§ 1.1. Аппараты с неподвижным уровнем жидкости

Внутри закрытого аппарата с неподвижным уровнем горючей жидкости (рис. 1.1) горючая среда может образоваться только при наличии в аппарате свободного от жидкости объема (газового пространства), который сообщается с атмосферой и в той или иной степени насыщается парами жидкости. В наиболее общем случае наличие горючей смеси в аппарате выражается следующим образом:

, (1.1)

где φ_р — рабочая (фактическая) концентрация паров жидкости в аппарате; φ_н, φ_в — соответственно нижний и верхний концентраци­онные пределы воспламенения паров (область воспламенения). При установившемся (в течение достаточно длительного периода времени) технологическом режиме эксплуатации аппарата пары; равномерно распределяются по всему объему газового пространства при концентрации насыщения φ_s, величина которой зависит от температуры среды в аппарате. Из курса химии известно, что φ_s = =f(T),- поэтому образование горючей среды в аппарате в этом слу­чае определяется соотношением

Т_НПВ≤Т≤Т впв, (1.2)

где Т — расчетная температура жидкости; Тнпв , Т'впв — соответственно нижний и верхний температурные пределы воспламенения жидкости (с учетом давления среды в аппарате).

Рис. 1.1. Закрытый аппарат с паровоздушным пространством: 1 — жидкость; 2 — паровоздушное пространство; 3— дыхательная линия

Рис. 1.2.- Схема установки для укрепления водного раствора спирта: 1 — промежуточная емкость; 2 — насос; 3 — подогреватель; 4 — ректификационная колонна; 5 — дефлегматор; 6 — холодильник; 7 — сборник ректификата; / — 20%-ный раствор спирта; // — вода; III — 96%-ный раствор спирта (ректификат)

Рабочая температура жидкости определяется по показаниям приборов, из технологического регламента либо из пояснительной записки к проекту. Если рабочая температура жидкости в процес­се эксплуатации аппарата изменяется, следует определить, в какие именно периоды работы аппарата внутри него могут возникнуть горючие концентрации.

Сказанное проиллюстрируем следующим примером. На установке получения этилового спирта (рис. 1.2) 20%-ный раствор спирта при 18° С из емкости подается на подогрев (до 70° С) в по­догреватель, а затем подвергается укреплению (ректификации) в ректификационной колонне при минимальной температуре 80° С аи давлении, близком к атмосферному. Из верхней части колонны выходят и конденсируются пары чистого спирта-ректификата, который охлаждается до 20° С в холодильнике и сливается в емкость. Требуется определить взрывоопасность паров спирта во всех аппаратах данной технологической схемы. Для решения этого вопроса следует установить, имеют ли аппараты свободный объем, в котором могут образоваться паровоздушные смеси, и сравнить рабочие температуры жидкостей в аппаратах с величиной их температурных пределов воспламенения (табл. 1.1): в аппарате 1 среда негорючая, так как температура раствора спирта ниже нижнего преде­ла воспламенения; в аппарате 7 среда горючая; в аппаратах 2—6 отсутствует паровоздушное пространство.

При незначительных колебаниях рабочей температуры в аппаратах с неподвижным уровнем горючей жидкости в большинстве случаев за расчетную температуру Т принимают среднюю рабочую температуру жидкости Т. При значительных колебаниях рабочей температуры в аппарате необходимо учитывать тот факт, что концентрация насыщенных паров в газовом пространстве емкости определяется меньшей из температур: поверхностного слоя жидкости или газового пространства. Например, в неизолированных металлических емкостях, расположенных на открытом воздухе (резервуары для нефти и нефтепродуктов) и летом в дневное время подверженных воздействию солнечной радиации, температура газового пространства превышает температуру жидкости. Следовательно, концентрация насыщенных паров определяется температурой поверхностного слоя жидкости, которая превышает среднюю рабочую температуру жидкости. В этом случае необходимо дополнительно определять и учитывать перегрев поверхностного слоя жидкости. Это особенно важно для жидкостей, имеющих высокий ниж­ний температурный предел воспламенения (керосин, реактивное топливо, в некоторых случаях дизельное топливо), когда при повы­шении температуры окружающей среды или под воздействием солнечной радиации температура поверхностного слоя растет и достигает нижнего температурного предела воспламенения. Концентрация паров жидкости при этом входит в область воспламенения.

