Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов сорбции горючих паров и газов

Пожарная безопасность процессов абсорбции обеспечи - вается следующими основными способами и техническими ре - шениями или их комбинацией:

–  диагностикой оборудования на прочность и плотность; –  контролем и регулированием: температуры абсорбента, давления в

абсорбере; расхода газов и паров, поступающих в абсорбер; уровня абсорбента в нижней части абсорбера;

–  устройством системы охлаждения абсорбента в абсорбере; –  очисткой абсорбера от отложений в установленные сроки; –  защитой абсорбера предохранительными клапанами; –  защитой абсорбера взрывным мембранным устройством;

–  применением коррозионно-стойких материалов для изготовления абсорберов, использованием защитных покрытий;

–  контролем износа материала стенок абсорберов; –  выводом дыхательных линий промежуточных емкостей с отрабо-

танным абсорбентом за пределы производственных помещений и защитой их огнепреградителями.

18.4. Процессы адсорбции и область их применения

Процессы адсорбции в настоящее время используются для очистки и осушки газов, разделения смесей газов и паров, очистки растворов от примесей, а также в фильтрующих противогазах.

Адсорбцией называется процесс поглощения газов, паров или жидкостей поверхностью пористых твердых тел – адсорбентов.

При адсорбции газов с высоким начальным содержанием поглощаемого компонента адсорбент быстро насыщается последним и также быстро должен будет регенерирован или заменен. Следовательно, процессы адсорбции рационально применять при малых начальных концентрациях поглощаемого компонента в парогазовой смеси, а также при необходимости полного поглощения этого компонента из смеси.

О способности твердых тел поглощать своей поверхностью примеси из газовых смесей и растворов жидкостей знали давно. Российский ученый Иоганн Ловиц (1757–1804) впервые изучил этот процесс в 1785 г. и нашел ему практическое применение. Первым адсорбентом был древесный уголь. Уголь применяли во флоте для очистки питьевой воды, на водочных заводах для очистки спирта, а затем и на сахарных заводах. В 1915 г. академик Н. Д. Зелинский (1861–1953) создал первый универсальный угольный противогаз для защиты органов дыхания от отравляющих веществ. Н. Д. Зелинский разработал способ активации угля водяным паром и органическими веществами и ввел термин активированный уголь.

321

Пожарная безопасность технологических процессов

Внекоторых технологических процессах (например, окраски и сушки) выделяется большое количество паров летучих растворителей в воздух, что приводит к потерям этих ценных продуктов, образованию взрывоопасных паровоздушных смесей и к загрязнению окружающей среды. На установках рекуперации процесс адсорбции используется для улавливания из паровоздушных смесей паров летучих растворителей в целях их повторного использования в производстве.

Вкачестве адсорбентов используются обладающие высокой пористостью твердые материалы, т. е. материалы с большой удельной поверхностью. Наиболее распространены активированные угли, силикагель, активная окись алюминия, цеолиты, диатомиты, трепелы и другие материалы.

Активированные угли изготовляются в виде порошка либо гранул размером от 1 до 7 мм. Общая поверхность 1 г активированных углей достигает 400 м2 и более. В промышленности они применяются для поглощения паров органических жидкостей из парогазовых смесей, для очистки растворов от примесей. Недостатком углей является их горючесть и склонность некоторых марок углей к самовозгоранию, что не позволяет использовать активированные угли при температурах выше 200 °С.

Силикагель (ксерогель кремниевой кислоты – nSiO2) изготовляется в виде зерен и шариков размером от 0,2 до 7 мм и применяется в процессах осушки воздуха и промышленных газов, осушки различных жидкостей, рекуперации паров органических веществ, очистки масел, удаления из нефти смолистых веществ, очистки промышленных сточных вод от ионов различных металлов, для разделения радиоактивных изотопов и в других процессах. Общая поверхность 1 г силикагеля достигает 300–700 м2.

Активная окись алюминия изготовляется в виде гранул цилиндрической формы диаметром 4–6 мм и длиной 4–25 мм и используется для осушкигазов,регенерациимасел,очисткигазовижидкостейотфторсодержащих соединений и в других процессах. Удельная поверхность активной окиси алюминия достигает 180–200 м2/г.

Цеолиты (молекулярные сита) представляют собой пористые искус-

ственныеилисинтетическиеалюмосиликатысрегулярнойкристаллической структурой. Поэтому они применяются для разделения газов или жидкостей по размерам молекул, например, для разделения нормальных парафиновых углеводородов и углеводородов изостроения, для глубокой осушки и очистки газов и жидкостей и в других процессах.

