45. Пожежна небезпека та протипожежні вимоги до процесів ректифікації.

1. Призначення, улаштування та робота ректифікаційних колон

Ректифікація розчинів - складова частина майже всіх

технологічних процесів хімічної, нафтохімічної, нафтопереробної і

газової промисловості. Поділ розчинів приходиться здійснювати на

об'єктах легкої і харчової промисловості, при переробці

сільськогосподарських харчових продуктів наприклад в етиловий спирт,

екстрагування жирів і олій і т.д.

В хімічній, нафтопереробній та нафтохімічній промисловості загальну

більшість чистих за складом рідин отримають із сумішей з іншими за

допомогою процесів ректифікації. Таким чином отримають нафтопродукти із

сирої нафти (бензини, гаси, соляра, мазут, масла тощо) спирти та ефіри з

водних розчинів і навіть кисень та азот із скрапленого повітря.

В основу цього процесу покладена природна властивість кожної чистої

за складом рідини. Вона полягає втому, що:

К ожна однорідна рідина при постійному зовнішньому тиску має

постійну температуру кипіння, яка не змінюється протягом всього процесу

випаровування.

Взагалі, кипіння це процес інтенсивного випаровування, при якому

тиск насиченої пари рідини дорівнює зовнішньому тиску.

Так при тиску 760 мм рт.ст. чиста вода має температуру кипіння

100 0С, а вже при тиску 2 атм вона буде кипіть тільки при температурі 120

0С. При зменшені тиску буде зменшуватись і температура кипіння. Вже на

висоті 5 км при тиску 405 мм рт.ст. вода вже буде кипіть при температурі

біля 80 0С.

Але у всіх випадках при незмінному тиску температура кипіння не

буде змінюватись до повного випаровування.

Інакше поводять себе при кипінні суміші рідин з різними

температурами кипіння. Такі суміші не мають постійну температуру

кипіння, оскільки під час википання вона змінюється. З цієї причини

суміші мають не температуру кипіння, а так звану температуру початку

кипіння.

В таких сумішах їх складову частину, яка сама по собі кипить при

більш низькій температурі ніж суміш називають "легко кип’ячою фракцією"

або просто "легкою фракцією", а ту, що кипить при більш високій

температурі, "важко кип’ячою" або просто "важкою фракцією". В складних,

багатокомпонентних сумішах легких та важких фракцій може бути декілька.

Такими чином:

- легкі фракції - це складові частини суміші рідин, які починають

кипіть при більш низьких температурах ніж сама суміш;

- важкі фракції - це складові частини суміші, які починають кипіть при

більш високих температурах ніж суміш.

"Фракція" - це поняття відносне, відносне до початкової суміші. Якщо

складні суміші поділити на легку та важку фракції, то легка фракція може

бути теж сумішшю і теж може бути поділена на легку і важку фракції. В

кінці кінців можна отримати фракцію, яку вже неможливо поділити. Таку

фракцію називають ректифікатом.

Істотно, що суміш рідин з різними температурами кипіння буде починати

кипіти при якийсь середній температурі. Тобто:

Тк.л.ф. < Тп.к.с. < Тк.в.ф.

Так, наприклад суміш 50 % води (Тк = 100 0С) та 50 % етилового спирту

(Тк = 78 0С) буде починати кипіти при середній температурі (100 + 78) : 2 =

89 0С. При цьому в першу чергу з суміші буде випаровуватись легка фракція,

тобто спирт, а температура кипіння суміші буде підвищуватись, поки не

стане дорівнювати 100 0С. Це буде означати що із суміші випарився весь

спирт і залишилась тільки вода. Такий процес називається випаровуванням.

Ще на початку нашого століття для розділення рідин по температурам

кипіння у промисловості використовувались перегінні куби - винахід

алхіміків середньовіччя. Такий куб складався з випарника та холодильника-

конденсатора При кипіння суміші, легкі фракції, випаровуються в першу

чергу, конденсуються в холодильнику і збираються в ємкість. Такий процес

має назву перегонка.

З а допомогою таких кубів, як показує досвід, практично неможливо

отримати повністю чисті за складом рідини - і конденсат, і кубовий залишок

все одне залишалися сумішшю, але з більшою кількістю того чи іншого

компонента.