В жаркие летние дни перегрев поверхностного слоя жидкости в металлическом неизолированном резервуаре может достигать

Таблица 1.1

10...20 градусов, что влияет на пожаровзрывоопасность газового пространства резервуара.

Предотвращению образования горючей среды в закрытых аппа­ратах и емкостях с неподвижным уровнем жидкости способствуют следующие технические решения.

1. Ликвидация газового пространства. Этого можно достичь:

а) предельным (полным) заполнением аппарата или емкости жидкостью. Здесь три опасности: перелив при перенаполнении аппарата жидкостью, разрушение аппарата и перелив при повышении температуры в полностью заполненном аппарате;

б) хранением жидкости (например сероуглерода) под защитным слоем воды;

в) применением резервуаров с плавающей крышей (рис. 1.3, а), одновременно выполняющей роль внешней стационарной крыши Кольцевой зазор между плавающей крышей и стенкой резервуара уплотняют специальным затвором. В резервуаре такой конструкции горючая среда может образоваться только в кольцевом зазоре под уплотнением, а также при снижении уровня жидкости ниже предельного нижнего положения крыши, когда она опускается на опорные стойки;

Рис. 1.3. Резервуар с плавающей крышей (с) и с понтоном (б)

Рис. 1.4. График изменения концентрации паров в резервуаре через 1 ч

после окончания операции откачки бензина: 1 — уровень бензина после откачки; 2 — концентрация паров бензина

г) применением резервуаров со стационарной крышей и плавающим понтоном (рис. 1.3,6). В резервуаре с понтоном предотвращение образования горючей среды возможно только при условии обеспечения интенсивного (хотя бы естественного) проветривания преднамеренно разгерметизированного надпонтонного газового пространства. Применение понтона приводит к снижению концентрации паров легковоспламеняющейся жидкости в паровоздушном пространстве над понтоном, что при отсутствии вентиляции повышает пожаровзрывоопасность надпонтонного пространства;

д) применением емкостей с гибкими внутренними оболочками.

2. Поддержание безопасного температурного режима. Это достигается посредством систем контроля и регулирования. Рабочая температура поддерживается ниже нижнего (например в подогреваемом мазутном резервуаре) или выше верхнего (например в ректификационной колонне) температурного предела воспламенения паров жидкости.

3. Снижение концентрации паров горючей жидкости при заданной температуре ниже нижнего концентрационного предела воспламенения. Это достигается:

а) применением высокостойких пен, эмульсий и полых микрошаров, плавающих на поверхности жидкости и препятствующих ее испарению;

б) применением добавок, снижающих упругость паров и испаряемость жидкости. В качестве таких добавок могут использоваться вода — для спиртов, ацетона, уксусной кислоты; четыреххлористый углерод — для нефтепродуктов и сероуглерода; специальные желатинизирующие (загущающие) добавки — для моторного топлива в авиации.

4. Введение негорючих (инертных) газов в газовое пространство аппарата. В результате данной операции либо снижается концентрация окислителя (кислорода воздуха), либо он полностью замещается. Негорючими газами (флегматизаторами) могут быть азот, углекислый газ, водяной пар, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Добавление инертных компонентов ухудшает горючие свойства среды. Область воспламенения при этом сужается вплоть до ее полной ликвидации при определенной (флегматизирующей) концентрации инертного компонента.

Флегматизирующие концентрации инертных газов (при достижении и превышении которых воспламенение невозможно) для смесей различных горючих веществ с воздухом приводятся в справочной литературе [2].

Расход инертного газа определяют по объему газового пространства аппарата или по производительности аппарата.

Флегматизирующее действие инертных примесей подробно изучается в курсе «Процессы горения» [6, с. 117].