Оценка пожарной опасности процесса производства полиэтилена методом низкого давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Оценка пожарной опасности процесса производства полиэтилена методом низкого давления»

Содержание

Введение

1. Краткое описание технологического процесса

2. Анализ пожаровзрывоопасных свойств веществ, обращающихся в производстве

3. Оценка пожаровзрывоопасности среды внутри аппаратов при их нормальной работе

4. Пожаровзрывоопасность аппаратов, при эксплуатации которых возможен выход горючих веществ наружу без повреждения их конструкции

5. Анализ причин повреждения аппаратов и трубопроводов, разработка необходимых средств защиты

6. Анализ возможности появления характерных технологических источников зажигания

7. Возможные пути распространения пожара

8. Расчет категории производственного помещения по взрывопожарной и пожарной опасности

9. Пожарно-профилактические мероприятия. Вопросы экологии

Выводы

Литература

Введение

Правительство Российской Федерации уделяет большое внимание развитию химической промышленности, особенно производству пластических масс и химических волокон. В настоящее время почти в каждой отрасли промышленности используют пластические массы и химические волокна.

Распространение синтетических материалов в промышленности и в быту обусловливается их ценными свойствами: высокой механической прочностью, эластичностью, сопротивляемостью истиранию, большой химической стойкостью против кислот, щелочей и других химических соединений, не электропроводностью, прозрачностью, легкой окрашиваемостью, простотой изготовления изделий и их обработки.

Однако почти все синтетические смолы и волокна являются горючими материалами, не обладающими высокой термической стойкостью. При воздействии тепла многие пластмассы и синтетические волокна плавятся и разлагаются, выделяя огнеопасные и токсичные пары и газы.

Процессы производства пластических масс и химических волокон многостадийны, сложны и почти все пожара - и взрывоопасны. Это объясняется тем, что сырьем и вспомогательными веществами при производстве пластмасс и волокон являются огнеопасные газы -- этилен, ацетилен, пропилен, формальдегид и др.; жидкости--сероуглерод, ацетон, бензол, бензин, циклогексан, метиловый спирт и др. и твердые вещества -- целлюлоза, капролактам, диметилтерефталат, нитрил акриловой кислоты, соль АГ и др. Для химических реакций используют катализаторы и инициаторы, представляющие собой взрывоопасные, воспламеняющиеся на воздухе вещества (металлоорганические катализаторы) или сильные окислители, способные разлагаться со взрывом и вызывать воспламенение других веществ (порофоры, перекиси).

В процессе переработки сырье претерпевает многообразные превращения и видоизменения, образуя промежуточные соединения, представляющие собой в большинстве случаев также взрывоопасные газы и легковоспламеняющиеся жидкости.

Высокая температура процесса вызывает необходимость использования специальных теплоносителей, которые являются также горючими жидкостями. Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), находясь в рубашках и змеевиках аппаратов, увеличивают общее количество горючих веществ в цехе, а часто и сами являются причиной пожаров и взрывов.

Наличие в цехах значительного количества горючих веществ, разветвленной сети трубопроводов с жидкостями и газами, технологических проемов в строительных конструкциях, сложных систем пневматической транспортировки порошковой продукции и вентиляционных устройств создает благоприятные условия для развития начавшегося пожара.

Пожар по своей химической сущности представляет процесс горения. При горении происходит окисление вещества, чаще всего кислородом воздуха. Чтобы пожар возник и стал распространяться, необходимы определенные условия: наличие горючего вещества и его взаимоконтакт с воздухом (в некоторых случаях окислительно-восстановительные процессы протекают и без кислорода воздуха), а также их взаимоконтакт с источником тепла, способного нагреть горючее вещество до температуры самовоспламенения. Начавшийся пожар может развиваться и причинять значительный ущерб в том случае, если имеются пути для его распространения (скопление твердых горючих веществ, разлив жидкостей, сгораемые строительные конструкции, незащищенные проемы в противопожарных стенах и перекрытиях, отсутствие преград на производственных коммуникациях, воздуховодах и т. д.). Эти закономерности возникновения и развития пожара должны быть положены в основу предупреждения и тушения пожаров.

Таким образом, оценивая пожарную опасность технологического процесса производства пластмасс и химических волокон, в каждом отдельном случае устанавливают, при каких условиях в аппаратах, производственных помещениях или на открытых площадках может образоваться горючая среда, по каким причинам появляются источники воспламенения и каковы пути вероятного распространения пожара. На основе этого определяют категорию пожарной опасности и разрабатывают комплекс защитных мероприятий.

Пути и методы предупреждения пожаров развиваются и совершенствуются с ростом и совершенствованием самого производства. Совместная творческая работа рационализаторов и изобретателей, проектировщиков и специалистов пожарного дела приводит к появлению новых технических и организационных решений. Часть из них не нашла отражение в данной курсовом проекте

1. Краткое описание технологического процесса

Производство полиэтилена методом низкого давления

Технологическая схема производства полиэтилена низкого давления состоит из четырех основных стадий: синтеза металлоорганического катализатора и приготовления рабочего раствора катализатора; полимеризации этилена; отмывки полиэтилена от катализатора; сушки полиэтилена.

Синтез металлоорганического катализатора

В качестве основной части катализатора используется триэтилалюминий -- А1(С₂Н₅)₃ или диэтилалюминийхлорид -- А1(С₂Н₅)2С1. Другой составной частью является четыреххлористый титан -- TiCl₄. Готовый катализатор представляет собой раствор указанных веществ в бензине или смеси бензина с циклогексаном.

