Пожарная безопасность при получении циклогексанола гидрированием фенола

Пояснительная записка к курсовой работе Тема: «Получение циклогексанола гидрированием фенола»

Выполнил: слушатель 96 группы Луковец И.И.

Руководитель: преподаватель кафедры

промышленной и пожарной безопасности Зайнудинова Н.В.

Реферат Ключевые слова: гидрирование, технологический процесс, технологическое оборудование, пожарная опасность, пожарная безопасность, взрывоопасная среда, горючая среда, пути распространения пожара, источник зажигания, анализ пожарной опасности, исключение образования горючей среды, пожар.

В данной курсовой работе проведен анализ пожарной опасности процесса получения циклогексанола гидрированием фенола и произведен расчет категории помещений и наружной установки по взрывопожарной и пожарной опасности.

Определены места наиболее вероятного образования горючей среды. Так же разработан ряд мероприятий направленных на снижение вероятности возникновения чрезвычайной ситуации и уменьшение материального ущерба от возможной чрезвычайной ситуации.

гидрирование фенол пожарный опасность

Содержание Введение

1. Описание технологического процесса

2. Основное оборудование технологического процесса

3. Анализ возможных причин повреждения технологического оборудования

4. Анализ пожарной опасности технологического процесса

4.1 Определение пожарной опасности использующихся в технологическом процессе веществ и материалов

4.2 Определение возможности образования горючей среды внутри аппаратов

4.3 Определение возможности образования горючей среды в помещениях и на открытых площадках в случае аварий в технологическом оборудовании

4.4 Определение возможности образования в горючей среде источников зажигания

4.5 Расчет категории помещений, здания и наружной установки по взрывопожарной и пожарной опасности

4.5.1 Расчет категории помещения № 1

4.5.2 Расчет категории помещения № 2

4.5.3 Расчет категории помещения № 3

4.5.4 Расчет категории помещения № 4

4.5.5 Расчет категории наружной установки

4.6 Исследование возможных путей распространения пожара

5. Обеспечение пожарной безопасности технологического процесса Литература

Заключение

Введение

Обеспечение пожарной безопасности является важнейшей обязанностью каждого члена общества и проводится в общегосударственном масштабе, так как пожары наносят большой материальный ущерб и в ряде случаев сопровождаются гибелью людей.

В данной работе будет проведен анализ взрывопожарной опасности процесса получения циклогексанола гидрированием фенола и предложен ряд мероприятий направленных на снижение вероятности возникновения пожара.

Противопожарная защита данного технологического процесса будет обеспечена наиболее эффективными, экономически целесообразными и технически обоснованными способами и соответствовать требованиям технических нормативно-правовых актов в области обеспечения пожарной безопасности.

Основными задачами данной курсовой работы являются:

— выработка у слушателей навыков творческого мышления и умения применять обоснованные в технико-экономическом отношении решения инженерных задач по обеспечению пожарной безопасности объектов, воспитание ответственности за качество принятых решений;

— закрепление знаний, полученных ранее;

— формирование профессиональных навыков, связанных с самостоятельной деятельностью будущего работника органов и подразделений Министерства по чрезвычайным ситуациям — специалиста по обеспечению пожарной безопасности объектов промышленности и сельского хозяйства;

— приобщение слушателей к работе со специальной литературой;

— привитие слушателями практических навыков применения норм проектирования, методик расчетов, стандартов и других нормативных материалов;

— самостоятельное выполнение расчетов конструктивного и технологического характера с использованием современных информационных технологий;

оформление проектных материалов (четкое, ясное, технически грамотное и качественное изложение пояснительной записки и оформление графического материала работы).

1. Описание технологического процесса Гидрогенизация (гидрирование) — реакция присоединения водорода по кратной связи. Фенол гидрируют в присутствии катализатора. При гидрировании фенола с сохранением гидроксильной группы применяются никелевые катализаторы, т. к. они имеют высокую и устойчивую активность. При гидрировании образуется циклогексанол — полупродукт для получения капролактама и адипиновой кислоты. Реакция обратима, при температуре ниже 200 С равновесие сдвинуто в сторону образования циклогексанола (рисунок 1).При температуре 150 °C равновесный выход циклогексанола составляет почти 100%.

Рисунок 1- Реакция гидрирования фенола Промышленное производство циклогексанола осуществляют на никелевых катализаторах (никель, нанесенный на оксид алюминия, оксид хрома и др.) в паровой фазе. Гидрирование ведут в трубчатых реакторах под давлением 1,5−2,0 МПа и температуре 140−150 °С.

Для того чтобы фенол находился в парообразном состоянии в условиях повышенного давления, применяется большой избыток водорода — около 80−100 моль газа на 1 моль фенола.

Получаемый продукт содержит в основном циклогексанол, 1% фенола, 0,7−1,5% циклогексана, 0,2% циклогексанона, 0,2−0,5% воды и некоторые другие примеси. Принципиальная технологическая схема гидрирования фенола в циклогексанол представлена на рисунке 2.

