Пожарная безопасность процессов разделения горючих жидкостей
Для разделения жидких гомогенных горючих смесей на компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей применяется процесс перегонки. Перегонка является одним из важнейших технологических процессов разделения и очистки жидкостей и СГГ в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Перегонка представляет собой процесс, в котором разделяемая горючая жидкость нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость - конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты). Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а, следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего или низкокипящего компонента (далее - НК) в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. В неиспарив-шейся жидкости концентрация труднолетучего или высококипящего (далее - ВК) компонента увеличивается.
Перегонку подразделяют на два основных вида: простую перегонку (или дистилляцию) и ректификацию. Под простой перегонкой понимают процесс однократного частичного испарения исходной жидкой смеси и конденсации образующихся при этом паров. Простую перегонку применяют для разделения смесей, представляющих собой легколетучее вещество с некоторым содержанием весьма труднолетучих веществ. Обычно простую перегонку используют для предварительного разделения, очистки веществ от примесей, смол, загрязнений. При этом сконденсированные пары называют дистиллятом, а оставшуюся жидкость - остатком. Простую перегонку проводят периодически. При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, и образующиеся при этом пары непрерывно удаляются из системы и конденсируются с получением дистиллята. При этом содержание НК в кубовой (исходной) жидкости уменьшается, что приводит к снижению содержания НК в дистилляте - в начале процесса содержание НК максимально, а в конце - минимально. Простую перегонку можно проводить при атмосферном давлении или под вакуумом.
Для получения нужных фракций (или разного состава дистиллята) применяют фракционную, или дробную, перегонку в установке, схема которой приведена на рисунке 6.9. Исходную смесь загружают в куб 1, имеющий змеевик для нагревания и кипячения этой смеси. Образующиеся пары конденсируются в теплообменнике-конденсаторе 2, дистиллят в нем же охлаждается до заданной температуры и поступает в один из сборников 3. После окончания процесса перегонки остаток сливают из куба 1 и вновь загружают в него исходную смесь.
Рисунок 6.9 - Схема установки для простой перегонки
Ректификация - это наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс ректификации заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью - флегмой, полученной при частичной конденсации паров. Основными типами аппаратов для проведения процесса ректификации являются ректификационные колонны (далее - РК), которые по устройству могут быть с тарелками и насадками. По устройству РК принципиально не отличаются от тарельчатых и насадочных абсорберов, рассмотренных в разделе 6.1. В отличие от абсорберов, для снижения потерь теплоты РК покрывают тепловой изоляцией. Основной отличительной особенностью РК является то, что для проведения ректификации они должны быть снабжены соответствующей теплообменной аппаратурой (кипятильником, подогревателем, конденсатором-дефлегматором, холодильниками дистиллята и кубового остатка).
Кипятильники (подогреватели) предназначены для обеспечения образования восходящего по РК потока пара, и могут быть встраиваемыми внутрь колонны (рисунок 6.10, а) или выносными (рисунок 6.10, б), а конденсаторы-дефлегматоры - для получения флегмы за счет частичной конденсации выходящей паровой фазы. Варианты расположения дефлегматоров приводятся на рисунке 6.11.
Рисунок 6.10 - Варианты расположения кипятильников:
а - встроенного; б - выносного.
Рисунок 6.11 - Варианты расположения дефлегматоров:
а - подачей флегмы самотеком; б - подачей флегмы насосом.
Процессы ректификации проводят на установках непрерывного или периодического действия. В установке непрерывного действия (рисунок 6.19) необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место РК 3, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания, или питательной тарелкой.
Рисунок 6.12 - Схема ректификационной установки непрерывного действия:
1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна; 4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка.
Тарелка питания делит колонну на две части: верхнюю - укрепляющую и нижнюю - исчерпывающую. В укрепляющей части происходит обогащение поднимающихся паров НК, а в исчерпывающей - удаление НК. Поток пара, поднимающегося по РК, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 4, поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 5.
При непрерывной ректификации многокомпонентных смесей в установке должна быть не одна колонна, а больше, т.к. в одной колонне можно разделить смесь только на два продукта.
Периодически действующие ректификационные установки применяют, как правило, для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывно действующих установок нецелесообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определенное время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Периодическую ректификацию проводят на установках, схема которой показана на рисунке 6.13.
Рисунок 6.13 - Схема установки для проведения периодической ректификации.
