波纹阻火器的设计方法,阻火器的基本选用原则
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摘要:储罐波纹阻火器化工设计中阻火器的设计和选用是重要和复杂的,直接影响化工生产的操作和安全。从阻火器的工作原理、分类、设计计算和选用等方面,论述阻火器在设计和选用中应采用的方法和应注意的因素,以期正确设计和选用阻火器。一、波纹阻火器的设计:合理地设计..

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储罐波纹阻火器储罐波纹阻火器

化工设计中阻火器的设计和选用是重要和复杂的,直接影响化工生产的操作和安全。从阻火器的工作原理、分类、设计计算和选用等方面,论述阻火器在

设计和选用中应采用的方法和应注意的因素,以期正确设计和选用阻火器。

一、波纹阻火器的设计:


合理地设计阻火器十分重要,一个阻火器能否有效地阻火主要取决于孔隙的大小、孔的长度(即阻火芯的厚度)和爆炸火焰的传播度,工业上比较期望获得

具有低流阻和高阻性能的阻火器。针对目前普遍使用的波纹型阻火器对其设计原则做了简要说明。

1、阻火芯材料

通常阻火芯的材质应采用导热系数大、熔点高的、耐腐蚀性好的材料,通常采用不锈钢波纹板。若采用铝或铜板当受到强大的回火压力时,阻火器容易变

形甚至破裂,不能起到阻火作用。例如国外一个原油罐区,采用了由铝板制成的阻火器,当发生火灾时由于回火压力过大,引起阻火器铝板破裂,火焰进

入原油罐内酿成原油罐爆炸的重大事故。为此阻火器应选用不锈钢波纹板制造,这样具有一定的抗腐蚀性且不易变形使用寿命长。

2、阻火单元尺寸

阻火单元关键尺寸示意图

如上图所示即为阻火单元的关键尺寸示意,波纹型阻火器通常采用正三角形阻火单元。8为金属薄片的厚度,h为正三角形单元的高度,L为阻火芯的厚

度,即阻火单元的长度。阻火芯的金属薄片应在加工条件和强度允许的条件下尽可能的薄,以充分地减小阻火器的流阻损失。根据阻火器的工作原理,

阻火芯与火焰的接触面积越大则热量交换越充分,阻火效果越好,即三角形单元越小通道越长则降温效率越高。因此,从理论上讲减小三角形高度h

相应的缩短三角形通道长度L,但h过小会增大气体的流阻,L过小会导致阻火器阻火能力减弱。啕因此在设计阻火器时,应综合考虑Lh值的选取。

对于不同等级的气体介质,国外某厂家经过试验确定了Lh的最佳尺寸组合,避免了考虑无穷多种类的阻火芯尺寸。悯例如对于IIA类介质,三角形单

元的高度h应取

0.8mm较为合适,当口径小于DN50L应取20mm,当口径在DN80DN350之间时L应取40ram,当口径大于DN400L应取80mm

3、阻火芯的最大外径

阻火器的外形结构如图4所示,阻火芯的最大外径为D。从减小流阻损失的角度考虑,阻火芯所有的单元孔隙面积之和应大于或等于两端联接管道的横截

面积。

4、阻火器设计计算

目前,关于火焰在狭缝中的传播和熄灭的理论研究还相对较少,对于阻火器的设计多依赖于一般的经验公式或半经验公式。波纹型阻火器所能阻止的最大

爆燃火焰传播速度可按公式(1)计算:


V=0.38

aL

D2


(1)式只能应用于爆燃火焰,对爆轰的情况误差较大,因为爆轰的能量传递方式为冲击波压缩,与爆燃火焰以热传导为主的能量传递方式不同。类似

式中V为阻火器能够阻止的最大火焰传播速度,aLd分别为有效面积比(即阻火层总面积与阻火层空隙面积之比)、阻火层厚度和阻火单元的当量

直径。对于丙烷一空气爆燃火焰的实验研究总结可得,阻爆燃型阻火器可以阻止的IIA类介质与空气混合物的最大火焰传播速度可按公式(2)计算:


V=6.833

L

H2


Groth也在经过实验研究后得到了阻火层厚度与火焰速度及熄灭直径的关系,即公式(3)式中V为阻火器能够阻止的最大火焰传播速度。Lh分别为阻

层的厚度和阻火单元的高度,(2)式只在应用于丙烷一空气爆燃火焰时比较准确。美国

L=2Vrh2

式中V为火焰传播速度,L和rh分别为阻火层的厚度和熄灭的水力半径。公式(3)表明了火焰速度和阻火层熄灭水力半径与阻火器所需厚度的关系。在这

个厚度下阻火器能阻止高速的火焰传播。由(1)(2)(3)式均可看出,燃气火焰速度与阻火器的阻火层厚度成正比,与孔隙直径的平方成反比。以3寸阻爆

燃型阻火器为例进行计算,测试介质为丙烷与空气的混合气,为IIA类介质,根据介质的MESG值>0.9mm。根据国外某厂家的推荐尺寸,正三角形单元

的高度取为0.8mm,阻火芯厚度取为40mm,薄片厚度取0.5mm。经粗略估算当阻火芯外径为108mm时所有空隙面积之和约等于两端管道截面积,根

据结构要求取阻火芯外径为165mm。根据公式(1)计算得到该阻火器的最大阻火速度为380m/s,根据公式(2)计算得到该阻火器的最大阻火速度为

427m/s。由此可以看出该阻火器可以阻止爆燃火焰的通过。


二、阻火器选用原则:

(1)所选用阻火器的安全阻火速度应大于安装位置可能达到的火焰传播速度。

(2)与燃烧器连接的可燃气体输送管道在无其他防回火设施时应设置阻火器:①阻止以亚音速传播的火焰,应使用阻爆燃型阻火器,其安装位置宜靠近火源;

②阻止以音速或超音速传播的火焰,应使用阻爆轰型阻火器,要注意其爆轰波吸收器应朝有可能产生爆轰的方向,否则将失去阻爆轰的作用。

(3)在寒冷地带使用阻火器,应选用部分或整体带加热套的壳体,也可采用其它伴热方式。

(4)在特殊情况下,可根据需要选用设有冲洗管、压力计和排污口等接口的阻火器。

(5)安装于管端的阻火器,当管道公称直径小于DN50时宜采用螺纹连接;当管道公称直径大于DN50时宜采用法兰连接。

(6)安装于管道中的阻火器宜采用法兰连接。

(7)安装于管端的阻火器应带有可自动开启的防雨通风罩。

(8)储罐之间的气相连通管道各支管上的阻火器应选阻爆轰型阻火器。

(9)储罐顶部的油气排放管道应在与罐顶的连接处选用阻爆轰型阻火器。

(10)储罐顶部保护性气体及油气排放管道的集合管上应选阻爆轰型阻火器。紧急放空管道应设置阻爆燃型阻火器。

(11)装卸设施的油气排放或回收总管与各支线的气相管道之间应设置阻爆轰型阻火器。

(12)可燃气体放空管道在接入火炬前若设置阻火器时,应设置阻爆轰型阻火器。

(13)阻火器的材质选用应满足以下要求:

①安装于管端的阻火器壳体应采用铸铁和含镁量不大于0.5%的铸铝合金,也可按设计要求采用其它材料;

②安装于管道中的阻火器壳体应采用铸铁或碳钢焊接,也可按设计要求采用其它材料;

③阻火层芯件和安装于管道中的阻火器芯壳及芯件压环应选用不锈钢;

④安装于管端的阻火器芯壳及芯件压环应采用铸铁或铸铝。


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