4. Анализ возможных причин повреждений аппаратов и разработка необходимых средств защиты

• Рассмотрим характерные причины образования повышенных давлений для рассматриваемых аппаратов.

Резервуар с этилбензолом. Из причин нарушения материального баланса наиболее вероятными могут быть: увеличение интенсивности закачки этилбензола, при которой дыхательная система не будет успевать выбрасывать наружу паровоздушную смесь.

Уменьшение пропускной способности дыхательной системы в результате прилипания или примерзания дыхательного клапана.

Уменьшение пропускной способности дыхательной системы в результате ее загрязнения или обледенения насадки огнепреградителя.

Это может привести к опасному вакууму в резервуаре при откачке жидкости.

Кроме того, это может привести и к смятию стенок.

Нарушение материального баланса может произойти при переполнении резервуара жидкостью в результате отсутствия или неисправности измерителей уровня.

Повышение давления в резервуаре может быть при нагреве стенок солнечной энергией, если дыхательная линия не обеспечивает отвод паровоздушной смеси.

Из защитных устройств в задании только наличие дыхательного клапана на резервуаре.

Поэтому можно предложить дополнительно установить:

• измеритель уровня с автоматическим отключением питающего насоса при верхнем наливе и расходного насоса при изменении нижнего уровня жидкости;

• гидравлический предохранительный клапан;

• корпус резервуара должен быть окрашен в белый цвет.

Скорость закачки и сроки проверки дыхательного клапана, предохранительного гидравлического клапана и огнепреградителя должны быть указаны в инструкции технологического регламента, и строго соблюдаться.

Трубчатый реактор – в топочном пространстве реактора могут быть взрывы при розжиге, если отсутствовала продувка или нарушалась последовательность операции розжига, то же может быть при внезапном погасании факела пламени и последующем возобновлении подачи топлива. Во избежание этого необходимо иметь специальные запальники для розжига горелок, автоматическую систему поджигания погасшего факела пламени или перекрывания задвижки на топливной линии, продувать топку (как было сказано выше). Топка должна быть защищена от разрушения при взрыве откидным или мембранным клапаном.

Внутри трубок реактора давление может повыситься при увеличении подачи паров этилбензола, повышения сопротивления насадки катализатора при отложении полимеров, твердых продуктов разложения, дробления зерен катализатора и т.п. Отвод продукта из реактора может уменьшиться при образовании пробок в отводящей линии, при прекращении процесса конденсации паров в конденсаторах-холодильниках. Давление повысится при более интенсивном разложении паров этилбензола в результате повышения температурного режима работы реактора.

Во избежание этого необходимо регулировать температурный режим работы реактора в зависимости от подачи газа в горелки, количества подаваемого в реактор сырья. Необходимо контролировать или автоматически регулировать подачу хладоагента в холодильники-конденсаторы. Катализатор в установленные сроки должен подвергаться регенерации (выжигание отложений) и освобождению от пыли. Корпус реактора необходимо защитить предохранительным клапаном. Пропускная способность клапана (G, кг/ч) должна соответствовать максимальной производительности реактора.

Так как производительность реактора по заданию равна 1500 кг/ч, то площадь сечения предохранительного клапана будет равна:

G_кл =1,59·μ·f·B·√(Р₁-Р₂)·γ , где

μ – коэффициент расхода, можно принять 0,85;

f – площадь сечения клапана, мм;

P₁ – давление перед клапаном, согласно заданию равно 2,5 кг/см²;

(P_раб=2 кг/см² и 0,5 кг/м^2, превышение давления при срабатывании клапана согласно «Правил устройства и эксплуатации сосудов, работающих под давлением»)*

P₂ - давление после клапана. С учетом преодоления сопротивления линии отвода паров, примем P₂ равным 0,5 кг/см²;

γ – удельная масса паров при P₁ и t_раб

γ = γ₀·( T₀/ T_раб)·( P_раб/ P₀) = (108/22.4)·(273/273·630)·(2,5/1) = 3,3 кг/м³;

B – коэффициент при указанных Р₁ и Р₂ и К=1,41, равной 0,541.

Тогда

f = 1500/1,59·0,85·0,541·√(2,5-0,5)∙3,3 = 795 мм²

Диаметр отверстия клапана будет равен:

d = √4 f/π = 2√795/3,14 = 50 мм.

Отводная линия от клапана должна быть выведена на свечу или на заводской факел.

Попадание жидкого этилбензола в реактор и опасность от быстрого вскипания не является специфическим случаем, так как перед реактором находятся испаритель и перегреватель паров этилбензола.

Ректификационная колонна – повышение давления от нарушения материального баланса может быть в результате подачи увеличенного количества начальной смеси в колонну или при уменьшении пропускной способности линии, отводящей пары из колонны на конденсацию (образование полимерных пробок). Давление повысится при более интенсивном испарении раствора в результате подачи более нагретой в подогревателе начальной смеси, усиленного подогрева остатка в нижней части колонны, а также повышения температуры в результате теплоты химической реакции стирола, скорость которой увеличивается при повышении температуры в колонне. Рост давления приводит к увеличению температуры в колонне, увеличение температуры к сильному ускорению процесса полимеризации стирола, выделению еще большего количества тепла и росту давления.

Повышение температуры, а, следовательно, и давления, произойдет при нарушении конденсации паров в конденсаторе или остановке вакуум-компрессора. К этому же результату приведет наличие полимерных пробок на тарелках внутри колонны.

Можно определить насколько увеличится температура в колонне (∆t), если в результате уменьшения подачи холодной воды в аппараты нарушится процесс конденсации на 50% в течение 12 мин.

∆t = G_р∙(R+1)∙k·δ_Р ∙τ /G_н.с·c_н.с. + G_р· R·(1-k)·c_р

G_р – производительность колонны по ректификату, равная 1000 кг/ч;

R – флегмовое число колонны, в нашем случае 5;

k – коэффициент неполноты конденсации, по условию равный 0,5;

δ_Р – удельная теплота конденсации паров стирола, ккал/кг;

τ – время, в течение которого процесс конденсации нарушен, по условию 0,2 ч;

G_н.с – производительность колонны по начальной смеси, равная 1300 кг/ч;

c_н.с, c_р – удельная теплоемкость соответственно сырого стирола и паров, ккал/кг·⁰С.

Подставляя, получим:

∆t = 1000·(5+1)·0,5·150∙0,2/ 1300∙0,3 + 1000·(1-0,5)∙0,4 = 45⁰С

Тогда температура в верхней части колонны будет t = t_раб + ∆t = 45+45=90, т.е. температура верха колонны возрастет в 2 раза, соответственно сильно увеличится скорость химической реакции полимеризации, еще сильнее возрастет температура и давление.

Опасность от попадания воды или другой легкокипящей жидкости в нижнюю часть колонны не является характерной, т.к. температура низа колонны только 100⁰С.

Помимо указанных в задании мер защиты колонны (подача ингибитора в стирол-сырец (линия 17), выносные кипятильники для подогрева низа колонны) необходимо осуществить: автоматическое регулирование подачи начальной смеси в колонну, автоматическое регулирование температурного режима верха и низа колонны, а также процесса конденсации паров стирола и работы вакуум-компрессора. Колонна должна быть защищена предохранительным клапаном. Необходимо строго соблюдать установленные сроки очистки от отложений полимеров конструкции колонны, подогревателя, кипятильника, конденсатор-холодильника и трубопроводов.

Повреждение корпуса колонны приведет к подсосу воздуха внутрь ее, повысится давление, ускорится процесс полимеризации стирола, и вновь будет расти температура и давление. При сильных повреждениях, сопровождающихся подсосом большого количества воздуха, не исключена возможность образования внутри системы взрывоопасных концентраций. Для осуществления контроля за герметичностью колонны необходимо систематически брать пробы из нагнетательной линии компрессора на присутствие в отсасываемых продуктах кислорода воздуха.

• Характерные причины динамических воздействий

В нашем случае динамические воздействия в виде гидравлических ударов и вибраций могут иметь место при работе насосов и компрессоров.

Гидравлические удары от резкого изменения давления (производительности), быстрого перекрытия задвижек на линию. Так, например, сила гидравлического удара при быстром закрытии задвижки на нагнетательной линии насоса, имеющей диаметр 100 мм и толщину 4 мм. Скорость движения этилбензола по линии 2 м/с.

Увеличение давления в линии при гидравлическом ударе будет:

∆P=( γ/g)∙C·∆w , где

γ – удельная масса жидкости. В нашем случае 870 кг/м³;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

C – скорость распространения ударной волны, м/с;

∆w – уменьшение скорости движения при торможении струи. По заданию уменьшение скорости равно 2 м/с.

Скорость распространения ударной волны определяется по формуле:

С=

g·E_ж

γ∙(1+d/δ· E_ж / E

Где

E_ж – модуль упругости жидкости, кг/м². Для этилбензола равен 12600·10⁴ кг/м²;

E – модуль упругости стали, равный 2,1·10⁶ ·10⁴, кг/м²;

d – диаметр (внутренний) трубы, по условию равен 100 мм или 0,1 м;

δ – толщина стенки трубы, по условию равна 4 мм или 0,004 м.

Подставляя все значения, получим, что С=754 м/с.

Тогда ∆P = (870/9,81)·754·2 = 134000кг/м² или 13,4 кг/см².

Такое увеличение давления может быть опасным для трубопровода, нормально работающего при давлении 1,5 атм.

Для компрессоров особенно опасно попадание в цилиндры жидкости вместе с газом и прекращение расхода газа потребителем, т.к. поршневой компрессор может работать на себя.

Вибрация насосов, компрессоров и трубопроводов, соединяющихся с ними, возникают от резко изменяющегося давления, от наличия плохой центровки валов и плохого крепления трубопроводов.

Для уменьшения этой опасности:

1. необходимо плавно перекрывать задвижки на линиях;

2. плавно увеличивать и снижать давление при пуске и остановке линии;

3. на компрессоре иметь перепускной клапан между нагнетательной и всасывающей линиями.

4. Агрегаты должны иметь самостоятельные фундаменты.

5. Трубопроводы должны быть надежно закреплены.

6. Постоянство давления должно обеспечиваться автоматическими регулированием, а также должны быть установлены манометры.