Расчет огнепреградителя по методу Я. Б. Зельдовича

В теоретических работах Я- Б. Зельдовича показано, что на пределе распространения пламени в трубках малого диаметра достигается постоянство числа Пекле. Последующими экспериментальными исследованиями установлено, что на пределе гашения пламени величина числа Пекле колеблется в пределах 60...80 и примерно одинакова для всех горючих смесей и огнегасящих насадок в широком диапазоне изменения условий опыта. По этой закономерности легко найти величину критического диаметра огнепреградителя.

Число Пекле применительно к данному условию выражается как

, (8.1)

где Ре_кр — число Пекле, на пределе гашения пламени равное 65;. а — коэффициент температуропроводности; и_в — нормальная скорость распространения пламени.

, (8.2)

где λ — коэффициент теплопроводности горючей смеси; с_р — теплоемкость горючей смеси; ρ — плотность горючей смеси. Согласно уравнению газового состояния pV=GRT,

p = G/V=p/RT, (8.3)

где R — газовая постоянная; Т — температура горючей смеси; р — давление горючей смеси; Q — количество горючей смеси.

Подставляя (8.2) и (8.3) в (8.1) и решая уравнение относительно критического диаметра канала, получим:

. (8.4)

В соответствии с экспериментальными данными действительный диаметр канала огнегасящей насадки огнепреградителя должен; быть взят с учетом двойного коэффициента запаса надежности, то есть

d=0,5d_кp. (8.5)

Если насадка огнепреградителя состоит из гранулированных тел (зерен гравия, стеклянных или фарфоровых шариков, колец), пригодится от вычисленного размера, канала переходить к размеру гранулы. Диаметр каналов (пор), образующихся в слое насадки из одинаковых по размеру гранул, по форме близких к шарообразным частицам, принимают равным 0,25...0,36 величины диаметра шарика, откуда

d_гp=(4...3)d, (8.6)

где d_гp — диаметр гранулы.

Сухими огнепреградителями чаще всего защищают газовые и паровоздушные линии, в которых по условиям технологии или при нарушении нормального режима работы могут образоваться горючие концентрации (дыхательные линии резервуаров, мерников, промежуточных емкостей, напорных баков и подобных им аппаратов с ЛВЖ, а также с горючими жидкостями, нагретыми до температуры вспышки и выше; стравливающие линии и продувочные свечи на аппаратах с газами и ЛВЖ; паровоздушные линии рекуперационных установок; линии, идущие от аппаратов и емкостей на факел; линии газовой обвязки резервуаров с ЛВЖ и т. п.). Сухими огнепреградителями защищают также линии с наличием веществ, способных разлагаться под воздействием давления, температуры или других факторов.

Устойчивость огнегасящей насадки против взрыва обеспечивается защитой огнепреградителя, взрывными мембранными предохранительными устройствами. Насадка огнепреградителя должна оказывать малое гидравлическое сопротивление движению потока, что обеспечивается выбором рациональной толщины ее слоя, а заданная пропускная способность линии — соответствующей расчету площадью поперечного сечения огнепреградителя.

Внутри корпуса огнепреградителя с гравийным заполнением на сетке находится слой гравия с зернами диаметром 3...8 мм и высотой 80... 120 мм, что обеспечивает непроницаемость для пламени бензино-воздушных смесей.

При больших диаметрах линий (например, линии рекуперацион-ных установок, линии газовой обвязки резервуаров) применяют гравийные огнепреградители с изменением направления движения газа (рис. 8.2). В таком огнепреградителе гасящая насадка образована гравием, который находится в кольцевом пространстве меж­ду двумя дырчатыми трубами. Эта конструкция позволяет иметь огнезащитный слой требуемой толщины и большую поверхность для прохождения паровоздушной смеси. Чтобы в кольцевом пространстве не могли образоваться незаполненные места, через которые возможен проскок пламени, в бункере всегда должен быть запас гравия для восполнения потерь. Защита огнегасящего слоя •от возможного разрушения взрывной волной обеспечивается установкой взрывных мембранных предохранительных клапанов.

В сетчатых огнепреградителях используют медные, латунные или стальные фильтровальные сетки с количеством отверстий от 144 до 196 на 1 см². Для надежного гашения пламени применяют не одну, а несколько сеток,, последовательно установленных на расстоянии примерно 10 мм друг от друга.

Для защиты дыхательных труб резервуаров с ЛВЖ используют кассетные огнепреградители (см. рис. 8.1, г). Кассета изготовляется путем одновременного свивания гладкой и гофрированной лент, благодаря чему образуются каналы треугольной формы. За величину диаметра пламегасящего отверстия принимают максимальное значение высоты сечения треугольного канала. В табл. 8.1 приведены размеры кассет огнепреградителей.

