§ 2.2. Аппараты с дыхательными устройствами

Нормальная эксплуатация закрытых аппаратов требует сообщения их внутреннего объема с окружающей средой. Пары жидкости поступают из аппаратов в атмосферу или в помещения через дыхательные трубы или открытые люки в результате так называемых малых и больших дыханий и обратного выдоха. Большим дыханием называют вытеснение паров наружу (или подсос воздуха внутрь) при изменении уровня жидкости в аппаратах. Малым дыханием называют вытеснение паров наружу (или подсос воздуха внутрь аппаратов), вызываемое изменением температуры газового пространства под влиянием изменения температуры среды. Обратным выдохом называют вытеснение паров наружу, вызываемое насыщением газового пространства емкости парами жидкости после предшествующего опорожнения емкости.

При выходе паровоздушной смеси из аппарата около него образуется горючая концентрация паров, если температура жидкости , равна или больше величины нижнего температурного предела воспламенения, то есть если Т≥Тнпв.

Размер наружной опасной зоны зависит от количества выходящих паров, их свойств, конструкции емкости и ее дыхательного устройства, а также от состояния окружающей среды (главным образом скорости движения и вертикального распределения температуры воздуха).

Количество паров жидкости, которое теряется в атмосферу при дыхании аппаратов, можно определить расчетом. Если считать, что концентрация паров во всех точках паровоздушного пространства емкости или аппарата одинакова и равна насыщенной концентрации при данной температуре, то к определению потерь жидкости за счет вытеснения паровоздушной смеси из аппарата можно подойти следующим образом.

Пусть в аппарате (рис. 2.2) с дыхательным устройством находится жидкость. Объем V газового пространства изменяется от V₁ до V₂, температура и давление от Т\ до Т₂

а б

Рис. 2.2. Закрытый дышащий аппарат: / — жидкость; 2 — паровоздушное пространство; 3 — дыхательный па­трубок

и от p₁ до р₂, молярная концентрация паров от φ₁ до φ₂, концентрация воздуха от (1 —φ₁) до (1—φ₂). Количество вытесненных паров можно определить, если знать объем вытесненного воздуха и концентрацию паров в нем. Из уравнения газового состояния количество воздуха в аппарате определяется уравнением

, (2.17)

откуда для двух состояний получаем:

. (2.18)

, (2.19)

Тогда масса вытесненного из аппарата воздуха:

, (2.20)

Вместе с воздухом из аппарата будут выходить пары жидкости. Отношение объема воздуха и паров в смеси приближенно определяется отношением их средних концентраций, т. е.

. (2.21)

Учитывая также, что масса паров и газов в одинаковом объеме пропорциональна их молекулярным массам М, получим отношение массы воздуха и паров в вытесняемой смеси:

, (2.22)

откуда

, (2.23)

Подставляя (2.23) в (2.20), получим массу паров, вытесняемых из аппарата при изменении условий среды:

, (2.24)

При большом дыхании V₁≠V₂; p₁=p₂=Pp, T₁ = T₂ = T; φ_{1 =} φ₂= φ_s и

, (2.25)

При малом дыхании V₁ = V₂= V; p₁ ≠р₂, Т₁≠Т2; φ₁≠φ₂ и

, (2.26)

В зависимости от режима работы резервуара основная доля потерь может приходиться на большие или малые дыхания. Пожароопасная загазованность прилегающей местности может возникнуть преимущественно при больших дыханиях, когда происходит мощный выброс смеси в атмосферу при значительной концентрации в ней горючих паров. Максимальный горизонтальный размер зоны можно определить по следующим формулам:

у заглубленного железобетонного резервуара

x=10(1,5Vнφнач/φн)²/³, (2.27)

где x: — размер (радиус) зоны; V_н — расход смеси из клапана; φн — начальная, концентрация паров в смеси;

у наземного стального резервуара на уровне земли

х = 6,8V_нφнач/uφ_нH, (2.28)

где и — скорость ветра; Н — высота выброса (резервуара).

В целях сокращения потерь паров жидкости и снижения пожаровзрывоопасности в окрестностях дышащих аппаратов целесообразно осуществлять следующие технические и организационные мероприятия.

