Пожарная безопасность технологических процессов / Artemiev -Pozharnaya bezopasnost tekhnologicheskikh processov. Chast-2 2008

деляется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой происходят основные процессы массо- и теплопереноса. Пройдя через все тарелки, газ уходит из верхней части аппарата.

Рисунок 6.3 – Устройство колонны и колпачковых тарелок:

а– колонна с тарелками; б – две соседние тарелки; в – капсульный колпачок;

г– формы капсульных колпачков; 1 – тарелки; 2 – газовые (паровые) патрубки; 3 – круглые колпачки; 4 – переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5 – гидравлические затворы; 6 – корпус колонны.

Враспыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы: полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками; механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращающимися деталями. Устройство одного из перечисленных типов абсорберов (форсуночного) приводится на рисунке 6.4. В этих абсорберах газ движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны 1 форсунки 2 с направлением факела распыла обычно сверху вниз. Распыливающие полые абсорберы применяются для улавливания хорошо растворимых газов.

121

Рисунок 6.4 – Устройство полых распыливающих абсорберов:

а - вертикального с верхним распылом жидкости; б - вертикального с распылом жидкости по высоте аппарата; в - горизонтального с перекрестным током; 1 - корпуса; 2 - форсунки; 3 - коллектор орошающей жидкости; 4 – брызгоотбойник;

5 – газораспределительная решетка.

Для выделения поглощенного газа (абсорбтива) из абсорбента и получения его в чистом виде, а также для повторного использования абсорбента в процессе абсорбции проводят процесс десорбции. Для проведения процесса десорбции используют три следующих метода: отгонку в токе инертного газа или водяного пара; отгонку под действием подводимой к абсорбенту теплоты; отгонку при снижении давления над абсорбентом.

Схемы промышленных абсорбционных установок можно разделить на две основные группы: с однократным использованием абсорбента (т.е. десорбция поглощенных компонентов не производится); с многократным использованием абсорбента (т.е. с десорбцией).

На рисунке 6.5 представлена схема абсорбционной установки с десорбцией абсорбента и его рециркуляцией. Абсорбент из последнего по ходу жидкости абсорбера 1 поступает в сборник 2, откуда его насосом 5 через теплообменник 8 подают в десорбер 9, в котором освобождают от поглощенного газа. Из десорбера регенерированный абсорбент проходит через теплообменник 8, отдает теплоту абсорбенту, поступающему на десорбцию, и затем через холодильник 10 возвращается на орошение первого по ходу жидкости абсорбера.

122

Рисунок 6.5 – Схема противоточной многоступенчатой абсорбционной установки с генерацией поглотителя и рециркуляцией жидкости по ступеням:

1 – абсорберы; 2-4 – сборники; 5–7 – насосы; 8 – теплообменник; 9 – десорбер; 10 – холодильники.

При нормальной работе абсорберов концентрация газопаровой фазы не находится в пределах воспламенения, т.к. абсорбтив чаще всего совсем не содержит кислорода или его количество настолько мало, что практически он не будет влиять на возможность образования горючих концентраций. Исключение составляют такие случаи, когда на поглощение в абсорберы поступают пароили газовоздушные смеси. Оценивая опасность концентрации в промежуточных емкостях, т.е. в емкостях, где находится насыщенный поглощаемым компонентом абсорбент, необходимо учитывать не только наличие в них паров самого абсорбента, но и того поглощенного пара или газа, который будет выделяться из абсорбента. Концентрация смеси будет в пределах воспламенения, если:

ϕн ≤ ϕр ≤ ϕв

(6.1)

где ϕр – рабочая концентрация в аппарате, % об;

ϕн ,ϕв – соответственно нижний и верхний концентрационные пределы

распространения пламени, % об.

При заполнении промежуточных емкостей насыщенным абсорбентом не исключается возможность образования местных горючих концентраций в местах выброса паровоздушной смеси наружу через дыхательные клапаны.

При осуществлении процессов абсорбции специфическим источником зажигания является самовозгорание пирофорных соединений, которые откладываются на стенках аппаратов. Другие группы источников зажиганий, как правило, отсутствуют.