Рис. 8.2. Огнепреградитель гравийный на линиях паровоздушной смеси рекуперационных установок: / — трубы дырчатые; 2 — кожух; 3 — гравий; 4 — бункер с гравием; 5 — мембраны

Для горючих смесей, имеющих большую скорость горения (например, для смесей ацетилена, этилена или водорода с воздухом), а также для смесей горючих веществ с кислородом применяют насадки из стеклянных или фарфоровых шариков диаметром не более 1 мм, а также из металлокерамических пластин или трубок.

Таблица 8.1

Огнепреградитель с насадкой из стеклянных шариков диаметром 1 мм и с решетками, имеющими охлаждаемые ребра, используют для локализации пламени ацетилено- и водородо-воздушных смесей. Для локализации пламени ацетилено- или метано-кислородных смесей, используемых для газопламенной обработки металлов, предназначен металлокерамический огнепреградитель, имеющий специальное кольцо для разрушения детонационной волны, а для гашения пламени — металлокерамическую трубку (рис. 8.3).

Для быстрогорящих кислородных смесей применяют металлокерамические огнепреградители с разгрузочным клапаном, позволяющим сбросить давление при наличии взрывной волны.

Рис. 8.3. Металлокерамический огнепреградитель: 1 — корпус; 2 — металлокерамическая трубка;

3— диск для гашения детонационной волны; 4— дырчатая шайба; 5 — сферический наконечник;

6 — прокладки; 7 — золотник; 8 — пружина

Рис. 8.4. Огнепреградитель с орошаемой насадкой из колец: 1 — корпус; 2 — решетки; 3 — пламегасящая насадка; 4 — насадка-каплеуловитель; 5 — ороситель; 6 — мембранные устройства; 7 — загрузочный люк

Металлокерамическая насадка имеет поры (капилляры) различного диаметра (обычно от 0,2 до 0,04 мм). Фактическую величину максимального диаметра пор насадки определяют опытным путем.

Рассмотренные выше огнепреградители не пригодны для гашения детонационного горения в технологических линиях значительного диаметра и длины. Для прекращения детонационного горения нужно, чтобы высота огнепреграждающего слоя насадки обеспечивала необходимое охлаждение продуктов горения, а для защиты от разрушения имелись мембранные предохранительные клапаны. Так, для защиты ацетиленовых линий от распространения детонационной волны используют огнепреградители в виде колонн (рис. 8.4) с насадкой из металлических или фарфоровых колец размером 35х35 мм. Высоту насадки принимают 2 м при наличии водяного орошения и 4 м без орошения.

Гидравлическое сопротивление насадки огнепреградителей. Гидравлическое сопротивление огнепреградителя определяют по формуле

, (87)

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления слоя насадки; h — высота слоя насадки; ρ — плотность парогазовоздушной смеси; v — скорость движения смеси в свободном сечении насадки огнепреградителя; d_экв — эквивалентный диаметр огнегасящих каналов (пор) в слое насадки.

Свободное сечение при наличии насадки из шарообразных тел принимают равным 0,3...0,4 площади сечения огнепреградителя. Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от вида насадки и числа Рейнольдса:

для зернистой насадки и насадки из колец (при Re>60)

; (8-8)

для насадки из металлических и стеклянных шариков (при Re>60)

; (8.9)

для металлокерамической насадки (при Re больше 10 и меньше 250):

. (8.10)

Число Рейнольдса рассчитывают по скорости газового потока в свободном сечении насадки огнепреградителя.

Обычно сопротивление чистой насадки огнепреградителей находится в пределах 100...300 Па. Более низкое сопротивление имеют сетчатые и кассетные огнепреградители, более высокое — огнепреградители с насадками из зернистых тел и колец.

Уход за огнепреградителями.Загрязнение огнепреградителей продуктами коррозии, твердыми и смолистыми отложениями, а также обледенение их в холодное время года вызывает увеличение сопротивления прохождению смеси, повышение давления в аппаратах и емкостях при их заполнении или образование вакуума во время откачки жидкости, что приводит к авариям. Предотвращение таких аварий достигается правильным размещением огнепреградителей на линиях и соответствующим уходом за ними.

Огнепреградители следует располагать на линиях так, чтобы к ним был свободный доступ для осмотра и проверки. Если линия из помещения выходит наружу, огнепреградитель лучше разместить ближе к месту выброса смеси, но в пределах помещения. В этом случае за ним легче вести надзор и менее вероятно обледенение насадки.

Проверку и очистку огнепреградителя производят не реже одного раза в три месяца при размещении его внутри помещения; при наружном расположении — не реже двух раз в месяц в периоды с температурой воздуха ниже 0° С и одного раза в месяц в периоды с температурой воздуха выше 0° С.