Исходную смесь периодически загружают в куб-кипятильник 1, снабженный подогревателем 2, в который подается теплоноситель, например насыщенный водяной пар и доводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне 3, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью (флегмой), поступающей из дефлегматора 4. Часть конденсата после делителя потока 5 возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть - дистиллят Р - через холодильник 6 собирается в сборниках 7 в виде отдельных фракций. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут заданный средний состав дистиллята. Таким образом, колонна 3 является аналогом укрепляющей части колонны непрерывного действия, а куб выполняет роль исчерпывающей части.
Пожарная опасность процессов ректификации определяется пожароопасными свойствами веществ и режимом работы РК (температура, давление). Большинство колонн работает под небольшим давлением 0,12...0,7 МПа. При нормальных режимах работы, в РК работающих под избыточным давлением, образование горючей смеси невозможно. Горючие концентрации внутри РК могут образовываться в периоды остановки на ремонт и пуска колонн после ремонта. При авариях или неисправностях возможно: в колоннах, работающих под давлением - выход и воспламенение продукта, если продукт нагрет до температуры самовоспламенения и выше, а в колоннах, работающих под вакуумом - подсос воздуха и образование взрывоопасных концентраций внутри колонны.
Причины образования неплотностей и повреждений в РК: повышение давления, температурные и механические воздействия, химический износ оборудования. Повышение давления является следствием нарушений материального и энергетического балансов, процесса нормальной конденсации паровой фазы, попадания в высоконагретые РК жидкостей с низкой температурой кипения.
Источниками зажигания в процессах ректификации могут быть: огневые работы; самовоспламенение нагретого продукта; самовозгорание пирофорных отложений; нагретые поверхности РК и другого оборудования.
Пожар на ректификационной колонне может быстро принять крупные масштабы, т. к. в результате аварии возможен выход наружу большого количества горючей жидкости и ее паров. Пары горючей жидкости выходящие наружу могут привести к образованию взрывоопасных концентраций в объеме помещений или на территории открытых площадок. Распространению пожара способствуют системы производственной вентиляции и канализации.
Специфические требования пожарной безопасности при проведении процессов ректификации (регламентируют [20, 25]):
- на открытых площадках ректификационное оборудование должно размещаться группами с учетом их пожарной опасности;
- перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с РК аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны, приемниках ректификата, рефлюксных емкостях и емкостях остатка;
- РК, установленные на открытых площадках, должны быть оборудованы стационарной или полустационарной системой пожаротушения (колонны для разделения СГГ, а также колонные аппараты высотой 40 м и более) должны быть обеспечены стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения;
- приборы автоматического контроля уровня жидкости в сепараторах должны быть в исправном состоянии. При отсутствии стационарных приборов, должен осуществляться лабораторный контроль с периодичностью, определенной в производственных инструкциях;
- колонны необходимо оборудовать предохранительными клапанами.
Выброшенная через клапан флегма должна отводиться в дренажные системы;
- поврежденные участки теплоизоляции РК и их опор должны своевременно исправляться. Теплоизоляция должна быть чистой, исправной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образоваться скрытые течи жидкости по корпусу;
- при разгонке полимеризующихся жидкостей необходимо принимать меры против образования и отложения полимеров в колонне (подача ингибиторов) и периодически производить очистку от отложений;
- перед открытием нижнего люка РК в аппарат необходимо подать пар или иметь наготове подключенный к паровой гребенке шланг;
- при переключении линий должно исключаться попадание в колонну воды или других низкокипящих жидкостей;
- после промывки и продувки колонны должно производиться полное удаление воды и конденсата;
- при подаче острого пара в РК должно производиться его освобождение от конденсата, образующегося в паровой линии;
- во избежание проявления высоких температурных напряжений в стенках аппаратов ректификационной установки, которые могут возникнуть под воздействием атмосферных осадков либо при пожаре, трубопроводы на прямых участках необходимо оборудовать температурными компенсаторами; защищать теплоизоляцией опорные металлические конструкции (опоры, юбки, этажерки и др.);
- на открытых установках в зимнее время спускные и дренажные линии, а также участки трубопроводов подачи замерзающих жидкостей (воды, щелочи и других жидкостей) должны иметь исправное утепление;
- ремонтные работы в колонне могут производиться лишь после полного удаления продукта и продувки РК паром.
Полезная информация: