де m - маса замикає органу з приєднаними деталями, кг приймається 5 ÷ 7% від ваги клапана; H max - максимальний хід замикаючого органу, становить від 0,5 до 3 см; F - площа прохідного перетину клапана, см 2; R c - сумарна сила опору руху замикає органу, кгс.
Для практичних розрахунків приймають
(P 1 - p 2) F - R c = 1 4 ÷ 1 8 (p 1 - p 2) F.
причому менше значення відноситься до клапанів, для яких характерні під-
шення сили опору, наприклад в клапанах з Золотниками.
Чим менше час спрацьовування, тим ефективніше працює клапан. Як правило, воно повинно бути не більше 0,9 секунди.
Розрахунок запобіжного клапана на герметичність
Проблема герметичності запобіжних клапанів є найбільш гострою при їх експлуатації. Для забезпечення герметичності клапана його замикає орган необхідно притиснути до сідла силою W. причому
де F з - площа поверхні контакту замикаючого органу з сідлом, см 2; g герм - питомий тиск на поверхню кгс / см 2 сідла, яке гарантуватиме герметичність.
У таблиці 6. представлені формули для визначення g герм. при тиску на вході
в запобіжний клапан до р 1 ≤ 800 кгс / см 2 в залежності від ширини B 0 ущільнюючої поверхні в місці контакту сідла і клапана, і матеріалу.
Приклад вибору і розрахунку запобіжного клапана
У ректифікаційної колоні знаходиться бензинова фракція при надмірному тиску р раб. рівне 800 кПа і температура + 80 о С. Продуктивність колони Q p - 600 кг / год. Так як бензин є токсичним і вибухонебезпечним продуктом, то необхідно встановлювати два клапана - робочий і контрольний, а лінія скидання закрита.
Максимально допустимий тиск в колоні має бути
р 1 = р раб + 0,15 р раб.
р 1 = 800 + 800 0,15 = 920 кПа
Тиск після клапана - атмосферний. Щільність бензину при + 80 ° С ς 80 = 0,74 кг / м 3.
Надмірна кількість бензину, необхідне для спрацювання клапана состав-
ляє: 0,07 · 600 = 42 кг / год.
З формули (2) знаходимо
тому клапана необхідно вибрати два, то площа пропускного отвору кожного не менше 17,2 см 2.
По таблиці додатка А вибираємо тип клапана СППК4-16-100. Визначимо час спрацьовування клапана за формулою (8)
що говорить про ефективність клапана.
Герметичність визначаємо з умови, що матеріал сідла і золотника - сталь
Необхідне зусилля притиснення до сідла визначимо за формулою (9), де F з дорівнюватиме
(6,2 2 - 4,8 2) = 12,01см 2;
Порядок розрахунку ПК наступний:
1) визначити характер і величину аварійного витрати (G);
2) визначити допустиме перевищення тиску в апараті при роботі ПК;
3) визначити характеристику середовища перед і за ПК;
4) розрахувати площа прохідного перетину клапана F за формулами (2) і (3) і визначити діаметр прохідного перетину;
5) вибрати тип (марку) ПК (таблиця 1, або додатки А, В);
6) вибрати ПК за каталогом так, щоб Д у клапана дорівнювало або перевищувало розрахункове значення діаметра прохідного перетину.
7) визначити час спрацьовування і необхідне зусилля притиснення до сідла клапана.
У разі необхідності визначення пропускної здатності ПК відомого діаметра визначається значення G за формулами (2) або (3) і порівнюється результат з
аварійним припливом G a. ПК придатний для заданих умов роботи, якщо G ≥ G a.
При визначенні величини прохідного перетину клапана слід мати на увазі, що якщо F обраний малим, клапан не забезпечить необхідного зниження тиску. Якщо клапан вибрати занадто великим F. то він буде працювати нестабільно, тому що скидання надмірно великого обсягу робочого середовища викличе швидке падіння тиску, клапан закриється, після чого тиск знову буде наростати, клапан відкриється, і ці цикли триватимуть - виникає пульсаційний режим роботи.
3.3. Вимоги до установки і експлуатації запобіжних клапанів
Для захисту апаратів від перевищення тиску Ростехнадзором дозволяється встановлювати ПК, що мають паспорта (сертифікати) та інструкцію з експлуатації.
ПК слід встановлювати безпосередньо на штуцері захищається апарату у вертикальному положенні: в вертикальних апаратах - на верхній кришці, а на горизонтальних - на верхній твірної циліндра. Діаметр штуцера, до якого приєднують ПК, повинен бути не менше діаметра приймального патрубка клапана, між апаратом і ПК не повинно бути запірної арматури. ПК закритого типу можна встановлювати в будь-якому місці технологічних цехів і установок, клапан відкритого типу - тільки поза приміщеннями (за винятком клапанів для водяної пари і повітря).
Технологічне середовище, що скидається через ПК, повинна відводитися в безпечне місце або в захисні системи на уловлювання або на спалювання в факелі (вуглеводневі продукти).
При скидах середовища в атмосферу через ПК застосовують коротку вертикальну трубу, верхній обріз якої повинен бути не менше ніж на 3 м вище найвищої робочої площадки зовнішньої установки, розташованої в радіусі 15 м від вихлопної труби. Переважно мати окрему трубу для кожного ПК.
Нові та відремонтовані запобіжні клапани перед монтажем регулюють на спеціальному стенді на установче тиск (тиск спрацювання), а їх затвори і роз'ємні з'єднання перевіряють на герметичність. Допустиме відхилення від тиску спрацьовування правильно відрегульованого повнопідйомний кла-
пана ± 0,5%. Різниця між тисками спрацьовування і закриття клапана 3-5%. При перевірці на герметичність в клапан з боку вихідного патрубка наливають воду так, щоб її рівень був вищий ущільнювальної поверхні запірного органу. Потім під золотник клапана подають повітря під тиском, яке на 5% менше тиску його спрацьовування. Відсутність повітряних бульбашок свідчить про герметичності запірного органу.
Для підвищення надійності роботи ПК піддають періодичної ревізії (розбирання, дефектації, чистка, збірка, настройка на тиск спрацьовування, перевірка на герметичність, випробування). На апаратах з нейтральними середовищами при температурі
нижче 250 ° С ревізію ПК проводять не рідше одного разу на рік; на апаратах з агресивними забрудненнями і полімеризується середовищами, зрідженими газами, а також на
апаратах з температурою процесу більш 250 ° С - не рідше ніж один раз на 3 місяці.
На апаратах безперервних процесів допускається встановлювати робочий і резервний ПК. Робочий і резервний клапани повинні встановлюватися на окремих приєднувальних патрубках, мати однакову пропускну здатність і забезпечувати окремо повний захист апарату від перевищення тиску.
Для зменшення випадків викиду через робочі ПК в атмосферу апарати, що містять вибухонебезпечні газу і речовини, віднесені до I та II класів небезпеки по ГОСТ 12.1.007-75, повинні мати дві системи ПК: робочу - зі скиданням в атмосферу; контрольну - зі скиданням у закриту систему (на уловлювання або спалювання). Тиск початку відкриття контрольних ПК має бути менше тиску початку відкриття робочих клапанів і не повинно перевищувати розрахункове тиск в апараті. Робочі і контрольні ПК окремо повинні забезпечувати повний захист апарату від перевищення тиску.
Якщо джерелом підвищення тиску є швидко відключається агрегат (компресор, насос, нагрівальний елемент), допускається замість контрольних клапанів застосовувати захисне блокування, що відключає джерела тиску при досягненні параметрів, що відповідають початку відкриття контрольних ПК. Блокування не може бути використана в разі, якщо джерелом підвищення тиску є некерована хімічна реакція.
При застосуванні запобіжних клапанів слід мати на увазі, що вони не забезпечують хорошу герметичність обладнання, яке підлягає після декількох спрацьовувань; не придатні для захисту апаратів, що містять середовища, схильні до осадження, полімеризації, кристалізації; їм властива деяка інерційність. З огляду на перераховані вище недоліки, в ряді випадків замість запобіжних клапанів використовуються запобіжні мембрани.
3.4. Запобіжні мембрани.
Типи мембран, вимоги до їх матеріалами
Запобіжні мембрани являють собою спеціально ослаблені пристрої з точно розрахованим порогом руйнування по тиску.