При осмотре проверяют исправность и чистоту насадки огнепреградителя, состояние уплотняющих прокладок. Для осмотра и очистки насадки без демонтирования огнепреградителя на его корпусе устраивают боковую крышку. Сняв ее, можно вынуть кассету или пакет сеток из корпуса огнепреградителя.

При засорениях насадку огнепреградителя очищают, промывают и высушивают. Пришедшие в негодность огнегасящие элементы или насадку заменяют новыми. Самым простым способом регенерации металлокерамических элементов насадки огнепреградителей при их засорении пылью является обратная продувка газом. При опасности замерзания влаги в насадке огнепреградителя можно использовать пожаробезопасные системы подогрева. Новые конструкции огнепреградителей должны испытываться на прочность, надежность гашения пламени и гидравлическое сопротивление.

§ 8.2. Жидкостные огнепреградители (гидрозатворы)

Жидкостным огнепреградителем (типа гидравлического затвора) называют такое защитное устройство, гашение пламени в котором происходит в процессе барботажа газообразной смеси через слой жидкости.

Гидравлический затвор, выполняющий роль огнепреградителя, должен надежно гасить, пламя и задерживать распространение взрывной волны, обеспечивая минимальный унос жидкости проходящими потоками пара или газа; иметь небольшое гидравлическое сопротивление.

Надежность гашения пламени в гидрозатворе обеспечивается наличием определенной высоты слоя жидкости, через которую проходит горящая смесь, и дроблением газового потока на мелкие струйки или отдельные пузырьки. При этом создаются условия для интенсивного охлаждения жидкостью продуктов реакции, в результате чего прекращается горение.

Рациональные формы гидравлических затворов и их основные размеры определяются опытным путем.

Принципиальная схема гидравлического предохранительного затвора на газовой линии низкого давления показана на рис. 8.5. В корпус затвора заливают какую-либо жидкость (чаще всего воду) так, что конец одной из труб оказывается погруженным в нее. Газы или пары, двигаясь по трубе, свободно проходят через слой жидкости, не встречая большого сопротивления. Горящая смесь также проходит через слой жидкости; при этом она интенсивно охлаждается, пламя гаснет. Чем тоньше струи потока, тем лучше они перемешиваются с жидкостью и тем интенсивнее охлаждаются. Поэтому газовая труба имеет приспособление в виде прорезей или диска для рассечения потока на мелкие струйки или пузырьки. Если пламя будет распространяться против газового потока, то через слой жидкости оно все равно прорваться не сможет.

Рис. 8.5. Схема гидрозатвора на газовой линии: / — корпус; 2 — вода; 3— линия подачи воды;

4 — подводящая труба; 5 — отводящая труба; б —линия удаления избыт­ка воды; 7 — диск; 8 — прорези

Рис. 8.6. Гидравлический затвор, образуемый наполнительной линией в резервуаре: / — наполнительная линия; 2 — расходная линия; 3 — зачистная линия; 4 — приямок; Δh —высота гидравлического затвора

Постоянный поток газа через гидравлический затвор приводит к потере жидкости за счет испарения и механического уноса частиц. В связи с этим принимают меры по поддержанию постоянного уровня жидкости в гидрозатворе.

Гидравлическими затворами защищают жидкостные и газовые линии, линии производственной канализации, лотки, сливные линии на железнодорожных и автомобильных сливо-наливных эстакадах ЛВЖ и ГЖ, трубопроводы аварийного слива жидкостей, переливные линии мерников и резервуаров, наполнительные и расходные линии резервуаров, газовые, ацетиленовые линии и др. Примеры использования гидрозатворов показаны на рис. 8.6...8.8.

Если наполнительная и расходная трубы резервуара расположены так, как показано на рис 8.6, то конец наполнительной лини (после полной откачки) будет заполнен жидкостью на высоту Δh, и пламя из наполнительной трубы в резервуар не пройдет даже после прекращения процесса заполнения.

На рис." 8.7. показан гидравлический затвор в виде цилиндра небольшого размера. Расположение труб в цилиндре такое, что конец верхней трубы во всех случаях погружен в жидкость. Гидравлический затвор подобного типа может размещаться как внутри защищаемой емкости, так и вне ее.

Рис. 8.7. Гидравлический затвор в виде цилиндра с трубами: / — корпус, заполненный жидкостью; 2 — трубы; Н — высота гидравлического затвора

Рис. 8.8. Гидравлический затвор в ви­де U-образного колена на линии: / — аппарат; 2—гидравлический затвор; 3 — пробка

На рис. 8.8 показан гидравлический затвор в виде U-образного колена. Наличие постоянного слоя жидкости в колене препятствует распространению пламени при отсутствии жидкости в трубе. Для очистки от отложений в нижней точке колена имеется отверстие, закрытое пробкой.

