Вопрос 10
Вопрос 4 Аппараты герметично закрытые, работающие под давлением
Аппараты с неразъемными и разъемными соединениями
При эксплуатации закрытых аппаратов и емкостей, находящихся под давлением, даже при их исправном состоянии всегда происходят небольшие утечки горючих веществ через прокладки, швы, разъемные соединения и другие места. Это объясняется тем, что даже при самой тщательной обработке прилегающих друг к другу поверхностей нельзя создать абсолютную непроницаемость. При соприкосновении двух поверхностей из-за наличия незначительных выпуклостей образуется большое количество капиллярных каналов, по которым будет происходить истечение газов и жидкостей. Количество веществ G, выходящих через капиллярные каналы, определяется по уравнению Пуазейля — Гагена:
(2.43)
где ∆Р — разность давлений, обусловливающая истечение веществ;
μ — вязкость веществ;
l — длина капилляра;
d — диаметр канала капилляра;
γ — удельный вес вещества.
Рекомендуемые материалы
Из приведенный формулы видно, что величина утечки будет зависеть главным образом от режима работы аппарата и состояния уплотнений. Естественно, что подсчет таких потерь весьма затруднителен, так как установить количество капилляров и их размеры почти невозможно.
Для ориентировочного определения утечки паров и газов из работающих под давлением герметичных аппаратов можно воспользоваться формулой Н. Н. Репина. Принимая, что просачивание паров и газов через неплотности подчиняется законам истечения через небольшие отверстия и что истечение происходит адиабатически, Н. Н. Репин предложил следующую формулу [21]:
(2.44)
где G — количество паров и газов, выходящих из аппарата кг/ч;
К — коэффициент, учитывающий степень износа производственного оборудования, принимается в пределах от 1 до 2;
С — коэффициент, зависящий от давления паров или газов в аппарате (значения коэффициента даны в табл. 2.5);
V — внутренний (свободный) объем аппаратов и коммуникаций, находящихся под давлением, м3;
М — молекулярный вес газов или паров, находящихся под давлением в аппаратах;
Tраб — температура паров или газов, находящихся в аппаратах, °К.
Таблица 2.5
Значение коэффициента С
| Рабочее Р, давление ати | Менее 1 | 1 | 6 | 16 | 40 | 160 | 400 | 1000 |
| Величина С . . . | 0,121 | 0,166 | 0,182 | 0,189 | 0,152 | 0,298 | 0,297 | 0,370 |
Пример. Определить количество ацетилена, выходящего через неплотности аппаратов в помещение при допустимых условиях герметизации, если известно что рабочее давление газа в аппарате 1,5 ати, в трубопроводах 1 ати, объем аппаратов 50 м3, суммарный объем трубопроводов 10 м3, температура газа в аппаратах 80°С, в трубопроводах 30°С.
Решение. Определение количества выходящего через неплотности газа или пара производим по формуле (2.44):
По табл. 2.5 определяем значение С: при Р=1,5 ати С = 0.168; при Р=1.0 ати С = 0,166.
Принимаем коэффициент износа аппаратов Ка=1,5 и трубопроводов Кт = 1; молекулярный вес ацетилена М = 26. Тогда утечка газа будет равна:
а) из аппаратов
б) из трубопроводов
Общие потери ацетилена составят:
Утечки из нормально герметизированных аппаратов, работающих под давлением, происходят хотя и непрерывно, но обычно не вызывают реальной пожарной опасности, так как выходящие наружу маленькие струйки газа или пара чаще всего рассредоточены по поверхности аппарата и при наличии воздухообмена сразу же рассеиваются и отводятся от места их выделения. Величину таких потерь учитывают при расчетах приточно-вытяжной вентиляции по предельно допустимой концентрации вредностей.
Нормальная герметичность неразъемных соединений достигается путем сварки, пайки, развальцовки, а также при помощи склеивающих и цементирующих составов. Герметичность разъемных соединений чаще всего достигается путем использования легкодеформируемых прокладочных материалов: фибры, резины, асбеста, паропита, синтетических полимерных материалов (поливинилхлорид, фторопласты и др.), меди и др. Выбор прокладочных материалов производится с учетом величины рабочей температуры, давления, свойств обрабатываемых веществ и. устойчивости при воздействии температуры пожара. Виды фланцевых соединений с уплотняющими прокладками показаны на рис. 2.16. Во фланцевых уплотнениях а и в при недостаточной затяжке болтов внутреннее давление среды разжимает фланцы, удельное давление на прокладку уменьшается и может образоваться значительная утечка. Во избежание этого сила затяжки болтов N должна быть равна или больше силы смятия прокладки, т. е.
(2.45)
Где q — удельное давление смятия прокладки, кГ/см2;
F — площадь прокладки, см2.
Сила затяжки болтов определяется по формуле:
(2.46)
где K— коэффициент затягивания болтов (принимается 1,2-4);
Р — давление в аппарате, кГ/см2.
В соединении б (см. рис. 2.16) внутреннее давление, действуя на крышку аппарата, приводит к увеличению смятия прокладки пропорционально увеличению давления, т. е. к самоуплотнению соединения.
Аппараты с сальниковым уплотнением вращающихся валов
Значительное количество аппаратов, работающих под давлением, имеют движущиеся механизмы (лопасти мешалок, колеса насосов и компрессоров, винты шнеков и т. п.), валы или штоки которых проходят через корпус аппарата с соответствующими сальниковыми уплотнениями.
Уплотнения вращающихся валов и штоков, совершающих возвратно-поступательное движение, должны создавать небольшое трение, быть износоустойчивыми, обладать требуемой герметичностью и возможностью легкой замены.
