книги из ГПНТБ / Брейман, М. И. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах

ного на трубопроводе к гидрозатвору

Наиболее трудной задачей является определение оптимальной

способен удовлетворить сброс в 50% случаев, а факел, рассчитан­

ный на 1 млн. куб. футов (28 300 м3) в сутки, удовлетворит сброс в 95% случаев. В данном случае оптимальным проектным реше­

Высота факельной трубы многофорсуночного факела, точнее высота той части трубы, которая возвышается над землей, незави­

симо от диаметра принимается 32 фута (9,6 м). Основание трубы

находится над землей. Минимальное расстояние между землей и

основанием трубы составляет 1A внутреннего диаметра трубы. Стальной корпус трубы по всей высоте футеруется огнеупорными материалами толщиной 4—6 дюймов.

180

Сопла форсунок на горелках изготовляют из стандартной од­ нодюймовой трубы. Каждое сопло имеет в длину 5 дюймов. Фор­

сунки устанавливаются вертикально по отношению к коллектору,

по которому поступает газ и который расположен горизонтально по отношению к основанию факельной трубы (рис. III.12).

Число форсунок зависит от скорости движения факельного

газа.

Форсунки располагают на сторонах квадрата или прямоуголь­

ника на расстоянии 18-—24 дюймов. Для газов с низкой теплотой сгорания предпочтительно уменьшить расстояние между форсун­

ками до 18 дюймов и меньше.

Держатели пламени (см. рис. III.12, поз. 7) являются важной

деталью факела. Они сплошные, в виде стержней диаметром

1 дюйм из огнеупорного материала, и расположены непосредст­ венно над соплами форсунок. Держатели не дают пламени подни­

маться к вершине факельной трубы и способствуют лучшему сме­

шению газа с воздухом и созданию турбулентности над форсун­

ками.

Конструкция горелки и расположение пламедержателя показа­

181

П. Д. Миллер [34] сообщает, что прототип многофорсуночной горелки был пущен в действие в конце 1956 г. на нефтеперераба­

тывающем заводе в Галифаксе (Англия). «Этот факел успешно

действовал всегда, когда это было необходимо, он работал три месяца без перерыва». Способ бездымного несветящегося сжига­

ния факельных газов, разработанный фирмой «ЭССО», заслужи­

вает внимания, и некоторые элементы конструкции многофорсу­

ночных факелов могут быть использованы на отечественных пред­

приятиях.

ГЛАВА 4

К ВОПРОСУ О РАСЧЕТЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФАКЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Факельная система защищает технологическое оборудование от опасного повышения давления при условии, если размеры и конст­ рукции ее элементов соответствуют условиям эксплуатации. В на­

стоящее время отсутствует единая методика расчета отдельных элеменов факельных систем.

Например, в проекте «Временных норм и правил по проектиро­

ванию и эксплуатации факельных систем нефтеперерабатывающих

и нефтехимических предприятий» (ВНИПИнефть) предусматри­

вается следующая схема расчета.

Диаметр магистральных факельных газопроводов должен оп­ ределяться из расчета, что давление в любой точке этих газопро­

водов в момент выброса факельных газов из цехов и установок

завода не могло превышать:

Между тем, как показывает опыт эксплуатации большого чис­ ла нефтеперерабатывающих заводов, давление в факельных тру­ бопроводах составляет, как правило, 2—3 кгс/см3, в некоторых слу­

чаях даже превышает 3 кгс/см2. Это происходит по двум основным

причинам: во-первых, на многих заводах факельные системы низ­

кого давления используются для сбора и последующей утилиза­

ции постоянных технологических газовых выбросов; во-вторых,

из-за неправильного выбора диаметра факельных трубопроводов

внутри технологических установок и магистральных факельных трубопроводов. і

Определяя диаметры факельного трубопровода при проектиро­

вании технологических установок, как правило, руководствуются

пунктом 7 «Рекомендаций по выбору предохранительных клапанов РПК—66». Согласно этому пункту, «в случае объединения выход­

ных труб от предохранительных клапанов, устанавливаемых на не-

182

скольких аппаратах, диаметр общего коллектора следует выби­ рать таким, чтобы он был не меньше, чем диаметр объединяющего

сбросного коллектора от предохранительных клапанов, установ­ ленных на том аппарате, от которого возможен наибольший

сброс».

«В случае объединения выходных труб от нескольких предохра­ нительных клапанов, установленных на одном аппарате, сечение коллектора должно быть не менее суммы сечений выходных труб от этих клапанов».

Изложенные указания правил обычно понимаются как реко­

мендация принимать диаметр общего факельного коллектора по

установке таким, чтобы сечение коллектора было равно сумме се­

чений выходных труб от предохранительных клапанов, установ­ ленных на аппарате с максимальным сбросом. Однако такой под­ ход к решению задачи выбора диаметра факельного трубопрово­

да не учитывает скорость движения газов аварийного выброса и гидравлическое сопротивление, возникающее в трубопроводе.

