Пожарная и взрывобезопасность ректификационной колонны

Пожаровзрывоопасные свойства этих веществ могут существенно различаться.

Между количеством  исходной смеси Gсм, ректификата G_рек и кубового остатка G_ост существует зависимость, которая может быть выражена формулой:

     (1) 

Это уравнение  материального баланса ректификационной установки.

По аналогии с (1) составим уравнение баланса легколетучего компонента:

   (2)

где а— содержание легколетучего компонента соответственно в смеси, ректификате и кубовом остатке.

Эти величины известны; они задаются в задании  на разработку колонны.

Таким образом, задаваясь производительностью  установки по ректификату или  исходной смеси и решая совместно уравнения можно определить два других члена уравнения (1).

В кубовой  части крупногабаритных колонн и  на тарелках может находиться большое  количество легковоспламеняющихся  я горючих жидкостей, исчисляемое  тоннами и десятками тонн. Обьем жидкости V, находящейся в тарельчатой ректификационной колонне, можно подсчитать по формуле

   (3)

где D — внутренний диаметр колонны; dкн — наружный диаметр колпачка; hт — высота жидкости на тарелке; — высота жидкости в кубе; п — количество тарелок в колонне; m — количество колкачков на тарелке.

Для определения  массы этой жидкости следует знать  ее плотность. Но плотность жидкости (по высоте колонны) возрастает по мере ее движения сверху вниз: от р (на верхней  тарелке) до р (на нижней тарелке). С  учетом этого массу жидкости в  колонне можно определить по формуле:

  (4)

где р_р и р_ост - плотность ректификата и кубового остатка.

Пожароопасные вещества находятся не только в колонне, но и в других аппаратах ректификационной установки: теплообменниках, сборниках, промежуточных емкостях, емкостях орошения и др. Это следует учитывать  при оценке пожаровзрывоопасности конкретной ректификационной установки.

Основными технологическими параметрами процесса ректификации являются давление и температура, которые тесно взаимосвязаны: чем  выше давление, применяемое при разделении какой- либо смеси, тем выше и температура.

В большинстве  случаев ректификацию проводят под  небольшим давлением (0.12 - 0,7 МПа), в  некоторых случаях — под повышенным давлением или под вакуумом.

Температура и давление по высоте колонны не остаются постоянными: максимальное значение они имеют в нижней части колонны, минимальное — в верхней части  колонны.

Температура верха колонны примерно равна  температуре кипения легко кипящего компонента (ректификата) при рабочем  давлении в верхней части колонны.

Температура низа колонны равна температуре  кипения высококипящего компонента (кубового остатка) при рабочем давлении в нижней части колонны.

5  Пожарная профилактика процесса ректификации

При оценке пожарной опасности и разработке основных мероприятий, направленных на снижение пожарной опасности процессов  ректификации, необходимо учитывать  специфику основных периодов эксплуатации ректификационных колонн: пуска колонн в работу, установившейся работы и  остановки колонн.

В период установившегося режима работы, характеризующегося постоянством расхода и состава  исходной смеси, ректификата и остатка, а также температуры и давления в колонне, образование горючих  концентраций внутри колонны исключено, так как воздуха в колонне  нет (в ней только жидкость и ее пары). Кроме того, температура кипения жидкости на тарелках всегда выше верхнего температурного предела воспламенения.

Главная опасность в период нормальной работы колонн связана с возможностью выхода наружу горючих паров и флегмы при появлении неплотностей, повреждений, разгерметизации соединений и уплотнений.

Последствия утечки зависят от места повреждения, от рабочей температуры в колонне  и температуры самовоспламенения  выходящего наружу вещества.

По соотношению  величины рабочей температуры и  температуры самовоспламенения  разгоняемых веществ колонны  можно условно разделить на две  группы.

Первая  группа — колонны, в которых рабочая  температура ниже температуры самовоспламенения  веществ: К этой группе относятся  колонны для выделения спиртов, эфиров, ароматических углеводородов, бензина и т. п.