Создать надлежащую герметичность сальников очень трудно, поэтому при работе аппаратов с наличием сальниковых уплотнений всегда наблюдается утечка паров, газов или жидкости. Так, по данным натурных обследований, средние выделения паров и газов на один насос составили следующие величины (табл. 2.6).
Таблица 2.6
| Перекачиваемые продукты | Какие вещества выходят через сальники | Количество выделений, г /ч |
| Темные нефтепродукты при температуре 100— 350°С Светлые нефтепродукты при температуре до 60°С Сжиженные газы Раствор масла в толуоле Бензол | Тяжелые углеводороды Легкие углеводороды Бутан-бутилен Пары толуола Пары бензола | 500 1000 2500 145 450 |
Количество жидкости, просачивающейся через сальниковые уплотнения, примерно можно определить расчетом по эмпирическим формулам. Так, для поршневых насосов, перекачивающих легкие, холодные нефтепродукты, утечка, по данным ВНИИТБ, будет равна [14]:
(2.47)
где G — количество жидкости, проходящей через сальник штока в г/ч на 1 мм смоченного периметра штока;
А — опытный коэффициент. Для высоколетучих жидкостей при нормальном состоянии сальников принимают А
5,0; для обычных бензинов и керосинов при хорошем состоянии сальников А2,5;
Р — давление, создаваемое насосом, ати.
Утечка через сальники центробежных насосов при перекачке легких жидкостей может быть найдена по формуле:
(2.48)
где G — количество жидкости, выходящей через сальники насоса, кг /ч;
d — диаметр вала насоса, м;
γ — удельный вес жидкости, кг/м3;
К — коэффициент испаряемости жидкости (если нужно определить вес испаряющейся части жидкости);
H— давление рабочее насоса, м вод. ст.
Для уменьшения потерь при перекачке легковоспламеняющихся жидкостей и сжиженных газов рекомендуется применять бессальниковые и мембранные насосы. При использовании сальниковых насосов следует применять насосы с торцовыми уплотнениями или сальниковые уплотнения с противодавлением, а также другие конструкции сальниковых устройств, сводящих до минимума пропуск перекачиваемого продукта. Конструкция двойного торцового уплотнения вала показана на рис. 2.17. В этом случае герметичность уплотнений в радиальном направлении достигается за счет плотного соприкосновения тщательно отшлифованных торцовых поверхностей неподвижной а и вращающейся б втулок.
Герметичность уплотнения вдоль поверхности вала обеспечивается эластичным кольцом в, зажатым между вращающимися втулками б и г и пружиной.
Уплотняющая жидкость охлаждает и смазывает торцы вращающихся и неподвижных втулок, а также помогает пружине создавать необходимое сжатие. Давление жидкости в камере торцового уплотнения обычно на 0,5—1,5 кГ/см2 превышает давление перекачиваемого продукта.
При наличии торцовых уплотнений центробежных насосов величину потерь через сальники следует принимать в размере 40% от указанных в табл. 2.6 величин.
Одинарное торцовое уплотнение по конструкции и принципу работы идентично с двойным торцовым уплотнением, но является как бы половиной его, так как уплотнение трущимися торцами осуществляется только со стороны рабочего колеса насоса.
Для улучшения герметичности сальников с обычными мягкими сальниковыми набивками применяют дополнительное уплотнение специально подаваемой жидкостью, как показано на рис. 2.18. Уплотнение сальников может быть также в виде фторопластовых колец, прижимаемых пружиной, жидкостью или азотом, как показано на рис. 2.19.
При наличии машин и аппаратов с сальниковыми уплотнениями обычного исполнения, в процессе работы которых наблюдается выход наружу значительного количества пожароопасных или ядовитых паров и газов, необходимо непосредственно от сальников устраивать местные отсосы, побудитель которых целесообразно блокировать с пусковыми устройствами машин.
В некоторых случаях вместо обычного сальникового уплотнения применяется сильфонное уплотнение (рис. 2.20). Материал сильфонной трубки подбирается исходя из химических свойств вещества, выход которого наружу представляет опасность.
Более надежными и безопасными являются бессальниковые машины, например мембранные насосы, жидкостные и газовые эжекторы, приводы с экранированными электродвигателями. На рис. 2.21 показана схема аппарата с экранированным электродвигателем. Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель в зазоре между статором и ротором имеет перегородку (гильзу) цилиндрической формы, которая герметично изолирует внутренний объем аппарата и вал с ротором от статора двигателя.
Вращение вала достигается посредством вращающегося магнитного поля, передающего крутящий момент через экранированную гильзу на ротор рабочего органа машины или аппарата, вал которого не выходит из корпуса и не требует поэтому никаких уплотнений.
Неизбежность потерь паров и газов из дышащих и герметичных аппаратов, а также при работе насосов и компрессоров приводит к необходимости учета их при составлении материального баланса производственного процесса. Величина потерь при нормальном состоянии аппаратов принимается в пределах 1% часовой производительности аппаратов. Данные о величине учитываемых потерь можно найти в расчетной части пояснительной записки технологического проекта.
Обратите внимание на лекцию "2 Нормы и принципы расчета точности".
Вывод по вопросу.
Таким образом, средства производственной автоматики, обеспечивая без непосредственного участия человека нормальный ход технологического процесса, способны также исключать аварии, пожары и взрывы.
Вопросы темы.
Литература.
1. Рабочая программа курса пожарная профилактика технологических процессов (5 лет обучения). -М.: ВИПТШ МВД России, 1995. ССБТ.
2. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (ГОСТ Р 12.3.047-98). -М.: Госстандарт России, 1998.
