Stofexplosie-ontlastingskleppen: stapsgewijze dimensioneringsgids
Methode voor het schatten van de benodigde afmetingen van explosie-ontlastingskleppen / barstpanelen, gebruikt voor het mitigeren van stofexplosies
Vraag of opmerking? Neem contact met ons op via admin@powderprocess.net
| Sectie samenvatting |
|---|
| 1. Inleiding |
| 2. Vereisten voor het dimensioneren van stofexplosie-ontlastingskleppen |
| 3. Beperkingen van de methode |
| 4. Stapsgewijze berekeningsprocedure |
| 5. Kanalen voor stofexplosie-ontlastingskleppen |
| 6. Andere berekeningsmethoden |
Stofexplosie-ontlastingskleppen zijn essentiële apparatuur om de veiligheid van processen met brandbare poeders te waarborgen. Op deze pagina wordt stapsgewijs uitgelegd hoe u de afmetingen van een stofexplosie-ontlastingsklep kunt schatten.
1. Inleiding
Het is verplicht voor een fabrieksoperator om een risicobeoordeling voor stofexplosies uit te voeren en alle benodigde maatregelen te treffen om explosies te voorkomen. Soms is het resterende risico echter te hoog en moeten explosiemitigerende maatregelen worden geïmplementeerd, zoals explosiepanelen op trechters, silo's, filters op bepaalde transportbanden. Op deze pagina wordt uitgelegd hoe explosiepanelen zijn opgebouwd en worden benaderende methoden voorgesteld om ze te dimensioneren.
De hier gepresenteerde methoden zijn niet nauwkeurig; ze worden alleen gebruikt als illustratie van de concepten die het ontwerp begeleiden en als eerste benadering, bijvoorbeeld voor budgettering, maar MOGEN NIET WORDEN GEBRUIKT VOOR DETAILED DESIGN. VOOR DAADWERKELIJKE IMPLEMENTATIE MOET ALTIJD EEN GEREPUTEERD BEDRIJF WORDEN INGESCHAKELD OM HET PANEEL TE DIMENSIONEREN EN TE INSTALLEREN.
2. Vereisten voor het dimensioneren van stofexplosie-ontlastingskleppen
Kennis van de stofexplosie-eigenschappen
Om een explosiepaneel te kunnen dimensioneren dat de druk van een stofexplosie kan ontlasten, is het noodzakelijk om te weten "hoe" het poeder zal exploderen. Dit betekent dat de stofexplosie-eigenschappen van een materiaal moeten worden gemeten. Met name moeten de volgende parameters bekend zijn:
Kennis van de kenmerken van het te beschermen vat
De dimensionering van het explosiepaneel zal variëren afhankelijk van het volume, de vorm en de ontwerpdruk van het te beschermen vat. Het is daarom vereist om de volgende gegevens te verzamelen:
- Maximaal toelaatbare werkdruk
- Volume van het vat
- Verhouding lengte (hoogte) ten opzichte van diameter: L/D
3. Beperkingen van de methode
De gepresenteerde methode is alleen geldig onder de volgende aannames:
- Volume tussen 0,1 en 10.000 m³
- Statische activeringsdruk van de ontlastingsklep tussen 0,1 en 1 bar(g)
- Gereduceerde explosiedruk tussen 0,1 en 2 bar(g), en moet minstens gelijk zijn aan tweemaal de statische activeringsdruk plus de tolerantie voor de barstdruk van de klep
- Pmax tussen 5 en 10 bar als Kst tussen 10 en 300 bar·m·s⁻¹
- Lengte/diameter-verhouding L/D tussen 1 en 20; voor verticaal gevormde trechters (bij horizontale vorm is deze methode niet van toepassing)
- Druk bij ontsteking < 110 kPa en zuurstofconcentratie < 21%
4. Stapsgewijze berekeningsprocedure
4.1 STAP 1: Verzamel gegevens over stofexplosie-eigenschappen en vatconstructie
Zoals hierboven uitgelegd
4.2 STAP 2: Definieer de verhouding L/D op basis van de positie van de ontlastingsklep
Bij een verticale cilindrische trechter is de verhouding hoogte/diameter (L/D) afhankelijk van de positie van de ontlastingsklep, die typisch op de bovenkant of aan de zijkant kan worden geïnstalleerd. De "lengte" is dan de maximale afstand die de vlam, L_eff, moet afleggen om het vat via de explosie-ontlastingsklep te verlaten.eff
Indien een conus aanwezig is, wordt de bijdrage van de conus aan de effectieve vlamlengte beschouwd als 1/3 van de conushogte [SHAPA 1].
