Количество горючих паров, выходящих из сообщающихся с атмосферой аппаратов при их заполнении жидкостью

Определить площадь сечения предохранительного клапана, который устанавливается на ректификационной колонне. Через клапан стравливаются пары бензола. Рабочее давление в колонне Р_р = 0,21 МПа, рабочая температура t_р = 95 ⁰С, производительность колонны по пару G = 600 кг/ч. Стравливание происходит в атмосферу через стояк длиной 0,5 м. Коэффициент расхода среды через клапан  = 0,8.

Решение:

1. Принимаем избыточное давление срабатывания предохранительного клапана по известному избыточному рабочему давлению в аппарате по следующей таблице [1]:

Рабочее (избыточное) давление	Давление срабатывания (избыточное)
Менее 0,3 0,3≤<6 6 и более	+0,05 1,15 1,1

Здесь  и ;

 – рабочее (абсолютное) давление в аппарате, ;

 – абсолютное давление срабатывания клапана, .

Тогда:

МПа ˂ 0,3 МПа.

Соответственно:

МПа;

МПа – абсолютное давление срабатывания клапана.

2. Находим молекулярную массу бензола в аппарате по табл. 1. Приложения [1]:

кг/кмоль.

3. Определяем плотность среды в аппарате при давлении срабатывания предохранительного клапана и рабочей температуре:

кг/м³, где  – плотность парогазовой среды в аппарате, кг/м³;

 – рабочая температура среды в аппарате, ⁰С;

 – абсолютное давление срабатывания клапана, МПа.

4. Принимаем

Р_вх = Р_с, где Р_вх – давление на выходе в отводящий трубопровод, МПа;

Р_с – абсолютное давление среды в закрытой системе, куда производится сбрасывание парогазовой среды, МПа.

5. Определяем отношение:

/, где = – избыточное давление в отводящем трубопроводе, МПа.

6. По табл. 5. приложения [1] находим показатель адиабаты  среды, выходящей через предохранительный клапан из аппарата:  ;

по табл. 4.1. учебника [3] находят коэффициент:

 – .

7. Определяем площадь проходного сечения предохранительного клапана:

см², где  – площадь проходного сечения клапана, м²;

 – максимальной производительности аппарата по парогазовой среде, кг/с;

 – коэффициент расхода среды через клапан.

Ответ: см².

Задача 212.

Определить требуемую площадь мембранного взрывного предохранительного клапана и оценить толщину мембраны для аппарата с ЛВЖ, в паровоздушном (газовом) пространстве которого (при определенных условиях эксплуатации) образуются взрывоопасные концентрации.

Исходные данные:

-  вид ЛВЖ – Толуол;

-  объем газового пространства аппарата V_г = 5 м³;

-  рабочее давление в аппарате Р_р = 0,15 МПа;

-  температура горючей смеси t_см = 30 ^оС;

-  материал мембран – медь;

-  температура окружающей среды t_ср = 20 ^оС;

-  стравливание производится в атмосферу.

Решение:

Определяем давление взрыва, исходя из условия полного сгорания газовоздушной смеси стехиометрического состава:

C₆H₅CH₃ + 9О₂ + 9 ^. 3,76 N₂ = 7СО₂ + 4Н₂О + 9 ^. 3,76 N₂

Объем газообразных продуктов сгорания, образующихся при взрыве 1м³ горючей смеси определяем по формуле:

 

где

Sm_i, Sn_i – соответственно количество молей продуктов сгорания и исходной горючей смеси, определяем из уравнения реакции горения;

Sn_i = 1 + 9 ^. 3,76 = 34,84 моля;

Sm_i = 7 + 4 + 9 ^. 3,76 = 44,84 моля;

Р_р = 0,15 ^. 10⁶ Па – рабочее давление в аппарате, по условию;

Р_c = 101325 Па – атмосферное давление (давление среды);

Т_см = 30^оС = 303 К – температура смеси, по условию;

Т_взр – температура взрыва, К.

