РАСЧЕТ И ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

При расчете предохранительных устройств (ПУ) может стоять одна из двух задач :

1. Рассчитать размеры ПУ для заданных условий работы, выбрать его по каталогу, стандарту или другой документации;

2. Рассчитать пропускную способность ПУ заданного типа размера и определить его пригодность для работы в заданных условиях.

Порядок расчета при определении размеров и выборе предохранительного устройства следующий:

1. Определить характер и величину аварийного расхода в соответствии .

2. Определить допускаемое превышение давления в аппарате при работе ПУ в соответствии .

3. Определить характеристику среды перед и за ПУ в соответствии с .

4. Рассчитать характеристики размера ПУ: (, или в соответствии с .

5. Выбрать ПУ по каталогу, стандарту или чертежам с гарантированными значениями или так, чтобы расчетные значения отвечали условиям:

; ; ; (1),

где - коэффициент расхода ПУ, отнесенный к площади сечения F;F_Э – эквивалентная площадь:

, (5.1)

К_V – коэффициент пропускной способности (м³/ч); - условное давление; - расчетное давление.

Порядок расчета при определении пропускной способности заданного ПУ следующий:

1. Определить характер и величину аварийного расхода.

2. Определить допускаемое превышение давления в аппарате при работе ПУ.

3. Определить характеристику среды за и перед ПУ.

4. Рассчитать процентную способность ПУ.

5. Сопоставить расчетную пропускную способность m_R с аварийным расходом m_a.Устройство пригодно для заданных условий работы, когда m_R m_a.

Задача №1. Рассчитать и выбрать ПУ для защиты аппарата, в которой поршневой компрессор подает продукт в количестве m_к. Избыточное рабочее давление в аппарате , температура Т_р. Продукт из ПУ сбрасывается в атмосферу .

Таблица 5.1

Варианты задачи

Решение:

Максимальный аварийный приток газа может появиться при ошибочном перекрытии запорного вентиля за аппаратом.

В этом случае m_а = m_K. Максимальное допустимое давление в аппарате при срабатывании ПУ, согласно Правилам Госгортехнадзора ПБ 10.115-96, составляет:

P₁=1.15P_Р. (5.2)

Температура газа при давлении Р₁:

, (5.3)

где К_Н - показатель изоэнтропы (табл. 5.2)

Приведенные параметры:

П₁ =(P₁+0.1)/Р_КР.Т ; t₁=Т₁/Т_КР.Т, (5.4)

где Р_КР.Т, Т_КР.Т определить по табл. 5.2.

Таблица 5.2

Характеристика газов и паров

Если П₁/t₁ < 0,5, то К₁= К_Н= К₂= К. Критическое отношение давлений определить по табл.5.2. Коэффициент сжимаемости z₁ определить при P₁ и Т₁ по табл.5.3.

Отношение давлений за и перед ПУ определить по формуле:

b=(Р₂+0,1)/(Р₁+0,1). (5.5)

Критическое отношение давлений зависит от свойства среды и определяется уравнением или находится по табл. 5.2.

β^* = . (5.6)

Таблица 5.3

Коэффициент сжимаемости газов, Z₁.

Для предохранительных клапанов установлено, что

. (5.7)

Если меньше значений и , тогда В₂=1

Коэффициент для идеальных газов определить по рис. 5.1.

Тогда:

(5.8)

Рис.5.1 Коэффициентов для идеальных газов (z₁=1;к=к_н): 1 – ацетилен; 2 – аммиак; 3 – хлористый водород; 4 – метан; 5 – водород; 6 – бутан; 7 – пропан; 8 – этан, окись углерода; 9 – этилен.

Площадь узкого сечения седла ПК:

, (5.9)

где - коэффициент расхода для ориентировочного расчета предохранительных устройств (см. табл.5.4).

Диаметр узкого сечения седла

. (5.10)

Таблица 5.4

Значение коэффициентов расхода

Тип устройства
Предохранительные клапаны прямого действия: Малоподъемные Среднеподъемные Полноподъемные	0,05 0,3 0,6	0,05 0,1 0,1
Предохранительные клапаны с принудительным управлением полноподъемные	0,6	-
Предохранительные мембраны: Разрывные С ножевым устройством	0,8 0,6	0,8 0,6

При выражении характеристики ПК через К_V1

. (5.11)

По табл. 5.5 выбрать клапан и указать его параметры.

