Абсорбция. Предотвращение источников техногенной чрезвычайной ситуации

ВВЕДЕНИЕ 

На промышленных предприятиях приходиться осуществлять не только разделение растворов на составляющие их компонентов, но и процессы разделения газовых и паровых  смесей. 

Для разделения газовых и паровых смесей чаще всего используют сорбционные процессы. В основе сорбционных процессов лежит избирательная способность к поглощению отдельных компонентов смеси. 

Сорбция - поглощение газов, паров и растворенных веществ  твердыми телами и жидкостями. Виды сорбции: 

- адсорбция; 

- абсорбция; 

- хемосорбция; 

- капиллярная  конденсация. 

Адсорбция - процесс  поглощения одного или нескольких компонентов  из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. 

Абсорбция - процесс  поглощения паров или газов из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями - абсорбентами. 

Хемосорбция - поглощение одного вещества другими, сопровождающиеся химической реакцией (поглощение аммиака  водой, поглощение влаги и кислорода  металлами). 

Капиллярная конденсация - паров в микропористых сорбентах (она происходит вследствие того, что давление паров над вогнутым мениском жидкости в смачиваемых ею узких капиллярах меньше, чем давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости при той же температуре). 

Смесь паров  или газов, направляемых на абсорбцию  или адсорбцию называют абсорбтивом или адсорбтивом, а вещества используемые как поглотитель называют абсорбентом или адсорбентом. 

Рекуперация - метод  улавливания или выделения органических растворителей с целью их повторного использования. 

Процессы абсорбции  применяются для: 

- извлечения  ценных компонентов из газовых  смесей; 

- санитарной  очистки выпускаемых в атмосферу  отходящих газов от сернистого  ангидрида; 

- как основная  технологическая стадия ряда  важнейших производственных процессов  (например: абсорбция серного ангидрида в производстве серной кислоты и т.д.). 

Абсорбенты обладают свойством селективности (изберательности) (каждый абсорбент лучше всего  поглощает какие-то определенные газы и пары; другие составляющие газовой  смеси им не поглощаются совсем или  поглощаются незначительно. 

Движущей силой, обуславливающей растворение газа или пара в абсорбенте, является разность концентраций его в растворе и над жидкостью (если концентрация в газовой фазе компонента, который  улавливает, больше, чем в жидкости, значит идет процесс растворения, в противном случае поглощенный компонент будет выделяться из абсорбента). 

Равновестность  этой системы при постоянных давлении и температуре определяется законом  Генри, в соответствии с которым  растворимость газа пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью: 

где: Ха - молярная концентрация газа; 

- коэфициент  Генри, зависящий от свойств  газа и жидкости;  

Ра - парциальное  давление газа над жидкостью. 

Процессы абсорбции, как правило, экзотермичны. Выделяющееся тепло будет повышать температуру процесса, что вызывает снижение поглотительной способности жидкости и условия абсорбции будут ухудшаться. С повышением давления растворимость газа в жидкости увеличивается, следовательно условия абсорбции будут улучшаться. Оптимальные условия ведения процесса абсорбции: 

- пониженная  температура; 

- повышенное  давление. 

Аппараты, в которых  осуществляется процесс абсорбции, называется абсорберами или скруберами.  

Типы абсорбентов: 

- насадочные; 

- тарелочные; 

- барботажные; 

- распыливающие, разбрызгивающие. 

Конструктивно они мало чем отличаются от ректификационных колонн соответствующего типа. 

Процесс обратного  извлечения из абсорбента уловленного  компонента (процесс десорбции) осуществляется по разному: 

- из раствора - ректификацией; 

- из нестойкого  химического соединения - путем нагревания  или окисления. 

1. Краткое описание  производственного процесса 

Из смеси паров  и газов необходимое вещество можно выделить используя метод  абсорбции. При улавливании паров  этилового спирта из этилена в качестве абсорбента используется вода. 

Ниже дано описание производственного процесса абсорбционной  установки. 