При выходе наружу веществ могут образоваться пожаровзрывоопасные концентрации, для воспламенения которых необходим внешний источник зажигания.

В частном  случае при выделении из слабых водных растворов, например, метилового спирта, этилового спирта, ацетона и т. п., пожарная опасность будет связана  с верхней частью колонны, где  находится почти чистый легкокипящий компонент — спирт, ацетон и т. п. Низ колонны не будет пожаровзрывоопасен. так как выходящий продукт будет представлять почти чистую воду или очень слабый негорючий водный раствор.

Вторая  группа — колонны, в которых рабочая  температура выше температуры самовоспламенения  веществ, т. е. К этой группе относятся  колонны для разгонки мазутов, продуктов  крекинга нефти и газа, каменноугольных  и древесных смол и т. п. У этих колонн опасен низ. так как из нижней части таких колонн выходит продукт, восппаменяющийся при соприкосновении с воздухом. Верхнюю часть таких копонн надо рассматривать как колонну первой группы.

Выше  мы отметили, что главная опасность  при нормальной работе ректификационных установок связана с возможностью выхода горючих веществ в результате разгерметизации соединений и уплотнений, появления неппотностей. повреждений.

Корпус  колонны чаще всего изготовляется  цельносварным, но бывают колонны, собранные  из элементов: отдельные царги соединяются друг с другом посредством фланцев с уплотнительными прокладками. Колонны имеют большое количество люков, лазов, смотровых окон, патрубков для присоединения трубопроводов, контрольных приборов, регулирующих и защитных устройств и т. д. Все эти места опасны тем, что могут быть причиной утечек продукта.

При нарушении  материального баланса процесса ректификации, когда

    (5)

в колонне  происходит изменение температуры, давления, что, в свою очередь, может  стать причиной образования неплотностей и повреждений.

Чтобы не допустить нарушения материального  баланса, применяют напорные баки и  автоматические регуляторы давления на линии подачи исходной смеси.

Регулирование отвода остатка из куба осуществляется с помощью регуляторов уровня, обеспечивающих поддержание постоянной высоты жидкости в нижней части колонны.

Одной из причин уменьшения отбора из колонны  пара ректификата является увеличение гидравлического сопротивления  колонны из-за образования твердых  отложений в виде кокса, полимеров, кристаллогидратов или льда в  паровых патрубках и отверстиях тарелок, а также в шлемовых трубах для отвода пара.

 

 

6 Возможные источники зажигания на ректификационных установках

1.  Самовоспламенение горючей жидкости и паровой фазы (нагретых выше tсв) при выходе их наружу и соприкосновении с воздухом.

Самовоспламенение может иметь место при разделении смесей с высокой температурой кипения  при повышенных давлениях. Например, при разделении продуктов термического крекинга нефтепродуктов температура  жидкости в кубе поддерживается 380 - 400° С, а ее температура самовоспламенения  равна 390 - 400° С.

При разгонке каменноугольных смол температура  в кубе колонны, равна 370 - 400°С, температура же самовоспламенения кубовой жидкости (каменноугольный пек) 200 - 220° С.

2. Печи, реакторы, огневые ремонтные работы на территории ректификационных установок или на близлежащих технолотчески установках.

Горючая смесь поджигается не только от пламени, но и от других нагретых элементов  конструкций, если их температура превышает  t_CB паровоздушной смеси.

3.  Самовозгорающиеся соединения, которые могут отлагаться на внутренних поверхностях колонн и трубопроводов.

Они опасны в период остановки аппаратов, когда  в колонну поступает воздух.

При выходе продукта из колонны через неплотности пирофорные частички вещества выходят наружу, накапливаются в теплоизоляции, а потом самовозгораются и поджигают выходящие пары и жидкость.

4.  Искры, образующиеся при пользовании искрящим инструментом в ходе чистки и ремонта, а также искры от электрооборудования, разрядов статического электричества и вторичного проявления атмосферного электричества.