De "diameter" is eigenlijk een effectieve diameter die moet worden berekend op basis van het effectieve volume.
Merk op dat in sommige gevallen het langste vlamtraject van de top van de trechter naar de onderkant van het explosiepaneel kan lopen. Dit kan het geval zijn bij bepaalde filters.
4.3 STAP 3: Bereken het benodigde ontlastingsoppervlak van het explosiepaneel
A = B*[1 + C*log10(L/D)]
B = [3,264*10-5*Pmax*Kst*Pred-0,569+ 0,27*(Pstat-0,1)*Pred-0,5]*V0,753
C = [-4,305*log10(Pred) + 0,758]
Met:
A = benodigd ontlastingsoppervlak in m²
V = werkelijk volume van het vat in m³
Kst = explosiedruksnelheidsstijging in bar·m/s
Pmax = maximale explosiedruk in bar
Pred = gereduceerde explosiedruk in bar = gereduceerde explosiedruk in bar (dit is de doelstelling voor de maximale druk in het vat die wordt bereikt nadat de explosieontlasting is geopend)
Pstat = statische openingsdruk van de explosieontlasting in bar (dit is de ontwerpstatische druk waarbij de explosieontlasting zal openen)
L/D = L/Deff = vormverhouding van het vat dat wordt beschermd door de explosieontlasting
[SHAPA 2] vermeldt dat een efficiëntie in rekening moet worden gebracht om het berekende ontlastingsoppervlak te corrigeren. Het is dan cruciaal om de ontlasting te ontwerpen in samenwerking met de fabrikant, die in staat zal zijn om de efficiëntie van de explosieontlasting te bepalen. Een dergelijk ontwerp mag niet alleen door fabrieksoperators worden uitgevoerd.
Als de efficiëntie bijvoorbeeld 90% is, dan is het daadwerkelijk benodigde oppervlak A/0,9
4.4 Voorbeeldberekening van de grootte van een stofexplosieontlasting
De te beschermen trechter bevindt zich aan het einde van een pneumatische transportleiding. Het is een conische trechter uitgerust met een filter, en de fabriek heeft op basis van een stofexplosierisicoanalyse bepaald dat deze moet worden voorzien van een zijdelings explosieontlastingspaneel. De fabriek wil controleren welke afmeting het paneel moet hebben, om zeker te weten dat het geïnstalleerd kan worden, en vervolgens een idee krijgen van de kosten. Dit werk wordt uitgevoerd tijdens het basisontwerp waarna het bedrijf van plan is om een gespecialiseerd bedrijf in te schakelen om dit tijdens het detailontwerp te bevestigen.
De trechter heeft de volgende afmetingen:
- D = 2 m diameter
- Cilindrische hoogte Hmantel = 3 m
- Positie van de ontlasting moet boven het productniveau liggen, deze bevindt zich 1 m vanaf de bovenkant van de trechter, Hontlasting = 2 m
- Kegelhoogte hkegel = 2,5 m
- Uitloopdiameter kegel do = 0,25 m
STAP 1: verzamel de stofexplosie-eigenschappen
Het opgeslagen product heeft de volgende kenmerken:
- Kst = 150 bar·m/s
- Pmax = 8,5 bar
Gelet op de mechanische sterkte van de trechter, wenst de fabriek dat de ontlasting opent bij 0,2 bar (relatief) en dat de restdruk Pred niet hoger is dan 0,5 bar (relatief).
STAP 2: bepaal de verhouding L/D
- Effectieve vlamlengte Leff = 2,5/3 + 2 = 2,8 m (zie geval 2 van paragraaf 4.2)
- Het effectieve volume Veff = π·D²/4·Hontlasting + (2π/3·(D²/4 + (D/2·do/2) + do²/4)/3) = 7,08 m³
- De effectieve diameter is dan Deff = 2·(Veff/Leff/π)^0,5 = 1,78 m
- De verhouding L/Deff = 2,8/1,78 = 1,58
De benodigde afmeting van de ontlasting kan dan worden berekend:
- V = 12,4 m³ (hier wordt het bovenste deksel als plat beschouwd om de berekeningen te vereenvoudigen)
- B = 0,66
- C = 2,05
- A = 0,94 m²
Er moet een ontlasting met een oppervlak > 0,94 m² worden geïnstalleerd om de trechter te beschermen.
WAARSCHUWING: de bovenstaande berekening is slechts ter illustratie op deze website en mag niet worden gebruikt voor detailontwerp. Elk ander gebruik is voor risico van de gebruiker. Detailontwerp moet worden uitgevoerd door een gespecialiseerd bedrijf.
5. Kanaal voor stofexplosieontlasting
Soms is het vereist om de explosievlam en drukgolf weg te leiden van de apparatuur, bijvoorbeeld naar buiten een gebouw. Dit wordt bereikt door het plaatsen van een kanaal aan de uitlaat van de explosieontlasting. De aanwezigheid van het kanaal is een belangrijke ontwerpparameter, omdat het de daadwerkelijk gereduceerde explosiedruk in het beschermde vat zal beïnvloeden.Na het berekenen van het benodigde ontlastingsoppervlak met de hierboven beschreven methode, is het daarom vereist om de gereduceerde explosiedruk te corrigeren als gevolg van de aanwezigheid van een kanaal.Als de gereduceerde explosiedruk te hoog is, moet het ontwerp van de ontlasting worden aangepast.
In elk geval moet de diameter van het kanaal ten minste gelijk zijn aan de diameter van de ontlasting. [SHAPA 2] vermeldt dat het kanaal recht moet zijn.
De gereduceerde druk in aanwezigheid van een kanaal kan worden berekend, voor vaten met een maximale grootte van 100 m³ met de volgende formule [Laurent]:
P'red/Pred = 1 + 17,3·(A/V^0,753)^1,6·(L/D)
Met:
P'red = gereduceerde druk met kanaal (bar relatief)
Pred = gereduceerde druk zonder kanaal (bar relatief)
L = lengte van het kanaal (m)
D = diameter van het kanaal
Een belangrijk punt om rekening mee te houden is voor vlamloze ontlasting (vlamdovers) : een studie [Gregoire] toonde aan dat de bovenstaande formule niet direct toepasbaar is voor dit type ontlastingen, aangezien de fluïdedynamica volledig verschilt door de aanwezigheid van een filter. Deze systemen bieden veel voordelen, maar hun dimensionering moet absoluut worden overgelaten aan hun enige fabrikanten,, de enige entiteiten met voldoende data om deze ontlastingen correct te dimensioneren.
6. Andere berekeningsmethoden
De hierboven gegeven methode is eigenlijk afgeleid van een eerdere methode, genaamd de "nomograaf"-methode. Dit is een grafische methode die werd voorgesteld als Duitse VDI-norm uit 1979 en sindsdien meerdere keren is herzien. Deze methode diende als basis voor andere normen in de VS, Frankrijk, etc.
[Laurent] meldt dat de bovenstaande vergelijkingen licht kunnen worden aangepast om rekening te houden met de turbulentie in het vat op het moment van de explosie, wat een zeer belangrijke parameter is die deze beïnvloedt.
Er wordt een turbulentiecoëfficiënt τ geïntroduceerd, waarbij τ tussen 0 en 3,5 moet liggen:
De NFPA beveelt de volgende formule aan [Agarwal]:
Av = a.(V²⁄³).(Kst)b.(Pred)c
a = 5,71·10-4·exp(2·Pstat)
b = 0,978·exp(-0,105·Pstat)
c = -0,687·exp(0,0226·Pstat)
Met:
Av = Vereiste ontlastingsoppervlakte in m²,
V = Leeg vatvolume in m³,
Kst = Kenmerkende waarde voor stofexplosie in bar·m/s,
Pred = Gereduceerde druk in barg (maximale druk bereikt in het vat tijdens een geventileerde explosie), deze mag niet hoger zijn dan ²⁄₃ van de berstdruk van het vat.
Pstat = Druk waarbij de ontlasting opent in barg, deze is >0,1 bar(g) (de bovenstaande vergelijking is niet geverifieerd voor lagere drukken), terwijl een goede praktijk is om deze 0,5 psi hoger in te stellen dan de bedrijfsdruk van de trechter.
De genomen maatregelen om ontstekingsbronnen te vermijden en het type gekozen explosiemitigatie, moeten worden beschreven in de stofexplosierisicoanalyse (Dust Hazard Analysis, DHA) en de te nemen maatregelen moeten worden toegelicht. De conclusies van de risicoanalyse moeten door de **fabriek** worden geïmplementeerd.
Bron
[SHAPA 1] Dimensionering van explosie-ontlastingsventielen, SHAPA Technisch Bulletin 10
[Agarwal] Stofexplosies: preventie en bescherming, Chemical Engineering Magazine