Пожарная безопасность технологических процессов / Shvyrkov - PB tekhnologicheskikh processov 2012

Сушильные камеры оборудуют автоматическими установками пожаротушения и первичными средствами пожаротушения. Сушильные камеры должны иметь устройства, отключающие вентиляторы калориферов при загорании высушиваемого материала в камере и включающие средства стационарного пожаротушения. Пребывание людей в работающих сушильных камерах, а также сушка спецодежды не разрешается.

Контрольные вопросы

1.Способы удаления влаги из материалов.

2.Виды сушки.

3.Классификация сушилок по способу подвода тепла к материалу.

4.Принципиальная схема сушильной установки.

5.Принципиальная схема камерной, туннельной сушилок и сушилки «кипящего слоя».

6.Причины образования горючих концентраций в калориферных сушилках.

7.Как определить количество испаренной горючей влаги?

8.Специфические источники зажигания и пути распространения пожара калориферных сушилок.

9.Устройство и работа дымогазовых сушилок.

10.Особенности пожарной опасности дымогазовых сушилок.

11.Виды терморадиационных сушилок, их характеристика и работа.

12.Источники зажигания терморадиационных сушилок.

13.Принципиальная схема сушилки ТВЧ.

14.Специфические источники зажигания сушилок ТВЧ.

15.Принципиальная схема и работа петролатумной сушилки.

16.Причины вскипания и выброса петролатума.

281

Глава 21

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

21.1. Химические процессы. Общая характеристика пожарной опасности

Все химические процессы разделяются на две группы: экзотермиче-

ские и эндотермические.

Кэкзотермическим химическим процессам, сопровождающимся вы-

делением тепла, относятся процессы гидрирования, гидрохлорирования, полимеризации, поликонденсации и другие, которые проводятся для получения сырьевых продуктов и полупродуктов при производстве спиртов, растворителей, полимеров, химических волокон, для получения синтетических смол, синтетических каучуков и тому подобных веществ.

Кэндотермическим химическим процессам, сопровождающимся по-

глощением тепла (для проведения этих процессов необходимо обеспечить подвод тепловой энергии извне), относятся процессы дегидрирования, крекинга, пиролиза и тому подобные, которые используются при производстве моторных топлив и масел, ароматических углеводородов, этилена

иацетилена, различных мономеров и других веществ.

Характерной особенностью большинства химических процессов является протекание наряду с основной реакцией большого количества побочных реакций, которые могут оказывать существенное влияние на пожаровзрывоопасность процесса в целом. Кроме того, для получения целевых продуктов в чистом виде дополнительно к основному химическому процессу требуется проведение физико-химических процессов очистки, ректификации, сушки и других, что усложняет производство и повышает его пожарную опасность.

Аппараты для проведения химических превращений исходного сырья в целевой продукт определенного качества и в заданном количестве называются химическими реакторами, которые классифицируются по способу организации химического процесса в реакторе, температурному режиму и режиму движения реагентов.

По способу организации химического процесса различают реакторы периодического, непрерывного и полунепрерывного действия, по температурному режиму – адиабатические, изотермические и политермические (программно-регулируемые), по режиму движения реагентов различают реакторы идеального вытеснения, идеального смешения (перемешивания) и частичного смешения.

282

Сравнивая реакторы идеального вытеснения и смешения, необходимо отметить, что реакторы смешения работают, как правило, в изотермических условиях и оборудованы теплообменными устройствами для подвода или отвода тепла, а реакторы вытеснения – в адиабатических или политермических условиях и не имеют в этих случаях теплообменных устройств, либо в изотермических условиях и оборудованы теплообменными устройствами.

Помимо указанных классификационных признаков, реакторы подразделяются на низкотемпературные и высокотемпературные, по применяемому давлению – на аппараты, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлениях. По фазовому состоянию реагентов реакторы делятся на аппараты для проведения гомогенных и гетерогенных процессов.