Применение ПК с проходным сечением , превышающим расчетную величину , вызывает снижение давления в защищаемом аппарате при полностью открытом клапане. Это давление найти по формуле:

. (5.12)

Так как , то в аппарате устанавливается давление

. (5.13)

Если диаметр ПК d_C больше расчетного значения диаметра d_R, то при использовании такого клапана проходное сечение по сравнению с расчетным было бы завышено, что неэкономично с точки зрения металлоемкости ПК и неблагоприятно с точки зрения динамики его работы: при полном открытии ПК давление в защищаемом аппарате резко упадет, вследствии чего клапан начнет закрываться; при продолжении действия источника аварийного повышения давления это приведет к повторным открытиям ПК, т.е. к вибрации золотника и ударам его по седлу и ограничителю.

В данном случае целесообразнее применить специальный ПК в соответствии с табл.5.6, имеющий при d_C и . Тогда при открытом ПК в аппарате установится давление

(5.14)

Таблица 5.5

Клапаны предохранительные пружинные

полноподъемные фланцевые типа СППК для жидких и

газообразных химических и нефтяных сред

Принятые обозначения: Н - неагрессивная среда; А – агрессивная среда; ВА – высокоагрессивная среда.

Таблица 5.6

Клапаны предохранительные пружинные полноподъемные для газообразных сред

Задача 2. Рассчитать и выбрать ПУ для защиты аппарата с рабочим давлением этилена Р_Р. Перед аппаратом установлен автоматический клапан – регулятор давления с D_У. Перед клапаном давление (Р₁)_а. Газ сбрасывается через ПУ в емкость с давлением Р₂. Температура в системе равна Т_а.

Таблица 5.7

Варианты задачи

Окончание табл.5.7

Решение:

Определить максимальный аварийный расход газа при полностью открытом регулирующем клапане D_У. Истечение газа происходит от давления (Р₁)_а до давления, максимально допустимого в аппарате:

(Р₂)_а=1,15 Р_Р . (5.15)

Характеристики газа по таблице 5.2: М, Р_кр.т, Т_кр.т.

При параметрах перед клапаном-регулятором (Р₁)_а+0,1 и Т_а найти по таблице 5.3 (Z₁)_а, (К₁)_а 7,8.

При параметрах после клапана регулятора при (Р₂)_а=Р₁ будет (Р₂)_а+0,1, а при (Р₂)+0,1 и Т₁ найти (К₂)_а=1,2.

Тогда

(К)_а=0,5[(К₁)_а+(К₂)_а]. (5.16)

По рис. 5.1 при (К)_а найти критическое отношение давлений на клапане-регуляторе ()_а по формуле (5.7)

При (5.5), если <()_а принимаем ()_а=1.

Рис.5.2 График для определения коэффициента В₃,

По рис. 5.2 при К_а найти значение ()_а

По формуле 5.17 определить:

. (5.17)

По формуле (5.18) определить:

. (5.18)

Максимальный аварийный расход газа через регулирующий клапан m_а, кг/ч, с D_У при определить:

m_a=10(. (5.19)

Определить необходимые размеры ПУ. Максимально допустимое давление в аппарате Р₁=(Р₂)_а=1,15Р_Р определить по формуле (5.2). Показатель изоэнтропы газа перед ПУ К₁₌(К₂)_а. По табл. 5.3 определить Z_1.

При параметрах после ПУ и Т_а найти К₂=1,21. Тогда

К=0,5(К₁+К₂). (5.20)

По рис. 5.2 при К, имеем ; =0,57 . (5.21)

Затем найти по формуле (5.5) и сравнивать с и с .

По формуле (5.22) при и определить В₂:

B₂=[ ]^1/2 . (5.22)

По рис. 5.1 для этилена при t₁=T_a-273 найти В₁ при z₁=1. По формуле найти В₁:

. (5.23)

В качестве ПУ выбрать пружинный полноподъемный предохранительный клапан с α₁ (табл. 5.4).

Из формулы (5.9) при m=m_a найти расчетную величину (F)_R=(F_C)_R и (d_c)_R

(d_C)_R= . (5.24)

Если по табл. 5.5 на ближайшее большее давление Р_у нет клапанов более d_C, выбрать несколько клапанов, имеющих следующие параметры: Р_у; d_C.