Природасил,вызывающихадсорбцию,сложнаиизученаещенедостаточно полно. Известно, что при длительном соприкосновении адсорбента с фазой, в которой находится поглощаемое вещество, наступает равновесие, т. е. в единицу времени поверхностью твердого тела адсорбируется столько

322

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов сорбции горючих паров и газов

же вещества, сколько удаляется с его поверхности. Это состояние для малых концентраций поглощаемого вещества в парогазовой смеси может быть выражено соотношением

, (18.4)

где А и n – опытные коэффициенты, причем n ≥ 1; – равновесная концентрация адсорбированного вещества, кг/кг адсорбента;– равновесная концентрация поглощаемого вещества в фазе соприкосновения с адсорбентом, кг/кг инертной части парогазовой смеси или раствора.

Приведенная зависимость соответствует определенной температуре и изображается кривой, носящей название изотермы адсорбции (рис. 18.3). Вид и характер изотерм адсорбции зависит от многих факторов, но в первую очередь от природы адсорбента, поглощаемого вещества и инертной фазы, из которой поглощается вещество.

Рис. 18.3. Изотермы адсорбции оксида углерода (СО) активированным углем

Поглотительная способность адсорбентов характеризуется статической и динамической активностью. Отмечено, что при пропускании парогазовой смеси или раствора сквозь слой адсорбента через некоторое время адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент – наблюдается так называемый «проскок» компонента через слой адсорбента: начиная с какого-то момента времени концентрация компонента в отходящей смеси или в растворе растет.

323

Пожарная безопасность технологических процессов

Количество вещества, поглощенное единицей массы (или объема) адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока», называется динамической активностью адсорбента. Если изменить условия процесса поглощения, обеспечив длительный контакт неподвижной парогазовой смеси или раствора с адсорбентом, то количество вещества, поглощенное тем же, что и в первом случае, объемом адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия, увеличится. Эта характеристика адсорбен-

та называется статической активностью.

Концентрация адсорбируемого вещества в парогазовой смеси при постоянной температуре пропорциональна его давлению. Поэтому уравнение изотермы адсорбции в этом случае можно представить в виде

, (18.5)

где р – равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси, Па; А' – опытный коэффициент.

С уменьшением температуры процесса поглотительная способность адсорбента увеличивается (см. рис. 18.3). На рис. 18.4 показаны изотермы адсорбции метана, этана и паров бензола при одной и той же температуре активированным углем.

Рис. 18.4. Изотермы адсорбции газов и паров активированным углем

Приведенные закономерности поясняют влияние температуры, давления, а также вида поглощаемого компонента на процесс адсорбции. Как видно из рисунка, увеличение давления приводит к росту поглотительной способности адсорбента. При одних и тех же значениях температуры и давления (р на рис. 18.4) пары бензола поглощаются больше, чем этана,

324

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов сорбции горючих паров и газов

а этана – больше, чем метана. Таким образом, адсорбции способствует понижение температуры и повышение давления процесса.

Установлено, что при прочих равных условиях в большей степени поглощаются те компоненты, которые имеют большие температуры кипения. Представленные на рис. 18.4 вещества имеют следующие молярные массы и температуры кипения: метан: М = 16,04 и tкип = –161,58 °С; этан: М=30,07

и tкип = –88,63 °С; бензол: М= 30,07 и tкип = 80,1 °С.

Процесс десорбции проводят после адсорбции в целях выделения поглощенного компонента и регенерации поглотителя. Десорбции способствуют: повышенная температура, пониженное давление и наличие вещества, вытесняющего поглощенное вещество из адсорбента. Такими свойствами обладает водяной пар, который часто используют при проведении процесса десорбции.

18.5. Устройство и принцип работы адсорберов

Периодически действующие адсорберы представляют собой горизонтальные или вертикальные цилиндрические аппараты. На рис. 18.5 показан вертикальный угольный адсорбер, который используется на установках рекуперации.

Рис. 18.5. Вертикальный угольный адсорбер: 1 – слой гравия; 2 – разгрузочный люк; 3 – сетка;

4 – загрузочный люк с предохранительной мембраной;

5 – патрубок подачи паровоздушной смеси;

6 – патрубок для отвода пара при десорбции; 7 – патрубок предохранительного клапана; 8 – корпус;

9 – уголь; 10 – гнезда для термопар; 11 – колосниковая решетка; 12 – патрубок для отвода воздуха; 13 – смотровой люк; 14 – отвод конденсата; 15 – линия подачи водяного пара

325

Пожарная безопасность технологических процессов

Исходная паровоздушная смесь поступает в адсорбер через верхний патрубок 5, проходит через находящийся на колосниковой решетке 11 слой адсорбента (угля) 9, а очищенный воздух удаляется через патрубок в коническом днище 12 адсорбера. После завершения процесса адсорбции проводится десорбция, для чего в аппарат подают перегретый водяной пар, а продукты десорбции удаляются через патрубок 6.

