Пожарная безопасность технологических процессов / Shvyrkov - PB tekhnologicheskikh processov 2012

Многокомпонентную смесь можно разогнать на составляющие компоненты на нескольких простых колоннах или на одной сложной колонне. Сложные колонны применяют при переработке нефти.

Орошение ректификационных колонн может быть горячим (см. рис. 17.3, 17.4) и холодным (рис. 17.5). Горячее орошение экономичнее холодного, но более сложное в устройстве.

Выбор способа воспроизводства пара в кубовой части колонны зависит от многих факторов. В периодически действующих или непрерывно действующих колоннах небольшой производительности по пару при температуре кипения остатка до 150 оС и при отсутствии в нем загрязняющих теплообменные поверхности примесей используются встроенные в кубо-

нефтехимической и других отраслей промышленности для нагрева до кипения (свыше150 оС) нефти, продуктовееперегонкиилидругихжидкостей.

17.1.2.Тарелки ректификационных колонн

Вректификационных колоннах 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 и ряд других факторов.

231

17.2. Особенности пожарной опасности процессов ректификации

1. Пожарная опасность ректификационных установок характеризуется пожаровзрывоопасными свойствами обращающихся в них веществ, их количеством, режимом работы технологических аппаратов установки (температурой, давлением).

232

2.Обычно на ректификационных установках происходит разделение горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, горючих сжиженных газов. В этом случае пожаровзрывоопасны и ректификат и остаток. При разделении разбавленных водных растворов (например, раствора спирта в воде) исходная смесь и остаток могут быть непожароопасными, а готовый продукт (спирт-ректификат) обладать пожароопасными свойствами.

3.Количество горючих веществ, обращающихся в ректификационной установке, зависит от ее производительности. Для обеспечения высокой производительности применяются аппараты большого объема или увеличивается их число. Технологическая схема при этом предусматривает несколько параллельных линий (потоков).

4.Производительность установки обычно задается количеством ректификата (готового продукта), который нужно получить в единицу времени, либо количеством начальной (исходной) смеси, которую следует переработать в единицу времени. Для оценки пожарной опасности процесса следует знать количество и свойства всех обращающихся в установке веществ: исходной смеси, ректификата, флегмы, кубового остатка. Пожаровзрывоопасные свойства этих веществ могут существенно различаться между собой. Следует также иметь в виду, что пожароопасные вещества находятся не только в колонне, но и в других аппаратах ректификационной установки: теплообменниках, сборниках, промежуточных емкостях и др.

5.Основными технологическими параметрами процесса ректификации являются давление и температура, которые тесно взаимосвязаны: чем выше давление, применяемое при разделении какой-либо смеси, тем выше

итемпература. В большинстве случаев ректификацию проводят под небольшим давлением (0,12–0,7 МПа), а в некоторых случаях – под повышенным давлением или под вакуумом.

6.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 (кубового остатка) при рабочем давлении в этой части колонны.

7.В период установившегося режима работы, характеризующегося постоянством расхода и состава исходной смеси, ректификата и остатка, а также температуры и давления в колонне, образование горючих концентраций внутри колонны исключено, так как воздуха в колонне нет. В ней только жидкость и ее пары. Кроме того, температура кипения жидкости на тарелках по всей высоте колонны всегда выше верхнего температурного предела распространения пламени.

233

8.Основная опасность в период эксплуатации колонн, работающих под давлением, связана с возможностью выхода наружу горючих паров и флегмы при появлении неплотностей и повреждений. Последствия утечки зависят от места повреждения, от рабочей температуры в колонне и температуры самовоспламенения выходящего наружу вещества. По соотноше-

нию величины рабочей температуры tр и температуры самовоспламенения tсв разгоняемых веществ колонны можно условно разделить на две группы:

1) колонны, в которых рабочая температура ниже температуры само-

воспламенения веществ, т. е. tр < tсв. К этой группе относятся колонны для выделения спиртов, эфиров, ароматических углеводородов, бензина и т. п. При выходе наружу таких веществ могут образоваться пожаровзрывоопасные концентрации, для воспламенения которых необходим внешний источник зажигания;

2) колонны, в которых tр ≥ tсв. К этой группе относятся колонны для разделения мазутов, продуктов крекинга нефти и газа, каменноугольных и древесных смол и т. п. В этих колоннах не требуется внешний источник зажигания, так как выходящий наружу продукт самовоспламеняется при контакте с воздухом. Верхнюю часть таких колонн надо рассматривать как колонну первой группы, так как там tр < tсв.

