Материал: Процессы и аппараты защиты окружающей среды. методические указания по выполнению курсовой работы. Сушко Е.А., Переславцева И.И

Длительность продувки и ее окончание должна быть записана в инструкции, определяется взятием пробы на анализ предельно допустимого содержания горючего вещества.

Предварительно длительность продувки может определиться расчетом.

Так, например, длительность продувки ректификационной колонны должна быть не менее:

τ = η ·V_{св /}q·lnφ_нач./φ_кон., где

τ - длительность продувки колонны, мин;

η - коэффициент, зависящий от летучести жидкости и ее количества в остатке после опорожнения. Колеблется от 3 до 10.

В нашем случае стирол мало летучая жидкость (t_кип =142⁰С) и тарелки колонны трудно освободить от жидкости, поэтому возьмем η =10);

φ_нач – начальная концентрация горючего перед продувкой , т.к. в колонне только пары стирола, следовательно φ_нач =1;

φ_кон – конечно-допустимая концентрация при продувке.

Так как колонна имеет сложное устройство, работает при повышенной температуре, то даже при остановке на профилактический осмотр надо принимать φ_кон= 0,05·φ_нкпв..

V_св- свободный объем колонны, м³, V_св =0,8·V;

q – количество, подаваемого газа или водяного пара на продувку, м³/мин (q= 15·πd²_тр·w).

Продувку ведем водяным паром. Предположим, что диаметр продувочной линии водяного пара равен 50 мм, а скорость истечения пара 20 м/с, тогда q= 15·3,14·0,05²·20 =2,36 м³/мин.

Подставляя полученные данные, будем иметь:

Τ= 10·(25/2,36)·2,3 lg 1·100/0,05·1 = 804 мин или 13,5 час.

Достаточность такой длительности продувки следует проверить взятием пробы среды на анализ.

Топочное пространство реактора перед розжигом форсунок также должно продуваться водяным паром в течение времени, устанавливаемого инструкцией.

Чтобы топливный газ не попадал в печь, когда она не работает, между задвижкой на топливной линии и горелкой печи должна быть вентиляционная свеча с открытой на этот период задвижкой.

3. Опасность аппаратов, из которых возможен выход горючих веществ без повреждения их конструкции

К таким аппаратам могут быть отнесены резервуар с этилбензолом и компрессоры.

При эксплуатации резервуара с этилбензолом в период его наполнения будет выбрасываться наружу взрывоопасная концентрация паров этилбензола, так как температура жидкости в резервуаре 20⁰ С, а температура вспышки этилбензола тоже 20⁰ С, т.е. t_раб =t_всп.. Объем взрывоопасной смеси в окружности дыхательной линии резервуара зависит от количества вытесненных паров при его большом дыхании. Потери за цикл «большого дыхания» определяют по формуле:

G_б= (V₁-V₂) P_раб/ T_раб·φ_s ·(M_пара/848), где

V₁ –объем резервуара, равный по заданию 1000 м³;

V₂ – объем парового пространства после заполнения, равный 0,1· V₁ , м³;

P_раб – давление в резервуаре, равное по заданию 1,01 атм. (10100 кг/м³);

T_раб - температура жидкости в резервуаре, равная 273+20 =293 К;

M_пар – молекулярный вес паров этилбензола, равный 108;

φ_s – концентрация паров этилбензола при температуре жидкости, равной 20⁰С;

φ_s= P_s / P_общ , где

P_s – давление насыщенных паров этилбензола при t_раб=20⁰С;

P_общ – общее давление в резервуаре, 775 мм рт.ст.;

Давление насыщенных паров определяют по справочным данным, а при их отсутствии можно определить расчетом по формуле Антуана:

lgP_s = A – B/C_A + t

где А, В, С_А – константы Антуана, соответственно равны: 7,94; 2113; 273.

lgP_s = 7,94-2113/273+20 = 0,73.

Следовательно, P_s =5,4 мм рт. ст., тогда φ_s =5,4/775 = 0,007 объемные доли.

Подставляя полученные данные, будем иметь:

G_б =(1000 – 0,1·1000)·(10100/273+20)·0,007·108/848 =29,2 кг/цикл.

Это количество паров этилбензола образует следующий объем взрывоопасной смеси паров с воздухом (Vм³):

V= G_б /0,5·φ_нкпв , здесь φ_нкпв нижний предел распространения пламени, г/м³.

В данных о свойствах этилбензола дано значение φ_нкпв = 0,9% объемных, в весовых единицах это будет:

φ^вес_нкпв=( φ^объем_нкпв·М /v)·10=(0,9·108/24)·10 = 40,5г/м³, где

v – объем килограмма молекулы при 20⁰С, м³,

Тогда V=29,2·1000 /0,5·40,5 = 1457 м³.

