Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка пожарной безопасности и защиты технологического оборудования. Учебное пособие
.pdf
продукта в этом случае называется степенью превращения основного исходного вещества в готовый продукт.
Если вместо
получается при установлении равновесия в системе
в формулу (1.3) подставить количество продукта, которое
, то выход продукта (или
степень превращения сырья в готовый продукт), называемый равновесным выхо-
дом
, составит:
. (1.4)
Для необратимых процессов = 1, для обратимых –
всегда меньше 1,
поскольку равновесие наступает при неполном превращении реагирующих компонентов в продукты реакции. Так как реальные химико-технологические процессы, проводимые в производственных условиях, должны протекать с определенной и желательно значительной скоростью, которая определяет производительность аппаратов и их количество в технологической схеме, то их завершают
до наступления равновесного состояния. В этом случае процессы характеризу-
ются фактическим выходом
полученного продукта к равновесному
, под которым понимают отношение фактически
:
. (1.5)
Выход продукта определяется на основании практических данных и используется для сравнительной оценки одинаковых производств, осуществляемых по разным технологическим схемам или на различных предприятиях. Чем
больше выход продукта, тем эффективнее производство. При одинаковой производительности по готовому продукту на производстве с большим выходом продукта меньше расход сырья и вспомогательных материалов, в том числе и пожаровзрывоопасных.
Рассмотрим процесс синтеза аммиака, в основе которого лежит гомогенная
обратимая экзотермическая каталитическая реакция, протекающая с уменьшением объема системы:
N2 + ЗН2 ↔2NH3 + 112 кДж.
11
В соответствии с принципом Ле Шателье для сдвига равновесия вправо, то
есть для повышения равновесного выхода аммиака, необходимо снижать температуру, повышать давление, а также уменьшать концентрацию аммиака или повышать концентрацию исходных веществ – азота и водорода (рис. 1.1). Так, термодинамические расчеты показывают, что для обеспечения даже 80 % степени
превращения азота и водорода в аммиак при 400 °С необходимо применять давление около 100 МПа. Экспериментально установлено, что фактический выход
аммиака с ростом давления увеличивается значительно медленнее, чем равновесный. Поэтому применять очень высокие давления (выше 80–100 МПа) в этом
процессе экономически невыгодно. В то же время выход аммиака увеличивается
при снижении температуры, но скорость процесса при этом падает.
Рис. 1.1. Влияние температуры и давления на равновесный выход аммиака
1.3. Технологические параметры и их влияние на взрывопожарную
опасность процессов
Все технологические процессы протекают при определенных значениях
температур, давлений, концентраций, расходов и других факторов, характеризующих технологический режим. Основные факторы, влияющие на скорость процесса, выход и качество продукции, называются технологическими парамет-
рами. Технологические параметры влияют на скорость процессов, их техникоэкономические показатели, на конструктивное устройство аппаратов, а также на
пожаровзрывоопасность производств. Такие технологические параметры, как
температура, давление, концентрация реагирующих веществ, в соответствии с
12
принципом Ле Шателье, влияют на равновесное состояние системы, в которой
протекают обратимые химические реакции, что позволяет подбирать соответствующие условия проведения процесса для обеспечения максимальной степени
превращения.
Повышение температуры процесса влияет на состояние равновесия си-
стемы и увеличивает скорость химических реакций. Поэтому регулирование
температурного режима оказывает универсальное воздействие на процесс в целях повышения его производительности. Наиболее сильно интенсифицируются
при повышении температуры эндотермические обратимые реакции, так как
ускоряется и химическая реакция и, в соответствии с принципом Ле Шателье,
растет равновесный выход продукта.
Зависимость скорости реакции от температуры характеризуется темпера-
турным коэффициентом скорости реакции , который показывает, во сколько раз
увеличивается скорость реакции при увеличении температуры на 10 °С. Со-
гласно правилу Вант-Гоффа, температурный коэффициент большинства хими-
ческих реакций (в области средних температур и энергий активации) равен 2–4.