Применение триэтилалюминия обеспечивает получение жесткого полимера с большим молекулярным весом. При использовании диэтилалюминийхлорида получается более эластичный полимер с меньшим молекулярным весом. Такой полимер легко подвергается переработке и успешно применяется при производстве кабелей и в других отраслях промышленности. Поэтому для полимеризации этилена иногда применяют диэтилалюминийхлорид. Оба катализатора получаются на одном и том же оборудовании без изменения технологической схемы в две стадии. На первой стадии получают промежуточный продукт -- сесквигалоид--при взаимодействии алюминия с хлористым этилом (или бромистым этилом), на второй -- триэтилалюминий (диэтилалюминийхлорид), действием на сесквигалоид металлическим натрием (реакция симметризации). При уменьшении количества металлического натрия, расходуемого на реакцию взаимодействия с сесквигалоидом, а также уменьшении скорости его подачи в зону реакции в качестве конечного продукта будет получаться диэтилалюминийхлорид по уравнению

2А1₂ (С₂Н₅) Х₃ + 3Na ЗА1 (С₂Н₆)₂ X + 3NaX + А1.

На рис. 4 показана принципиальная технологическая схема синтеза алюминийорганического катализатора. В реактор сесквигалоида 1 заливается бензин из мерника 2 (50% полезного объема реактора), затем из бункера 3 подается порошкообразный алюминий. Загружают реактор при работающей мешалке. Смесь подогревается до 40--50°С веретенным маслом, циркулирующим в рубашке аппарата, после чего в него заливается из мерника 4 расчетное количество бромистого этила для активации алюминия. Процесс активации проводится при температуре 40--60°С и давлении 0,3 атм. Для поддержания рабочей температуры реактор охлаждается, так как активация сопровождается выделением тепла. По окончании процесса смесь нагревается до 100--120°С, затем в реактор из мерника 5 подается хлористый этил. Подачей хлористого этила регулируется давление в реакторе в пределах 3--4 атм. В этих условиях образуется сесквигалоид по приведенной выше реакции. Раствор сесквигалоида га бензине охлаждается и подается к реактор 6 для получения триэтилалюминия или диэтилалюминийхлорида. После подогрева раствора до 130--135°С в него подается расплавленный металлический натрий из мерника 7. Натрий перелавливается маслом, которое закачивают из мерника 8 дозировочным насосом 9.

При подаче натрия в количестве 6% к весу чистого сесквигалоида в качестве готового продукта получают триэтилалюминий, при подаче натрия до 28% получают диэтилалюминийхлорид.

Реакция взаимодействия натрия с сесквигалоидом проходит при 130--140°С и давлении 3--4 атм. Реактор симметризации охлаждается, так как реакция сопровождается выделением тепла. В реакторе образуется алюминийорганический катализатор и твердый остаток, называемый шламом, содержащий NaCl, NaBr, NaAl.



После завершения реакции симметризации содержимое реактора выдерживается в течение 3 ч (процесс дозревания). Смесь охлаждается до 24°С и подается в отстойник 10 для отделения раствора от шлама. Осветленный раствор фильтруется на керамическом фильтре 11 и поступает в смеситель 12 для разбавления до 5%-ной концентрации. Шлам промывается бензином или циклогексаном и поступает из отстойника в реактор 13 на обезвреживание метиловым спиртом, подаваемым из мерника 14. Реактор охлаждается водой для поддержания температуры в пределах 50--60°С, так как обработка шлама метанолом сопровождается выделением тепла. После завершения процесса обезвреживания шлама производится отгонка избыточного метанола путем подогрева реактора паром. Пары метанола проходят через конденсатор-холодильник 15 и жидкость через сепаратор 16 поступает в сборник 17. Сухой шлам охлаждается, выгружается при помощи шнека 18 в мешки и отвозится в отвал.

Полимеризация этилена

Полимеризация этилена при низком давлении, как было сказано выше, осуществляется в среде жидких углеводородов, способных растворять триэтилалюминий или диэтилалюминийхлорид и четыреххлористый титан. В качестве растворителей катализатора используют смесь бензина и циклогексана в соотношении примерно 2,5:1 (по объему). Чтобы реакция полимеризации шла с приемлемой скоростью, т. е. была в достаточной степени управляема, а полученный полимер имел требуемый молекулярный вес, -- концентрация катализатора и сокатализатора в растворителе должна быть в пределах 0,2--0,3%, давление 2,5--3 атм и температура 75--85°С.

Для получения высокого качества полимера этилен не должен содержать примесей кислорода, сернистых соединений и других веществ. Такой этилен получают низкотемпературной ректификацией с последующим процессом селективного гидрирования.

Контакт этилена с раствором катализатора происходит в полимеризаторах (реакторах) периодического или непрерывного действия. Полиэтилен образуется по реакции

вещество полиэтилен пожаровзрывоопасность аппарат

n(С₂Н₄) (-СН₂-СН₂-)_n+Q

Выделяющееся при реакции тепло отводится в реакторах малого объема (до 3 м3) водой, подаваемой в рубашку, а в аппаратах большого объема (20--25 м3) -- за счет охлаждения циркулирующего этилена и испарения при этом части растворителя. Технологическая схема процесса полимеризации этилена приведена на рис. 2

Из цеха катализаторов в мерники 1 и 2 подается 5%-ный раствор диэтилалюминийхлорида и четыреххлористого титана. Отмеренное количество катализаторов самотеком поступает в смеситель-разбавитель 3, где катализаторы перемешиваются и при работающей мешалке разбавляются бензином и циклогексаном до концентрации 0,2%. Аппарат имеет рубашку для обогрева раствора до 50°С. Сформированный катализаторный комплекс насосом 4 закачивается в полимеризатор 5 и поддерживается в нем на определенном постоянном уровне. Этилен подают в нижнюю часть полимеризатора по трубам 6. Поступая в аппарат через систему эрлифта, этилен обеспечивает перемешивание реакционной массы, отводит тепло полимеризации и частично полимеризуется в полиэтилен. Не вступивший в реакцию этилен, нагретый и насыщенный парами растворителя, отводится из верхней части полимеризатора в циркуляционную систему.

