РАСЧЕТ УСЛОВИЙ, ПРИ КОТОРЫХ ВОЗМОЖЕН ВЗРЫВ И РАЗРУШЕНИЕ ЭКСТРАКТОРА ТИПОВОГО МАСЛОЭКСТРАКЦИОНОГО ЦЕХА

Современная экономическая обстановка заставляет руководителей и собственников предприятий различных отраслей предпринимать меры по снижению затрат, повышению выхода продукта, увеличению рентабельности и т.д. В области переработки растительного сырья на эти вопросы отвечает создание экстракционных цехов, дающих дополнительный выход масел из того же количества сырья.

Для создания эмпирической модели происходящих в аппарате процессов, необходимо понимание технологии экстракции масла.

1. Краткое описание процесса экстракции масла

Типовой маслоэкстракционный завод предназначен для получения растительного масла экстракционным методом, хранения и загрузки в транспорт потребителю.

Экстрагируемый материал из подготовительного цеха, в котором происходит основной отжим масла из растительного материала, в виде жмыховой крупки конвейером подается в загрузочный бункер экстрактора. Из загрузочного бункера экстрагируемый материал, попадая на верхнее полотно поступательно движущегося ленточного конвейера, в непрерывном потоке поступает из зоны загрузки в экстракционную камеру аппарата. На протяжении всего цикла экстракции растительный материал подвергается интенсивному орошению мисцеллой (раствор масла в гексановом растворителе) посредством разбрызгивателей, установленных вдоль конвейерной ленты. Высота слоя экстрагируемого материала на ленточном конвейере экстрактора регулируется положением ограничителя слоя материала.

Каждый разбрызгиватель обеспечивает равномерную подачу мисцеллы и растворителя на экстрагируемый материал. Вновь поступающий материал орошается концентрированной мисцеллой (до 25%), далее по мере продвижения экстрагируемого материала по экстракционной зоне экстрактора орошение производится мисцеллой убывающей концентрации. На конечной стадии экстракции экстрагируемый материал орошается чистым подогретым растворителем.

Затем обезжиренный экстрагируемый материал проходит зону стока экстрактора и выгружается в разгрузочный бункер, откуда поступает на установку отгонки растворителя и влаги из шрота.

В экстракторе постоянно поддерживается небольшое разрежение (5-10 мм в.ст.), создаваемое вакуумным насосом. Шиберный затвор, установленный на входе экстрагируемого материала в загрузочный бункер экстрактора, в случае остановки ограничивает доступ воздуха в экстрактор и позволяет блокировать газовоздушное пространство экстрактора в случае прекращения подачи продукта.

При нормальных условиях работы герметичность в экстракторе создается самим экстрагируемым материалом, который в загрузочном бункере образует своеобразную пробку. Уровень экстрагируемого материала в загрузочном бункере поддерживается автоматически системой контроля уровня. Кроме того, узел подачи экстрагируемого материала с подготовительного цеха в цех экстракции оснащен системой газового подпора.

Особенностью схемы движения растворителя в системе является использование оборотного растворителя по прямому назначению без отвода его в резервуары растворителя после рекуперации.

Принципиальная схема работы экстрактора типового маслоэкстракционого цеха приведена на рис. 1.

2. Анализ условий разрушения экстрактора

Перед началом анализа, следует оговориться, что все типовые маслоэкстракционные заводы являются достаточно новыми предприятиями, а это означает, что они строились в соответствии со всеми современными правилами промышленной безопасности. Из этого следует сделать не маловажный вывод, что в процессе работы маслоэкстракционного цеха система противоаварийной защиты (ПАЗ), автоматическая система управления технологическим процессом полностью исключает разрушение, а уж тем более взрыв экстрактора. Далее следует и обратный вывод, разрушения экстрактора возможно при отключенной системе ПАЗ, что возможно только при остановленном технологическом процессе.  Для оценки возможных условий разрушения экстрактора типового маслоэкстракционного завода, первоначально, необходимо объяснить невозможность взрывного разрушения экстрактора за счёт повышения внутреннего давления паров растворителя.

2.1. Анализ условий разрушения экстрактора вследствие давления насыщенных паров растворителя

Известно, что в качестве растворителя растительного масла при экстракции используется гексановый растворитель. На основе справочных данных [1] следует, что при температуре гексана равной 30°С (максимальная температура в помещении) давление, создаваемое парами опасного вещества, составит 0,25 бар изб. (кгс/см²) (см. рис. 2), что не превышает максимально допустимое давление, указанное в паспорте аппарата. Кроме того, процесс испарения идёт равномерно, то есть занимает продолжительное время, а значит, при достижении давления 0,2 бара должен сработать подрывной предохранительный клапан.

Зная геометрические параметры экстрактора становится возможным определить его свободный объём в соответствии с пунктом А.1.4. методики [2] (V_св= 737,6 м³). Исходя из объёма экстрактора и плотности насыщенного пара растворителя (0,0009 т/ м³ [1]) рассчитаем максимально гипотетическую массу паров, которая могла бы находиться в экстракторе при условии t_экстр =t_о.с. и давлении насыщенного пара. Масса паров может составит 663,8 кг гексана.

2.2. Анализ условий самовоспламенения паров в экстракторе

На основании анализа климатических данных следует, что температура в не работающем экстракторе, находящемся в помещении цеха экстракции не должна превышать 30°С. Гексановый растворитель обладает температурой самовоспламенения не ниже 233°С, что на порядок отличается от температуры паров, находящихся в экстракторе при его остановке. При этом необходим доступ воздуха в аппарат (в качестве окислителя), то есть экстрактор не должен быть герметичен. Тем самым самовоспламенение растворителя исключено.

