Оценка взрывопожароопасности (горючести) среды в закрытых аппаратах с ЛВЖ и ГЖ, и определение категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности

Задание на курсовое проектирование Задание № 1.

Оценка взрывопожароопасности (горючести) среды в закрытых аппаратах с ЛВЖ и ГЖ, и определение категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности.

Изучить технологическую схему и назначение аппаратов по варианту задания.

Пересчитать значение нижнего концентрационного предела распространения пламени из объемных долей в кг/м.

Определить концентрацию насыщенного пара под раствором.

Аппарат 6: Бензол, 100

Аппарат 7: 300л. бензола + 100л. ацетона, 300

Задание № 2

Определение категорий помещения по взрывопожарной и пожарной опасности. Определить расчетным способом категорию помещения по взрывопожарной и пожарной опасности, взяв основной аппарат с одной горючей жидкостью.

Длина L — 12 м

Ширина b -8,4 м

Высота h -4,8 м;

Температура воздуха в помещении t-21,60С Кратность аварийной вентиляции, обеспеченной автоматическим пуском и электроснабжением по первой категории надежности, А —4,8;

Продолжительность аварии Т — 0,6 ч

Емкость аппарата V — 0,84

Степень заполнения аппарата? — 1,08

Производительность насоса q — 3,6 м3/ч

Диаметр подводящего трубопровода Dн — 30 мм

Расстояние от задвижки до аппарата Lн — 14,4 м

Диаметр отводящего трубопровода Dо — 48 мм

Расстояние от аппарата до задвижки Lо -12м

Отключение задвижки — ручное

Содержание жидкости в растворе X — 48%(по массе)

Введение

Предотвращение пожаров и взрывов объединяется общим понятием — пожарная профилактика. Пожарная профилактика является важнейшей составной частью общей проблемы обеспечения пожаровзрывобезопасности различных объектов, и поэтому ей уделяется первостепенное внимание при решении вопросов защиты объектов от пожаров и взрывов.

Пожарная профилактика предусматривает оценку пожаровзрывоопасных производств и назначение различных мероприятий организационного и технического характера. Мероприятия пожарной профилактики регламентируются различными нормативными документами.

В данной работе рассматривается технологическая схема приготовления лакокрасочных материалов. А именно, оценивается взрывопожароопасность (горючесть) среды в закрытых аппаратах с ЛВЖ и ГЖ и определение категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности.

К вопросам пожарной безопасности на предприятиях по производству лакокрасочных материалов, где на сравнительно небольшой площади сосредоточены огромные запасы легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), исчисляемые тысячами тонн, следует относиться с особым вниманием.

Главным фактором, обуславливающим пожарную опасность данного технологического процесса, является потенциальная возможность образования горючей среды как внутри резервуаров и емкостей, так и около них, особенно при технологических операциях наполнения.

Объем основных (прием, хранение, отпуск, замер и учет продукта, технологический процесс производства) и вспомогательных (ремонт оборудования) операций определяет технологический процесс предприятия. Каждая технологическая операция, связанная с обращением ЛВЖ и ГЖ, имеет свои специфические факторы опасности. Наиболее пожароопасными технологическими операциями являются их транспортирование, хранение, слив и налив. Эти операции связаны с процессами испарения, что в сочетании с пожароопасными свойствами жидкостей определяет возможность образования горючей паровоздушной смеси—главного фактора пожарной опасности.

Современные лакокрасочные материалы представляют собой многокомпонентные смеси, содержащие помимо пленкообразующего вещества и пигмента, также наполнители, поверхностно-активные вещества, диспергаторы, загустители, многокомпонентные растворители и другие добавки. Каждый из этих компонентов оказывает влияние только на свойства и технологический процесс производства лакокрасочных материалов.

Лакокрасочная промышленность выпускает обширный ассортимент лакокрасочных материалов (лаки, эмали, краски, грунтовки, шпатлевки, различные вспомогательные материалы). Появились новые виды безвредных, с экологической точки зрения, материалов—водорастворимые, водоэмульсионные, порошковые, материалы с высоким сухим остатком и др. Созданы материалы, предназначенные для нанесения новыми, прогрессивными способами—электростатическим распылением, струйным обливом, с помощью электрофореза и т. д.

Классификация лакокрасочных материалов. Лакокрасочные материалы представляют собой композиции, способные обеспечить формирование на подложке (поверхности изделий) покрытий с заданным комплексом свойств. Возможность формирования слоя покрытия, определяется пленкообразующим веществом (пленкообразователем).

Пленкообразующие вещества—высокомолекулярные синтетические или природные вещества, а также их смеси, способные вместе с другими компонентами лакокрасочных материалов при нанесении тонким слоем из раствора, дисперсий или расплава, формировать покрытие в результате физико-механических или химических превращений на подложке.

Лакокрасочные материалы делятся на:

Непигметированные:

а)олифы;

б)лаки Пигментированные:

а)краски масляные;

порошковые;

водоэмульсионные;

б)эмалиорганорастворимые;

— водные;

в)грунтовки: -органорастворимые;

— водные;

г)шпатлевки.

Пигменты.

Лаки—растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях или воде. При высыхании или отверждении они образуют прозрачное однородное покрытие. Олифы—продукты термической или химической переработки растительных масел.

Пигменты — твердые, порошкообразные, тонкодисперсные, неорганические и органические вещества (синтетические и природные), придающие покрытию непрозрачность, цвет и влияющие на другие свойства покрытия.

Краски — лакокрасочные материалы, представляющие собой однородные суспензии пигментов в пленкообразующих веществах.

Можно выделить три основные группы красок:

масляные—на основе высыхающих масел и олиф;

водные — клеевые, на основе растительных и животных клеев;

силикатные — на основе жидкого стекла;

эмульсионные—на основе водных эмульсий высыхающих масел или синтетических полимеров.

В отдельную группу выделены порошковые краски— измельченные твердые смеси пленкообразующих веществ, пигментов, наполнителей и других компонентов лакокрасочных материалов. Такие краски образуют покрытия в процессе термообработки.