Циркуляция этилена осуществляется следующим образом. Этилен при температуре 80°С проходит последовательно циклонные отделители 7, в которых улавливаются брызги растворителя и частички полиэтилена. Далее этилен проходит конденсатор-холодильник 8. В холодильнике этилен и пары растворителя охлаждаются водой до 40°С. При этом часть паров конденсируется и полученная смесь поступает на разделение в аппарат 9. Этилен, охлажденный и частично очищенный от растворителя, поступает по линии 10 снова в полимеризатор, смешиваясь по пути со свежим этиленом. Таким образом, температура полимеризации поддерживается изменением количества и температуры циркулирующего этилена. Растворитель, содержащий полиэтилен, из отделителей 7 и 9 при помощи насоса 11 возвращается в полимеризатор вместе с циркулирующим этиленом (по линиям 6). Кроме того, осуществляется непрерывная циркуляция смеси в самих отделителях.

Образующийся полимер в виде суспензии (смеси) полиэтилена в растворителе (соотношение 1 : 10) отводится из полимеризатора по линии 12 в сборник 13. В сборнике 13 происходит выделение растворенного этилена, так как давление в нем (0,1 атм). ниже, чем в полимеризаторе, а температура 70°С. Выделившийся этилен для улавливания паров растворителя проходит холодильник 14, сепаратор 15 и поступает па очистку или на факел. Суспензия полиэтилена из сборника 13 насосом 16 подается в сборник 17, из которого насосом 18 подается на дальнейшую обработку.

Отмывка полиэтилена от катализатора

Процесс полимеризации этилена при низком давлении сопровождается загрязнением полученного полимера остатками катализатора, которые ухудшают диэлектрические свойства полимера, химическую стойкость по отношению к кислотам и щелочам, увеличивают влагопоглощение. Кроме того, цвет порошка изменяется от белого до коричневого. Поэтому возникает необходимость удаления катализатора из полимера, что достигается разложением катализатора с последующим растворением полученных продуктов и отфильтровыванием их от полиэтилена. В качестве промывочной жидкости могут быть использованы спирты, чаще всего применяется метиловый спирт. По окончании разложения производится отжим полимера, а затем следует еще ряд промывок с отжимом на центрифугах.

Технологическая схема процесса разложения и отмывки катализатора показана на рис. 8. Суспензия, непрерывно циркулирующая по кольцу 1, отбирается на отжим от бензина и"циклогексана в фильтрующую центрифугу 2. В центрифуге за счет центробежной силы отделяется жидкая часть (фугат) от полиэтилена. Фугат из центрифуги самотеком поступает в сборник 3, из которого непрерывно насосом 4 перекачивается в отделение отстаивания, нейтрализации и очистки. Отжатый полиэтилен, содержащий 30--40% растворителя и катализаторный комплекс, выгружается шнеком 5 в сборник 6, обогреваемый горячей водой до температуры 50сС. После этого в сборник подается метиловый спирт (свежий по линии 7 и фугат по линии 8) и производится тщательное перемешивание в течение 1 ч, чтобы произошло разложение комплекса катализатора в растворимые продукты. Полученная суспензия насосом 9 подается во вторую центрифугу 10, где кроме отжима предусматривается промывка полиэтилена метанолом. Фугат отработанный метанол, самотеком поступает в сборник 11, из которого насосом 12 транспортируется на регенерацию. Отжатый полиэтилен, содержащий 30--40% метанола и неотмытые продукты разложения катализаторов, выгружается из центрифуги в сборник 13. В сборник подается метиловый спирт (свежий по линии 14 и фугат по линии 15), и при тщательном перемешивании полиэтилена с метанолом в течение 1 ч при температуре около 50°С происходит отмывка полиэтилена от продуктов разложения катализаторов. Полученная суспензия насосом 16 подается в третью центрифугу 17. Здесь кроме отжима осуществляют промывку осадка метанолом. Метанол из центрифуги самотеком поступает в сборник 11 и частично в сборник 13. Отжатый полиэтилен с остаточным содержанием метанола 30--40% поступает в шнек 18 и транспортируется попеременно в один из двух бункеров-смесителей 19 с планетарным шнеком 20. В бункере к полиэтилену по линии 21 вводится ряд добавок, улучшающих его качество: стабилизатор (для повышения стойкости к старению), нитрофосфат натрия и этиленгликоль (для осветления), воск (для повышения блеска).

Влажный полиэтилен из разгружаемого бункера через секторный питатель подхватывается потоком сжатого азота и транспортируется на дальнейшую обработку.

Сушка полиэтилена

Порошок полиэтилена, содержащий 30--40% по весу метилового спирта, может быть высушен в вакуумных барабанных и полочных сушилках, но более совершенным и высокопроизводительным является агрегат непрерывного действия с сушкой в «кипящем» слое. Теплоносителем является непрерывно циркулирующий горячий азот, обеспечивающий взрывобезопасность всей установки.

Технологическая схема процесса сушки представлена па рис. 10. Влажный полимер поступает в бункер 1 с планетарным шнеком. Из бункера полиэтилен непрерывно подается в сушилку 2 через дозатор 3. Сушка осуществляется последовательно в камерах А и Б сушилки. Поступающий в сушилку полиэтилен при помощи пневморазбрасывателя 4 равномерно распределяется на поверхности кипящего слоя верхней камеры и высушивается до содержания метанола 5%. Псевдоожиженный (кипящий) слой создается за счет подачи под решетку 5 азота, нагретого до 100°С. Частично высушенный полимер переливается в нижнюю камеру, в которой высушивается окончательно до содержания метанола не более 0,15% за счет нагретого до 70°С азота, подаваемого под решетку 6. Азот, насыщенный парами метанола, воды и содержащий до 10 г/м3 полиэтиленовой пыли, поступает на очистку последовательно в два батарейных циклона 7. Уловленная пыль через питатели 8 возвращается в нижнюю камеру сушилки. Азот с небольшим содержанием пыли газодувкой 9 подается на топкую очистку в один из двух фильтров 10 с пористыми керамическими трубами. Далее азот проходит холодильник 11, охлаждается до 30°С, при этом часть паров метанола конденсируется. Конденсат метанола отделяется от азота в сепараторе 12 и направляется на регенерацию, а азот проходит, калориферы 13 и снова поступает в сушильную камеру.



Высушенный порошок полиэтилена через дозатор 14 выгружается в один из двух бункеров 15. Из бункеров полиэтилен дозатором 16 через эжектор 17 подается в пневматическую линию 18 и далее на грануляцию. Пыль полиэтилена после регенерации (продувки азотом) фильтра 10 также подается в пневматическую линию 18.