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

Механические воздействия могут быть вызваны ростом давления и эрозией стенок колонн. В свою очередь, рост давления может быть вызван: нарушением материального баланса; нарушением теплового баланса; попаданием легкокипящей жидкости в объем высоконагретой колонны (кубовой ее части).

Нарушение материального баланса процесса ректификации происхо-

дит в следующих случаях: при увеличении подачи на разделение исход-

ной смеси Gи.с и (или) флегмы на орошение Gф, когда отбор пара Gп и кубового остатка Gо остаются неизменными; при уменьшении отбора из колонны пара Gп и (или) кубового остатка Gо, когда подача исходной смеси Gи.с и флегмы Gф остаются неизменными; при одновременном увеличении подачи Gи.с и Gф и уменьшении отбора пара Gп и остатка Gо.

Нарушение теплового баланса может произойти в результате:

роста подачи тепла в колонну (например, при завышенной температуре начальной смеси и (или) завышенном давлении водяного пара, подаваемого для подогрева кубовой жидкости);

снижения отвода тепла из колонны (например, при уменьшении или прекращении подачи флегмы на орошение головной части колонны, а также при подаче флегмы с завышенной температурой);

234

нарушения процесса конденсации пара в дефлегматоре или холо- дильнике-конденсаторе (например, при уменьшении или прекращении подачи хладагента, при подаче хладагента с завышенной температурой, загрязнении теплообменной поверхности, накапливании в головной части колонны неконденсирующихся газов, поступающих в растворенном виде с начальной смесью).

При попадании в высокотемпературную колонну жидкости с низкой температурой кипения происходит резкое вскипание этой жидкости с образованием большого количества паров. При этом рост давления в колонне носит взрывной характер, что может привести к разрушению аппарата. Подобное явление также может иметь место, когда высоконагретый продукт вводят в колонну, в кубе которой находятся остатки низкокипящей жидкости, например, воды после промывки, пропаривания или гидравлического испытания колонны.

10.При остановке ректификационной установки в ней могут образоваться горючие концентрации разделяемых веществ, так как колонна разгерметизируется, атмосферный воздух входит внутрь ее. Если там имеются горючие пары, смешиваясь с воздухом, они образуют горючую среду.

11.В период пуска ректификационной установки в ней может находиться воздух, что может привести к образованию ВОК.

12.При разделении смесей веществ, склонных к термическому разложению или полимеризации, процесс ректификации проводят под вакуумом для снижения температурного режима работы колонны. Поэтому пожарная опасность вакуумных колонн возникает из-за снижения ваку-ума.

Врезультате чего происходит повышение температурного режима и, как следствие, ускорение процессов термического разложения и полимеризации разгоняемых веществ. Термический распад приводит к потере вакуума, а затем к росту давления. Полимеризация, в свою очередь, ведет к интенсивному образованию полимерных пробок, увеличению гидравлического сопротивления при движении материальных потоков и росту давления.

13.Для разделения растворов, имеющих низкую температуру кипения (ниже 0 °С), используют колонны низкотемпературной ректификации. Низкую температуру получают применением внутренних или выносных холодильников, в которые подают холодильные рассолы или сжиженные га-

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

ми рабочими температурами и использованием горючих сжиженных газов в качестве хладагентов. Нарушение температурного режима в таких колоннах влечет повышение давления, образование твердых отложений (льда, кристаллогидратов), пробок. При низких температурах возможны повреждения оборудования газофракционирующих установок в результате снижения ударной вязкости материала аппаратов и трубопроводов.

235

14. Возможными источниками зажигания на ректификационных установках могут быть следующие:

самовоспламенение горючей жидкости и паровой фазы, нагретых

до температуры самовоспламенения tсв и выше при аварийном выходе их наружу и соприкосновении с воздухом;

огневые печи, реакторы, огневые ремонтные работы на территории ректификационных установок или на близлежащих технологических установках;

высоконагретые поверхности технологического оборудования, если их температура больше или равна температуре самовоспламенения паровоздушной смеси;

самовозгорающиеся отложения, образующиеся на внутренних поверхностях колонн и трубопроводов, которые опасны в период остановки, когда в колонну поступает воздух;

искры, образующиеся при использовании искрящего инструмента

входе чистки и ремонта, а также искры от электрооборудования, разрядов статического и атмосферного электричества.

