Результат интеллектуальной деятельности: Адсорбционно-дыхательный клапан со съемной мембраной

Изобретение относится к области обеспечения безопасности хранения и перевозки нефтепродуктов, в частности железнодорожным транспортом, и может быть использовано для снижения потерь нефтепродукта в результате испарения, а также для повышения экологической и пожарной безопасности.

Дыхательные устройства служат для поддержания постоянного давления в свободном пространстве резервуара при заполнении и сливе нефтепродуктов, при изменении температуры газовой среды, а также для обеспечения герметичности при опрокидывании емкости; для предотвращения взрыво- и пожароопасных ситуаций их оснащают огнепреградителями, действующими по принципу гашения пламени в узких каналах.

В качестве аналогов приняты следующие устройства: 1) дыхательный клапан для резервуаров с легкоиспаряющимися жидкостями, содержащий корпус с затворами для прохода и выхода из резервуара воздуха и газовоздушной смеси, нижняя часть корпуса выполнена в виде усеченной пирамиды, обращенной вниз меньшим основанием, при этом корпус клапана в нижней части снабжен дополнительными затворами для прохода воздуха внутрь резервуара, а угол наклона стенок пирамиды выбран так, что площадь последних превышает площадь их горизонтальных проекций не менее чем в два раза, отличающийся тем, что затворы для прохода воздуха снабжены основными и дополнительными гибкими связями, каждая из которых прикреплена одним концом к центральной части наружной стороны затвора, а другим - к внутренней стенке патрубка седла, причем основные гибкие связи выполнены в виде пластин, а дополнительные - в виде цепей (патент RU 32475 U1, 20.09.2003);

2) дыхательно-предохранительный клапан нефтяных резервуаров, содержащий корпус с затворами давления и затворами разрежения, каждый из которых включает седло, выполненное на корпусе и тарель, размещенную на седле с возможностью движения, отличающийся тем, что одинаковые по назначению тарели выполнены различной массы (патент RU 45172 U1, 27.04.2005);

3) дыхательный клапан для резервуаров с легкоиспаряющимися жидкостями с дыханием в открытую систему, содержащий корпус, на одной оси которого расположены тарель вакуума, нагруженная пружиной, и тарель давления, имеющая отверстия для взаимодействия с тарелью вакуума, отличающийся тем, что тарель давления, совмещенная с грузом, установлена в направляющих и, являясь одновременно седлом тарели вакуума, нагружена статически силой тяжести груза, а корпус служит одновременно седлом тарели давления (патент RU 91125 U1, 27.01.2010);

4) клапан дыхательный, включающий огнепреградитель, установленный в верхней части клапана под крышкой, затворы давления и вакуума, размещенные в корпусе клапана, отличающийся тем, что корпус клапана заключен в защитный кожух, затвор давления установлен в нижней части корпуса клапана, а крышка клапана снабжена, по крайней мере, одним поворотным кронштейном (патент RU 101136 U1, 10.01.2011);

5) клапан дыхательный, содержащий корпус клапана, тарелку клапана и индикатор срабатывания клапана, закрепленные на корпусе, отличающийся тем, что клапан дыхательный содержит полость индикатора срабатывания клапана, изолированную тарелкой клапана от газового пространства резервуара и атмосферы при расположении тарелки на седле клапана и сообщающуюся с газовым пространством резервуара и атмосферой в случае срабатывания клапана при подъеме тарелки клапана с седла клапана (патент RU 136517 U1, 10.01.2014).

Общими для перечисленных аналогов недостатками являются сложность конструкции и утечки паров нефтепродукта в окружающую среду.

В качестве прототипа выбран адсорбционно-дыхательный клапан (патент RU 192622 U1, 24.09.2019), состоящий из корпуса с двумя патрубками, внутри которого размещен огнепреградитель, отличающийся тем, что огнепреградитель состоит из двух эластичных сеток на основе базальтовой ткани с определенным размером ячеек, обеспечивающим гашение пламени, между которыми помещен сибунит, предназначенный для адсорбции паров нефтепродуктов, что препятствует их выходу в атмосферу, а также распространению пламени.

Недостатком этого клапана является сложность замены адсорбента по достижении предела его насыщения.

Предлагаемое техническое решение предусматривает размещение адсорбента между двумя мембранами, представляющими собой сетки огнепреградителя из базальтовой ткани, закрепленные на ободах. Мембраны установлены в пазах втулки адсорбционно-дыхательного клапана, что позволяет изменять расстояние между ними, а также вид используемого адсорбента.

По достижении предела насыщения адсорбента втулку клапана извлекают через лючок, снимают верхнюю мембрану и заменяют адсорбент.

Сетки на основе базальтовой ткани имеют высокую огнестойкость, простое конструктивное исполнение, низкую стоимость, высокие механические характеристики, химическую стойкость, что позволяет использовать их в качестве огнепреградителя. Для обоснования возможности использования базальтовой ткани в качестве сетчатого огнепреградителя проведен расчет критического диаметра пламягасящего элемента (КДПЭ) для керосина ТС-1, определены безопасный и эквивалентный диаметр; проведены огневые испытания.

Критический диаметр канала пламягасящего элемента рассчитан по формуле:

где Ре - число Пекле;

R - универсальная газовая постоянная кДж/моль ⋅ К;

Т - начальная температура газовой горючей смеси, К;

λ - теплопроводность горючей смеси, Вт/(м ⋅ К);

S_u - нормальная скорость распространения пламени, м/с;

С_р - теплоемкость газовой горючей смеси при постоянном давлении, кДж/(кг ⋅ К);

Р - давление горючей смеси, Па;

М - молярная масса горючей смеси, кг/моль.

Безопасный диаметр канала пламягасящего элемента принимают с учетом двойного коэффициента запаса надежности, то есть:

d_без=0,5d_кр

Размер квадратной ячейки (а) сетки на основе базальтовой ткани определен по формуле:

где r_г - гидравлический радиус, мм;

S - площадь ячейки, мм²;

П - периметр ячейки, мм.

Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Для подтверждения возможности использования базальтовой сетки в качестве огнепреградителя проведены огневые испытания. Были изготовлены образцы базальтовой ткани прямоугольной формы размером 0,25×0,25 м. В ткани между волокон были проделаны отверстия, соответствующие полученным расчетным данным (диаметром 1,37 мм для бензина). После этого ткань была закреплена в держатель кольцеобразной формы внутренним диаметром 0,20 м. Температура воздуха в помещении составляла 20-25°С. Бензин наливали в металлический поддон и поджигали. При помощи держателя накрывали очаг возгорания противопожарным средством. При этом стойкое пламенное горение прекращалось мгновенно, выделения дыма не было.

В качестве сорбента, располагаемого между эластичными базальтовыми сетками, можно использовать материалы на основе активных углей, обладающие высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью, например, сибунит. Физико-химические свойства сибунита по сравнению с активными углями приведены в таблице 2.

На фигуре 1 показана схема адсорбционно-дыхательного клапана. Он состоит из корпуса 1, в котором размещена втулка 2, оборудованная пазами 3; в пазах устанавливают мембраны, представляющие собой закрепленные на ободах 5 сетки огнепреградителя из базальтовой ткани 4; между мембранами размещают слой адсорбента 6. Для изъятия втулки в корпусе клапана предусмотрен лючок 7.