Фенол из сборника перекачивают в испаритель фенола контактного аппарата (нижняя часть). Чтобы предотвратить застывание фенола, аппараты, а также все трубопроводы, по которым перекачивают фенол, обогревают глухим паром. Испаритель заполняют до определенного (постоянного) уровня фенолом и подогревают фенол до 110−130 С. Уровень фенола в испарителе и температуру в нем регулируют автоматически для того, чтобы состав парогазовой смеси был постоянным, и соответствовал оптимальному избытку водорода (примерно 10-кратному по отношению к расходу на гидрирование).

Высококонцентрированный водород, тщательно очищенный от вредных примесей, в особенности от кислорода, из газгольдера трехступенчатым компрессором нагнетают под давлением 1,8−2,0 МПа всмеситель. Трехступенчатый компрессор оборудован системой охлаждения первой и второй ступени и маслоотделителями.

При таком же давлении циркуляционным компрессором в смеситель подают оборотный водород. Смесь свежего и оборотного водорода, подогретая продуктами реакции в теплообменнике до 110 °C, поступает в испаритель контактного аппарата. Водород, барботируемый через жидкий фенол, насыщается его парами, и паро-газовая смесь поступает в реакционную часть контактного аппарата, представляющего собой кожух отрубчатый теплообменник.

В трубах аппарата, заполненных гранулированным катализатором, происходит гидрирование фенола. Тепло экзотермической реакции гидрирования (~475 ккал/кг фенола) отводится путем испарения воды в межтрубном пространстве контактного аппарата. Образующийся водяной пар (0,35−0,45 МПа) поступает в конденсатор, откуда конденсат возвращается в межтрубное пространство контактного аппарата. Отработанный катализатор периодически заменяют свежим.

Охлаждение контактной зоны контактного аппарата кипящей водой имеет ряд преимуществ перед охлаждением проточной водой. Вода кипит при определенной температуре, зависящей от давления. Эта температура совершенно одинакова для всех сечений по высоте межтрубного пространства аппарата. Коэффициент теплоотдачи от кипящей воды к стенке в этом аппарате очень высокий и составляет 2500−3500 ккал/(м²•ч•град). Из контактного аппарата продукты реакции поступают в теплообменник, где отдают часть тепла водороду, и далее охлаждаются в конденсаторе. При охлаждении пары циклогексанола конденсируются, конденсат отделяют в сепараторе от избытка водорода.

На выходе из аппарата давление жидкого циклогексанола снижается с помощью дроссельного вентиля до атмосферного. Далее циклогексанол, содержащий не превращённый фенол и немного циклогексанона, циклогексана, циклогексена и воды направляют на ректификацию. При вакуум-ректификации вначале отгоняются три последние вещества, образующие азеотропную смесь.

Затем циклогексанол вместе с циклогексаноном отделяют от высококипящих примесей и фенола, который возвращают на гидрирование. Водород из сепаратора циркуляционным компрессором нагнетается в смеситель.

Чтобы избежать попадания в циркулирующий водород инертных примесей (азота) или кислорода (что очень опасно), часть водорода периодически отводят из системы и заменяют свежим.

циклогексанол циклогексанол

2. Основное оборудование технологического процесса Характеристика машин и аппаратов технологического процесса Для получения циклогексанола гидрированием фенола применяется следующее технологическое оборудование: компрессор (1), водяной холодильник первой ступени (2), маслоотделитель (3), водяной холодильник второй ступени (4), холодильник-конденсатор (5), циркуляционный компрессор (6), сепаратор (7), смеситель (8), сборник фенола (9), насос (10), теплообменник (11), контактный аппарат (12), буферный бак (13), водяной конденсатор (14), газгольдер (15).

Компрессор (1) — трехступенчатый аппарат низкого давления простого (одинарного) действия цилиндрической формы. Сжатие происходит в результате периодического уменьшения объема, занимаемого газом (H₂). Компрессор оснащен поршнями, передвигающимися в цилиндрах, которые закрыты крышками, имеющими нагнетательный и всасывающий патрубки. Компрессор распложен относительно горизонтальной поверхности горизонтально и оборудован системой охлаждения первой и второй ступени с маслоотделителями.

Для охлаждения компрессора используется водяной холодильник первой и второй ступеней с маслоотделителями (2,3,4) цилиндрической формы. В качестве хладагента применяется вода, которая постоянно циркулирует между компрессором и охладителем. Пройдя по системе охлаждения компрессора и охладив его, вода сливается в канализацию. Регулятором объемов потребления воды и температуры, которая не должна превышать установленного уровня, является термостат. Давление в системе поддерживается искусственно, причем давление подаваемой воды ниже расчетного давления в системе. Маслоотделитель применяется для отделения смазочного масла от воды. Аппараты распложены относительно горизонтальной поверхности горизонтально.