Развитию пожара способствует развитая сеть вентиляции и канализации.

123

Пожар может быстро принять крупные масштабы, т.к. в результате аварии возможен выход наружу большого количества горючей жидкости и паров. Пар выходящий наружу может привести к образованию взрывоопасных концентраций в объеме помещений или на территории открытых площадок.

Специфические требования пожарной безопасности при проведении процессов абсорбции (регламентируют [20, 25]):

−основные аппараты абсорбционных установок следует размещать на открытых площадках;

−на открытых установках в зимнее время спускные и дренажные линии,

атакже участки трубопроводов подачи замерзающих жидкостей (воды, щелочи и других жидкостей) должны иметь исправное утепление;

−абсорберы перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны, рефлюксных емкостях и емкостях остатка;

−приборы автоматического контроля уровня жидкости в сепараторах должны быть в исправном состоянии. При отсутствии стационарных приборов, должен осуществляться лабораторный контроль с периодичностью, определенной в производственных инструкциях.

6.1.2 Пожарная безопасность процессов адсорбции

Процессы адсорбции применяют для осветления растворов, очистки газов

ижидкостей от примесей, улавливания газов и паров из смесей, улавливания паров летучих растворителей из смесей, умягчения воды, извлечения из растворов следов металлов, очистки сахарных сиропов, лекарств и т.п.

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной способностью, определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Величина поглотительной способности зависит от типа адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров – от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью.

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные

инеуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные) угли, углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты и глинистые породы.

124

Активные угли обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.) с целью удаления летучих соединений. После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850 − 900 °С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и другими способами. Удельная поверхность активных углей очень высока и составляет 6·105 – 17·105 м2/кг, а их насыпная плотность 200 − 900 кг/м3. Активные угли применяют в виде частиц неправильной формы размером 1 − 7 мм, цилиндров диаметром 2 − 3 мм и высотой 4 − 6 мм и порошка с размером частиц менее 0,15 мм. К основным недостаткам активных углей относятся их горючесть, склонность к самовозгоранию и невысокая механическая прочность.

Силикагель – это обезвоженный гель кремниевой кислоты (SiO2·nН20) применяют в процессах осушки газов и жидкостей, при разделении органических веществ в газовой фазе и в хроматографии. Силикагель получают обработкой раствора силиката натрия серной кислотой (иногда хлороводородной) или растворами солей, имеющих кислую реакцию. Образовавшийся гель промывают водой и сушат до конечной влажности 5 − 7%. Удельная поверхность силикагеля составляет 4·105 − 7,7·105 м2/кг, насыпная плотность – 400 − 800 кг/м3. Силикагели негорючи.

Алюмогели получают термической обработкой гидроксида алюминия – А1(ОН)3 при температурах 600 − 1000 оС. Поры полученного сорбента (92% А1203) имеют диаметр 1 − 3 нм, удельную поверхность 2·105 − 4·105 м/кг; насыпная плотность такого сорбента 600 кг/м3. Алюмогели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел, применяют в качестве катализаторов и их носителей.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Адсорбционные поверхности цеолитов соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами. Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка. Цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей от примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Для активации глины обрабатывают серной или

125

хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0 − 1,5)·105 м2/кг.

При адсорбции частицы газа или пара концентрируются на поверхности адсорбента под влиянием молекулярных сил притяжения. Из смеси газов и паров адсорбент в первую очередь и в значительно большем количестве поглощает тот компонент, который имеет более высокую температуру кипения (при данной температуре имеет меньше давление насыщенного пара). Основными факторами, влияющими на протекание процесса адсорбции, являются: свойства адсорбента, температура и давление газовой смеси, свойства поглощаемых веществ и их концентрация в газовой смеси.

Аппараты, в которых проводится процесс адсорбции, называются адсорберами. Адсорберы могут быть: периодического и непрерывного действия. В промышленности применяются вертикальные и горизонтальные адсорбционные аппараты периодического действия с неподвижным и подвижным (псевдоожиженным) слоем адсорбента.

