Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов ректификации пожароопасных жидкостей

Рис. 17.2. Принципиальная схема простой ректификационной колонны: 1 – ректификационная колонна; 2 – дефлегматор; 3 – кипятильник

Уравнение материального баланса для дефлегматора имеет вид

где Gп, Gф, Gр – количество, соответственно, пара, флегмы и ректификата. Разделим обе части уравнения (17.1) на Gр и получим:

Отношение количества возвращаемого в колонну продукта (флегмы) к количеству отбираемого ректификата называется флегмовым числом R = Gф / Gр. Тогда количество пара, движущегося по укрепляющей части колонны снизу вверх, можно определить из выражения

Количество стекающей жидкости составит: –  в укрепляющей части колонны

301

Пожарная безопасность технологических процессов

где Gи.с – количество исходной смеси.

В процессе эксплуатации РК флегмовое число меняется от бесконечности (при пуске в работу колонна работает «на себя», так как отбор ректификата отсутствует) до оптимального значения.

Используя выражения (17.3)–(17.5), можно найти состав и количество пара и жидкости, поступающих в открытое пространство при разгерметизации стенки в любой части РК.

17.2. Устройство ректификационных колонн и принцип работы ректификационной установки

Ректификационные колонны, представляющие собой вертикальные цилиндрические аппараты, бывают насадочными и тарельчатыми ( барботажными). Высота РК составляет 10–100 м и более, диаметр 0,5–6 м

иболее. В насадочных РК трудно добиться достаточно четкого разделения компонентов из-за относительно малой суммарной поверхности контакта паровой и жидкой фаз. Поэтому на практике чаще используются барботажные колонны.

Вбарботажных РК в качестве массотеплообменных устройств используются тарелки (горизонтальные диски специальной конструкции) как с организованным, так и с неорганизованным переливом жидкости. Так как скорость пара в колоннах небольшая (в тарельчатых она обычно не превышает 0,5 м/с), то диаметр колонн лимитируется расходом пара: чем больше массовая производительность колонны по пару, тем больше ее диаметр. Высота РК зависит от многих факторов и в первую очередь от чистоты дистиллята (четкости ректификации) и разности температур кипения разделяемых компонентов. Чем выше чистота получаемого дистиллята и меньше разность температур кипения чистых компонентов, тем больше будет высота колонны.

Схема непрерывно действующей установки для разделения бинарной (двухкомпонентной) смеси показана на рис. 17.3. Исходная смесь забирается из сборника 1 насосом 2, предварительно нагревается в подогревателе 3 и направляется в кипятильник 4. Далее с постоянным расходом она поступает в эвапоратор ректификационной колонны 5, где разделяется на паровую

ижидкую фазы. Пары с верхней части колонны по шлемовой трубе отводятся в дефлегматор 6, где частично конденсируются. Образующаяся в дефлегматоре горячая флегма отделяется от пара в сепараторе 7 и направляется на орошение верхней части колонны. В конденсаторе-холодильнике 8 пары

302

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов ректификации пожароопасных жидкостей

полностьюконденсируются,образующийсяконденсатохлаждаетсяипоступает в сборник дистиллята 10.

Для непрерывного поддержания в состоянии кипения кубового остатка в нижней части колонны имеется кипятильник9. Отсюда же отводится кубовый остаток, который предварительно охлаждается в теплообменнике 3, отдавая свое тепло холодной исходной смеси, затем окончательно охлаждается до необходимой температуры в холодильнике 12 и поступает в сборник остатка 11.

Рис. 17.3. Схема ректификационной установки непрерывного действия: 1, 10, 11 – сборники исходной смеси, дистиллята и остатка соответственно; 2 – насос; 3 – теплообменник (подогреватель); 4, 9 – кипятильники;

5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – сепаратор; 8 – конденсатор-холодильник; 12 – холодильник;

А – НК компонент; В – ВК компонент

Многокомпонентную смесь можно разделить на составляющие компоненты на нескольких простых РК или на одной сложной колонне. Чаще всего сложные колонны применяют при переработке нефти.

