Показатель адиабаты K некоторых газов при различных давлениях
Расчет предохранительных клапанов
Предохранительный клапан - трубопроводная арматура, предназначенная для защиты от механического разрушения оборудования и трубопроводов избыточным давлением, путем автоматического выпуска избытка жидкой, паро- и газообразной среды из систем и сосудов с давлением сверх установленного (рис. 2.2). Клапан также должен обеспечивать прекращение сброса среды при восстановлении рабочего давления. Защите предохранительными клапанами подлежат сосуды и трубопроводы, в которых возможно повышение давления от питающего источника, от химической реакции, от обогрева подогревателя, от солнечной радиации, в случае возникновения пожара рядом с сосудом или трубопроводом. Предохранительные клапаны устанавливаются везде, где может произойти повышение давления сверх установленного, то есть практически на любом оборудовании. Но в особенности они важны в сфере эксплуатации промышленных и бытовых сосудов, работающих под давлением.
Существуют и другие виды предохранительной арматуры, но клапаны используются наиболее широко вследствие простоты своей конструкции, легкости настройки, разнообразия видов, размеров и конструктивных исполнений.
Классификация предохранительных клапанов
По методу выпуска избыточной рабочей среды клапаны бывают:
- открытого типа, у которых рабочая среда (пар, воздух) выпускается непосредственно в окружающую атмосферу;
|
|
|
- закрытого типа, у которых рабочая среда может отводиться в назначенное место.
По принципу действия:
- прямого действия - открываются непосредственно под действием давления рабочей среды;
- непрямого действия - клапаны с управлением путем использования постороннего источника давления или электроэнергии, общепринятое название таких устройств - импульсные предохранительные устройства;
По характеру подъема замыкающего органа:
- пропорционального действия (используются на несжимаемых средах);
- клапаны двухпозиционного действия.
По высоте подъема замыкающего органа (тарелки):
- малоподъемные, у которых высота подъема тарелки несколько больше или равна 0,05 диаметра седла;
- полноподъемные, высота подъема тарелки которых не менее 0,25 диаметра седла;
- среднеподъемные, с высотой подъема тарелки менее 0,25, но более 0,05 диаметра седла.
По виду нагрузки на золотник клапаны бывают:
- грузовые или рычажно-грузовые;
- пружинные;
- рычажно-пружинные;
- магнито-пружинные.
Технические требования к предохранительным клапанам
Главным и наиболее ответственным требованием, предъявляемым к предохранительным клапанам, является высокая надёжность, включающая в себя:
|
|
|
- безотказное и своевременное открытие клапана при заданном превышении рабочего давления в системе;
- обеспечение клапаном в открытом положении требуемой пропускной способности;
- осуществление своевременной обратной посадки (закрытия) с требуемой степенью герметичности при заданной величине падения давления в системе после аварийного срабатывания и сохранения установленной степени герметичности при последующем возрастании давления до величины рабочего;
- обеспечение стабильности работы, то есть сохранение в течение всего срока эксплуатации и заданного числа циклов срабатывания параметров настройки и требуемой степени герметичности запорного органа при рабочем давлении.
Предохранительные клапаны подлежат периодической проверке в специализированной организации или испытанию в действии. Все клапаны должны быть испытаны на прочность, плотность, а также герметичность сальниковых соединений и уплотнительных поверхностей.
Расчет предохранительных клапанов
Задачей расчета предохранительных клапанов является определение пропускной способности, типа и количества клапанов, подбор пружины к ним, динамических усилий, возникающих при срабатывании предохранительного клапана.
|
|
|
Необходимыми исходными данными для расчета предохранительных клапанов при выполнении проектов отдельных аппаратов являются:
- место установки предохранительного клапана;
- требуемая пропускная способность клапана G, кг/ч;
- избыточное технологическое давление в сосуде или трубопроводе Р1, МПа;
- расчетное давление Рр, МПа;
- температура среды перед клапаном Т1, К;
- максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном Р2, MПa;
- фазовое состояние среды;
- состав среды, сбрасываемой через клапан, % мол. или % мас.
Для сосудов, разрабатываемых на условное давление по ГОСТ 9493-80, пропускная способность, количество и тип предохранительных клапанов выбираются из условия расчета клапанов на наихудшие условия по пределам применения сосуда.
Требуемая пропускная способность предохранительного клапана определяется из следующих условий.
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на технологических емкостях, сепараторах, дегазаторах, абсорберах, адсорберах, разделителях и т.п. - из условия подачи в сосуд среды при закрытых выходах из него принимается по максимально заданной производительности.
|
|
|
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на ректификационных колоннах, - из условия сброса клапаном всего количества паров, поступающих и образовавшихся в сосуде при закрытии выхода вверху колонны, а именно:
, (2.13)
где 
, Вт - тепловая нагрузка кипятильника (рибойлера) в нормальном режиме работы при Рт ; 
, Вт - количество тепла, поступающее с питанием в аварийном режиме при Р1:
, (2.14)
(в случае наличия на подаче питания подогревателя с регулированием температуры питания на выходе или в случае отсутствия подогревателя на подаче питания) или:
, (2.15)
(в случае наличия на подаче питания подогревателя без регулирования температуры питания или в случае использования в качестве подогревателя трубчатой печи); 
, кг/ч - расход питания колонны в аварийном режиме при Р1; е, мас. доля - доля пара в питании (доля отгона); 
, Дж/кг - теплосодержание жидкого питания в нормальном режиме при Рт (принимается по проекту); 
, Дж/кг - теплосодержание паров питания в аварийном режиме при PI; 
, Дж/кг - теплосодержание питания на входе в подогреватель питания в нормальном режиме при Рт ; 
, Вт - тепловая нагрузка подогревателя питания в нормальном режиме при Рт ; 
, Вт - суммарная тепловая нагрузка промежуточных циркуляционных орошений в нормальном режиме; 
, Вт - тепловая нагрузка одного из промежуточных циркуляционных орошений, имеющего наибольшую величину, в нормальном режиме при Рт ; 
, кг/ч - сумма расходов промежуточных отборов в нормальном режиме при Рт ; 
, Дж/кг - теплосодержание жидкости промежуточного отбора в аварийном режиме при PI; 
, кг/ч - расход дистиллата в аварийном режиме при P1:
; (2.16)
где 
, кг/ч - расход дистиллата в нормальном режиме при Рт ; 
, кг/ч - расход питания колонны в нормальном режиме при Рт; 
, Дж/кг - теплосодержание жидкого продукта вверху колонны в аварийном режиме при P1; 
, кг/ч - расход кубовой жидкости в аварийном режиме при Р1:
; (2.17)
где 
, Дж/кг - теплосодержание жидкого кубового остатка в аварийном режиме при P1; 
, Дж/кг - теплосодержание пара вверху колонны в аварийном режиме при Р1; , Дж/кг - теплосодержание жидкости вверху колонны в аварийном режиме при Р1; 
, кг/ч - расход водяного пара (инертного газа), подаваемого в колонну на отпарку (учитывается только в случае, если давление водяного пара больше P1).
При определении теплосодержаний потоков ( 
, 
, 
, 
) при режиме сброса через предохранительный клапан (в аварийном режиме) фракционный состав всех продуктов следует принимать по нормальному режиму (по проекту).
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на жидкостных трубопроводах и сосудах, полностью заполненных жидкостью и рассчитанных по давлению питающего источника, – из условия сброса клапаном дополнительного количества жидкости, образовавшегося в результате теплового расширения от солнечной радиации, а именно:
G = Vc·rж·bж·(T2 – T1), кг/ч; (2.18)
где Vc, м3 - первоначальный объем жидкости в сосуде (трубопроводе) при температуре T1; T1, °С - рабочая температура жидкости в сосуде (трубопроводе); T2, °С - максимальная температура жидкости в сосуде (трубопроводе), при расчетах принимается: Т2 = 50 °С; rж, кг/м3 - плотность жидкости при T1, принимается по программе расчета ТФС; bж, 1/°С - коэффициент объемного расширения жидкости, принимается по программе расчета ТФС.
