Ограничения по составу газа каталитической очистки
Пределы взрываемости газов ЛОС
Безопасная эксплуатация систем каталитической очистки газовых выбросов, работающих с органическими загрязнителями, в первую очередь зависит от управления риском образования взрывоопасных сред. Горючие компоненты, присутствующие в очищаемом газе, при определенных концентрациях способны образовывать с кислородом воздуха смеси, воспламенение которых может привести к аварийным ситуациям.
Ключевым параметром для оценки этого риска является нижний предел взрываемости (НПВ или LEL – Low Explosion Limit) – минимальная концентрация горючего вещества в воздухе, при которой возможен взрыв или возгорание от источника зажигания. Текущие промышленные стандарты и нормативные требования, действующие в большинстве стран, предписывают поддерживать рабочую концентрацию каждого загрязнителя значительно ниже этого предела, как правило, на уровне 25% от НПВ.
Ключевым параметром для оценки этого риска является нижний предел взрываемости (НПВ или LEL – Low Explosion Limit) – минимальная концентрация горючего вещества в воздухе, при которой возможен взрыв или возгорание от источника зажигания. Текущие промышленные стандарты и нормативные требования, действующие в большинстве стран, предписывают поддерживать рабочую концентрацию каждого загрязнителя значительно ниже этого предела, как правило, на уровне 25% от НПВ.
Настоящая информация систематизирует принципы обеспечения взрывобезопасности при каталитической очистке газов. В ней рассматриваются:
Соблюдение изложенных принципов и тщательный расчет состава газовой смеси на всех этапах технологического процесса – от входа в установку до выхода из теплообменника – являются обязательным условием для проектирования и безопасной эксплуатации каталитических систем очистки.
- Базовые понятия нижнего предела взрываемости НПВ (LEL) и верхнего предела взрываемости ВПВ (UEL).
- Методики расчета безопасных концентраций для индивидуальных веществ и сложных многокомпонентных смесей.
- Влияние критических факторов, таких как температура газового потока и температура самовоспламенения веществ.
- Альтернативные методы подавления взрывоопасности, включая разбавление инертными газами (CO₂, N₂) и контроль минимально необходимой концентрации кислорода.
- Практические примеры расчетов и оценочные формулы для быстрого анализа рисков.
Соблюдение изложенных принципов и тщательный расчет состава газовой смеси на всех этапах технологического процесса – от входа в установку до выхода из теплообменника – являются обязательным условием для проектирования и безопасной эксплуатации каталитических систем очистки.
При анализе компонентов исходной газовой смеси важно проверить, чтобы концентрация каждого загрязняющего вещества не была настолько высокой, чтобы могла образоваться взрывоопасная смесь. НПВ (LEL- lower explosion limit) – это наименьшая концентрация горючего вещества в однородной смеси с воздухом, достаточная для возникновения взрыва или возгорания при наличии искры. Это требование должно соблюдаться не только на входе в каталитическую установку, но и на выходе из теплообменника.
Большинство поставщиков оборудования вводят ограничения по эксплуатации, требующие, чтобы потоки воздуха, содержащие органические вещества, обрабатывались на очень низком уровне от их НПВ. При эксплуатации часто используются системы мониторинга НПВ для случаев, когда концентрации органических паров составляют 15–25% от НПВ. При правильном мониторинге и активном контроле НПВ, например, при автоматическом регулировании разбавления отходящих газов воздухом, концентрации органических веществ можно безопасно поддерживать на уровне 25–35% от НПВ.
Если каталитическая установка оборудована системой автоматического отключения и продувки, можно рассмотривать концентрацию до 50% от LEL.
Большинство поставщиков оборудования вводят ограничения по эксплуатации, требующие, чтобы потоки воздуха, содержащие органические вещества, обрабатывались на очень низком уровне от их НПВ. При эксплуатации часто используются системы мониторинга НПВ для случаев, когда концентрации органических паров составляют 15–25% от НПВ. При правильном мониторинге и активном контроле НПВ, например, при автоматическом регулировании разбавления отходящих газов воздухом, концентрации органических веществ можно безопасно поддерживать на уровне 25–35% от НПВ.
Если каталитическая установка оборудована системой автоматического отключения и продувки, можно рассмотривать концентрацию до 50% от LEL.
Нижний предел взрываемости LEL органических паров, а также неорганических соединений H₂ и CO, варьируется от соединения к соединению и зависит от общего состава газового потока и температуры.
При концентрациях органических веществ выше LEL потенциально взрывоопасные условия сохраняются до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел взрываемости (ВПВ или UEL - upper explosion limit). При недостатке в смеси кислорода в условиях высокого избытка органического вещества угроза самовоспламенения исключается. В этих условиях реакции окисления органического вещества могут происходить не полностью с образованием побочных продуктов неполного окисления.
В Таблице 1 представлены данные LEL/UEL, температуры самовоспламенения, теплоты сгорания для основных веществ ЛОС для стандартных условий (25⁰C).