2. Анализ пожаровзрывоопасных свойств веществ, обращающихся в производстве

Этилен, этен, С₂Н₄, горючий бесцветный газ. Молярная масса-28,05; плотность по воздуху 0,986; температура кипения -103,7°С; температура самовоспламенения 435°С; концентрационные пределы распространения пламени 2,7-34%(об.) в воздухе; максимальное давление взрыва 830 кПа. Тушащие средства распыленная вода, пена, порошок.

Циклогексан, легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость. Молярная масса 84,16; плотность 773 кг/м³. Температура кипения 80,7 °С. Температура вспышки -17°С; температура самовоспламенения 259°С; концентрационные пределы распространения пламени 1,3-7,8%(об.); температурные пределы распространения пламени: нижний -17°С, врхний 20°С; максимальное давление взрыва 858 кПа. Тушащие средства распыленная вода, пена, порошок.

Бензин А-72 зимний, С_6,991Н_13,108, легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость. Молярная масса 97,2; температура вспышки -36°С. Нижний концентрационный предел распространения пламени 1,08 %(об.), верхний 5,4%.; Температурные пределы воспламенения: нижний --17°С, верхний +10°С. Тушащие средства распыленная вода, пена, порошок.

Триэтилалюминий -- бесцветная прозрачная легкоподвижная жидкость, уд. вес 0,84 г/см3, температура кипения 194°С. Температура самовоспламенения триэтилалюминия во влажном воздухе --57°С, в сухом --68°С. Нижний концентрационный предел воспламенения триэтилалюминия 0,3% (по объему). Концентрированные растворы катализаторов (от 40% и выше) на воздухе также самовоспламеняются. При попадании воды в 40%-ный раствор катализаторов происходит взрыв с последующим горением. Взрывом сопровождаются также контакты крепких растворов катализаторов с кислотами, спиртами, четыреххлористым углеродом. Попадание воды в слабые растворы вызывают их разогрев. Алюминийорганические катализаторы являются ядовитыми веществами. Даже слабые растворы катализаторов при попадании на кожу вызывают тяжелые ожоги. Тушащие средства распыленная вода, пена, порошок.

3. Оценка пожаровзрывоопасности среды внутри аппаратов при их нормальной работе

Таблица 1

Номер аппарата	Наименование аппарата; жидкость	Наличие паровоздушного пространства в аппарате	Рабочая температура в аппарате, ? С	Температурные пределы воспламенения для ЛВЖ и концентрационные пределы для ГГ	Заключение о горючести среды в аппарате
				нижний	верхний
1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.
1	Смеситель-разбавитель	есть	30	-20	14	Среда негорючая, так как TРT впв
2	Мерник 5% триэтилалюминия	есть	20	-20	14	Среда негорючая, так как TРT впв
3	Линия подачи бензина	нет	20	-17	10	Отсутствует паровоздушное пространство
4	Линия подачи циклогексана	нет	20	-17	20	Отсутствует паровоздушное пространство
5	Мерник 5% четыреххлористого титана	есть	20	-20	14	Среда негорючая, так как TРT впв
6	Линия подачи свежего этилена	нет	20	2,7	34	Отсутствует паровоздушное пространство
7	Линия подачи этилена в полимеризатор	нет	15	2,7	34	Отсутствует паровоздушное пространство
8	Полимеризатор	есть	73	2,7	34	Среда негорючая, так как TРT впв
9	Линия циркуляционного газа	нет	15	2,7	34	Отсутствует паровоздушное пространство
10	Циклонные отделители	есть	80	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
11	Холодильник-конденсатор	есть	10	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
12	Линия отвода избыточного газа	есть	20	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
13	Сепаратор	есть	15	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
14	Насосы циркуляционные	нет	20	2,7	34	Отсутствует паровоздушное пространство
15	Линия отвода газа на отчистку	нет	20	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
16	Сепаратор	есть	20	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
17	Линия отвода растворителя	нет	20	-20	14	Отсутствует паровоздушное пространство
18	Линия подачи суспензии	нет	66	-20	14	Отсутствует паровоздушное пространство
19	Конечный сборник суспензии	есть	70	-20	14	Среда негорючая, так как TРT впв
20	Насос суспензионный	нет	66	-20	14	Отсутствует паровоздушное пространство
21	Сборник суспензии	есть	80	-20	14	Среда негорючая, так как TРT впв
22	Холодильник-конденсатор	есть	20	2,7	34	Среда негорючая, так как рв
23	Линия отвода суспензии	нет	80	-20	14	Отсутствует паровоздушное пространство
24	Линия подачи катализаторного комплекса	нет	40	-20	14	Отсутствует паровоздушное пространство
25	Насос подачи катализатора	нет	40	-20	14	Отсутствует паровоздушное пространство

Примечание к таблице №1: температурные пределы растворителя (смесь циклогексана, бензина, триэтилалюминия, четыреххлористого титана) взяты из описания технологического процесса и составляют: Т_нпв= -20°С, Т_впв =14°С

Как правило, аппараты заполнены газами без наличия воздуха, рабочая концентрация газа в аппарате будет равна 100 %. Следовательно, она практически всегда выше верхнего концентрационного предела воспламенения, т.е. опасность взрыва (взрывоопасная концентрация) отсутствует. Однако она может возникать в периоды пуска и остановки аппарата.

4. Пожаровзрывоопасность аппаратов, при эксплуатации которых возможен выход горючих веществ наружу без повреждения их конструкции

Все аппараты (содержащие бензин, метанол, сесквигалоид, металлоорганический катализатор), находящиеся под защитой азота, оборудуются дыхательными клапанами, за счет чего в аппаратах поддерживается постоянное избыточное давление азота до 0,04 атм. Перед выбросом в атмосферу азот необходимо очищать от паров жидкостей, для этой цели его пропускают через конденсатор-холодильник.