Пожарная опасность химических процессов и реакторов определяется в первую очередь обращающимися горючими веществами и материалами (сырьем, полуфабрикатами, продуктами, катализаторами, инициаторами, теплоносителями). Кроме того, на пожарную опасность влияют технологические параметры (температура, давление, объемная скорость, концентрация реагентов и т. д.), конструктивное устройство и режим работы реакторов, агрессивность среды и другие факторы.

Пожаровзрывоопасность экзотермических химических процессов тем выше, чем больше скорость и тепловой эффект реакции. Обеспечение пожаровзрывобезопасности химических процессов с большим тепловым эффектом часто представляет сложную техническую задачу, так как необходим интенсивный отвод тепла от реагирующей среды. Вспомним, что согласно правилу Вант-Гоффа скорость химических реакций возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на 10 К (см. п. 1.5). Рост скорости реакции интенсифицирует, в свою очередь, выделение тепла и повышение температуры в зоне реакции, что может привести к бурному реагированию технологической среды и взрыву. Эндотермическая реакция может быть прервана прекращением подачи теплоносителя, однако и в этом случае сохраняются проблемы, связанные с быстрым отводом тепла от реакционной массы. Опасность химических процессов обусловливается также образованием и накоплением в реакторах нестабильных химических продуктов и развитием неуправляемых спонтанных реакций, носящих взрывной характер.

При разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности химических процессов необходимо знать: свойства обращающихся веществ и материалов; механизм и кинетику химических реакций; условия образования и накопления нестабильных побочных продуктов; влияние на процесс интенсивности отвода реакционного тепла и равномерности распределения реагирующих компонентов; тип реактора, его режим работы и конструктивные особенности; технологические параметры; агрессивность среды и многие другие факторы.

283

Пожаровзрывобезопасность химических производств зависит от уровня автоматизации и надежности систем автоматического контроля и регулирования, без которых практически невозможно безопасное осуществление химико-технологических процессов.

21.2.Процессы гидрирования и гидрохлорирования

иоборудование для их проведения

Гидрирование (гидрогенизация, гидроочистка, гидрогенолиз) – присоединение водорода к простым веществам и органическим соединениям. Процессы гидрирования осуществляются под действием молекулярного водорода в присутствии катализаторов или доноров водорода (например, алюмогидрида лития). Процессы гидрирования применяются для получения целевых продуктов, а также для очистки продуктов от вредных примесей. Процессы гидрирования равновесные. Равновесная глубина гидрирования увеличивается при понижении температуры. Поскольку при гидрировании (за исключением деструктивного) всегда происходит уменьшение объема, для увеличения равновесной степени превращения, особенно при повышенной температуре, применяют высокое давление (до 30–70 МПа). Другим методом повышения степени превращения является применение избытка водорода, превышающего от 5 до 100 раз и более стехиометрически необходимое количество. Часто одновременно применяется повышенное давление и избыток водорода. Некаталитическое гидрирование практически не применяется из-за высокой энергии диссоциации связи Н–Н. Реакции гидрирования – обратимые, однако на практике из-за относительной прочности образующихся молекул воды, сероводорода, хлористого водорода и других веществ равновесие многих реакций сильно смещается в сторону образования продуктов гидрирования. Процессы гидрирования бывают жидкофазными и газофазными, гомогенными и гетерогенными.

Примеры:

N2 + 3H2 2NH3 + Q1 (синтез аммиака),

RSH + H2 RH + H2S + Q2 (гидроочистка),

C6H6 + 9H2 6CH4 + Q3 (гидрогенолиз).

Реакции гидрирования реализуют в реакторах, тип которых зависит от вида катализатора. При использовании гомогенных катализаторов (комплексных металлоорганических соединений) и суспензированных катализаторовприменяютсяполитермическиереакторыколонноготипасустройством

284

трубчатых холодильников в зоне реакции для отвода тепла. При использовании гранулированных катализаторов применяются адиабатические реакторы трубчатого или колонного типа с несколькими неподвижными слоями катализатора и встроенными теплообменниками между слоями. При проведении процессов под высоким давлением используются колонные аппараты, в которых охлаждение зоны реакции производится холодной исходной смесью, поступающей в реактор.

