用来降低突燃压力的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种用来降低突燃压力的方法和设备。具体地说，涉及一种减弱在工艺容器的限定区域中可燃性气体燃烧产生的突燃压力的方法。该方法大体包括选择减弱材料，将其放置在所述工艺容器的限定区域内，所述选择的减弱材料能够在所述操作条件下保持其物理形状。本发明专利技术还提供了一种管式反应器，其经改造用来减弱其中限定的区域内可燃性气体燃烧产生的突燃压力，所述管式反应器的限定区域含有根据上述用来减弱突燃压力的方法选择的减弱材料，该减弱材料包含多种组件，这些组件的设置使得尽可能减小组件之间的空穴空间和开放路径。还提供了一种用来在可燃性操作条件下安全地进行气相反应的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用来控制、遏制和抑制工艺容器中可燃性气体的爆炸的方法和 设备。
技术介绍
可燃性材料的处理在许多工业工艺和设备当中是必须进行的，其经常存在 危险性，这是因为可燃性材料有可能会在工艺设备中发生燃烧、爆燃或爆炸，从 而对设备造成破坏，对人员造成伤害。在各种生产工艺(例如用来制备(甲基) 丙烯酸盐、(甲基)丙烯酸酯、腈类和各种其它材料的工艺)中，可燃性材料经 常在反应器、导管、贮存容器、分离设备等当中以液体、气体或者这二者并存 的形式存在。当可燃性气体和氧气一起以足够的体积浓度存在的时候，如果接触了点火 源，例如火花、化学反应、热金属丝或其它热表面，甚至是热点(即流体主体内 温度升高的局部区域)，则会在可燃性气体当中引起局部的突燃。可燃性气体 通常会在高于其爆炸极限下限且低于其爆炸极限上限的浓度下发生突燃。当 然，可燃性气体可以由单独种类的气体组成，但是经常是一种或多种不同气体 的混合物，其具体组成使得所述混合物具有可燃性。当存在可燃性气体的时候， 就始终存在突燃的可能，因为不可能100%地避免偶然性的引燃。最终所述突燃可能会继续发展形成进一步的破坏现象，例如爆燃或爆炸， 也可能不会这样继续发展。当然，这些现象有可能对设备造成严重的破坏，对 操作和监控设备的人员造成严重的伤害，甚至导致人员死亡。因此，对于许多 工业生产的工艺操作的安全性和持续操作而言，对可燃性材料的引燃、燃烧、 突燃和爆燃或爆炸的控制、遏制和抑制是非常重要的。尽管许多的设备和技术 解决了避免引燃的问题，但是人们仍在另外进行尝试，力求遏制、抑制和消除后来可能会导致不经意引燃的燃烧现象。例如参见Grossd, Stanley S., Ed.，《突燃和爆燃火焰抑制器(Z)e/7flgrah'o" am/Deto"a"on F/ame ^厅eWe^人AIChE (化 学工艺安全中心(Center for Chemical Process Safety)),美国纽约州纽约市 (2002)，第5章，第77-138页。例如，美国专利第3，356,256号揭示了在燃料储存容器中使用散热金属网 作为吸收容器中可能导致引燃的热量的手段。美国专利第4,613,054号揭示了使 用具有高热导性的铝箔球得到相同的结果。这两种方法都力图使用散热器来防 止发生持续的燃烧。类似地，Fauske(见Fauske， Hans K.的《膨胀金属网络阻碍气体爆炸的安 全网(^xp朋fl^-Meto/ jVefwo由爿S映(y脸f to T7z丽W ^bcp/oy/o氾J》， Chemical Engineering Progress, 2001年12月，第66-71页)提出了在储存容器中使 用膨胀的金属箔，通过移走燃烧区的热能来防止火焰前缘传播。Fauske使用高 表面积(等于和大于400米2/米3)金属箔模拟了突燃抑制器的设计，所述金属箔 具有用来熄灭火焰的密集通道。在相对静态的储存容器中，这种密集的通道几 乎没有重要影响。但是，在反应器之类的工艺容器中，流过密集通道的工艺流 体会使得容器中的压降增大，从而增大动力能耗。另外，为了让金属箔网络能 够有效地使燃烧熄灭(从而避免随后发展成为爆燃或爆炸)，必须保持足够大的 温差(AT)，使得能够将燃烧区域的热能快速转移到金属箔之内。不幸的是，许 多用来处理、储存可燃性气体或使可燃性气体发生反应的工艺容器在升高的温 度和/或压力条件下进行操作。在烃类加工领域众所周知的是，热量和压力增 加都会使可燃极限的范围变宽(组合物支持燃烧的范围更宽)，减少保持自持性 燃烧所需的增量能量。因此，在许多可燃性气体的工艺容器(例如氧化反应器) 中，采用膨胀的金属箔之类的散热性部件使燃烧熄灭是基本上无效的。很简单， 所述突燃的压力波和火焰前缘在该高温和高压工艺容器中蔓延过快，使得吸热 的速率不足以令燃烧熄灭。美国专利第5,495,893号揭示了一种用来控制气体突燃的设备和方法，所 述设备包括可燃性物质检测器，该检测器能够触发液体雾化装置(该装置用来 控制液体抑制剂液滴的尺寸)，将突燃抑制剂输送到可燃性物质中。该专利的 说明书声称可以通过吸热有效地抑制突燃，例如使用细雾液流(即突燃抑制 剂)，通过迅速蒸发而快速地移走突燃赖以传播的热量。该方案是基于以下理解，即在突燃中，可燃性气体的燃烧引发了化学反应，该化学反应通过将热量 和/或自由基传输到相邻的可燃气体的分子，从而向外传播。热量和/或自由基 的传输引燃了相邻的分子，通过这种方式，使得突燃通过可燃性气体向外传播 或扩展。美国专利第6，540，029号揭示了一种突燃抑制和爆炸隔离系统，其用来抑制 爆炸的突燃阶段，防止在遏制结构中产生的突燃现象传播到相连的导管中，然 后在所述导管中转变为爆燃现象。该专利所述的系统包括用来检测压力快速升 高(这是初期爆炸的一个标志)的压力检测器和用来将火焰抑制剂导入可燃性 气体中抑制剂装置，以及门阀组件，该组件的关闭动作与抑制剂的释放相协调， 使火焰和燃烧产生的压力重新定向。美国专利第6,540,029号中的装置也通过操 作而将另外的材料(抑制剂)引入可燃性气体中，用来吸收热量，所述吸收的热 量也会促进突燃的传播及其向爆燃的转变。该专利说明了在突燃情况中，在引 燃位点会产生压力波和火焰前缘，由该引燃位点朝着所有的方向向外传播，其 中压力波的传播速度比火焰前缘更快。另外，容纳所述可燃性气体的管子或管 道中的阻碍部件和弯曲处也会增加湍流(即混合)，该湍流也会加快突燃向爆燃 的转变。如本领域众所周知的，当实施突燃控制措施的时候，可以避免可燃性 气体的湍流和混合的增加。在Razus D.等人的《在废气存在下丙烯-空气混合物的密闭容器燃烧ga^》*， Fuel (2007)， doi:10.1016/j.fue1.2006.12.009,认识到爆炸在密闭容器中传播的特征参数包括突燃后达到的峰值压力，达到该峰值压力所需的时间， 以及在引燃之后向可燃性气体中加入稀释剂材料所造成的峰值压力降低。该研 究文献总结说，通常包含二氧化碳和水蒸气的废气对可燃性燃料-空气混合物 具有重要的惰性化作用，可以看作廉价的减轻燃料-空气爆炸的稀释剂。尽管 该技术解决了在可燃性气体引燃之后控制爆炸或者尽可能减小爆炸程度的问 题，但是该技术是通过加入惰性材料做到这一点的，这与在引燃之后向可燃性 气体中加入燃烧抑制剂来吸收热量和减缓突燃过程中火焰前缘的传播的做法 是类似的。