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

Аппараты поз. 1, 6, 14 (содержащие этилбензол, стирол,), оборудованы дыхательными клапанами с огнепреградителями. Огнепреградители не могут препятствовать выход паров ЛВЖ наружу.

Вывод 1. Перед выбросом в атмосферу необходимо очищать от паров жидкостей, для этой цели его необходимо пропускать через конденсатор-холодильник.

При эксплуатации закрытых аппаратов п.п. 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 и емкостей, находящихся под давлением горючими газами и парами ЛВЖ 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.

Пожарная опасность возникает только при нарушении установленного давления, повышении температурного режима, появлении неплотностей 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 п.6 Кожухотрубчатый холодильник конденсатор. 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:

== 1,25 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 или 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.

Пожаровзрывоопасность аппаратов, при эксплуатации которых возможен выход горючих веществ наружу без повреждения их конструкции. К названным аппаратам относятся: аппараты с переменным уровнем жидкости («дышащие»); аппараты с открытой поверхностью испарения; аппараты периодически действующие, аппараты с сальниковыми уплотнениями. Следует определить, имеются ли такие аппараты в технологической схеме.

Аппараты с переменным уровнем жидкости (В рамках задания на КП по варианту 72 рассмотрим промежуточную емкость стирола п. 8.)

Прежде всего, нужно доказать, является ли выброс паровоздушной смеси через дыхательную трубу пожаровзрывоопасным. Концентрация паровоздушной смеси может быть взрывоопасной, если выполняется условие:

s ? нп (6)

где s ? концентрация насыщенного пара при рабочей температуре жид-кости, определяемая по формуле:

s =Рs/Pp, (7)

Рs=0,872531кПа

Вывод: Концентрация насыщенного пара меньше нижнего предела нп.

где рs - давление насыщенного пара жидкости при рабочей температуре, Па; рр - рабочее давление паровоздушной смеси в аппарате (абсолютное давление в герметичном аппарате или атмосферное давление ратм в «дышащем» аппарате), Па.

Тоже по емкости для хранения готовой продукции поз.14.

Рs=1,646584кПа

За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе (Москва) согласно СНиП 2.01.01-82 tр = 37 ° С.

Выброс паров опасен. Определяем, какое количество паров будет выходить наружу за один цикл «большого» или «малого» дыхания. Количество паров, которое может выйти из аппарата за один цикл «большого» дыхания определяется по формуле:

(8)

где Gп - количество выходящих паров из заполненного жидкостью аппарата, кг/цикл; Vж =10м³ (берем условно, т.к. в задании нет данных) - объем жидкости, поступающей в аппарат, м3; ратм - ат-мосферное давление, Па; Тр - рабочая температура жидкости, К; ?п - концентрация паров жидкости в аппарате, об. доли; М - молекулярная масса жидкости, кг/кмоль; R = 8314,31 Дж/(кмоль·К) - универсальная газовая постоянная.

Количество паров, которое может выйти из аппарата за один цикл «малого» дыхания соответствует значению определенного по формуле 8, т.к. температура в аппарате и в помещении принимаем +37 ⁰С.

Объем взрывоопасной зоны вблизи места выхода паров (газа) определяется по формуле:

V_вок = Gn/ н^* x К_б(12)

где Vвок - объем взрывоопасной зоны, м³; н * - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м³.

Объем взрывоопасной зоны вблизи места выхода паров по формуле 12

Общий вывод: 1. При эксплуатации закрытых аппаратов п.п. 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 и емкостей, находящихся под давлением горючими газами и парами ЛВЖ 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.

2. Промежуточную емкость стирола п. 8. Концентрация насыщенного пара меньше нижнего концентрационного предела распространения пламени при рабочей температуре равной 25 ⁰С.

3. Емкости поз. 1, 14 при расчетной температуре, принимаемой согласно СНиП 2.01.01-82 (максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе (Москва) tр = 37 ° С) представляют пожарную опасность. Концентрация насыщенного пара больше нижнего КПР (1,63% больше 1,1%) стирола.

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

Аппараты и трубопроводы могут повреждаться от образования повышенных против норм давлений; появления динамических воздействий; образования высоких температурных напряжений в материале стенок или от изменения прочностных свойств материала в результате воздействия высоких и низких температур; коррозии материала стенок или эрозии (механического истирания стенок).

Эту общую схему анализа причин повреждений применить к аппаратам поз. 6, 7, 8 - 72 варианта курсового проекта, причем можно идти двумя путями: либо все выявленные причины повреждений аппаратов рассматривать для каждого аппарата своего варианта задания, либо каждую причину повреждений рассматривать для всех аппаратов, а затем переходить к следующей причине.

Независимо от избранного пути должны предлагаться соответствующие меры защиты от выявленных повреждений. В качестве примера рассмотрим схему, когда названные причины повреждений рассматриваются применительно ко всем аппаратам варианта курсового проекта. Принимаем схему, когда названные причины повреждений рассматриваются применительно ко всем аппаратам варианта курсового проекта.

Аппараты и трубопроводы могут повреждаться по следующим причинам:

Образование повышенного давления в аппаратах. При исследовании возможности образования повышенного давления в аппаратах устанавливаем:

1. Есть причины, приводящие к нарушению материального баланса в реакторе стирола из-за образования пробок в кожухотрубном холодильнике-конденсаторе поз.6.

В холодильнике-конденсаторе могут происходить явления которые приводят к нарушению нормального процесса конденсации паров. Такие явления могут происходить в результате нарушения нормального процесса охлаждения этилбензола в холодильнике при уменьшении количества подаваемой холодной воды или при сильном загрязнении теплообменной поверхности трубок отложениями, а также при уменьшении количества циркулирующего в системе этилбензола.

Приращение давления в аппарате при наличии в нем отложений или пробок определяется по формуле:

ДР = (лl/d)сu2/2, (13)

где, л - коэффициент трения при движении продукта по трубе; d=35мм - диаметр трубы; с=34,44 кг/куб.м - плотность вещества; u=2м/с - скорость потока; l=3м - длина трубопровода.

л находим по формуле

2. Могут быть явления, вызывающие повышение температурного режима работы в промежуточной емкости п.8 (повышение температуры поступающего в аппарат вещества, повышение температуры подогрева аппарата, ухудшение процесса охлаждения аппарата).

Определим расчетом, на какую величину может повыситься давление в полностью заполненных аппаратах с стиролом при повышении температуры на определенную величину:

Д=( в -3 б )/ всж х Дt =(14)

где в=210 - коэффициент объемного расширения жидкости; всж=131м²/Н - коэффициент объемного сжатия жидкости, Па-1; б=17х10⁶- коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата, К-1; Дt=10⁰С - изменение температуры в аппарате, оС.

Общее давление в аппарате будет:

робщ = рраб + Др=, (15)

где рраб ? рабочее (начальное) давление жидкости в аппарате, МПа; Др ? приращение давления, МПа.

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 = 0,035 м;

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 = 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». По условиям задания - температурный компенсатор на поз.6 предусмотрен.

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

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.