§ 14.1. Пожарная опасность процесса абсорбции
Абсорбция — поглощение веществ из смеси газов жидкостью. Абсорбция (в отличие от адсорбции) происходит во всем объеме поглотителя — абсорбента.
В промышленности процессы абсорбции широко применяются для решения следующих задач: извлечения ценных компонентов из газовых смесей (например, извлечения аммиака, паров бензола и других веществ из коксового газа); очистки газовых смесей от вредных примесей (например, очистки природного газа от сероводорода, для санитарной очистки выпускаемых в атмосферу отходящих газов от сернистого ангидрида и т. д.); как основная технологическая стадия ряда важнейших производственных процессов (например, абсорбция серного ангидрида в производстве серной кислоты; абсорбция хлористого водорода в производстве соляной кислоты и т. д.).
Абсорбенты обладают свойством селективности (избирательности). Это значит, что каждый абсорбент лучше всего поглощает какие-то определенные газы и пары; другие составляющие газовой смеси им не поглощаются совсем или поглощаются незначительно. Газовая смесь, поступающая на абсорбцию, называется абсорбтивом.
Основным законом равновесия системы газ—жидкость является закон Генри, согласно которому в состоянии равновесия парциальное давление р растворенного газа над раствором пропорционально его мольной доле х в растворе:
р = ψх, (14.1)
где ψ — коэффициент пропорциональности, носящий название коэффициента Генри (константа Генри). Из (14.1) следует, что
. (14.2)
То есть растворимость газа (или поглощаемого компонента) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью.
Коэффициент Генри зависит от природы растворяемого вещества и температуры. С повышением температуры величина ψ увеличивается и, следовательно, растворимость газов в жидкостях уменьшается. С повышением давления в системе растворимость газа в жидкости увеличивается — это следует из (14.2). Таким образом, процессы абсорбции целесообразно вести при пониженной температуре и повышенном давлении.
Движущей силой процесса абсорбции, обусловливающей переход вещества из газа в жидкость, является разность между рабочими концентрациями компонента в газе и концентрациями этого компонента в условиях равновесия.
Текущие значения равновесных концентраций можно определить, совместно рассмотрев закон Генри и закон Дальтона, согласно которым парциальное давление компонента в газовой смеси р в условиях равновесия равно общему давлению рОбщ, умноженному на мольную долю этого компонента у, то есть
р=робщу. (14.3)
Из (14.1) и (14.3) следует, что
, (14.4)
где т — константа фазового равновесия процесса абсорбции.
Уравнение (14.4) есть уравнение линии равновесия процесс абсорбции. Это уравнение при невысоких концентрациях растворенного газа в абсорбенте представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат и имеющую угол наклона, тангенс которого равен т (рис. 14.1, прямая ОС).
Рис. 14.1. Равновесная (ОС) и рабочая (АВ) линии процесса абсорбции
Рис. 14.2. Схема процесса абсорбции в противоточном аппарате
Рабочую линию абсорбции находят из уравнения материального баланса. Пусть (рис. 14.2) жидкая фаза Gж подается на абсорбцию сверху с начальной концентрацией хн и выходит из аппарата с концентрацией хк>хн; газовая фаза Gr входит в аппарат внизу с концентрацией ун и уходит из аппарата вверху с концентрацией yк<yн- Уравнение материального баланса можно записать:
GГ (ун—ук) = Gж (хк—хн) = GnoГл, (14.5)
где GГ — количество газовой или паровой смеси, поступающей на абсорбцию;
ун, ук — начальная и конечная концентрации поглощаемого компонента в газе;
Gж — количество абсорбента, используемое для поглощения извлекаемого компонента; хй, хк — начальная и конечная концентрации поглощаемого компонента в абсорбенте; Gпогл — количество поглощенного газа или пара.
Уравнение (14.5) можно переписать в следующем виде:
ун—ук=l(xк—xн). (14.6)
Уравнение (14.6) показывает, что изменение рабочих концентраций при абсорбции происходит линейно и рабочая линия процесса абсорбции представляет прямую (АВ на рис. 14.1) с углом наклона, тангенс которого равен удельному расходу абсорбента: l=Gж/GT. Рабочую линию легко построить по точкам А и В.
В промышленности процессы абсорбции обычно идут в аппаратах колонного типа, которые называются абсорберами, или скрубберами. На рис. 14.3 показаны схемы насадочного и, тарельчатого абсорберов. Конструктивно они мало чем отличаются от ректификационных колонн соответствующего типа. Используются также абсорберы с разбрызгиванием, пленочные и поверхностные.
