Расчетные методы определения необходимой площади и толщины предохранительной мембраны

1.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Тема № 9.4. «Расчетные методы определения
необходимой площади и толщины
предохранительной мембраны»
1

2.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Учебные вопросы:
1. Метод определения необходимой площади и
толщины предохранительной мембраны.
2. Решение задачи по определению необходимой
площади и толщины предохранительной мембраны
2

3.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Пожарная безопасность технологических процессов. Учебник/
С.А.Горячев, С.В.Молчанов, В.П.Назаров и др.; Под общ. ред. В.П.Назарова
и В.В.Рубцова; гриф МЧС России – М.: Академия ГПС МЧС России, 2007.221 с.
Дополнительная:
1. Водяник В.И. Взрывозащита технологического оборудования. М.:
Химия, 1991.
2. Ольховский П.Е. Предохранительные мембраны. М.: Химия, 1976.
Нормативные документы:
1. Правила противопожарного режима в Российской Федерации,
утвержденные постановлением Правительства РФ от 25 апреля 2012г. №390
2. Федеральный закон РФ от 22.07.2008г. №123-ФЗ Технический
регламент о требованиях пожарной безопасности
3. ГОСТ Р 12.3.047 – 2012. Пожарная безопасность технологических
процессов. Общие требования. Методы контроля.
3

4.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
1. Метод определения необходимой площади и
толщины предохранительной мембраны
4

5.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Безопасную площадь разгерметизации – определяют по следующим
безразмерным критериальным соотношениям
( Еi 1)
W
, при
Еi ( m 1)
( е m )
W 0,9
Еi
1 m 2
(Т.1)
2 m е
(Т.2)
m - относительное максимально допустимое давление в сосуде,
которое не приводит к его разрушению.
5

6.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Индексы i, e и m относятся к начальным параметрам горючей смеси,
максимальным допустимым значениям:
Pm
m - относительное максимально допустимое давление в сосуде,
P
i приводит к его разрушению.
которое не
Pm - абсолютное максимально допустимое давление в сосуде,
которое не приводит к его разрушению, Па;
Pе
е
Pi
Pi - начальное давление горючей смеси в аппарате, Па;
- относительное максимальное давление взрыва ГС в сосуде;
Pе - абсолютное максимальное давление взрыва ГС в сосуде, Па;
Ei - коэффициент расширения газов при взрыве;
- фактор турбулентности
6

7.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Фактор
турбулентности
:
е m
(1 a1 V ) (1 a2 0,667 ) (a3 a4
)
V
е 2
F
где a1 a2 a3 a4 - эмпирические коэффициенты
Для аппаратов V < 1 м
3
V ≈ 10 м
3
V < 200 м
3
для углеродовоздушных смесей
= 1–2
= 2,5– 5
<8
=4
7

8.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Комплекс
подобия:
1
0
F R Tui 0,5 1
W
0,667 (
)
0, 333
(36 0 )
V
Mi
Sui
= 3,14;
μ - коэффициент расхода продуктов сгорания через ПМ и ПК;
- для предохранительных мембран μ = 0,61.
- при наличии сбросных трубопроводов 0,4 – 1
μ· F - эффективная площадь разгерметизации
F - площадь разгерметизации, м²;
V – объем, м3;
R - универсальная газовая постоянная, 8314 Дж·кмоль-1 К-1;
Тui - температура горючей смеси, К;
Мi – молярная масса, кг·кмоль-1;
Sui - нормальная скорость распространения пламени горючей смеси, м·с
F
- степень негерметичности
V 0, 667
- увеличение в 10 раз (0,025 до 0,25) – равнозначно увеличению площади
разгерметизации в 10 раз,
8
а фактора турбулентности в 2 раза

9.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Нормальная скорость распространения пламени Su
Р n T m
S u S u0 ( ) ( )
Р0
T0
Su0 - известное значение при Р0 и Т0;
n и m – барический и температурный показатели
при значениях давления и температуры, близких к атмосферным
Р0 = 101,3 кПа Т0 = 293 К,
барический и температурный показатели могут быть приняты равными
n = -0,5 и m = 2,0.
9