Константу скорости реакции Кi, при любой температуре Тi, можно определить по уравнению Аррениуса:
, (1.6)
где – предэкспоненциальный множитель; – энергия активации реакции;
– универсальная газовая постоянная; Дж/(моль·К).
По определению находим:
(1.7)
Энергии активации многих химических реакций лежат в пределах
(0,5–2,0) ·105 Дж/моль.
Примем E =1,0·10
5
Дж/моль, = 400 К,
тура возросла на 10 °С). Тогда
13
= 410 К (считаем, что темпера-
1.4. Классификация технологических процессов и аппаратов
пожаровзрывоопасных производств
Технологические процессы в зависимости от способов создания движущей
силы подразделяются на:
– механические процессы, связанные с обработкой и перемещением твер-
дых кусковых и зернистых материалов;
– гидродинамические (гидромеханические) процессы, связанные с обра-
боткой неоднородных систем, состоящих из двух и большего количества фаз,
а также с перемещением и хранением жидкостей, сыпучих и пылевидных материалов, сжатием и хранением газов;
– тепловые процессы, связанные с передачей тепла от одной среды к другой;
– диффузионные (массообменные) процессы, связанные с переходом веще-
ства из одной фазы в другую за счет диффузии;
– химические процессы, связанные с химическими превращениями участву-
ющих в производстве веществ с получением новых соединений.
Основным классификационным признаком технологического оборудования является физико-химическая сущность протекающего в аппарате или машине технологического процесса, в соответствии с чем оборудование также подразделяется на механическое, гидромеханическое, тепловое, массообменное и
химическое.
Оборудование, кроме того, классифицируют:
– по организации подвода сырья и отвода продуктов (периодически, непре-
рывно или полунепрерывно действующее);
– по конструкции (емкостное, башенное, центробежное, резервуары со ста-
ционарной или плавающей крышей и др.);
– по виду применяемых конструкционных материалов (чугунное, стальное,
эмалированное, винипластовое и пр.);
– по способу изготовления (сварное, клепаное, литое и т. д.);
14
– по расположению относительно горизонтальной плоскости (горизонталь-
ные, вертикальные или наклонные аппараты);
– по конструктивным особенностям внутренних устройств (лопастные,
пропеллерные, турбинные и другие мешалки);
– по форме и виду ограждающих поверхностей (цилиндрические, сфериче-
ские, конические емкости или бункеры и др.) и по другим признакам.
При описании технологического процесса в производственной документации приводят названия аппаратов, в которых эти процессы протекают, что во
многих случаях дает представление об их устройстве и конструктивной схеме.
1.5. Поведение конструкционных материалов при повышенном давлении,
повышенных и пониженных температурах
Для изготовления технологического оборудования широко применяются
различные конструкционные материалы: черные металлы и сплавы (стили, чугуны); цветные металлы и сплавы (медь, титан, латунь, дюралюмины и другие
металлы и сплавы); неметаллические материалы (пластмассы, керамика, углеграфиты, силикаты и другие материалы).
Выбор материалов для изготовления технологического оборудования
определяется двумя типами факторов:
– факторами, зависящими от рабочих условий эксплуатации;
– факторами, непосредственно характеризующими свойства конструкци-
онного материала.
К первому типу факторов относятся: температура, давление и свойства
среды. Ко второму типу факторов относятся физико-механические и технологические свойства материалов (технологичность материалов). Наряду с перечисленными факторами при выборе того или иного материала для изготовления технологического оборудования принимают во внимание экономические соображения.
С точки зрения обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического
оборудования, конструкционные материалы должны обладать высокой механи-
15
ческой прочностью и высокой химической стойкостью в рабочих средах при заданных технологических параметрах протекающих в аппаратах процессов и допускаемых отклонениях от них.
Указанным требованиям удовлетворяют в первую очередь конструкционные
стали, которые нашли наибольшее применение в машино- и аппаратостроении.