Высоту запирающего слоя жидкости устанавливают в зависимости от величины внутреннего давления в аппарате (емкости) к концу слива. Если давление в аппарате атмосферное, высота запирающего слоя 0,1...0,5 м.

Кроме указанных выше гидравлических затворов, могут использоваться приспособления, препятствующие опорожнению трубопровода от жидкости в нерабочие периоды. Такими приспособлениями, в частности, являются обратные клапаны.

Рис. 8.9. Подземное хранилище бензина с защитой линий огнепреградитедями и обратными клапанами:

/ — сливная воронка; 2 — фильтр (огнепреградитель сетчатый); 3— труба для измерения уровня с огнезащитной сеткой; 4, 5 — огнепреградители сетчатые на дыхательной линии; 6 — фильтр (огнепреградитель сетчатый) на расходной линии; 7 — обратные клапаны; 8 — раздаточная колонка

Рис. 8.10. Гидрозатворы на производственной канализации нефтепе­рерабатывающих заводов: а — с двумя колодцами; б — с загнутой вниз трубой; / — крышки с песчаной засыпкой; 2— колодцы; 3—жидкость

На рис. 8.9 показан подземный резервуар с бензином, на расходной трубе которого в специальной коробке смонтированы обратные клапаны, препятствующие опорожнению трубы после окончания очередного цикла выдачи бензина потребителю. Остальные линии хранилища защищены гравийными и сетчатыми огнепреградителями.

В системах производственной канализации и лотках гидравлические затворы устанавливают в том случае, если в них возможно попадание огнеопасных жидкостей или газов (например, на заводах нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности).

На рис. 8.10 показаны варианты устройства гидравлических затворов в канализационных системах. Во всех случаях высоту запирающего слоя воды принимают не менее 0,25 м.

Гидравлические затворы в канализационных системах не являются ловушками горючих жидкостей. Их назначение— не допускать распространения пламени по канализационным трубам.

Для улавливания горючих жидкостей устраивают специальные отстойники или нефтеловушки. Их также защищают гидравлическими затворами от возможного распространения пламени.

Во избежание распространения пламени по разлившейся горючей жидкости в наружных лотках и траншеях для прокладки продуктопроводов через каждые 80 м устраивают земляные перемычки длиной не менее 4 м с гидравлическими затворами под ними или же от перемычек делают отводы в промканализацию через гидравлические затворы.

Рис 8.11. Гидравлический затвор в лотке сточных вод: 1 — стена; 2— лоток; 3— сточные воды; 4 — щиток, создающий гидравлический затвор

Рис. 8.12. Гидравлический затвор на газовой линии высокого давления: / — корпус; 2 — отверстие для заливки водой; 3— пробный кран; 4 — труба, подводящая газ; 5 — обратный клапан; 6 — расходная труба; 7—газораспределительные сетки; 8 — мембранный предохрани­тельный клапан

В некоторых производственных помещениях, например в насосных станциях, имеются открытые люки для отвода сточных и промывочных вод. Если лотки сточных вод проходят из одного помещения в другое через глухую стену, то устраивают гидравлический затвор — такой, какой показан на рис. 8.11.

Конструкция гидравлических затворов для защиты газовых линий зависит от величины рабочего давления газа. Различают гид­равлические затворы низкого и высокого давления.

На линиях высокого давления используют гидравлические затворы (рис. 8.12) со сравнительно невысоким слоем запорной жидкости, но оборудованные (в отличие от гидрозатворов низкого давления) обратным и мембранным предохранительными клапанами. Когда затвор не работает, обратный клапан закрывает подводящую линию, препятствуя попаданию в нее запорной жидкости. При работе клапан открывается, и газ, барботируя через слой жидкости, направляется к потребителю.

Пламя, которое движется по газоподводящей линии, гаснет при прохождении газа через слой жидкости в затворе. Пламя, движущееся по газоотводной линии, проникает в газовое пространство затвора. Под действием давления взрыва срабатывает мембранный предохранительный клапан. Ударная волна распространяется по запорной жидкости, прижимает клапан к седлу, тем самым перекрывая газоподводящую линию.

При эксплуатации гидравлических затворов необходимо наблюдать за тем, чтобы они крепились в строго вертикальном положении. Уровень запорной жидкости в них должен быть не ниже уровня контрольного (пробного) краника. Наливать жидкость и проверять ее уровень в гидрозатворе следует при отключенных линиях. Нельзя вместо мембран ставить заглушки.

Обратные клапаны изготавливают из коррозионностойких металлов, а поверхности гидравлических затворов защищают от коррозии.

При работе в зимнее время гидрозатворы следует размещать в отапливаемых помещениях, а если это невозможно сделать, следует использовать в качестве запорной жидкости, например, раствор этиленгликоля или глицерина в воде.