10

НАЦІОНАЛЬНИЙ університет цивільного захисту УКРАЇНИ

Кафедра пожежної і техногенної безпеки об'єктів та технологій

Дисципліна „Пожежна безпека виробництв”

4 Курс. 7-й семестр

Тема 11. Пожежна профілактика теплових процесів

ЛЕКЦІЯ 1

ПОЖЕЖНА ПРОФІЛАКТИКА ПРИ НАГРІВАННІ ГОРЮЧИХ

РЕЧОВИН

Основна література:

1. Клубань В.С., Петров А.П., Рябиков В.С. Пожарная безопасность предприятий промышленности и агропромышленного комплекса. М.: Стройиздат.- 1987.- с.140-143, 148-152.

2. Алексеев М.В., Волков О.М. и др. Пожарная профилактика в технологических процессах производств.- М.ВИПТШ- 1976. с.13-28, 54-65.

3. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.- Сб. норматив. докум. №30 с. 471.

4.Котов Г.М. Пожарно-профилактические мероприятия на нефтеперерабатывающих заводах.- М.: Стройиздат, 1981 с.11.

5. Правила пожежної безпеки в Україні. Київ. 1995.- с.80.

6. ВУПП-88. Ведомственные указания по противопожарному проектированию предприятий, зданий и сооружений нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности.- Сб. Норм. Док. № 31.с.242.

План лекції

1. Сутність теплообмінних процесів.

2. Пожежна профілактика процесів нагрівання горючих речовин теплоносіями.

1. Сутність теплообмінних процесів.

Багато хімічні, тепло- і масообміних процесів тісно пов'язані з нагріванням, випарюванням, охолодженням і конденсацією. Нагрівання необхідно для прискорення багатьох хімічних реакцій, а також для здійснення процесів перегонки, ректифікації, сушіння, випарювання, плавлення, зниження в'язкості речовин.

Речовини, що мають більш високу температуру й використовувані для нагрівання інших речовин, називають теплоносіями.

Речовини, які використовуються для охолодження інших речовин, називають охолодними агентами.

Залежно від умов технологічного режиму як джерела тепла використовують димові гази, електроенергію, повітря, як проміжних теплоносіїв - рідкі й пароподібні речовини. До рідких теплоносіїв ставиться вода, нафтові масла, гліцерин, дифенільна суміш, кремній-органічні рідини, легкоплавкі розплави металів і ін. До газоподібних теплоносіїв ставляться перегріту водяну пару, повітря, продукти згоряння твердого, рідкого й газоподібного палива й ін.

Теплоносії класифікуються в такий спосіб:

- прямі джерела тепла (полум'я й топкові гази, ел. струм,);

- проміжні теплоносії (водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря,);

- високотемпературні теплоносії (органічні рідини,

розплави солей і металів, мінеральні масла й т.д.);

- гарячі продукти виробництва (напівпродукти, відходи виробництва, кінцеві продукти).

Крім зазначених теплоносіїв для нагрівання речовин застосовують електричну й атомну енергію.

Застосовувані холодоагенти - вода, розсоли, фреони, аміак, зріджені гази (пропан, бутан, этилен, азот і ін.).

У процесах нафтопереробки потрібно підводити або відводити тепло, щоб забезпечити необхідні температури у відповідних апаратах. Для цих цілей служать спеціальні апарати, називані теплообмінними або теплообмінниками. У теплообмінниках один потік віддає тепло, а інший його сприймає, тобто один потік нагрівається, а іншої прохолоджується.

Залежно від призначення теплообмінні апарати діляться на групи:

• нагрівачі, випарники, кип'ятильники (основний процес нагрівання);

• холодильники, конденсатори (охолодження потоків або конденсація пар)

• кристалізатори (охолодження рідких потоків до температур утворення кристалів);

• регенеративні теплообмінники (використання тепла одного потоку для нагрівання іншого).

По способі передачі тепла розрізняють теплообмінні апарати:

• поверхневі (тепло передається через тверду поверхню, що розділяє теплообмінні середовища) ;

• змішання (передача тепла від одного потоку до іншого відбувається при їхньому контактуванні)

Способи передачі тепла:

• теплопровідністю (при зіткненні тіл або окремих частин одного тіла, що мають різні температури);

• конвекцією (перенос тепла з однієї крапки простору в іншу за допомогою руху середовища з області з однією температурою в область із іншою температурою);

• випромінюванням (процес переносу тепла, обумовлений перетворенням енергії молекул тіла в променисту енергію, випромінювана енергія передається тілу).

На НПЗ в основному застосовують поверхневі теплообмінні апарати, які класифікуються по конструктивних ознаках у такий спосіб:

• кожухотрубчаcті теплообмінники ( твердого типу; з лінзовим компенсатором на корпусі; із плаваючою головкою; з U-Образною трубкою);

• теплообмінники типу «труба в трубі»;

• підігрівники з паровим простором (рибойлеры);

• заглибні конденсатори-холодильники;

• конденсатори повітряного охолодження.