Процесс десорбции, то есть выделения поглощенного газа из абсорбента, проводят отгонкой в токе инертного газа или водяного пара, путем подвода тепла к абсорбенту и путем снижения давления над абсорбентом. Освобожденный от поглощенного газа абсорбент охлаждается и снова возвращается в абсорберы.
Принципиальная технологическая схема абсорбционной установки представлена на рис. 14.4. Пусть поступающая газовая смесь (абсорбтив) состоит из трех компонентов: А,.В и С. Из смеси необходимо выделить в чистом виде компонент А. Подбирается соответствующий абсорбент, который насосом подается в верхнюю часть последнего (по ходу движения газа) абсорбера. Газовая смесь 8 сжимается компрессором до рабочего давления, охлаждается и подается последовательно через все абсорберы, в которых осуществляется ее контакт с абсорбентом. В результате контакта поглощаемый компонент А извлекается из газовой смеси в абсорбент, а непоглощенные компоненты В и С из последнего абсорбера направляются на утилизацию или выбрасываются в атмосферу. Абсорбент из первого по ходу движения газов абсорбера подается на десорбцию в насадочную ректификационную колонну 4, в которой освобождается от компонента А и вновь возвращается в процесс через теплообменник 5. Чистый компонент А отбирается из холодильника (после ректификационной колонны).
В качестве абсорбентов во многих случаях используются горючие жидкости, а газовые и парогазовые смеси часто также горючи. Поэтому подавляющее большинство абсорбционных установок пожаровзрывоопасны. Количество горючих веществ, обращающихся в абсорбционной установке, можно определить из уравнения материального баланса (14.5).
При нормальной работе внутри абсорберов концентрация газопаровой фазы находится вне пределов воспламенения, так как поступающие на абсорбцию смеси чаще всего не содержат кислорода. Если же на абсорбцию поступает паро- или газовоздушная смесь, возможны два случая:
1) начальная концентрация горючих компонентов больше верхнего предела воспламенения. В процессе абсорбции концентрация горючих компонентов будет уменьшаться и на определенном этапе может проходить через пределы воспламенения. Это опасно;
2) начальная концентрация горючих компонентов меньше нижнего предела воспламенения. Здесь возможны два варианта (в зависимости от величины рабочей температуры в абсорбере и нижнего температурного предела воспламенения абсорбента); при tр< <tнпв горючие концентрации не образуются. Это имеет место при нормальной работе, когда в абсорберах поддерживается небольшая рабочая температура (процесс поглощения идет лучше при относительно низких температурах); при tр>tнпв могут образоваться горючие концентрации. Это может быть при нарушениях режима охлаждения абсорбента или исходной газовой смеси, поступающей на абсорбцию, в результате которых температура в абсорбере будет повышаться.
Рис. 14.3. Схемы насадочных и тарельчатых абсорберов: а — абсорбер с насадкой; б—абсорбер с колпачковыми тарелками; / — корпус; 2— насадка; 3— отвод абгазов; 4 — ввод абсорбента; 5 — патрубки с колпачками; 6 — сливные трубки; 7 — выход отработанного абсорбента; 8— ввод абсорбтива (газа)
Рис. 14.4. Схема абсорбционной установки: / — абсорберы; 2— холодильники абсорбента; 3— отвод абгазов (В, С); 4 — десорбер; 5 — подогреватель; 6 — сборники абсорбента; 7 — холодильник; 8 — ввод абсорбтива
Повышение температуры Δt в абсорбере при нарушении режима охлаждения абсорбента (или смеси) можно определить исходя из следующих соображений.
Количество тепла Q, выделяющееся при абсорбции, идет на нагревание абсорбента Gж и газовой смеси Gr. В результате их температура поднимается на величину Δt по сравнению с tнач:
Q = GжcжΔt+GгcгΔt, (14.7)
откуда
, (14.8)
где сж и сг— удельные теплоемкости абсорбента и смеси газов. Значит, в абсорбере установится температура
tР=tнач+Δt. (14.9)
При оценке опасности образования горючей среды в промежуточных емкостях, где находится насыщенный поглощаемым компонентом абсорбент, концентрацию горючих веществ в паровом пространстве следует находить как отношение суммы их парциальных давлений к общему давлению (согласно закону Дальтона), а концентрационные пределы определять по формуле Ле Шателье. " При заполнении промежуточных емкостей насыщенным абсорбентом возможно образование горючих концентраций в местах выброса паровоздушной смеси наружу через дыхательные трубы. Поэтому емкости оборудуют дыхательными клапанами, дыхательные трубы выводят за пределы производственных помещений и защищают огнепреградителями.
Повреждение абсорбционных аппаратов может быть вызвано повышением давления и коррозией.
