Пожарная безопасность технологических процессов

 

5. Пожаровзрывоопасность аппаратов, при эксплуатации которых возможен  выход горючих веществ наружу  без повреждения их конструкций.

Особенностью технологического процесса полимеризации является то, что полимеризатор работает под избыточным давлением.

Из емкости полимеризатора выхода газа и паров не будет.

Сборник суспензии: при изменении уровня суспензии в аппарате  возможен выход паровоздушной смеси через дыхательную линию. Проведем анализ, является ли он пожаровзрывоопасным:

Т нпв ≤ Т

Температура суспензии в сборнике 66 0С, т.е.

660С > -340С

следовательно, выброс паровоздушной смеси через дыхательную систему пожаровзрывоопасен.

Количество горючих паров, выходящих из сборника за один цикл при «большом» дыхании равен:

 

Gδ = Vж· ·φs· [кг/цикл]

где, Gσ – количество выходящих паров из заполняемого жидкостью аппарата, кг/цикл; Vж – объем поступающей в аппарат жидкости, м куб.; Рр – рабочее давление в аппарате, Па.

Величину Vж можно определить, зная геометрический объем аппарата Vан и степень его заполнения Vж = ε∙Vан

 

Vж = ε ∙Vап

Vап = ПД²∙H/4=3.14∙2.12∙2,6/4= 9 м куб.

ε - степень заполнения аппарата примерно равно 0,9

 Vж = 0,9∙9= 8,1 м куб

 

Концентрация насыщенного пара при рабочей температуре

 

φs = ps ∙pp = 3,79 ∙ 105  /12 ∙ 104 = 0,008

 

ps = 10³∙ 10(А – В/(tр +Са)

 

ps = 10³∙ 10(8,41944 – 2629,65/(66+384,195))  = 986,28 Па

 

pр = 0,12МПа = 12∙ 104   Па

М ≈100

Количество выходящих паров из заполняемого жидкостью аппарата:

Gσ = 8,1 ·12∙ 104/(66+273) ·0,008·100/8413,31 = 7,81 кг/цикл.

 

Размер зоны взрывоопасной зоны вблизи места выхода паров

 

V ВОК = m/φн ·k σ

k σ  - коэффициент запаса надежности, пример равным 2.

масса выделившихся паров

 

m = G∙N∙τ / 3600 = 7,81·2·900/3600 = 3,9 кг

при N = 2 в час

τ = 900 сек.

φн = 0,79 % об.

V ВОК = 3,9·2 / 0,79 = 9,9 м куб.

 

В  целях сокращения потерь паров бензина и снижения пожаровзрывоопасности в окрестности дышащего сборника целесообразно осуществить следующие мероприятия:

осуществить устройство систем улавливания и утилизации паров (для этой цели могут использоваться адсорбционные, абсорбционные, холодильные и компрессорные установки);

либо, при экономической невыгодности, вывести дыхательную трубу за пределы помещения.

 

 

6.Анализ возможных причин повреждения аппаратов;

разработка необходимых средств защиты.

 

Подавляющее большинство процессов полимеризации протекает со значительным тепловым эффектом. Для обеспечения оптимальных температурных условий реакторы охлаждаются. Охлаждение может осуществляться различными способами, например, циркуляцией непревращенного сырья (мономера) или путем дозировки мономера, а также отводом тепла через теплообменную поверхность. При охлаждении реакционной смеси полимеризатора путем циркуляции мономера через выносной холодильник (полимеризация этилена методом низкого давления) для поддержания заданной температуры необходимо автоматически регулировать скорость циркуляции мономера и хладоагента.

Наиболее частой причиной аварий и повреждений реакторов является нарушение температурного режима и рост давления в результате уменьшения отвода избыточного тепла реакции. Особенностью процессов полимеризации является изменение вязкости реагирующей среды по мере накопления продуктов реакции. Это наиболее характерно для блочной полимеризации, в конце которой образуется расплав полимера, обладающий большой вязкостью. Вязкость реакционной среды может изменяться в широких пределах (от 0,005 до 500 Па-с). Это затрудняет теплообмен в реакторах, так как коэффициент теплопередачи с увеличением вязкости среды в течение процесса будет уменьшаться. Кроме того, реакционные среды, находящиеся в полимеризаторах, сами по себе обладают малой теплопроводностью. С этим связаны возможные перегревы реакционной среды, повышение давления, нарушение герметичности и повреждения. В некоторых случаях перегрев реакционной среды может привести к взрыву. Наблюдались случаи взрывного разложения этилена при блочной полимеризации методом высокого давления.

Одной из причин повреждения аппаратов является образование в них повышенных давлений. Так, в полимеризаторе, давление может повыситься из-за увеличения интенсивной закачки, уменьшения пропускной способности системы, переполнение резервуара жидкостью из-за отсутствия или неисправностей измерителей уровня, образованием полимерных пробок (пленок) на стенках аппаратов, трубопроводах, использования недоочищеного мономера (примеси значительно ускоряют ход реакции, делают ее неуправляемой), изменения уровня подачи мономера, неисправностью системы дозирования исходных реагентов и катализатора.