Эмали (эмалевые краски)—суспензии пигментов в лаках. Их наносят последним слоем на многослойное покрытие. Эмали придают покрытиям декоративность и обеспечивают стойкость к внешним воздействиям.

Грунтовки—суспензии пигментов в лаке, олифе или эмульсии пленкообразователя. Они предназначены для нанесения первым слоем на окрашиваемую поверхность и обеспечивают надежное сцепление покрытия с поверхностью.

Водоразбавляемые грунтовки и эмали — лакокрасочные материалы на основе синтетических полимеров, образующих достаточно стабильные растворы в воде.

Шпатлевки—дисперсии в связующем, пигментов и наполнителей. Их берут в количествах, обеспечивающих получение вязкой массы с возможно большим содержанием нелетучих веществ и, следовательно, возможно меньшей усадкой при сушке или отверждении. Шпатлевки служат для заделывания различных дефектов (пор, раковин, углублений и т. п.) на окрашиваемой поверхности.

1. Назначение объекта, название типа оборудования для осуществления

одного или нескольких технологических процессов Пожарный специалист должен изучить основные технологические процессы (операции) и работу технологического оборудования в такой степени, чтобы иметь возможность оценить их пожарную опасность, определить необходимые меры, ее предотвращающие. Для этого он должен знать принципиальную технологическую схему производства и его реальное размещение.

Технологическая схема производства — это последовательность технологических операций (процессов) по превращению сырья в готовую продукцию. Производство лакокрасочных изделий включает следующие операции:

растворение пленкообразующего материала;

перемешивание компонентов (в случае многокомпонентной рецептуры);

постановка на тип в соответствии с техническими условиями;

очистка;

слив готовой продукции.

Схема производства лакокрасочных материалов приведена в графической части проекта. Для растворения смол, эфиров целлюлозы и масляных основ применяют смесители (мешатели) разных типов, представляющие собой сосуды цилиндрической формы, герметически закрывающиеся и снабженные перемешивающим устройством 7.

Смесители, в которых предусматривается растворение смол при повышенных температурах, оборудуются водяной или паровой рубашкой 9 и обратным холодильником 10.

Лакокрасочные материалы из-за их огнеи взрывоопасности обычно хранят в подземных хранилищах в цистернах. Из цистерн 15 объемом 200 л лакокрасочные материалы перекачивают ротационным насосом 16 в смеситель 7. Для приготовления лакокрасочных изделий с требуемой вязкостью растворители, А и Б из емкостей 1,2 центробежными насосами 3,4 подаются в мерники 5,6, находящиеся выше уровня смесителя. Из мерников самотеком через жидкостные счетчики они поступают в смеситель 7, снабженный мешалкой 8 и рубашкой 9 для подогрева раствора паром.

Растворители загружают обычно в количестве несколько меньшем, чем требуется по рецептуре, так как при постановке изделия на тип легче добавить растворитель, чем вязкую или твердую смолу. Общее количество загружаемых компонентов должно составлять 75— 80% от объема смесителя.

По окончании загрузки люк смесителя герметически закрывают. Если растворение идет при повышенной температуре, включают обратный холодильник 10, с помощью которого пары при нагреве возвращаются в смеситель. Обратный холодильник охлаждается водой. Режим растворения устанавливают в зависимости от типа пленкообразующего материала.

Подогретый раствор ротационным насосом 11 через фильтр 12 направляется в технологическую схему цеха.

При изготовлении нитролаков коллоксилин растворяют при температуре 18—25 °С, но в некоторых случаях допускается обогрев смесителя с помощью водяной рубашки до температуры не выше 30—40° С. Для конденсации паров растворителей в этом случае необходимо включать обратный холодильник, так как при подогреве больших количеств легколетучих растворителей происходит сильное их испарение, что приводит к насыщению рабочего помещения вредными парами. Также надо тщательно следить за герметичностью аппаратуры. При таком способе загрузки в смесителях емкостью 5—6 м3 растворение происходит за 6—7 ч.

Для ускорения растворения компонентов в смесителе иногда применяют циркуляционные насосы, засасывающие жидкость из нижней части смесителя и возвращающие ее через верх.

Низкокипящие растворители, например ацетон, который используется в данной схеме, (температура кипения 56,3° С), добавляют после окончания процесса, когда лак охладится до 45— 50° С.

После полного растворения всех составных частей приступают к постановке изделия на тип.

Высокое качество лакокрасочных материалов может быть обеспечено только при условии строгого соблюдения технологического режима, предусмотренного регламентом, и тщательного контроля температуры, давления, разрежения, расхода сырья, заданной продолжительности процессов и других параметров.

Количество подаваемой жидкости измеряется объемными счетчиками СВШС (силуминовый), СВШ-5−16/40 и ДБ-40. Полуавтоматическое взвешивание проводится на обычных рычажных или циферблатных весах.

В качестве автоматических весов применяют порционные весы ДЯХ-10 и ДЯХ-50. Они оборудованы счетным устройством, отмечающим количество произведенных взвешиваний. По достижении заданного количества взвешиваний весы автоматически выключаются. Одна взвешенная порция на весах ДЯХ-10 составляет 10 кг, а на весах ДЯХ-50—50 кг.

Для регулирования подачи готовой продукции на фильтр в некоторых случаях устанавливают контактный манометр. Если сетка или фильтрующая ткани забиты, давление в фильтре увеличивается, и по достижении определенной его величины отключается насос, подающий продукцию.

Измеряют температуру в аппаратах при помощи ртутных и манометрических, записывающих термометров.

Все аппараты защищены огнепреградителями 13, а емкости 1,2 имеют дыхательные клапаны 14. Аппараты и трубопроводы снабжены необходимой арматурой и КИП.

Тип оборудования данной технологической схемы — аппараты периодического действия с подвижным уровнем жидкости, оснащенные дыхательными устройствами.