П р ичину такого явища можна розглянути на прикладі розділення

двохкомпонентної суміші з 50 % бензину та 50 % гасу.

Бензин при атмосферному тиску закіпає при температурі біля 36 0С, гас -

біля 50 0С, а суміш з них - біля 43 0С. У виробництві таку суміш називають

по температурі кипіння "фракцією-43".

Тобто: бензин - 50 % (Тк.б. = 36 0С)

гас - 50 % (Тк.г. = 50 0С) Тп.к.ф. = 43 0С (Ф-43)

Я к що таку суміш нагріти до температури 36 0С випаровування

практично не буде, оскільки молекули важкої фракції (гасу), за рахунок

міжмолекулярних сил зчеплення, будуть утримувати в суміші молекули

легкої фракції (бензину) і не дозволять їм перейти у пару.

При температурі 43 0С суміш почне кипіти і випаровуватись. В першу

чергу у пару почнуть переходити молекули легкої фракції. Але,

випаровуються, вони, за рахунок міжмолекулярних сил зчеплення, будуть

захоплювати з собою частку молекул важкої фракції. В той же час частина

молекул легкої фракції буде утримуватись в суміші молекулами важкої

фракції. Таким чином чистого продукту не буде ні в парі, ні в кубовому залишку через міжмолекулярні сили зчеплення.

Ректифікація являє собою процес поділу рідких сумішей на окремі

компоненти або їх суміші (фракції) шляхом взаємодії потоків пари і

рідини.

П р и ректифікації завжди існують дві фази – рідка і парова і

відбувається багаторазовий частковий випар рідини і конденсація парів. При

кожнім циклі “випар - конденсація” з рідини випаровується переважно

низькокиплячий (легкокиплячий) компонент, яким збагачуються пари, а з

пари конденсуються переважно висококиплячий компонент, що переходить у

рідину.

Пари після конденсації в окремому апараті дають готовий продукт -

ректифікат. Рідина, що виходить після часткової конденсації пари,

називається флегмою, а апарати, де відбувається процес часткової

конденсації - дефлегматорами.

Ректифікація здійснюється в спеціальних апаратах - ректифікаційних

колонах (РК), що є основними елементами ректифікаційних установок

(РУ).

Р К – вертикальний циліндричний апарат зі звареним чи збірним

корпусом, призначений для чіткого поділу суміші двох взаємно

розчинних рідин з одержанням цільових продуктів необхідної

концентрації.

Розглянемо пристрій і принцип роботи РК.

К о н с труктивне виконання корпусів колон залежить від їхнього

призначення і режиму роботи. У залежності від тиску в процесі експлуатації

колони підрозділяються на:

- атмосферні (тиск в атмосферних колонах незначний – 0,05 МПа, є

результатом опору руху парів і рідини усередині колони й у комунікаціях

після колони);

- вакуумні (Р = 4-10 кПа, вакуум у колонах створюється за

допомогою насосів або пароструминних ежекторів);

- працюючі під тиском (Р = до 4 МПа, застосовують для поділу

вуглеводневих газів (зріджених), тому що вони мають низьку температуру

кипіння при атмосферному тиску, а підвищення тиску приводить до

підвищення температури в колоні, а також для охолодження дозволяють

використовувати доступні і дешеві холодоагенти (вода, повітря), а не

спеціальні дорогі холодоагенти – аміак, пропан, фреони).

Висота колон може досягати до 60 м і залежить від розмірів і

конструкції внутрішніх пристроїв, можливості їхнього монтажу і ремонту, а

також з урахуванням необхідності добору рідкого залишку внизу колони.

Діаметр колон досягає до 5-7 м і визначається кількістю парів, що

піднімаються, і їх швидкістю руху (діаметр колони тим менше, чим більше

швидкість парів. При швидкостях, що істотно перевищують розраховану,

може відбутися віднесення потоком пари рідини на вищележачу тарілку. На

практиці умови експлуатації прийнято вважати нормальними, якщо

швидкості парів знаходяться в межах 0,5-1,2 м/с в атмосферних колонах і 1,5-

3,5 м/с – у вакуумних колонах.