Давление в защищаемом аппарате при открытом ПК (при > и B₂=q<1) найти по формуле:

(5.25)

Если выбранный клапан по каталогу или табл.5.5 имеет другие значения (α₁)_кат, а не как это было принято в расчете, необходимо пересчитать величину и для клапана с учетом (α₁)_кат.

Тогда выбранные ПК с d_С при срабатывании обеспечивают сброс максимального аварийного расхода газа.

Проверить выбранные ПК с d_{C (в)} и α₁ по формуле Госгортехнадзора. По табл. 5.8 при К и β найти В. Давления: р₁; р₂. Для одного ПК , где n-число клапанов.

Найти плотность газа перед ПК по формуле:

. (5.26)

Площадь расчетного сечения ПК при α=α₁ найти по формуле:

. (5.27)

Тогда расчетный диаметр ПК

, (5.28)

что свидетельствует о том, что выбранные клапаны проходят по формуле Госгортехнадзора (ГГТН), которая при К=К_Н для этилена дает заниженные или завышенные значения диаметра ПУ.

Таблица 5.8

Коэффициент В

Задача 3. Рассчитать и выбрать ПУ для защиты емкостного аппарата диаметром D и высотой Н от возможного взрыва паровоздушной смеси метана. Начальное давление в аппарате атмосферное, т.е. р_ρ=0. Температура в аппарате Т. Расчетное давление аппарата на прочность Р_R.

Таблица 5.9

Варианты задачи

Решение:

Определить аварийный расход горючей смеси.

Максимальная площадь поверхности фронта пламени при D<Н определяется по формуле:

. (5.29)

Объем аппарата

. (5.30)

Максимально допустимое давление в аппарате

. (5.31)

Принять по табл. 10 коэффициент турбулизации фронта пламени К_Т, по табл. 5.11 – нормальную скорость распространения пламени U_ПЛ и относительное давление ε. По табл. 5.2 для горючей смеси без учета влияния температуры при взрыве принять как для метана К_Н=1,3, М=16,04 кг/моль. Определить скорость распространения давления в аппарате при взрыве по формуле:

. (5.32)

Максимальный аварийный расход горючей смеси найти по формуле:

, (5.33)

где R_y=8314.

Определить проходное сечение ПУ по формуле (5.9). По табл. 5.2 определяем Р_{кр. т.}, Т_{кр. т.} Найти ₁ по формуле (5.4), τ₁=Т₁/Т_{кр. т.} и ₁/τ₁. Если ₁/τ₁<0,5, тогда К₁=К_Н; К₂=К_Н; К=К_Н.

Таблица 5.10

Коэффициент К_Т турбулизации фронта пламени в аппарате

Таблица 5.11

Значения U_ПЛ и ε для различных горючих

смесей веществ с воздухом

По рис.5.3 при ₁ и r₁ найти z₁. По табл. 5.2 при К_Н для метана β^*. Определить β по формуле (5.5).

Так как β<β^*, принять В₂=1.

По рис. 1 при Т₁ найти В_1(z=1) и по формуле (8) получить В₁.

В качестве ПУ выбрать предохранительную мембрану с коэффициентом расхода α₁. Тогда .

Принять мембраны с расчетным диаметром (можно несколько мембран)

(5.34)

По табл. 5.12 выбрать диаметр мембраны d.

Таблица 5.12

Типоразмерный ряд разрывных предохранительных мембран

Таблица 5.13

Типоразмерный ряд хлопающих разрывных мембран с плоскими или коническими зажимами

Рис.5.3. Коэффициент сжимаемости z в зависимости от приведенных параметров p и t

Задача 4. Для условий задачи 3 рассчитать предохранительную мембрану со сплошным куполом. Материал мембраны – мягкая медь марки М₁,Р₁,Т₁,d.

Таблица 5.14

Варианты задачи

Из рис. 5.4 по температуре для меди находим К_t.

