Аппараты с подвижным уровнем жидкости

К аппаратам с подвижным уровнем жидкости относятся, в частности, резервуары для хранения ЛВЖ и ГЖ, которые по условиям технологии периодически заполняются или опорожняются.

Если в газовом пространстве резервуара, работающего с неподвижным уровнем горючей жидкости, достигнута насыщенная концентрация паров жидкости и это газовое пространство защищено от выветривания (например, дыхательным клапаном), то ни последующий длительный покой, ни движение уровня жидкости вверх не изменяют состав и состояние газовой среды в закрытом дышащем аппарате.

В этих случаях сохраняет силу оценка горючести среды по температурным пределам распространения (воспламенения) пламени.

Однако при снижении уровня жидкости в аппарат через дыхательный клапан поступает воздух и разбавляет насыщенные пары.

Если концентрация паров в резервуаре была больше верхнего концентрационного предела распространения (воспламенения) пламени (т.е. была негорючей), то при откачке жидкости во всем объеме газового пространства или только в зоне притока воздуха паровоздушная смесь может становиться горючей.

Смесь, находящаяся в области воспламенения, при откачке может разбавиться до пожаровзрывоопасного состояния.

При непрерывной циклической работе аппарата (чередование наполнения и опорожнения) может случиться так, что большую часть рабочего времени в аппарате будет ненасыщенная концентрация паров.

В этих случаях оценку горючести паровоздушной смеси необходимо выполнять только по соотношению

φ_н ≤ φ_р ≤ φ_в,

где φ_р – изменяющаяся рабочая концентрация паров жидкости в аппарате, определяемая расчетом или экспериментально;

φ_н, φ_в – соответственно концентрации паров жидкости, соответствующие нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени (воспламенения).

Однако в действительности вблизи дыхательных устройств (под крышей резервуара) могут образоваться пожаровзрвоопасные концентрации.

В крупных резервуарах объемом 10 тыс.м³, 20 тыс. м³ и более разбавление паровоздушной смеси происходит в основном в зоне притока воздуха. В таких резервуарах, как правило, образуются локальные горючие концентрации.

Предотвращение образования горючей среды в закрытых аппаратах и емкостях с подвижным уровнем жидкости способствуют следующие решения:

- ликвидация свободного паровоздушного пространства путем применения плавающих крыш и понтонов;

- введение негорючих (инертных) газов в газовое пространство аппарата;

- уменьшение скорости изменения уровня жидкости путем увеличения числа одновременно опорожняемых аппаратов;

- исключение или сокращение входа атмосферного воздуха в опорожняемый аппарат путем устройства газовой обвязки синхронно работающих аппаратов.

• Оценка пожарной опасности в аппаратах с горючими газами и меры профилактики.

Аппараты с газом

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 различают:

газы – вещества, давление насыщенных паров которых при температуре равной 25⁰С и давлении равном 101,3кПа превышает 101,3кПа.

Условие пожаровзрывобезопасности аппаратов с горючими газами аналогично условию пожаровзрывобезопасности аппаратов с горючими жидкостями (приложение 4 ГОСТ 12.1.044-89):

, (3.14)

, (3.15)

где: - нижний концентрационный предел распространения пламени, %;

- верхний концентрационный предел распространения пламени, %;

– воспроизводимость метода определения показателя пожарной опасности.

Рабочую концентрацию горючего газа в смеси с окислителем можно определить, исходя из материального баланса аппарата, по формулам:

, (3.16)

где: - количество горючего газа в аппарате, м³;

- количество окислителя в аппарате, м³,

, (3.17)

где: - расход горючего газа, м³с^-1;

- расход окислителя в аппарате, м³с^-1.

Для практических расчетов возникает необходимость определение массовой концентрации горючих паров или газов, которую можно определять по формуле:

, (3.18)

где: - объемная концентрация, об. доля;

-молярная масса, кг кмоль^-1;

=22,413 м³ кмоль^-1 - мольный объем паров или газов.

Обычно аппараты и трубопроводы при нормальной работе заполнены горючим газом или смесью газов без примеси окислителя.

Пожаровзрывоопасная концентрация внутри таких аппаратов и трубопроводов образоваться не может из-за отсутствия окислителя. Рабочая концентрация в них φ_р = 100 %.

Реже, если это необходимо для химико-технологического процесса, используется смесь горючего газа с воздухом или кислородом. Например, получение водорода паровоздушной или парокислородной конверсией метана; получение ацетилена термоокислительным пиролизом природного газа; получение окислов азота окислением аммиака.