Холодильник-конденсатор (5) представляет собой поверхностный конденсатор, в котором конденсируемый пар циклогексанола с примесями и вода движутся противотоком друг к другу. Охлаждающая вода поступает снизу и движется вверх, а пар циклогексанолас примесями поступает сверху. Конденсат циклогексанола отводится снизу. Аппарат цилиндрической формы и распложен относительно горизонтальной поверхности вертикально.

Циркуляционный компрессор (6)-служит для многократного перекачивания отработанного водорода в смеситель. Компрессор имеет ряд блокировок технологических параметров (температуры в подшипниках, уровня в сепараторе, уровня масла в напорном баке, давления масла и т. д.), обеспечивающих безаварийную работу. При достижении критических показателей этих параметров компрессор останавливается. Аппарат цилиндрической формы и распложен относительно горизонтальной поверхности горизонтально.

Сепаратор (7)-емкостный цилиндрический аппарат, горизонтально расположенный относительно горизонтальной поверхности. Смесь циклогексанола с примесями через патрубок и кожух вводится в среднюю часть сепаратора по касательной к корпусу и получает вращательное движение. Под действием возникшей центробежной силы смесь циклогексанола с примесями отбрасывается на стенки сепаратора и стекает в нижнюю часть сепаратора. Водород, занимая центральную его часть, поднимается вверх.

Смеситель (8)-закрытый цилиндрический аппарат, оборудованный смесительным устройством, редуктором и предохранительными клапанами. Используется для смешивания свежего и отработанного водорода. Относительно горизонтальной поверхности распложен вертикально.

Сборник фенола (9) — емкостный цилиндрический аппарат закрытого типа, предназначенный для хранения фенола. Оборудован дыхательным клапаном. Относительно горизонтальной поверхности распложен горизонтально.

Насос подачи фенола (10)-центробежный насос. Механическая энергия двигателя преобразуется в энергию транспортируемой жидкости вследствие повышения ее давления. Энергия и давление жидкости повышаются под действием центробежной силы, возникающей при вращении лопастных колес. Основной рабочий орган — спиралевидное колесо, насаженное на вал. Для уплотнения зазора между валом и корпусом насоса применяются сальники. Относительно горизонтальной поверхности распложен горизонтально.

Для осуществления нагрева смеси свежего и отработанного водорода используется поверхностный кожух отрубчатый теплообменник (11) цилиндрической формы. Пары циклогексанола с примесями протекают по трубам, а смесь свежего и отработанного водородапо межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Нагреваемый теплоноситель (смесь свежего и отработанного водорода) подается снизу, а охлаждаемый (пары циклогексанола с примесями) теплоноситель — сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Аппарат относительно горизонтальной поверхности распложен вертикально.

Контактный аппарат (12)представляет собой кожухотрубчатый цилиндрический теплообменник. В трубах аппарата, заполненных гранулированным катализатором, происходит гидрирование фенола. Тепло экзотермической реакции гидрирования отводится путем испарения воды в межтрубном пространстве. Отработанный катализатор периодически заменяют свежим. Относительно горизонтальной поверхности аппарат распложен вертикально.

Буферный бак (13)представляет собой цилиндрический сосуд с коническим днищем, изготовленный из углеродистой стали. Служит промежуточным звеном при перекачке фенола из сборника в контактный аппарат и предназначен для поддержания заданного давления и температуры. Относительно горизонтальной поверхности аппарат распложен вертикально.

Водяной конденсатор (14)-теплообменный аппарат цилиндрической формы для конденсации паров воды путем охлаждения. Охлаждающая поверхность конденсатора образуется совокупностью поверхностей трубок, которые выполнены из нержавеющей стали. Пар входит в конденсатор, попадает на холодную поверхность трубок, конденсируется, стекает вниз и скапливается в сборнике конденсата, откуда вновь поступает в контактный аппарат. Относительно горизонтальной поверхности аппарат распложен вертикально.

Газгольдер (15)-это инженерное сооружение высокого давления, предназначенное для хранения и регулирования подачи водорода в технологическое оборудование. Состоит из неподвижного резервуара наполненного водой, в котором установлен колокол (опрокинутый стакан). Водород, расход которого регулируется задвижками, под колокол подается и отбирается из него по газопроводам. Относительно горизонтальной поверхности аппарат распложен вертикально.

Основные характеристики оборудования приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные характеристики оборудования

3. Анализ возможных причин повреждения технологического оборудования Анализ статистических данных о пожарах и взрывах на технологических установках показывает, что большинство из них происходит при авариях оборудования. Аварии обычно приводят к выходу из аппаратов большого количества горючих веществ и материалов. Причинами аварий являются ошибки при проектировании и конструировании машин и аппаратов, при изготовлении оборудования и его монтаже, при неправильной эксплуатации оборудования. В результате этих ошибок стенки аппаратов и трубопроводов, узлы машин и агрегатов в процессе эксплуатации испытывают чрезмерные механические нагрузки, температурные и химические воздействия, что приводит к их ускоренному износу, повреждению или разрушению.