В сборнике суспензии повышенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата суспензией). Это может произойти при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Пропускная способность дыхательных линий и установленных на них дыхательных клапанов должна соответствовать скорости закачки.

Процесс полимеризации протекает с высоким тепловым эффектом. На стенках аппаратов образуется полимерная пленка, ухудшающая теплообмен. Поэтому необходимо предусмотреть периодическую очистку полимеризатора механическим способом. Операция очистки также может представлять значительную пожарную опасность, так как связана с частичным разложением полимера, применением ЛВЖ и использованием дополнительного оборудования для подогрева и хранения горючих растворителей. Во избежание повышения давления в реакторах линии после реактора необходимо промывать, очищать от отложений. Предохранительные клапаны и вентили ручного стравливания обрабатывать ингибиторами.

В рассматриваемом случае используется металлоорганический катализатор, поэтому предлагается исходные вещества предварительно осушать и освобождать от свободного кислорода.

 Повышение  давления в газовой линии может произойти из-за попадания в них жидкости (газового дистиллята, водяного конденсата), образующей пробки в коленах, изгибах, что в свою очередь может вызвать гидравлический удар.

Аппараты и трубопроводы могут повреждаться от образования повышенных против норм давлений; появления динамических воздействий; образования температурных напряжений в материале стенок; коррозии материала стенок или эрозии (механического истирания стенок).

Образование повышенного давления в аппаратах может иметь место на производстве при нарушении технологического режима, при недостаточном контроле за технологическим процессом, при неисправности контрольно-измерительных приборов и защитной автоматики.

Гидравлические удары возникают обычно в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосом жидкости, при резком изменении давления на каком-либо участке трубопровода.

Повреждение технологического производственного оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.

Нормальная работа и герметичность насоса обеспечивается системой охлаждения и смазки, предназначенной для отвода выделяющегося тепла и уменьшения силы трения и износа деталей от трения. Неисправности и повреждения насоса в виде нарушения герметичности уплотнений или разрушения деталей могут быть вследствие вибрации, трения, износа, ослабления соединений, перекоса валов.

Во избежание неисправностей необходимо: осуществлять систематический контроль за герметичностью уплотнений; предотвращать вибрацию насоса путем тщательной регулировки, устройства массивного фундамента; применение торцевого уплотнения (задано по исходным условиям); устройство перепускной линии (со стороны нагнетания на всасывание) и предохранительного клапана; при возможности устройство насосной открытого типа, обеспечивающего рассеивание горючих паров.

Для предотвращения последствий коррозии необходимо проводить планово-предупредительные профилактические осмотры стенок аппаратов, трубопроводов, нагревательных процессов. Необходимо строго следить за соблюдением технологического режима работы. Также необходим контроль за фланцевыми соединениями циркуляционных линий. Необходима установка измерительной аппаратуры над давлением, температурой, расходом и поступлением веществ. Для предотвращения переполнения технологического оборудования целесообразно установить автоматическую систему прекращения подачи исходных реагентов, отключающие насосы и питающие линии, систему сигнализации и связи между наполняемыми аппаратами и операторными. Во избежание конденсации паров газовые линии защитить теплоизоляцией, а в наиболее низких участках установить сборник конденсата. От облучения внешними источниками тепла полимеризатор защитить окрашиванием в теплоотражающий белый цвет.

При авариях и повреждениях аппаратов и трубопроводов из них выходят горючие газы или пары, что может привести к образованию пожаровзрывоопасных смесей, как в производственном помещении, так и на открытых площадках.

При аварии полимеризатора произойдет разлив растворителя (смесь бензина и циклогексана).

Также при аварии емкости сборника суспензии произойдет разлив бензина Б-70.

Необходимо предусмотреть автоматическое перекрывание трубопроводов, чтобы уменьшить количество вытекаемой жидкости из аппаратов (8, 19). При необходимости выполнить аварийный слив суспензии из сборника.

Следствием неисправности и повреждения суспензионного насоса может быть выход бензина Б-70 в помещение насосной.

В насосной предусмотреть автоматическую систему обнаружения опасных концентраций горючих паров и газов в воздухе помещения с использованием сигнализаторов. В этом случае по аварийному сигналу включается аварийная вентиляция, отключается подача электроэнергии, перекрываются электрофицированные задвижки.

Произведем расчет необходимого сечения предохранительного клапана полимеризатора:

Сброс среды при срабатывании предохранительного клапана (ПК) производится в специальную закрытую систему (так как необходимо предотвратить опасность загазованности территории технологических установок и воздействия ядовитых и вредных веществ на окружающую среду и людей.