2. Анализ пожаровзрывоопасных свойств веществ, обращающихся в

производстве В рассматриваемой технологической цепочке производства обращаются вещества: 6 аппарат — бензол, 7 аппарат — 300л бензола и 100л ацетона. Рассмотрим их основные физико-химические и пожароопасные свойства.

Бензол, фениловый водород С6Н6- бесцветная жидкость с приятным сладковатым запахом, температура кипения 80,1°С, плотность 0.8786 г/см3. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, в промышленных масштабах он синтезируется из других её компонентов. Токсичен, канцероген. Подобно всем углеводородам бензол горит и образует много копоти. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C.

Ацетон, 2-пропанон, диметилкетон, С3НбО, легковоспламеняющаяся жидкость. Мол. масса 58,08; плотность при 20 °C 790,8 кг/м3; температура плавления — 95,35 °С; температура кипения — 56,5 °С; 1& р = 6,37 551 —1281,721 /(237,088 + I) при температуре от минус 15 до 93 °C; коэффициент диффузии пара в воздухе О-0,109(Т/273)1,9 см2/с; теплота образования —217,57 кДж/моль; теплота сгорания — 1821,38 кДж/моль, растворимость в воде неограниченная. Температура вспышки: —18°С (з.т.),—9°С (о. т.); температура воспламенения — 5 °C; температура самовоспламенения: 535 °C в воздухе, 485 °C в кислороде, 325 °C в хлоре; концентрационные пределы распространения пламени 2,7— 13% (об.); температурные пределы распространения пламени: нижний —20 °С, верхний 6 °C; минимальная энергия зажигания 0,41 мДж при 25 °C; при концентрации паров 6% (об.) максимальное давление взрыва 572 кПа; скорость нарастания давления: среднее 8,3 МПа/с, максимальное 13,8 МПа/с; МВСК (минимальное взрывоопасное содержание кислорода) 11,9% (об.) при разбавлении паровоздушной смеси азотом и 14,9% (об.) при разбавлении диоксидом углерода; минимальная флегматизирующая концентрация: азота 41% (об.), диоксида углерода 28% (об.); КИ (кислородный индекс) 16% (об.); адиабатическая температура горения 1665 К, БЭМЗ (безопасный экспериментальный максимальный зазор) 1,04 мм; нормальная скорость распространения пламени 0,44 м/с при 25 °C. Водные растворы ацетона пожароопасны. Ацетон отличается способностью при горении на открытой поверхности прогреваться в глубину, образуя все возрастающий гомотермический слой. Скорость выгорания 5,9610 кг/(м2 -с) [43, 167, 204, 248, 253, 311, 317, 389, 420,421,429,441, 447,454, 511, 515, 526, 527, 535, 540, 555, 563, 591].

Ацетон и бензол относятся к одной группе горючих веществ и материалов «Полярные углеводородные жидкости (спирты, ацетон, эфир и другие)», поэтому рекомендации по средствам тушения для них одинаковы:

1. Вода. Интенсивность подачи средства тушения, 1=0,25 л/(м2с) при т=(30−60) минут.

Воздушно-механическая пена средней кратности на основе ПО-1Д, Сам-По, ПО-6К, ПО-ЗАИ-нет.

Объемное тушение:

а) С02. Удельное количество средства тушения, 0=0,7 кг/м3 при т=2 минуты;

б)Хладоны. Удельное количество средства тушения, О*3=0,22 кг/м3 (0=0,37 кг/м для объектов категории, А и Б) при т =0,2 минуты. При невозможности обеспечения указанного времени подачи допускается увеличивать тТ до 1 минуты с увеличением О в 2 раза;

в)85% (масс.) СОг +15% (масс.) С2Р4ВГ2 (СР2ВГ). Удельное количество средства тушения, С =0,27 кг/м (0=0,43 кг/м для объектов категории, А и Б) при т =0,5 минут. При невозможности обеспечения указанного времени подачи допускается увеличивать тТ до 1 минуты с увеличением О в 2 раза;

4Порошки:

а)ПСБ-3. Показатель огнетушащей эффективности для ПСБ-3 е=1,50 104 кг/(кВт-с).

б)П-2АП пир. А, ПФ: 8=1,42−104 кг/(кВтс).

5.Наиболее целесообразные средства тушения:

а)при крупных проливах — распыленная вода, пена, порошок ПСБ;

б)в помещениях — объемное тушение;

в)малые очаги — СОг, вода.

3. Характер работы оборудования (непрерывный, периодический и др.),

определяющего выбор методики пожаровзрывоопасности аппаратов Современные промышленные предприятия предусматривают осуществление однотипных физических и химических процессов, которые в различных производствах проводят в аналогичных по принципу действия аппаратах. Для создания оптимального режима при проведении химических реакций нередко используют физические процессы (нагрев и охлаждение, сушка, абсорбция и адсорбция, перегонка, транспортировка веществ). В этом случае физические процессы являются подготовительными или вспомогательными. Во многих случаях, например, в нефтеперерабатывающей, газовой, легкой промышленности, машиностроении физические процессы являются основными, главными, т. е. общими для различных отраслей промышленности. Физические процессы, связанные с обработкой горючих веществ являются пожароили взрывопожароопасными, причем их опасность зависит не только от пожароопасных свойств веществ, но и от конструктивного устройства и режима работы аппаратов. Это вызывает необходимость изучения сущности и пожарной опасности физических и химических процессов, наиболее широко используемых в промышленности.

Классификация основных процессов. В основу классификации процессов химической технологии положены три признака.

По скорости протекания процессов:

Тепловые процессы (нагревание, выпаривание, конденсация, охлаждение), определяются законами теплопередачи; массообменные (диффузионные) процессы (сорбция, окраска, сушка, перегонка) — описываются законами массопередачи и характеризуются переносом веществ из одной фазы в другую через поверхность их раздела; гидромеханические процессы (перемещение газов и жидкостей, сжатие газов, отстаивание, центрифугирование, фильтрование, перемешивание жидкостей) — законами гидродинамики; механические процессы (транспортирование, измельчение, смешение, сортировка твердых веществ) — законами механики твердых тел; химические процессы (экзотермические — с выделением тепла и эндотермические — с поглощением тепла) — законами химической кинетики (изменением во времени скорости протекания и температуры процесса). Протекание одних процессов тесно связано с сопутствующими процессами. Так, протекание процессов массообмена тесно связано с процессами переноса тепла и гидромеханическими процессами. Химическим реакциям обычно сопутствует перенос тепла и массы, и на них оказывают влияние гидромеханические процессы.

