Расчет общего энергетического потенциала

 

Сумма энергий адиабатического расширения А (кДж) и сгорания пирогаза, находящейся непосредственно в аварийном аппарате (колонне К-1) рассчитывается по формуле:

,                                                                            (1)

где А – энергия адиабатического расширения парогазовой фазы, находящейся непосредственно в аварийном аппарате, кДж, рассчитывается по формуле:

,                                                                              (2)

где b₁ – безразмерный коэффициент, зависящий от показателя адиабаты и давления в системе, выбираем по таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициента b₁ для ПГФ

Величина показателя адиабаты	Абсолютное давление в системе, МПа
	0,07 – 0,5	0,5 - 1,0	1,0 - 5,0	5,0 - 10,0	10,0 - 20,0	20,0 - 30,0	30,0 - 40,0	40,0 - 50,0	50,0 - 75,0	75,0 - 100,0
1,1	1,60	1,95	2,95	3,38	3,80	4,02	4,16	4,28	4,46	4,63
1,2	1,40	1,53	2,13	2,68	2,94	3,07	3,16	3,23	3,36	3,42
1,3	1,21	1,42	1,97	2,18	2,36	2,44	2,50	2,54	2,62	2,65
1,4	1,08	1,24	1,68	1,83	1,95	2,00	2,05	2,08	2,12	2,15

Т.к. сырьем является фракция с числом атомов пять, величину показателя адиабаты k принимаем равным 1,1, по таблице выбираем значение коэффициента b₁ равное 1,60.

Р^/ – абсолютное давление в колонне, 0,2МПа;

V^/ – объем, занимаемый парогазовой фазой в колонне, м³, находится как разность между всем объемом колонны и объемом колонны занятым жидкой фазой:

,                                                                               (3)

где   

V_ап – весь объем аппарата, 400 м³;

V_ж – объем аппарата, занятый жидкой фазой, м³:

V_ж = V_нас + V_жк +V_жт,                                                                (4)

где   

V_нас – объем занимаемый жидкой фазой на насадке:

,                                                                    (5)

где   

0,02 – средний уровень жидкости на 1 м³ насадки;

r_к – радиус колонны, 3 м;

h­_нас – высота насадки, 1,5 м.

V_жк – объем, занимаемый жидкой фазой в кубе колонны:

V_жк = V_цл + V_сф,                                                                         (6)

где   

V_цл – объем, занимаемый жидкой фазой в цилиндрической части куба колонны:

,                                                                             (7)

где   

h_ж – средний уровень жидкой фазы в цилиндрической части колонны, 3,0 м.

V_сф – объем, занимаемый жидкой фазой в сферической части куба колонны:

,                                                                               (8)

V_жт – объем, занимаемый жидкой фазой на тарелках колонны:

,                                                                          (9)

где                 

h_т – средний уровень жидкой фазы на одной тарелке колонны, 0,05 м;

n – количество тарелок в колонне, 48 штук.

Тогда объем, занимаемый жидкой фазой на тарелках колонны:

;

объем, занимаемый жидкой фазой в сферической части куба колонны:

;

объем, занимаемый жидкой фазой в цилиндрической части куба колонны:

;

объем, занимаемый жидкой фазой в кубе колонны:

V_жк = V_цл + V_сф = 84,780 + 56,520 = 141,3м³;

объем занимаемый жидкой фазой на насадке:

;

объем занимаемый парогазовой фазой в колонне:

.

Значение энергии адиабатического расширения ПГФ:

.

– масса парогазовой фазы в рабочих условиях, находящейся в колоне, кг, рассчитываем по формуле Менделеева-Клайперона:

,                                                                              (10)

где   

М – молярная масса парогазовой фазы, 80 кг/кмоль;

V – объем, занимаемый парогазовой фазы в колонне, м^3;

Р – абсолютное давление в колонне, кПа;

R – универсальная газовая постоянная, 8,31 кДж/(кмоль · К);

Т – абсолютная температура в колонне, 150°С = 423 К.