Пожарная опасность возникает только при нарушении установленного давления, повышении температурного режима, появлении не плотностей и повреждений, а также в периоды пуска и остановки технологического оборудования, т. е. когда внутрь аппаратов может попадать воздух или когда жидкости и их пары будут выходить наружу.

При эксплуатации закрытых аппаратов и емкостей, находящихся под давлением, даже при их исправном состоянии всегда происходят небольшие утечки горючих веществ через прокладки, швы, разъемные соединения и другие места. В данном технологическом процессе к таким аппаратам относится полимеризатор. Это объясняется тем, что даже при самой тщательной обработке прилегающих друг к другу поверхностей нельзя создать абсолютную проницаемость. При соприкосновении двух поверхностей из-за незначительных выпуклостей образуется большое количество капиллярных каналов, по которым будет происходить истечение газов и жидкостей. Величина утечки будет зависеть главным образом от режима работы аппарата и состояния уплотнений. Подсчет таких потерь весьма затруднителен.

Для ориентировочного определения утечки паров и газов на работающих под давлением герметичных аппаратов можно воспользоваться формулой Н.Н. Репина:

== 0,033 кг/час

Где G-количество паров и газов, выходящих из аппарата кг/час;

К- коэффициент, учитывающий степень износа производственного оборудования, принимается в пределах от 1 до 2;

С= 0,174 - коэффициент, зависящий от давления паров или газов в аппарате (табл.2.5)

V -внутренний (свободный) объем аппарата, м³;

М- молекулярный вес газов ил паров, находящихся под давлением в аппарате;

- температура паров или газов, находящихся под давлением, °К

Утечки из нормально герметизированных аппаратов, работающих под давлением, происходят хотя и непрерывно, но обычно не вызывают реальной пожарной опасности, так как выходящие наружу маленькие струйки газа или пара чаще всего рассредоточены по поверхности аппарата и при наличии воздухообмена сразу же рассеиваются и отводятся от места их выделения.

5. Анализ причин повреждения аппаратов и трубопроводов, разработка необходимых средств защиты

Аппараты и трубопроводы могут повреждаться по следующим причинам:

- от образования повышенного давления;

- от проявления динамических воздействий;

- от образования высоких температурных напряжений в материале стенок или от изменения прочностных свойств материала в результате воздействия высоких и низких температур;

- от коррозии материала стенок или эрозии (механического истирания стенок).

Все вышеперечисленные причины рассматриваем для каждого аппарата своего варианта задания.

Образование повышенного давления в аппаратах.

Повышение давления в полимеризаторе может быть в результате нарушения температурного режима, подачи этилена под большим давлением, попадания влаги, переполнения аппарата жидкостью, неисправности защитных и контрольно-измерительных приборов, образования полимерных пробок в трубопроводах.

Опасным случаем в эксплуатации полимеризатора является переполнение его жидкостью. При этом жидкость попадет в газовые линии, образует в них пробки и увеличит сопротивление прохождению этилена. Давление в системе повысится. Повышение уровня жидкости в полимеризаторе может быть при отсутствии необходимого контроля за подачей растворителя и сливом суспензии, при образовании пробок полимера в трубах, отводящих суспензию.

Избыточное тепло полимеризации отводится из зоны реакции циркулирующим этиленом. Полимеризаторы рассчитаны на скорость полимеризации этилена с выходом не менее 35кг полимера с 1м3 аппарата в час. Реакция полимеризации сопровождается выделением большого количества тепла.

Если выделяющееся тепло своевременно не отводить, температура, а следовательно, и давление в аппарате будут повышаться. Повышение температуры вызовет увеличение скорости реакции полимеризации, а следовательно, еще более интенсивное выделение теплоты. Такое нарастание опасности может быть в результате нарушения нормального процесса охлаждения этилена в холодильнике при уменьшении количества подаваемой холодной воды или при сильном загрязнении теплообменной поверхности трубок отложениями, а также при уменьшении количества циркулирующего в системе этилена. Нарушение циркуляции этилена может быть при неисправностях газодувки (на приведенной технологической схеме газодувка циркуляционной системы этилена не показана), а также при образовании пробок в линиях в результате отложений частичек полимера. Особенно опасно полное прекращение циркуляции этилена.

Скорость химической реакции полимеризации, а следовательно, и количество выделяющегося в единицу времени тепла может возрасти при подаче в аппарат катализаторного комплекса концентрацией более 0,2%.

Очень опасно попадание влаги в полимеризатор. При этом вода взаимодействует с катализатором и сокатализатором, выделяются газообразные продукты разложения и значительное количество теплоты. Вода может попасть в аппарат со свежим этиленом при некачественной его очистке и с циркулирующим этиленом при неисправности теплообменной поверхности водяного холодильника.

Определяем давление в герметичном аппарате с газами или перегретыми парами при повышении температуры по формуле:

где Р_н - начальное давление в аппарате, Па;

Т_н, Т_к - соответственно начальная и конечная температура газа, К;

=0,92 - коэффициент сжимаемости газа(рис.4.7).

Для исключения указанных видов опасности необходимо строго следить за соблюдением температурного режима полимеризации. Для этого полимеризатор имеет в разных точках по высоте термопары с показывающими и записывающими потенциометрами, а самое главное, чтобы все эти приборы были соединены со вторичными приборами-регуляторами, которые при повышении температуры в каком-либо месте полимеризатора автоматически увеличивают подачу воды в холодильник-конденсатор.

В холодильнике-конденсаторе могут происходить явления, которые приводят к нарушению нормального процесса конденсации паров. Такие явления могут происходить в результате нарушения нормального процесса охлаждения этилена в холодильнике при уменьшении количества подаваемой холодной воды или при сильном загрязнении теплообменной поверхности трубок отложениями, а также при уменьшении количества циркулирующего в системе этилена. Нарушение циркуляции этилена может быть при неисправностях газодувки (на приведенной технологической схеме газодувка циркуляционной системы этилена не показана), а также при образовании пробок в линиях в результате отложений частичек полимера. Особенно опасно полное прекращение циркуляции этилена.