Колони виконують як одне ціле з опорою. Висота опори забезпечує

необхідний підпір рідкого залишку в колоні на усмоктувальній лінії

насоса, відкачуючого його (тому у вакуумних колон висота опори до 10

м) , а також забезпечує вільний доступ обслуговуючого персоналу до

рознімних з'єднань під днищем колони для огляду і ремонту.

Оскільки в процесі ректифікації повинні брати участь два потоки парів і

рідини, що складаються з тих самих компонентів, але з різними

концентраціями, для забезпечення процесу ректифікації з верхньої частини

колони відводять тепло, а в нижню частину підводять тепло. Підведення

тепла в нижню частину колони забезпечує випар рідини й утворення

парового потоку. Та частина колони, у яку вводиться сировина, називається

живильною секцією. Частина колони, що знаходиться вище введення

сировини, називається концентраційною або зміцнювальною, а нижче

введення сировини – відгінною чи вичерпною.

У нижній частині колони встановлено куб, у якому відбувається

кипіння рідини (кубової). Нагрівання в кубі здійснюється за допомогою

глухої пари, що знаходиться в змійовику або кожухотрубчатому підігрівнику

– кип'ятильнику. Невідємною частиною РК є дефлегматор, призначений для

конденсації пари, що виходить з колони і представляє собою

кожухотрубчатый теплообмінник, охолоджуваний холодною водою чи

іншими холодоагентами. Пари з РК виходять у дефлегматор через шлемову

трубу, що знаходиться у верхній частині колони.

РК, що працюють під тиском обладнують запобіжними

клапанами; для поділу зріджених газів установлюють два запобіжні

клапани – робочий і контрольний. Запобіжні клапани для колон

вибирають по розрахунковому тиску, а встановлюють (регулюють)

відповідно до робочого тиску. Пропускна здатність клапана або групи

клапанів повинна бути такою, щоб тиск у колоні не перевищувався:

- при робочому тиску в колоні до 0,03 МПа – 0,05 МПа;

- при робочому тиску від 0,3 – 0,6 МПа - 15% від Рр;

- при робочому тиску вище 6 Мпа – на 10% Рр.

Скидання клапана повинне бути загерметизовано; ємність для скидання не

повинна знаходиться під надлишковим тиском.

Д одатково РК обладнаються штуцерами, патрубками, люками-лазами й

іншими пристосуваннями, необхідними для експлуатації і ремонту колон.

Дифузійний процес поділу рідин ректифікацією можливий за умови, що

температури кипіння цих рідин різні (температура рідини повинна бути

нижче температури пар). Для здійснення дифузії пара і рідина повинні

якнайкраще контактувати між собою, рухаючись в РК назустріч один

одному: рідина під власною вагою зверху вниз, пари - знизу нагору. Для

забезпечення ефективного контактування фаз РК обладнані внутрішніми

пристроями – насадками і тарілками. У залежності від пристроїв РК

називають насадочними чи тарільчатими.

У насадочних колонах здійснюється безупинне контактування фаз і

застосовують ці колони в тих випадках, коли необхідно забезпечити малий

час перебування рідини в колоні, невеликий перепад тиску, а також для

малотоннажних виробництв.

Насадки являють собою тверді тіла різної форми (шматки заліза, коксу,

металеві чи скляні кульки, кільця Рашига, кільця Палля, трубчасті насадки й

ін.), які завантажують у корпус РК внавал чи укладають певним чином.

Розвита поверхня насадок створює ефективну поверхню контакту пари і

рідини.

Конструкція тарілок РК різноманітна. Назва РК збігається з назвою

тарілок. Найбільше часто застосовуються ковпачкові, сітчаті і насадочні

колони.

Колони з ковпачковими тарілками широко застосовуються в

промисловості, вони забезпечують гарний контакт між парою і рідиною,

ефективне перемішування на тарілці й інтенсивний масообмін між ними. За

формою ковпачки можуть бути круглими, багатогранними і прямокутними,

а тарілки - одно- і багатоковпачковими.

Колони із сітчатими тарілками мають велику кількість отворів малого

діаметра (від 0,8 до 3 мм), ці колони застосовують у тому випадку, коли

колону за умовами виробництва потрібно часто зупиняти. Дуже чуттєві до

забруднень (опадів).

Улаштування ковпачкової тарілки.

Тарілка має дно, герметично з'єднане з корпусом колони, патрубки

колони (парові) і зливальні патрубки. Парові патрубки призначені для

пропускання парів, які піднімаються з нижньої тарілки, по зливальних

патрубках рідина стікає з вищележачої тарілки на нижчерозміщену. На

кожен паровий патрубок монтується ковпачок, за допомогою якого пари

направляються в рідину, барботируют через неї і частково конденсуються.

Дно кожної тарілки обігрівається парами нижньої тарілки. За рахунок цього

тепла і тепла, що виділяється при частковій конденсації пари, рідина на

кожній тарілці кипить, та утворює свої пари, що змішуються з парами, що

надходять з нижньої тарілки. Рівень рідини на тарілці підтримується за

допомогою зливальних патрубків.

Принцип роботи ректифікаційної тарілчастої колони полягає в

наступному: Куб постійно підігрівається, і кубова рідина кипить. Пара, що

утворюється, у кубі піднімається нагору по колоні. Попередньо нагрівається

до кипіння вихідна суміш, що підлягає поділу. Вона подається на живильну

тарілку, що поділяє колону на дві частини: нижню (вичерпну) і верхню

(зміцнювальну). Вихідна суміш з живильної тарілки стікає на нижні тарілки,

взаємодіючи на своєму шляху з парою, що рухається нагору. У результаті

цієї взаємодії пара збагачується легколетучим компонентом, а стікаюча

рідина збагачується важколетучим. У нижній частині колони йде процес

витягу легколетучего компонента з вихідної суміші і перехід його в пару.

Деяка частина готового продукту (ректифікату) подається на зрошення

верхньої частини колони. Пара, взаємодіючи з ректифікатом (флегмою) на

всіх тарілках верхньої частини колони, збагачується легколетучим

компонентом. Пара, що виходить з колони направляється в дефлегматор, у

якому здійснюється його конденсація. Дистилят, що утворюється,

поділяється на два потоки: один у виді продукту відправляється на подальше

охолодження, і на склад готової продукції, другий направляється назад у

колону в якості флегми.

Пристрій і робота РУ безупинної дії. Вихідна суміш, що підлягає

поділу, з ємності насосом подається в напірний бак, відкіля самопливом

надходить у підігрівник (трубчаста піч або теплообмінник), де нагрівається

до кипіння. Далі нагріта суміш надходить у евапораційний обєм РК, (на

живильну тарілку колони), відкіля перетікає на нижні тарілки на кожній з

який взаємодіє з парою, що нагору піднімається. Для одержання пари

використовуються вмонтовані в куб кип'ятильники, виносні кип'ятильники

або трубчасті печі. У верхній частині колони пара, що піднімається,

контактує зі стікаючою флегмою, збільшує концентрацію легколетучего

компонента до концентрації флегми і залишає колону, з верхньої її частини

направляючись в дефлегматор через шлемову трубу. У дефлегматорі

конденсується тільки частина пари, необхідна для одержання флегми, якою

зрошується верхня частина колони. Ця флегма в сепараторі віддаляється від

пари, що нескондесувалася, і через коліно (гідрозатвор) надходить на верхню

тарілку для зрошення колони.

Пар, що нескондесувався в дефлегматорі у сепараторі відокремлюється

від флегми і надходить у конденсатор-холодильник, де цілком

конденсується. Ректифікат, що вийшов, прохолоджується до заданої

температури і направляється в збірник готового продукту. У збірник

постійно надходить і висококиплячий продукт із куба колони (кубовий

залишок).

При поділі багатокомпонентних систем, коли виділяється три і більш

фракції, технологічна схема ускладнюється. У цих випадках застосовується

не одна, а декілька послідовно працюючих колон.

експлуатації РУ можуть бути :

- механічні впливи; (удари, вібрація, ерозія, гідроудар; вібрація колон

або трубопроводів спостерігається при неякісному їхньому кріпленні і

впливі вітру, а також при струсі від працюючих машин і пульсуючого тиску,

ерозія виникає найчастіше в місцях введення вихідної суміші в колону, коли

струмінь розчину вдаряється в стінку колони, протилежну введенню, а також

у верхній частині шлемової труби.