Примечание: предохранительный клапан в случаях, оговоренных ранее, должен быть проверен на условия пожара по формулам 2.19 и 2.20.
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на трубопроводах на стороне меньшего давления после регуляторов давления, - из условия полного открытия регулирующего клапана и отсутствия расхода после него (принимается по максимально заданной производительности); на газораспределительных станциях - из условия 0,01 максимальной производительности регулирующего клапана.
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на нагнетательном трубопроводе после насоса или компрессора, - из условия полной производительности насоса или компрессора при отсутствии расхода после него.
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на обогреваемом трубопроводе с пожароопасными жидкостями или сжиженными газами между отключающей арматурой, - из условия сброса клапаном всего количества пара (газов), образуемых при кипении жидкости, рассчитываемого по формуле:
, кг/ч; (2.19)
где Fоб - поверхность обогреваемого участка трубопровода между отсекающими задвижками, м2; K - коэффициент теплопередачи при обогреве паровым или водяным спутником: K = 12 Вт/м2 · K; r - скрытая теплота испарения жидкости при давлении сброса P1, кДж/кг; tсп - температура спутника, °С; tпр - температура кипения жидкости при давлении сброса Р1, °С.
Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на складских емкостях для сжиженных газов и пожаровзрывоопасных жидкостей и для холодильного оборудования, – из условия пожара вблизи аппарата. Повышение давления в аппарате сверх расчетного при пожаре вблизи аппарата происходит за счет испарения жидкости или теплового расширения газа.
Расчет предохранительных клапанов «на пожар» производится при условии полного отключения аппарата и прекращения подачи в него, предусмотренного технологическим процессом продукта.
Подземные емкости и теплообменные аппараты на пожар не рассчитываются.
Для сосудов, полностью заполненных жидкой фазой или содержащих жидкую и паровую фазу, количество выбросов через предохранительный клапан определяется по формуле:
, кг/ч; (2.20)
где Fсп, м2 - смоченная поверхность аппарата; tг, °С - температура газовоздушной смеси, омывающей при пожаре наружную поверхность аппарата, при расчетах принимается tг = 600 °С; tк, °С - температура кипения жидкости при давлении полного открытия предохранительного клапана; r, кДж/кг - скрытая теплота парообразования жидкости при температуре tж; Kж, Вт/м2·К - общий коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха через стенку аппарата к жидкости.
При расчетах принимается:
- для изолированного аппарата Kж = 2,9 Вт/м2·К;
- для неизолированного аппарата Kж = 23,2 Вт/м2·К;
Смоченная поверхность Fсп аппарата определяется при максимальном уровне заполнения аппарата.
Для ректификационных колонн смоченная поверхность определяется при максимальном уровне жидкости в кубе и жидкости на тарелках.
Для сосудов, содержащих газовую (паровую) фазу, пропускная способность предохранительного клапана определяется по формуле:
, кг/ч; (2.21)
где Fн, м2 - полная наружная поверхность аппарата; tг, °С - температура газовоздушной смеси, омывающей при пожаре наружную поверхность аппарата, tг = 600 °С; tп, °С - температура газов (паров) в аппарате при нормальном режиме; Cр, Дж/кг·К - теплоемкость газа (пара) при давлении Р1, принимается по программе ТФС; Kп, Вт/м2·К - общий коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха через стенку аппарата к газу (пару). При расчетах принимается:
- для изолированных аппаратов Kп = 3 Вт/м2·К;
- для неизолированных аппаратов Kн = 12 Вт/м2·К.