В работе Μ. Г. Рудина и С. Я. Протовчанской [35] приведены

данные, характеризующие по нескольким установкам максималь­

ный сброс от предохранительных клапанов, диаметр факельного

трубопровода и скорость потока в этом трубопроводе (см. табл.

III.2). В этой таблице также приводятся данные о гидравлическом

Таблица III.2. Характеристика факельных трубопроводов

форминга и экстракции аро­ матики мощностью 500 тыс. т.

год (Л-35-6)

183;

сопротивлении факельного трубопровода (в расчете на 100 м) в

границах установки.

Из приведенных данных следует, что при выполнении проектов

технологических установок и объектов общезаводского хозяйства необходимо в расчете учитывать гидравлическое сопротивление

факельных трубопроводов.

Выше уже указывалось, что методический материал, определя­

ющий порядок расчета всех элементов факельных систем, у нас еще не сформирован окончательно. В этой связи могут предста­ вить интерес для изучения (но пока еще не для практического

применения) некоторые зарубежные формулы для расчета от­

дельных элементов факельных систем.

В работе С. X. Тан [36] приводится упрощенный метод опре­ деления диаметра факельных газопроводов в зависимости от до­

пустимого давления в аппаратах при аварийном стравливании.

Там же приведена номограмма, которая, по мнению автора, позво­ ляет получить достаточные результаты в процессе проектирова­

ния.

Ответственным элементом факельного хозяйства является фа­

кельная труба. Диаметр ее должен определяться из расчета обес­

печения устойчивого пламени и предотвращения отрыва пламени

при наибольшем стравливании газов. Исследования [37] показали,

что отрыв пламени происходит, когда скорость выхода газа состав­

ляет 20—30% от скорости звука. Следовательно, диаметр факель­

ной трубы должен быть выбран так, чтобы скорость выхода газов

была менее 20% скорости звука.

В работе [37] приведены формулы для определения диаметра

факельной трубы.

Массовая скорость потока газов в факельной трубе определя­

ется по эмпирической формуле

W = 3600p<jrΛc

где ю — массовая скорость потока, фут/ч; Pg — плотность газа, фунт/куб. фут;

V — скорость газа на выходе из трубы, фут/с;

Ac — поперечное сечение факельной трубы, кв. фут.

Плотность газа подсчитывается по формуле:

Mp

р0 ~ 10,IT

Скорость газа на выходе из трубы равна одной пятой скорости звука и определяется по формуле:

Поперечное сечение факельного наконечника находят из соот­

ношения:

184

С. X. Тан [37] сообщает, что на основании проведенных опытов

полученные по этой формуле диаметры факельных труб соответ­ ствуют условиям бездымного сжигания газов. В случае дымного

сжигания газов пропускная способность данного диаметра трубы будет приблизительно на 30% больше.

Сепаратор в факельной системе помимо своего прямого назна­

чения предназначен также для предотвращения опасности, свя­

занной с горением капель жидкости, уносимых из факельной тру­ бы. Ниже приведена эмпирическая форімула для вычисления необходимого диаметра горизонтальных сепараторов (исходя из размера частиц жидкости 400 мк) :

β2~ 9900

где D — диаметр сепаратора, футы.

По приведенной формуле можно рассчитывать однопоточные сепараторы. Производительность сепаратора, в которых газ вхо­

дит в середине аппарата и выходит у обоих концов, в два раза

больше производительности однопоточного. Диаметр такого сепа­

ратора составляет 0,7 диаметра, вычисленного по приведенной вы­ ше формуле. Диаметр вертикальных сепараторов обычно должен быть больше и составляет 1,4 диаметра однопоточных сепарато­ ров.

При выборе высоты и места расположения факельной трубы должна учитываться безопасность обслуживающего персонала и сохранность оборудования. Выше (на стр. 177) уже приводились данные о плотности теплового излучения горящего факела. Об интенсивности теплового излучения факела и влиянии его на без­

4,88 ккал/(м2-ч-°С).

185

диусом 450 фут (135 м) — 1500 Btu [7335 ккал/(м2-ч-°С)]. Обору­ дование, расположенное в радиусе 150 фут от факельной трубы,

должно быть защищено от воздействия теплового излучения. Пер­ сонал, находящийся в радиусе 450 фут, должен быть защищен от

воздействия теплового излучения] так как при интенсивности теп­ лового излучения 2000 Btu [976 ккал/ (м2 • ч • °С) ] через 8 с пребы­ вания в этой зоне появ­

ляется боль, а через

20 с — ожоги (пузыри на коже).

Горение газообразных

углеводородов с образо­

ванием дыма определя­

новном водяной пар и двуокись углерода. Чем больше молекуляр­

ный вес углеводорода, тем меньше отношение количеств водяного

пара и двуокиси углерода, тем больше тенденция к образованию дыма. Сохранение оптимального соотношения возможно за счет

инжекции пара. Количество необходимого пара может быть опре­ делено из формулы

‰n=‰c^0,68--

где ITstm — пар, фунт/ч;

W,hc — углеводород, фунт/ч;

M — молекулярный вес углеводорода.

Эта формула основана на весовом соотношении пара к двуокиси

углерода, равном примерно 0,7. Из формулы, например, следует,

что около 0,14 кг водяного пара необходимо для бездымного горе­

ния 0,45 кг углеводорода с молекулярным весом 28.

НЕКОТОРЫЕ ОБОБЩЕНИЯ ПО РАЗДЕЛУ

Создание безопасных условий при эксплуатации нефтеперера­

батывающих и нефтехимических предприятий, а также многих других отраслей промышленности, перерабатывающих и получаю-

186

щих взрывоопасные газы, в значительной степени зависит от пре­

дупреждения и устранения опасности возгорания и взрыва сбрасы­

ваемых из аппаратов горючих газов.

На некоторых нефтехимических предприятиях количество сбра­ сываемых газов при аварийных ситуациях иногда может достиг­

нуть 10 000—15000 м3/ч. Если учесть, что для большинства угле­ водородных газов нижний концентрационный предел взрываемости

составляет около 2 объемн. % и что их плотность больше плотно­

сти воздуха, то легко подсчитать, что в течение нескольких минут,

при смешении газов с окружающим воздухом, на территории по­

рядка нескольких тысяч квадратных метров создается взрывоопас­

ное облако. Весьма вероятно, что на такой площади найдется ка­

кой-либо импульс воспламенения и на огромной территории про­ изойдет мощный взрыв. Однако и помимо таких аварийных

ситуаций значительно более мелкие газовыделения могут создать локальные очаги вспышек, загораний и взрывов. Поэтому предот­

вращение выбросов из системы наружу и сжигание выделившихся

газов на факеле должно быть организовано так, чтобы исключа­

лась возможность аварийных ситуаций как больших, так и малых.

C другой стороны, такое вынужденное сжигание газов, являю­ щихся ценным химическим сырьем, противоречит здравому смыс­

лу. Отсюда вытекает инженерная задача — создать такую систему

сброса газов, которая позволяла бы возможно максимально воз­ вращать их в производство и в то же время надежно гарантиро­

вала бы, что в случаях аварийных выбросов, с которыми система

не ,может справиться, весь излишний газ сжигался бы на факеле.

Как видно из приведенных в этом разделе данных, это далеко не

простая задача, однако решать ее настоятельно необходимо.

Центральным вопросом, от которого зависит жизнеспособность системы, является создание такого регулирующего устройства, ко­ торое автоматически и надежно обеспечивало бы целесообразное

равновесие между объемами и характером сбросов и процессом

сжигания газов на факеле. По-видимому, одного общего решения здесь будет недостаточно, учитывая большое разнообразие произ­ водственных условий. Вероятно, потребуется разработка ряда уни­ фицированных систем, что, как видно из изложенного ранее мате­ риала, еще не достигнуто в должной мере.

Выше уже было показано, что сами по себе факельные систе­

мы являются источниками повышенной опасности. Возможность проникновения в них воздуха и образование вследствие этого взрывоопасных смесей, накопление конденсата со всеми вытекаю­ щими отсюда последствиями, легкость распространения пламени

по магистралям, наличие возможных опасных инициаторов вос­ пламенения— вот далеко не полный перечень потенциальных опас­

ностей, требующих разработки продуманных мер по их уменьше­

нию и устранению. Решение этих вопросов еще не доведено до конца и представляет обширное поле деятельности для инженер­

ной мысли.

187

РАЗДЕЛ IV

УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ, ХРАНЕНИИ И ПРИМЕНЕНИИ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

На современном этапе развития химической и нефтехимической

промышленности углеводородные газы занимают важное место.

В промышленности органического синтеза в качестве основно­

го сырья используются природные газы, попутные газы и продук­

ты, получаемые в результате их переработки на газобензиновых

заводах, газообразные и жидкие углеводороды, получаемые в ре­

зультате эксплуатации газоконденсатных месторождений, жидкие

и газообразные углеводороды, получаемые при переработке нефти.

Большая часть углеводородных газов получается, хранится,

транспортируется и применяется в производстве в виде сжижен­ ных газов. Хранение и транспортирование газов в жидком виде наиболее рентабельно, поскольку сжижением газов достигается значительное уменьшение их объема.

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

К сжиженным углеводородным газам относятся такие углево­

дороды, которые при норімальных условиях находятся в газооб­ разном состоянии, а при относительно небольшом повышении дав­ ления (без снижения температуры) переходят в жидкое состояние.

При снижении давления эти углеводородные жидкости испаряют­

ся и переходят в паровую фазу.

Опасность эксплуатации производств и складов со сжиженны­

ми газами определяется их специфическими свойствами, к кото­

рым относятся:

высокая плотность их в газообразном состоянии, превышающая

плотность воздуха;

медленная диффузия в атмосферу, в особенности при отсутст­

вии ветра;

относительно низкие температуры самовоспламенения; низкие нижние пределы и широкая область воспламеняемости

смесей с воздухом, которые взрываются при импульсах небольшой интенсивности;

возможность образования конденсата при снижении темпера­ туры до точки росы или при повышении давления;

189