По способу организации:

периодические процессы, осуществляемые в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружают исходные вещества;

непрерывные процессы, осуществляемые в проточных аппаратах;

комбинированные процессы, при которых отдельные стадии непрерывных процессов проводятся периодически, либо в периодических процессах одна или несколько стадий протекают непрерывно.

По изменению их параметров во времени :

стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). В стационарных процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс (температура, скорость, концентрация и т. д.), постоянны во времени, а в нестационарном — переменны. Периодические процессы протекают в нестационарных режимах, поэтому их труднее автоматизировать. Непрерывно действующие процессы при пуске и остановке являются более пожароопасными, чем в период установившегося режима работы.

Дать описание основных параметров, определяющих техническую характеристику аппаратов рассматриваемого технологического процесса (производительность, емкость, потребляемую мощность, поверхность теплообмена, параметры технологического процесса (давление, температура, расход и др.)) не представляется возможным. Для предоставления подобной информации необходим технологический регламент — основной технологический документ, определяющий порядок проведения операций технологического процесса.

Характер работы оборудования — периодический, следовательно, и тип оборудования — периодический. Аппараты периодического действия перед началом рабочего цикла загружаются веществами, а по окончании процесса разгружаются и готовятся для последующего цикла работы. Эксплуатация таких аппаратов, сопряженная с необходимостью открывания люков, крышек, загрузочных и разгрузочных приспособлений и выходом при этом наружу определенного количества горючих веществ, представляет повышенную пожарную опасность по сравнению с аппаратами непрерывного действия.

Разгрузка готовой массы из такого аппарата, производится опрокидыванием его при открытой крышке. Открывание крышки смесителя приводит к выходу паров ЛВЖ наружу, образованию пожароопасных концентраций вблизи аппарата, а также внутри него (при поступлении в него воздуха).

Количество паров жидкости, выходящее из аппарата, определяется в зависимости от характера выполняемой операции. Так, загрузка растворителя соответствует вытеснению паров из наполняемого аппарата, открывание крышки — сбросу избыточного давления, разгрузка в тару — испарению со свободной поверхности.

Для снижения пожаровзрывоопасности аппаратов периодического действия целесообразно использовать следующие технические решения:

1. Заменять периодически действующие аппараты герметичными аппаратами непрерывного действия.

2. Герметизировать загрузочные и разгрузочные устройства.

3. Аппарат с открытой разгрузкой оборудовать системой отсоса паров и газов из его внутреннего объема.

4. Места выхода паров и газов (открываемые крышки, люки для взятия проб и т. п.) оборудовать местными отсосами.

5. При остановке аппаратов на длительный период зачищать их от остатков продукта, продувать инертным газом или заполнять водой.

4. Анализ пожаровзрывоопасности среды

4.1 Анализ пожароопасности среды внутри аппаратов при их

нормальной работе В производственных условиях аппараты с жидкостями обычно не заполняются полностью и, следовательно, над зеркалом жидкости имеется определенный свободный объем, который постепенно насыщается парами жидкости.

При таких условиях количество паров в свободном пространстве может быть достаточным для образования в смеси с воздухом или другим окислителем горючей концентрации.

Опасность образования горючей концентрации в закрытом аппарате может быть оценена путем проверки двух условий:

а)наличия над зеркалом жидкости паровоздушного объема;

б)выполнения зависимости

Тнпв<�Т<�Т'впв,(1.1)

где Т—рабочая температура жидкости; Тнпв и Твпв— соответственно нижний и верхний температурные пределы воспламенения (распространения пламени).

Температурные пределы воспламенения для жидкостей приведены в справочниках. Они могут быть также определены экспериментально или расчетным путем.

Рабочая температура жидкости определяется различными путями. При пожарно-техническом обследовании ее можно определить по технологическому регламенту или непосредственно по показаниям приборов в цехе, при пожарно-технической экспертизе проектных материалов — по пояснительной записке технологической части проекта. Если температура жидкости в аппарате при этом изменяется во времени, то в зависимость (1.1) вместо рабочей температуры Т следует подставлять интервал изменения температуры.

Условие опасности (1.1) может быть применимо для оценки возможности образования горючей концентрации в аппаратах периодического действия (с подвижным уровнем жидкости) при наполнении, так как подъем уровня жидкости в аппаратах с дыхательными устройствами не изменит насыщенную концентрацию паровоздушной смеси над зеркалом жидкости. Однако при опорожнении таких аппаратов состояние насыщения газового пространства парами жидкости нарушается за счет поступления дополнительного количества воздуха через дыхательную арматуру. Концентрация при этом уменьшается и для богатых (выше Твпв), насыщенных смесей, она может стать опасной. В таком случае оценку горючести среды по температурным пределам воспламенения, т. е. по условию (1.1), проводить нельзя. Поэтому ее осуществляют по соотношению

Снпв С Свпв (1.2)

где С—рабочая, действительная для данного момента времени, концентрация паров жидкости; Снпв и Свпв—соответственно нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения жидкости (распространения пламени).

Действительную рабочую концентрацию С можно определить экспериментально или расчетом.

Концентрационные пределы воспламенения для жидкостей приводятся в справочной литературе, а при необходимости могут быть определены экспериментально или расчетным путем.

Таким образом, соотношение (1.2) также представляет собой условие опасности для образования горючей среды в закрытом аппарате. Оно справедливо и при опорожнении аппарата, и при наполнении и неподвижном уровне жидкости в аппарате.