При концентрациях органических веществ выше LEL потенциально взрывоопасные условия сохраняются до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел взрываемости (ВПВ или UEL - upper explosion limit). При недостатке в смеси кислорода в условиях высокого избытка органического вещества угроза самовоспламенения исключается. В этих условиях реакции окисления органического вещества могут происходить не полностью с образованием побочных продуктов неполного окисления.
В Таблице 1 представлены данные LEL/UEL, температуры самовоспламенения, теплоты сгорания для основных веществ ЛОС для стандартных условий (25⁰C).
Таблица 1. Значения НПВ/ВПВ (LEL/UEL), температуры самовоспламенения, теплоты сгорания для основных органических веществ ЛОС
Таблица 1. Значения НПВ/ВПВ (LEL/UEL), температуры самовоспламенения, теплоты сгорания для основных органических веществ ЛОС
Вещество | Формула | CAS-No. | Молекулярный вес | Т кипения | Предел взрыв. | Предел взрыв. | Т самовоспламенения |
|
|
|
|
| LEL | UEL |
|
|
|
| [кг/кмоль] | [oC] | [Об.%] | [Об.%] | [oC] |
Водород | H2 | 1333-74-0 | 2,0158 | -253 | 4 | 75 | 560 |
Монооксид углерода | CO | 630-08-0 | 28,0104 | -192 | 12,5 | 74 | 620 |
Сероводород | H2S | 7783-06-4 | 34,0758 | -60,28 | 4,3 | 46 | 260 |
Аммиак | NH3 | 7664-41-7 | 17,0304 | -33,3 | 15 | 30 | 651 |
Метан | CH4 | 74-82-8 | 16,0426 | -161,6 | 5 | 15 | 595 |
н-пропан | C3H8 | 74-98-6 | 44,0962 | -42 | 2,2 | 9,5 | 480 |
н-бутан | C4H10 | 106-97-8 | 58,123 | -0,5 | 1,8 | 8,4 | 420 |
н-пентан | C5H12 | 109-66-0 | 72,1498 | 35,5 | 1,4 | 8,3 | 260 |
Этилен | C2H4 | 74-85-1 | 28,0536 | -104 | 2,7 | 36 | 425 |
Пропилен | C3H6 | 115-07-1 | 42,0804 | -47,7 | 2 | 11,1 | 460 |
Фенол | C6H6O | 108-95-2 | 94,1128 | 182 | 1,5 | 8,6 | 715 |
Ацетон | C3H6O | 67-64-1 | 58,0798 | 56 | 2,5 | 12,8 | 465 |
Этиленоксид | C2H4O | 75-21-8 | 44,053 | 10,7 | 3 | 100 | 570 |
Бензол | C6H6 | 71-43-2 | 78,1134 | 80 | 1,3 | 8 | 561 |
Толуол | C7H8 | 108-88-3 | 92,1402 | 110,6 | 1 | 7 | 536 |
Этилбензол | C8H10 | 100-41-4 | 106,167 | 136 | 1 | 6,7 | 432 |
Стирол | C8H8 | 100-42-5 | 104,1512 | 145 | 1,1 | 6,1 | 490 |
Нафталин | C10H8 | 91-20-3 | 128,1732 | 218 | 0,9 | 5,9 | 529 |
Винилхлорид | C2H3Cl | 75-01-4 | 62,4987 | -13,4 | - | - | - |
Метиламин | CH5N | 74-89-5 | 31,0572 | -6 | 4,9 | 20,7 | 429 |
Этиламин | C2H7N | 75-04-7 | 45,084 | 16 | 3,5 | 14 | 429 |
Важной характеристикой вещества является температура самовоспламенения, т.е. наименьшая температура, при которой пары могут воспламениться при контакте с горячей поверхностью без пламени или искры. Следует отметить, что соединения C₄–C₁₂ (включая бензин и "уайт-спирит") имеют относительно низкую температуру самовоспламенения – ниже 300°C, поэтому при очистке газов с этими загрязнителями следует проявлять особую осторожность.
Используя данные таблицы, рассчитаем LEL для ацетона: LEL = 2,5 об.% или (0,025 * 1000 / 22,4) * 58,1 = 64,8 г/Нм³ и 25% от LEL = 16,2 г/Нм³
Используя данные таблицы, рассчитаем LEL для ацетона: LEL = 2,5 об.% или (0,025 * 1000 / 22,4) * 58,1 = 64,8 г/Нм³ и 25% от LEL = 16,2 г/Нм³
На практике часто необходимо учитывать высокую температуру газов и сложный состав газов на очистку. В случае смеси горючих веществ LEL смеси рассчитывают по формуле:
где
c = массовая доля
x = LEL отдельных растворителей.
Приведем несколько примеров.
Определим расход воздуха Q в Нм³/ч, необходимый для разбавления потока растворителя 100 кг/ч, состоящего из 50% толуола, 25% метилэтилкетона и 25% этилацетата, до концентрации 25% от LEL.
c = массовая доля
x = LEL отдельных растворителей.
Приведем несколько примеров.
Определим расход воздуха Q в Нм³/ч, необходимый для разбавления потока растворителя 100 кг/ч, состоящего из 50% толуола, 25% метилэтилкетона и 25% этилацетата, до концентрации 25% от LEL.