3.1 Повреждения оборудования от динамических воздействий Различают три вида механических воздействий на материал стенок аппаратов и трубопроводов:

1. Образование повышенного или пониженного давления.

К повышению или понижению давления может привести нарушение материального баланса, когда по каким-либо причинам перестает соблюдаться равенство между суммой приходящих в аппарат веществ и суммой уходящих из аппарата веществ. Также резкое изменения давления в аппарате может произойти при нарушении протекания экзотермических химических процессов и при неустановившемся режиме работы технологического оборудования: при пуске и остановке.

2. Воздействие динамических нагрузок.

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

Гидравлические удары возникают в результате резкого торможения движущегося потока жидкости трубопроводных линиях чаще всего при быстром закрывании или открывании вентилей, кранов и другой запорной арматуры, при внезапном изменении направления движения потока. Вследствие этого в линиях резко повышается или понижается давление в виде динамически нарастающих нагрузок, которые могут вызвать в стенках аппарата появление опасных внутренних напряжений.

Определим приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе для насоса 10.

Скорость распространения ударной волны составит:

(3.1)

где Е_ж — модуль упругости фенола, Па;с_t— плотность фенола, кг/м³;

d — внутренний диаметр трубы, м;Е — модуль упругости материала

трубы, Па;S — толщина стенки трубы, м;

Скорость движения жидкости в трубопроводе составит:

(3.2)

где Q — расход фенола через трубу, м³/с;S — площадь сечения трубы, м².

Приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе по формуле Н. Е. Жуковского составит:

(3.3)

где Дщ — уменьшение скорости движения фенола в трубопроводе, м/с.

Приращение давления на 0,015 МПа не приведет к резкому изменению и повреждению целостности трубопровода, так как предельное давление, на которое рассчитан трубопровод, составляет 1,6 МПа.

Аналогично определяется приращение давления при гидравлическом ударе для других аппаратов. Полученный результат занесены в таблицу 3.

Вибрация технологического оборудования возникает в результате повторяющихся с определенной частотой изменений внутреннего давления или при воздействии внешних возмущающих сил. Вибрация чаще всего приводит к появлению локальных повреждений во фланцевых соединениях, сварных швах.

Внешние механические удары могут быть вызваны технической неисправностью и нарушением работы внутрицехового транспорта, применением в периоды ремонта инструментов ударного действия.

Эрозионный износ.

Эрозия происходит при обтекании стенок потоком жидких веществ. Частицы вещества, ударяясь о материал стенки, разрушают ее поверхностный слой, толщина стенки постоянно уменьшается равномерно или в виде локальных мест разрушения.

3.2 Повреждения оборудования от температурных воздействий При воздействии температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов возникает опасность их повреждения в результате появления температурных напряжений и изменения механических свойств металлов.

Температурные напряжения возникают в случае, когда конструкция аппарата или трубопровода препятствует свободному изменению ее линейных размеров. Это может произойти вследствие жесткого крепления трубопроводов, неодинаковой температуры отдельных элементов аппаратов сложной конструкции, резкого изменения температуры.

3.3 Повреждения оборудования от химических воздействий 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.

Возможные причины повреждения технологического оборудования, используемого для получения циклогексанола гидрированием фенола приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Возможные причины повреждения технологического оборудования

Примечание: знак «+» обозначает применяемость для данного оборудования, знак «-» не применяемость показателя.

Мероприятия, направленные на уменьшение вибрации аппаратов:

- установить центробежный насос на пружины для гашения механических колебаний;

— устроить под источником вибрации массивные фундаменты, поглощающие механические колебания, изолированно от фундаментов несущих строительных конструкций зданий и сооружений;

— обеспечить систематический контроль за вибрацией и при необходимости устранить причины вибрации (центровка и балансировка валов вращающихся элементов машин и агрегатов, обеспечение надежного крепления источников вибрации и трубопроводов).

Для предотвращения опасных динамических нагрузок на оборудовании и трубопроводах не допускать (п. 51[4]):

— резкого изменения давления или температуры при остановке, пуске и работе аппаратов, где возможен гидравлический удар;

— изменения проектной (паспортной) интенсивности нарастания или снижения давления процесса адсорбции во времени.

Мероприятия, направленные на защиту технологического оборудования от повреждений, вызванных химическими воздействиями:

— применить специальные антикоррозийные защитные покрытия;

- снизить активность коррозионной среды (обезвоживание, удаление кислорода, введение ингибиторов, присадок и т. п.);

— заменить металлы на неметаллы;

— применить установки протекторной защиты.

Мероприятия, направленные на защиту технологического оборудования от повреждений, вызванных температурными напряжениями:

— установить температурные компенсаторы на трубопроводах к контактному аппарату;

— снизить рабочие нагрузки на стенки аппаратов;

— окрасить емкости для ГЖ краской светлого тона для предотвращения воздействия солнечных лучей (п. 250 [4]);

— соблюдать периодичность смазки трущихся частей и не допускать температуры их нагрева выше установленной нормы (п. 60 [4]).