 

Принимаем избыточное давление срабатывания ПК по известному избыточному давлению в аппарате:

Рап = 0,36 Мпа

При 0,3 ≤Рап < 6       рср.и. = 1,15·Рап = 1,15·0,36 = 0,414 МПа

 

Определим плотность среды в аппарате при давлении срабатывания предохранительного клапана и рабочей температуре:

 

Рt = 120.27 ·V· рср / (tр + 273) = 120,27·13,2·0,36/(75+273) = 1,64 кг/м куб.

Зададим давление на входе в отводящий трубопровод Рвх (на выходе из отводящего патрубка ПК)

Рвх = Рс

Рс = 0,15 Мпа = Рвх

 

4. Определим соотношение 

Рвх.и / Рср.и. = 0,05/0,437 = 1,15

 

Рвх.и = Рвх – 0,1 Мпа – избыточное давление среды в отводящем трубопроводе, Мпа.

 

Показатель адиабаты k среды, выходящей через ПК из аппарата, будет равен 1,29.

Коэффициент В = 0,508

Определим необходимую площадь проходного сечения предохранительного клапана  (пропускную способность):

F = 7.142·10-4 · Gmax / φ·В√( Рср - Рвх) ·ρt

 

Gmax = 2500 кг/ч = 0,7 кг/с  

   F = 7,142·10-4 ·0,7/0,1650,508·√(0,437-0,15)·5,49 = 4,75·10-3

 

 

7. Анализ возможности появления характерных технологических источников зажигания.

 

Специфичными источниками зажигания при эксплуатации полимеризаторов могут быть термополимеры, отлагающиеся на стенках аппаратов и трубопроводов при полимеризации некоторых мономеров (например, бутадиена, изопрена) и самовозгорающиеся на воздухе. Для предотвращения этого необходима периодическая очистка реакторов и трубопроводов от отложений термополимеров.

При использовании металлоорганических катализаторов возможно самовозгорание суспензии полимера. Это происходит тогда, когда из мельчайших частичек полимера с находящимися на их поверхности адсорбированным катализатором будет испаряться растворитель. При испарении растворителя концентрация катализатора в массе увеличивается, так как растворитель обладает большей испаряемостью по сравнению с металлоорганическим катализатором ( >200 °С).

Если концентрация катализатора по отношению к растворителю достигнет 40%, возможно загорание массы (температура самовоспламенения металлоорганического катализатора будет при этом 18 - 20°С). Такие условия могут создаться на практике при небольших утечках, когда частички полимера, проходя через теплоизоляцию, будут отфильтровываться, а также при остановке аппаратов на чистку и наличии отложений полимеров на стенках, при авариях и выбросах суспензии из аппаратов.

Применяемые в процессах полимеризации углеводородные растворители и многие мономеры являются хорошими диэлектриками, при движении которых образуется статическое электричество. Это вызывает необходимость тщательного заземления аппаратов и трубопроводов.

Одним из источников зажигания может послужить тепловое проявление механической энергии при повреждении подшипников насосов, поэтому необходимо производить тщательный контроль за состоянием трущихся деталей. В целях пожарной профилактики следует предусмотреть:

систематический контроль за герметичностью уплотнений;

предотвращение вибраций насоса путем тщательной регулировки, устройство массивного фундамента;

исключение перегрева насоса в местах трения (из-за перекоса вала, нарушения смазки и охлаждения).

Источники зажигания могут возникнуть при неисправности и несоответствии электроприводов к мешалкам, а также электроподогревателей реакционной среды. Пожары в цехах полимеризации сопровождаются обычно взрывами, растеканием огнеопасных и токсичных мономеров и углеводородных растворителей, расплавленных полимеров, горением их на больших площадях с выделением токсичных продуктов разложения. Это вызывает травмы у людей и затрудняет тушение пожара.

При неисправности молниезащиты может возникнуть электрический разряд, что тоже будет являться источником зажигания. При неисправностях внешнего и внутреннего заземляющего контура возможны вторичные проявления статического электричества: разряды электричества при наведении электромагнитной индукции. При вторичном проявлении удара молнии обычно принято понимать те явления при разрядах молнии, которые сопровождаются появлением электродвижущих сил и разностью потенциалов на различных металлических конструкциях, трубопроводах, которые не подверглись непосредственному прямому удару молнией. Вторичные проявления молнии обычно разделяют на электромагнитную и электростатическую индукцию. Разряд молнии сопровождается появлением в пространстве изменяющегося во времени магнитного поля. Магнитное поле индуцирует в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (труб, эл. проводок), электродвижущую силу, величина которой зависит от амплитуды и крутизны фронта тока молнии, взаимного расположения канала молнии и контура, в котором наводится Э.Д.С. В замкнутых контурах индуктированная Э.Д.С. вызывает появление эл. тока, который нагревает отдельные элементы контуров. В незамкнутых – искрение.