Полный цикл работы адсорбера периодического действия обычно состоит из четырех операций (фаз): адсорбции (поглощения); десорбции; осушки угля и его охлаждения. Примерно через 1 000 циклов поглощения активированный уголь заменяют.

Промышленные установки имеют не менее двух адсорберов, один из которых работает на поглощение паров из паровоздушной смеси, а во втором идут процессы десорбции, осушки угля и его охлаждения.

Помимо адсорберов в состав установки входят паровые подогреватели, водяные холодильники и конденсаторы, сепараторы и сборники. В зависимости от свойств растворителя в сборниках собирается водный раствор или эмульсия, что определяет дальнейший способ его выделения: ректификацией или отстаиванием.

18.6.Особенности пожарной опасности процессов адсорбции

ирекуперации и основные способы обеспечения пожарной безопасности

Всостав газовых и парогазовых смесей, поступающих на адсорбцию, могут входить горючие газы и пары, негорючие газы и пары, а также окислители. На рекуперацию всегда поступают паровоздушные смеси.

Вкачестве адсорбента часто используется горючий активированный уголь, количество которого в адсорбере достигает 10–12 т и более.

При поглощении горючих компонентов из смесей, поступающих на адсорбцию, негорючие адсорбенты становятся горючими.

При адсорбции компонентов из газовых и парогазовых смесей, состоящих из горючих и негорючих веществ, ВОК внутри адсорбера при нормальном режиме эксплуатации не образуется.

При нормальном режиме работы станции рекуперации образование ВОК внутри адсорбера возможно в начале фазы десорбции, несмотря на то,

что φг.нач < φн. Это объясняется тем, что подача водяного пара приводит к росту температуры адсорбента и к выделению из него в свободное пространство адсорбера паров растворителя, однако из-за полной конденсации водяного пара в холодном слое адсорбента флегматизации среды в адсорбере не происходит.

326

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов сорбции горючих паров и газов

Образование ВОК в воздуховодах системы аспирации паров и в оборудовании станции рекуперации (в том числе в адсорберах) может произойти при:

–  изменении технологии основного производства, приводящем к более интенсивному выделению паров ЛВЖ;

–  снижении производительности вентилятора системы аспирации; –  аварийном поступлении паров ЛВЖ в систему аспирации (напри-

мер, при разливе ЛВЖ).

ОбразованиеВОКвадсорбереиливемкостидляотработанногоадсорбента может произойти вследствие самонагревания активированного угля и выделения из него поглощенных паров растворителя.

При нормальном режиме эксплуатации локальные паровоздушные зоны ВОК могут образоваться у дыхательных патрубков отстойника-сепара- тора и сборника рекуперированного растворителя, а пылевоздушные смеси – вблизи адсорбера при загрузке свежего активированного угля и в особенности при выгрузке и рассеивании отработанного угля на фракции.

Аварийные ситуации, приводящие к образованию зон ВОК, возникают при разгерметизации оборудования с горючей парогазовой смесью, разливе рекуперированного растворителя, сбросе горючей парогазовой смеси на свечу вследствие остановки работы адсорберов.

Причины повреждения адсорберов: чрезмерное давление водяного пара, поступающего на десорбцию; взрыв паровоздушной смеси; высокие температурные напряжения в конструктивных элементах при самовозгорании активированного угля.

Специфические источники зажигания на станции рекуперации:

–  самовозгорание активированного угля и отложений угольной пыли; –  самовозгорание горючих отложений в трубопроводах системы

аспирации; –  искры удара и трения при работе вентиляторов;

–  разряды статического электричества; –  разряды молний.

Путями развития начавшегося пожара обычно служат: трубопроводы системы аспирации при наличии в них горючих отложений или при образовании горючей паровоздушной смеси; горючие паро-, газо- и пылевоздушные смеси, образующиеся в помещениях и на территории станции; растекающиеся горючие жидкости; рассыпанный активированный уголь и отложения угольной пыли.

