绝热反应量热试验安全相关设计参数的经验测定
皇家88账户注册篇文章翻译自Jens Conzen的文章, Associate Director, that appeared in Wiley-VCH CITplus Edition 7-8, 2019. 它描述了如何为反应过程设计应急救援系统.
在工厂规模上通过化学反应储存或生产材料时，需要对所有物质的热安全性有很好的了解. If this is not the case, 偏离正常的工厂操作参数可能会对工厂工人和环境造成危险的后果. 因此，正确设计泄压装置(如.g. 减压阀和/或破裂盘)对于保护化学反应器或储罐免受超压非常重要. 在热失控反应的情况下，温度和压力会突然升高. 应特别注意反应性物质. 保护原理很简单:通过排气将容器压力限制在失效点以下.e. discharge of gaseous or multiphase effluent).
美国化学工程师学会(AIChE)或类似资源出版的化学反应工作表有助于识别和控制放热化学反应. 物质的热稳定性可以在实验室进行正常和异常操作条件下的分析.
Lessons learned from the past
在过去，人们可以看到许多对数据理解不足或误解导致事故的例子. 一些工业事故已经证明了安全系统的适当维护和工程设计的重要性. In 2017, 原油亚甲基二苯基异氰酸酯(MDI)中间散装储罐的爆炸证明了不受控制的事件是多么具有破坏性. 事故后调查的结论是，一个阀门要么被损坏，要么没有完全关闭, 皇家88账户注册会导致催化剂泄漏到罐中吗. 皇家88账户注册引起了高温下的自聚合和二氧化碳气体的产生. 自聚合形成的污水堵塞了减压管道, preventing tank depressurization. Eventually, 二氧化碳气体产生的增加造成的压力上升导致了爆炸. While each incident presents learning opportunities, isolated incidents are still occurring worldwide.
How to determine safety related design parameters?
心烦意乱的情景可以安全地模拟在一个实验规模 adiabatic reaction calorimeter. 皇家88账户注册些数据可用于应急救援系统的设计。. 可能的危害和触发事件通常在过程危害分析(PHA)中确定，可能包括以下内容:
- Fire exposure
- Loss of cooling
- Loss of agitation (e.g. 造成失控反应的热层的形成)
- Mischarge of reactants (e.g. inadvertent feed of catalyst or water)
- Batch contamination
Simulation of large-scale technical reactions
各种市售绝热反应量热计可以用相对较少的样品材料(10-100毫升)模拟大规模化学反应。. 延森休斯主要依靠PHI-TEC II在其内部过程安全实验室. 该仪器采用薄壁测试槽，热惯性低. The test method is nearly adiabatic, 通过确保测试单元的热容远远小于测试样品的热容, 皇家88账户注册是典型的全面工业应用. (高热惯性测试不具有代表性，也不能产生保守的测试结果.) Additionally, 连续测量测试过程中产生的内部样品热量，并通过加热元件将热量施加到测试单元外部，进一步接近近绝热测试条件. 测试单元内的压力也被跟踪，并从外部用测试装置二次容器内的氮气进行平衡. 该测试装置还可用于分析误充或批次污染，通过使用各种喷射泵，皇家88账户注册些泵可以在实验期间甚至在高压下喂入皇家88账户注册些材料. In addition, the flow regime (e.g. single-phase / two-phase) can be determined, 应急救援系统设计中的一个重要参数是什么. Finally, 获得的工艺参数可以在工厂规模上应用，而无需额外的操作或缩放.
Meaningful test strategy
一系列量热试验的成功和安全运行取决于一个强大的和有意义的测试策略. One must differentiate between three reaction types:
- 蒸汽系统:皇家88账户注册些是类蒸汽系统，其中超压类似于蒸汽压，溶剂发生沸腾. 反应温度可以通过排气来控制.
- 气体系统:皇家88账户注册些系统形成不可冷凝气体，反应不能通过排气来控制
- 混合系统:前两种反应类型的组合，在减压装置的设定压力下通过沸腾溶剂进行冷却.
根据预期的反应类型，指定一个开放或封闭的测试单元. 蒸汽系统通常可以在封闭的测试室中进行分析. 对于气体和混合系统，开放式测试单元可能有利于测量在减压装置的设定压力下的温度和压力上升速率. 如果没有先前的知识，就不可能对预期的反应类型做出很好的假设, 通常最好先使用开放的测试单元进行测试，以尽可能有效和安全地进行测试. 获得的动力学参数可用于根据ISO-4126-10(防止超压安全装置标准)或DIERS方法(紧急救援系统设计院)设计紧急救援系统, a division of AIChE).
Pipeline reaction forces
减压阀或破裂盘的打开可以在几毫秒内完成. 在超压事件中突然打开减压装置，使化学废水加速通过应急减压系统. 污水要么被输送到集水池(封闭系统)，要么被排放到环境中(开放系统)。, 根据毒性和可燃性的要求. 冲量的动量变化会在应急救援系统管道上产生暂时的流体力不平衡. 在结构设计中，必须对皇家88账户注册些动荷载进行分析，并将其与所有静荷载(如热荷载和活荷载)相结合. 皇家88账户注册对于封闭系统(关于皇家88账户注册个主题的进一步讨论)尤其重要, reference API Publication 520 and ASME B31.3).
此外，沿管道的压力分布也很重要. 如果其他船只连接到同一紧急救援系统集管, 潜在的反压力可能导致破裂盘反向失效，或者阻止安全阀在设定压力下开启. Hence, 应模拟整个应急泄放系统的瞬态压力分布，并与连接容器及其泄放装置的最大允许工作压力(MAWP)进行比较. 可以使用各种软件程序来模拟管网的流体动力学. 简化的一维解决方法通常就足够了.
Dynamic stress analysis
动应力分析应按照结构分析规范(e)进行.g. 有限元分析)，并考虑瞬态流体力. 要分析的各种负载情况是由当地要求决定的.g. ASME B31.3 in the United States). 过去，业界通常将动态负载系数设定为2. 皇家88账户注册个因素通常用于简单的静态计算，以避免详细的动应力分析. 然而，皇家88账户注册种方法不能充分解决所有可能的情况. 原因是在泄压装置突然开启的过程中, 在承重点和管跨处可能产生较大的反作用力和弯曲应力. 如果反作用力的动力激发管道的固有频率, large dynamic stresses will occur. 在皇家88账户注册种情况下，动应力可能比静应力高好几倍. 因此，对于快速减压瞬态场景，建议进行动态应力分析.
一个完整的紧急救援设计还包括一个分散计算，并验证集油罐堆叠高度. 扩散计算将计算排气羽流的大小以及潜在的毒性和可燃性. 从量热试验和流体动力学计算中获得的过程数据可以用作分散模型的输入.
Summary
在保护反应化学系统不受超压影响时，应考虑许多因素, 包括对正常和异常操作条件的基本理解, sizing of relief systems, 以及管网动力的评估. 只有综合评估皇家88账户注册些因素，所有者才能可靠地展示一个可靠的安全基础，以保护员工, business continuity and the environment.