3. Протипожежні заходи процесів ректифікації. Розрахунок приросту тиску в ректифікаційній колонні при порушенні теплообміну

Вибір завдання для виконання.

Задача 5.1

Знайти кінцевий тиск у верхній частині ректифікаційної колони, якщо протягом деякого часу буде припинено постачання води на холодильник, де відбувається конденсація парів ректифікату. Колона призначена для поділу суміші етиловий спирт-вода. Ступінь неповноти конденсації α=7%; вільний об'єм колони V_в=65 м³, температура верху колони Т_р=360 ⁰С. Тиск у колоні Р_р=0,16 МПа, продуктивність колони по парі G_п=8 кг/с, тривалість порушення нормального режиму конденсації τ=40 хвилин.

Таблиця 5.1 - Показники для розв'язання завдання 5.1

№ варіанту	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Вільний об'єм колони Vв	80	70	100	90	120	110	115	75	96	125
Температура верху колони Тр, °С	340	370	350	290	390	380	360	330	320	315

Приклад виконання завдання 5.1

1. Знаходимо густину парів етилового спирту за умовами ведення процесу конденсації, яку визначаємо за формулою (1.9, 1.10):

2. Визначаємо приріст тиску в колоні за формулою:

(5.1)

3. Кінцевий тиск у верхній частині колони дорівнює:

Висновок: Таким чином в результаті припинення постачання води на холодильник, де відбувається процес конденсації парів етилового спирту, у верхній частині РК підвищується тиск до 0,99 МПа, що може викликати пошкодження апарату.

3. Пожежна безпека гідравлічних процесів. Протипожежний захист резервуарів з нафтопродуктами. Розрахунок запобіжного клапану.

Вибір завдання для виконання.

Виконати перевірочний розрахунок запобіжного клапана, який встановлено на ресивері стисненого горючого газу. Вид горючого газу в ресивері і його робочу температуру прийняти за табл. 6.1. Робочий тиск у апараті та інші дані для розрахунку наведені в табл. 6.2. Тип встановленого запобіжного клапана – запобіжний спеціальний повнопідйомний пружинний фланцевий (СППК-4). Вибір варіанту за таблицями 6.1, 6.2 може бути виконано по останнім двом цифрам залікової книжки. В таблиці 6.1 вибір варіанту виконується по передостанній цифрі залікової книжки. В таблиці 6.2 вибір варіанту виконується по останній цифрі залікової книжки.

Дані, що необхідно отримати за результатами розрахунку запобіжного клапана (технічна характеристика):

• середовище у апараті;

• робочий (абсолютний) тиск;

• робоча температура;

• тиск (абсолютний) спрацьовування клапана;

• тиск (абсолютний) у закритій системі;

• тип запобіжного клапана: СППК-4;

• пропускна спроможність клапана;

• площа прохідного перерізу клапана;

• діаметр відвідного трубопроводу;

• коефіцієнт опору системи;

• падіння тиску у відвідному трубопроводі.

Таблиця 6.1 – Вид горючого газу та його робоча температура

№ варіанта		1	2		3	4		5	6		7	8		9	0
Горючий газ	Аміак			Метан			Етан			Етилен			Водень
Робоча температура газу, оС		20	80		10	20		15	60		80	20		15	80

Таблиця 6.2 – Дані для проведення розрахунків задачі

№ варіанта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Робочий (абсолютний) тиск, МПа	0,8	0,4	1,0	0,5	2,4	1,3	1,4	0,7	3,5	2,1
Робоча температура, оС	20	80	10	20	15	60	80	20	15	80
Коефіцієнт витрати середовища через клапан	0,15	0,16	0,15	0,16	0,17	0,15	0,16	0,15	0,17	0,16
Діаметр сопла клапана, мм	40	30	50	30	72	40	72	40	72	50
Довжина відвідного трубопроводу, м	200	100	250	150	300	200	150	200	200	300
Кількість поворотів на відвіднім трубопроводі	4	8	5	12	6	9	3	7	5	8
Тиск (абсолютний) в замкненій системі, МПа	0,12	0,13	0,14	0,15	0,14	0,11	0,12	0,13	0,15	0,14
Найбільший приток газу в ресивер під час аварії, кг/год	350	250	500	300	1600	1500	1500	400	2100	1500

Приклад виконання завдання 6.1

Розглянемо розрахунок запобіжного клапану СППК-4 на ресивері стисненого горючого газу (етилен) з наступними параметрами:

• робочий тиск в апараті: Р_р=0,5 МПа;

• робоча температура: t_р=21^оС;

• продуктивність апарата по пару: G=370 кг/год;

• викидання парогазового середовища у разі спрацьовування запобіжних клапанів здійснюється у спеціальну закриту систему, в якій тиск дорівнює 0,14 МПа;

• коефіцієнт витрати середовища через клапан: j=0,16;

• діаметр сопла клапана: 30 мм;

• довжина відвідного трубопроводу: L=170 м;

• на трубопроводі є 11 колін з кутом повороту 90°.