Давление в аппарате увеличивается по мере возрастания гидравлического сопротивления слоя насадки (или тарелок), при загрязнении насадки отложениями солей и другими твердыми отклонениями. Поэтому предусматривается чистка насадки абсорберов от загрязнений в установленные сроки.
Интенсивная коррозия материалов абсорбционных аппаратов наблюдается при абсорбции химически агрессивных газовых смесей (сернистых соединений, галоидопроизводных и др.), а также при использовании в качестве абсорбентов водных растворов кислот и щелочей. Поэтому предусматривается применение коррозионно-стойких материалов, использование поверхностных методов защиты стенок аппаратов от коррозии, контроль за степенью износа материала.
В качестве специфических источников зажигания при осуществлении процесса абсорбции могут выступить пирофорные соединения (например, сульфиды железа), которые откладываются на стенках аппаратов, поэтому при остановке аппаратов на чистку и ремонт следует предпринимать соответствующие меры предосторожности: медленное окисление в процессе продувки аппаратов водяным паром, увлажнение стенок аппарата.
Пожарная опасность процессов десорбции, поскольку они чаще всего осуществляются перегонкой насыщенного абсорбента, может быть оценена с использованием методов, изложенных в главе 13 данного учебника.
- Пожарная безопасность
- § 1.1. Аппараты с неподвижным уровнем жидкости
- § 1.2. Аппараты с подвижным уровнем жидкости
- § 1.3. Аппараты с газом
- § 1.4. Аппараты с пылями, порошками и волокнами
- Глава 2. Выход горючих веществ наружу из нормально действующих аппаратов
- § 2.1. Аппараты с открытой поверхностью испарения
- § 2.2. Аппараты с дыхательными устройствами
- § 2.3. Аппараты периодического действия
- § 2.4. Выход пыли в помещение
- Глава 3. Выход горючих веществ наружу из поврежденного технологического оборудования
- § 3.1. Характеристика аварийной ситуации
- § 3.2. Локальное и полное повреждение аппаратов
- § 3.3. Ограничение утечек горючих веществ
- § 3.4. Образование взрывоопасной смеси в помещении и на открытой площадке
- Глава 4. Причины повреждения технологического оборудования
- § 4.1. Основы прочности и классификация причин повреждения оборудования
- § 4.2. Повреждения технологического оборудования в результате механических воздействий
- § 4.3. Повреждения технологического оборудования в результате температурного воздействия
- § 4.4. Повреждения технологического оборудования в результате химического воздействия
- Защита от коррозии
- Глава 5. Производственные источники зажигания
- § 5.1. Понятие источника зажигания
- § 5.2. Открытый огонь, раскаленные продукты горения и нагретые ими поверхности — производственные источники зажигания
- § 5.3. Тепловое проявление механической энергии как производственный источник зажигания
- § 5.4. Тепловое проявление химических реакций — производственный источник зажигания
- § 5.5. Тепловое проявление электрической энергии — производственный источник зажигания
- Глава 6. Подготовка оборудования к ремонтным огневым работам
- § 6.1. Использование естественной вентиляции оборудования перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.2. Использование принудительной вентиляции оборудования перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.3. Пропаривание аппаратов перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.4. Промывка аппаратов водой и моющими растворами перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.5. Флегматизация среды в аппаратах инертными газами — способ подготовки их к проведению ремонтных огневых работ
- § 6.6. Заполнение аппаратов пеной при проведении ремонтных огневых работ
- § 6.7. Организация ремонтных огневых работ
- Раздел второй. Предотвращение распространения пожара
- Глава 7. Ограничение количества горючих веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе
- § 7.1. Выбор технологической схемы производства
- § 7.2. Режим эксплуатации технологического процесса производства
- Производства,их удаление
- § 7.4. Замена горючих веществ, обращающихся в производстве, негорючими
- § 7.5. Аварийный слив жидкостей
- § 7.6. Аварийный выпуск горючих паров и газов
- Глава 8. Огнезадерживающие устройства на производственных коммуникациях
- § 8.1. Сухие огнепреградители
- Расчет огнепреградителя по методу я. Б. Зельдовича
- § 8.2. Жидкостные огнепреградители (гидрозатворы)
- § 8.3. Затворы из твердых измельченных материалов
- § 8.4. Автоматические заслонки и задвижки
- § 8.5. Защита трубопроводов от горючих отложений
- § 8.6. Изоляция производственных помещений от траншей и лотков с трубопроводами
- Глава 9. Защита технологического оборудования и людей от воздействия опасных факторов пожара
- § 9.1. Опасные факторы пожара
- § 9.2. Защита людей и технологического оборудования от теплового воздействия пожара