Поступающая на установку по линии 1 смесь пара и  газа (этилен с парами этилового  спирта) с начальным давлением 6 МПа  подвергается охлаждению до температуры 10С в водяных кожухотрубчатых холодильниках 2. Предварительное сжатие и охлаждение начальной смеси обеспечивается в последующем более эффективным улавливанием паров из смеси газов. Из холодильника 2 смесь пара и газа поступает в два последовательно соединённых абсорбера 3. Абсорберы представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты, внутренний объём которых заполнен насадкой в виде керамических колец. В верхнюю часть последнего по ходу газа абсорбера насосом 12 подаётся регенерированный и охлаждённый в холодильнике 14 поглотитель-абсорбент - вода. Абсорбент, проходя абсорберы навстречу движению газа, поглощает из него пары бензина или спирта и в виде насыщенного раствора поступает в сборник 16. Очищенный от пара газ (природный или этилен) выходит из последнего абсорбера по линии 4 и поступает в компрессор 7, сжимается до давления необходимого для дальнейшей его переработки. Сжатый газ по линии 8 отводится из компрессорной станции. 

Насыщенный абсорбент  из ёмкости 16 насосом 15 подаётся на разделение (десорбцию) в ректификационную колонну 5. Перед поступлением на десорбцию абсорбент подогревается до температуры кипения в подогревателе 13. Ректификационная колонне 5 имеет колпачковые тарелки. Рабочее давление в колонне приведено в табл.1, температура в верхней части колонны равна температуре кипения удавливаемой жидкости (этилового спирта), температура в нижней части колонны равна температуре кипения применяемого абсорбента (воды). Нижняя часть колонны имеет подогреватели.  

Теплоносителем подогревателей ректификационной колонны 5 и подогревателя насыщенного абсорбента 13 является водяной пар. 

В ректификационной колонне 5 из абсорбента отгоняются поглощённые  им из начальной смеси пары этилового  спирта. Отогнанный, из абсорбента пар выходит из верхней части колонны и поступает на конденсацию к охлаждение в конденсатор-холодильник 6. Поглощённый конденсат этилового спирта с температурой 20 оС поступает в емкость ректификата 10. Из ёмкости 10 часть жидкости насосом 11 подается в качестве флегмы на орошение ректификационной колонны 5, остальная часть отводится на склад в ёмкости готовой продукции. 

Все основные аппараты технологической схемы размещены  на открытой площадке. Колонные аппараты (абсорберы, ректификационные колонны) и непосредственно связанные с ними аппараты, расположены на трёхэтажной, металлической этажерке, имеющей две двухмаршевые лестницы. Холодильники, подогреватели и промежуточные емкости расположены на отдельных площадках. Площадки имеют по периметру бортики высотой 15 см для защиты от растекания разлившейся жидкости. 

Параметры работы аппаратов приведены в табл. 1 и 2. 
 

Табл.1 Исходные данные об аппаратах, оборудовании и  помещении 

Позиция 

на рис.1. 

Наименование  оборудования 

Режим работы 

Размеры  
 

Р, МПа 

t, оС 

d или l, м 

h, м  

1 

Линия подачи на абсорбцию 

0,6 

20 

- 

-  

2 

Холодильник газа кожухатрубчатый 

0,6 

10 

0,8 

5  

3 

Абсорберы 

0,5 

15 

1,5 

30  

4 

Линия подачи газа к компрессору 

0,45 

15 

- 

-  

5 

Десорбер (ректификационная колонна) 

0,46 

170 

2,5 

32  

6 

Конденсатор-холодильник  кожухотрубчатый 

0,15 

20 

0,8 

5  

7 

Компрессор газовый 

2,4 

50 

- 

-  

8 

Линия сжатого  газа 

2,4 

50 

- 

-  

9 

Межступенчатый  холодильник 

2,4 

50 

- 

-  

10 

Приемник уловленного  продукта 

0,12 

15 

3 

8  

11 

Насос центробежный для подачи орошения 

0,6 

15 

- 

-  

12 

Насос для подачи абсорбента в холодильник 

0,6 

- 

- 

-  

13 

Подогреватель насыщенного абсорбента 

0,4 

170 

0,8 

5  

14 

Холодильник абсорбента 

0,6 

15 

0,3 

5  

15 

Насос для подачи абсорбента на ректификацию 

0,4 

20 

- 

-  

16 

Сборник насыщенного  абсорбента 

0,4 

20 

2 

6  
 
 

Табл.2 Исходные данные об оборудовании, подлежащем анализу  техногенной опасности 
 

№ оборудования 

исходные данные 

значение  
 

абсорбер 

Давление, МПА   

0.11  
 

Температура среды, оС  

110  
 

Диаметр, м  

2  

Высота, м 

24  

Паровой объем, % 

80  

Защита от давления 

Нет  

Средства тушения 

Нет  
 
 

Позиция 

на рис. 1 

Исходные данные 

Последняя цифра  зачетной книжки  
 

0  

Насосная станция  для сжатия природного газа 

Ширина помещения, м 

12  
 

Длина помещения, м 

24  
 

Высота помещения, м 

10  
 

Кратность вентиляции, 1/ч 

8  
 

Скорость воздуха, м/с 

0.8  

Насосная станция  для сжатия этилена 

Ширина помещения, м 

18  
 

Длина помещения, м 

24  
 

Высота помещения, м 

10  
 

Кратность вентиляции, 1/ч 

6  
 

Скорость воздуха 

0.4  
 

Общий энергетический потенциал, Е, ГДж.  