У порівнянні з запобіжними клапанами мембрани мають наступні переваги: забезпечують герметичне закриття скидного отвори (до спрацьовування мембрани); можуть застосовуватися для захисту обладнання, що містить висококоррозійние, кристалізується середовища; менш інерційні; дешеві та прості у виготовленні.
Недоліки запобіжних мембран: однократность застосування; порівняно велика допускається різниця між тиском спрацьовування і робочим тиском, що вимагає підвищеної запасу міцності, що захищається.
Застосування мембран замість запобіжних клапанів (або спільно з ними) дозволяє значно підвищити ступінь герметичності обладнання, що в умовах хімічної промисловості означає зменшення втрат цінних продуктів і зниження загазованості виробничих приміщень і навколишньої атмосфери.
На сучасних хімічних підприємствах застосовуються мембрани діаметром від 2 до 1300 мм на руйнівний тиск від 0,002 до 215 МПа в діапазоні робочих
температур від -183 до +1500 ° С.
Залежно від характеру руйнування мембрани поділяють на такі типи:
1) розривні (рис. 3, а). Мембрани 1 виготовляють з тонколистового прокату і встановлюють у фланцевих з'єднаннях за допомогою спеціальних затискних кілець 2. 3. Їх виконують суцільними, з прорізами і з герметизуючої підкладкою у вигляді плівки з корозійно-стійкого матеріалу або з вакуумної підкладкою;
2) ляскаючі (рис. 3, б). Мембрани 1 мають форму сферичного купола, випук-
гавкоту сторона якого звернена до зони підвищеного тиску. При спрацьовуванні купол вивертається в зворотну сторону, вдаряється об хрестоподібний ніж 2 і руйнується. Використовують для низьких тисків. Виготовляють з пластичного матеріалу;
3) ламаються (рис. 3, в). Мембрани виготовляють з крихких матеріалів (чавуну, графіту). Ці ПМ найменш інерційні, оскільки їх спрацьовування не передує пластична деформація;
4) зрізають (рис. 3, а). Мембрани 1 при спрацьовуванні зрізаються по кромці при-
режимних кільця 2; виготовляються з м'яких матеріалів. Щоб уникнути деформацій прогину мембрана має потовщення по всій робочій частині. Недоліком є великий розкид тиску спрацьовування;
Мал. 3. Запобіжні мембрани: а - розривні;
б - г-ляскаючі; в - ламаються; г - зрізані;
д - відривні; е - спеціальні
5) відривні (рис. 3, д). Мембрани мають форму ковпачків з ослабленим перетином у вигляді канавки або проточки;
6) спеціальні. Мембрани виконуються з розривними стрижнями або болтами, з пружинним механізмом, а також скляними з ударним механізмом (рис. 3, е) і ін. Розробляють для умов, що не дозволяють використовувати типові конструкції ПМ.
Матеріали запобіжних мембран повинні мати наступні ос-
а) мати стабільні механічні властивості при робочій температурі. Максимальне відхилення межі міцності на розрив не повинно перевищувати + 5% від середньої величини;
б) бути корозійностійким в технологічному середовищі, що міститься в аппа-
в) структура матеріалу і його механічні властивості не повинні змінюватися в процесі експлуатації мембрани;
г) допуск на товщину прокату (фольги, стрічки), що застосовується для виготовлення мембран, повинен бути мінімальним.
Застосування різних матеріалів для виготовлення мембран обмежується максимально допустимої робочою температурою в місці їх установки. При більш високих температурах можливі помилкові спрацьовування мембран при робочому тиску внаслідок значної повзучості матеріалу. Деякі характеристики матеріалів, що йдуть на виготовлення промислових мембран, представлені в табл. 7 [1, 5].
Характеристики матеріалів промислових мембран
Величина р з D - твір тиску спрацьовування р з на робочий діаметр мембрани D - є основним критерієм для визначення можливості виготовлення мембрани з даного матеріалу.
3.5. Розрахунок запобіжних мембран
Розрахунок запобіжних мембран полягає у визначенні сумарної площі прохідного перетину скидних отворів і товщину мембрани з умови її руйнування при заданому тиску.
У додатку Г наведені типорозміри і діапазон тисків руйнування для
мембран конструкції ВНІПІнефть [1]
Заданий тиск або тиск настройки p н приймається на 25% більше робочого, тобто