Адсорбционные аппараты периодического действия с неподвижным слоем адсорбента (рисунок 6.6) имеют корпус 1, в котором на опорнораспределительной решетке 2 находится слой адсорбента. Исходная газовая смесь проходит через слой адсорбента сверху вниз. При десорбции водяным паром, пар подают через нижний штуцер, конденсат отводится через штуцер в днище, а пар вместе с десорбированным веществом уходит через штуцер в крышке. Загрузка и выгрузка адсорбента производятся через люки 4 и 3.

Рисунок 6.6 − Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента:

а− вертикальный; б − горизонтальный; 1 − корпуса; 2 − опорно-распределительные решетки; 3 − люки для выгрузки адсорбента; 4 − люки для загрузки адсорбента.

Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента (рисунок 6.7) состоит из ряда секций, расположенных в цилиндрическом корпусе 1. Секции разделены распределительными решетками 2. Адсорбент входит в аппарат через верхнюю

126

трубу и далее по переточным трубам 3 движется противотоком по отношению к сплошной фазе, подаваемой снизу и отводимой сверху. Отвод твердой фазы из аппарата производится с помощью затвора-регулятора 4.

Рисунок 6.7 − Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента:

1 − корпус; 2 − распределительные решетки; 3 − переточная труба; 4 − затвор-регулятор.

Процесс работы адсорберов состоит из следующих четырех фаз: адсорбция (поглощение), десорбция (продувка паром), сушка адсорбента и его охлаждение. Адсорбционная установка для обеспечения непрерывности действия имеет не менее двух адсорберов, в одном из которых протекает адсорбция, а во втором − десорбция. Схема такой рекуперационной установки приводится на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8 − Схема рекуперационной адсорбционной установки:

1, 2 − адсорберы; 3 − конденсатор водяного пара и паров десорбированного вещества; 4 – калорифер; 5 – конденсатоотводчик.

127

Исходную газовую смесь подают в адсорбер 1, заполненный активным углем. После насыщения слоя в адсорбере 1 его переключают на стадию десорбции, а исходную смесь направляют в адсорбер 2. Адсорбент регенерируют острым динамическим водяным паром, подаваемым в нижнюю часть адсорбера. Динамический пар уносит пары адсорбата в конденсатор 3. Конденсат адсорбата в смеси с водой идет далее на разделение. Сушку адсорбента производят горячим воздухом, подаваемым в адсорбер через калорифер 4. Охлаждают адсорбент атмосферным воздухом, подаваемым по обводной линии.

Пожарная опасность процесса адсорбции характеризуется наличием горючей жидкости в производственных цехах и на самой рекуперационной станции, возможностью образования взрывоопасных концентраций паров горючей жидкости у рабочих мест, в линиях транспортировки паровоздушных смесей и

вобъеме адсорберов, наличием активированного угля, который может гореть и

вопределенных условиях самовозгораться. Общее количество горючей жидкости находящейся в аппаратах рекуперационной станции, может доходить до 10 тонн и более. Количество угля на станциях средней производительности

достигает 10 − 12 тонн. Следует учитывать, что внутри объемов адсорберов взрывоопасная концентрация паров горючей жидкости может образоваться даже в том случае, когда поступающая в них паровоздушная смесь будет иметь концентрацию значительно ниже НКПР. Такое явление возможно при повышении температуры угля.

Источниками зажигания при проведении процессов адсорбции могут быть искры удара и трения (повреждение лопастей вентиляторов, износ подшипников и др.); теплота самовозгорания активированного угля.

Распространение пожара происходит по технологическим коммуникациям, транспортирующим паровоздушные смеси.