Механические свойства конструкционных материалов, из которых изготовлено технологическое оборудование, претерпевают изменения в зависимости
от технологических параметров протекающих в аппаратах процессов, свойств и
характеристик технологической и окружающей среды. При повышенных температурах механические свойства конструкционных материалов ухудшаются, одновременно интенсифицируются коррозионные процессы. Низкие температуры
также вызывают ухудшение механических свойств материалов.
При повышенных давлениях ужесточаются требования к качеству конструкционных материалов (при больших давлениях используют стали с лучшими механическими свойствами). Кроме того, увеличение давления часто приводит к интенсификации коррозии. При наличии в аппаратах пожаровзрывоопасных сред к выбору материалов для изготовления аппаратов предъявляют повышенные требования.
В результате одновременного воздействия высоких температур и нагрузок
аппараты могут разрушаться вследствие ползучести металла, под которой пони-
мают способность металла медленно, непрерывно пластически деформироваться
под действием постоянной нагрузки при высоких температурах. Для конструкционных сталей обыкновенного качества и качественных явление ползучести
необходимо учитывать при температуре выше 380 °С, для легированных сталей
– выше 420 °С, для высоколегированных сталей – выше 525 °С.
При отрицательной, а иногда и при невысокой положительной температуре металлы проявляют хладоломкостъ, которая характеризуется низкой величиной ударной вязкости. В интервале низких температур от 0 до – 30 °С у углеродистых сталей наблюдается хрупкий излом, а выше 20 °С – вязкий излом. Для
16
легированных сталей характерно сохранение высокого показателя ударной вязкости даже при температурах ниже – 70 °С. Цветные металлы не подвержены хладоломкости и могут использоваться при очень низких температурах (до – 250 °С).
1.6. Поведение конструкционных материалов в агрессивных
пожаровзрывоопасных средах
В процессе эксплуатации производственное оборудование подвержено
агрессивному воздействию перерабатываемой технологической среды, а также
окружающей среды. Взаимодействие материала оборудования со средой называется коррозией. В результате протекания самопроизвольного разрушения материала, вызванного коррозией, толщина стенок аппаратов и трубопроводов
уменьшается. Одновременно изменяются механические свойства металлов: падает прочность и износостойкость, хладо- и красноломкость растет и увеличивается хрупкость. Качество хранимых или перерабатываемых в аппаратах продуктов ухудшается, так как они загрязняются продуктами коррозии. Некоторые продукты коррозии являются нестойкими, склонными к распаду соединениями, или
пирофорными веществами.
Коррозии подвержены все конструкционные материалы: металлы, полимерные материалы, силикаты и др. Почти треть производимого в мире металла
разрушается коррозией, причем десятая его часть теряется безвозвратно. Около
70 % аварий и повреждений оборудования происходит по этой причине. Коррозия оборудования с пожаровзрывоопасными средами часто становится причиной
пожаров и взрывов на технологических установках, так как уменьшение толщины стенок оборудования и тем более изменение механических свойств материалов в результате коррозии трудно поддается контролю и протекает наиболее
интенсивно в недоступных для осмотра местах. Практически многие виды коррозии обнаруживаются только в момент аварийного разрушения конструкции,
образования сквозных поражений стенок аппаратов и трубопроводов.
17
Классификация коррозионных воздействий среды на оборудование производится по многим признакам, основными из которых являются характер коррозионных разрушений и механизм коррозии. Характерные коррозионные разрушения металлов, встречающиеся на практике, и относительные частоты их появ-
ления приведены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Виды коррозионных разрушений металлов
Примечание. В остальных 10 % случаев коррозионных разрушений имели
место щелевая коррозия, коррозионное растрескивание и коррозионная
усталость, коррозия под напряжением и другие виды коррозии.