Определяем содержание компонентов в исходной смеси:

j_С6Н5СН3 = n_г / Sn_i = 1 / 34,84 = 0,029;

j_О2 = n_О2 / Sn_i = 9 / 34,84 = 0,258;

j_N2 = n_N2 / Sn_i = 9 ^. 3,76 / 34,84 = 0,971;

Определяем теплоту сгорания исходной смеси при температуре окружающей среды:

Q_293,сгор = jг Q_г + Sj_i С_i Т_р   кДж/кмоль, где

Q_г = 3771,9 кДж/моль – теплота сгорания толуола, определенная по таблице 25 [1];

С_i – теплоемкость компонентов смеси, кДж/(кмоль ^. К):

С_О2 = 29,38 кДж/(кмоль ^. К);

С_N2 = 29,14 кДж/(кмоль ^. К);

С_С6Н5СН3 = 103,83 кДж/(кмоль ^. К) – соответственно теплоемкости кислорода, азота и горючего вещества при температуре окружающей среды.

Тогда:

Q_293,сгор = 0,029 ^. 3771,9 ^. 10³ + 0,029 ^. 103,83 ^. 303 + 0,258 ^. 29,38 ^. 303 + 0,971 ^. 29,14 ^. 303 = 121167,6 кДж/кмоль.

Определяем состав продуктов сгорания:

j_СО2 = m_СО2 / Sm_i = 7 / 44,84 = 0,156;

j_Н2О = m_Н2О / Sm_i = 4 / 44,84 = 0,089;

j_N2 = m_N2 / Sm_i = 9 ^. 3,76 / 44,84 = 0,755.

Определяем внутреннюю энергию продуктов сгорания при температуре Т_взр = 2000 К по формуле:

Q_пг = Sj_i С_i Т_взр,   кДж/кмоль, где

С_i - теплоемкости продуктов сгорания при температуре взрыва:

С_СО2 = 60,71 кДж/(кмоль ^. К);

С_Н2О = 50,28 кДж/(кмоль ^. К);

С_N2 = 36,01 кДж/(кмоль ^. К).

Тогда:

Q_пг = (0,156 ^. 60,71 + 0,089 ^. 50,28 + 0,755 ^. 36,01) ^. 2000 = 82266,46 кДж/кмоль;

Определяем внутреннюю энергию продуктов сгорания при температуре Т_взр = 2500К:

С_СО2 = 61,96 кДж/(кмоль ^. К);

С_Н2О = 52,58 кДж/(кмоль ^. К);

С_N2 = 36,67 кДж/(кмоль ^. К).

Тогда:

Q_пг = (0,156 ^. 61,96 + 0,089 ^. 52,58 + 0,755 ^. 36,67) ^. 2500 = 105078,07 кДж/кмоль.

Температуру взрыва находим методом линейной интерполяции между двумя значениями в 2000К и 2500К:

 

Тогда объем газообразных продуктов сгорания, образующихся при взрыве 1м³ горючей смеси:

 

Принимаем максимально допустимое давление в аппарате Р, при котором должна сработать (разрушиться) мембрана, по таблице приведенной в задачнике [1] стр. 98.

При рабочем давлении Р_бар < Р_р < 0,17 принимаем Р = Р_р + 0,03 = 0,15 + 0,03 = 0,18 МПа.

Определяем величину избыточного количества продуктов горения (взрыва) которое необходимо отвести из 1м³ свободного объема аппарата:

_DV_t = V_пг - (Р / Р_р) = 14,97 - 0,18 / 0,15 = 13,77 м³/м³.

Определяем время достижения максимального давления взрыва, как для сосуда небольших размеров:

с, где t₀ = 0,09 с.

Далее для определения скорости истечения перегретых газов через отверстие определим значение критического давления по формуле:

, где  – показатель адиабаты (табл. 5 приложения [1]).

МПа.

Определяем универсальную газовую постоянную:

, где М = Sj_i М_i = 0,156 ^. 44,01 + 0,089 ^. 18,02 +  0,755 ^. 28,02 = 29,62 – мольная масса продуктов сгорания.

Определяем скорость истечения водорода через отверстие. Так как , где  – давление среды, в которую происходит истечение газов, Па, по условию МПа, то:

м/с, где t_р = 30 ⁰С – по условию.

Определяем удельную рабочую площадь мембранного устройства, отнесенную