90  
 
 
 

2. Анализ пожароопасных  веществ, обращающихся в технологическом  оборудовании 

Сводная таблица  показателей опасности, применяемых в производстве веществ 
 

Вещества 

Показатель 

опасности 

Вещества обращающиеся 

в производственном процессе  

Этилен 

Этиловый спирт  

1 

5 

6  

Агрегатное состояние 

Газ 

Жид.  

Группа горючести 

Г4 

Г4  

Молекулярная  масса 

28.03 

46.069  

Температура плавления 0С 

- 

-114.15  

Температура кипения 0С 

-103.7 

78.39  

Плотность г/см3 

- 

0.7893  

Температура вспышки 

- 

13  

Стандартная энтальпия  образования, кДж/моль 

- 

-234,8 (г)  

Теплота сгорания, кДж/кг 

-1318 кДж/моль 

281,38 (г) кДж/кг  

Стандартная мольная теплоемкость Cp (298 К, Дж/моль·K)  

1,197 (г)  

Энтальпия плавления  ДHпл (кДж/моль) 

- 

4,81  

Энтальпия кипения  ДНкип (кДж/моль)  

839,3  

Температура воспламенения, 0С 

-   

Температура самовоспламенения, 0С 

435 

404  

Летальная доза (ЛД50, в мг/кг)  

9000  

Нижний концентрационный предел распространения пламени   

2.7 

3.6  

Верхний концентрационный предел распространения пламени   

34 

17.7  

Нижний температурный  предел распространения пламени, 0С 

- 

11  

Верхний температурный  предел распространения пламени 0С  

- 

41  

Температура тления 0С 

- 

-  

Условия теплового  самовозгорания 

- 

-  

Минимальная энергия  зажигания, мДж 

0.12   

Способность взрываться и гореть при взаимодействии с  водой, кислородом воздуха и др. веществами 

Взрывоопасен при взаимодействии с кислородом   

Нормальная скорость распространения пламени, м/с 

0.735   

Минимальное взрывоопасное  содержание кислорода,% 

10   

Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора, % 

42% СО2   

Максимальное  давление взрыва 

830   

Скорость нарастания давления взрыва, МПа/с  

37.7   

Класс опасности  вещества 

2 

3  

Класс опасности  и подкласс вещества 

2.3 

3.2  
 
 
 

Вывод: обращающееся в технологическом процессе вещество является взрывопожароопасным, что  свидетельствует о большой пожарной опасности данного процесса. 

3. Анализ системы  предотвращения источников техногенной  ЧС 

3.1 Определение  возможности образования горючей  среды внутри производственного  оборудования 

Заключение о  пожаровзрывоопасности газовоздушной  смеси определяется по следующей зависимости: 

Для этанола  условия образования горючей  среды: 

Для этилена: 

Внутри оборудования с жидкостью горючая среда  может образоваться только при наличии  в оборудовании свободного от жидкости объема (газового пространства), который сообщается с атмосферой и в той или иной степени насыщается парами жидкости. 

Все оборудование (и с газовой смесью, и с жидкостью) работает под избыточным давлением, поэтому подсос окислителя в исследуемом  процессе невозможен. Образование горючей  смеси может происходить на стадии формирования смеси этилена и этанола и в результате неисправности оборудования, а также ошибок оператора.  

3.2 Определение  возможности выхода горючих и  вредных веществ в воздух производственного  помещения (на открытую площадку) 

3.2.1 При нормальном  режиме функционирования 

Горючие газы, пары и жидкости выходят в производственное помещение или на открытую площадку, если технологические аппараты с  жидкостями имеют открытую поверхность  испарения или дыхательные устройства, при использовании аппаратов периодического действия, аппараты с жидкостями и газами имеют сальниковые уплотнения. Размеры образующихся наружных пожаровзрывоопасных зон определяются свойствами обращающихся в технологическом процессе производства веществ, количеством их, количеством веществ которое может выходить наружу за определенный промежуток времени; условиями выброса, растекания и рассеивания веществ в окружающей среде. 