К_t

20 50 100 150 200 250 300 350 400 450 t,

Рис. 5.4 Температурный коэффициент К_t для различных материалов: 1 - свинец; 2 - алюминий; 3 - нержавеющая сталь; 4 -титан; 5 - углеродистая сталь; 6 - медь; 7 - никель; 8 - монель-металл

Таблица 5.15

Показатели механических свойств металлопроката

Наименование и марка материала, ГОСТ	Состояние материала	Размеры металлопроката, мм	Механические свойства
Ши-рина	Толщина	, МПа	, %
Сталь нержавеющая марок 08.18Н10Т 12.18Н10Т 12.18Н9Т по ГОСТ 4986-79	Мягкий		0,05;0,08;0,1;0,12		35-40
0,15;0,2;0,25;0,3	800-900	15-20
0,35;0,4;0,45
Полунагартованный
Нагартованный	400--600	0,5;0,55;0,6;0,65; 0,7;0,8;0,9;1,0
Никель марок НП1,НП2, НП3,НП4 по ГОСТ 2170-73	Мягкий		0,05;0,55;0,06
Полутвердый	0,07;0,08;0,09;0,1
Твердый	0,12;0,13;0,15;0,180,2;0,22;0,25;0,3
	0,35;0,4;0,45
	0,5;0,55;0,6;0,7;0,80,9;1,0
Медь марок М1,М2,М3 по ГОСТ 1173-77	Мягкий	175--300	0,05;0,06;0,07;0,080,09;0,1;0,12;0,14;0,15;0,16;0,18;0,2
Твердый	до 600	0,28;0,3;0,354;0,4;0,5;0,6;0,7;0,8;0,9;1,0;1,1;1,2;1,3;1,4;1,5

По табл. 5.15 для металлопроката найти , . Радиус кривизны сферического купола мембраны определить по формуле:

. (5.35)

Расчетную толщину металлопроката для изготовления мембраны найти по формуле:

. (5.36)

По табл. 5.15 принять ближайшую большую толщину проката .Тогда давление при котором произойдет разрыв мембраны:

. (5.37)

Задача 5. Рассчитать пропускную способность предохранительной мембраны диаметром d, и определить ее пригодность для защиты от повышения давления вследствие пожара вблизи аппарата, содержащего жидкий пропан при давлении Р₁и Т. Диаметр аппарата D, длина L. Аппарат без теплоизоляции и без специального охлаждения (табл.5.16).

Таблица 5.16

Варианты задачи

Варианты	Диаметр мембраны, d, мм		Давление в аппарате Р1,МПа	Температура в аппарате, Т,0С	D,м	L,м
		0,80	0,7
		0,90	0,8		1,2
		0,70	0,9		1,3
		0,80	1,1		1,4
		0,75	1,2		1,6
		0,85	1,4		1,8
		0,90	1,6		2,2
		0,80	1,8		2,8
		0,85	2,2		3,0
		0,75	2,4		4,0

Решение:

Площадь наружной поверхности аппарата:

F_ап= DL. (5.38)

Максимальный аварийный расход жидкого пропана при К=25 Вт/(м²К);t_t=700⁰C;t_ж=20⁰С; t= в Дж/кг найти:

m_a=КF_ап(t_t-t_ж)/ t. (5.39)

где К – общий коэффициент теплоотдачи от окружающей газо-воздушной смеси через стенку аппарата к содержащейся в нем жидкости; t_t- температура газо-воздушной смеси, омывающей при пожаре наружную поверхность аппарата;t_ж – температура кипения жидкости при давлении внутри аппарата; t- теплота испарения жидкости при температуре t_ж.

Определить пропускную способность мембраны при условии Р_р= , =0, Т₁=293 К. Найти по табл. 5.2 для пропана , Т_кр.т, М и К_н и определить ₁ и по (5.4). Если ₁/ <0,5, тогда К=К_н. По табл. 5.2 найти ^*. По рис. 5.3 при ₁ и ₁ найти Z₁. Вычислить по (5.5). Если < ^* и < =0,57 *, то принять ₂=1.

По рис.5.1 при t для пропана найти В_1(z=1). По формуле (5.8) определить ₁.

В соответствии с ГОСТ 12.2.085-82 пропускную способность мембраны в т/ч рассчитывать по формуле:

. (5.40)

Полученное значение пропускной способности мембраны m сравнить с максимальным аварийным расходом m_a и сделать выводы о возможности защиты аппарата при заданных условиях.

Поиск по сайту: