Сжиженные газы хранят в сосудах сообщающихся с атмосферой
Далее: 8. Задачи для самостоятельного
Вверх: Методическое пособие
Назад: 6. Молекулярная физика
7. Примеры решения задач
Пример 7.3. Сжиженные газы хранят в сосудах, сообщающихся с атмосферой. Можно ли
допустить испарение жидкого азота объемом
$displaystyle{0,5,{text{л}}}$
и плотностью
$displaystyle{0,81,{text{г/см}}^3}$
в закрытом сосуде объемом
$displaystyle{10,{text{л}}}$
при нагревании
его до температуры
$displaystyle{20^circ C}$
, если стенки сосуда выдерживают давление
$displaystyle{20,{text{атм}}}$
?
Дано:
| |||||
$displaystyle{P_x}$ |
Решение.
При повышении температуры жидкий азот перейдет в газообразное состояние.
Примем его при температуре
$displaystyle{20^circ C}$
за идеальный газ и применим для решения
уравнение Клапейрона – Менделеева:
begin{equation}
PV = {movermu}RT,,
end{equation}
где
$displaystyle{P}$
,
$displaystyle{V}$
и
$displaystyle{T}$
– давление, объем и температура газа;
$displaystyle{m}$
– его масса,
$displaystyle{mu}$
– масса
моля азота, равная
$displaystyle{28cdot 10^{-3},{text{кг/моль}}}$
;
$displaystyle{R}$
– универсальная газовая постоянная.
Для ответа на вопрос задачи нужно определить давление газообразного азота и сравнить его с
максимально допустимым.
Выразим искомое давление из уравнения (26):
begin{equation}
P_x = {mRTovermu V},,
end{equation}
здесь неизвестна масса газа, ее можно определить через объем и плотность жидкого азота:
$displaystyle{m= rho_1V_1}$
. Выражение для искомого давления в общем виде:
begin{equation}
P_x = {rho_1V_1RTovermu V},.
end{equation}
Проверка наименования единицы искомой величины:
begin{equation}
[P_x]={{text{кг}}cdot{text{м}}^3cdot{text{Дж}}cdot{text{К}}cdot{text{моль}}over {text{м}}^3
cdot{text{моль}}cdot{text{К}}cdot{text{кг}}cdot{text{м}}^3}={{text{Дж}}over{text{м}}^3}=
{{text{Н}}cdot{text{м}}over{text{м}}^3}={{text{Н}}over{text{м}}^2}={text{Па.}}
end{equation}
Это единица давления в СИ, следовательно, выражение в общем виде получено правильно.
Вычисления: подставим числа (все они должны быть выражены в СИ):
begin{equation}
P_x={8,1cdot 10^2cdot 5cdot 10^{-4}cdot 8,3 cdot 293over 28cdot 10^{-3}cdot
10^{-2}},{text{Па}},.
end{equation}
Прежде чем вычислять, проведем действия со степенями:
begin{equation}
P_x={8,1cdot 5cdot 8,3 cdot 293over 28}cdot 10^{3},{text{Па}}=3,52cdot
10^{6},{text{Па}},.
end{equation}
Искомое давление равно
$displaystyle{3,52cdot 10^6,{text{Па}}}$
или
$displaystyle{35,2 {text{атм}}}$
и превышает
допустимое.
Ответ: испарение жидкого азота данной массы в закрытом сосуде указанного объема нельзя
допустить, так как при
$displaystyle{20^circ ,С}$
давление превысит допустимое. Поэтому сжиженные газы хранят
в открытых сосудах.
Пример 7.4. Расстояние между стенками сосуда равно
$displaystyle{ 8 ,{text{мм}} }$
. При каком давлении вязкость
газа, находящегося между ними, начнет уменьшаться при откачке? Температура газа равна
$displaystyle{17^circ C}$
. Диаметр молекулы составляет
$displaystyle{3cdot 10^{-10},{text{м}}}$
.
Дано:
| |||
$displaystyle{P}$ |
Решение.
Теоретически вязкость газа при не слишком низких давлениях
не зависит от него:
begin{equation}
eta = {1over 3}overline{v}overline{lambda}rho,,
end{equation}
так как
$displaystyle{overline{lambda}}$
– средняя длина свободного пробега молекул обратно
пропорциональна давлению при постоянной температуре:
begin{equation}
overline{lambda} = {1over sqrt{2}pi d^2n}={kTover sqrt{2}pi d^2P},,
end{equation}
а плотность газа
$displaystyle{rho}$
прямо пропорциональна давлению. Выражение для плотности идеального газа
можно получить из уравнения Клапейрона – Менделеева:
$displaystyle{PV = {movermu}RT}$
, учитывая,
что плотность – это масса единицы объема:
$displaystyle{rho = {mover V}}$
. Получается, что
$displaystyle{rho = {mu Pover RT}}$
.
При низком давлении средняя длина свободного пробега перестает
зависеть от давления и определяется размерами сосуда:
begin{equation}
overline{lambda} = ell,.
end{equation}
Молекулы движутся от стенки к стенке, не сталкиваясь между собой. Вязкость газа начнет
уменьшаться при дальнейшей откачке сосуда за счет уменьшения концентрации молекул
(плотности газа).
Для решения задачи нужно приравнять выражение для средней длины свободного
пробeгa молекул
$displaystyle{overline{lambda}}$
расстоянию между стенками сосуда:
begin{equation}
ell = {kTover sqrt{2}pi d^2P},
end{equation}
и выразить давление. Получаем:
begin{equation}
P = {kTover sqrt{2}pi d^2ell},.
end{equation}
В этом выражении для давления все известно.
Проверка наименования единицы измерения:
begin{equation}
[P]={{text{Дж}}cdot{text{К}}over{text{К}}cdot{text{м}}^2cdot{text{м}}}={{text{Дж}}over
{text{м}}^3}={{text{Н}}cdot{text{м}}over{text{м}}^3}={{text{Н}}over{text{м}}^2}={text{Па}},.
end{equation}
Выражение для давления в общем виде получено правильно.
Вычисления:
begin{equation}
P={1,38cdot 10^{-23}cdot 290over sqrt{2}cdot 3,14cdot 9cdot 10^{-20}cdot 8cdot
10^{-3}},{text{Па}}={1,38cdot 290over sqrt{2}cdot 3,14cdot 9cdot 8},{text{Па}}=1,26,
{text{Па}},.
end{equation}
Полученное число значительно меньше величины атмосферного давления. Для данного газа при неизменной
температуре оно определяется только размерами сосуда
$displaystyle{ell}$
.
Ответ: при давлении 1,26 Па вязкость газа начнет уменьшаться при откачке.
Указание: подобным образом решаются задачи, связанные с коэффициентом теплопроводности
идеального газа:
begin{equation}
chi = {1over 3}overline{v}overline{lambda}rho c_v,,
end{equation}
где
$displaystyle{c_v}$
– удельная теплоемкость
при постоянном объеме:
begin{equation}
c_v={iover 2}{Rovermu} (i{text{ – – – число степеней свободы молекулы}}).
end{equation}
Пример 7.5. 10 л азота, находящегося под давлением
$displaystyle{10^5,{text{Па}}}$
, расширяются вдвое.
Найти конечное давление и совершенную газом работу в случаях изобарического,
изотермического и адиабатического процессов. Молекулы азота имеют пять степеней свободы.
Дано:
| ||||
$displaystyle{P_2}$ |
Решение.
Примем азот в данных условиях за идеальный газ.
1. При изобарическом процессе давление газа не меняется, поэтому
$displaystyle{P_2=P_1}$
.
Элементарная работа расширения равна в общем случае
$displaystyle{PdV}$
, где
$displaystyle{P}$
– давление,
$displaystyle{dV}$
– бесконечно малый объем. Полная работа находится путем интегрирования, и величина
eе зависит от вида процесса.
При изобарическом процессе
begin{equation}
A_1=intlimits_{V_1}^{V_2}{PdV}=P(V_2-V_1),.
end{equation}
Проверим единицу измерения работы:
begin{equation}
[A] = {{text{Н}}cdot {text{м}}^3over {text{м}}^2}={text{Н}}cdot{text{м}}={text{Дж}},.
end{equation}
2. В изотермическом процессе температура остается постоянной, а давления и объемы в двух
состояниях идеального газа связаны законом Бойля – Мариотта:
$displaystyle{P_1V_1=P_2V_2}$
, откуда
$displaystyle{P_2’={P_1V_1over V_2}}$
. Видно, что здесь для единицы неизвестного давления получается
Па (паскаль).
Работа изотермического расширения рассчитывается так:
begin{equation}
A_2=int{PdV}=intlimits_{V_1}^{V_2}{{m over mu}RT{dVover V}}={movermu}RTln{V_2
over V_1},.
end{equation}
Здесь давление выражено из уравнения Клапейрона – Менделеева. Температура
неизвестна, поэтому, применив еще раз уравнение Клапейрона – Менделеева, получим выражение
для искомой работы через известные в условии величины:
begin{equation}
A_2 = P_1V_1ln{V_2over V_1},.
end{equation}
Результат не изменится, если подставить конечные давление и объем
$displaystyle{P_2}$
и
$displaystyle{V_2}$
или вместо отношения
$displaystyle{{V_2over V_1}}$
взять
$displaystyle{{P_1over P_2}}$
.
3. Конечное давление адиабатического расширения выразим из уравнения
Пуассона:
begin{equation}
{P_2}”=P_1left({V_1over V_2}right)^gamma,, {text{где }}gamma={C_pover C_V}={i+2over i}
end{equation}
(
$displaystyle{i}$
– число степеней свободы молекулы).
Работа в этом процессе совершается за счет убыли внутренней энергии газа:
begin{equation}
A_3=-Delta u={movermu}C_V(T_1-T_2)={movermu}C_V T_1 left(1-{T_2over
T_1}right),,
end{equation}
где
$displaystyle{C_V}$
– молярная теплоемкость при постоянном объеме:
begin{equation}
C_V={iover 2}R={Rover gamma-1},.
end{equation}
Рис. 7.1
В этой задаче температуры не заданы, поэтому отношение температур следует заменить отношением
объемов
$displaystyle{{T_2over T_1}=left({V_1over V_2}right)^{gamma-1}}$
и воспользоваться уравнением состояния идеального газа:
begin{equation}
A_3={movermu}{Rover(gamma-1)}T_1left(1-{T_2over T_1}right) = {movermu}{R T_1over(gamma-1)}
left(1-left({V_1over V_2}right)^{gamma-1}right)
={1overgamma-1}(P_1V_1-P_2”V_2),.
end{equation}
Здесь все известно, конечное давление можно рассчитать отдельно.
Вычисления:
- $displaystyle{P_2=P_1=10^{5},{text{Па}},;quad A_1=10^{5}cdot 10^{-2},{text{Дж}}=10^{3},{text{Дж}}}$
. - $displaystyle{P_2’={10^{5}cdot 10^{-2}over 2cdot 10^{-2}},{text{Па}}=5cdot
10^{4},{text{Па}},;}$$displaystyle{A_2=10^{5}cdot 10^{-2}ln{2cdot 10^{-2}over 10^{-2}},{text{Дж}}=10^{3}ln{2},{text{Дж}}=
6,9cdot 10^2,{text{Дж}}}$
. - $displaystyle{P_2”= 10^{5}cdot 0,5^{1,4},{text{Па}}=3,8cdot 10^4,{text{Па}},;}$
$displaystyle{A_3={1over 0,4}(10^3-760),{text{Дж}}=600,{text{Дж}},.}$
Таким образом, наибольшее изменение давления происходит при адиабатическом расширении,
а наибольшая работа совершается при изобарическом. Качественно результаты представлены
на рисунке. Площади фигур под графиками процессов позволяют судить о соотношении совершенной
работы.
Ответ:
$displaystyle{10^{5},{text{Па}},, 10^{3},{text{Дж}},; 5cdot 10^{4},{text{Па}},,
690,{text{Дж}},; 3,8cdot 10^4,{text{Па}},, 600,{text{Дж}}}$
.
Далее: 8. Задачи для самостоятельного
Вверх: Методическое пособие
Назад: 6. Молекулярная физика
ЯГПУ, Отдел образовательных информационных технологий
10.07.2012
Источник
2017-10-13
Сжиженные газы хранят в сосудах Дьюара, которые представляют собой стеклянные или металлические колбы с двойными стенками (рис. 1). Из пространства между стенками откачан воздух, что приводит к уменьшению их теплопроводности. Так как весь воздух выкачать невозможно, то оставшиеся молекулы будут переносить теплоту от окружающей среды к содержимому сосуда Дьюара. Эта остаточная теплопроводность стенок приводит к тому, что находящийся в сосуде сжиженный газ непрерывно испаряется. При заполнении сосуда Дьюара жидким азотом, температура кипения которого при нормальном атмосферном давлении равна 77,3 К, оказалось, что за единицу времени испарилась масса $M_{1}$ азота. Какая масса газа испарится из этого же сосуда за единицу времени, если его заполнить жидким водородом, температура кипения которого равна 20,4 К? Температура окружающей среды в обоих случаях равна 300 К.
Решение:
Перенос теплоты происходит при таких отклонениях от состояния термодинамического равновесия, когда различные части системы имеют разную температуру. При обычных условиях механизм теплопроводности газа заключается в следующем: молекулы из более «горячей» области в результате хаотического движения перемещаются по всем направлениям и, сталкиваясь с молекулами из более «холодных» областей, передают им часть своей энергии. Каждая молекула может перенести «избыток» тепловой энергии на расстояние порядка средней длины свободного пробега $lambda$. Поэтому полный поток теплоты от участка с более высокой температурой к участку с более низкой температурой пропорционален концентрации молекул $n$ и их средней длине свободного пробега.
Каждая из величин $n$ и $lambda$ зависит от давления, при котором находится газ. Но их произведение не зависит от давления. В самом деле, вспомните задачу 6 о торможении спутника в верхних слоях атмосферы, где обсуждалось, от чего зависит средняя длина свободного пробега молекул. Там было получено соотношение
$n lambda sigma approx 1$. (1)
Величина $sigma = pi d^{2}$ ($d$ — диаметр молекулы) от давления не зависит. Поэтому не зависит от давления и произведение $n lambda$, хотя концентрация молекул $n$ пропорциональна давлению.
Таким образом, при обычных условиях теплопроводность газа не зависит от Давления, ибо все остальные величины, входящие в выражение для потока теплоты (разность температур, площадь стенок и расстояние между ними), также не зависят от давления.
Так зачем же в сосудах Дьюара откачивают воздух из пространства между стенками? Все дело в том, что при очень низком давлении газа, когда длина свободного пробега молекул оказывается больше расстояния между стенками, механизм теплопроводности становится другим! молекулы газа свободно пролетают от одной стенки до другой, не сталкиваясь друг с другом, и переносят «избыток» энергии непосредственно от стенки к стенке. Теперь теплопроводность не зависит от длины свободного пробега молекул — важно лишь, чтобы она превышала расстояние $l$ между двойными стенками сосуда. Так как поток теплоты, разумеется, и в этом случае пропорционален концентрации молекул, то чем ниже давление оставшегося между стенками воздуха, тем меньше будет его теплопроводность.
Для того чтобы оценить поток теплоты от наружной стенки сосуда Дьюара к холодной внутренней стенке, будем считать, что каждая молекула воздуха, покидая стенку сосуда, имеет энергию, соответствующую температуре этой стенки. Сталкиваясь с другой стенкой, молекула целиком передает ей свою энергию. Другими словами, мы считаем, что взаимодействие молекул со стенкой носит характер неупругого удара. Если бы удар молекул о стенку был абсолютно упругим, то молекулы газа вообще не переносили бы тепла.
Будем считать, что наружная стенка сосуда имеет температуру $T_{0}$, равную температуре окружающей среды. Находящийся в сосуде Дьюара сжиженный газ все время понемногу выкипает, поэтому, несмотря на непрерывный подвод теплоты, его температура остается неизменной. Горлышко сосуда Дьюара держится открытым, чтобы испарившийся газ мог свободно выходить в атмосферу — в противном случае сосуд непременно взорвется вследствие непрерывного роста давления. Таким образом, температура внутренней стенки равна температуре кипения $T_{1}$ сжиженного газа при атмосферном давлении.
Поток энергии, переносимый молекулами воздуха от горячей стенки к холодной, пропорционален энергии улетающей молекулы (т. е. температуре горячей стенки $T_{0}$) н числу молекул $z$, покидающих горячую стенку за единицу времени. Сколько же молекул покидают горячую стенку? Очевидно, столько же, сколько прилетает к ней от холодной стенки. Число таких молекул пропорционально концентрации молекул, имеющих температуру холодной стенки $T_{1}m$ и их средней скорости $langle v_{1} rangle$:
$z sim n_{1} langle v_{1} rangle$. (2)
Поэтому поток энергии от горячей стенки к холодной пропорционален произведению $T_{0} z sim T_{0} n_{1} langle v_{1} rangle$. Аналогично, поток энергии, переносимый молекулами от холодной стенки к горячей, пропорционален произведению $T_{1}z sim T_{1} n_{1} langle v_{1} rangle$. Следовательно, поток теплоты $Q$ от горячей стенки к холодной, равный разности встречных потоков энергии, пропорционален разности температур, концентрации и средней скорости молекул:
$Q sim (T_{0} – T_{1}) n_{1} langle v_{1} rangle$. (3)
Какова же концентрация $n_{1}$ «холодных» молекул воздуха в пространстве между стенками? Если обозначить через $n_{0}$ концентрацию «горячих» молекул, т. е. тех, которые покинули наружную стенку, то сумма $n_{1} + n_{0}$ равна полной концентрации воздуха $n$ между стенками:
$n = n_{1} + n_{0}$. (4)
Как уже отмечалось, к горячей стенке прилетает в единицу времени столько же молекул, сколько и к холодной. Поэтому
$n_{1} langle v_{1} rangle = n_{0} langle v_{0} rangle$. (5)
Так как средняя скорость пропорциональна корню из термодинамической температуры, то из равенства (5) имеем
$n_{0} = n_{1} langle v_{1} rangle / langle v_{0} rangle = n_{1} sqrt{ T_{1} / T_{0}}$. (6)
Подставляя $n_{0}$ в соотношение (4), находим
$n_{1} = frac{n}{1 + sqrt{T_{1}/T_{0}}}$. (7)
Теперь выражение (3) для потока теплоты можно переписать в виде
$Q sim (T_{0} – T_{1}) frac{n sqrt{T_{1}}}{1 + sqrt{T_{1} / T_{0}}} = n sqrt{T_{0}T_{1}} ( sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{1}})$. (8)
За счет этого потока теплоты за единицу времени испаряется масса сжиженного газа $M_{1}$, равная отношению $Q$ к удельной теплоте парообразования $Lambda_{1}$:
$M_{1} sim frac{n}{ Lambda_{1}} sqrt{T_{0}T_{1}} ( sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{1}})$. (9)
Точно такое же выражение будет справедливо и в том случае, когда сосуд Дьюара заполнен другим сжиженным газом, у которого температура кипения равна $T_{2}$, а удельная теплота парообразования равна $Lambda_{2}$. Все опущенные в формуле (9) коэффициенты пропорциональности не зависят от того, какой именно газ находится в сосуде. Поэтому для отношения масс разных газов, испаряющихся за единицу времени из одного и того же сосуда Дьюара, получим
$frac{M_{2}}{M_{1}} = frac{ Lambda_{1}}{ Lambda_{2}} sqrt{ frac{T_{2}}{T_{1}}} frac{ sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{2}}}{ sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{1}}}$. (10)
Подставляя сюда значения удельной теплоты парообразования водорода $lambda_{2} = 4,5 cdot 10^{5} Дж/кг$, азота $Lambda_{1} = 2,0 cdot 10^{5} Дж/кг$ и их температуры кипения $T_{2} = 20,4 К, T_{1}=77,3 К$, найдем $M_{2}/M_{1} approx 0,34$.
Получилось, что по массе водород выкипает из сосуда Дьюара медленнее азота, хотя температура кипения водорода ниже. Однако со скоростью выкипания по объему все обстоит иначе. Плотность жидкого водорода равна примерно $0,07 г/см^{3}$, азота $0,8 г/см^{3}$, поэтому для отношения объемов испарившихся водорода $V_{2}$ и азота $V_{1}$ получаем $V_{2}/V_{1} = 3,89$, т. е. водород выкипает приблизительно в 4 раза быстрее азота.
Из формулы (9) видно, что масса испаряющегося газа пропорциональна концентрации и оставшегося между стенками сосуда Дьюара воздуха. Поэтому теплоизоляция будет тем лучше, чем этого воздуха меньше. Обычно сосуды Дьюара откачивают до высокого вакуума ($10^{-3} – 10^{-5}$ мм рт. ст.). Это соответствует концентрации оставшегося воздуха $n = p/kT_{0} sim 10^{11} – 10^{13} см^{-3}$. При таких концентрациях длина свободного пробега будет составлять, как видно из соотношения (1), величину порядка $lambda approx 1/( n pi d^{2}) sim 10 – 10^{3} см$. Расстояние между двойными стенками I обычно равно нескольким миллиметрам. Поэтому при таком давлении оставшегося воздуха средняя длина свободного пробега значительно превышает расстояние между стенками и механизм теплопроводности именно такой, какой рассмотрен в задаче.
При давлении воздуха между стенками порядка $10^{-2}^ мм рт. ст. длина свободного пробега становится сравнимой с расстоянием между стенками. Поэтому откачка до такого или большего давления вообще лишена смысла, поскольку в таких условиях теплопроводность воздуха не зависит от давления.
Поверхности стенок сосуда, образующих вакуумное пространство, обычно покрываются тонким слоем серебра, чтобы уменьшить лучистый теплообмен между стенками. Поэтому в данной задаче мы не учитывали лучистую составляющую теплового потока.
Сосуды Дьюара используются и для хранения веществ при температуре более высокой, чем температура окружающей среды. Распространенные в быту термосы представляют собой стеклянные сосуды Дьюара, заключенные в металлическую или пластмассовую оболочку для защиты от повреждений.
Источник
Версия для печати
6.1 Категорирование помещений, зданий и наружных технологических установок по взрывопожарной и пожарной опасности следует осуществлять в соответствии с требованиями СП 12.13130.
6.2 Оборудование, предназначенное для проведения технологических операций с участием СПГ, должно обеспечивать проведение указанных операций только закрытым способом.
Для технологических линий, предназначенных для сброса избыточного давления из технологического оборудования и его безопасного опорожнения, необходимо предусматривать защиту от воздействия пожара (например, теплоизоляция, водяное орошение) в течение времени, необходимого для эффективного функционирования линий.
6.3 Запорная арматура с ручным и дистанционным приводом, применяемая на технологическом оборудовании, в котором обращается СПГ, должна иметь герметичные затворы по категории А в соответствии с ГОСТ 54808.
Исполнительные механизмы (в том числе запорная арматура) и (или) системы пневматического и гидравлического управления ими должны предотвращать возможность распространения горючих газов по указанным системам.
Дистанционно управляемая запорная арматура на трубопроводах должна иметь управление от устройств (кнопок) как с пульта управления, так и от устройств, размещаемых по месту. В операторную должен подаваться сигнал о конечном положении арматуры (“Открыто” – “Закрыто”).
6.4 Сообщение внутреннего пространства резервуаров с СПГ и трубопроводов горючих паров с окружающей атмосферой должно предусматриваться только через предназначенные для этих целей технологические линии, оборудованные огнепреградителями.
6.5 Конструкция огнепреградителей должна отвечать требованиям ГОСТ Р 53323.
Для огнепреградителей и жидкостных предохранительных затворов следует предусматривать меры, обеспечивающие надежность их работы в условиях эксплуатации при пониженных температурах.
6.6 Расположение сбросных устройств для паров СПГ следует определять исходя из пожаровзрывобезопасных условий их рассеивания в атмосфере в местах возможного нахождения людей и возникновения или нахождения источников зажигания.
6.7 Конструкция и (или) способ размещения технологического оборудования СПГ должны исключать возможность растекания проливов (при разгерметизации оборудования) за пределы площадок, на которых оно установлено. При необходимости указанные площадки следует оборудовать дренажными системами, параметры которых должны обеспечивать пожаробезопасный аварийный слив всего содержимого указанного оборудования.
Площадки размещения оборудования с СПГ в местах возможного пролива продукта должны иметь бетонное покрытие.
Для сбора аварийных проливов на площадках должны предусматриваться выполненные из бетона бассейны-накопители. При этом должны быть предусмотрены мероприятия по пожаробезопасному отводу воды из указанных бассейнов с обеспечением предотвращения попадания СПГ в систему сбора стоков.
Отвод утечек СПГ из мест его возможных проливов на поверхность площадки в сборники аварийных проливов должен осуществляться по перехватывающим каналам.
Бассейны-накопители и перехватывающие каналы площадок размещения оборудования с СПГ должны иметь покрытие из негорючего теплоизолирующего материала, предназначенного для снижения интенсивности испарения СПГ.
Вместимость бассейнов-накопителей для аварийных проливов СПГ должна определяться, исходя из максимальной проектной аварии, связанной с утечкой жидкой фазы из оборудования, расположенного на рассматриваемой площадке.
Размеры сборников аварийных проливов СПГ и расстояние от них до резервуаров и другого оборудования должны определяться исходя из безопасной плотности потока теплового излучения при пожаре пролитого в бассейн-накопитель продукта.
Должны быть предусмотрены мероприятия по очистке бассейна-накопителя аварийных проливов СПГ от снега и льда в холодное время года.
6.8 При выборе теплоизоляционных материалов и покровных слоев следует учитывать стойкость элементов теплоизоляционной конструкции к химически агрессивным факторам окружающей среды, включая возможное воздействие веществ, содержащихся в изолируемом объекте.
Теплоизоляционные конструкции должны отвечать требованиям подраздела 6.5 СП 4.13130. Указанные теплоизоляционные конструкции должны относиться к группе “не распространяющие пламя” по ГОСТ Р 53327.
6.9 Для теплоизоляции резервуаров хранения СПГ следует использовать негорючие закрытопористые теплоизоляционные материалы.
Проектные сценарии пожара не должны вызывать ухудшения теплопроводности теплоизоляции в результате ее плавления или усадки.
Должна обеспечиваться возможность удаления природного газа из теплоизоляции резервуаров хранения СПГ, расположенной в межстенном пространстве, путем продувки инертным газом.
6.10 Конструктивные особенности технологического оборудования и способы его размещения должны предотвращать возможность попадания аварийных утечек СПГ на пути и маршруты эвакуации людей.
6.11 Нагревающие устройства оборудования должны оснащаться средствами регулировки температуры, автоматическими устройствами отключения нагревательных элементов при достижении предельно допустимого значения температуры в соответствии с регламентом технологического процесса, световой и звуковой сигнализацией о неисправностях и превышении допустимой температуры.
6.12 Продувку основного и вспомогательного технологического оборудования, в котором возможно обращение горючих паров СПГ перед вводом или выводом из эксплуатации, а также перед проведением ремонтных и регламентных работ следует проводить инертным газом.
6.13 Технологические схемы хранилищ СПГ должны обеспечивать возможность аварийного отключения отдельно каждого из резервуаров, связанных между собой технологическим процессом и расположенных на одной площадке.
6.14 Технологические трубопроводы на входе и выходе с территории хранилища СПГ должны иметь отключающие устройства, размещенные в пределах территории хранилища СПГ.
6.15 При проектировании трасс технологических трубопроводов следует предусматривать минимальное количество разъемных соединений.
Не допускается располагать разъемные соединения над рабочими площадками и местами, предназначенными для прохода людей и проезда транспорта.
6.16 Хранение СПГ должно осуществляться в изотермических двухоболочечных резервуарах с полной герметизацией, изготовленных из материалов, стойких к температурам хранения продукта.
Внешняя оболочка резервуара должна быть выполнена в виде герметичного сосуда и обеспечивать удержание СПГ и контролируемый сброс его паров при разгерметизации внутреннего резервуара в течение времени, необходимого для его аварийного опорожнения.
6.17 Конструкции и оборудование резервуара должны сохранять свою работоспособность при низкотемпературном воздействии СПГ, при полном разрушении отводящего (подводящего) трубопровода максимального диаметра и истечении СПГ в течение расчетного времени, но не менее 10 мин.
Расчетное время истечения должно определяться, исходя из времени обнаружения утечки установленными на площадке датчиками газосигнализаторов и времени, необходимого для гарантированного перекрытия трубопровода дистанционно управляемой запорной арматурой.
Места расположения трубопроводов и оборудования с СПГ должны оборудоваться стойкими к низкотемпературному воздействию системами сбора и отвода аварийных проливов СПГ (например, поддоны, отводные трубопроводы, лотки), предотвращающими попадание жидкой фазы СПГ на незащищенные поверхности.
6.18 Внешняя оболочка резервуара для хранения СПГ, его арматура и оборудование должны сохранять свою целостность и функциональную исправность в условиях и в течение времени воздействия любого из следующих расчетных сценариев пожара (как на рассматриваемом резервуаре, так и на соседнем):
- пожар на свече рассеивания при сбросе паров СПГ из резервуара хранения СПГ в атмосферу через предохранительные клапаны;
- пожар пролива СПГ в бассейне-накопителе;
- пожар на соседнем резервуаре и технологическом оборудовании.
Опорные конструкции резервуара для хранения СПГ должны иметь защиту от воздействия возможного очага пожара, обеспечивающую сохранение их функциональных свойств в течение времени полного выгорания расчетного объема пролитого СПГ, но не менее предела огнестойкости R 120.
6.19 Резервуар СПГ должен оборудоваться специальными лестницами (не менее двух) для доступа персонала на его верхнюю часть, где располагается площадка для обслуживания технологического оборудования, и возможности эвакуации в случае аварийной ситуации.
6.20 Технологические штуцеры и штуцеры системы контрольно-измерительных приборов и автоматики должны размещаться в одном секторе на куполе резервуара или группироваться в зависимости от их функционального назначения. Узлы ввода и вывода трубопроводов из резервуара и других элементов и устройств должны быть выполнены только через купольное перекрытие резервуара.
Для выдачи СПГ из изотермических резервуаров должны использоваться погружные герметичные насосы, устанавливаемые непосредственно в резервуаре. Каждый из погружных насосов откачки СПГ должен размещаться в собственной шахте, оснащенной затворными и предохранительными устройствами, а также устройствами для подачи в шахту инертного газа.
Конструкция шахт погружных насосов выдачи СПГ должна обеспечивать возможность снятия и замены любого из насосных агрегатов без опорожнения резервуара.
6.21 Прокладка технологических трубопроводов к резервуару должна предусматриваться только по эстакаде с проницаемым для СПГ настилом, выполненной из негорючих материалов, стойких к криогенному воздействию СПГ. Конструкции отдельно стоящих опор и эстакад под трубопроводы с СПГ должны выполняться из негорючих материалов и иметь предел огнестойкости не ниже R 120.
На эстакаде должны быть предусмотрены площадки с ограждением для доступа к арматуре и приборам, необходимым для безопасного ведения технологических процессов.
6.22 На трубопроводах подачи (выдачи) СПГ и паров в (из) резервуар следует устанавливать запорную арматуру.
Запорная арматура должна быть с приводом (пневмопривод или электропривод во взрывозащищенном исполнении) и управляться автоматически или дистанционно с пульта операторной (диспетчерской), как при нормальных режимах работы, так и при аварийных ситуациях. Кроме того, указанная запорная арматура должна иметь дублирующее ручное управление.
При проектировании трубопроводов технологической обвязки резервуаров следует предусматривать установку специальных устройств (например, обратные клапаны, скоростные запорные клапаны), ограничивающих утечку и разлив СПГ в случае аварийного разрыва трубопровода.
6.23 Изотермические резервуары должны быть защищены от повышения давления с помощью предохранительных устройств и систем.
Следует предусматривать две независимые автоматические разгрузочные системы:
- закрытую систему газосброса через регулировочные клапаны для сжигания на факеле;
- систему газосброса через предохранительные клапаны на свечу рассеивания непосредственно в атмосферу.
Помимо автоматического управления следует обеспечить возможность дистанционного управления указанными разгрузочными системами.
6.24 При расчете производительности разгрузочных систем следует учитывать максимальный единичный сброс паров СПГ, который может образоваться при нормальном и аварийном режимах работы резервуара.
Сброс избытка паровой фазы СПГ в систему газосброса на факел должен осуществляться автоматически при превышении избыточного давления относительно номинального (рабочего) на заданную проектом величину.
Сброс избытка паровой фазы СПГ через предохранительные клапаны в систему газосброса на свечу рассеивания непосредственно в атмосферу должен осуществляться автоматически при превышении избыточного давления величины давления срабатывания предохранительных клапанов, если сброс на факел не привел к требуемому снижению давления. Коллектор прямого сброса в атмосферу должен располагаться на высоте не менее 10 м от верхней точки купола.
6.25 Система газосброса должна рассчитываться как на максимальный сброс паров, образующихся за счет указанных выше причин, так и на тепловое воздействие на конструкцию резервуара при различных сценариях пожара.
Установочное давление (давление срабатывания) регулировочных и предохранительных клапанов от повышения давления на резервуарах со сбросом паров СПГ в систему газосброса на факел и в систему газосброса на свечу непосредственно в атмосферу должно быть менее максимального расчетного давления резервуара.
Системы газосброса должны иметь резервные клапаны.
6.26 Изотермические резервуары должны быть защищены от образования вакуума в паровом пространстве резервуаров.
Следует предусматривать две системы предохранительных устройств для защиты от вакуума:
- систему гашения вакуума до определенного заданного предела путем подачи в паровое пространство азота или паров СПГ;
- систему гашения вакуума с помощью вакуумных клапанов, при срабатывании которых резервуар по паровому пространству соединяется непосредственно с атмосферой в случаях, когда подача азота или паров СПГ не привела к необходимому гашению вакуума.
6.27 Вакуумные предохранительные устройства резервуара должны быть рассчитаны на максимальный единичный пропуск газа, поступающего в резервуар для гашения вакуума. Система подачи газа для гашения вакуума не должна допускать нерасчетного срабатывания вакуумных предохранительных клапанов и попадания воздуха в резервуар. Применение системы гашения вакуума путем подачи газа в резервуар не должно исключать установки самих вакуумных предохранительных клапанов.
6.28 Сбросные трубопроводы от предохранительных устройств должны устанавливаться с выполнением следующих условий:
- обеспечение отвода паров СПГ на факел или свечу рассеивания;
- обеспечение защиты от механического повреждения;
- предотвращение попадания в трубопроводы атмосферной влаги и углеводородного конденсата от предохранительных устройств или обеспечение их удаления с устройством соответствующей конструкции противодождевых козырьков и дренажей. Устройство дренажей при этом должно исключать возможность проникновения через них пламени.
Размещение трубопроводов отвода паров СПГ к регулировочным и предохранительным клапанам внутри резервуара должно обеспечивать предотвращение попадания жидкой фазы СПГ в систему газосброса при переполнении резервуара.
Средства контроля и автоматизации изотермического резервуара должны обеспечивать:
- автоматическое измерение давления в паровом пространстве резервуара;
- автоматическое измерение уровня СПГ в резервуаре;
- автоматическое измерение температуры хранимого СПГ в его паровой и жидкой фазах;
- автоматическое измерение температуры тепловой изоляции днища, боковой стенки и перекрытия в характерных точках;
- независимую автоматическую сигнализацию верхнего и нижнего предельно допустимого уровня хранимого СПГ;
- автоматическое включение систем защиты резервуара от повышения давления и образования вакуума в паровом пространстве резервуара;
- автоматический контроль за герметичностью (отсутствием утечек) внутренней емкости (например, по температуре в межстенном пространстве);
- контроль за герметичностью внешней оболочки;
- автоматическое отключение запорной арматуры на технологических трубопроводах подачи СПГ в резервуар при достижении верхнего предельного уровня, повышении давления в резервуаре до предельно допустимого значения;
- автоматическое отключение насосов выдачи СПГ из резервуара и соответствующей запорной арматуры на технологических трубопроводах при достижении нижнего предельного уровня и снижении давления в резервуаре до предельно допустимого значения.
При наполнении резервуара хранения СПГ должны быть предусмотрены мероприятия, предотвращающие повышение интенсивности испарения СПГ за счет самопроизвольного перемешивания хранимого продукта при возникновении в резервуаре температурного расслоения.
Система контроля давления изотермического резервуара должна обеспечивать:
- при повышении рабочего давления в резервуаре выше определенного в проекте предела в диапазоне рабочих значений последовательно – подачу сигнала в помещение операторной, автоматическое закрытие отсекающего клапана на вводе СПГ в резервуар, открытие регулировочного клапана (устройства) и сброс паров СПГ в закрытую систему газосброса для сжигания на факеле;
- при превышении рабочего давления выше верхнего пр?