10.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Расчет безопасной площади разгерметизации оборудования и
помещений, в которых обращается горючая пыль
При давлении в аппарате меньше 10 кПа
С Fs
F 0,5
Pmax u
где
F - безопасная площадь разгерметизации, м2;
С - константа из Таб. 3, кПа0,5;
Fs - площадь внутренней поверхности аппарата, м2;
Pmax u-максимально допустимое избыточное давление взрыва, кПа
10

11.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Табл
Уровень
взрывопожароопасности пыли
1
2
3
С, кПа0,5
ица 1.
0,26
0,30
0,51
Уровень взрывопожароопасности пыли зависит от индекса Kst и
определяется по таблице Т.4.
Таблица 2.
Диапазон
Уровень
взрывопожароопасности
значений индекса
взрывопожароопасности пыли,
МПа*м/с
пыли
0<Kst<20
20<Kst<30
30<Kst
1
2
3
11

12.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Расчет безопасной площади разгерметизации высокопрочных оболочек
при Р ≥10 кПа
F a V
0, 666
(9,87k st ) (0,01Pmax u )
b
c
где a = 0,000571 exp (0,0197 Psu);
b = 0,978 exp (-0,001037 Psu);
c = - 0,687 exp (0,00223 Psu);
kst - индекс взрывопожароопасности пыли;
Psu - избыточное давление вскрытия сбросного сечения, кПа;
V - oбъем защищаемой емкости, м3.
L
5
Область применения расчета по
D
1 < V < 1000;
формуле :
10 < Pmax u < 200;
5 < Kst < 60;
Psu > 5;
Pmax u – Ps,u > 5;
95 < Pi < 120,
где L u D - линейный и поперечный размеры оболочки, м
Pi - абсолютное начальное давление газовой смеси в аппарате, кПа.
12

13.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Вопрос № 2. Решение задачи по
определению необходимой площади
и толщины предохранительной
мембраны
13

14.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Задача 1. Определить безопасную площадь разгерметизации,
толщину, диаметр и срок службы мембраны
Условие задачи:
Технологический аппарат V = 12 м3 рассчитан на максимальное
избыточное давление 0,2 МПа (абсолютное давление 0,3 МПа) и
предназначен для работы при атмосферном давлении с содержащей
ацетон реакционной массой. Аппарат имеет рубашку обогрева (80 0С).
Нормальная скорость распространения пламени Suо наиболее
опасной стехиометрической ацетоно-воздушной смеси (5%/95%) при
атмосферном (Р0) (101,3 кПа) давлении и температуре Т0 (298 К)
составляет 0,32 м·с-1.
Следовательно, при температуре в аппарате 80 0С (353 К)
необходимо определить:
-безопасную площадь разгерметизации (F);
-скорость распространения пламени (Su);
-диаметр мембраны (D);
-толщину(Δо);
14
-срок службы мембраны ( ).

15.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Решение:
1. Рассчитать скорость распространения пламени в соответствии с
формулой:
Р n T m
S u S u0 ( ) ( )
Р0
T0
2. Для стехиометрической ацетоно-воздушной смеси по ГОСТ Р
12.3.047-2012 определить
- относительное максимальное давление взрыва ГС в сосуде e и
- коэффициент расширения газов при взрыве Ei
3. Рассчитать молярную массу ацетоно-воздушной смеси (5% / 95 %)
M = ∑ Mi ·ni,
ni - мольная доля i-го компонента
4. Определить относительное максимально допустимое давление в
сосуде m и в соответствии с полученным результатом выбрать формулу
для расчета безопасной площади разгерметизации технологического
оборудования (ГОСТ Р 12.3.047-2012)
15

16.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Решение:
1. Скорость распространения пламени:
Р n T m
T m
Su S u0 ( ) ( ) Su0 ( )
T0
Р0
T0
2
2
T
353
Su Suo 0,32
0,45 м / с
298
T0
2. Для стехиометрической ацетоно-воздушной смеси
e = 9,28, Ei = 7,96
3. Mолярная масса смеси, кг·кмоль-1
Mi = 58·0,05 + 29·0,95 = 30,45 кг·кмоль-1
4. Относительное максимально допустимое давление в сосуде
m
0,3
3
0,1
превышает значение 2, то для вычисления площади разгерметизации F
используем формулу:
W 0,9
( е m )
Еi
(Т.2)
16