4. Анал из пожарной опасности технологического процесса

4.1 Определение пожарной опасности использующихся в технологическом процессе веществ и материалов В технологическом процессе обращаются следующие вещества:

— фенол;

— циклогексанол;

— водород;

— водяной пар.

Свойства веществ, обращающихся в технологическом процессе приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Определение пожарной опасности использующихся в технологическом процессе веществ и материалов

Примечание:

* - для данной группы веществ данный показатель не определяется.

Анализируя данные, приведенные в таблице, можно сделать вывод, что в условиях производства фенол и циклогексанол нагреты выше температуры воспламенения. Следовательно, при выходе веществ наружу в результате аварии и при отсутствии источников зажигания произойдет образование горючих смесей паров с воздухом. При этом горючая концентрация может образоваться не только в локальной зоне, но и в объеме всего производственного помещения. При появлении источника зажигания в этом случае существует возможность воспламенения и горения образующегося парогазовоздушного облака.

4.2 Определение возможности образования горючей среды в машинах и аппаратах

Внутри аппаратов горючая среда образовывается только при наличии паровоздушного пространства, которое присутствует в холодильнике, теплообменнике, контактном аппарате, буферном баке, сборнике фенола, насосе и конденсаторе.

Проверим на наличие пожаровзрывоопасной паровоздушной смеси в сборнике фенола.

Давление насыщенных паров составит:

(4.2.1)

Концентрация насыщенного пара фенола составит:

(4.2.2)

Проверяем выполнение условия безопасности (1.1 [8]):

(4.2.3)

где: ц_н — нижний концентрационный предел распространения пламени по смеси горючего вещества с окислителем, % об.; ц_в — верхний предел распространения пламени по смеси горючего вещества с окислителем, % об.; ц_р — рабочая концентрация горючего газа в аппарате, % об.

Условие выполняется, следовательно, в сборнике фенола горючая среда образуется при нормальном режиме работы.

Аналогичный расчет произведен для других аппаратов. Результаты приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 — Образование горючей среды в машинах и аппаратах

Исключение образования горючей среды внутри технологических аппаратов должно быть обеспечено:

— установкой дыхательных клапанов на емкость с фенолом;

— установкой КИП и их сблокировкой с технологическим оборудованием для остановки технологического процесса;

— поддержанием в газовых коммуникациях избыточного давления;

— предельным заполнением аппаратов с горючей жидкостью;

— введением негорючих газов в паровоздушный объем аппаратов;

— выводом дыхательных клапанов за пределы помещений.

4.3 Определение возможности образования горючей среды в помещениях и на открытых площадках В технологическом процессе не используются аппараты с открытой поверхностью испарения, оборудованные дыхательным устройством, а также периодически действующие аппараты. Следовательно, выход горючих веществ в объем помещения при нормальном режиме работы исключается.

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 фенола, водорода и циклогексанола. Горючая среда образуется в результате образования трещин, свищей, сквозных отверстий в емкостях, контактном аппарате, смесителе, смесителе, теплообменнике, а также при полном разрушении технологических аппаратов в целом.

Определим возможность образования горючей среды в помещении 1.

Геометрический объем помещения 1составит:

(4.3.1)

В помещении № 1 расположеныкомпрессор, холодильник, маслоотделитель. В расчете будем принимать разрушение компрессора, так какв нем находится горючий газ — водород.

Объем вышедшего в помещение водорода при аварии составит:

(4.3.2)

Где — степень заполнения водородом, об. доли; - объем реактора, м³;

Масса водорода, поступившего в помещение, равна массе водорода вышедшего из компрессора при аварии, с учетом вышедшего водорода из трубопровода. Учитывая, что плотность водородасоставляет 0,0695 кг/м³, масса вышедшего водородаиз компрессора составит:

(4.3.3)

Основываясь на том, что расстояние до задвижек трубопровода — 5,4 м, привод запорной арматуры — автоматический, а производительность по газовой фазе -0,5 м³/с, масса вышедшего водорода из трубопровода составит:

(4.3.4.)

где: t — расчетное время отключения трубопровода, с; l — длина трубопровода до задвижки, м; q-производительность по газовой фазе, м³/с.

Масса вышедшего водорода в помещение составит:

(4.3.5)

Плотность водорода при концентрации равной НКПРП составит:

(4.3.6)

Объем взрывоопасной смеси в помещении составит:

(4.3.7)

Так как объем взрывоопасной смеси больше объема помещения, то взрывоопасная среда будет во всем помещении.

Для других помещений и наружной установки объем взрывоопасной среды найдем аналогично помещения 1. Полученный результат занесем в таблицу 4.3.