Коррозионная стойкость металлов в зависимости от скорости коррозии
(под скоростью коррозии понимают проникновение коррозии в глубину металла
за год) делится на шесть групп стойкости. Для изготовления оборудования с
пожаровзрывоопасными средами рекомендуются металлы, скорость коррозии
которых в технологических средах не превышает 0,1 мм/год. Скорость коррозии
(проницаемость) металлов учитывается в процессе проектирования при расчете
аппаратов на прочность, а в процессе эксплуатации – для оценки степени
коррозионного износа оборудования.
Для компенсации потери прочности оборудования вследствие сплошной
коррозии предусматривают увеличение толщины стенок оборудования на
величину:
, (1.8)
где П – скорость коррозии металла; – срок службы оборудования.
18
При проведении проверочных расчетов оборудования на прочность, а
также при анализе возможных причин его повреждения или разрушения,
напряжения определяют с учетом фактического износа материала от коррозии,
измеряя толщину стенок оборудования в местах наиболее подвергшихся
коррозионному разрушению. Толщину стенки аппарата через определенный
период эксплуатации можно оценить по формуле:
, (1.9)
где – фактическая толщина стенки аппарата;
– толщина стенки нового
аппарата (первоначальная толщина).
В зависимости от механизма взаимодействия металла с коррозионной
средой различают химическую и электрохимическую коррозии.
1.6.1. Химическая коррозия и ее разновидности
Химической коррозией называется самопроизвольное разрушение метал-
лов, вызванное химическими процессами. Она протекает в среде жидких диэлектриков или сухих газов, обычно нагретых до высоких температур, и не сопровождается протеканием коррозионных токов в конструкциях. Рассмотрим некоторые разновидности химической коррозии.
1. Взаимодействие металлов с сухими газами-окислителями (воздухом,
кислородом и др.) при повышенной температуре. В качестве примера приведем
реакцию взаимодействия железа (железо является основным компонентом
стали) с кислородом воздуха при температуре 500 °С и выше:
4Fe + 3О2 = 2Fe2О3.
Образующаяся окалина (Fe2О3) не обладает механической прочностью, отслаивается от основного металла, уменьшая толщину стенки и ослабляя прочность конструкции.
19
2. Взаимодействие металлов с сернистыми соединениями и серой при по-
вышенной температуре. При взаимодействии железа стали с сероводородом
при температуре выше 450 °С образуется сульфид железа:
Fe + H2S = FeS + H2.
Сернистое железо (FeS), так же как и окалина, не обладает механической
прочностью и к тому же способно окисляться на воздухе с образованием серы и
выделением большого количества тепла, достаточного для самовозгорания серы
или воспламенения технологических горючих смесей. Сероводород, сера и сернистые соединения содержатся во всех видах природного сырья (в торфе, угле,
нефти, природном газе), а также в жидких, твердых и газообразных продуктах
угле-, нефте- и газопереработки.
3. Взаимодействие металлов с водородом. При проведении химических
процессов с участием водорода (синтеза аммиака, гидрогенизации, гидроочистки, риформинга и других процессов) при высоких температурах и давлениях происходит водородная коррозия сталей. При этих условиях водород диффундирует в толщу стали, особенно по границам структурных зерен. Этот процесс сопровождается разрушением кристаллической структуры стали, и ее механические свойства ухудшаются. Металл становится хрупким, способность его к
сопротивлению удару и изгибу падает. Водород взаимодействует с карбидом железа (цементитом стали) по реакции:
Fe3C + 2Н2 = 3Fe + СН4.
В результате водородной коррозии сталь теряет прочность, металлический
блеск, поверхность становится матовой. Из-за скопления метана под большим
давлением в приповерхностном слое металла образуются вздутия.
1.6.2. Электрохимическая коррозия и ее разновидности
Электрохимическая коррозия происходит при контакте металла с электро-
литами, то есть водными растворами солей, кислот и щелочей, влажными газами,
расплавами солей, кислот и щелочей, обладающими свойствами проводимости
электрического тока.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]