 – удельная теплота сгорания парогазовой фазы, кДж/кг, находится по формуле:

,                                                                              (11)

где   

q_i – удельная теплота сгорания i-го компонента парогазовой фазы, кДж/кг, принимаем по справочнику

 – массова доля i–го компонента ПГФ:

Таблица 2 – Расчёт удельной теплоты сгорания парогазовой фазы

Компненты	, кДж/кг		, кДж/кг
H2	142980	0,0100	1429,800
СН4	55730	0,1560	8693,880
С2Н2	49820	0,0046	229,172
С2Н4	50240	0,2600	13062,400
С2Н6	51990	0,0410	2131,590
С3Н6	52020	0,1456	7574,112
С3Н8	50370	0,0045	226,665
С4	49610	0,0863	4281,343
Пиробензин	47061	0,2310	10871,091
СПТ	43483	0,061	2652,463
	–	–	51152,516

Пример для фракций

Расчёт удельной теплоты сгорания парогазовой фазы

Компоненты
СН4		55730
С2Н6		51990
åС3		51195
åС4		49610
28-62°С	46632
62-85°С	46220
85-105°С	45767
105-140°С	45306
140-180°С	44776
180-210°С	44520
210-310°С	44316
310-360°С	44050
360-400°С	43693
400-450°С	43376
450-500°С	42850
>500°С	42358
	-

 

Индивидуальное вещество	Теплота сгорания, кДж/кг (по справочным данным)
Пропан	46460
изо-Бутан	45670
н-Бутан	45815
изо-Пентан	45335
н-Пентан	45445
2,2-диметилбутан	45000
Циклопентан	44290
2,3-диметилбутан	45095
2-метилпентан	45110
3-метилпентан	45140
Гексан	45200
Метилциклопентан	44125
Циклогексан	43920
Гептан	45020

 

 

Сумма энергий адиабатического расширения и сгорания парогазовой фазы:

.

Энергия сгорания парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку (колонне К-1) от смежных объектов (из трубопровода подачи сырья в К-1),

,                                                                           (12)

где   

 – масса парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов (из трубопровода подачи сырья в К-1), кг;

– удельная теплота сгорания парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов (из трубопровода подачи сырья в К-1), кДж/кг.

Масса парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов рассчитывается по уравнению:

,                                                                  (13)

где   

– скорость истечения (прихода) парогазовой фазы к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков, аппаратов), м/с, рассчитывается по уравнению:

_,                                                              (14)

где b₂ – безразмерный коэффициент, учитывающий давление в трубопроводе и показатель адиабаты (k) парогазовой фазы блока, принимаем по таблице 3.

 

Таблица 3 – Значения коэффициента b₂ для ПГФ

Величина показателя адиабаты	Абсолютное давление в системе, МПа
	0,07 – 0,5	0,5 - 1,0	1,0 - 5,0	5,0 - 10,0	10,0 - 20,0	20,0 - 30,0	30,0 - 40,0	40,0 - 50,0	50,0 - 75,0	75,0 - 100,0
1,1	1,76	2,14	3,25	3,72	4,18	4,42	4,58	4,71	4,91	5,10
1,2	1,68	1,84	2,56	3,21	3,52	3,68	3,79	3,88	4,02	4,10
1,3	1,57	1,85	2,56	2,83	3,07	3,18	3,26	3,30	3,40	3,46
1,4	1,515	1,74	2,35	2,56	2,74	2,805	2,87	2,91	2,97	3,02

 

Т.к. сырьем является пирогаз, величину показателя адиабаты k принимаем равным 1,1, по таблице выбираем значение коэффициента b₂ равное 1,76.

Р_абс – абсолютное давление в аварийном блоке, объекте, МПа;

 – объем занимаемый парогазовой фазой в трубопроводе подачи сырья в колонну К-1, м³:

,                                                                           (15)

где   

x_i – доля паров в трубопроводе, x_i = 0,166;

r – внутренний радиус трубопровода, 0,075 м;

L – длина трубопровода, 3,0 м.

;

Тогда, скорость истечения парогазовой фазы к разгерметизированному участку:

_.

 – площадь сечения, через которое происходит истечение (приход) парогазовой фазы к разгерметизированному участку от смежных объектов (из трубопровода подачи сырья в К-1), м²:

;                                                   (16)

 – плотность ПГФ при условиях окружающей среды, кг/м³, находим по уравнению Менделеева-Клапейрона:

;                                              (17)

 – время от начала истечения (прихода) парогазовой фазы до полного срабатывания отключающей аварийный блок арматуры, сек, принимаем равным 120 секунд, как если бы вероятность отказа системы автоматики превышала 0,000001 в год и не было бы обеспечено резервирование ее элементов;

Тогда, масса ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку:

.

Энергия сгорания парогазовой фазы поступившей к разгерметизированному участку (колонне К-1) от смежных объектов (из трубопровода подачи сырья в К-1):

.

Энергия сгорания парогазовой фазы, образующейся из жидкой фазы за счет теплопритока от внешних теплоносителей (за счет подачи вниз колонны горячей струи):

,                                                                      (18)

где   

– удельная теплота сгорания образующейся парогазовой фазы, кДж/кг;

r – удельная теплота испарения жидкой фазы, кДж/кг:

– скорость теплопритока к ЖФ от внешних теплоносителей, кДж/сек, найдем по формуле:

,                                                                      (19)

где   

W – расход греющего потока теплоносителя, 49,5 кг/сек;

 – удельная теплоемкость жидкой фазы потока теплоносителя, кДж/(кг · К):

;

t₁ – начальная температура потока теплоносителя, 200°С;

t₂ – конечная температура потока теплоносителя, 170°С.

Тогда, скорость теплопритока к жидкой фазе от внешних теплоносителей:

.

– время с момента начала аварийной работы блока до полного прекращения процесса теплообмена (теплопритока), 300 сек.

Энергия сгорания парогазовой фазы, образующейся из жидкой фазы за счет теплопритока от внешних теплоносителей:

.

Энергия сгорания парогазовой фазы, образующейся из пролитой на твердую поверхность (пол, фундамент, обваловку и др.) жидкой фазы за счет теплоотдачи от окружающей среды:

,                                                                                 (20)

где   

,                                                                             (21)

 – масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока от твердой

поверхности, кг, рассчитывается по формуле:

,                                           (22)

где   

Т₀ – температура твердой поверхности пола, К (величина температуры принимается 278,2 К (5,2°С), так как среднегодовая температура окружающей среды по Полоцку составляет около 5,2°С;

Т_К – температура кипения горючей жидкости, К;

r – удельная теплота парообразования горючей жидкости, кДж/кг;

е – коэффициент тепловой активности твердой поверхности,

кДж/(м² · °С · Öсек);

F_П – площадь контакта жидкости с твердой поверхностью разлива, м²;

F_Ж – площадь поверхности зеркала жидкости, м²;

F_Н – площадь поддона емкости из которой происходит пролив ЖФ, м²;

t_u – время контакта жидкой фазы с поверхностью разлива, сек.

 

Так как, Т_К = 423 К > Т₀ = 278,2 К, то испарения за счет теплопритока от твердой поверхности не происходит и как следствие  кг.

 – масса жидкой фазы, испарившейся за счет теплопередачи от окружающего воздуха к розлитой жидкости (по зеркалу испарения), кг, рассчитывается по формуле:

,                                                                            (23)

где   

m_u – интенсивность испарения, кг/(с×м²), рассчитывается по формуле:

,                                                                    (24)

где   

h – безразмерный коэффициент, учитывающий условия окружающей среды, (скорость и температуру воздушного потока над зеркалом испарения жидкой фазы) принимается по таблице 3.

 

Таблица 3 – Значения коэффициента h

Скорость воздушного потока над зеркалом испарения, м/с	Значения коэффициента h при температуре воздуха t, °С
	10	15	20	30	35
0,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
0,1	3,0	2,6	2,4	1,8	1,6
0,2	4,6	3,8	3,5	2,4	2,3
0,5	6,6	5,7	5,4	3,6	3,2
1,0	10,0	8,7	7,7	5,6	4,6

 

Коэффициента h принимаем равным 1,0.

М – молярная масса паров образовавшихся из жидкой фазы, кг/кмоль;

Р_н – давление насыщенного пара жидкой фазы, 0,0032 МПа;

 – удельная теплота сгорания ПГФ, кДж/кг.

Интенсивность испарения:

;

масса жидкой фазы, испарившейся за счет теплопередачи от окружающего воздуха к розлитой жидкости:

.

Энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность жидкой фазы за счет теплоотдачи от окружающей среды:

.

В данном расчете не учитываем:

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегретой ЖФ рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов, кДж, поскольку температура при регламентированном режиме в колонне, ниже температуры кипения пирогаза при атмосферном давлении;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при разгерметизации, кДж;

 

Общий энергетический потенциал взрывоопасности колонны К-1 равен:

                                                                (25)

По найденному значению общего энергетического потенциала взрывоопасности Е определяем величины других показателей, характеризующих уровень взрывоопасности технологических блоков, стадий, объектов: приведенную массу горючих паров (m) и относительный энергетический потенциал взрывоопасности блока (Q_в).

Общая масса горючих паров (газов) взрывоопасного облака m, приведенная к единой удельной энергии сгорания:

,                                                                                  (26)

где   

Е – энергия сгорания парогазовой фазы,

46000 – единая удельная энергия сгорания, кДж/кг.

.

Относительный энергетический потенциал взрываемости Q_в технологического блока:

.                             (27)

По значению относительного энергетического потенциала и приведенной парогазовой среды осуществляем категорирование технологического блока согласно таблицы 4.

 

Таблица 4 – Категории взрывоопасности блоков, стадий, объектов

m, кг	QВ	Категория взрывоопасности
> 5000	> 37	I
2000 – 5000	27 – 37	II
< 2000	< 27	III

 

В соответствии с рассчитанными m = 28378,855 кг и Q_в = 66,121 колонне К-1 присваивается I категория взрывоопасности.

Т.к. рассчитываемый блок относится к I категории взрывоопасности, предусматриваются следующие мероприятия по снижению последствий взрыва:

- установлена автоматическая система подачи инертного газа, локализующего образование взрывоопасных концентраций (исключающего образование застойных зон);

- установка снабжена средствами контроля за параметрами, значения которых определяют взрывоопасность процесса, с регистрацией показаний и предаварийной сигнализацией их значений, а также средствами автоматического регулирования и противоаварийной защиты с применением электронной или микропроцессорной техники;

- установка снабжена средствами взрывопредупреждения и защиты оборудования и трубопроводов от разрушений (разрывные предохранительные мембраны, взрывные клапаны, системы флегматизации инертным газом, средства локализации пламени и т.д.).

Для максимального снижения выбросов в окружающую среду горючих и взрывопожароопасных веществ при аварийной разгерметизации системы в соответствии с ТКП 506-2013 предусматриваются:

- установка автоматических быстродействующих запорных или отсекающих устройств со временем срабатывания не более 12 с;

- установка систем аварийного освобождения, которые комплектуются запорными быстродействующими устройствами с дистанционно и (или) автоматически управляемыми приводами.

Предусмотрен также ряд мероприятий, обеспечивающих безопасную и оперативную локализацию аварийных ситуаций:

- в системе снабжения блока воздухом КИП предусмотрены ресиверы, обеспечивающие часовой запас воздуха, в случае более длительного перерыва в подаче воздуха КИП исполнение пневматических клапанов-регуляторов обеспечивает безаварийную остановку блока;

- для предотвращения потерь, розлива нефтепродуктов и загазованности территории установки все дренажные и пусковые трубопроводы отглушаются от рабочих трубопроводов до вывода установки на режим, при необходимости дренирование аппаратов производится в специально предназначенные заглубленные емкости;

- на установке предусмотрено дистанционное отключение входящих потоков с пульта операторной;

- емкостная и технологическая аппаратура оснащена двумя измерителями уровня и сигнализацией верхнего предельного уровня от двух датчиков;

- сброс неконденсирующихся углеводородов от предохранительных клапанов предусмотрен в факельную систему установки и далее в факельную емкость завода;

- удаление пожароопасных, взрывоопасных и токсичных газообразных продуктов из аппаратов и трубопроводов предусмотрено продувкой азотом;

- предусмотрен стационарный подвод раствора пенообразователя;

- для ликвидации локальных очагов пожара предусмотрено стационарное паротушение оборудования и размещение трех стационарных пожарных лафетных стволов, подсоединенных к сети противопожарного водопровода.