17.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Решение:
4.
( е m )
W 0,9
Еi
1
F R Tui 0,5 1
W
(
)
0, 333
0,667
(36 0 ) V
Mi
Sui
17

18.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Выражение для W в соответствии с определенными значениями Sui и Mi
можно записать:
1
F 8314 353 1
W
0,667
28 F
0 , 333
(36 3,14)
12
30,45 0.45
( е m )
(9,28 3) 0,9 6,28
W 0,9
0,9
2
2,28
Еi
7,96
где F- площадь разгерметизации, м2
Поэтому:
F
2
0,07
28
18

19.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
F
Увеличение степени негерметичности
V
0 , 667 в 10 раз от 0, 025 до 0,25
Приводит к возрастанию фактора турбулентности
для аппаратов объемом около 10 м3 с 2,5 до 5
= 2,5 при μ = 1
Предположим, что
5. Необходимо рассчитать
негерметичности
площадь
2
F
28
разгерметизации
F
и
степень
F
V
0 , 667
19

20.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
F
Увеличение степени негерметичности
V 0, 667
в 10 раз от 0, 025 до 0,25
Приводит к возрастанию фактора турбулентности
для аппаратов объемом около 10 м3 с 2,5 до 5
Предположим, что
F = 0,175 м2, а
F
V 0, 667
= 2,5 при μ = 1
2
2,5
F
0,07 0,07
0,175 м 2
28
1
= 0,03.
Последнее подтверждает, что значение фактора турбулентности выбрано
правильно. Если бы = 5 , то получили бы слишком низкое для такой степени
турбулентности значение = 0,06 (вместо 0,25).
20

21.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Итак, безопасная площадь разгерметизации составляет в данном
случае 0,175 м2,
6. Необходимо рассчитать
диаметр мембраны или сбросного
отверстия.
D
F
4
2
D
4 F
21

22.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
D
4 F
4 0,175
0,47 м
3,14
Диаметр мембраны равен 0,47 м.
7. Расчёт толщины мембраны производится по формуле
Рс D
0
8 К t ПЧ
1
1 1
В зависимости от температуры и материала мембраны по справочнику
выбирается Кt, σпч, .
Рс – давление срабатывания мембраны, МПа; (Рс = 1,1 Рр);
Рр = 1 МПа;
D – диаметр мембраны, м;
Кt – температурный коэффициент; Кt = f(Т); здесь Кt= 0,89;
σПЧ – предел прочности материала мембраны, МПа; выбирается в
соответствии с вариантом (для никеля, алюминия или латуни) из Табл.3
Механические характеристики и сортамент материала для мембраны
- относительное удлинение материала мембраны при разрыве (Табл.3
22
Механические характеристики и сортамент материала для мембраны)

23.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 3
Механические характеристики и сортамент материала для
мембраны
Марка
материала
Состояние
материала
1
Никель НП1,
НП2,
НП3, НП4
(ГОСТ 2170 –
73)
2
Мягкий
полутвердый
1.Твердый
Алюминий
(ГОСТ 220875)
Латунь
(ГОСТ 220875)
Предел
прочности σпч,
МПа.
3
400
450
Относительное
удлинение,
Толщина 0 ,мм
4
0,35
0,10
550
0,02
5
0,05 0,55 0,06 0,06
0,08 0,09 0,10 0,12
0,13 0,15 0,18 0,20
0,22 0,25 0,30 0,35
0,40 0,45 0,50 0,55
0,60 0,65 0,70 0,75
0,80 0,85 0,90 0,95
1,00
Мягкий
Твердый
60
150
0,2-0,25
0,03-0,04
0,25 0,30 0,40 0,50
0,60 0,70 0,80
Мягкая
Твердая
390
600
0,25-0,3
0,03-0,04
0,1 0,12 0,14 0,18
0,20 0,25 0,30 0,35
0,40 0,45 0,50 0,55
0,60 0,65 0,70 0,75
0,80 0,85 0,90 1,0023