Такой объем взрывоопасной смеси даже для наружного резервуара представляет большую опасность, каждое «дыхание» резервуара приводит к значительным безвозвратным потерям и загрязняет воздушную среду. Для уменьшения потерь резервуар имеет на дыхательной трубе дыхательный клапан, но наиболее рациональное решение – применение резервуаров с плавающей крышей (что уже было предложено ранее).

При эксплуатации насосов и компрессоров может иметь место утечка жидкостей или газа через неплотности сальникового уплотнения вала. Это может привести к образованию опасных концентраций в помещениях. Объем взрывоопасной смеси можно определить расчетом, зная количество выходящего наружу продукта.

Т ак, например, количество этилбензола (G, кг/ч), выходящего через сальниковое уплотнение насоса, будет равно:

G = 0,05·d·γ ·k·√Н ,

d– диаметр вала насоса, по заданию равен 0,03 м;

γ – объемная масса этилбензола, равная 70 кг/м³;

k – коэффициент, показывающий, какая доля жидкости испаряется, выходя наружу. Примем k=1;

Η – давление, создаваемое насосом, равное 15 мм вод.ст.

Подставляя, получим:

G= 0,05·0,03·870· 1·√15=5,75кг/ч

Если все это количество этилбензола испарится, то при наличии работающей вентиляции в помещении насосной образуется взрывоопасная смесь в объеме (V):

V=G/φ_нкпв·n=5,75·1000/40,5·10= 14м³/ч,

где n – кратность воздухообмена, равная по заданию 1/ч.

Это составит: (V/П)· 100= (14/6·16·4)·100 = 3,65 % от объема помещения.

Для снижения этой опасности необходимо применить торцевое уплотнение вала или устроить местные отсосы паров от сальников насоса (тем более пары токсичны), а неиспарившуюся жидкость смывать водой в специальные отстойники.

Из компрессора количество воздуха, выходящего через сальник на стороне нагнетания, можно примерно определить по формуле:

G¹=A√P

G¹ – количество газа, выходящего через сальник, г/ч на 1мм периметра штока;

A – коэффициент для высоколетучих жидкостей и газов при нормальном состоянии сальников, принимают ≈ 5;

P – давление на линии нагнетания в ати. По заданию Р=0,5 ати.

Следовательно, G¹=A√P =5·√0,5 = 3,5 г/ч на 1 мм периметра.

Всего выйдет G = G¹πd =3,5·3,14·30 = 330 г/ч , где

d – диаметр вала компрессора, мм.

Это количество водорода может образовать местную взрывоопасную концентрацию в объеме помещения (без учета действия вентиляции):

V =G/0,5·φ_нкпв =330/0,5·4= 165 м³

Такое количество выходящего через сальники водорода, как показывают расчеты, представляет очень большую опасность, и поэтому устройство местных отсосов сальников необходимо. Система вентиляции должна включаться автоматически перед пуском компрессора и останавливаться только после остановки компрессора.

4. Анализ возможных причин повреждений аппаратов и разработка необходимых средств защиты

• Рассмотрим характерные причины образования повышенных давлений для рассматриваемых аппаратов.

Резервуар с этилбензолом. Из причин нарушения материального баланса наиболее вероятными могут быть: увеличение интенсивности закачки этилбензола, при которой дыхательная система не будет успевать выбрасывать наружу паровоздушную смесь.

Уменьшение пропускной способности дыхательной системы в результате прилипания или примерзания дыхательного клапана.

Уменьшение пропускной способности дыхательной системы в результате ее загрязнения или обледенения насадки огнепреградителя.

Это может привести к опасному вакууму в резервуаре при откачке жидкости.

Кроме того, это может привести и к смятию стенок.

Нарушение материального баланса может произойти при переполнении резервуара жидкостью в результате отсутствия или неисправности измерителей уровня.

Повышение давления в резервуаре может быть при нагреве стенок солнечной энергией, если дыхательная линия не обеспечивает отвод паровоздушной смеси.

Из защитных устройств в задании только наличие дыхательного клапана на резервуаре.

Поэтому можно предложить дополнительно установить:

• измеритель уровня с автоматическим отключением питающего насоса при верхнем наливе и расходного насоса при изменении нижнего уровня жидкости;

• гидравлический предохранительный клапан;

• корпус резервуара должен быть окрашен в белый цвет.

Скорость закачки и сроки проверки дыхательного клапана, предохранительного гидравлического клапана и огнепреградителя должны быть указаны в инструкции технологического регламента, и строго соблюдаться.

Трубчатый реактор – в топочном пространстве реактора могут быть взрывы при розжиге, если отсутствовала продувка или нарушалась последовательность операции розжига, то же может быть при внезапном погасании факела пламени и последующем возобновлении подачи топлива. Во избежание этого необходимо иметь специальные запальники для розжига горелок, автоматическую систему поджигания погасшего факела пламени или перекрывания задвижки на топливной линии, продувать топку (как было сказано выше). Топка должна быть защищена от разрушения при взрыве откидным или мембранным клапаном.

