从通风口尺寸计算中获得最佳效果的重要提示

从通风口尺寸计算中获得最佳效果的重要提示

我们经常被问到进行通风口尺寸计算需要哪些测试和数据。虽然每种情况都需要单独考虑，但我认为概述我的典型方法会有所帮助。我还将很快发表一篇配套文章，详细说明为什么低 phi 因子绝热量热法是生成这些测试所需数据的理想技术。

通风口尺寸需要哪些数据？

在失控反应的排气过程中，释放速率必须足以至少与压力上升速率相匹配（否则，显然反应器中的压力将继续增加）。

通风口尺寸计算中使用的基本信息点是：

1. 反应的具体数据

1. 压力，

2. 温度，

3. 温度上升的速度，以及，

4. 压力上升的速度。

2.排气系统的类型

1. 瓦斯

2. 回火，或

3. 杂交种

3. 系统的流态

鉴于可能发生剧烈的失控反应，我们希望以小规模（实验室）而不是全厂数据获得这些数据。至关重要的是，小规模生成的任何测试数据都与生产规模反应堆的条件相关。低 Phi 系数绝热热量计非常适合用于  通风口尺寸和其他应用以提供相关数据。

Gassy，回火还是混合？

在将排气用作安全基础的情况下 [Ref  1 ,  2 ]，重要的是要认识到导致压力增加的机制可能是由于两个因素：

1. 
   

1. 不凝性气体的产生——“ Gassy ”系统，

2. 随着温度的升高，蒸汽压力增加——“蒸汽压力” 或“回火”系统。

请注意，我们还经常谈论第三种机制，即“混合”系统，它只是两者的结合——压力是由气体产生和蒸汽压力共同产生的。

对于 蒸汽压 系统，在排气过程中，液体会蒸发以保持反应器内的蒸汽压平衡，而蒸发的潜热反过来会产生冷却效果，可以 缓和 失控。

使用 回火系统：

• 泄压口的尺寸使压力保持在恒定水平，

• 反过来，温度主要通过汽液平衡保持恒定

如果温度恒定，则反应速率也基本保持恒定。因此，如果有足够大小的排气口，反应将不会继续以越来越高的速率失控。（我会补充一点，如果溶剂或最易挥发的成分完全蒸发掉，失控可能会重新启动）

此外，如果泄压压力低于反应堆的最大工作压力 (MAWP)，则在压力达到 MAWP 之前会发生一些排气，因此较小的排气口尺寸可能就足够了。

对于含 气系统，没有与系统通风口类似的冷却效果。因此，在气体系统中，排气口应设计为反应预期的最大压力增加率。

在 混合 系统中，压力增加是由于产生不凝性气体 和 来自液体的显着蒸汽压力。混合系统可以进一步分为回火和非回火混合系统。然后可以将它们视为蒸汽压力或气体系统来确定排气口尺寸。

流态

通风口尺寸所需的另一条信息是流态。来自排气口的流动可能是单相气体或蒸汽，或者在较大反应器的情况下更可能是液体和气体/蒸汽的两相。两相流态可以是泡沫状的或搅动湍流的，每一种都有其自身的考虑因素。

通风口尺寸数据实验

通常，我们最多使用三个测试来生成所需的数据，但通常并非全部都需要。例如，通常假设气体系统将是泡沫的。如果这样的假设导致合理且可管理的通风口尺寸，那么我经常会停在那里 - 进一步调查可能不值得付出努力。如果产生的通风口过大或大于反应器上现有的通风管，我通常只会进一步调查。两相泡沫系统总是会导致比搅动湍流系统更大的排气直径，而气体系统将比任何回火系统（无论是蒸汽压力还是混合）提供更快的失控。

测试 1 – 失控数据

第一个测试确定了失控的极端情况以及温度和压力的峰值速率增加。这个测试很简单，它是在一个 低 Phi 因子热量计中运行的。选择放热的起始温度以匹配大规模发生的情况至关重要。这可能高于热等待搜索类型测试中显示的“检测到的”起始，因为反应速率将在更高的温度下增加。选择的温度将取决于失控反应是二次分解还是所需反应的一部分。

假设反应产生大量的不凝性气体，这将增加超过系统极限的压力。在这种情况下，可以将测试池顶部空间打开到单独的压力容器，从而有效地增加顶部空间体积或气相占据的体积。反应将不受阻碍地进行，产生的气体量和产生的速率将保持不变，但由于体积较大，压力增加（速率和实际压力）会降低。在查看排气口尺寸计算时，必须考虑测量压力和速率的体积。当然，随着气体压力的降低，这可能会导致蒸汽压力变得很大并产生冷却效果，甚至导致液体沸腾的情况。为了减轻这些影响，

测试 2 – 回火测试

如果怀疑系统回火，我们会使用此测试。在这种情况下，使用了一个开孔，并且反应被允许跑掉，直到它达到设定的安全压力点。如果反应回火，则材料将从测试单元中排出。由于通风的冷却效果，温度将稳定下来。一旦建立回火并获得数据，压力可以增加到反应器的 MAWP，如果再次发生回火，那么我们将获得回火排气口尺寸方程所需的数据。如果没有观察到回火，我们可以假设系统没有回火，并使用来自失控测试的数据使用排气口尺寸方程。

一种方法是使用 Phi-TEC II中的开放式测试单元，我们将安全壳（以及单元）加压至设定压力。这样做的缺点是，如果有任何东西从电池中排出（几乎可以肯定），会导致（充其量）混乱的清理和更换绝缘层，但化学或腐蚀损坏也是可能的。

我发现更好的选择是将测试单元的馈线连接到外部压力容器，就像失控测试一样。外部容器手动加压至释放设定压力（然后再加压至 MAWP）。这样，任何离开测试单元的材料都将进入一个空容器，之后更容易清洁，即使设置稍微复杂一些。

测试 3 – 流态测试

这个测试的原理很简单，让反应跑掉，然后在规定的压力下，打开阀门，对测试池进行排气。我通常向敞开的容器排气，但如果容器足够大，也可以关闭。在校正了顶部空间体积的差异后，仔细选择排气压力以适应反应器内产生的最大压力。排气后，关闭阀门，让系统冷却。冷却后，取出测试池并称重，以测量剩余的初始样品量。

• 泡沫系统通常  会导致几乎所有材料都被排出。通常，少于 20% 的初始样本剩余。

• 流失动荡的  制度通常会导致剩余 40-60%，

• 单相气体状态通常 会留下几乎 100% 的样品。

在此测试期间，安全壳的排气速度可能跟不上测试单元的排气速度。在这种情况下，可能需要手动打开安全壳上的阀门以防止测试单元被压碎（因为安全壳的压力会高于低 Phi 因子测试单元的压力）

我不是流态测试的粉丝。然而，这是我们在这个规模上能做到的最好的，它确实给出了一致的结果，并 很好地表明 了可能的流动状态。限制包括：

• 实际的气体产生和气泡上升速度不能直接缩放

• 排气率可能与在全尺寸下看到的不同。

如果我不想假设两相泡沫/均匀流动，我只会运行此测试。

尽管理论上可以估计流态，但不太可能非常准确。它需要了解液体的表面张力和气体的粘度等参数。由于这些因素在热分解过程中不断变化，而且实际上我们不太可能在任何时候知道确切的成分，因此建模变得非常成问题。

最后的笔记

我使用 Phi-TEC II 获取通风口尺寸计算所需的所有数据。实际的浮雕线尺寸需要对特定方法和方程式有很好的理解。下游管道和设备的压力损失也必须考虑在内，这会显着影响所需排气口的尺寸。

一般来说，全尺寸反应堆的排气将是两相的——这总是导致比单相排气大得多的排气。

尽管通风是可接受的安全基础，但它可能会导致其他问题，例如污水处理。部署其他缓解程序并尽可能少地使用通风通常是更好的做法。

参考

1. “使用 DIERS 技术进行紧急救援系统设计”，紧急救援系统设计院 (DIERS) 项目手册，AIChE 1992，ISBN 0 8169 0568 1

2. Janet Etchells 和 Jill Wilday “化学反应器减压系统选型工作手册”HSE 书籍，合同研究报告 136/1998，ISBN 0 7176 1389 5。