- температурні впливи на матеріал апаратів: небезпечні

температурні впливи на матеріал апаратів і трубопроводів спостерігаються

при різкій зміні температур, впливі атмосферних, опадів, при ушкодженні

теплоізоляції, у тому числі впливи теплоти пожежі.

- хімічний знос матеріалів: корозії піддаються в основному

внутрішня поверхня корпуса колони, патрубки, ковпачки і шлемова труба;

посиленому хімічному зносу сприяє наявність у нафтопродуктах сірчастих

сполук, вільної сірки, хлористих солей кальцію і магнію, висока температура

і безупинний рух потоків.

- підвищення тиску.

ПІДВИЩЕННЯ ТИСКУ В РК може бути при:

· порушенні матеріального балансу;

· підвищенні температурного режиму;

· порушенні процесу конденсації парів;

· влученні у високотемпературні колони рідин з низькою температурою

кипіння.

Порушення матеріального балансу відбувається в результаті

збільшеної подачі вихідної суміші в колону, порушення відбору з колон

парової фази і залишку через утворення твердих відкладень, пробок у виді

коксу, смол, полімерів, льоду або кристалогідратів у трубах для відводу

пари і висококиплячого залишку, а також у патрубках і отворах тарілок

колони.

Gвс + Gф ¹ Gп +Gзалиш

Підвищення температури в колоні (порушення теплового балансу)

відбувається при подачі вихідної суміші з підвищеною температурою,

збільшенні подачі теплоносія в кип'ятильники або подачі його з підвищеною

температурою, зменшенні кількості флегми, подаваної на зрошення.

Qкип + Qвс + Qфл = Qп + Qзалиш + Qвнс

де Qкип,Qвс,Qфл - кількість тепла, що надходить у колону відповідно через

кип'ятильник, з початковою (вихідною) сумішшю, із флегмою Qп,Qзалиш,Qвнс -

кількість тепла, що відводиться з колони відповідно в дефлегматор з паром,

із залишком, втрати в навколишнє середовище.

При порушенні процесу конденсації пари-ректифікату, що надходить

з колони в дефлегматор і конденсатор-холодильник у всій ректифікаційній

колоні (установці) підвищуються температура і тиск. Причина - зменшення і

повне припинення подачі холодоагента, надходження його з більш високою

початковою температурою або сильне забруднення теплообмінної поверхні

малотеплопроводними відкладеннями. Частина пари, що нескондесувалося,

може виходити назовні через дихальну лінію на ємності ректифікату,

створюючи місцеву горючу суміш з повітрям (приклад пожежі на

Новоярославському НПЗ)

У випадку попадання у високонагріті колони рідин з низькими Ткип

через помилкові переключення, подачу в колонну обводненої пари

відбувається перегрів і миттєве скипання рідин зі швидким (вибуховим)

ростом тиску. Вода, що залишилася, у колоні після гідравлічного іспиту, з

наступною подачею в неї нагрітого до високої температури проекту

викликає таку ж небезпеку.

Можливі джерела запалювання:

- самозапалювання ГР і парової фази при виході назовні і зіткненні з

повітрям;

- печі, реактори, вогневі ремонтні роботи на території або на прилеглих

технологічних установках, нагріті елементи конструкцій, якщо їхня

температура перевищує Тсв пароповітряної суміші;

- самозаймання відкладень на внутрішніх поверхнях колон і

трубопроводів, утворення пірофорних сполук;

- іскри, що утворюються при користуванні інструментом, що іскриться,

у ході чищення і ремонту, іскри від електроустаткування, розрядів статичної

електрики і т.д.

Можливі шляхи поширення пожежі:

- по поверхні що розлилися (частіше нагрітих) ЛЗР і ГР;

- по парогазоповітряній хмарі, дихальним лініям;

- по трубопроводах промислової каналізації, трубопроводам, звільненим

від продукту;

- по поверхні теплоізоляції;

- по поверхах, по площадках етажерок і по території установки.__