Конечное давление в аппарате определяем из выражения:

Р_к=Р_р + Р= 380000+138,3=380138 Па

где Р_р - рабочее давление в аппарате, Па;

Р - приращение давления в системе, Па.

Приращение давления Р в аппаратах при нарушении нормального процесса конденсации паров определяют по формуле:

где а - степень неполноты конденсации паров, %;

%;

G_п - производительность аппарата по пару, кг/с;

- продолжительность процесса нарушения конденсации паров, с;

Р₀ = 1 10⁵ Па - давление окружающей среды;

V_св - свободный объем системы, м³;

- удельный вес пара, кг/ м³.

Образование динамических воздействий в аппаратах

Воздействию гидравлических ударов чаще всего подвержены трубопроводы и насосы. Гидравлические удары могут возникнуть в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосами жидкости, при резком изменении давлении на каком-либо из участков трубопровода.

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

где с - скорость распространения ударной волны:

где -удельная плотность жидкости = 780 кг/м;

d - внутренний диаметр трубы, d = 0,047 м; d

Е - модуль упругости материала трубы, Е =2,1 10⁶ 10⁴Па(для стальных труб) ;

- модуль упругости жидкости, =1340 мПа

s - толщина стенки трубы, s =0,003 м;

- уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе, м/с.

где _нач - начальная скорость движения продукта в трубопроводе, м/с;

_кон- конечная скорость движения продукта в трубопровод, м (часто _кон =0).

Вибрации трубопроводов.

Вибрация наблюдается у трубопроводов, находящихся под давлением, и недостаточно хорошо закрепленных, у аппаратов, соединенных с поршневыми насосами и компрессорами. Наблюдается вибрация у недостаточно закрепленных наружных аппаратов и от воздействия ветра.

Наибольшая опасность от вибрации возникает в том случае, когда число колебаний возмущающей силы по своему значению будет приближаться к числу собственных колебаний системы или отличаться от него в целое число раз. При этом наблюдается так называемое явление резонанса.

Меры борьбы с вибрациями- устранение или уменьшение действия возмущающих сил. Практически это достигается уменьшением пульсации при работе насосов (замена поршневых насосов центробежными, установка «воздушных» колпаков и т.п.), гашением колебаний путем применения различного рода прокладок, и тому подобных устройств, а также прочным креплением трубопроводов и аппаратов, подверженных вибрации.

Образование температурных напряжений или уменьшение прочностных свойств материала стенок аппарата

В аппаратах, где протекают процессы теплообмена, могут наблюдаться такие случаи, когда некоторые конструктивные элементы, жестко заделанные по концам, в процессе эксплуатации имеют неодинаковую температуру. Это относится к кожухотрубчатым теплообменникам, которые имеются в данном технологическом процессе.

Силу, возникающую между жестко соединенными частями аппарата, за счет температурных напряжений можно определить по формуле:

,

Где - коэффициенты линейного расширения для материала корпуса и труб, при соответствующих температурах, 1/град (для стальных труб принимаются равным 0,000012);

- расчетные температуры корпуса и труб, град;

- модули упругости для материала корпуса и труб при соответствующих им температурах, мПа;(для стальных труб составляет 21000 мПа)

,- площадь поперечного сечения корпуса и труб, см².

Кроме силы , на жестко соединенные части аппарата действует сила Р, вызванная давлением среды в межтрубном и трубном пространствах, т.е.

,

Где D - расчетный диаметр трубной решетки, м;

d- средний диаметр трубки, м;

z- число трубок;

- давление среды соответственно в межтрубном и трубном пространствах, мПа.

Теплообменные аппараты с жестким соединением корпуса нельзя эксплуатировать когда

где- напряжения максимальные в материале корпуса и трубок, мПа;

- предел текучести материала корпуса и труб, мПа.

Делать вывод о недопустимости жесткого соединения корпуса и трубок кожухотрубчатого холодильника-компенсатора невозможно, так как неизвестны пределы текучести материалов корпуса и труб.

Если согласно расчету окажется, что жесткое соединение корпуса и трубок теплообменника недопустимо, необходимо применять аппараты, имеющие температурные компенсаторы. Наиболее часто теплообменные аппараты оборудуют линзовыми компенсаторами и компенсаторами типа «плавающая головка».

Снижение температурных напряжений достигается путем уменьшения разности температур между отдельными конструктивными элементами и подбора соответствующих материалов при конструировании отдельных узлов аппаратов с примерно одинаковыми коэффициентами линейного расширения.

Также температурные напряжения возникают в трубопроводах, которые определяются по формуле:

_t = Еt=1,210^-52,110⁶30=756 кг/см²

где _t - температурные напряжения, кг/см²;

- коэффициент линейного расширения,С^-1(для стальных труб _t = =1,210^-5С^-1);

Е - модуль упругости материала, кг/см²(для стальных труб Е = 2,110⁶).

t - изменение температуры, С;

Рассмотрим причины, приводящие к химическому износу материала (коррозии) аппаратов.

Стенки полимеризатора и трубопроводов подвержены коррозии, так как в растворителе и циркулирующем этилену имеется небольшое количество соляной кислоты, образующейся при взаимодействии диэтилалюминийхлорида и четыреххлористого титана с той влагой, которая все же имеется в растворителе и этилене. Для защиты от коррозии стенки полимеризатора покрывают кислотостойким лаком или эпоксидной смолой, а трубопроводы целесообразно применять из нержавеющей стали.Исходя из основных закономерностей коррозионных процессов, используют следующие направления борьбы с ней:

- применение коррозионно-устойчивых металлов;

- изоляция металлов от агрессивной среды защитными покрытиями;

- уменьшение коррозионной активности среды;

- использование неметаллических химически стойких материалов;

- катодная и протекторная защита.

6. Анализ возможности появления характерных технологических источников зажигания

Специфичными источниками воспламенения при полимеризации этилена могут быть случаи самовозгорания суспензии, разряды статического электричества, неисправности и несоответствие электропривода к мешалкам смесителей и промежуточных емкостей.