1. Приймаємо надлишковий тиск спрацьовування запобіжного клапана по відомому надлишковому робочому тиску в апараті за табл. 6.3.

Таблиця 6.3 – Тиск спрацьовування запобіжного клапана

Робочий (надлишковий) тиск, Рр.н,	Тиск спрацьовування (надлишковий) Рсп.н, МПа
Менше 0,3 0,3 Рр.н << 6 6 і більше	Рр.н + 0,05 1,15 Рр.н 1,1 Рр.н

Тут Р_р.н =Р_р – 0,1 МПа та Р_сп.н =Р_сп – 0, 1 МПа;

Р_р – робочий (абсолютний) тиск в апараті, МПа;

Р_сп – абсолютний тиск спрацьовування клапана, МПа.

Згідно таблиці 6.3: Р_сп.н = 1,15(0,5 МПа – 0,1 МПа) = 0,46 МПа.

З цієї формули виражають значення надлишкового тиску спрацювання безпосередньо, яка в нашому випадку становить Р_сп.=0,56 МПа.

2. Молекулярна маса етилену становить 28,05.

3. Визначаємо густину середовища в апараті за тиском спрацьовування запобіжного клапана та робочою температурою за формулою

^{кг/м3, (6.1)}

де – густина парогазового середовища в апараті, кг/м³;

t_p – робоча температура середовища в апараті, °С;

Р_сп – абсолютний тиск спрацьовування клапана, МПа.

4. Приймаємо тиск на вході у відвідний трубопровід Р_вх (на виході із відвідного патрубка запобіжного клапана):

^,

де Р_с – абсолютний тиск середовища у закритій системі, куди здійснюється скидання парогазового середовища, МПа.

5. Визначають відношення

. (6.2)

Тут – надлишковий тиск середовища у відвідному трубопроводі, МПа.

6. За табл. 6 додатку 1 знаходимо показник адіабати середовища, що виходить через запобіжний клапан з апарата. В нашому випадку k=1,26.

Виходячи із значень коефіцієнта адіабати та співвідношення вхідного тиску та тиску спрацювання (надлишкових), з таблиці 7 додатку 1 знаходимо значення коефіцієнта В.

(6.3)

7. Визначаємо необхідну площу прохідного перерізу запобіжного клапана при максимальній продуктивності апарата за парогазовим середовищем (або притоку в апарат середовища) під час аварійної ситуації

(6.4)

де F – площа прохідного перерізу клапана, м²;

G – максимальна продуктивність апарата за парогазовим середовищем, кг/с;

j – коефіцієнт витрати середовища через клапан.

8. Визначимо за формулою фактичну площу прохідного перерізу F_k запобіжного клапана, встановленого в апараті

м², (6.5)

де d_c – діаметр сопла запобіжного клапана, м. Числові значення діаметрів сопел та відповідні їм внутрішні діаметри відвідних патрубків наведені в таблиці 6.4.

Таблиця 6.4 – Числові значення діаметрів

Діаметр сопла, м	0,012	0,03	0,04	0,05	0,072
Діаметр відповідного патрубка, м	0,032	0,08	0,1	0,125	0,2

Порівнюють знайдену площу прохідного перерізу F з фактичною площею прохідного перерізу запобіжного клапана.

Якщо , то необхідно встановити запобіжний клапан більшої пропускної спроможності (з більшим діаметром сопла і відповідно з більшою площею прохідного перерізу клапана , які підбираються з наведеної вище таблиці; при необхідності пропонують влаштування двох і більше клапанів).

Якщо , то розрахунки продовжують, починаючи з п. 9.

В нашому випадку нерівність виконується, тому продовжуємо розрахунок.

9. Визначаємо площу перерізу відвідного трубопроводу

м², (6.6)

де – внутрішній діаметр відвідного трубопроводу (діаметр відвідного трубопроводу повинен бути не меншим за діаметр відвідного патрубка запобіжного клапана), м.

10. Визначаємо густину середовища на виході з відвідного трубопроводу (у закритій системі)

^(6.7)

11. Визначаємо критичну швидкість витікання парогазового середовища

^(6.8)

12. Визначаємо швидкісний коефіцієнт на виході з відвідного трубопроводу

^(6.9)

13. Визначаємо кількість та вид місцевих опорів на відвідному трубопроводі. За таблицею 8 додатку 1 знаходимо значення коефіцієнтів місцевих опорів.