Пожарная безопасность процессов адсорбции и рекупе - рации обеспечивается следующими основными способами или их комбинацией:

–– соблюдением регламентного режима эксплуатации основного производства (предотвращением использования других более летучих

327

Пожарная безопасность технологических процессов

растворителей, контролем и регулированием температуры процесса, ограничением количества растворителей (или количества изделий) на каждом рабочем месте, предотвращением их разлива и т. д.);

––периодическим контролем концентрации летучего растворителя

впаровоздушной смеси, поступающей на рекуперацию;

––теплоизоляцией воздуховодов, расположенных вне помещений;

––установкой резервного вентилятора предпочтительно с автоматическим пуском при остановке основного вентилятора;

––электроснабжением вентиляторов от двух независимых источников питания;

––устройством свечи для сброса паровоздушной смеси в атмосферу при аварийной остановке станции рекуперации;

––остановкой основного производственного процесса в случае прекращения работы вентиляторов;

––автоматическим контролем температуры в нескольких точках по высоте слоя адсорбента в адсорбере за очагами возгорания;

––применением взрывобезопасных вентиляторов и электродвигателей во взрывозащищенном исполнении;

––контролем температуры, смазки и технического состояния подшипников вентиляторов;

––использованием марок активированных углей, удовлетворяющих техническим условиям по размеру гранул, прочности, количеству пыли, температуре самовоспламенения и другим показателям;

––заменой активированного угля при истирании его зерен в процессе эксплуатации (при истирании зерен наблюдается увеличение гидравлического сопротивления слоя угля потоку паровоздушной смеси);

––периодическим отбором проб активированного угля из адсорбера для контроля условий самовозгорания;

––подачей увлажненного водяного пара (вместо перегретого пара) перед началом десорбции в свободное пространство адсорбера;

––защитой адсорбера предохранительным клапаном и взрывным мембранным устройством;

––обеспечением безопасной скорости движения паровоздушной смеси в воздуховодах (не менее 10–12 м/с);

––защитой взрывными мембранными устройствами огнепреградителей на магистральном воздуховоде и самого воздуховода;

––устройством фильтров и сепараторов для очистки паровоздушной смеси от механических примесей перед подачей ее в магистральный воздуховод;

328

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов сорбции горючих паров и газов

––защитой огнепреградителями магистрального воздуховода на выходе его из производственного помещения и на входе на станцию рекуперации, а также всех сбросных стояков (свечей);

––автоматическим отключением работы вентиляторов при возникновении пожара на основном производстве или на станции рекуперации;

––ограничением запаса свежего активированного угля на станции рекуперации;

––запрещением хранения отработанного угля на станции рекуперации;

––выгрузкой активированного угля из адсорберов при длительной остановке на ремонт станции рекуперации или отработанного активированного угля только после его десорбции. При этом выгружать активированный уголь из адсорберов необходимо медленно во избежание взвихрения угольной пыли;

––подключением адсорберов к противопожарному водопроводу для тушения угля водой при его загорании.

контрольные вопросы

1. Перечислите назначение и виды сорбционных процессов, поясни-

те их.

2.Поясните суть и назначение процессов абсорбции.

3.Поясните суть и назначение процессов адсорбции.

4.Поясните суть и назначение процессов хемосорбции.

5.Поясните суть и назначение процессов десорбции.

6.Что понимают под селективностью сорбционного процесса?

7.Какимтепловымэффектомсопровождаютсясорбционныепроцессы?

8.Чем руководствуются при выборе способа разделения газовых

смесей?

9.Какиетехнологическиепараметрыспособствуютпроцессуабсорбции?

10.Поясните принцип работы и устройство пленочного абсорбера.

11.Поясните принцип работы и устройство насадочного абсорбера.

12.Перечислите и поясните способы десорбции отработанного абсор-

бента?

13.Перечислите факторы, влияющие на пожарную опасность процессов абсорбции, поясните их.

14.Перечислите и поясните основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов абсорбции.

15.Чтотакоеадсорбентыикакимисвойствамионидолжныобладать?

16.Чем отличается динамическая активность адсорбента от статиче-

ской?

329

Пожарная безопасность технологических процессов

17.Что понимают под термином проскок при проведении процесса адсорбции?

18.Какие технологические параметры и каким образом влияют на протекание процесса адсорбции?

19.Каким образом производят десорбцию поглощенного вещества из адсорбента?

20.Перечислите факторы, влияющие на пожарную опасность процессов адсорбции, поясните их.

21.Перечислите и поясните основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов адсорбции.

22.Поясните устройство и принцип работы вертикального угольного адсорбера.

23.Поясните назначение процесса рекуперации.

24.Перечислите факторы, влияющие на пожарную опасность процессов рекуперации, поясните их.

25.Перечислите и поясните основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов рекуперации.

330