Орошение РК может быть горячим (см. рис. 17.2, 17.3) и холодным (рис. 17.4). Горячее орошение экономичнее холодного, но более сложное в устройстве.

303

Пожарная безопасность технологических процессов

2

Вода

1

3

4

Рис. 17.4. Схема холодного орошения: 1 – ректификационная колонна; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – сборник дистиллята; 4 – насос

Выбор способа воспроизводства пара в кубовой части колонны зависит от многих факторов. В периодически действующих или непрерывно действующихколоннахнебольшойпроизводительностипопарупритемпературе кипения остатка до 150 °С и при отсутствии в нем загрязняющих теплообменные поверхности примесей используются встроенные в кубовую часть колонны кипятильники 9 змеевикового или трубчатого типа (см. рис. 17.3), обогреваемые водяным паром.

При больших поверхностях теплообмена или наличии в кубовом остатке загрязняющих поверхности теплообмена примесей применяются выносные кипятильники с естественной или принудительной циркуляцией остатка. Обычно устанавливают не менее двух кипятильников, которые периодически поочередно останавливают для очистки теплообменных поверхностей от отложений.

При высокой температуре кипения остатка вместо кожухотрубчатых кипятильников применяются трубчатые печи. Их широко используют в высокопроизводительных ректификационных установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслей промышленности для нагрева до кипения (свыше 150 °С) нефти, продуктов ее перегонки или других жидкостей.

В РК применяются колпачковые, решетчатые, ситчатые, клапанные и другие тарелки. Выбор типа тарелки зависит от многих факторов, к которым в первую очередь относятся: эффективность разделения компонентов, экономичность процесса, длительность эксплуатации, возможность быстрой эвакуации продуктов из колонны.

304

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов ректификации пожароопасных жидкостей

В промышленности очень часто применяются колонны с колпачковыми тарелками, на которых обеспечивается хороший контакт между паром и флегмой на тарелках. Схема работы РК с колпачковыми тарелками приведена на рис. 17.5.

5

2

3 4

5

2

Рис. 17.5. Схема работы РК с колпачковыми тарелками: 1 – корпус РК; 2 – дно тарелки; 3 – паровые патрубки; 4 – колпачки; 5 – переливные трубы;

– пар; – жидкость

Вколоннах с такими тарелками пар, поднимаясь с нижней тарелки на верхнюю, барботирует через слой кипящей жидкости и выходит из прорезей колпачков в виде мелких пузырьков. При этом пар, имея более высокую температуру по сравнению с жидкостью, частично ее испаряет, а сам, охлаждаясь, частично конденсируется. В результате такого взаимодействия пары, поднимаясь вверх по тарелкам, постепенно освобождаются от ВК компонента, обогащаясь НК компонентом. Это приводит к постепенному снижению температуры кипения флегмы на вышележащих тарелках до температуры кипения ректификата, поступающего в качестве флегмы на верхнюю тарелку РК. Поэтому температура по высоте колонны снизу вверх уменьшается от темпе-

ратуры кипения tкип остатка до температуры кипения tкип ректификата, который в виде пара выводится из верхней части колонны по шлемовой трубе.

Впротивоположном направлении навстречу поднимающемуся потоку пара движется флегма, которая по переливным трубам переливается с тарелки на тарелку. На каждой тарелке вследствие частичной конденсации пара содержание ВК компонента во флегме постепенно повышается, т. е. она, спускаясь вниз, постепенно освобождается от НК компонента и в виде кубового остатка выводится из нижней части колонны.

305

Пожарная безопасность технологических процессов

По конструкции различают тарелки с капсульными (круглыми) колпачками и туннельными или желобчатыми (прямоугольными) колпачками. Достоинства колпачковых тарелок: возможность работы при низком расходе газа, устойчивая работа при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. Недостатки: большие затраты на изготовление, высокое гидравлическое сопротивление.