Специфические требования пожарной безопасности при проведении процессов адсорбции, (регламентируют [20, 25]):

−адсорбционная установка должна обеспечивать непрерывный и полный отсос выделяющихся паров горючих жидкостей от всех рабочих мест;

−линии паро-, газовоздушной смеси адсорбционной установки должны быть снабжены исправными огнепреградителями. Число огнепреградителей, их вид и размеры огнегасящей насадки должны соответствовать проекту. Эксплуатировать установку без огнепреградителей или с огнепреградителями, не соответствующими проекту, не допускается;

−в воздуховодах должен осуществляться контроль скорости движения паровоздушных смесей (поддерживается в пределах 10 − 12 м/с);

−не допускается загрязнение внутренней поверхности трубопроводов твердыми горючими материалами;

−адсорберы должны быть оборудованы устройствами для затопления водой (подключаются к водопроводной сети);

−активированный уголь должен применяться только стандартный, с количеством пыли в нем не более 1% по массе;

128

−должен проводиться регулярный контроль температуры в различных точках толщи активированного угля (критическая температура не более 60 оС);

−оптимальная высота слоя активированного угля должна выдерживаться в пределах 1 − 1,5 м – для вертикальных и 0,5 − 0,8 м – для горизонтальных адсорберов;

−для исключения случаев самовозгорания отработанный активированный уголь после выгрузки необходимо смачивать водой;

−фильтры на адсорбционных установках или циклоны для улавливания из транспортируемой среды твердых примесей должны быть исправными и регулярно очищаться.

6.2 Пожарная безопасность процессов разделения горючих жидкостей

Для разделения жидких гомогенных горючих смесей на компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей применяется процесс перегонки. Перегонка является одним из важнейших технологических процессов разделения и очистки жидкостей и СГГ в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Перегонка представляет собой процесс, в котором разделяемая горючая жидкость нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость – конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты). Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а, следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего или низкокипящего компонента (далее – НК) в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. В неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего или высококипящего (далее – ВК) компонента увеличивается.

Перегонку подразделяют на два основных вида: простую перегонку (или дистилляцию) и ректификацию. Под простой перегонкой понимают процесс однократного частичного испарения исходной жидкой смеси и конденсации образующихся при этом паров. Простую перегонку применяют для разделения смесей, представляющих собой легколетучее вещество с некоторым содержанием весьма труднолетучих веществ. Обычно простую перегонку используют для предварительного разделения, очистки веществ от примесей, смол, загрязнений. При этом сконденсированные пары называют дистиллятом, а оставшуюся жидкость – остатком. Простую перегонку проводят периодически. При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, и образующиеся при этом пары непрерывно удаляются из системы и конденсируются с получением

129

дистиллята. При этом содержание НК в кубовой (исходной) жидкости уменьшается, что приводит к снижению содержания НК в дистилляте – в начале процесса содержание НК максимально, а в конце – минимально. Простую перегонку можно проводить при атмосферном давлении или под вакуумом.

Для получения нужных фракций (или разного состава дистиллята) применяют фракционную, или дробную, перегонку в установке, схема которой приведена на рисунке 6.9. Исходную смесь загружают в куб 1, имеющий змеевик для нагревания и кипячения этой смеси. Образующиеся пары конденсируются в теплообменнике-конденсаторе 2, дистиллят в нем же охлаждается до заданной температуры и поступает в один из сборников 3. После окончания процесса перегонки остаток сливают из куба 1 и вновь загружают в него исходную смесь.

Фракции дистиллята

Рисунок 6.9 − Схема установки для простой перегонки

Ректификация – это наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс ректификации заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсации паров. Основными типами аппаратов для проведения процесса ректификации являются ректификационные колонны (далее – РК), которые по устройству могут быть с тарелками и насадками. По устройству РК принципиально не отличаются от тарельчатых и насадочных абсорберов, рассмотренных в разделе 6.1. В отличие от абсорберов, для снижения потерь теплоты РК покрывают тепловой изоляцией. Основной отличительной особенностью РК является то, что для проведения ректификации они должны быть снабжены соответствующей теплообменной аппаратурой (кипятильником, подогревателем, конденсатором-дефлегматором, холодильниками дистиллята и кубового остатка).

Кипятильники (подогреватели) предназначены для обеспечения образования восходящего по РК потока пара, и могут быть встраиваемыми внутрь колонны (рисунок 6.10, а) или выносными (рисунок 6.10, б), а конденсаторы-

130