Площадь проходного сечения предохранительного клапана следует рассчитывать по формулам:
- для газа:
, мм2; (2.22)
- для жидкости:
, мм2; (2.22)
где P1 - максимальное избыточное давление перед предохранительным клапаном, равное давлению полного открытия клапана, МПа; P2 - максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном, МПа; r1 - плотность реального газа перед клапаном при параметрах P1 и T1, кг/м3; Т1 - температура среды перед клапаном при давлении Р1, °С; a1 - коэффициент расхода, соответствующий площади для газообразных сред; a2 - коэффициент расхода, соответствующий площади для жидких сред. Коэффициент расхода предохранительных клапанов для газообразных сред (a1) или жидких сред (a2) принимается в соответствии с техническими условиями на клапаны; r2 - плотность жидкости перед клапаном при параметрах P1 и Т1, кг/м3; В - коэффициент, учитывающий физико-химические свойства газов при рабочих параметрах, подсчитывается по формулам:
при 
; (2.23)
при 
; (2.24)
где K - показатель адиабаты для индивидуальных веществ принимается по таблице 2.8.
Таблица 2.8.
Показатель адиабаты K некоторых газов при различных давлениях
И температурах
| Температура, °С | P1 + 0,1, МПа | |||||||||
| 0–0,1 | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 7,0 | 10,0 | 12,5 | |
| МЕТАН | ||||||||||
| Минус 30 | 1,36 | 1,40 | 1,48 | 1,57 | 1,64 | 1,74 | 1,80 | 1,93 | 2,25 | 2,21 |
| Минус 20 | 1,34 | 1,39 | 1,45 | 1,52 | 1,58 | 1,66 | 1,72 | 1,88 | 2,28 | 2,25 |
| Минус 10 | 1,33 | 1,37 | 1,42 | 1,48 | 1,53 | 1,60 | 1,67 | 1,84 | 2,16 | 2,16 |
| 0 | 1,32 | 1,35 | 1,40 | 1,44 | 1,50 | 1,55 | 1,60 | 1,75 | 2,00 | 2,02 |
| 10 | 1,32 | 1,34 | 1,36 | 1,42 | 1,47 | 1,51 | 1,54 | 1,67 | 1,84 | 1,90 |
| 20 | 1,31 | 1,33 | 1,36 | 1,39 | 1,43 | 1,47 | 1,50 | 1,61 | 1,73 | 1,81 |
| 30 | 1,30 | 1,32 | 1,34 | 1,36 | 1,39 | 1,42 | 1,45 | 1,52 | 1,59 | 1,64 |
| 50 | 1,29 | 1,31 | 1,33 | 1,35 | 1,38 | 1,41 | 1,44 | 1,47 | 1,54 | 1,61 |
| 75 | 1,28 | 1,29 | 1,31 | 1,33 | 1,35 | 1,37 | 1,39 | 1,41 | – | – |
| 100 | 1,27 | 1,28 | 1,29 | 1,31 | 1,32 | 1,34 | 1,36 | 1,37 | – | – |
| 150 | 1,25 | 1,25 | 1,26 | 1,27 | 1,28 | 1,29 | 1,30 | 1,31 | – | – |
| 200 | 1,23 | 1,23 | 1,24 | 1,24 | 1,25 | 1,26 | 1,26 | 1,27 | – | |
Окончание табл. 2.8
| Температура, °С | P1 + 0,1, МПа | |||||||||
| 0–0,1 | 0–0,1 | 0–0,1 | 0–0,1 | 0–0,1 | ||||||
| ЭTAH | ||||||||||
| 75 | 1,17 | 1,20 | 1,24 | 1,30 | – | – | – | – | – | |
| 100 | 1,15 | 1,18 | 1,21 | 1,25 | 1,30 | 1,35 | 1,42 | – | – | – |
| 150 | 1,14 | 1,16 | 1,17 | 1,20 | 1,22 | 1,25 | 1,28 | 1,31 | – | – |