Ситчатые и провальные тарелки представляют собой диски с отверстиями круглого и прямоугольного сечения и отличаются тем, что ситчатые тарелки имеет переливные трубы, а провальные – не имеют. Эти тарелки сравнительно легко освобождаются от жидкости, поскольку жидкость при остановке подачи пара в кипятильник «проваливается» вниз. В колпачковых колоннах освобождение от жидкости затруднено, так как на тарелках после остановки колонны остается слой жидкости, толщина которого определяется высотой переливных патрубков. Поэтому в дне каждой тарелки имеются отверстия для слива жидкости.

17.3.Особенности пожарной опасности процессов ректификации

иосновные способы обеспечения пожарной безопасности

Пожарная опасность процессов ректификации ЛВЖ и ГЖ характеризуется:

–  пожаровзрывоопасными свойствами продуктов и их количеством; –  технологическими параметрами процессов (составом исходной сме-

си, температурой, давлением); –  конструктивными особенностями РК.

На ректификационных установках чаще всего происходит разделение горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, а также горючих сжиженных газов. В этом случае пожарная опасность ректификата и остатка сопоставима. Однако при разделении разбавленных водных растворов ЛВЖ (например, этанола или ацетона) остаток является негорючей жидкостью (вода с примесью ЛВЖ), а ректификат – практически чистой ЛВЖ (этанол-ректи- фикат или ацетон).

На современных высокопроизводительных ректификационных установкахобращаетсябольшоеколичествоЛВЖ,ГЖилиСГГ,ааппаратыимеют большой единичный объем. Производительность установок обычно задается количеством ректификата (дистиллята), которое нужно получить в единицу времени, либо количеством исходной (начальной) смеси, которое следует переработатьвединицувремени.Дляоценкипожарнойопасностипроцессаследует знать количество и свойства всех обращающихся на установке веществ: исходной смеси, ректификата, остатка и других (например, боковых погонов при перегонке нефти). Пожаровзрывоопасные свойства этих веществ могут

306

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов ректификации пожароопасных жидкостей

существенно различаться между собой. Следует также иметь в виду, что горючие вещества находятся не только в РК, но и в других аппаратах ректификационной установки: дефлегматорах, теплообменниках, сборниках, промежуточных емкостях и др.

Основными технологическими параметрами процесса ректификации являются давление и температура, которые тесно взаимосвязаны: чем выше рабочее давление, применяемое при разделении какой-либо смеси, тем выше рабочая температура, и наоборот. В большинстве случаев ректи- фикациюпроводятподнебольшимдавлением(0,12–0,7МПа),авнекоторых случаях – под повышенным давлением (например, разделение СГГ) или под вакуумом (например, перегонка мазута).

Температура и давление по высоте колонны не остаются постоянными: максимальное значение они имеют в нижней части колонны, минимальное – в верхней. Температура верха колонны примерно равна температуре кипения легкокипящего компонента (ректификата) при рабочем давлении в этой части колонны. Температура низа колонны равна температуре кипения высококипящего компонента (остатка) при рабочем давлении в этой части колонны.

НормальныйрежимэксплуатацииРКприперегонкеЛВЖиГЖхарактеризуется постоянством температуры, расхода и состава исходной смеси, температуры, расхода и состава пара ректификата и температуры и расхода остатка, а также установившимся давлением по высоте РК. В колонне находится только кипящая жидкость и ее пары. Так как воздуха в таких РК нет, то образование ВОК внутри колонн исключено.

Горючие концентрации в РК могут образоваться при:

–  пуске в эксплуатацию, когда в заполненную воздухом колонну могут подать исходную горючую смесь;

–  остановке на осмотр или ремонт из-за неполного освобождения колонны от горючих продуктов и последующего поступления воздуха при открывании люков и лазов;

–  проведении ремонтных работ из-за попадания в колонну горючих ЛВЖ из соседних аппаратов через неправильно отключенные трубопроводы.