На рис. 21.1 показан реактор

колонного типа для синтеза аммиа-

ка

под

средним

давлением

(до

Азото-

30 МПа). В корпусе 1 такого реак-

тора, изготовленного из высоколе-

водородная

смесь

гированной

хромоникелевой стали

с толщиной стенок 175 мм, диамет-

ром 1,0–1,4 м и высотой 13 м, рас-

положена катализаторная коробка 3

и теплообменник 4, обеспечиваю-

щий автотермичность процесса.

Гидрохлорирование

–

присое-

динение

хлористого

водорода

к органическим веществам. Про-

цессы гидрохлорирования проводят

в

присутствии катализаторов

или

без них при повышенной темпера-

туре. Процессы гидрохлорирования

применяются для получения хлори-

стого метила и этила, хлористого

винила, бутадиена и других про-

Газовая смесь

Азотоводородная

дуктов, служащих сырьем для про-

после реакции

смесь

изводства

кремнийорганических

продуктов, бутилкаучука и хлоро-

Рис. 21.1. Колонна синтеза аммиака

пренового каучука, гербицидов, по-

под средним давлением:

лимерных

пленок,

пропеллентов

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – катализатор-

и многих других продуктов. Про-

ная коробка; 4 – теплообменник;

цессы

гидрохлорирования

равно-

5 – теплоизоляция; 6 – опорная решетка;

весные и обратимые, бывают гомо-

7 – трубы Фильда; 8 – центральная труба

генными и гетерогенными, прово-

дятся в газовой или жидкой фазе.

Примеры:

ZnCl2

С Н ОН + НCl

C H Cl + H O + Q ,

2 5

2 5

2

4

HgCl2, 90–140 oC

CH CH + HCl CH=CHCl + Q5.

285

Помимо основных продуктов в процессах гидрохлорирования образуется большое количество побочных продуктов, что затрудняет последующее выделение целевых продуктов.

Процессы гидрохлорирования реализуют в адиабатических шахтных реакторах, трубчатых реакторах, реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора, барботажных реакторах емкостного типа и в других типах реакторов в зависимости от агрегатного состояния реагирующих компонентов и катализаторов.

21.2.1. Особенности пожарной опасности процессов гидрирования

1.Использование в качестве сырья ЛВЖ и ГЖ в жидком и парообразном состояниях.

2.Обращение в процессах больших количеств водорода.

3.Высокая скорость протекания процессов.

4.Высокая экзотермичность процессов.

5.Проведение процессов при температурах до 450 оС и давлениях до 70 МПа и выше.

6.Трудности отвода тепла при проведении процессов под высоким давлением.

7.Конечные продукты реакций представляют собой смеси ГГ, паров или жидких ЛВЖ и ГЖ с водородом, для выделения целевых продуктов из которых требуется проведение сложных и пожаровзрывоопасных физикохимических процессов.

8.Механические, температурные и химические воздействия (в первую очередь водородная коррозия) на материал оборудования.

21.2.2. Особенности пожарной опасности процесса гидрохлорирования

1.Использование в качестве сырья ГГ, а также ЛВЖ и ГЖ в жидком или парообразном состоянии.

2.Снижение горючести гидрохлорированных продуктов по отношению к исходному сырью.

3.Получение наряду с целевым продуктом большого количества побочных продуктов, для выделения которых требуется дополнительное проведение сложных и пожаровзрывоопасных физико-химических процессов.

4.Высокая агрессивность хлористого водорода, соляной кислоты, катализаторов и инициаторов.