Можно предположить, что в бункере или на конвейере аппарата осталось некоторое количество жмыха. Процесс воспламенения растительной культуры идёт следующим образом (на примере довольно распространённого самовоспламенения в элеваторах): внутри объёма сырого (влажность не менее 13 – 14 %) семени или в силосе элеватора вследствие усиления дыхания температура повышается, выделяющиеся при дыхании пары усиливают дыхание, и процесс повышения температуры и влажности усиливается – семя начинает прорастать. Повышение температуры способствует развитию плесени и бактерий. При поднятии температуры развивается спиртовое и маслянокислое брожение, а при дальнейшем естественном развитии этого процесса, называемого самонагреванием, или горением, продукт обугливается и может произойти его самовоспламенение.

Брожение в экстракторе невозможно, так как пары гексана являются консервантом (обладают токсичностью по отношению к микроорганизмам). Самовоспламенение остатков жмыха в не очищенном экстракторе исключено.

В связи с выше указанным, условия для самовоспламенения в экстракторе не могут быть достигнуты.

2.3. Анализ необходимых и достаточных условий для взрыва в экстракторе

Согласно паспортным данным, аппарат обладает развитой внутренней конструкцией, и соответственно, значительной площадью, которая может адсорбировать на себя растворитель.

Исходя из свойств растворителя известно, что пары гексана относятся к 3-му классу горючих веществ с размером детонационной ячейки лежащей в пределах от 10 до 40 см. (таблица П3.1 [3]).

Для скоростного горения (сопровождающегося созданием избыточного давления) характерна передача тепла от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой и разбавленной активными радикалами продуктами реакции смеси, перемещается в направлении исходной горючей смеси. Это объясняется тем, что пламя как бы становится источником, который выделяет непрерывный поток тепла и химически активных частиц. В результате этого фронт пламени и перемещается в сторону горючей смеси.

Главный критерий для взрыва в экстракторе – это концентрация паровоздушной смеси, достигающая НКПВ (точка А) и не превышающая ВКПВ (точка Б) (см. рис. 3). Все смеси горючего с воздухом до точки А не способны воспламеняться даже от мощной электрической искры – это область безопасных концентраций. Та минимальная концентрация газов или паров, при которой смесь воспламеняется от постороннего источника зажигания с последующим распространением по всему объему смеси, называется нижним концентрационным пределом воспламенения, взрываемости (НКПВ).

Та наивысшая концентрация горючих паров в смеси, при которой смесь еще воспламеняется от постороннего источника зажигания с распространением горения по всему объему смеси, называется верхним концентрационным пределом воспламенения, взрываемости (ВКПВ). Диапазон концентраций пара в воздухе между НКПВ и ВКПВ является областью воспламенения со взрывом. Стехиометрическая концентрация (точка В) – это наиболее оптимальная концентрация паровоздушной смеси, при которой достигается наивысшее избыточное давление взрыва.

Для гексана (гексановых растворителей) пределы взрываемости составляют 1,2 % (НКПВ) и 7,4 % (ВКПВ) по объёму [4]. Концентрационные пределы взрываемости углеводородов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Концентрационные пределы взрываемости углеводородов

Зная геометрические параметры экстрактора (приведённые в паспорте аппарата) высчитаем его свободный объём в соответствии с пунктом А.1.4. [2] (V_св= 737,6 м³). Исходя из величины свободного объёма и концентрационных пределов взрываемости, находим массу вещества на границах пределов взрываемости (точки А и Б) и в стехеометрической концентрации (точка В, 2,13% об) используя плотность насыщенного пара. Получим три значения массы – 28,78 кг (точка А), 51,08 кг (точка В) и 177,48 кг (точка Б). На основании методик [2, 5] определим величины избыточного давления. Параметры взрыва паров гексана в экстракторе при различных условиях приведены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры взрыва паров гексана в экстракторе при различных условиях

Максимальное справочное давление взрыва паров гексана составляет 848 кПа [5]. Из расчётов, приведенных в табл. 3, видно, что минимальное количество растворителя в экстракторе (28,78 кг при НКПВ) достаточно для полного разрушения аппарата и раскрытия легкосбрасываемых конструкций корпуса экстракции (табл. 3 [7]).

Определим возможность образования такого количества опасного вещества в непропаренном аппарате. Не принимая во внимание механизм передвижения жмыха, внутренняя площадь экстрактора составляет величину ≈ 560 м². Удельный объём гексана = 1,619 м³/т [1], соответственно объём минимально необходимого для взрыва гексана составляет = 46,59 л. При этом толщина возможного слоя гексана на стенках аппарата составит 0,0000832 м или 83,4 мкрм.

Вывод

Приведённые расчётные данные показывают, что при остановке экстрактора с продувкой азотом, но без пропарки возможно создание условий для образования взрывоопасной концентрации и развития взрыва при наличии окислителя. Для возникновения взрыва при создании взрывоопасной концентрации требуется источник зажигания с энергией не менее 0,25 мДж (милиджоуль) [4].

Список использованных источников

1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматиздат, 1972 г. 708 с.
2. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
3. Приказ МЧС РФ от 10.07.2009 г. №404 “Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах”.
4. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. изд.: в 2 книгах / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. – М.: Химия, 1990 г. – 496 с.
5. ГОСТ Р 12.3.047-2012. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
6. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под. ред. Б.И. Соколова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1982 г. – 592 с. – Нью-Йорк, 1977 г.
7. Приказ Ростехнадзора от 11.03.2013 г. №96 “Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности “Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств”.
8. Зелёнкин В.Г., Боровик С.И., Бабкин М.Ю. Теория горения и взрыва, Челябинск, 2011 г. 199 с.