Основная опасность в период эксплуатации колонн, работающих под давлением, связана с возможностью выхода наружу горючих паров или кипящей флегмы при появлении неплотностей и повреждений. Последствия утечки зависят от места и масштаба повреждения, рабочей температуры в колонне и температуры самовоспламенения выходящего наружу вещества. По соотношению величины рабочей температуры tр и температуры самовоспламенения tсв разгоняемых веществ колонны можно условно разделить на две группы:

307

Пожарная безопасность технологических процессов

1)  колонны, в которых рабочая температура ниже температуры самовоспламенения веществ, но выше или равна их температуре вспышки, т. е. tвсп ≤ tр < tсв. К этой группе относятся колонны для выделения из растворов спиртов, эфиров, ароматических углеводородов, бензина и т. п. При выходе таких веществ наружу могут образоваться зоны взрывоопасных концентраций, для воспламенения которых необходим внешний источник зажигания;

2)колонны, во всем объеме которых или только в нижней частиtр ≥ tсв.

Кэтой группе относятся колонны для разгонки мазута, продуктов крекинга нефти и газа, каменноугольных и древесных смол и других веществ. Выходящий наружу через неплотности и повреждения продукт самовоспламеняется при контакте с воздухом. В верхней (наиболее холодной) части таких колонн

tр < tсв, поэтому их рассматривают как колонны первой группы.

Причины повреждения ректификационных колонн связаны с механическими, температурными и химическими воздействиями на материал их стенок.

Механические воздействия могут быть вызваны чрезмерным ростом давления, воздействием динамических нагрузок (гидравлические удары, вибрации) и эрозией стенок колонн. В свою очередь, рост давления в колоннах может быть вызван нарушением материального баланса, нарушением теплового баланса, попаданием легкокипящей жидкости в высоконагретые части колонн (кубовые части).

Нарушение материального баланса процесса ректификации происходит в

следующих случаях: при увеличении подачи на разделение исходной смесиGи.с и (или) флегмы на орошение Gф, когда отбор пара Gп и кубового остатка Gо остается неизменным; при уменьшении отбора из колонны пара Gп и (или) кубового остатка Gо, когда подача исходной смеси Gи.с и флегмы Gф остается неизменной; при одновременном увеличении подачи Gи.с и Gф и уменьшении отбора пара Gп и остаткаGо; при увеличении гидравлического сопротивления тарелок и линий в результате образования отложений (пробок).

Нарушение теплового баланса может произойти в результате:

–  увеличения прихода тепла с исходной смесью и (или) с теплоносителем в кубовой части колонны;

–  снижения отвода тепла из колонны при уменьшении или прекращении подачи флегмы на орошение головной части колонны (при нарушении процесса конденсации пара в дефлегматоре или холодильнике-конденсато- ре вследствие уменьшения или прекращения подачи хладоносителя, подачи хладоносителя с завышенной температурой, загрязнения теплообменной поверхности, накапливания неконденсирующихся газов, поступающих в колонну с исходной смесью), снижения производительности или остановки насоса при холодном орошении колонны (см. рис. 17.4).

308

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов ректификации пожароопасных жидкостей

При попадании в высокотемпературную колонну жидкости с низкой температурой кипения происходит резкое вскипание этой жидкости с образованием большого количества пара. При этом рост давления в колонне носит взрывной характер, что может привести к разрушению аппарата. Подобное явление может иметь место при нарушении нормального режима пуска колонны в работу, когда высоконагретая жидкость (исходная смесь или горячая струяизтрубчатойпечи)подаетсявколонну,внижнейчастикоторойимеются остатки низкокипящей жидкости, например, воды после промывки, пропаривания или гидравлического испытания колонны.