286

21.2.3. Основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов гидрирования и гидрохлорирования

Пожарную безопасность процессов гидрирования и гидрохлорирования обеспечивают следующими способами и техническими решениями или их комбинацией:

автоматическим контролем и регулированием расхода исходных реагентов, жидких катализаторов и инициаторов;

автоматическим контролем и регулированием температуры процесса в изоили политермическом реакторе, веществ, поступающих в адиабатический реактор;

автоматическими блокировками, отключающими подачу компонентов или катализаторов при опасном отклонении технологических параметров от нормального уровня;

контролем давления и устройством предохранительных клапанов;

устройством взрывных мембранных клапанов;

устройством температурных компенсаторов;

соблюдением регламентированного режима пуска и остановки толстостенных и футерованных аппаратов;

очисткой теплообменных поверхностей от отложений как со стороны тепло- и хладоносителей, так и со стороны химических реагентов;

конструктивными решениями, позволяющими снизить температуру стенок толстостенных реакторов гидрирования, работающих под высоким давлением;

применением коррозионно-стойких материалов и защитой материала оборудования от коррозии;

осушкой хлористого водорода от воды и очисткой от хлора;

устройством систем аварийной эвакуации продуктов.

21.3.Процессы полимеризации и поликонденсации

иоборудование для их проведения

Под полимеризацией понимают химический процесс соединения большого количества одиночных молекул мономеров в макромолекулы полимеров. Схему процесса полимеризации можно представить на примере получения полиэтилена:

Условия

n(СН2=СН2) [–CH2–СН2–]n + Q6.

Условия: полиэтилен низкого давления (НД) получают под давлением 0,3–0,5 МПа при температуре 70–80 оС в присутствии комплексных

287

металлоорганических катализаторов; полиэтилен среднего давления (СД) получают под давлением 3,5–4 МПа при температуре 125–150 оС в присутствии окислов металлов переменной валентности (обычно Cr2O3) в качестве катализаторов; полиэтилен высокого давления (ВД) получают под давлением 150 МПа при температуре 200–225 оС в присутствии кислорода или другого инициатора.

Процессы полимеризации и поликонденсации реализуют в реакторах (полимеризаторах) различных типов. Например, для получения полиэтилена НД используется полимеризатор емкостного типа с барботажным устройством, для получения полиэтилена CД – полимеризатор емкостного типа с рубашкой и мешалкой, для получения полиэтилена ВД – трубчатый полимеризатор (каскад теплообменников типа «труба-в-трубе»).

Под поликонденсацией понимают химический процесс соединения большого количества одиночных молекул мономеров в макромолекулы полимеров, сопровождающийся выделением простых веществ (Н2О, СО2, НСl и т. п.).

Химизм процесса поликонденсации можно представить на примере получения карбамидной смолы (мочевиноформальдегидной смолы):

nСН2О + nCO(NH2)2 → H–[–NH–CO–NH–CH2–]n –OH + (n–1)H2O + Q7.

Процессы поликонденсации, так же как и полимеризации, реализуют в реакторах (полимеризаторах) различных типов. Схема получения мочевиноформальдегидной смолы, пластифицированной диэтиленгликолем, представлена на рис. 21.2.

В смесительную емкость 1 загружают формалин и мочевину. С помощью центробежного насоса содержимое перемешивается до полного растворения мочевины в формалине.

Ниже приведены нормы загрузки компонентов (в вес. частях):

формалин (37%-й) . . . . . 270,2; мочевина (100%-я) . . . . . 100,0.

Добавлением раствора едкого натра рН реакционной смеси доводится до 6,5–7,0.

