Разработка необходимых средств защиты
Подавляющее большинство процессов полимеризации протекает со значительным тепловым эффектом. Для обеспечения оптимальных температурных условий реакторы охлаждаются. Охлаждение может осуществляться различными способами, например, циркуляцией непревращенного сырья (мономера) или путем дозировки мономера, а также отводом тепла через теплообменную поверхность. При охлаждении реакционной смеси полимеризатора путем циркуляции мономера через выносной холодильник (полимеризация этилена методом низкого давления) для поддержания заданной температуры необходимо автоматически регулировать скорость циркуляции мономера и хладоагента.
Наиболее частой причиной аварий и повреждений реакторов является нарушение температурного режима и рост давления в результате уменьшения отвода избыточного тепла реакции. Особенностью процессов полимеризации является изменение вязкости реагирующей среды по мере накопления продуктов реакции. Это наиболее характерно для блочной полимеризации, в конце которой образуется расплав полимера, обладающий большой вязкостью. Вязкость реакционной среды может изменяться в широких пределах (от 0,005 до 500 Па-с). Это затрудняет теплообмен в реакторах, так как коэффициент теплопередачи с увеличением вязкости среды в течение процесса будет уменьшаться. Кроме того, реакционные среды, находящиеся в полимеризаторах, сами по себе обладают малой теплопроводностью. С этим связаны возможные перегревы реакционной среды, повышение давления, нарушение герметичности и повреждения. В некоторых случаях перегрев реакционной среды может привести к взрыву. Наблюдались случаи взрывного разложения этилена при блочной полимеризации методом высокого давления.
Одной из причин повреждения аппаратов является образование в них повышенных давлений. Так, в полимеризаторе, давление может повыситься из-за увеличения интенсивной закачки, уменьшения пропускной способности системы, переполнение резервуара жидкостью из-за отсутствия или неисправностей измерителей уровня, образованием полимерных пробок (пленок) на стенках аппаратов, трубопроводах, использования недоочищеного мономера (примеси значительно ускоряют ход реакции, делают ее неуправляемой), изменения уровня подачи мономера, неисправностью системы дозирования исходных реагентов и катализатора.
В сборнике суспензии повышенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата суспензией). Это может произойти при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Пропускная способность дыхательных линий и установленных на них дыхательных клапанов должна соответствовать скорости закачки.
Процесс полимеризации протекает с высоким тепловым эффектом. На стенках аппаратов образуется полимерная пленка, ухудшающая теплообмен. Поэтому необходимо предусмотреть периодическую очистку полимеризатора механическим способом. Операция очистки также может представлять значительную пожарную опасность, так как связана с частичным разложением полимера, применением ЛВЖ и использованием дополнительного оборудования для подогрева и хранения горючих растворителей. Во избежание повышения давления в реакторах линии после реактора необходимо промывать, очищать от отложений. Предохранительные клапаны и вентили ручного стравливания обрабатывать ингибиторами.
В рассматриваемом случае используется металлоорганический катализатор, поэтому предлагается исходные вещества предварительно осушать и освобождать от свободного кислорода.
Повышение давления в газовой линии может произойти из-за попадания в них жидкости (газового дистиллята, водяного конденсата), образующей пробки в коленах, изгибах, что в свою очередь может вызвать гидравлический удар.
Аппараты и трубопроводы могут повреждаться от образования повышенных против норм давлений; появления динамических воздействий; образования температурных напряжений в материале стенок; коррозии материала стенок или эрозии (механического истирания стенок).
Образование повышенного давления в аппаратах может иметь место на производстве при нарушении технологического режима, при недостаточном контроле за технологическим процессом, при неисправности контрольно-измерительных приборов и защитной автоматики.
Гидравлические удары возникают обычно в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосом жидкости, при резком изменении давления на каком-либо участке трубопровода.
Повреждение технологического производственного оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.
Нормальная работа и герметичность насоса обеспечивается системой охлаждения и смазки, предназначенной для отвода выделяющегося тепла и уменьшения силы трения и износа деталей от трения. Неисправности и повреждения насоса в виде нарушения герметичности уплотнений или разрушения деталей могут быть вследствие вибрации, трения, износа, ослабления соединений, перекоса валов.
Во избежание неисправностей необходимо: осуществлять систематический контроль за герметичностью уплотнений; предотвращать вибрацию насоса путем тщательной регулировки, устройства массивного фундамента; применение торцевого уплотнения (задано по исходным условиям); устройство перепускной линии (со стороны нагнетания на всасывание) и предохранительного клапана; при возможности устройство насосной открытого типа, обеспечивающего рассеивание горючих паров.
Для предотвращения последствий коррозии необходимо проводить планово-предупредительные профилактические осмотры стенок аппаратов, трубопроводов, нагревательных процессов. Необходимо строго следить за соблюдением технологического режима работы. Также необходим контроль за фланцевыми соединениями циркуляционных линий. Необходима установка измерительной аппаратуры над давлением, температурой, расходом и поступлением веществ. Для предотвращения переполнения технологического оборудования целесообразно установить автоматическую систему прекращения подачи исходных реагентов, отключающие насосы и питающие линии, систему сигнализации и связи между наполняемыми аппаратами и операторными. Во избежание конденсации паров газовые линии защитить теплоизоляцией, а в наиболее низких участках установить сборник конденсата. От облучения внешними источниками тепла полимеризатор защитить окрашиванием в теплоотражающий белый цвет.
При авариях и повреждениях аппаратов и трубопроводов из них выходят горючие газы или пары, что может привести к образованию пожаровзрывоопасных смесей, как в производственном помещении, так и на открытых площадках.
При аварии полимеризатора произойдет разлив растворителя (смесь бензина и циклогексана).
Также при аварии емкости сборника суспензии произойдет разлив бензина Б-70.
Необходимо предусмотреть автоматическое перекрывание трубопроводов, чтобы уменьшить количество вытекаемой жидкости из аппаратов (8, 19). При необходимости выполнить аварийный слив суспензии из сборника.
Следствием неисправности и повреждения суспензионного насоса может быть выход бензина Б-70 в помещение насосной.
В насосной предусмотреть автоматическую систему обнаружения опасных концентраций горючих паров и газов в воздухе помещения с использованием сигнализаторов. В этом случае по аварийному сигналу включается аварийная вентиляция, отключается подача электроэнергии, перекрываются электрофицированные задвижки.
Произведем расчет необходимого сечения предохранительного клапана полимеризатора:
Сброс среды при срабатывании предохранительного клапана (ПК) производится в специальную закрытую систему (так как необходимо предотвратить опасность загазованности территории технологических установок и воздействия ядовитых и вредных веществ на окружающую среду и людей.
Принимаем избыточное давление срабатывания ПК по известному избыточному давлению в аппарате:
Рап = 0,36 Мпа
При 0,3 ≤Рап < 6 рср.и. = 1,15·Рап = 1,15·0,36 = 0,414 МПа
Определим плотность среды в аппарате при давлении срабатывания предохранительного клапана и рабочей температуре:
Рt = 120.27 ·V· рср / (tр + 273) = 120,27·13,2·0,36/(75+273) = 1,64 кг/м куб.
Зададим давление на входе в отводящий трубопровод Рвх (на выходе из отводящего патрубка ПК)
Рвх = Рс
Рс = 0,15 Мпа = Рвх
4. Определим соотношение
Рвх.и / Рср.и. = 0,05/0,437 = 1,15
Рвх.и = Рвх – 0,1 Мпа – избыточное давление среды в отводящем трубопроводе, Мпа.
Показатель адиабаты k среды, выходящей через ПК из аппарата, будет равен 1,29.
Коэффициент В = 0,508
Определим необходимую площадь проходного сечения предохранительного клапана (пропускную способность):
F = 7.142·10-4 · Gmax / φ·В√( Рср - Рвх) ·ρt
Gmax = 2500 кг/ч = 0,7 кг/с
F = 7,142·10-4 ·0,7/0,1650,508·√(0,437-0,15)·5,49 = 4,75·10-3