| 200 | 1,12 | 1,13 | 1,15 | 1,16 | 1,17 | 1,19 | 1,20 | 1,22 | – | – |
| ПРОПАН | ||||||||||
| 75 | 1,12 | 1,18 | – | – | – | – | – | – | – | – |
| 100 | 1,11 | 1,16 | 1,23 | – | – | – | – | – | – | – |
| 150 | 1,09 | 1,12 | 1,16 | – | – | – | – | – | – | – |
| 200 | 1,08 | 1,10 | 1,12 | 1,14 | 1,17 | 1,20 | – | – | – | – |
| ВОЗДУХ | ||||||||||
| Минус 80 | 1,41 | 1,48 | 1,55 | 1,53 | 1,70 | 1,77 | 1,86 | 1,94 | 2,20 | 2,40 |
| 0 | 1,40 | 1,42 | 1,44 | 1,47 | 1,49 | 1,53 | 1,55 | 1,57 | 1,63 | 1,69 |
| 100 | 1,40 | 1,41 | 1,42 | 1,44 | 1,44 | 1,44 | 1,46 | 1,47 | 1,49 | 1,51 |
| 200 | 1,39 | 1,40 | 1,40 | 1,41 | 1,41 | 1,42 | 1,42 | 1,43 | 1,44 | 1,45 |
| ВОДЯНОЙ ПАР | ||||||||||
| 200 | 1,31 | 1,31 | – | – | – | – | – | – | – | – |
| 300 | 1,30 | 1,30 | 1,30 | 1,29 | 1,29 | 1,29 | 1,28 | 1,28 | – | – |
| 400 | 1,29 | 1,29 | 1,29 | 1,28 | 1,28 | 1,28 | 1,28 | 1,28 | 1,27 | 1,27 |
β - отношение абсолютных давлений после и до клапана:
; (2.25)
bкр - критическое отношение давлений подсчитывают по формуле:
; (2.26)
Для аппаратов при запасе от переполнения жидкости менее 5 мин. площадь проходного сечения определяется по сумме сечений для сброса раздельно газов и жидкости.
Для аппаратов при запасе от переполнения жидкости более 5 мин. площадь проходного сечения определяется по сечению сброса газа.
Количество предохранительных клапанов определяется по формуле:
; (2.27)
где f, мм2 – площадь проходного сечения седла выбранного клапана (табл. 2.9).
Если число n получается равным или меньшим единицы, то следует остановиться на выбранном диаметре клапана.
Таблица 2.9
Площади f проходных сечений седел предохранительных клапанов
в зависимости от условного диаметра клапана Ду
| Тип клапана | Ду, мм | f, мм2, при Pу, MПa | ||||
| 1,6 | 4,0 | 6,3 | 10,0 | 16,0 | ||
| CППK4 | ||||||
| 50 | 706,5 | 706,5 | 854,9 | – | 490,6 | |
| 80 | 1256,0 | 1256,0 | – | – | – | |
| 150 | 4069,4 | 4069,4 | – | – | – | |
| 200 | 15828,7 | – | – | – | – | |
| CППK4P | 25 | – | 226,9 | – | – | – |
| 50 | 706,5 | 706,5 | 854,9 | – | 490,6 | |
| 80 | 1256,0 | 1256,0 | – | – | – | |
| 150 | 4069,4 | 4069,4 | – | – | – | |
| 200 | 15826,7 | – | – | – | – | |
| Р 55173, | ||||||
| Р 55174 | 50 | 854,9 | – | – | – | – |
| 80 | 1256,0 | – | – | – | – | |
| 150 | 4415,6 | – | – | – | – | |
| Р 55175, | 50 | – | 854,9 | – | – | – |
| Р 55176 | 80 | – | 1256,0 | – | – | – |
| 150 | 4415,6 | – | – | – | ||
| СППКМ, СППКМР | 25 | – | – | – | 113,0 | – |
Если число n получается больше единицы, то следует принять клапан с большим диаметром или, если это невозможно, установить несколько предохранительных клапанов.