Если хотя бы одно из условий в аппарате не соблюдается, то горючая среда в нем образоваться не может. Это положение заложено в основу тех технологических решений, которые направлены на предупреждение образования горючей среды.

Предупреждение образования горючей паровоздушной среды внутри аппаратов с жидкостью, при их нормальной работе, могут обеспечивать следующие технологические решения: ликвидация свободного паровоздушного пространства, обеспечение безопасного температурного режима работы аппарата, снижение концентрации горючих паров жидкости в паровоздушном пространстве, флегматизация паровоздушного пространства аппаратов путем введения в него негорючих (инертных) газов, применение системы газовой обвязки емкостных аппаратов (резервуаров) с изменяющимся уровнем жидкости.

4.2 Анализ пожароопасности среды снаружи аппаратов, при

нормальном режиме работы которых возможен выход горючих

веществ наружу без повреждения их конструкции Горючая среда в производственном помещении или на открытой площадке может образоваться только при выходе горючих веществ из аппаратов наружу. Такие условия появляются даже при нормальной работе технологического оборудования, когда применяются аппараты с открытой поверхностью испарения, с дыхательными устройствами, периодически открываемые для загрузки и выгрузки, герметичные и с сальниковыми уплотнениями.

Оценка опасности образования горючей среды в этих случаях будет определяться свойствами и количеством веществ, выходящих из аппаратов за определенный отрезок времени.

Аппараты с дыхательными устройствами представляют собой закрытые емкости, внутренний объем которых сообщается с атмосферой с помощью дыхательных устройств, в данном случае с помощью дыхательных клапанов.

Выход горючих паров из этих аппаратов происходит при больших и малых дыханиях, которые на практике могут осуществляться одновременно или в разное время.

Вытеснение паров наружу может привести к образованию горючей паровоздушной смеси около дыхательных устройств, если рабочая температура Т жидкости в аппарате больше или равна нижнему температурному пределу воспламенения Тнпв паров жидкости. Условие опасности в этом случае примет вид:

Т>Тнпв (1.3)

Поступление (подсос) воздуха в аппарат при его дыхании может привести к разбавлению богатой смеси до горючей концентрации.

По мощности одноразового выброса и образующимся при этом наружным пожаровзрывоопасным зонам более опасными являются большие дыхания.

4.3 Анализ пожароопасности среды снаружи аппаратов, при аварийном

режиме работы которых возможен выход горючих веществ наружу Наибольшую пожарную опасность для производства представляют собой нарушения режима работы технологического оборудования и связанные с ними повреждения и аварии, при которых за короткий промежуток времени может образоваться горючая концентрация не только внутри аппаратов, но и снаружи вследствие выхода значительного количества горючих веществ.

Масштаб аварии и пожара в решающей степени зависит от вида повреждения. Если повреждение имеет местный характер (образуются трещины, свищи, сквозные отверстия, происходит разрушение прокладочного материала, разъемных соединений и т. п.), то в зависимости от рабочего давления в аппарате или трубопроводе возможен выход горючих веществ наружу или подсос воздуха внутрь. И в том и другом случаях давление (избыточное или остаточное) в аппарате, стремясь к атмосферному, изменяется плавно. Образующаяся струя выходящего горючего вещества или подсасываемого воздуха, устойчиво существует в течение длительного времени. Повреждения, характеризуемые такими условиями, считают локальными.

Может произойти также и полное повреждение (разрушение) аппарата или трубопровода. При этом давление в аппарате изменяется резко, с большой скоростью.

Оно успевает выравниваться с атмосферным за небольшой промежуток времени. Таким образом, при полном повреждении существует реальная опасность выхода из аппарата за короткий отрезок времени практически всего объема содержащихся в нем горючих веществ. Кроме того, при этом будет наблюдаться дополнительное истечение горючих веществ из всех трубопроводов, которые непосредственно связаны с поврежденным аппаратом.

Повреждение технологического оборудования не всегда сопровождается образованием горючей среды. Здесь возможны следующие наиболее характерные ситуации, которые необходимо учитывать при разработке мероприятий пожарной безопасности.

Если в поврежденных аппаратах и трубопроводах горючие вещества (жидкие или газообразные) находятся под давлением и нагреты выше температуры самовоспламенения, то при выходе наружу и контакте с воздухом произойдет их самовоспламенение. В этом случае образуется устойчивое горение газа или разлившейся жидкости.

Если выходящие горючие вещества нагреты ниже температуры самовоспламенения, но выше температуры вспышки (для жидкостей и сжиженных газов), то при отсутствии источников зажигания произойдет образование горючих смесей паров или газов с воздухом. При этом горючая концентрация может образоваться не только в локальной зоне, но и в объеме всего производственного помещения и даже на открытой площадке. При появлении источника зажигания в этом случае существует возможность воспламенения и горения образующегося парогазовоздушного облака в кинетической области (т. е. в виде взрыва смеси).

Если выходящая из поврежденного аппарата или трубопровода жидкость нагрета ниже температуры вспышки, то при ее разливе над поверхностью испарения горючая концентрация образоваться не может, и поэтому при появлении источника зажигания опасность взрыва отсутствует. Однако необходимо помнить, что и в этом случае длительное воздействие мощного источника зажигания на зеркало такой жидкости может привести к воспламенению ее паров, а затем к медленному (вследствие горения в диффузионной области) распространению фронта пламени по ее поверхности.

4.4 Образование горючей среды в период пуска и остановки

технологических аппаратов, а также при ремонте и подготовке к

ремонту Остановка технологического оборудования на производстве осуществляется периодически и связана с необходимостью проведения различных регламентных работ: профилактических осмотров, чисток, ремонтов и т. п. Пуск и остановка являются неотъемлемыми составными частями технологического цикла работы аппаратов периодического действия.

Пуск и остановка технологических аппаратов связаны с неустановившимся режимом работы. При их осуществлении в аппаратах одновременно могут изменяться все основные параметры технологического процесса (температура, давление, концентрация), производиться заполнение или опорожнение аппаратов, их разгерметизация и другие операции. В связи с этим в периоды пуска и остановки вероятность образования горючей среды внутри технологического оборудования и снаружи значительно повышается.