При нормальном режиме функционирования выход веществ  наружу в производственное помещение  практически невозможен при исправности всего технологического оборудования.  

Как правило, на величину выходящих веществ в  производственное помещение оказывает  влияние и конструктивное исполнение технологического оборудования. Так, в  настоящее время оно выполнено не на достаточно высоком уровне. Поэтому пары ЛВЖ будут поступать в производственное помещение и при нормальном режиме работы. В случае недостаточно хорошей работы местных отсосов будут образовываться местные взрывоопасные зоны.

3.2.2 При повреждении производственного оборудования

Большую техногенную  опасность представляют аварии и  аварийные ситуации, при которых  горючие вещества (жидкости, газы) выходят  в производственное помещение или  на открытую площадку, растекаются  и рассеиваются по окрестности, образуя пожаровзрывоопасные зоны за пределами технологического оборудования.

Последствия повреждения  или аварии будут зависеть от:

- размеров аварии;

- пожароопасных  свойств веществ, выходящих наружу;

- давления и  температуры в аппарате.

При эксплуатации производственного оборудования возможно повреждение сальников, прокладок материала корпуса, полное разрушение аппаратов.

Если в поврежденных аппаратах находятся жидкости нагретые в условиях производства, то возможно:

- воспламенение  веществ, если они нагреты в условиях производства выше температуры самовоспламенения;

- образование  ВОК, если выходящие из аппарата  вещества нагреты ниже Тсам, но  выше t всп.

Повреждения аппаратов  и трубопроводов могут быть:

- местными (локальными);

- полными.

В первом случае через образовавшееся отверстие почти под постоянным давлением продукт в виде струй пара, газа или жидкости будет выходить наружу, а во втором - все содержимое аппарата сразу выйдет наружу и кроме того, будет продолжаться истечение газа или жидкости из соединенных с ним трубопроводов.

При авариях  и повреждениях аппаратов и трубопроводов  из них выходят горючие газы, пары или жидкости, что приводит к образованию  пожаровзрывоопасных смесей не только у мест утечки, но и во всем производственном помещении, даже на открытых площадках.

3.2.2.1 Повреждения  технологического оборудования  в результате механического воздействия

В результате механических воздействий на материал аппарата будут  воздействовать сверхнормативные внутренние напряжения, которые могут вызвать  не только образование не плотностей в швах и соединениях, но и его взрыв. Высокие внутренние напряжения возникают при повышенном давлении в аппаратах, а также в результате нагрузок динамического характера.

Повышенные давления, которые приводят к повреждению  аппаратов могут возникать в результате:

I. Нарушения  материального баланса работы  аппарата, скорости и очередности  подачи компонентов.

Нарушение материального  баланса происходит при несоответствии производительности работы насосов (11,12,15) и компрессоров (7), принятой интенсивности заполнения аппаратов, в случае неправильного соединения аппаратов, которые работают с разным давлением, при увеличении сопротивления в дыхательных линиях, отсутствия или неисправности автоматики регулирования, подачи и отвода веществ.

II. Нарушений  температурного режима работы  аппарата.

Нарушений температурного режима происходит при отсутствии или  неисправности контрольно-измерительных  приборов, недосмотра персонала, а в  отдельных случаях от действия лучистой энергии соседних аппаратов и даже от повышения температуры окружающей среды. Особенно опасно нарушение температурного режима для переполненных аппаратов.

III. Нарушений  процесса конденсации паров (холодильники 2,14,6)

Нарушение процесса конденсации паров происходит в  результате:

1. уменьшения  или полного прекращения подачи  хладагента;

2. подачи хладагента  с более высокой начальной  температурой;

3. сильного загрязнения  теплообменной поверхности аппарата.

IV. Попадания  в высоконагретые аппараты жидкостей,  с низкой температурой кипения (десорбер 5,подогреватель абсорбента 13)

Жидкости с  низкой температурой кипения могут  попасть в аппарат: с продуктом, подаваемым в аппарат; через неплотности  теплообменной поверхности; при  неправильном переключении линий; в  виде конденсата из паровых и продувных линий.

V. Нарушений  режима работы аппарата с экзотермическим  процессом.

Это происходит при несвоевременном отводе излишек  тепла в реакции, нарушениях соотношений  реагирующих веществ, увеличении количества подаваемого катализатора или инициатора, при несвоевременном отводе из реактора излишек газообразных продуктов реакции, образовании пробок в линиях стравливания и отвода веществ.