Пример. расчет предохранительного клапана для сепаратора С-901 на случай пожара.
Таблица 2.10
Исходные данные
| Величина | Значение | Обоснование принятого значения |
| 1 | 2 | 3 |
| F - наружная поверхность сосуда, м2 | 32,273 | см. ТУ 3615-006-00220322 |
| tг - температура газовоздушной смеси, омывающей при пожаре наружную поверхность сосуда, ºС | 600,000 | РД 51-0220570-2-93 |
| tк - температура кипения жидкости при давлении полного открытия предохранительного клапана, ºС | 27,400 | по расчетной программе* |
| К - общий коэффициент теплоотдачи от окружающего воздуха через стенку сосуда к жидкости, Вт/м2К | 2,900 | теплоизоляция есть |
Окончание табл. 2.10
| 1 | 2 | 3 |
| ρ1 – плотность газа при параметрах P1 и tк, кг/м3 | 37,146 | по расчетной программе** |
| q - скрытая теплота испарения жидкости при температуре tж, кДж/кг | 320,030 | по расчетной программе*** |
| P1 - максимальное избыточное давление перед предохранительным клапаном, МПа | 4,400 | см. ниже |
| P2 - максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном, МПа | 0,050 | давление в факельной системе |
| k - показатель адиабаты | 1,231 | по расчетной программе**** |
| α1 - коэффициент расхода, соответствующий площади для газообразных сред | 0,600 | см. ниже |
F - наружная поверхность сосуда определяется:
- для емкостей - по ТУ 26-18-35-89 «Аппараты емкостные цилиндрические для газовых и жидких сред»;
- в случае отсутствия данных в ТУ 26-18-35-89, равно как и для сепараторов для расчета, смотри чертеж аппарата.
Площадь поверхности аппарата - по формуле F = π · D · L + 2π · (D2/4 + h2.).
Размеры аппарата, мм: D = 2000; L = 3800; h = 580; F = 32,27 м2.
Рис. 2.2. Чертеж сепаратора С-901
* tк - температура кипения жидкости при давлении полного открытия предохранительного клапана определяется по справочнику [10.11], для максимального избыточного давления перед предохранительным клапаном, Р1; К - общий коэффициент теплоотдачи от окружающего воздуха через стенку сосуда к жидкости.Для неизолированных - 23,2 Вт/м2·К, согласно РД 51-0220570-2-93;
** ρ1 - плотность газа при параметрах P1 и tк, кг/м3, определяется по справочнику [10.11] ;
*** q - скрытая теплота испарения (парообразования) жидкости при параметрах P1 и tк, определяется по справочнику [10] , для вещества данного состава при параметрах P1 и tк.
P1 - максимальное избыточное давление перед предохранительным клапаном,принимается равным давлению полного открытия клапана; P2 - максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном - как правило,принимается равным давлению в факельной системе;
**** k - показатель адиабаты, определяется по РМ 01-3-01-1-94, справочнику [10] ,.
α1 - коэффициент расхода предохранительного клапана, принимается согласно РД 51-0220570-2-93 «Клапаны предохранительные. Выбор, установка, расчет».
Определяем максимальное количество выбросов через предохранительный клапан:
, G = 602,835 кг/час
B - коэффициент, учитывающий физико-химические свойства газов при рабочих параметрах, определяемый по формулам:
, при 
,
при 
;
β - отношение абсолютных давлений до и после клапана; βкр - критическое отношение давлений:
, 
;
, 
.
Таким образом, B = 0,7358. Площадь проходного сечения предохранительного клапана:
,
где α1 - коэффициент расхода для ППК.
При α1 = 0,6имеем F = 33,421 мм2; dс - диаметр проточной части седла:
При окончательном выборе клапана (табл.2.11), необходимо руководствоваться следующими критериями:
- выбирая диаметр проточной части седла dс, принимаем ближайшее наибольшее стандартизированное значение, (> dс);
Таблица 2.11
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 113; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!