Розглянемо пристрій теплообмінних апаратів найбільше часто застосовуваних у нафтопереробці.

Кожухо-трубчастий теплообмінник твердого (з нерухливими ґратами) типу (ТН).

Має циліндричний корпус, у якому встановлений трубний пучок, закріплений у трубних ґратах, у яких трубки кріпляться розвальцьовуванням або зварюванням. Корпус апарата закритий кришками. Усередині корпуса встановлені перегородки, що створюють певний напрямок руху потоку й збільшуючи його швидкість у корпусі. Одне з середовищ, що несе тепло, рухається по трубках, а інша - усередині корпуса між трубками. Через трубки пропускають більше забруднене середовище, а також середовище з меншим коефіцієнтом тепловіддачі тому що очищення зовнішньої поверхні трубок утруднена, а швидкості руху середовища в міжтрубному просторі менше, ніж у трубках.

Оскільки температури середовищ теплообмінника, розрізняється, корпус і трубки одержують різні подовження, що приводить до виникнення додаткових напруг в елементах теплообмінника. При великій різниці температур це може привести до деформації й навіть до руйнування трубок і корпуса, порушенню щільності розвальцьовування й т.д. Тому теплообмінники твердого типу застосовують при різниці температур середовищ теплообмінника не більше 50⁰С. Для зниження температурних напруг і деформацій у теплообміннику застосовують температурні компенсатори (коли довжина трубок теплообмінника більше 2 м або різниця температур між кожухом і пучком труб перевищує 40⁰С.

Теплообмінники з лінзовим компенсатором на корпусі (ТЛ).

Застосовують для зменшення температурних напруг в апаратах твердого типу. Мають на корпусі лінзовий компенсатор, деформація якого забезпечує зниження температурних зусиль у корпусі й трубках. Це зниження тим більше, чим більше число лінз у компенсаторі. Процес нагрівання можна вести при різниці температур між кожухом і пучком труб, що перевищує 50 ⁰С.

Теплообмінники із плаваючою головкою (ТП).

У цих апаратах один кінець трубного пучка закріплений у трубних ґратах, пов'язаної з корпусом, а другий може вільно переміщатися щодо корпуса при температурних змінах довжини трубок. Це усуває температурні напруги в конструкції й дозволяє працювати з більшими різницями температур середовищ теплообмінника. Крім того, можливе чищення трубного пучка й корпуса апарата, полегшується заміна труб пучка. Однак конструкція теплообмінників із плаваючою головкою більше складна, а плаваюча головка недоступна для огляду при роботі апарата. Поверхня теплообміну кожухотрубчатих теплообмінників може становити 1200 м² при довжині труб від 3 до 9 м; умовний тиск досягає 6,4 МПа.

Теплообмінники з U-образними трубками.

Мають трубний пучок, трубки якого вигнуті у вигляді латинської букви U і кінці їх закріплені в трубних ґратах. Це забезпечує вільне подовження трубок незалежно від корпуса. Такі теплообмінники застосовують при підвищених тисках. Середовище, що направляється в трубки, повинна бути досить чистої, тому що очищення внутрішньої поверхні труб утруднені.

Теплообмінники типу “труба в трубі".

У цих теплообмінниках одне з середовищ теплообмінника рухається усередині труб малого діаметра, а інша по кільцевому зазорі, утвореному трубами малого й великого діаметрів. Це дозволяє збільшити швидкість руху середовища й інтенсифікувати теплообмін.

Кожухотрубчасті теплообмінники можуть установлюватися групами в горизонтальному положенні. Залежно від величини діаметра теплообмінника їх розташовують друг над іншому в три яруси (якщо діаметр до 0.6 м) або у два яруси (якщо діаметр більше 0,6 м). Кількість теплообмінників у кожній групі близько 16, відстань між групами менш 4 м.

Розглянемо найбільше часто використовувані в промисловості способи нагрівання горючих речовин.

НАГРІВАННЯ ВОДЯНИМ ПАРОМ І ГАРЯЧИМИ ПРОДУКТАМИ - найпоширеніший і зручний у виробничому відношенні метод. Для обігріву використовують насичену водяну пару при тиску 0,5...1,2 МПа, що дозволяє здійснювати нагрівання речовин до 180⁰С .

Обігрів можна робити “гострим” водяною парою (подача пари безпосередньо в нагрівається продукт, що), або “глухою” парою (тепло передається через поділяючу пару й продукт стінку (теплообмінну поверхню)).

Гостру пару використовують для нагрівання речовин, коли по технологічних міркуваннях припустимо їхнє обводнювання, а також коли одночасно з нагріванням потрібне перемішування речовини або продувка від залишків горючої рідини і її пар. “Гостру” пару вводять через барботер, в якому безпосередньо в нагрівається рідина, при цьому вона конденсується й конденсат змішується з рідиною, що нагрівається. Їхні температури вирівнюються. При використанні гострої пари одночасно з нагріванням відбувається інтенсивне перемішування речовини, що іноді необхідно по технологічних міркуваннях. Часто гостру пару використовують для продувки апаратів з метою звільнення їх від залишків горючої рідини і її пари.