Внутри трубок реактора давление может повыситься при увеличении подачи паров этилбензола, повышения сопротивления насадки катализатора при отложении полимеров, твердых продуктов разложения, дробления зерен катализатора и т.п. Отвод продукта из реактора может уменьшиться при образовании пробок в отводящей линии, при прекращении процесса конденсации паров в конденсаторах-холодильниках. Давление повысится при более интенсивном разложении паров этилбензола в результате повышения температурного режима работы реактора.

Во избежание этого необходимо регулировать температурный режим работы реактора в зависимости от подачи газа в горелки, количества подаваемого в реактор сырья. Необходимо контролировать или автоматически регулировать подачу хладоагента в холодильники-конденсаторы. Катализатор в установленные сроки должен подвергаться регенерации (выжигание отложений) и освобождению от пыли. Корпус реактора необходимо защитить предохранительным клапаном. Пропускная способность клапана (G, кг/ч) должна соответствовать максимальной производительности реактора.

Так как производительность реактора по заданию равна 1500 кг/ч, то площадь сечения предохранительного клапана будет равна:

G_кл =1,59·μ·f·B·√(Р₁-Р₂)·γ , где

μ – коэффициент расхода, можно принять 0,85;

f – площадь сечения клапана, мм;

P₁ – давление перед клапаном, согласно заданию равно 2,5 кг/см²;

(P_раб=2 кг/см² и 0,5 кг/м^2, превышение давления при срабатывании клапана согласно «Правил устройства и эксплуатации сосудов, работающих под давлением»)*

P₂ - давление после клапана. С учетом преодоления сопротивления линии отвода паров, примем P₂ равным 0,5 кг/см²;

γ – удельная масса паров при P₁ и t_раб

γ = γ₀·( T₀/ T_раб)·( P_раб/ P₀) = (108/22.4)·(273/273·630)·(2,5/1) = 3,3 кг/м³;

B – коэффициент при указанных Р₁ и Р₂ и К=1,41, равной 0,541.

Тогда

f = 1500/1,59·0,85·0,541·√(2,5-0,5)∙3,3 = 795 мм²

Диаметр отверстия клапана будет равен:

d = √4 f/π = 2√795/3,14 = 50 мм.

Отводная линия от клапана должна быть выведена на свечу или на заводской факел.

Попадание жидкого этилбензола в реактор и опасность от быстрого вскипания не является специфическим случаем, так как перед реактором находятся испаритель и перегреватель паров этилбензола.

Ректификационная колонна – повышение давления от нарушения материального баланса может быть в результате подачи увеличенного количества начальной смеси в колонну или при уменьшении пропускной способности линии, отводящей пары из колонны на конденсацию (образование полимерных пробок). Давление повысится при более интенсивном испарении раствора в результате подачи более нагретой в подогревателе начальной смеси, усиленного подогрева остатка в нижней части колонны, а также повышения температуры в результате теплоты химической реакции стирола, скорость которой увеличивается при повышении температуры в колонне. Рост давления приводит к увеличению температуры в колонне, увеличение температуры к сильному ускорению процесса полимеризации стирола, выделению еще большего количества тепла и росту давления.

Повышение температуры, а, следовательно, и давления, произойдет при нарушении конденсации паров в конденсаторе или остановке вакуум-компрессора. К этому же результату приведет наличие полимерных пробок на тарелках внутри колонны.

Можно определить насколько увеличится температура в колонне (∆t), если в результате уменьшения подачи холодной воды в аппараты нарушится процесс конденсации на 50% в течение 12 мин.

∆t = G_р∙(R+1)∙k·δ_Р ∙τ /G_н.с·c_н.с. + G_р· R·(1-k)·c_р

G_р – производительность колонны по ректификату, равная 1000 кг/ч;

R – флегмовое число колонны, в нашем случае 5;

k – коэффициент неполноты конденсации, по условию равный 0,5;

δ_Р – удельная теплота конденсации паров стирола, ккал/кг;

τ – время, в течение которого процесс конденсации нарушен, по условию 0,2 ч;

G_н.с – производительность колонны по начальной смеси, равная 1300 кг/ч;

c_н.с, c_р – удельная теплоемкость соответственно сырого стирола и паров, ккал/кг·⁰С.

Подставляя, получим:

∆t = 1000·(5+1)·0,5·150∙0,2/ 1300∙0,3 + 1000·(1-0,5)∙0,4 = 45⁰С

Тогда температура в верхней части колонны будет t = t_раб + ∆t = 45+45=90, т.е. температура верха колонны возрастет в 2 раза, соответственно сильно увеличится скорость химической реакции полимеризации, еще сильнее возрастет температура и давление.