Полученное значение рассчитано для температуры 20⁰С. При увеличении температуры значение LEL уменьшается.
Эмпирически установлено, что каждое повышение на 50⁰С приводит к понижению LEL на 3,6% [1].
Таким образом, при 300⁰С LEL газовой смеси необходимо умножить на коэффициент 0,82.
Если LEL не был измерен, то для оценочного расчета для заданной концентрации органического соединения в атмосферном воздухе можно применить следующую эмпирическую формулу [1] (точность в пределах ±15%, кроме газов C₂H₂, CO и H₂):
Эмпирически установлено, что каждое повышение на 50⁰С приводит к понижению LEL на 3,6% [1].
Таким образом, при 300⁰С LEL газовой смеси необходимо умножить на коэффициент 0,82.
Если LEL не был измерен, то для оценочного расчета для заданной концентрации органического соединения в атмосферном воздухе можно применить следующую эмпирическую формулу [1] (точность в пределах ±15%, кроме газов C₂H₂, CO и H₂):
Эмпирическая формула оценки LEL (НПВ) из теплоты сгорания
где
с – концентрация компонента в газе, об.%
H - теплота сгорания в BTU/фунт
MW – молярная масса компонента, фунт/моль
Данное соотношение является консервативной оценкой LEL для стандартных условий, рассчитанной на основе 40 наиболее используемых органических веществ и используется для быстрой проверки LEL.
Разберем пример 2,0 об.% этана в воздушном потоке при 120°C.
с – концентрация компонента в газе, об.%
H - теплота сгорания в BTU/фунт
MW – молярная масса компонента, фунт/моль
Данное соотношение является консервативной оценкой LEL для стандартных условий, рассчитанной на основе 40 наиболее используемых органических веществ и используется для быстрой проверки LEL.
Разберем пример 2,0 об.% этана в воздушном потоке при 120°C.
Формула оценки LEL для этана
% от LEL на основе измеренных данных составляет
т.е. несколько ниже. При стандартных условиях (25°C) смесь с концентрацией 2.0% этана находится на уровне ~67% от LEL. Это уже выше общепринятого безопасного порога в 25-50% и требует внимания.
В данном примере состав близок к LEL и требует разбавления или дополнительной системы контроля для минимизации риска взрыва.
В данном примере состав близок к LEL и требует разбавления или дополнительной системы контроля для минимизации риска взрыва.
Для исключения риска взрыва, часто используют разбавление газовой смеси инертным газом, например, азотом, углекислым газом, аргоном. Снижение содержания O₂ путем добавления CO₂ или N₂ в воздушный поток не приводит к значительному снижению LEL. В таблице 2 представлены значения минимальной объемной концентрации кислорода при разбавлении углекислым газом или азотом, ниже которой риск создания взрывоопасной смеси минимален.
Таблица 2. Минимальное необходимое количество кислорода при разбавлении газовой смеси углекислым газом или азотом.
Таблица 2. Минимальное необходимое количество кислорода при разбавлении газовой смеси углекислым газом или азотом.
Вещество | Об.% O2 с разбавлением CO₂ | Об.% O2 с разбавлением N₂ |
Водород | 8,0 | 5,4 |
CO | 10,0 | 6,8 |
Органические соединения | 14,7 | 12,8 |
Минимальная концентрация O₂ мало различается для распространенных органических соединений (метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, пропилен, бензол, бутадиен, циклопентан, циклопропан) и составляет 14,7 % O2 при разбавлении углекислым газом и 12,8% - азотом.
Выводы
Выводы
Таким образом, дадим практические рекомендации по обеспечению безопасности
- Многоступенчатый контроль. Контролируйте концентрацию горючего не только на входе установки, но и после каждого теплообменника или подогревателя, где температура повышается.
- Консервативный подход к расчетам. Всегда используйте температурную поправку для НПВ. Для сложных смесей применяйте формулу Ле-Шателье, считая недостающие LEL по минимальным известным значениям из гомологического ряда.
- Приоритет экспериментальным данным. Оценочные формулы используйте только для предварительного анализа. Для проектирования основывайтесь на сертифицированных справочных данных или лабораторных измерениях.
- Особый режим для "легких" газов. Для потоков, содержащих водород (LEL=4% об.) или оксид углерода (LEL=12.5% об.), устанавливайте вдвое более жесткие пределы безопасности (например, не более 12-15% от их LEL).
- Резервирование систем защиты. Помимо разбавления, проектируйте установки с возможностью аварийной подачи инертного газа (N₂) и автоматической отсечки подачи топлива/сырья при достижении 40-45% от LEL.
- Учет реального источника зажигания. Температура катализатора или поверхностей теплообменника должна быть как минимум на 50°C ниже минимальной температуры самовоспламенения любого компонента в смеси. Для смесей ориентируйтесь на наименьшие температуры самовоспламенения.
- Документирование и обучение. Иметь четкие инструкции с расчетными таблицами LEL для конкретных рабочих смесей при разных температурах. Обеспечить регулярное обучение операторов.
Будем рады диалогу и сотрудничеству!
Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.