Апарати для обігріву гострою парою мають трубу з отворами, виходячи з яких пара барботує через рідину. Такі труби називають барботерами.

Нагрівання глухою парою й гарячими продуктами переробки звичайно здійснюють за допомогою теплообмінників, у яких пара, конденсуючись, віддає своє тепло нагрівається речовина, що, шляхом теплопередачі через поділяючу стінку (теплообмінну поверхню). Щоб уникнути непродуктивної витрати пари й безперешкодного видалення конденсату (без випуску пари) застосовують спеціальні пристрої - конденсатовідводчики.

Найбільше поширення для нагрівання речовин за допомогою глухої пари одержали підігрівники-теплообмінники різної форми: підігрівники із сорочкою; змієвикові теплообмінники (зігнуті труби діаметром до 76 мм), кожухотрубчасті теплообмінники.

НАГРІВАННЯ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИМИ ТЕПЛОНОСІЯМИ (ВТ)

Як високотемпературні теплоносії можна використовувати перегріту воду, розплавлені солі й метали, мінеральне масло й інші органічні рідини.

Використання ВТ дозволяє нагрівати продукти до 300-400⁰С.

Однак використання перегрітої води для цих цілей натрапляє на більші труднощі, тому що збільшення температури перегрітої води з 200 до 370⁰С веде до зростання тиску. Тому нагрівання перегрітою водою використовують рідко.

Розрізняють три групи ВТ.

ПЕРША ГРУПА - розплавлені неорганічні солі й суміші солей (КNO_3, Na0₃, AlBr₃, AlCl₃, і ін.) використовують найчастіше в якості проміжних високотемпературних теплоносіїв для спеціальних установок і в атомних реакторах. З розплавлених солей найбільш зробленим теплоносієм є нітритнітратна суміш (40% азотистокислого натрію, 7% азотнокислого натрію й 53% азотнокислого калію). Однак суміш ця дуже небезпечна, тому що при робочій температурі легко окисляється й нітрує органічні речовини, викликаючи пожежі й вибухи, а при підвищенні температури до 700-800⁰С викликає окислювання металевих стінок апаратів і їхній швидкий прогар.

ДРУГА ГРУПА - жидкометалеві ВТ ( ртуть, натрій, калій і евтектичні суміші легкоплавких металів) використовують для спеціальних цілей, тому що ртуть має токсичні властивості, а лужні метали – пожежовибухонебезпечними властивостями.

ТРЕТЯ ГРУПА - органічні високотемпературні теплоносії (ОТ) ( мінеральні масла - компресорне, циліндрове й ін., гліцерин, дифеніл, дифенілів ефір і ін.). Масла використовуються як проміжні носії для забезпечення більше плавного й рівномірного обігріву. Недолік масел - низька термічна стійкість, при нагріванні до високої температури масло розкладається з утворенням твердих і газоподібних продуктів (утворяться відкладення на теплообмінній поверхні й відбувається прогар).

Найбільш ефективними ОТ є: дифеніл (З₆Н 5-_З6Н₅), дифенілів ефір (З₆Н ПРО-_З6Н₅)- дифенильная суміш, ароматизоване масло Т-300 і мобильтерам-600, дитоліметан, дікумілметан і ін. Ці рідини мають температуру кипіння при нормальному тиску від 250 до 350⁰С и дозволяють при порівняно невисоких робочих тисках здійснювати нагрівання речовин до 300-350⁰С.

Установка для обігріву ОТ являє собою замкнуту систему, аналогічну системам центрального опалення виробничих і житлових будинків. Циркуляція теплоносія може бути природною та примусовою.

Основні елементи установки:

- пекти (з вогневим або електричним обігрівом), де виробляється нагрівання самого теплоносія;

- теплообмінні апарати, у яких відбувається передача тепла від органічного теплоносія, що нагрівається, до речовини, що охолоджується;

- система сполучних трубопроводів і насос, що забезпечують циркуляцію теплоносія.

Система обігріву, коли теплообмінні апарати підключені безпосередньо в контур котлоагрегату, називають одноконтурними.

Система обігріву, коли до замкнутого контуру котлоагрегату підключена мережа, що безпосередньо живить споживачів, називається двоконтурною.

Висновок: Вибір способів підведення тепла, типу й конструкції апаратів визначається економічними міркуваннями, призначенням процесу і його безпекою.

Пожежна небезпека установок і приладів нагрівання горючих речовин визначається не тільки пожежовибухонебезпечними властивостями речовин, що нагріваються, але й видом обігріву, величиною робочої температури.

2. ПОЖЕЖНА ПРОФІЛАКТИКА ПРОЦЕСІВ НАГРІВАННЯ ГОРЮЧИХ

РЕЧОВИН ТЕПЛОНОСІЯМИ