美国专利第6,932,950号中所述的技术试图尽可能减少或消除副反应，所述 副反应包括但不限于引燃和突燃，当作为可燃性气体的进料气体混合物与反应 器的进口管板附近的热点接触的时候，这种副反应更容易在管式反应器的进口 侧发生。该专利讨论了之前己知的做法，即将一层陶瓷材料或金属丝网设置在 进入室中与进气侧的进入管板相邻的位置，但是对所述进入室体积的填充不大 于大约20%,在进入的进料气和热管板之间形成障碍。所述的其它方法包括形 成与热管板相邻的冷却室(被循环空气填充的室)，以及形成固体障碍(例如使用 浇铸的树脂材料在热载体侧上形成与管板相邻的层，用来使管板与热载体绝 缘)。美国专利第6，932，950号所描述的方案是在反应器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过选择减弱材料，并将所述减弱材料设置在工艺容器的限定区域中，从而在已知的操作条件下减弱在该工艺容器的限定区域中由于可燃性气体燃烧产生的突燃压力的方法，所述工艺容器具有最高可允许的耐受压力（Ｐ（ｃ）），所述已知的操作条件包括初始进料气体组成、温度和压力，在引燃之后，在所述限定的区域内会达到峰值压力，所述限定的区域具有横截面半径（Ｒ（ｖ）），所述选定的减弱材料能够在所述操作条件下保持其物理形状，且该减弱材料包含多种组件，所有这些组件都具有几何结构和有效直径，所述方法包括：　　（Ａ）通过以下方式确定适用于所述工艺容器的限定区域之内的减弱材料的组件的最大有效直径：得到相关的成对的峰值突燃压力和突燃混合因子的经验性数据，该数据说明大量减弱材料与可燃性气体引燃之后达到的峰值压力之间存在的线性关系，所述大量减弱材料 中的至少一种包含一些组件，这些组件的有效直径不同于其它减弱材料的组件的有效直径，所述可燃性气体具有与初始进料气体组合物相同的组成，该过程是通过以下步骤完成的：　（１）使用具有半径（Ｒ（ｔｓ））的测试球，经验性地确定在不存在任何减弱材料 的情况下，引燃可燃性气体产生的峰值突燃压力（Ｐ↓［最高］（０））；　（２）使用与步骤（１）相同的测试球，经验性地测定在存在至少第一选定减弱材料和第二选定减弱材料的情况下，由可燃性气体的引燃产生的第一和第二峰值突燃压力（Ｐ↓［最高］（１ ），Ｐ↓［最高］（２）），其中所述第一选定减弱材料具有第一有效直径（Ｄｓ（１）），所述第二选定减弱材料具有第二有效直径Ｄｓ（２），该第二有效直径不同于第一有效直径；　（３）使用以下数学关系式，计算与步骤（１）和（２）中经验性确定的各个 峰值突燃压力相关的突燃混合因子（ＤＭＦ（０），ＤＭＦ（１），ＤＭＦ（２），．．．ＤＭＦ（ｎ））：　ＤＭＦ（ｎ）＝（Ｄｓ（ｎ）／Ｒｔｓ）×４０　其中ｎ＝０，１，２．．．ｎ，Ｄｓ（ｎ）和Ｒ（ｔｓ）各自的单位是厘米；　（４）通过 基于以下数学关系式确定变量Ｍ和Ｂ的数值，对包括相关的成对的峰值突燃压力和突燃混合因子（［Ｐ↓［最高］（０），ＤＭＦ（０）］；［Ｐ↓［最高］（１）ＤＭＦ（１）］，［Ｐ↓［最高］（２），ＤＭＦ（２）］，．．［Ｐ↓［最高］（ｎ），ＤＭＦ（ｎ）］）的经验性数据进行线性化：　Ｐ↓［最高］（ｎ）＝Ｍ×ＤＭＦ（ｎ）＋Ｂ　其中ｎ＝０，１，２．．．ｎ；　（５）使用工艺容器最高可允许...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：M德库西，JE埃尔德，TA哈尔，N李，PK普戈，J索恩森，
申请(专利权)人：罗门哈斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]