Исключение условий образования горючей среды должно обеспечиваться одним или несколькими из следующих способов:

— предусмотреть в помещении систему газового анализа;

— предусмотреть устройство системы подачи звукового и светового сигнала от приборов газового анализа;

— предусмотреть аварийную вентиляцию, сблокировав ее с системой газового анализа Таблица 4.3 — Образование горючей среды в помещениях и на открытых площадках:

Таким образом, при аварии в помещениях и на открытой площадке может образовываться взрывоопасная среда, которая займет весь объем помещения.

4.4 Определение возможности образования в горючей среде источников зажигания В процессе получения циклогексанола гидрированием фенола возможно проявление следующих групп источников зажигания:

— от открытого огня, нагретых поверхностей, искр и раскаленных продуктов сгорания;

— от теплового проявления механической энергии;

— от теплового проявления химической энергии;

— от теплового проявления электрической энергии.

Проявление источников зажигания от открытого огня, нагретых поверхностей, искр и раскаленных продуктов сгорания возможно:

— при сварочных и других огневых ремонтных работах;

— при использовании факелов или паяльных ламп при отогреве коммуникаций;

— при попадании в оборудование малокалорийных источников зажигания (при ведении ремонтных работ либо нарушении технологического процесса);

— при появлении искр механического происхождения, высекаемых при ударах подвижных частей об их неподвижные части, а также при работе ударным инструментом;

— при применении искродающего оборудования и инструмента.

Проявление источников зажигания от теплового проявления механической энергии возможно:

— при перегреве подшипников по причине отсутствия смазки.

Проявления источников зажигания от теплового проявления электрической энергии возможно:

— при перегрузке электрических сетей и машин из-за увеличения механической нагрузки на электродвигатели, либо по причине подключения к электрическим сетям дополнительных токоприемников, на которые сети не рассчитаны;

— при возникновении переходных сопротивлений в местах плохого контакта в соединениях проводов и кабелей;

— при разрядах статического электричества, возникающих при транспортировке ГЖ, при ударах, измельчении материалов и веществ являющихся диэлектриками;

— при разрядах атмосферного электричества при отсутствии, неисправности либо неправильной эксплуатации систем молниезащиты;

Тепловое проявление химической энергии представляет большую пожарную опасность, так как в случае нарушения температурного режима или местного перегрева существует вероятность самовозгорания веществ.

Данные анализа возникновения источников зажигания в производственном оборудовании, применяемом в процессе получения циклогексанола гидрированием фенола, приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 — Определение возможности образования в горючей среде источников зажигания

Исключение условий образования в горючей среде (или внесения в нее) источников зажигания должно достигаться:

— соблюдением требований ППБ 1.03−92 при выполнении огневых работ на предприятии.

— обеспечением контроля за температурой трущихся поверхностей, т. е. валов и подшипников насосов и компрессора;

— применением электрооборудования, исполнения соответствующего классу зоны по ПУЭ [12], в которой оно эксплуатируется;

— предусмотреть заземление аппаратов на которых возможно скопление статического электричества.

4.5 Расчет категории помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности

4.5.1 Расчет категории помещения № 1

При расчете значений критериев взрывопожарной опасности в качестве расчетного выбирается наиболее неблагоприятный вариант аварии, при котором во взрыве участвует наибольшее количество наиболее опасного в отношении последствий взрыва вещества (4.1. [1]). В результате механического воздействия происходит расчетная авария холодильника (объем = 0,005 м³). В помещение поступает водород. Масса водорода, поступившего в помещение в результате аварии, составит 4,1703 кг.

Рассчитаем избыточное давление взрыва для водорода.

Плотность газа определяется по формуле 2 [6]:

(4.5.1)

где — молярная масса,; - молярный объем, м³· кмоль^-1;

— расчетная температура для города Минска, ⁰С.

Геометрический объем помещения составит:

(4.5.2)

где — площадь помещения, м²;- высота помещения, м Свободный объем помещения определяется по п. 4.4 [5]:

(4.5.3)

Стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания водорода составит:

(4.5.4)

Гдечисло атомов Н в молекуле водорода.

Стехиометрическая концентрацияводорода по формуле 3 [5] составит:

(4.5.5)

Коэффициент участия горючего во взрыве для водорода, в соответствии с таблицей 2 [5], принимается равным 1.

Избыточное давление взрыва для водорода по формуле 1 составит:

(4.5.6)

где — максимальное давление взрыва водорода, Па; - начальное давление, Па; z — коэффициент участия горючего во взрыве;

— коэффициент, учитывающий не герметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, допускается принимать равным 3.

Согласно таблице 1 помещение № 1 следует относить к категории, А по взрывопожарной и пожарной опасности.

4.5.2 Расчет категории помещения № 2

В качестве расчетной аварии принимаем разрушение сборника фенола. Рассчитаем избыточное давление взрыва для паров фенола.

Объем вышедшей в помещение жидкости при аварии составит:

(4.5.13)

где — объем сборника, м³; - расстояние до задвижек, м; - диаметр подводящей линии, м; - расход подводящей линии, м³/с; - время отключения задвижек автоматически, с.

