Вопрос 2. Расчет мембранных клапанов для защиты аппаратов от разрушения при взрыве.

При расчете взрывных клапанов находят общую площадь клапанов, их количество, диаметр и толщину мембраны.

Сначала определяют удельную площадь f предохранительного клапана, т. е. площадь, приходящуюся на единицу объема защищаемого аппарата или системы аппаратов.

Давление при взрыве в аппарате не будет выше установленного, если пропускная способность клапана будет больше иль равна количеству избыточных газообразных продуктов, образующихся при взрыве в единицу времени.

Количество избыточных газов, образующихся при взрыве смеси. Объем газообразные продуктов, получающихся при взрыве 1 м³ смеси в аппарате, находят исходя из химической реакции горения веществ. При этом следует учитывать начальное давление в аппарате.

Для стехиометрической концентрации идеальных газов при температуре 0°С и давлении 1 атм изменение объема продуктов горения по сравнению с первоначальным объемом смеси будет соответствовать отношению количества молей m, образовавшихся после реакции, к количеству молей п до реакции.

Так как 1 м³ объема аппарата V_o при рабочем давлении выше атмосферного будет содержать больше взрывоопасной смеси, то следует внести поправку на давление, равную - .

Образовавшиеся в результате взрыва газообразные продукты нагреваются до температуры взрыва. Это также следует учесть введением коэффициента . Таким образом, объем газообразных продуктов V_t (м³) при взрыве смеси, содержащейся в 1 м³ аппарата, будет равен:

Избыточноеколичество продуктов горения ∆Vt, т. е. количество продуктов взрыва, которое необходимо отвести из каждого 1 м³ объема аппарата, будет равно;

где Р_доп — давление, при котором должен сработать мембранный клапан, кГ/см². Его принимают в следующих пределах: для аппаратов, работающих при атмосферном давлении и вакууме

для аппаратов, работающих под положительным давлением

Пропускная способность мембранного предохранительного клапана зависит от его площади и скорости истечения газов через клапан в атмосферу:

где V_кл — объем газов, проходящих через отверстие клапана, м³/сек;

w — скорость истечения газов, м/сек.

Скорость истечения через отверстие предохранительного клапана в условиях адиабатического расширения газов определяют по формулам

или

.

Площадь мембранного предохранительного клапана. Как было сказано выше, пропускная способность клапана должна быть больше или равна количеству избыточных газов, образующихся в единицу времени при взрыве смеси в 1 м³ объема аппарата, т. е.

Следовательно, удельная площадь предохранительного мем­бранного клапана будет равна:

Действительная площадь предохранительного клапана для аппарата:

где V_m — свободный объем защищаемого аппарата, м³.

Количество клапанов и их диаметр. Найденная площадь предохранительного клапана может быть такой, что потребует устройства на аппарате не одного, а нескольких предохранительных клапанов.

Размеры предохранительных клапанов принимают исходя из удобства их размещения и особенностей аппарата. Клапаны диаметром более 1 м обычно не применяются.

Во всех случаях допускается замена одного клапана несколькими, расположенными около защищаемого участка, суммарным сечением не менее площади заменяемого клапана.

Если клапаны принимаются одинакового размера, то

где п — количество предохранительных клапанов;

d — диаметр клапанов м.

Толщина мембраны. Предохранительный клапан выполнит свою роль только в том случае, если будет правильно выбрана толщина мембраны. В некоторых случаях толщина мембраны принимается на основании опытных данных, но она может быть определена и расчетом. Определение толщины мембраны производится из предположения, что ее разрушение происходит в результате разрыва или среза.

Толщину разрывной мембраны можно определить по формуле:

где — толщина мембраны,см;

k — коэффициент, зависящий от материала мембраны. Так, для алюминиевых мембран он равен 0,33—0,38, для медных 0,15—0,18;

Рдоп — давление, при котором мембрана должна сработать,

. атм;

d — диаметр мембраны, см.

Толщину мембраны определяют также по формуле, рекомендуемой энциклопедическим справочником «Машиностроение» и .несколько видоизмененной нами:

где _в — временное сопротивление на растяжение материала в центре мембраны с учетом температурного режима работы, кГ/см²;

Et — модуль упругости материала c учетом температуры, кГ/см².

Толщину мембраны, работающей на срез, можно определить по формуле:

где _в._ср — временное сопротивление материала мембраны на срез с учетом температурного режима работы, кГ/см².

Мембранные клапаны, предохраняющие аппарат от разрушения при взрыве, размещают преимущественно в верхней части аппаратов, концентрируя их у мест наиболее вероятных повреждений. На трубопроводах разрывные мембранные клапаны устанавливают чаще всего на поворотах, тупиках, вблизи от аппаратов и т. п. При размещении клапанов, кроме конструктивных особенностей защищаемого аппарата, учитывают возможность предохранения их от механических повреждений в периоды нормальной эксплуатации аппаратов и от загрязнений пылью и другими отложениями.

Материалы мембран подбирают исходя из химической активности среды в аппарате и характера действующей на мембрану нагрузки. Мембраны наружных клапанов должны быть устойчивыми против атмосферных воз­действий.

Клапаны на аппаратах размещают таким образом, чтобы в момент их срабатывания продукты горения отводились в наиболее безопасную сторону, т. е. в таком направлении, где нет людей, огне- и взрывоопасного оборудования, горючих веществ и сгораемых конструкций. При отсутствии таких возможностей от мембранных клапанов устраивают вертикальные отводные трубы (см. рис.) для выброса продуктов горения за пределы Помещения или же за пределы территории наружных этажерок.

В процессе эксплуатации аппаратов систематически наблюдают за состоянием мембранных клапанов. Сработавшие или поврежденные мембраны сразу же заменяют новыми. Для этого должен быть комплект запасных мембран, соответствующих по материалу и толщине заменяемым мембранам.

Аппарат, у которого сработала мембрана, немедленно останавливают. Пуск аппарата в эксплуатацию производят лишь после полного выяснения и устранения причин, вызвавших разрушение мембраны, и восстановления защитного действия клапана.

Для удобства осмотра клапана и замены мембраны на отводной трубе предусматривают наличие подъемного звена, которое имеет ручки для подъема и крючки для закрепления его в поднятом состоянии. Для текущего осмотра клапана на отводной трубе устраивают смотровой люк.

Вывод по вопросу.

Следовательно, удельную площадь предохранительного клапана можно найти, определив количество избыточных газов, образующихся при взрыве м³ смеси, и пропускную способность клапана.