Причинами образования горючей среды при остановке аппаратов являются:

снижение температурного режима, если в них при нормальной работе имелась огнеопасная жидкость при Траб. Твпв (при этом температура, снижаясь, войдет в температурную область воспламенения);

поступление наружного воздуха через дыхательную арматуру при сливе жидкости или через открытые люки при разгерметизации аппаратов с не полностью удаленными из них огнеопасными жидкостями и газами;

— негерметичное отключение аппаратов от трубопроводов с огнеопасными веществами.

Для предупреждения образования горючей среды при остановке из аппаратов полностью сливают огнеопасные жидкости, надежно отключают их от аппаратов и трубопроводов, находящихся под давлением, тщательно продувают инертными газами или пропаривают водяным парам от остатков паров и газов.

Если конструкция аппарата не обеспечивает полный слив жидкости (как, например, в ректификационной колонне), то применяют способы промывки аппарата водой. Вода постепенно вымывает огнеопасную жидкость, замещая ее в аппарате.

Порядок отключения и продувки аппаратов при их остановке изложен в цеховой технологической инструкции. Примерная длительность продувки определяется расчетом. Проведение работ по вскрытию люков для сообщения внутреннего объема аппарата с наружным воздухом разрешается только после продувки. Если на аппарате планируются огневые ремонтные работы, то об эффективности продувки судят по газовому анализу проб воздуха, взятых в различных точках объема аппарата.

Опасность образования горючей среды создается также при пуске аппаратов, когда в их объем, заполненный воздухом, поступают горючие компоненты и осуществляется выход на заданный рабочий режим. При этом концентрация в аппарате увеличивается от 0 до Сраб. и может стать горючей, если Сраб. Снпв.

Обеспечение пожарной безопасности в период пуска, как и при остановке, производится путем тщательной продувки аппаратов и трубопроводов для снижения концентрации кислорода воздуха перед подачей в них горючих веществ.

Пересчитать значение нижнего концентрационного предела распространения пламени из объемных долей в кг/м и определить концентрацию насыщенного пара под раствором.

Задача 1.

Пересчитать значение нижнего концентрационного предела распространения пламени ацетона из об. долей в кг/м3. Рабочее давление паровоздушной смеси в аппарате — атмосферное, температура 10°

Решение.

По табл 1. приложения находим для ацетона? н = 0.027 об.доли.

Мг=58.08 кг/кмоль. Молярный объем, пара при рабочих условиях определяем по формуле:

V1=V0*((tр+273)/273)* Ро/Рр

V1 = 22,4135 *(10+273)/273 = 23,235 м3/кмоль Нижний концентрационный предел распространения пламени ацетона определяем по формуле:

?* =М* ?/V1

?* = 58.08*0.027 / 23.24 =0.067 м3/кмоль (67 г/м3)

Задача 2.

Определить концентрацию насыщенного пара над раствором бензола в ацетоне при 300 и атмосферном давлении в аппарате. В растворе содержится 300л бензола и 100л ацетона.

Решение Относительное объемное содержание компонентов в растворе определяем по формуле:

Бензол ?б. = 300/(300 +100) = 0.75 об.доли.

Ацетон ?а= 1 — 0.75 = 0.25 об.доли.

По приложению находим плотность компонентов раствора при рабочей температуре:

Рб.=868,5 кг / м3

Ра= 778.8 кг/м3

Относительное массовое содержание компонентов в растворе определяем по формуле:

Са= ?б * ?б/ (?б* ?б + ?а * ?а) С б.= 0,75 * 868,5/ (0,75 * 868.5+ 0,25 * 778.8)= 0,769 879 мас. доли, Са=1−0,769 879=0,23 мас.доли.

Мольную долю компонентов в растворе определяем по формуле:

Х= (Сб / Мб) / (Сб / Мб+ Са / Ма),

Хб.=(0,769 879/78,11) / (0,769 879/78,11 + 0,23/58,08) = 0,71 327 доля моля, Ха= 1 — Хб. = 1- 0.71 327 = 0,286 728 доля моля Бензол При Т=299,8К Рs=13 332,2 Па

При Т=315,4 К Рs=26 664,4 Па

Следовательно, при Т=303 К

P s б = 13 332,2 +(303−299,8) *(26 664,4 -13 332,2) / (315,4−299,8) = 16 067,01 Па Ацетон при Т=295,8 КРs=26 664,4 Па при Т=312,6 КРs=53 328,8Па Следовательно, при Т=303 К

Рsa = 26 664,4+ (303−295,8)*(53 328,8 -26 664,4) / (312,6−295,8)=38 092 Па Парциальное давление паров компонентов над раствором определяем по формуле Рsi *=Рsi *Хi;

Рs б.= 16 067,01 *0,71 327 = 11 460,1 Па

Рsа = 38 092*0,286 728 = 10 922 Па

Суммарное давление насыщенного пара над раствором:

Рs=11 460,1 + 10 922 = 22 382,19 Па Концентрацию насыщенного пара над раствором бензола в ацетоне определяем формуле:

?s=22 382,19 /1 * 105 = 0.224 об доли или 22,4%

5. Анализ возможных причин повреждений аппаратов Основой для предупреждения повреждения технологического оборудования является его механическая прочность, под которой понимают способность материала воспринимать усилия рабочих нагрузок, не разрушаясь и не образуя пластических деформаций сверх предельно установленных величин.

Прочность технологического оборудования обеспечивается выбором материала, из которого оно изготовлено, и толщиной его стенки. При этом исходят из более неблагоприятных условий работы оборудования. И тем не менее на практике в технологических процессах производства нередки случаи повреждения аппаратов и трубопроводов и связанных с ними взрывов и пожаров.

В связи со сложным воздействием различных факторов на материал стенок аппаратов, причины повреждения технологического оборудования делят на три группы: повреждения, вызванные механическими, температурными и химическими воздействиями.