15. В случае значительных повреждений и аварий возникший пожар может принять крупные и особо крупные размеры, так как на современных ректификационных установках одновременно обращаются очень большие объемы пара и горючих жидкостей, нагретых до температуры кипения. Пар, выходящий из колонны и получающийся при испарении вышедшей наружу жидкости, смешиваясь с воздухом, может образовать облако горючей смеси, загазовать помещение и территорию ректификационной установки. Воспламенение смеси приводит к быстрому распространению огня по всему газовому облаку. Выливающаяся жидкость, растекаясь по этажам, площадкам этажерок и территории, может покрыть большие площади, что также способствует быстрому распространению огня в случае возникновения пожара.

17.3.Основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов ректификации

Пожарную безопасность процессов ректификации пожароопасных жидкостей обеспечивают следующими способами и техническими решениями или их комбинацией:

применением автоматического контроля и регулирования расхода

итемпературы поступающих в колонну и покидающих ее материальных потоков, а также поступающего в холодильник-конденсатор хладоносителя или хладагента в целях поддержания установленного технологическим регламентом материального и теплового баланса колонны;

236

очисткой исходной смеси и хладоносителя от примесей, способствующих образованию отложений, а также систематической очисткой теплообменной поверхности холодильника-конденсатора от отложений в целях уменьшения термического сопротивления теплообменной поверхности холодильника-конденсатора;

снижением рабочей температуры в колонне (ректификацию проводят под вакуумом) и использованием соответствующих ингибиторов в целях уменьшения интенсивности термического разложения и полимеризации;

в целях предупреждения нарушения процесса конденсации пара

вректификационных установках предусматривают контроль за температурным режимом в колонне; автоматическое регулирование подогрева начальной смеси и кубового остатка; автоматическое регулирование подачи флегмы в колонну; контроль за температурным режимом работы дефлегматоров и холодильников-конденсаторов; автоматическое регулирование подачи хладагентов в дефлегматоры и холодильники-конденсаторы (в случае прекращения подачи хладагентов работу ректификационной установки прекращают); очистку теплообменных поверхностей дефлегматоров и хо- лодильников-конденсаторов в установленные сроки;

в целях предупреждения образования повышенного давления от накапливающихся неконденсирующихся газов при эксплуатации ректификационных установок периодически производят их сброс из дефлегматора или холодильника-конденсатора на свечу или факельную линию через сепаратор;

в целях предупреждения образования опасного давления в колонне

врезультате вскипания попавших в нее жидкостей предусматривают: исключение случаев попадания в колонну воды или других низкокипящих жидкостей при переключении линий; полное удаление воды и водяного конденсата после промывки, пропаривания и гидравлического испытания колонны; освобождение острого пара при подаче его в колонну от конденсата, который может образоваться в транспортной паровой линии; установку предохранительных клапанов закрытого типа со сбросом продуктов

всоседние аппараты установки, работающие под меньшим давлением и оборудованные предохранительными клапанами;

в целях предупреждения опасных температурных напряжений в стенках аппаратов ректификационной установки, которые могут возникнуть под воздействием атмосферных осадков либо при пожаре, следует: осуществлять контроль за исправностью теплоизоляции, которая уменьшает разность температур при изменении погодных условий, предохраняет от попадания на металл атмосферных осадков (поврежденную и пропитанную горючими жидкостями теплоизоляцию своевременно заменяют); оборудовать трубопроводы на прямых участках температурными компенсаторами; защищать теплоизоляцией несущие металлические конструкции (опоры, юбки, этажерки и т. п.);

237

в целях предупреждения повреждений, связанных с химическим

имеханическим (эрозионным) износом материала аппаратов ректификационной установки, следует: правильно выбрать коррозионностойкий конструкционный материал для изготовления корпуса колонны, тарелок, труб, прокладок; уменьшить коррозионную активность среды путем очистки ее от коррозионных примесей; изолировать металл от агрессивной среды защитными покрытиями (например, тонкой цементной коркой); очистить раствор от механических примесей; исключить резкое изменение направления движения потоков в колонне, используя для этого диаметрально расположенные штуцеры;

полным освобождением ректификационной колонны в период ее остановки от остатков жидкости, находящейся на тарелках и в кубовой части. Колонны с ситчатыми и провальными тарелками сравнительно легко освобождаются от жидкости, так как 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 сливных патрубков. Удаление этого слоя жидкости осуществляется путем интенсивной промывки горячей водой и последующим длительным пропариванием водяным паром или продувкой негорючим газом. Окончание продувки определяется по результатам анализа отходящих (продувочных) газов на присутствие в них горючих веществ. Чтобы исключить при разгерметизации колонны интенсивную вентиляцию внутреннего объема входящим наружным воздухом, рекомендуется открывать люки «под паром», т. е. когда в колонну подается водяной пар или инертный газ. С этой же целью люки открываются сверху вниз. Очистку и ремонтные работы на установке разрешается начинать только после дополнительного анализа воздуха внутри колонны;