Реакционная смесь передается центробежным насосом в сборник конденсационного раствора 2, откуда самотеком непрерывно через фильтр 3 поступает в реактор для конденсации 4. Конусная часть реактора снабжена рубашкой для обогрева. Кроме того, внутри аппарата имеется змеевик для дополнительного обогрева паром и труба, по которой конденсационный раствор подается на обогреваемую поверхность днища аппарата. Реактор снабжен холодильником 5, который при пуске агрегата включается как обратный, а в течение всего процесса работает как прямой, что обеспечивает одновременно с конденсацией сушку полученной смолы. При производстве смолы, используемой в качестве клея, в реактор 4 через весовой

288

мерник 7 и фильтр 8 непрерывно подается диэтиленгликоль (в соотношении 1:14 к реакционной смеси). В зависимости от скорости подачи смеси температура массы поддерживается в пределах 105–115 °С. Образовавшаяся смола непрерывно выводится из верхней части реактора в аппарат 9 на стабилизацию. В стабилизатор с охлажденной до 40 °С смолой при перемешивании подается 25%-я аммиачная вода (в соотношении 1:3 к поступающей смоле). После стабилизации готовая смола поступает в сборник 11, откуда сливается в тару.

																						2
																													Аммиачная вода
						7
																																									10
							8													3
																															Вода
																	Пар
																									4
																Пар
																																				9
								Формалин
																																				Карбамидная
Диэтилен-
																										Вода
					Едкий натр
гликоль																																							смола
					Мочевина
	6									1
																																								11

Рис. 21.2. Схема процесса производства карбамидной смолы:

1 – смесительная емкость; 2 – сборник конденсационного раствора; 3, 8 – фильтры сетчатые; 4 – реактор поликонденсации; 5 – холодильник кожухотрубный; 6 – хранилище диэтиленгликоля; 7 – весовой мерник диэтиленгликоля; 9 – аппарат для стабилизации; 10 – весовой мерник аммиачной воды; 11 – сборник смолы

21.3.1. Особенности пожарной опасности процессов полимеризации и поликонденсации

1. Использование в процессах:

ГГ, ЛВЖ и ГЖ в качестве сырья;

ЛВЖ в качестве вспомогательных материалов (дисперсионной среды, растворителей, промывочных жидкостей и др.);

ГЖ и сильных окислителей в качестве теплоносителей (ВОТ, солей азотной и азотистой кислот);

пожаровзрывоопасных веществ в качестве катализаторов и сильных окислителей в качестве инициаторов (кислорода, перекиси водорода или других перекисных соединений).

289

2.Способность некоторых катализаторов самовозгораться или самовоспламеняться на воздухе, взрываться при контакте с воздухом, водой, кислотами и другими веществами, а инициаторов – распадаться со взрывом при повышении температуры или загрязнении органическими веществами.

3.Проведение процессов в диапазоне температур от минус 50 оС и ниже до 300 оС.

4.Проведение процессов при глубоком вакууме или повышенном давлении (до 250 МПа и выше).

5.Взрывоопасность некоторых продуктов (например, коллоксилина).

6.Основные продукты полимеризации и поликонденсации представляют собой пожароопасные растворы или эмульсии, твердые диспергированные горючие материалы (суспензии) или расплавы, а побочные продукты – все классы горючих веществ и материалов, начиная с горючих газов.

7.Образование отложений полимеров в системах стравливания избыточного давления и на теплообменных поверхностях.

8.Высокая агрессивность среды, вызывающей интенсивную коррозию материала оборудования.

21.3.2. Основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов полимеризации и поликонденсации

Пожарную безопасность процессов полимеризации и поликонденсации обеспечивают следующими способами и техническими решениями или их комбинацией:

автоматическим контролем и регулированием расхода исходных реагентов, жидких и газообразных катализаторов и инициаторов;

автоматическим контролем и регулированием температуры компонентов, поступающих в полимеризатор, процесса в полимеризаторе;

автоматическим контролем и регулированием интенсивности перемешивания среды в полимеризаторе;

автоматическими блокировками, отключающими подачу реагентов, катализаторов или инициаторов при опасном отклонении технологических параметров от нормального уровня;

контролем содержания опасных примесей в компонентах;

очисткой реагентов от опасных примесей;

проведением процессов в среде инертных газов;

контролем давления и устройством предохранительных клапанов;

устройством взрывных мембранных клапанов;

устройством температурных компенсаторов;

290