Наличие горючей смеси газа с воздухом внутри аппарата и трубопроводов и образование пожаровзрывоопасной концентрации можно оценить по соотношению:

φ_н ≤ φ_р ≤ φ_в,

где φ_р – рабочая концентрация горючего газа в аппарате;

φ_н – концентрация горючего газа, соответствующая нижнему концентрационному пределу;

φ_в - концентрация горючего газа, соответствующая верхнему концентрационному пределу.

Мы уже знаем с вами, что существует минимальная концентрация (нижний концентрационный предел «НКПВ») и максимальная концентрация (верхний концентрационный предел «ВКПВ») горючего газа в смеси с воздухом, при которых смесь может воспламениться от источника зажигания и пламя распространится на весь объем горючей смеси. ГОСТ 12.1.04-89 п.2.5

Интервал между НКПВ и ВКПВ является областью воспламенения.

Именно этот показатель – область воспламенения – необходимо учитывать для безопасной работы аппаратов и трубопроводов, заполненных газом или смесью газа с воздухом.

Вспомните, чем характеризуется область воспламенения. Область воспламенения характеризуется тем, что внутри нее все смеси горючего и окислителя способны воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем.

Чем ниже НКПВ, тем больше область воспламенения, тем большую опасность представляет тот или иной горючий газ или смесь газов.

Для области воспламенения характерно:

- максимальная скорость распространения пламени;

- максимальная температура горения;

- максимальное давление взрыва.

Область воспламенения можно изменить, меняя условия процесса горения или реакции окисления.

Вспомните и факторы, влияющие на область воспламенения:

1. влияние мощности источника зажигания (с увеличением мощности источника зажигания область воспламенения увеличивается, с уменьшением мощности источника зажигания – сужается);

2. влияние начальной температуры смеси (с увеличением начальной температуры смеси - Т₀ область воспламенения расширяется);

3. влияние давления (Р < Р_атм, т.е. при давлении ниже атмосферного область воспламенения сужается и при определенном значении давления смесь может стать вообще пожаровзрывобезопасной);

4. влияние наличия инертных газов (добавка инертных газов в горючую газовую смесь сужает область воспламенения, за счет уменьшения ВКПВ).

Итак, возможность образования взрывоопасной концентрации в аппарате с горючими газами определяют из соотношения: φ_н ≤ φ_р ≤ φ_в.

Рабочую концентрацию определяют по технологическому регламенту исходя из соотношения компонентов, подаваемых в аппарат, или путем контроля концентрации на соответствующих приборах.

Для предупреждения образования горючей концентрации в аппаратах с газами используются следующие технические решения:

1. Поддержание рабочей концентрации горючего газа в смеси с окислителем за концентрационными пределами воспламенения с помощью систем автоматики. При этом условие безопасности будет:

φ_р < φ_н или φ_р > φ_в.

Другими словами рабочая концентрация горючего газа должна устраняться либо выше верхнего, либо ниже нижнего пределов распространения пламени с учётом условия пожаровзрывобезопасности.

2. Поддержание в газовых коммуникациях избыточного давления, предотвращающего подсос наружного воздуха через неплотности. Примером могут служить трубопроводы факельных систем, по которым непрерывно (или периодически) происходит сброс горючих газов на сжигание и утилизацию.

3. Непрерывный автоматический контроль содержания опасной примеси в газе (наличие окислителя в инертном газе, окислителя в смеси горючего и инертного газов, горючего в окислителе). Примером может служить контроль примеси воздуха или кислорода в азото-водородной смеси перед сжатием на компрессорах в аппаратах синтеза аммиака.

Для контроля содержания опасной примеси в аппаратах и трубопроводах их оборудуют автоматическими газоанализаторами и, кроме того, предусматривают блокировку на узлах задвижек, исключающую попадание примеси в технологический газовый поток.

Другими словами, необходимо использование автоматических регуляторов давления, дозаторов и газоанализаторов, обеспечивающих безопасное соотношение «горючее вещество – окислитель»;

4. Стабилизация зоны горения горючей смеси в защищенном пространстве реактора путем выбора скорости и режима движения горючей смеси, предотвращающих «проскок» пламени (перемещение зоны горения) в незащищенное пространство реактора либо других аппаратов.

5. Аварийное преднамеренное изменение состава горючей смеси, обеспечивающее быстрый перевод ее в негорючее состояние. Это достигается путем использования инертного газа или путем прекращения подачи одного из компонентов горючей смеси.

6. Флегматизация негорючими (инертными) газами.

Такое решение используют при наличии смеси горючего газа с окислителем, находящейся в области воспламенения или близкой к ней.

Очень сложно осуществить защиту аппаратов в тех случаях, когда основной технологический процесс представляет собой горение.

Примером может служить агрегат конверсии метана в газовом цехе производства аммиака.

Примечание. Показать на рисунке конвертор метана, где происходит горение при температуре 1700⁰ С.