Площадь испарения жидкости согласно п. 4.2.4 определяется исходя из условия, что 1 лфенола разливается на площадь 1 м² пола помещения, но не может превысить площадь помещения (252 м²).

Определим давление насыщенных паров фенола для температуры 35єС, максимально до пустимой для города Минска, в соответствии [11]:

(4.5.14)

где А, В, С_А

— константы Антуана;t_р -максимально возможная температура для города Минска, єC.

Интенсивность испарения с поверхности жидкости определяется по формуле 14 [5]:

(4.5.15)

где — коэффициент, определяемый по таблице 3 с учетом, что скорость воздушного потока над поверхностью испарения составляет 0 м/с, а температура в помещении — 35 єC; - молярная масса фенола, кг· кмоль^-1.

Масса паров фенола, поступивших в помещение, равна массе жидкости, испарившейся с поверхности розлива. Время полного испарения жидкости определяется по формуле:

(4.5.16)

где — плотность фенола, кг/м³; - площадь испарения жидкости, м².

Масса горючих паров, поступивших в помещение, определяется по формуле 13 [5]:

(4.5.17)

Плотность паров жидкости определяется по формуле 2 [6]:

(4.5.18)

гдемолярный объем, м³· кмоль^-1.

Геометрический объем помещения определяется по формуле:

(4.5.19)

где — площадь помещения, м²;- высота помещения, м. Свободный объем помещения определяется по п. 4.4 [6]:

(4.5.20)

Определим стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания фенола:

(4.5.21)

где, , — число атомов С, Н и О в молекуле фенола.

Определим стехиометрическую концентрацию паров фенола по формуле 3 [5]:

(4.5.22)

Коэффициент участия горючего во взрыве для фенола, нагретого выше температуры вспышки, в соответствии с таблицей 2 [5], принимается равным 0,3.

Определяем избыточное давление взрыва для спирта по формуле 1 [5]:

(4.5.23)

где — максимальное давление взрыва фенола, Па; - начальное давление, Па;z — коэффициент участия горючего во взрыве;

— коэффициент, учитывающий не герметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, допускается принимать равным 3.

Согласно таблице 1 помещение № 2 следует относить к категории Б по взрывопожарной и пожарной опасности.

4.5.3 Расчет категории помещения № 3

В помещении № 3 располагаются теплообменник, насос, сепаратор. В соответствии с п. 4.1,4.2 [5], в расчете будем принимать разрушение сепаратора, т.к. его объем больше объёма других аппаратов. Масса водорода, поступившего в помещение в результате аварии, составит 22,1 кг.

Рассчитаем избыточное давление взрыва для водорода без учета циклогексанола.

Плотность газа составит:

(4.5.7)

Геометрический объем помещения составит:

(4.5.8)

Свободный объем помещения составит:

(4.5.9)

Стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания водорода составит:

(4.5.10)

где — число атомов Н в молекуле водорода.

Стехиометрическая концентрацияводорода составит:

(4.5.11)

Коэффициент участия горючего во взрыве для водорода составит 1.

Избыточное давление взрыва для водородасоставит:

(4.5.12)

Так как избыточное давление взрыва водорода вышедшего из сепаратора уже превышает 5 кПа, то дальнейший расчет избыточного давления взрыва циклогексанола производить не целесообразно.

Согласно таблице 1 помещение № 3 следует относить к категории, А по взрывопожарной и пожарной опасности.

4.5.4 Расчет категории помещения № 4

В помещении № 4 располагаются контактный аппарат, буферный бак, конденсатор. В качестве расчетной аварии принимаем разрушение контактного аппарата.

Рассчитаем избыточное давление взрыва для водорода без учета циклогексанола и фенола. Масса водорода, поступившего в помещение в результате аварии, составит 9,4 кг.

Плотность газа составит:

(4.5.24)

Геометрический объем помещения составит:

(4.5.25)

Свободный объем помещения составит:

(4.5.26)

Стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания водорода составит:

(4.5.27)

где — число атомов Н в молекуле водорода.

Стехиометрическая концентрацияводорода составит:

(4.5.28)

Коэффициент участия горючего во взрыве для водорода составит 1.

Избыточное давление взрыва для водородасоставит:

(4.5.29)

Так как избыточное давление взрыва водорода вышедшего из контактного аппарата уже превышает 5 кПа, то дальнейший расчет избыточного давления взрыва циклогексанолаи фенола производить не целесообразно.

Согласно таблице 1 помещение № 1 следует относить к категории, А по взрывопожарной и пожарной опасности.

4.5.5 Расчет категории наружной установки За пределами помещений расположен газгольдер, в котором находится водород.

В случае аварии масса вышедшего водорода составит:

m_в = (V_a +V_Т)· с_г, (4.5.30)

где: V_a — объем газа, вышедшего из аппарата, м³;V_Т — объем газа, вышедшего из трубопроводов, м³.

Объем газа вышедшего из емкости составит:

V_a = 0,01· P₁·V=0,01·0,06·500=0,3 м³, (4.5.31)

где: Р₁ — давление в емкости, кПа;V — объем емкости, м³.

Объем газа вышедшего из трубопровода составит:

V_T = 0,01· р·P₂·r²₁·L₁=0,01·3,14·2100·0,075²·4,4=0,56 м³, (4.5.32)

где: Р₂ — максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;r — внутренний радиус трубопроводов, м; L — длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

Плотность водорода составит:

(4.5.33)

Масса водорода, вышедшего в атмосферу в результате аварии составит:

m_в = (0,3+0,56)· 0,0695=0,06 кг, (4.5.34)

Определим горизонтальный размер зоны, ограничивающей область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел распространения пламени по формуле 38 [1]:

(4.5.35)

где — нижний концентрационный предел распространения пламени водорода, % (об.); - масса водорода, поступившего в окружающее пространство, кг;- плотность водорода при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг/м³.

Определим приведенную массу водорода по формуле 41[5]:

(4.5.36)

где — удельная теплота сгорания водорода, Дж· кг^-1; - константа, равная Дж· кг^-1; - коэффициент участия горючего в горении, который допускается принимать равным 0,1.

Определяем величину избыточного давления, развиваемого при сгорании газовоздушной смеси по формуле 40 [1]:

(4.5.37)

где — атмосферное давление, Па;- расстояние от геометрического центра газовоздушного облака, м.

Согласно таблице 7 емкость для этилена относится к категории В_н по взрывопожарной опасности.

Таблица 4 — Категории помещений, здания и наружной установки по взрывопожарной и пожарной опасности

Так как площадь помещений категории, А по взрывопожарной и пожарной опасности превышает 5% от общей площади всех помещений, то здание будет относится к категории А.

4.6 Исследование возможных путей распространения пожара Путями распространения пожара являются сосредоточение большого количества горючих веществ, внезапное появление факторов, ускоряющих его развитие (пожар розлива ГЖ при аварийном истечении из поврежденного оборудования, растекание и попадание ГЖ в канализацию, распространение паров ГЖ и газов по вентиляционным шахтам, взрыв).

Имеется также возможность распространения начавшегося пожара по паровоздушным линиям от одного рабочего места к другому, из одного производственного помещения в другое.

Возможными путями распространения пожара также являются сгораемые строительные конструкции и отделка помещений, технологические отверстия в противопожарных преградах, отсутствие огнезадерживающих устройств на системах вентиляции и трубопроводах.

Для ограничения распространения пожара необходимо предусмотреть:

— противопожарные и обратные клапана на системах вентиляции;

— наличие огнезадерживающих устройств на технологических коммуникациях (огнепреградители, гидравлические затворы);

— предусмотреть бортики или обвалования для ограничения растекания жидкости.

Проверим соответствие требованиям п. 7.6 СНБ 3.02.01 обвалования холодильника.

Рассчитаем, какой будет толщина слоя циклогексанола при разрушении холодильника, если площадь обвалования 200 м² и его высота 1,2 м:

(4.6.1)

Минимальная расчетная высота обвалования в соответствии с п. 7.6 составит:

(4.6.2)

Так как фактическая высота обвалования, равная 1,2 м, больше требуемой, равной 0,22 м, то данное обвалование соответствует требованиям СНБ 3.02.01 [15].

5. Обеспечение пожарной безопасности технологического процесса Для обеспечения пожарной безопасности технологического процесса необходимо:

— аппараты перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления, измерителей уровня жидкости в емкостях;

— приборы автоматического контроля уровня жидкости в емкости с фенолом должны быть в исправном состоянии. При отсутствии стационарных приборов, должен осуществляться лабораторный контроль с периодичностью, определенной в производственных инструкциях;

— на наружных установках в зимнее время спускные и дренажные линии должны иметь исправное утепление. Участки линий, где возможно образование конденсата, должны иметь уклон для стекания жидкости;

— линии по которым перемещаются парои газовоздушные смеси должны быть снабжены исправными огнепреградителями. Число огнепреградителей, их вид и размеры огнегасящей насадки должны соответствовать проекту. Эксплуатировать установку без огнегасителей или с огнепреградителями, не соответствующими проекту, не допускается;

— перед остановкой реактора необходимо отогнать горючие вещества и охладить аппарат;

— должна быть установлена дыхательная арматура на емкостях с фенолом;

— должна быть установлена и поддерживаться в работоспособном состоянии система газового анализа в помещении;

— наличие устройств системы подачи звукового и светового сигнала от приборов газового анализа;

— наличие и исправность системы аварийной вентиляции, сблокировка ее с системой газового анализа;

— соблюдение требований ППБ 1.03−92 при выполнении огневых работ на территории предприятии;

— обеспечение контроля за температурой трущихся поверхностей, т. е. валов и подшипников насосов и компрессора;

— применение электрооборудования, исполнения соответствующего классу зоны по ПУЭ [12], в которой оно используется;