1. Ликвидировать паровоздушное пространство в резервуарах. Из (2.19) и (2.20) видно, что если V₁ = V₂=V=0, то G_M=0 и G₆ = 0.

Техническими решениями, обеспечивающими ликвидацию паровоз­душного пространства над поверхностью испарения хранимой жидкости, являются резервуары с понтоном или с плавающей крышей (см. рис. 1.3). Степень сокращения потерь от испарения из таких резервуаров зависит от качества герметизации кольцевых зазоров между плавающей крышей или понтоном и стенкой резервуара и достигает 90...95 %.

2. Обеспечить постоянство объема газового пространства. Если V₁ = V₂=V=0, то V₂—V₁ = 0 и Gб = 0. Это техническое решение может быть осуществлено путем устройства газоуравнительной (газовой) обвязки двух или более резервуаров с одинаковыми жидкостями при условии синхронизации операций опорожнения и наполнения обвязанных резервуаров (рис. 2.3). Свечи и газосборники предусматриваются на случаи несовпадения противоположных операций наполнения и опорожнения.

Рис. 2.3. Схемы газовой обвязки резервуаров с изме­няющимся ' уровнем жидкости: 1 — замкнутая; 2 — со свечой для сжигания избытка газов; 3 — с газосборником

3. Осуществить термоизоляцию резервуаров. При наличии термоизоляции T₁ = T₂; φ₁ = φ₂ и, согласно формуле (2.20), G_M=0. Этому техническому решению соответствует также устройство подземных резервуаров, не подверженных воздействию суточных колебаний наружного воздуха.

4. Окрасить резервуары светлыми лучеотражающими составами. Серебристая (алюминиевая) краска почти в два раза снижает потери по сравнению с черной окраской.

5. Орошать резервуары водой посредством распылителей. Охлаждение крыши и стенок резервуара в местностях с жарким климатом приводит к снижению потерь в два раза.

6. Осуществить герметизацию газового пространства резервуаров дыхательными клапанами. Это техническое решение позволяет прежде всего полностью устранить потери от выветривания паров из негерметичного газового пространства и, кроме того, сократить или исключить потери от малых дыханий. Если при малом дыхании

V₁ = V₂≠0; Т₁≠Т₂; φ₁≠φ₂, (2.29)

то G_M = 0 при условии

[P₁(l—φ₁)/T₁]—[р₂(1—φ₂)/T₂]=0, (2.30)

откуда вытекает условие исключения выброса паров:

p₂>p₂T₂(l-φ₁)/T_l(1-φ₂), (2.31)

где p₂ — давление срабатывания тарелки выдоха в дыхательном клапане.

Клапаны низкого давления (0,5...2 кПа) сокращают потери от испарения примерно на 3...10 %. В некоторых случаях проектируются и строятся емкости с рабочим давлением 20 кПа и более. В зимних условиях наружные емкости и резервуары должны быть оборудованы непримерзающими дыхательными клапанами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема устройства и работы резервуарного непримерзающего мембранного дыхательного клапана типа НДКМ: / —монтажный патрубок с седлом клапана; 2 —основная тарелка, изолированная снизу фторопластовой пленкой; 3— мембраны; 4 — регулировочные грузы (диски); 5 — цепочка-тяга; 6 — корпус; 7—импульсная трубка; 8 — огнепреградитель

Рис. 2.5. Схема вывода дыха­тельной линии от аппарата с жидкостью за пределы помеще­ния: / — резервуар с жидкостью; 2 — огнепреградитель; 3 — дыхательная линия.

7. Осуществить устройство систем улавливания и утилизации паров. Для этой цели могут использоваться адсорбционные, абсорбционные, холодильные и компрессорные установки.

8. Вывести дыхательные трубы за пределы помещения. Надо сами дышащие аппараты (мерники, напорные баки, промежуточ­ные емкости и т. п.) устанавливать в помещениях, а дыхательные трубы выводить за пределы помещения (рис. 2.5) или присоединять к системе улавливания паров.