Механические воздействия. Различают три вида механических воздействий на материал стенок аппаратов и трубопроводов: образование повышенного или пониженного давления, воздействие динамических нагрузок и эрозионный износ.

А. Образование повышенного или пониженного давления. Изменение давления может быть вызвано нарушением материального и теплового балансов, процессов конденсации, попаданием легкокипящих жидкостей в объем высоконагретых аппаратов, а также нарушением протекания экзотермических химических процессов.

Нарушение материального баланса в общем случае может привести к образованию опасного перепада между внутренним и наружным (атмосферным) давлением, т, е. к повышению или понижению давления, когда по каким-либо причинам перестает соблюдаться равенство между суммой приходящих в аппарат веществ и суммой уходящих из аппарата веществ. Это может произойти в результате несоответствия между подачей веществ в аппарат и их расходом, соединения аппаратов с разным рабочим давлением, а также увеличения сопротивления в трубопроводных линиях.

Несоответствие между подачей веществ в аппарат и их расходом возникает в результате изменения расхода веществ, при завышенной или заниженной подаче насосов и компрессоров. Проведение операции наполнения без отвода веществ, при достижении предельного уровня и несвоевременного отключения насосов или компрессоров возникает опасность переполнения и повреждения этих аппаратов.

Соединение аппаратов с разным рабочим давлением является распространенным решением, применяемым в технологических процессах производств. Нормальное функционирование таких аппаратов обеспечивается путем их соединения между собой через специальные устройства автоматического регулирования (путем редуцирования) давления.

Увеличение сопротивления в трубопроводных линиях может быть вызвано уменьшением живого (проходного) сечения при образовании в них отложений или неполном открывании задвижек. Опасность изменения давления значительно повышается при использовании насосов и компрессоров. В данном случае ротационные.

Трубопроводы через определенные отрезки времени подвергают очистке.

Для предупреждения повышения или снижения давления при образовании отложений (пробок) целесообразно вместо насосов объемного действия использовать центробежные насосы, как в данном случае.

Нарушение теплового баланса происходит в результате изменения соотношения между суммой теплоты прихода и ухода. При этом в аппаратах и трубопроводах изменяется рабочая температура и, как следствие, повышается или понижается давление в результате изменения упругости насыщенных паров и объема веществ, при их тепловом нагреве или охлаждении.

Нагревание или охлаждение даже на небольшую величину может вызвать заметное увеличение или уменьшение давления и таким образом привести к повреждению аппаратов или трубопроводов.

Профилактика повреждения технологического оборудования с жидкостями при нарушении теплового баланса осуществляется путем предупреждения нарушения температурного режима и защиты аппаратов и трубопроводов устройствами для стравливания избыточного давления и гашения вакуума. Эффективной мерой защиты аппаратов с жидкостями является также соблюдение допустимой (безопасной) степени заполнения — не более 0,9…0,95.

Для предупреждения нарушения безопасной степени заполнения емкостные аппараты с огнеопасными жидкостями обеспечиваются устройствами, исключающими их переполнение, или автоматическими сигнализаторами предельного уровня.

Нарушение процесса конденсации паров может быть вызвано изменением материального и теплового балансов, так как в его основе лежат процессы тепломассообмена.

Во всех случаях процессы испарения жидкостей сочетаются с конденсацией паров, которую осуществляют путем охлаждения паровой (а иногда и парогазовой) смеси с использованием специальных холодильников или холодильников-конденсаторов. Конденсация паров в этих аппаратах может уменьшиться или прекратиться полностью. При этом количество пара в системе постепенно увеличится, что вызовет повышение давления.

Причиной нарушения процесса конденсации паров является снижение расчетного теплового потока через стенку теплообменной поверхности конденсатора от пара к хладоагенту.

Попадание в объем высоконагретых аппаратов легкокипящих жидкостей связано с их быстрым испарением и резким увеличением за счет этого давления. При значительной разности температур испарение может протекать настолько быстро, что образующиеся пары легкокипящей жидкости успевают за время контакта с высоконагретой поверхностью аппарата или высококипящей жидкостью сильно перегреться. При этом формируется ударная волна, разрушающее действие которой в несколько раз больше статического давления.

Для предупреждения вскипания легкокипящей жидкости стремятся исключить ее попадание в объем высоконагретых аппаратов (для этого на паровых линиях устанавливают конденсатоотводчики, исключают ручное переключение материальных потоков и широко применяют технологические процессы с автоматическим программным управлением), а также полный ее слив или испарение из аппаратов перед подачей в них высоконагретых жидкостей с высокой температурой кипения.

Нарушение экзотермических химических процессов также связано с возможностью образования повышенного давления в результате более интенсивного выделения тепла и образования побочных парогазообразных продуктов в зоне реакции.

Скорость тепловыделения и образования побочных продуктов в общем случае определяется скоростью химической реакции, которая, в свою очередь, зависит от условий выделения и отвода тепла, а также интенсивности образования и отвода побочных продуктов, т. е. теплового и материального балансов.

Рост давления может происходить также в результате несвоевременного отвода из зоны реакции побочных парогазообразных продуктов. Это происходит чаще всего при неисправности отводящих и стравливающих линий, при образовании в них пробок.

Б. Воздействие динамических нагрузок. Динамические нагрузки могут появиться при резком (импульсном) изменении давления, появлении гидравлических ударов, вибрации и внешних механических ударов.

Резкое изменение давления чаще всего наблюдается в периоды неустановившегося режима работы технологического оборудования: при пуске и остановке, при значительном нарушении температурного режима и давления. Особую опасность представляет пульсирующее изменение давления: несколько раз повторяющееся резкое увеличение с последующим уменьшением давления. Для предупреждения образования динамических воздействий на стенки аппаратов и трубопроводов в периоды пуска и остановки, а также при переходе с одного режима на другой обеспечивают плавное изменение давления.