полным удалением воздуха из ректификационной установки в период ее пуска. Для этого внутренний объем колонны и связанные с ней аппараты продувают водяным паром или инертным газом. Порядок продувки такой же, как при остановке аппаратов. Перед пуском колонну проверяют на прочность и герметичность путем гидравлического испытания;

при разделении в вакуумных колоннах смесей веществ, склонных к термическому разложению или полимеризации, контролируют: показатели остаточного давления, температурный режим колонны и других аппаратов установки; автоматическое регулирование подачи хладоагента (воды, рассола) в конденсаторы, пара в эжекторы, электроэнергии к ваку- ум-насосам; герметичность конденсаторов, трубопроводов и всей установки в целом. Для этого вакуумная колонна должна быть оборудована системой подачи аварийных сигналов;

238

при разделении растворов, имеющих низкую температуру кипения, обеспечивают: применение конструкционных материалов с повышенной ударной вязкостью; автоматическое регулирование подачи хладагента в холодильники-конденсаторы для поддержания постоянного температурного режима в колонне; осушку начальной смеси от влаги; очистку поступающих на ректификацию газовых смесей от тяжелых углеводородов; очистку теплообменных поверхностей от отложений в установленные сроки;

предупреждением распространения пожара посредством: обоснования оптимальных размеров колонны на стадии проектирования ректификационной установки; устройства систем аварийного слива жидкостей из аппаратов; оборудования бортиков, порогов с пандусами для исключения растекания горючих жидкостей по площадкам этажерок и территории установки. Кроме того, при размещении ректификационной установки на открытой площадке предусматривают системы аварийного охлаждения аппаратов и стационарные установки водяного и пенного тушения с использованием лафетных стволов. Стационарные лафетные стволы размещают так, чтобы каждая точка колонны орошалась не менее чем двумя струями воды. Большие колонны (высотой 80–100 м и более) оборудуют локальными стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения.

Устройства водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения колонн выполняют в виде колец, изготовляемых из труб. Кольца размещают на расстоянии не более 10 м друг от друга по высоте колонны и соединяют с питающим трубопроводом. Кольца имеют перфорацию (отверстия), распылители воды или пенные головки.

Системы паротушения, которыми оборудуются ректификационные установки, представляют собой вертикальный паропровод со штуцерами на каждой промежуточной площадке. К каждому штуцеру паропровода присоединяют резиновый шланг со стволом. По этим шлангам водяной пар можно подать в любую точку колонны.

Контрольные вопросы

1.Укажите назначение процессов перегонки и ректификации.

2.Смеси каких жидкостей можно разделить путем перегонки и ректификации?

3.Сущность процесса простой перегонки растворов.

4.Сущность процесса перегонки растворов с дефлегмацией.

5.Сущность процесса ректификации.

6.Как называется аппарат, в котором осуществляется процесс ректификации и как он устроен?

239

7.Первый закон Коновалова, его сущность.

8.Укажите основные части простой ректификационной колонны.

9.Что такое флегма и что называется флегмовым числом?

10.Укажите основные типы ректификационных колонн.

11.Как работает ректификационная установка непрерывного действия

сиспользованием простой ректификационной колонны?

12.Для чего производят орошение ректификационной колонны?

13.Виды орошения ректификационных колонн.

14.Виды тарелок ректификационных колонн.

15. Схема колпачковой тарелки, принцип ее работы, достоинства

инедостатки.

16.Виды подогрева ректификационных колонн.

17.Образуется ли горючая концентрация внутри ректификационной колонны при ее нормальной работе?

18.В каких случаях производят перегонку горючих жидкостей под вакуумом?

19.Защита ректификационных колонн от повреждения при механическом воздействии обращающейся среды.

20.Защита ректификационных колонн от повреждения при химическом воздействии обращающейся среды.

21.Защита ректификационных колонн от повреждения при температурном воздействии обращающейся среды.

22.Укажите последствия аварийного выхода горючих веществ из ректификационной колонны.

23.Причины нарушения процесса конденсации паров ректификата

вректификационнойколоннеиспособыобеспеченияпожарнойбезопасности.

24.Меры пожарной профилактики при пуске и остановке ректификационных колонн.

240