Задачей расчета предохранительных клапанов является определение пропускной способности, типа и количества клапанов, подбор пружины к ним, динамических усилий, возникающих при срабатывании предохранительного клапана.

Необходимыми исходными данными для расчета предохранительных клапанов при выполнении проектов отдельных аппаратов являются:

— место установки предохранительного клапана;

— требуемая пропускная способность клапана, G, кг/ч;

— избыточное технологическое давление в сосуде или трубопроводе, Р₁, МПа;

— расчетное давление, Р_р, МПа;

— температура среды перед клапаном, Т₁, К;

— максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном, Р₂, MПa;

— фазовое состояние среды;

— состав среды, сбрасываемой через клапан, % мол. или % мас.

Для сосудов, разрабатываемых на условное давление по ГОСТ 9493-80, пропускная способность, количество и тип предохранительных клапанов выбираются на условия расчета клапанов на наихудшие условия по пределам применения сосуда.

Требуемая пропускная способность предохранительного клапана определяется из следующих условий:

— для предохранительных клапанов, устанавливаемых на технологических емкостях, сепараторах, дегазаторах, абсорберах, адсорберах, разделителях и т.п. — из условия подачи в сосуд среды при закрытых выходах из него принимается по максимально заданной производительности;

— для предохранительных клапанов, устанавливаемых на ректификационных колоннах, — из условия сброса клапаном всего количества паров, поступающих и образовавшихся в сосуде при закрытии выхода вверху колонны, а именно:

где: , Вт — тепловая нагрузка кипятильника (рибойлера) в нормальном режиме работы при Р_т (принимается по проекту);

, Вт — количество тепла, поступающее с питанием в аварийном режиме при Р₁:

(в случае наличия на подаче питания подогревателя с регулированием температуры питания на выходе или в случае отсутствия подогревателя на подаче питания) или

(в случае наличия на подаче питания подогревателя без регулирования температуры питания или в случае использования в качестве подогревателя трубчатой печи);

, кг/ч — расход питания колонны в аварийном режиме при Р₁;

е, мас. доля — доля пара в питании (доля отгона);

, Дж/кг — теплосодержание жидкого питания в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, Дж/кг — теплосодержание паров питания в аварийном режиме при P_I;

, Дж/кг — теплосодержание питания на входе в подогреватель питания в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, Вт — тепловая нагрузка подогревателя питания в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, Вт — суммарная тепловая нагрузка промежуточных циркуляционных орошений в нормальном режиме;

, Вт — тепловая нагрузка одного из промежуточных циркуляционных орошений, имеющего наибольшую величину, в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, кг/ч — сумма расходов промежуточных отборов в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, дж/кг — теплосодержание жидкости промежуточного отбора в аварийном режиме при P_I;

, кг/ч — расход дистиллата в аварийном режиме при P₁:

Д^н, кг/ч — расход дистиллата в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, кг/ч — расход питания колонны в нормальном режиме при Р_т (принимается по проекту);

, Дж/кг — теплосодержание жидкого продукта вверху колонны в аварийном режиме при P₁;

, кг/ч — расход кубовой жидкости в аварийном режиме при Р₁:

, Дж/кг — теплосодержание жидкого кубового остатка в аварийном режиме при P₁;

, Дж/кг — теплосодержание пара вверху колонны в аварийном режиме при Р₁;

, Дж/кг — теплосодержание жидкости вверху колонны в аварийном режиме при Р₁;

G_в.п., кг/ч — расход водяного пара (инертного газа), подаваемого в колонну на отпарку (учитывается только в случае, если давление водяного пара больше P₁).

Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на жидкостных трубопроводах и сосудах, полностью заполненных жидкостью и рассчитанных по давлению питающего источника, — из условия сброса клапаном дополнительного количества жидкости, образовавшегося в результате теплового расширения от солнечной радиации, а именно:

G = V_c·r_ж·b_ж(T₂ — T₁), кг/ч,

где: V_c, м³ — первоначальный объем жидкости в сосуде (трубопроводе) при температуре T₁;

T₁, °С — рабочая температура жидкости в сосуде (трубопроводе);

T₂, °С — максимальная температура жидкости в сосуде (трубопроводе). При расчетах принимается: Т₂ = 50°С;

r_ж, кг/м³ — плотность жидкости при T₁, принимается по программе расчета ТФС;

b_ж, 1/°С — коэффициент объемного расширения жидкости, принимается по программе расчета ТФС.

Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на трубопроводах на стороне меньшего давления после регуляторов давления — из условия полного открытия регулирующего клапана и отсутствия расхода после него (принимается по максимально заданной производительности); на газораспределительных станциях — из условия 0,01 максимальной производительности регулирующего клапана.

Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на нагнетательном трубопроводе после насоса или компрессора — из условия полной производительности насоса или компрессора при отсутствии расхода после него.

Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на обогреваемом трубопроводе с пожароопасными жидкостями или сжиженными газами между отключающей арматурой, — из условии сброса клапаном всего количества пара (газов), образуемых при кипении жидкости, рассчитываемого по формуле:

где: F_об. — поверхность обогреваемого участка трубопровода между отсекающими задвижками, м²;

K — коэффициент теплопередачи при обогреве паровым или водяным спутником:

K = 12 Вт/м² · K;

r — скрытая теплота испарения жидкости при давлении сброса P₁, кДж/кг, принимается по программе расчета ТФС;

t_сп — температура спутника, °С;

t_пр — температура кипения жидкости при давлении сброса Р₁ °С, принимается по программе рас чета ТФС.

Для предохранительных клапанов, устанавливаемых на складских емкостях для сжиженных газов и пожаровзрывоопасных жидкостей и для холодильного оборудования, — из условия пожара вблизи аппарата. Повышение давления в аппарате сверх расчетного при пожаре вблизи аппарата происходит за счет испарения жидкости или теплового расширения газа.

Расчет предохранительных клапанов «на пожар» производится при условии полного отключения аппарата и прекращения подачи в него предусмотренного технологическим процессом продукта.

Подземные емкости и теплообменные аппараты на пожар не рассчитываются.

Для сосудов, полностью заполненных жидкой фазой или содержащих жидкую и паровую фазу, количество выбросов через предохранительный клапан определяется по формуле:

где: F_сп, м² — смоченная поверхность аппарата;

t_г, °С — температура газо-воздушной смеси, омывающей при пожаре наружную поверхность аппарата. При расчетах принимается t_г = 600 °С;

t_к, °С — температура кипения жидкости при давлении полного открытия предохранительного клапана, принимается по программе расчета ТФС;

K_ж, Вт/м²·К — общий коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха через стенку аппарата к жидкости.

При расчетах принимается:

K_ж для изолированного = 2,9 Вт/м²·К;

K_ж для неизолированного = 23,2 Вт/м²·К;

r, кДж/кг — скрытая теплота парообразования жидкости при температуре t_ж, принимается по программе расчета ТФС.

Смоченная поверхность F_сп аппарата определяется при максимальном уровне заполнения аппарата.

Для ректификационных колонн смоченная поверхность определяется при максимальном уровне жидкости в кубе и жидкости на тарелках.

Для сосудов, содержащих газовую (паровую) фазу, пропускная способность предохранительного клапана определяется по формуле:

где: F_н, м² — полная наружная поверхность аппарата;

t_г, °С — температура газо-воздушной смеси, омывающей при пожаре наружную поверхность аппарата, t_г = 600 °С;

t_п, °С — температура газов (паров) в аппарате при нормальном режиме;

C_р, Дж/кг·К — теплоемкость газа (пара) при давлении Р₁, принимается по программе ТФС;

K_п, Вт/м²·К — общий коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха через стенку аппарата к газу (пару).

При расчетах принимается:

K_п для изолированных = 3 Вт/м²·К;

K_н для неизолированных = 12 Вт/м²·К.

Площадь проходного сечения предохранительного клапана следует рассчитывать по формуле:

для газа,

для жидкости

где: P₁ — максимальное избыточное давление перед предохранительным клапаном, равное давлению полного открытия клапана, МПа;

P₂ — максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном, МПа;

r₁ — плотность реального газа перед клапаном при  параметрах P₁ и T₁, кг/м³, принимается по программе расчета ТФС;

Т₁ — температура среды перед клапаном при давлении Р₁, °С;

a₁ — коэффициент расхода, соответствующие площади для газообразных сред;

a₂ — коэффициент расхода, соответствующий площади для жидких сред.

Коэффициент расхода предохранительных клапанов для газообразных сред (a₁) или жидких сред (a₂) принимается в соответствии с техническими условиями на клапаны.

r₂ — плотность жидкости перед клапаном при параметрах P₁ и Т₁, кг/м³, принимается по программе расчета ТФС;

В — коэффициент, учитывающий физико-химические свойства газов при рабочих параметрах, подсчитывается по формулам:

K — показатель адиабаты (для индивидуальных веществ — по табл. 2 приложения, для смесей — по программе расчета ТФС;

b — отношение абсолютных давлений после и до клапана:

b_кр — критическое отношение давлений подсчитывают по формуле:

Для аппаратов при запасе от переполнения жидкости менее 5 мин. площадь проходного сечения определяется по сумме сечений для сброса раздельно газов и жидкости.

Для аппаратов при запасе от переполнения жидкости более 5 мин. площадь проходного сечения определяется по сечению сброса газа.

Количество предохранительных клапанов определяется по формуле:

где: f, мм² — площадь проходного сечения седла выбранного клапана (табл. 1).

Если число n получается равным или меньше единицы, то следует остановиться на выбранном диаметре клапана.

Если число n получается больше единицы, то следует принять клапан с большим диаметром или, если это невозможно, установить несколько предохранительных клапанов.

Сбросы от предохранительных клапанов направляются в факельные системы.