Ограничение концентрации кислорода в технологических операциях

Приведем несколько примеров обеспечения взрывобезопасное™ по предельной концентрации кислорода.

Во многих процессах возникает необходимость в освобождении аппаратов и газопроводов от заполняющих их горючих газов или соответственно воздуха, например при остановках для смены режима и для ремонта. Как правило, стадии пуска и остановки — наиболее взрывоопасные этапы технологического процесса. Отключаемые аппараты продувают инертным газом, обычно азотом. Надежность продувки можно контролировать по содержанию кислорода, которое должно быть меньше величины У для горючего, находящегося в продуваемом аппарате.

Многие производства не располагают должным количеством азота для продувок. В этом случае пригодны различные имеющиеся смеси инертных компонентов, обычно хвостовых газов. Они неизбежно содержат некоторое количество кислорода. Возможность их применения определяется содержанием остаточного кислорода и величиной Y для отдуваемого горючего. Так, при продувках аппаратов, заполненных ацетиленом или водородом, для которых Y = 5?6%, неприменима азото-кислородная смесь, номинально содержащая 5% О2. При случайных колебаниях состава хвостовых газов возможно образование взрывоопасных смесей. Задачу можно решить путем двухстадийной продувки: на первой стадии удалить опасное горючее природным газом, т. е., практически, метаном, на следующей — удалить природный газ имеющейся азото-кислородной смесью, в отношении метана она безопасна.

Применимость в операциях продувки не только чистого азота, но и азото-кислородной смеси с содержанием кислорода, меньшим У, позволяет экономить азот. При значениях Y = 12?13% расход азота может быть снижен почти вдвое. Допустимо также применение технического азота, содержащего значительные примеси кислорода. Аналогичный метод применим и в процессах передавливания горючих жидкостей, которые также необходимо выполнять с помощью инертных газовых смесей.

Следует учесть, что продувку аппаратов необходимо производить тогда, когда они заполнены горючим газом, по не взрывчатой смесью (с воздухом). В последнем случае такие аппараты очень опасны, и сама операция продувки может привести к возникновению поджигающих импульсов, прежде всего разрядов, статического электричества.

Во многих технологических процессах горючий газ или пар реагирует с кислородом в аппарате, в котором благодаря соответствующим приспособлениям или особенностям режима исключено возникновение очага горения. Однако за пределами такого аппарата горение становится возможным. Взрывобезопасность процесса обеспечивается расходованием кислорода на основной стадии, во взрывобезопасном реакторе, контроль производят по содержанию кислорода на выходе из реактора: оно не должно превышать 60−70% от У (с учетом запаса надежности). Во многих процессах целесообразен непрерывный контроль при помощи магнитных анализаторов. При повышении содержания кислорода в абгазах сверх допустимого подачу воздуха (кислорода) в реактор немедленно прекращают.

Состав смеси с предельным содержанием окислителя

Принято считать, что минимум концентрации кислорода на кривой предельных составов соответствует точке, близкой к мысу области взрываемости. Существенный для практики вопрос о положении такого минимума был рассмотрен графически и аналитически^[1].

Обозначая через К концентрацию окислителя в тройной смеси (в мольных долях), запишем:

(5.2).

где I — концентрация инертного компонента.

Очевидно, что минимум концентрации окислителя должен соответствовать ветви верхнего предела взрываемости. При любом значении всегда.

(5.3).

где К1 — значение К на кривой pmin; К2 - на кривой? max.

Очевидно далее, что.

(5.4).

Опыт показывает, что величина pmax обычно монотонно уменьшается с увеличением концентрации инертного компонента, поскольку избыточное горючее, как и инертный компонент, флегматизирует взрывчатую смесь, т. е. dpmax/dl < 0. Концентрация окислителя достигает минимума (dK/dl = 0), когда.

(5.5).

Величина К минимальна в точке, в которой отрицательное значение углового коэффициента кривой? max (I) достигает единицы.

Можно полагать, что эта точка близка к мысу, поскольку величина pmах уменьшается монотонно и вдоль всей кривой pmax (I) ее производная резко не изменяется. В то же время у мыса величина dpкp/dI достигает бесконечного значения и терпит разрыв. Однако априорно определить положение минимума К невозможно, измерения же предельных составов в узкой зоне вблизи мыса практически невыполнимы с должной точностью.

На рис. 5.1−5.4 представлены экспериментальные данные^[2] о зависимости предельной концентрации различных окислителей от содержания инертного компонента в тройных смесях. Сходны закономерности для смесей с кислородом (см. рис. 5.1) и для смесей с NO и NO2 (см. рис. 5.2). Концентрация окислителя монотонно уменьшается при увеличении I практически до самого мыса. Минимум К вблизи мыса либо вообще не зафиксирован, либо недостоверен (см. рис. 5.1, 5.2) и может быть отнесен к погрешности эксперимента. Недостоверен и минимум К на кривых для пределов взрываемости смесей С12 + N2 + СН4, C2H6 или С4Н8.

Рис. 5.1. Предельные концентрации окислителя в смесях, содержащих углеводород и кислород:

1, 2 — СН4 + O2 + N2; 3 — технический пропилен (83% C3H6, 4% других непредельных, 12% С3Н8 + O2+СO2).

Рис. 5.2. Предельные концентрации окислителя в смесях циклогексана с оксидом и диоксидом азота:

1 — С6Н12 + NO + N2; 2 — С6Н12 + NO2 + N2.

Рис. 5.3. Предельные концентрации окислителя в смесях с хлором:

1 — СН4 + Cl2 + N2; 2 — С2Н6 + + Cl2 + N2; 3 — С4Н10 + Cl2 + N2.

Существенно иная зависимость К(I) для смесей СО + + N2O + N2 (см. рис. 5.4, кривая 1); здесь К почти неизменно для всех богатых смесей. Эта особенность обусловлена тем, что теплоемкости избыточного горючего и инертного компонента СО н N9 практически одинаковы, и оба стабильны при нагревании. Эквивалентная взаимозамена этих компонентов не влияет на температуру зоны реакции. В аналогичных смесях с другим горючим — циклогексаном — К монотонно уменьшается с ростам I до самого мыса (кривая 2).

Рис. 5.4. Предельные концентрации окислителя в смесях с оксидом диазота:

1 — СО + N2O + N2; 2 — С6Н12 + N2O + N2.

Таким образом, экспериментальные данные в общем подтверждают изложенные представления. К действительно достигает минимума практически у мыса области взрываемости, если специфические соотношения свойств компонентов, как в случае CO-N2, не делают такую замену несущественной. Разрыв функций dp/dI и dK/dI имеет место непосредственно у мыса и не может быть экспериментально зафиксирован.

• [1] Гуревич М. А., Озеров Е. С ., Степанов А. М. Расчет гетерогенного воспламенения совокупности частиц// Физика горения и взрыва. 1970. Т. 6. № 3. С. 326−342.
• [2] Похил П. Ф., Логачев В. С, Мальцев В. М. Указ. соч.