Гидравлические удары возникают в результате резкого торможения движущегося потока жидкости в трубопроводных линиях чаще всего при быстром закрывании или открывании вентилей, кранов и другой запорной арматуры, при внезапном изменении направления движения потока. Вследствие этого — в стенках аппарата появление опасных внутренних напряжении.

Вибрация технологического оборудования возникает в результате повторяющихся с определенной частотой изменений внутреннего давления или при воздействии внешних возмущающих сил и представляет собой определенной частоты и амплитуды механические колебания технологического оборудована или отдельных его элементов, что приводит к появлению локальных повреждений во фланцевых соединениях, сварных швах. Источником вибрации могут быть насосы, компрессоры, аппараты с перемешивающими устройствами и т. п.

Внешние механические удары могут быть вызваны технической неисправностью и нарушением работы внутрицехового транспорта (мостовых кранов, талей, подъемников, колесного транспорта, транспортерных устройств и т. п.), применением в периоды ремонта инструментов ударного действия и т. п.

В. Эрозионный износ. Механический износ материала стенок аппарата или трубопровода под действием движущейся среды называется эрозией. Эрозия происходит при обтекании стенок потоком твердых, жидких или газообразных веществ, а также при действии электрических разрядов. В результате такого износа могут возникнуть опасные внутренние напряжения в стенках аппаратов и трубопроводов даже при нормальных рабочих нагрузках, т. е. без отклонения от нормального режима технологии.

Исходя из главного разрушающего фактора, различают эрозию газовую, абразивную, кавитационную, электрическую и ультразвуковую.

Температурные воздействия. При воздействии температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов возникает опасность их повреждения в результате появления температурных напряжений и изменения механических свойств металлов (действие высоких и низких температур).

Температурные напряжения в металле возникают при изменении температуры стенок аппаратов и трубопроводов под воздействием внутреннего или внешнего тепла как следствие изменения линейных размеров отдельных элементов, узлов или конструкции (аппарата или трубопровода) в целом. Температурные напряжения могут возникать только тогда, когда конструкция аппарата или трубопровода препятствует свободному изменению ее линейных размеров.

На практике температурные напряжения возникают при жестком креплении трубопроводов, неодинаковой температуре отдельных элементов аппарата сложной конструкции (например, в кожухотрубчатых теплообменниках), в толстостенных аппаратах и в аппаратах, изготовленных из разнородных металлов, при резком изменении температуры (например, при пуске и остановке аппаратов, при попадании на нагретую поверхность компактной водяной струи во время тушения жара).

Действие высокой температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов может быть вызвано производственной необходимостью (например, высокой рабочей температурой в аппаратах огневого действия) или быть следствием аварии и пожара на установке. Высокая температура может вызвать значительное снижение механических (прочностных) свойств металлов и, следовательно, появление медленно нарастающих во времени пластических деформаций даже тогда, когда напряжение от рабочих нагрузок не будет превышать предела текучести данного материала. Это явление носит название ползучести (крипп). При появлении признаков ползучести металлов возникает реальная угроза повреждения аппарата или трубопровода.

Действие низкой температуры на производственное оборудование может быть связано с осуществлением технологических процессов, в которых в качестве хладоагентов используются сжиженные газы, имеющие весьма низкую температуру кипения.

При неправильном выборе материала или его переохлаждении низкие температуры могут вызвать изменение механических свойств и, в частности, снижение ударной вязкости металлов.

Потеря ударной вязкости при действии других сопутствующих факторов (вибрации, гидравлических ударов и т. п.) приводит сначала, как правило, к образованию трещин в стенках аппаратов. При этом возникает реальная угроза полного их разрушения даже под действием нормальных рабочих нагрузок при отсутствии каких-либо признаков нарушения технологического режима работы аппаратов.

Химические воздействия. В результате химического воздействия агрессивных веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе, а также внешней среды на стенки аппаратов происходит постепенное уменьшение их толщины или снижение механических свойств металла. При этом исчерпывается предел прочности металла, когда стенки аппарата уже не могут противостоять даже нормальным рабочим нагрузкам, и происходит их повреждение. Разрушение металла под воздействием соприкасающейся с ним среды называется коррозией.

Различают три вида коррозии: прямое химическое воздействие — химическая коррозия, воздействие в результате электрохимических реакций — электрохимическая коррозия и воздействие на металл микроорганизмов— биохимическая коррозия (в чистом виде она встречается редко и поэтому здесь не рассматривается).

Химическая коррозия протекает в среде жидких диэлектриков (неэлектролитов), нагретых до высоких температур, при отсутствии влаги на поверхности металла. К жидким неэлектролитам, можно отнести многие органические (бензол, толуол, бензин, керосин, мазут и т. п.) и неорганические (жидкий бром, расплавленная сера, жидкий фтористый водород и т. п.).

Химическая коррозия в зависимости от ведущего фактора процесса подразделяется на кислородную, сероводородную, серную и водородную.

При кислородной коррозии химические реакции, протекающие на поверхности металла, относят к двум типам реакций: окислению железа до окислов образованием окисной пленки в виде окалины и реакции обезуглероживания с участием карбида железа.

Серная и сероводородная коррозия металлов в среде углеводородных жидкостей — нефти и нефтепродуктах. Такие продукты на данном производстве отсутствуют.

Водородная коррозия по своему механизму является межкристаллитной. Процесс проникновения водорода в структуру металла вызывает так называемую водородную хрупкость, которая характеризуется резким снижением прочности металла. Давление и уменьшение объема металла вызывают появление многочисленных микротрещин, которые и снижают механическую прочность металла.

Защиту технологического оборудования от химической коррозии обеспечивают применением жаростойких сталей с легирующими добавками, которые способствуют образованию на поверхности металлов химически устойчивых защитных пленок; специальных жаростойких покрытий (сплавов железо—алюминий, железо — хром, смесью металла с окислами или с керамикой и т. п.); созданием защитной газовой среды, которая в зависимости от природы металла не должна содержать окислителей (для стали) или восстановителей (для меди и ее сплавов). Часто для этих целей применяют инертные газы — азот и аргон.