 

 

 

7 Ограничение распространения пожара на ректификационной установке

 В  случае значительных повреждений  и аварий возникший пожар может  принять крупные и особо крупные  масштабы, тат как на современных  ректификационных установках одновременно  перерабатываются очень большие  объемы пара и горючей жидкости, нагретой до температуры кипения.  Количество жидкости, находящейся  в колонне, можно оценить по формулам (6) и (7).

Количество  находящегося в колонне пара оценивают  по формуле:

    (6)

где р_п — плотность пара в колонне с учетом рабочей температуры и давления.

Пар, выходящий  из колонны и получающийся при  испарении вышедшей наружу жидкости, смешиваясь с воздухом, может образовать облако горючей смеси, загазовать помещение и территорию ректификационной установки. Воспламенение смеси приводит к быстрому распространению огня по всему газовому облаку. Объем газового облака, образующегося при выходе пара из колонны в течение промежутка времени т, можно оценить по формуле (без учета испарения вышедшей наружу жидкости).

     (7)

где φн — нижний концентрационный предел воспламенения.

Выливающаяся  жидкость, растекаясь по этажам, площадкам  этажерок и территории, может покрыть  большие площади, что также способствует быстрому распространению огня в  случае возникновения пожара.

Величину  площади разлившейся жидкости можно оценить, используя рекомендации «Указаний по определению категории производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности» СН 463-74.

Возможную величину площади растекания жидкости можно оценить также путем  постановки специального эксперимента.

Для этого  необходимо при заданной температуре  определенное количество жидкости разлить по интересующей поверхности и замерить площадь растекания.

По этим данным можно подсчитать возможную  площадь растекания F любого количества жидкости G:

      (8)

Естественно, чем больше горючих веществ выйдет из колонны, тем труднее будет локализовать начавшийся пожар.

Поэтому следует предусматривать меры по уменьшению количества обращающихся на установке горючих веществ; исключать  возможность растекания вышедшей из аппаратов жидкости.

Меры  пожарной профилактики предусматривают  обоснование рациональных размеров колонны на стадии проектирования установки; устройство систем аварийного слива  жидкостей из аппаратов; оборудование бортиков, порогов с пандусами  для исключения растекания горючих  жидкостей по площадкам этажерок, территории установки.

 

8 Пожаротушение и аварийное охлаждение ректификационной установки

Ректификационные  установки относятся к категории  пожаровзрывоопасных производств А и Б. Они размещаются в помещениях или на открытых площадках.

В последнем  случае оборудование компонуется блоками {например, блок печей, блок колонн, блок теплообменников и т. д.) с учетом разрывов, установленных ведомственными нормами.

Внутри  производственных помещений предусматриваются  внутренний пожарный водопровод, воздушно-пенные и порошковые автоматические установки  локального действия.

При разделении горючих веществ, растворяющихся в  воде (например, метилового спирта, этилового  спирта), в целях пожаротушения  применяются спринклерные и дренчерные установки.

При размещении ректификационной установки на открытой площадке для тушения пожара и  аварийного охлаждения аппаратов используют стационарные установки водяного и  пенного тушения.

Стационарные  лафетные стволы размещают так, чтобы  каждая точка колонны орошалась  не менее чем двумя струями  воды.

Большие колонны (высотой 80 - 100 м и более) оборудуют локальными стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения (рис. 8), а в некоторых случаях (например, высокотемпературные колонны нефтехимии и нефтепереработки) — полустационарными установками паротушения (рис. 9).

Рис. 8. Стационарная система водяного или воздушно-пенного охлаждения колонны: 1- колонна; 2 — кольца орошения; 3 — питающий трубопровод.

 

Устройства водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения выполняют в виде колец, изготовляемых из труб. Кольца размещают на расстоянии не более 10 м друг от друга и соединяют с питающим трубопроводом. Кольца имеют перфорацию (отверстия), распылители воды или пенные головки. В практике принята интенсивность подачи воды в целях пожаротушения для верхнего и нижнего колец орошения 0,5 л/с, для промежуточных колец 0,2 л/с на 1 м периметра колонны.