Самовозгорание суспензии может произойти в тех случаях, если мельчайшие частички полимера с находящимся на их поверхности адсорбированным катализатором будут иметь возможность испарять растворитель, т. е. подсыхать в воздушной среде. При испарении растворителя концентрация катализатора в массе будет увеличиваться, так как он обладает меньшей испаряемостью (температура кипения растворителя равна 80°С, а диэтилалюминийхлорида 208°С), и, кроме того, значительная его часть адсорбирована поверхностью частичек полимера. Когда концентрация катализатора по отношению к растворителю будет около 40%, температура самовоспламенения смеси окажется равной 18--20°С, и в этот период произойдет загорание массы. Такие условия могут создаться при небольших утечках, когда частички полимера, проходя через теплоизоляцию, будут отфильтровываться, при остановке аппаратов на чистку, когда имеются отложения полимеров на стенках, а также при авариях и серьезных повреждениях, когда происходит выброс суспензии и ее распыление в воздухе.

Рассмотрим подшипники перегруженного вала смесителя-разбавителя при отсутствии охлаждения.

Температуру подшипника при работе с перегрузкой и недостаточном охлаждении определяют по формуле:



где Т_п - максимальная температура подшипника, К;

Т_В - температура окружающей среды (воздуха), К;

Q_тр - мощность сил трения при работе подшипника, Вт;

- коэффициент теплообмена между поверхностью подшипника и средой, Вт/(м²К);

F - поверхность корпуса подшипника, м².

Величину Q_тр определяем по формуле:

где f - коэффициент трения

N - радиальная сила, действующая на подшипник, Н;

d - диаметр шейки вала, м;

n - число оборотов вала, об/мин;

В данный смеситель-разбавитель поступает 20% раствор триэтилалюминия с температурой самовоспламенения около 70°С, следовательно при попадании растворителя на корпус подшипника произойдет его самовоспламенение.

Чтобы избежать перегрева подшипников, осуществляют следующие мероприятия. Во всех случаях целесообразно вместо нагревающихся сверх нормы подшипников скольжения применять подшипники качения. Большое внимание должно уделяться систематической смазке подшипников. Хорошо смазывать подшипники это не значит подавать больше масла. Нормальная смазка предполагает использование того сорта масла и в том количестве, которое установлено правилами эксплуатации для данного подшипника, при строгом соблюдении сроков смазки. Для контроля за температурой подшипников можно покрывать их поверхность термочувствительными красками, изменяющими свой цвет при нагревании.

Также источником воспламенения может быть тепловое проявление электрической энергии. Источники воспламенения от теплового проявления электрической энергии могу возникнуть при несоответствии электрооборудования (электродвигателей, силовых электрических сетей) характеру воздействующей на него среды; в случае несоблюдения правил устройства и эксплуатации электрооборудования; при неисправностях и повреждениях, вызываемых механическими причинами, а также действием химически активных веществ, влаги и т.п. Тепловое действие электрического тока может проявиться в виде электрических искр и дуг, чрезмерного перегрева двигателей, контактов, отдельных участков электрических сетей и электрического оборудования, а также аппаратов при перегрузках и больших переходных сопротивлениях, в виде перегрева в результате теплового проявления токов индукции и самоиндукции, при искровых разрядах статического и атмосферного электричества, в результате нагревания вещества и материалов от диэлектрических потерь энергии.

Перегрузка электрических сетей и машин вызывается увеличением механической нагрузки на электродвигатели, а также подключением к электрическим сетям дополнительных токоприемников, на которые сети не рассчитаны. Увеличение силы тока в сетях и машинах приводит к выделению большого количества тепла, воспламенений изоляции. Опасные последствия перегрузки наблюдаются при неправильно выбранной или неисправной защите сетей плавкими вставками или автоматами.

Переходные сопротивления возникают чаще всего в местах, где провода и кабели некачественно присоединяются к машинам и аппаратам или токопроводящие жилы соединяются друг с другом холодной скруткой, а также в местах плохого контакта. В местах переходных сопротивлений выделяется значительное количество тепла. От нагрева мест переходных сопротивлений могут загореться электроизоляция, а также рядом находящиеся горючие вещества.

Индукционное и электромагнитное воздействие атмосферного электричества способствует появлению значительных электрических потенциалов на производственном оборудовании, трубопроводах, строительных конструкциях. Отсутствие или неисправность систем заземления аппаратов и конструкций, могут привести к образованию опасных искровых разрядов.

7. Возможные пути распространения пожара

Пожары на производстве методом низкого давления протекают в сложных условиях с быстрым распространением огня на соседние аппараты и участки, и, зачастую, принимают характер катастрофы с огромным материальным ущербом. Наличие больших объемов легковоспламеняющихся и горючих жидкостей приводит к тому, что пожар на установках может принять значительные размеры. Условиями распространения горения на установке являются: разливы по территории установки горючих и легковоспламеняющихся жидкостей; разветвленная сеть промышленной канализации при неэффективности гидравлических затворов в колодцах; отсутствие аварийных сливов из емкостных аппаратов, линий стравливания смесей из аппаратов; разветвленная сеть трубопроводов при отсутствии на них гидравлических затворов. При пожаре возможен взрыв, так как имеет место образование взрывоопасных концентраций в них. Испарение паров легковоспламеняющихся жидкостей и газов будет создавать газовоздушную смесь, которая при ветреной погоде будет перемещаться к возможному очагу пожара.

По производственным коммуникациям пожар и взрыв распространяются в тех случаях, если внутри трубопроводов, траншей, туннелей или лотков образовалась горючая среда, когда трубопроводы с этой горючей средой работают неполным сечением, когда имеются горючие отложения на поверхности труб, каналов, если в системе находятся жидкости, способные разлагаться с воспламенением под воздействием высокой температуры или давления.

Чтобы предотвратить распространение огня по производственным коммуникациям применяют сухие огнепреградители, в виде гидравлических затворов, затворы из твердых измельченных материалов, автоматические задвижки и заслонки, водяные завесы, перемычки, засыпки и т. п.

