Пожарная безопасность технологических процессов / Shvyrkov - PB tekhnologicheskikh processov 2012

очисткой теплообменных поверхностей от отложений как со стороны тепло- и хладоносителей, так и со стороны химических реагентов;

очисткой линий отвода продуктов реакций, систем стравливания избыточного давления, труб обратных холодильников от полимерных отложений;

применением коррозионно-стойких материалов и защитой материала оборудования от коррозии;

устройством систем аварийной эвакуации продуктов.

21.4. Процессы крекинга и пиролиза и оборудование для их проведения

Крекинг (буквально расщепление молекул) – процесс термической или термокаталитической переработки нефтяных фракций в целях увеличения выхода легких фракций, улучшения качества моторных и котельных топлив и получения сырья для химической промышленности. Расщепление молекул углеводородов происходит при температуре около 500 °С, протекает хаотично, неупорядоченно, что приводит к образованию большого количества побочных продуктов и снижению выхода целевых продуктов. В связи с этим для управления процессом применяют повышенное до 4–6 МПа давление (термический крекинг), катализаторы (каталитический крекинг), а также проводят процесс каталитического крекинга в присутствии водорода (гидрокрекинг, риформинг и другие процессы).

В качестве сырья установок термического крекинга обычно используются мазут и гудрон, каталитического крекинга – вакуумный газойль и дизельные фракции, гидрокрекинга – любые нефтяные фракции (от бензина до гудрона). На рис. 21.3 показана принципиальная технологическая схема установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем циркулирующего микросферического катализатора, реактором и регенератором непрерывного действия, которая предназначена для получения дополнительных количеств светлых нефтепродуктов (высокооктанового бензина и дизельного топлива из тяжелых нефтяных фракций), а также может использоваться для выработки газообразных олефиновых углеводородов (этилена, пропилена, бутиленов и амиленов), ароматических углеводородов, сырья для производства технического углерода и нафталина.

Сырье нагревается в теплообменниках и печи П-1, смешивается с циркулирующим газойлем и поступает в подъемный стояк катализаторопровода, по которому поднимается в реактор с псевдоожиженным слоем Р-1. Крекинг сырья происходит в катализаторопроводе и реакторе. Катализатор из псевдоожиженного слоя реактора опускается в отпарную зону,

291

куда подается водяной пар. С помощью пара удаляются адсорбированные поверхностью катализатора нефтяные пары. Затем катализатор поступает

вкатализаторопровод, смешивается с воздухом и поднимается воздушным потоком в регенератор Р-2. В регенераторе происходит выжигание кокса

споверхности катализатора. Регенерированный катализатор возвращается

вреактор, а дымовые газы переходят в котел дожига окиси углерода.

Рис. 21.3. Схема установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем микросферического катализатора:

К-1 – ректификационная колонна; К-2 – отпарная колонна; П-1, П-2 – печи; P-1 – реактор; Р-2 – регенератор; ПК-1 – компрессор; ПК-2 – воздуходувка; XK-1 – конденсаторхолодильник; Х-1, Х-2 – холодильники; Т-1–Т-4 – теплообменники; С-1 – сепаратор; Е-1 – емкость для воды; А-1 – котел-утилизатор; А-2 – электрофильтр; А-3 – дозер; Н-1–Н-6 – насосы; I – сырье; II – катализатор; III – бензин; IV – жирный газ; V – легкий газойль; VI – сырье для производства технического углерода; VII – вода; VIII – воздух; IX – водяной пар; X – дымовые газы; XI – топливный газ;

XII – циркулирующее орошение К-1

Пары продуктов реакции с верха реактора поступают в нижнюю часть ректификационной колонны К-1, где первоначально очищаются от катализаторной пыли за счет промывки жидким остатком. С верха колонны в конденсатор-холодильник ХК-1 поступают газ, пары бензина и водяной пар. После конденсации продукты в сепараторе С-1 разделяются: бензин и газ самостоятельными потоками подаются в газовый блок, а вода сбрасывается в канализацию. Газ перед подачей в газовый блок сжимается компрессором ПК-1.

292

Вколонне К-1 отбираются два боковых погона, которые поступают

вотпарную колонну К-2 для удаления легких фракций. Затем боковые погоны (фракции 195–280 оС и 280–420 °С) через теплообменники и холодильники уходят с установки. С низа К-1 в реактор возвращается тяжелый газойль-рециркулят. Газовый блок установки (на схеме не показан) состоит из секции сероочистки и компримирования газа, абсорбции и стабилизации бензина. Очистка газа от сернистых соединений проводится раствором моноэтаноламина, абсорбция – холодным стабильным бензином.

Показатели технологического режима установки:

температура, оС:

вреакторе………………………………. 490;

врегенераторе………………………….. 650–670; внизу колонны К-1……………………... 280;

кратность циркуляции катализатора………..6,8. Продукция установки каталитического крекинга:

1)углеводородный газ: содержит 80–90 % (масс.) пропан-пропилено- вой и бутан-бутиленовой фракций; направляется для разделения на газофракционирующие установки (полученные после разделения фракции используются в процессах алкилирования, полимеризации, для производства дивинила, изопрена, этилена, пропилена, полиизобутилена, ионола, метилэтилкетона и других нефтехимических продуктов);

2)бензиновая фракция (температура конца кипения 195 °С): применяется как компонент автомобильного и авиационного бензина (октановое число по исследовательскому методу 87–93); содержание углеводородов

в% (масс.): ароматических – 20–30; непредельных – 8–15; нафтеновых –

7–15; парафиновых – 45–50;

3)дизельная фракция (195–280 °С): применяется как компонент дизельного топлива (цетановое число 40–45);

4)фракция 280–420 °С: используется при получении сырья для производства технического углерода;

5)тяжелый газойль (фракция выше 420 °С): используется как компонент котельного топлива.

Пиролиз – сложный процесс, происходящий при быстром нагревании нефти и ее фракций до 650–800 оС. При пиролизе углеводородов протекают первичные реакции (расщепления и дегидрирования) и вторичные реакции (конденсации, полимеризации и дегидрирования) с образованием более легких предельных углеводородов и их изомеров, непредельных и ароматических углеводородов, а также водорода и кокса. Пиролиз проводят под давлением 0,2–0,5 МПа, которое несколько тормозит процесс, но необходимо для обеспечения требуемой производительности установки и высокой скорости движения веществ в целях уменьшения продолжительности их пребывания в зоне реакции (не более 0,7–1,5 с), чтобы исключить протекание побочных реакций.

293

В качестве сырья установок пиролиза обычно используются углеводородные газы и любые нефтяные фракции (от бензина до гудрона).

Процессы крекинга и пиролиза требуют подвода большого количества тепла, поэтому их проводят в изотермических реакторах трубчатого типа с огневым нагревом (трубчатых печах). Процессы гидрокрекинга и риформинга проводят в трубчатых печах или в адиабатических реакторах на установках с циркулирующим катализатором.

21.4.1. Особенности пожарной опасности процессов крекинга и пиролиза

1.Использование в качестве сырья углеводородных газов, различных нефтяных фракций, а также водорода.

2.Повышение пожаровзрывоопасности продуктов по сравнению с исходным сырьем.

3.Возможность образования ВОК в аппаратах установок гидрокрекинга с циркулирующим катализатором при окислительной регенерации катализатора.

4.Высокая температура процессов (500–800 °С).

5.Повышенное давление (до 6 МПа).

6.Конечные продукты реакций представляют собой смеси ГГ, паров или жидких ЛВЖ и ГЖ с водородом, для выделения целевых продуктов из которых требуется дополнительное проведение сложных и пожаровзрывоопасных физико-химических процессов.

7.Образование отложений кокса в трубах реакторов пиролиза и крекинга, а также на поверхности катализаторов.

8.Наличие открытого огня в трубчатом реакторе.

9.Механические, температурные и химические воздействия (в первую очередь водородная коррозия) на материал оборудования.

21.4.2. Основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов крекинга и пиролиза

Пожарную безопасность процессов крекинга и пиролиза обеспечивают следующими способами и техническими решениями или их комбинацией:

автоматическим контролем и регулированием расхода сырья, окислителя на регенерацию катализатора и концентрации в нем кислорода, водорода при гидрокрекинге;

автоматическим контролем и регулированием температуры процесса и труб в изотермическом реакторе, сырья, поступающего в адиабатический реактор, процесса в регенераторе;

294

автоматическими блокировками, отключающими подачу компонентов при опасном отклонении технологических параметров от нормального уровня (с одновременной подачей инертного газа в регенератор);

контролем давления и устройством предохранительных клапанов;

контролем температуры труб в трубчатом реакторе;

устройством температурных компенсаторов;

очисткой теплообменных поверхностей от отложений кокса;

применением коррозионно-стойких материалов и защитой материала оборудования от коррозии;

устройством систем аварийной эвакуации продуктов;

применением тех же способов обеспечения пожарной безопасности, что и при эксплуатации трубчатых печей.

21.5. Процессы дегидрирования и оборудование для их проведения. Способы обеспечения противопожарной защиты

Дегидрирование – отщепления водорода от углеводородов и других органических соединений. Процессы дегидрирования парафиновых углеводородов осуществляются в присутствии катализаторов при температурах 450–580 оС и давлении 0,1–0,7 МПа в целях получения олефиновых и ароматических углеводородов. Процессы дегидрирования спиртов осуществляются в присутствии катализаторов при температурах 275–400 оС и небольшом избыточном давлении в целях получения альдегидов и кетонов.

Процессы дегидрирования равновесные и обратимые. Они проводятся в парогазовой фазе, требуют подвода большого количества тепла и реализуются при дегидрировании спиртов в трубчатых реакторах, обогреваемых топочными газами, а при дегидрировании парафинов – в адиабатических реакторах на установках с циркулирующим катализатором. В процессах дегидрирования парафинов на поверхности катализаторов постепенно отлагаются кокс и смолистые вещества, образующиеся при частичном разложении сырья и продуктов реакции, что требует их периодической регенерации.

Химизм процесса дегидрирования спиртов рассмотрим на примере получения ацетальдегида дегидрированием этилового спирта в присутствии медных катализаторов:

– Q8.

Для увеличения срока службы катализаторов используются различные

295

добавки, например, цинк, хром. Стабильным катализатором является медь с добавками 5%-ной окиси кобальта и 2%-ной окиси хрома, нанесенная на асбест. В присутствии этого катализатора процесс проводится при сравнительно низких температурах (275–300 °С). Производительность катализатора по ацетальдегиду около 0,9 кг/(кг катализатора ч). Степень превращения спирта в этих условиях составляет 35–50 % за проход.

Контактный газ состоит в основном из паров ацетальдегида и водорода (мольное соотношение 1:1), в связи с чем выделение из него ацетальдегида не приводит к большим потерям. Кроме того, при дегидрировании этилового спирта образуется ценный побочный продукт – этилацетат (9–10 % от массы ацетальдегида).

Технологическая схема процесса представлена на рис. 21.4. Предварительно нагретые до температуры реакции пары этилового спирта поступают в адиабатический реактор I, наполненный катализатором, откуда реакционная масса направляется в промывные колонны 2, орошаемые водой и разбавленным спиртом.

Рис. 21.4. Схема производства ацетальдегида дегидрированием этилового спирта: 1 – реактор; 2 – промывные колонны; 3 – колонна выделения ацетальдегида;

4 – колонна выделения спирта; I – пары спирта; II – вода; III – водород; IV – разбавленный спирт; V – ацетальдегид; VI – 95%-й этиловый спирт; VII – отходы

В колоннах ацетальдегид и непрореагировавший спирт отделяются от водорода и небольших количеств СО и СО2, образовавшихся в ходе реакции. Далее смесь ацетальдегида, спирта и воды разделяется в ректификационных колоннах 3 и 4. Выделенный спирт возвращается в реактор.

С выходом, равным 90 %, ацетальдегид получают в промышленных условиях при использовании медно-хромового катализатора при атмосферном давлении и температуре около 300 °C.

296

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов дегидрирования во многом схожи с пожарной опасностью и способами обеспечения пожарной безопасности процессов каталитического крекинга с учетом более «мягких» технологических параметров при проведении процессов дегидрирования.

Контрольные вопросы

1.На какие группы разделяются все химические процессы?

2.Назовите процессы, относящиеся к экзотермическим химическим процессам.

3.Назовите процессы, относящиеся к эндотермическим химическим процессам.

4.Какие аппараты относятся к химическим реакторам?

5.Классификация химических реакторов.

6.Чем определяется пожарная опасность химических процессов и реакторов?

7.Сущность процессов гидрирования и гидрохлорирования.

8.Особенности пожарной опасности процессов гидрирования и гидрохлорирования.

9.Назовите основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов гидрирования и гидрохлорирования.

10.Сущность процессов полимеризации и поликонденсации.

11.Особенности пожарной опасности процессов полимеризации и поликонденсации.

12.Назовите основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов полимеризации и поликонденсации.

13.Сущность процессов крекинга и пиролиза.

14.Особенности пожарной опасности процессов крекинга и пиролиза.

15.Назовите основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов крекинга и пиролиза.

16.Сущность процессов дегидрирования.

17.Особенности пожарной опасности процессов дегидрирования.

18.Назовите основные способы и технические решения по противопожарной защите процессов дегидрирования.

297

Глава 22

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

22.1. Общие сведения о технологии машиностроительных производств

Исторически машина возникла из простого орудия труда. В общем случае рабочая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов. Основой рабочей машины является исполнительный механизм. Получив соответствующее движение, он совершает операции, которые раньше выполнялись вручную. Поэтому исполнительный механизм предопределяет целевое назначение рабочей машины.

Двигательный и передаточный механизмы обеспечивают движение исполнительного механизма, которое необходимо для совершения им работы. Каждый из основных механизмов машины имеет отдельные элементы: зубчатые, червячные, винтовые и ременные передачи; кривошип- но-шатунные, пневматические, гидравлические и другие механизмы. Но главным элементом машины является деталь, для изготовления которой необходимо иметь соответствующую заготовку, а следовательно, и соответствующую технологию ее изготовления.

В современном машиностроительном производстве одним из важнейших является вопрос выбора заготовок и способов их получения. Решение этого вопроса влияет на производительность труда и себестоимость конечной продукции (машины, станки и т. п.).

Заготовки разделяют на следующие виды:

отливки из металлов (чугуна, стали, цветных металлов), получаемые путем литья в формах;

поковки и штамповки из металлов, получаемые путем кузнечнопрессовых операций;

сортопрокат из черных и цветных металлов, получаемый путем горячекатаных и холоднотянутых операций;

сварные металлические заготовки, получаемые сваркой;

неметаллические конструкционные материалы (пластмассы, дерево, резина и др.), получаемые путем прессования, литья, механической обработки и т. п.

Типовая структурно-логическая схема технологии производственных цехов машиностроительного предприятия (рис. 22.1) состоит из трех основных самостоятельных на начальном этапе технологических линий, которые отличаются друг от друга видом используемого сырья, поступающего на машиностроительное предприятие.

298

Первая линия в головной части включает литейный цех, где в качестве сырья используется металл в виде слитков, поступающих с металлургических заводов.

Вторая линия, которая характерна для крупных машиностроительных предприятий, включает прокатный цех, где в качестве сырья используется металл в виде блюмов и слябов, поступающих также с металлургических заводов.

Третья линия включает технологические процессы, связанные с механической обработкой древесины, где в качестве сырья используется лес-кругляк.

Статистика пожаров, происшедших на машиностроительных предприятиях, свидетельствует о том, что наиболее опасными в пожарном отношении являются литейный, термический, деревообрабатывающий

иокрасочный цеха. Процессы деревообработки (механическая обработка древесины) и процессы окраски подробно рассмотрены в 15 и 19 главах, поэтому остановимся только на технологических процессах литейного

итермического цехов.

22.2. Сущность технологии литейного производства

Литейное производство, являясь одной из важнейших отраслей машиностроения, определяет уровень его развития. Литейное производство основано на получении заготовок или готовых деталей машин путем заливки жидкого металла в литейные формы, которые могут быть разовыми (из формовочных и стержневых смесей) и постоянными (из чугуна, стали и других материалов).

Заготовки деталей машин (фасонные отливки), а также готовые детали машин отливают из чугуна, стали, медных, алюминиевых, магниевых и других сплавов. Вес отливок может быть от нескольких граммов до сотен тонн.

Методом литья можно получить фасонные детали сложной конфигурации, которые с помощью других способов производства (ковки, штамповки, сварки) изготовить невозможно. В машиностроении около 50 % всех деталей изготовляют литьем.

Классификация основных видов литейного производства представлена в виде схемы на рис. 22.2.

Влитейном производстве около 95 % всех отливок изготовляют

вразовых формах, которые служат только один раз и разрушаются при извлечении из нее готовой отливки. Этот способ производства отливок является наиболее пожароопасным.

Схема технологического процесса получения отливок в разовых формах показана на рис. 22.3.

300