- § 9.3. Защита технологического оборудования от разрушений при взрыве
- § 9.4. Защита людей и технологического оборудования от агрессивных сред
- Пожарная профилактика основных
- § 10.2. Пожарная профилактика процессов измельчения твердых веществ
- § 10.3. Пожарная профилактика процессов механической обработки древесины и пластмасс
- § 10.4. Замена л вж и гж пожаробезопасными моющими средствами в технологических процессах обезжиривания и очистки поверхностей
- Глава 11. Пожарная профилактика средств транспортировки и хранения веществ и материалов
- § 11.1. Пожарная профилактика средств перемещения горючих жидкостей
- § 11.2. Пожарная профилактика средств перемещения и сжатия газов
- § 11.3. Пожарная профилактика средств перемещения твердых веществ
- § 11.4. Пожарная профилактика технологических трубопроводов
- § 11.5. Пожарная профилактика хранения горючих веществ
- Глава 12. Пожарная профилактика процессов нагревания и охлаждения веществ и материалов
- § 12.1. Пожарная профилактика процесса нагревания водяным паром
- § 12.2. Пожарная профилактика процесса нагревания горючих веществ пламенем и топочными газами
- § 12.3. Пожарная профилактика теплопроизводящих установок, используемых в сельском хозяйстве
- § 12.4. Пожарная профилактика процесса нагревания высокотемпературными теплоносителями
- Глава 13. Пожарная профилактика процесса ректификации
- § 13.1. Понятие процесса ректификации
- § 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа
- § 13.3. Принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки
- § 13.4. Особенности пожарной опасности процесса ректификации
- § 13.5. Пожарная профилактика процесса ректификации
- Пожаротушение и аварийное охлаждение ректификационной установки
- Глава 14. Пожарная профилактика процессов сорбции и рекуперации
- § 14.1. Пожарная опасность процесса абсорбции
- § 14.2. Пожарная профилактика процессов адсорбции и рекуперации
- Возможные пути распространения пожара
- Глава 15. Пожарная профилактика процессов окраски и сушки веществ и материалов
- § 15.1. Пожарная опасность и профилактика процесса окраски
- Окраска окунанием и обливанием
- Окраска в электрическом поле высокого напряжения
- § 15.2. Пожарная опасность и профилактика процессов сушки
- Глава 16. Пожарная профилактика процессов, протекающих в химических реакторах
- § 16.1. Назначение и классификация химических реакторов
- § 5. По конструктивному оформлению теплообменных устройств
- § 16.2. Пожарная опасность и противопожарная защита химических реакторов
- Глава 17. Пожарная профилактика экзотермических и эндотермических химических процессов
- § 17.1. Пожарная профилактика экзотермических процессов
- Процессы полимеризации и поликонденсации
- § 17.2. Пожарная профилактика эндотермических процессов
- Дегидрирование
- Пиролиз углеводородов
- Глава 18. Изучение технологических процессов
- §18.1. Информация о технологии производств, необходимая работнику пожарной охраны
- § 18.2. Источники информации о технологических процессах производств
- § 18.3. Методы изучения технологии производств
- Глава 19. Исследование и оценка пожаровзрывоопасности технологических процессов производств
- § 19.1. Категории пожаровзрывоопасности производств согласно требованиям сНиПов
- § 19.2. Соответствие технологии производств системе стандартов безопасности труда
- § 19.3. Разработка пожарно-технической карты
- Глава 20. Пожарно-техническая экспертиза технологических процессов на стадии проектирования производств
- § 20.1. Особенности пожарного надзора на стадии проектирования технологических процессов производств
- § 20.2. Использование норм проектирования по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов производств
- § 20.3. Задачи и методика пожарно-технической экспертизы проектных материалов
- § 20.4. Основные решения пожарной безопасности, разрабатываемые на стадии проектирования производств
- Глава 21. Пожарно-техническое обследование технологических процессов действующих производств
- § 21.1. Задачи и организация пожарно-технического обследования
- § 21.2. Бригадный метод пожарно-технического обследования
- § 21.3. Комплексное пожарно-техническое обследование предприятий отрасли
- §21.4. Нормативно-технические документы пожарно-технического обследования
- § 21.5. Пожарно-техническая анкета как методический документ обследования
- § 21.6. Взаимодействие госпожнадзора с другими надзорными органами
- Глава 22. Обучение рабочих и инженерно-технических работников основам пожарной безопасности технологических процессов производств
- § 22.1. Организация и формы обучения
- § 22.2. Учебные программы
- § 22.3. Методика и технические средства обучения
- § 22.4. Программированное обучение
- Литература
- Оглавление