Определим расчетом необходимый диаметр гасящего отверстия огнепреградителя

Определим диаметр гасящего канала огнепреградителя:

d=0.5·d_кр=0,5·1,75=0,875мм

d_кр=1,75мм(ГОСТ Р12.3.047-98, приложение Р, таб. Р3 )

Тогда диаметр зерен гравия будет равен:

d_гр=4d

d_гр=4·0,875=3,5мм

Определенный расчетом тип огнепреградителя предполагается установить на линиях стравливания газовоздушных смесей из аппаратов(полимеризатора).

8. Расчет категории производственного помещения по взрывопожарной и пожарной опасности

Помещение мерников и разбавителей катализаторного комплекса. Размеры помещения 34126 м. Объем помещения 2448м³. Свободный объём помещения V_св= V_пом-V_ап=2448-13,54-0,3925=2434,1м³. Площадь помещения F=408м². Степень заполнения аппарата -0,8. Расстояние трубопровода до задвижки 6м. Ограничения растекания от площади пола нет. Кратность вентиляции 7 1/ч. Скорость воздуха 0,4 м/с.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация смесителя-разбавителя с последующим разливом растворителя на пол. Происходит испарение бензина и циклогексана. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе(Москва) согласно СНиП 2.01.01-82 t_р= 37°С. Плотность паров при t_р= 37°

Паров бензина

=3,82 кг м^-3

Паров циклогексана

=3,31 кг м^-3

1. V_ж =0,83,140,7 ² 2,2+3,144 (0,05²5)=2,932+0,157=3,089м³ =3089л (истечение жидкости из трубопровода не принимается в расчет так как, затруднен расчет расхода жидкости при поступлении его самотеком)

Fи = а?в=30*8=240м²

2. Определяем давление насыщенных паров бензина и циклогексана при t=70⁰C

Для бензина

P_н==32,14 кПа

Для циклогексана

P_н==21,77 кПа

3. Интенсивность испарения смеси:

-по бензину:

W_б = 10^-63,232,14= 1.01*10^-3кгм^-2с^-1

-по циклогексану:

W_ц = 10^-63,221,77= 0.64*10^-33кгм^-2с^-1

4. Определяем массу паров поступивших в помещение, т.е. по бензину

m= WFu = 1,0110^-34083600 = 1483,5кг.

5. Значение С_н

Сн ==31,82 % (об)

6. Значение С₀

С₀= 31,82 ()^0,46= 23,16 % (об)

7. Расстояние x, y, z

X_нкпр= 1,195834(1,0 ln^0,5=1,1958341,813= 73,68м.

Y_нкпр= 1,1958121,813= 26,02м.

Z_нкпр=0,353661,813=3,84м.

8. Коэффициент Z согласно формуле (2) приложения НПБ 105-03 составит

9. Z= 3,82 (23,16+

10. Значение стехеометрической концентрации С_{стехеом} согласно формуле (3) НПБ 105-03 составит:

-для бензина в=6,991+

С_ст==1,97 % (об).

-для циклогексана:

в =6+=9

С_ст==2,24 % (об).

(900-100)=77 кПа.

К=7+1=8

Расчетное избыточное давление превышает 5 кПа, t_всп= -36, следовательно помещение мерников и разбавителей катализаторного комплекса относится к категории А.

9. Пожарно-профилактические мероприятия. Вопросы экологии

Предотвращению образования горючей среды в закрытых аппаратах и емкостях с неподвижным уровнем жидкости способствуют следующие технические решения:

1. Ликвидация газового пространства.

Аппараты имеющие паровоздушное пространство должны быть оборудованы дыхательными линиями. При заполнении аппаратов пары растворителя будут выходить наружу, создавая местные взрывоопасные концентрации и увеличивая потери растворителей, а при сливе жидкости может быть подсос воздуха внутрь аппаратов. Последнее обстоятельство совершенно недопустимо не только с точки зрения безопасности, но и по условиям технологии, учитывая большую химическую активность катализаторов к кислороду. Следовательно, система дыхания аппаратов по условиям технологии, а также пожарной безопасности должна быть изолирована от воздуха, т. е. аппараты должны работать под защитой азота. Сброс азота в атмосферу происходит через клапан, поддерживающий требуемое давление в аппарате. Так как вместе с азотом выбрасывается часть паров растворителя, то дыхательные линии выводят за пределы производственного помещения. Аппараты процесса полимеризации представляют повышенную опасность при их остановке на чистку, профилактический осмотр и ремонт. При этом следует обращать серьезное внимание не только па правильность отключения всех трубопроводов и на полное удаление растворителя и его паров из объема аппаратов, но и на погашение способности катализатора к самовозгоранию. Подготовку аппаратов к очистке рекомендуется вести следующим образом. После полного слива жидкости и отключения всех трубопроводов заглушками аппарат продувают азотом в течение 1 ч, заполняют водой и выдерживают в этом состоянии 4--5 ч. При этом вода разлагает катализатор, затем сливается и аппарат ставят на проветривание. К очистке приступают только после анализа среды па присутствие углеводородов.

2. Поддержание безопасного температурного режима.

Если выделяющееся тепло своевременно не отводить, температура, а следовательно, и давление в аппарате будут повышаться. Повышение температуры вызовет увеличение скорости реакции полимеризации, а следовательно, еще более интенсивное выделение теплоты. Такое нарастание опасности может быть в результате нарушения нормального процесса охлаждения этилена в холодильнике 8 при уменьшении количества подаваемой холодной воды или при сильном загрязнении теплообменной поверхности трубок отложениями, а также при уменьшении количества циркулирующего в системе этилена. Нарушение циркуляции этилена может быть при неисправностях газодувки (на приведенной технологической схеме газодувка циркуляционной системы этилена не показана), а также при образовании пробок в линиях в результате отложений частичек полимера. Особенно опасно полное прекращение циркуляции этилена.

На основании анализа пожарной опасности технологического процесса, с учетом режимов работы технологического оборудования проведем пожарно-профилактические мероприятия.

Мероприятия.

Процессы нагревания и охлаждения горючих веществ в рекуперативных аппаратах (теплообменниках, холодильниках)