При разделении смесей веществ, склонных к термическому разложению или полимеризации, процесс ректификации проводят под вакуумом (часто с одновременной подачей водяного пара) для снижения температурногорежимаработыколонны.Чемглубжевакуумибольшесодержаниеводяного пара, тем ниже рабочая температура ректификации. Разрежение в колонне создают интенсивной конденсацией паровой фазы в барометрическом конденсаторе, конденсаторе-холодильнике и (или) за счет принудительного отсоса из него пара и неконденсирующихся газообразных продуктов с помощью паровыхвакуум-эжекторов.Повышеннаяпожарнаяопасностьвакуумныхко- лонн возникает из-за снижения вакуума при нарушении работы названных аппаратов. В результате этого происходит рост температуры и, как следствие, ускорение процессов термического разложения и полимеризации разделяемых продуктов. Термический распад, связанный с интенсивным образованием газов, приводит к еще большей потере вакуума. Полимеризация, в свою очередь, также ведет к росту давления вследствие интенсивного образования полимерных пробок и увеличения гидравлического сопротивления тарелок и трубопроводов при движении материальных потоков.

Для разделения растворов, имеющих низкую температуру кипения (ниже 0 °С), используют колонны низкотемпературной ректификации (например, при газофракционировании смесей углеводородных газов, т. е. при разделении смесей легких углеводородов в ректификационных колоннах в целях получения индивидуальных газов или узких фракций). Низкую температуру получают, применяя холодильники, в которые подают в зависимости от рабочей температуры холодильные рассолы или сжиженные газы:

аммиак (tкип = –33 °С), пропилен (tкип = –48 °С), этилен (tкип = –103 °С) и др. Особенности пожарной опасности этих колонн определяются низкими ра-

бочими температурами и использованием горючих сжиженных газов в качестве хладагентов. Нарушение температурного режима в таких колоннах влечет за собой повышение давления. Наличие в исходных смесях паров воды, двуокиси углерода и других примесей приводит к образованию льда икристаллогидратов,забиваниютарелокитрубопроводовихотложениями.

309

Пожарная безопасность технологических процессов

При низких температурах повышается опасность повреждения и разрушения оборудования в результате снижения ударной вязкости стали.

Вибрация колонн, установленных на открытых площадках, наблюдается при воздействии ветра. Эрозия возникает чаще всего в местах ввода исходной смеси в колонну, когда струя жидкости (часто содержащей механические примеси) ударяется в стенку колонны, противоположную вводу, а также в верхней части колонны (в шлемовой трубе).

Опасные температурные напряжения наблюдаются в РК при резком изменении температуры (чаще в результате несоблюдения графика вывода аппаратов на рабочий режим), а также под воздействием атмосферных осадков в местах повреждения теплоизоляции. Большую опасность для несущихопораппаратов,самихаппаратовитрубопроводовпредставляетдействие на их незащищенные теплоизоляцией конструкции высокой температуры пожара.

Внутренниеповерхностикорпусовколонн,патрубки,колпачкитарелок и шлемовая труба подвергаются химической коррозии в результате агрессивного воздействия разделяемых жидкостей и находящихся в них примесей.

Специфическими источниками зажигания на ректификационных установках могут быть:

–  высоконагретые поверхности технологического оборудования, если их температура равна или выше температуры самовоспламенения tсв паровоздушной смеси;

–  огневые печи, реакторы, огневые ремонтные работы на территории ректификационных установок;

–  горючая жидкость и паровая фаза, нагретые до температуры самовоспламенения tсв и выше, самовоспламеняющиеся при аварийном выходе их наружу и контакте с воздухом;

–  отложения, образовавшиеся на внутренних поверхностях колонн и трубопроводов, самовозгорание которых возникает в период остановки технологического оборудования, когда в него поступает воздух;

–  разряды статического электричества; –  фрикционные искры, образующиеся при чистке и ремонте колонн;

–  разряды молний, а также источники зажигания, связанные с эксплуатацией электрооборудования.

Возникший пожар на ректификационной установке может быстро распространятьсяпоповерхностиразлившихсяприавариинагретых(чащекипящих) ЛВЖ и ГЖ, по горючему парогазовоздушному облаку, по дыхательным линиям емкостных аппаратов, по трубопроводам промышленной канализации, по поверхности теплоизоляции, пропитанной горючей жидкостью, по освобожденным от продукта трубопроводам при пуске в работу и остановке.

310