應緊急洩放過程的模擬，所述模擬實驗裝置包括設置承壓釜(11)中的反應釜(10)，溫度控制系統和壓力控制系統，溫度控制系統包括內部加熱器(17)，外部溫度跟蹤加熱器(1 和多個溫度傳感器，反應釜(10)內的反應物料利用內部加熱器(17)進行加熱，反應釜(10)的壁外纏繞保溫層 (12)進行保溫，在保溫層(1 外設置有外部溫度跟蹤加熱器(13)，在反應釜(10)內部和保溫層(1 上分別設置溫度傳感器進行釜內釜外溫度測量，外部溫度跟蹤加熱器(13)採用變功率設計，根據反應釜(10)內的溫度變化快慢調整外部溫度跟蹤加熱器(1 的加熱功率，實現保溫層(12)的溫度與反應釜(10)內部溫度近似同步；壓力控制系統包括多個壓力傳感器，在反應釜(10)內部和反應釜(10)與承壓釜(11) 之間的氣相空間中分別設有壓力傳感器進行釜內釜外的壓力測量，根據釜內釜外的壓差變化控制電磁閥組(9)，進行充裝或排放氮氣的控制，隨反應釜(10)內化學反應的進行，反應釜(10)內壓力不斷升高，對反應釜(10)和承壓釜(11)之間的氣相空間通入氮氣補充壓力；在反應釜(10)進行緊急洩放過程中，反應釜(10)內壓力逐漸減低，對反應釜(10)和承壓釜(11)之間氣相空間中的氮氣進行洩放，反應釜(10)內外壓差保持在0.5MI^之內，實現反應釜(10)內外壓力近似同步；所述模擬實驗裝置還包括進料系統、洩放收集處理系統、數據採集存儲系統，洩放收集處理系統包括洩放收集罐(16)和緊急洩放罐(6)，反應釜(10)的頂部和底部均開有洩放孔，通過管線分別與洩放收集罐(16)和緊急洩放罐(6)連接，還開有多個液體進料口和氣體進料口，分別通過進料管線與進料系統的原料罐(1)和儲氣罐連接。
2.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，所述反應釜(10)的內部容積為5L，壁厚l-3mm，承受最大壓差為0. 5MPa,設計溫度為300°C，材質為316L不鏽鋼，採用柱體結構設計。
3.如權利要求2所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，內部加熱器(17)和外部溫度跟蹤加熱器(1 均採用電加熱。
4.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，所述洩放孔的設計可調，能夠實現洩放孔徑和起跳壓力的調節，其中一種洩放控制方式採用快速氣動閥和不同噴嘴組合使用；另一種洩放控制方式採用安全閥或爆破片或其不同的組合形式。
5.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，承壓釜(11)的設計壓力為 10. OMPa，設計溫度為300°C，材質為304不鏽鋼，採用柱體結構設計，體積為10L。
6.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，所述進料系統的液體進料管線上設置有進料泵( 和原料流量計(3)，氣體進樣管線( 上設置有氣體流量計，單向閥和截止閥，且液體和氣體進料管線上均設置有進樣加熱器(4)。
7.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，選用k型熱電偶分別對反應釜(10)內的底部、中部和頂部，保溫層(12)，反應釜(10)與承壓釜(11)釜體之間的氣相空間，各路管線以及以及洩放收集罐(16)進行溫度測量，反應釜(10)內部取3-4個溫度測量點，反應釜外保溫層(1 取2-3個溫度測量點。
8.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，壓力傳感器設置在反應釜 (10)內部，反應釜(10)與承壓釜(11)釜體之間的空間以及各路管線上，反應釜(10)內部取3-4個壓力測量點。
9.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，洩放收集罐(16)的體積為 20L，設計壓力為2. OMPa,設計溫度為200°C。
10.如權利要求1所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，所述模擬實驗裝置還包括數據採集存儲系統，包括高速攝像機，數據實時採集和存儲的硬體軟體，對洩放物狀態及液滴大小和分布情況進行測量。
11.如權利要求1-10任一所述的溫度壓力跟蹤方法，其特徵在於，所述模擬實驗裝置中的所有設備均採用防爆設計。
全文摘要
本發明提供一種用於失控反應時緊急洩放基礎實驗研究的多功能實驗裝置，進行失控反應的全過程模擬，為安全洩放裝置的工程設計和選型提供有用數據，為反應危險性評估提供基礎數據。所述模擬實驗裝置主要包括反應釜、承壓釜、進料系統、洩放控制系統、溫度控制系統、壓力控制系統、洩放收集處理系統、數據採集存儲系統、自動化操作控制系統和安全附屬設施。本模擬實驗裝置，結構設計新穎，功能強大，實驗方便，節省時間，反應物劑量大，採用壓力跟蹤和溫度跟蹤技術能較好實現絕熱量熱測試，具有較小的熱慣性，所測實驗數據可直接工程應用，可進行失控反應全過程模擬，為反應危險性評估及緊急洩放裝置設計提供有用數據。
文檔編號G05D27/02GK102393313SQ201110317020
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者姜傑, 孫峰, 孟庭宇, 徐偉, 石寧, 謝傳欣 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院