14. Знаходимо сумарний коефіцієнт місцевих опорів

(6.10)

де – кількість місцевих опорів одного виду;

– числове значення і-го коефіцієнта;

n – число видів опорів (у нашому випадку дорівнює одиниці).

15. Визначаємо коефіцієнт опору тертя лінійних частин трубопроводу

(6.11)

16. Розрахуємо коефіцієнт опору системи

(6.12)

де – довжина лінійної ділянки відвідного трубопроводу, м.

17. Визначаємо параметр

(6.13)

18. Знаходимо значення швидкісного коефіцієнта на вході парогазового середовища у відвідний трубопровід за графіком на рис.6.1

Рисунок 6.1

19. Визначаємо швидкість парогазового середовища на виході із запобіжного клапана

(6.14)

20. Розраховуємо падіння тиску у відвідному трубопроводі

^(6.15)

21. Визначаємо уточнене значення тиску на вході у відвідний трубопровід

22. Порівняємо уточнене значення тиску на вході у відвідний трубопровід з прийнятим раніше значенням .

Нерівність хибна. Пропускну спроможність клапана перераховуємо, прийнявши (розрахунки повторюють, починаючи з п. 4).

4^/. Приймаємо тиск на вході у відвідний трубопровід (на виході із відвідного патрубка запобіжного клапана):

де – абсолютний тиск середовища у закритій системі, куди здійснюється скидання парогазового середовища, МПа.

5^/. Визначають відношення

6^/. За табл. 7 додатку 1 знаходимо нове значення коефіцієнту В=0,494.

7^/. Визначаємо необхідну площу прохідного перерізу запобіжного клапана при максимальній продуктивності апарата за парогазовим середовищем (або притоку в апарат середовища) під час аварійної ситуації

8^/. Визначимо за формулою фактичну площу прохідного перерізу F_k запобіжного клапана, встановленого в апараті

Виконується нерівність F< F_k. Розрахунки продовжуємо.

9^/. Площа перерізу відвідного трубопроводу не змінюється

10^/. Визначаємо густину середовища на виході з відвідного трубопроводу (у закритій системі)

11^/. Швидкість витікання парогазового середовища не змінюється

12^/. Визначаємо швидкісний коефіцієнт на виході з відвідного трубопроводу

Розрахунки п. 13-17 виконувати нема потреби.

18^/. Знаходимо значення швидкісного коефіцієнта на вході парогазового середовища у відвідний трубопровід за графіком на рис.6.1

19^/. Визначаємо швидкість парогазового середовища на виході із запобіжного клапана

20^/. Розраховуємо падіння тиску у відвідному трубопроводі

21^/. Визначаємо уточнене значення тиску на вході у відвідний трубопровід

22^/. Порівняємо уточнене значення тиску на вході у відвідний трубопровід P^/_вх з прийнятим раніше значенням Р_вх.

Нерівність вірна. Продовжуємо розрахунки.

23. Уточнюємо значення коефіцієнта В за табл. 7 додатку 1

24. Перевіряємо пропускну спроможність запобіжного клапана

, (6.16)

де G_к – максимальна пропускна спроможність запобіжного клапана, кг/с.

25. Порівняємо знайдене значення пропускної спроможності клапана G_к з максимальною продуктивністю апарата за парогазовим середовищем під час аварійної ситуації G_max=0,103 кг/с.

Якщо G_k ³і G_max розрахунки закінчують. Якщо G_k < G_max необхідно:

1) встановити запобіжний клапан з більшим діаметром сопла і відповідно з більшим діаметром відвідного патрубка та трубопроводу d_від і повторити розрахунки, починаючи з п.8;

2) зменшити гідравлічний опір відвідного трубопроводу (зменшити його довжину, збільшити діаметр або зменшити кількість місцевих опорів). У цьому випадку розрахунки повторюють, починаючи з п.13.

У нашому випадку пропускна спроможність клапана достатня.

26. Результати перевірочного розрахунку запобіжного клапана (технічна характеристика):

• середовище у апараті: пари етилену;

• робочий (абсолютний) тиск: 0,5 МПа;

• робоча температура: 21°С;

• тиск (абсолютний) спрацьовування клапана: 0,56 МПа;

• тиск (абсолютний) у закритій системі: 0,14 МПа;

• тип запобіжного клапана: СППК-4;

• пропускна спроможність клапана: 0,29 кг/с;

• площа прохідного перерізу клапана 0,000225, м²;

• діаметр відвідного трубопроводу 0,08 м;

• коефіцієнт опору системи 64,84;

• падіння тиску у відвідному трубопроводі 0,01 МПа.