24.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Для никеля
0
Рс D
8 К t ПЧ
1
1,1 1 0,47
1 1 8 0,89 400
1 0,35
5 10 4 м 0,5 мм
1 0,35 1
по таблице 3 выбираем толщину мембраны Δ0 = 0,55 мм
Для алюминия
0
Рс D
8 К t ПЧ
1
1,1 1 0,47
1 1 8 0,89 60
1 0,2
0,002 2,0 мм
1 0,2 1
при данных условиях, использование алюминия в качестве
материала для изготовления мембран, нецелесообразно
Для латуни
0
Рс D
8 К t ПЧ
1
1,1 1 0,47
1 1 8 0,89 390
1 0,25
0,00029 0,3 мм
1 0,25 1
по таблице 3 выбираем толщину мембраны Δ0 = 0,3 мм
24

25.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
8. Произвести расчет срока службы мембран.
2
РР
1 Р
С
П
2
ПЛ
0
t 20
1 0,85
tm 20
где Рр – рабочее давление в аппарате, МПа; равное 1 МПа
Рс – давление срабатывания мембраны, МПа; 1,1 МПа
П – скорость коррозии, П = 1 мм/год;
t – рабочая температура, 0С;
tm – предельно допустимая температура для мембран из данного
материала, 0С;
25

26.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
8. Произвести расчет срока службы мембран.
Предельными значениями
температур внутри
использовании материалов для разрывных мембран будут:
аппаратов
при
из алюминия – 1200 С,
меди и латуни – 1600 С,
никеля – 4000 С.
пл – показатель ползучести материала, 1/год; берется без учета
зависимости от температуры:
для алюминия – 0,04,
меди и латуни- 0,02,
никеля – 0,007.
26

27.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
2
РР
1
Р
С
П
2
ПЛ
0
t 20
1 0,85
t
20
m
2
1 1
1,1
80 20
1 0,85
400 20
1
2
0,007
0,55
0,002 365 0,73года 12 8,8 мес
Если разрывная мембрана продолжительное время находится под
нагрузкой, близкой к переделу ее прочности, то в конце концов она
разрушается. Произойдет ложное срабатывание при отсутствии аварийного
давления.
Поэтому важно знать, через какой промежуток времени должна
производится профилактическая замена мембраны, чтобы предотвратить
выход горючей среды из аппарата в производственное помещение,
остановку технологического процесса в случае ее срабатывания.
27

28.

КАФЕДРА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
В результате проведенных расчетов,
были определены:
Предел
Марка
материала
Состояние
материала
прочности
σпч, МПа.
Относительное
удлинение,
-безопасная1 площадь2разгерметизации
(F); 4
3
Никель
Мягкий
распространения
-скорость
НП1,
НП2, полутвердый
НП3, НП4
Твердый
(ГОСТ
2170
-диаметр
мембраны
(D);
– 73)
400
пламени
450
550
(Su);
0,35
0,10
0,02
-толщина (Δо);
-срок службы мембраны ( ).
Алюминий
(ГОСТ
2208-75)
Латунь
(ГОСТ
2208-75)
Толщина 0 ,мм
5
0,05 0,55 0,06 0,06
0,08 0,09 0,10 0,12
0,13 0,15 0,18 0,20
0,22 0,25 0,30 0,35
0,40 0,45 0,50 0,55
0,60 0,65 0,70 0,75
0,80 0,85 0,90 0,95
1,00
Мягкий
Твердый
60
150
0,2-0,25
0,03-0,04
0,25 0,30 0,40 0,50
0,60 0,70 0,80
Мягкая
Твердая
390
600
0,25-0,3
0,03-0,04
0,1 0,12 0,14 0,18
0,20 0,25 0,30 0,35
0,40 0,45 0,50 0,55
результаты
0,60 0,65 0,70 0,75
0,80 0,85 0,90 1,00
9. Сформулировать вывод, используя полученные
28