مقاله طراحی سامانه پیشگیری از انفجار راکتورهای صنعتی

بخشی از مقاله

چکیده

راکتورها به عنوان قلب واحدهای فرایندی توام با پدیده های انتقال جرم و حرارت هستند.واکنشهای مهار نشدنی همواره خطرات بالقوه-ای را در صنعت به همراه دارند، که یکی از کارامدترین راههای مقابله با این خطرات نصب سیستمهای اطمینان فشاری میباشد.

در این مطالعه ، ضمن بررسی انواع روشها، یک روش سریع و ساده برای طراحی سیستم اطمینان اضطراری برای راکتور دارای واکنشهای شیمیایی مهار نشدنی ارائه شده است. در مطالعه حاضر، تمام تجهیزات مورد نیاز برای یک سیستم اطمینان اضطراری طراحی شده است. طراحی سیستم مبنی بر نظریههای موجود، استانداردها و روابط بدست آمده از منابع موجود انجام شده است، که در این مطالعه به اجرا در آمده است.

در این مطالعه یک روش ساده و مفید برای سیستمهای اطمینان اضطراری نشان داده شده است، که میتواند برای طراحی سیستمهای مشابه بکار رود. نتایج بدست آمده میتواند به درک بهتر سیستم تانک تخلیه که اغلب در کارخانههای صنعتی برای افزایش ایمنی، کاهش خطر انفجار و کم کردن مشکلات و آلودگیهای زیستمحیطی استفاده میشود، کمک کند.

.1 مقدمه

در فرآیندهای صنعتی، مواد خام با استفاده از روشهای مختلف به محصولات تجاری گوناگونی تبدیل میشود. یکی از روشهایی که اغلب مورد استفاده قرار میگیرد، تبدیل مواد از طریق یک واکنش شیمیایی گرمازا میباشد، که اگر در طول فرایند نرخ گرمای تولیدی از نرخ گرمای خروجی تجاوز کند، میتواند به یک واکنش مهار نشدنی منجر شود

بالا رفتن فشار در طی واکنش مهار نشدنی به علت افزایش فشار بخار مایع و یا تولید گازهای مایع نشدنی1 میباشد. علاوه بر از دست رفتن موجودی راکتور به علت فرآیند تبدیل کنترل نشده، اگر فشار درون راکتور بیش از فشار طراحی شود یک واکنش مهار نشدنی میتواند باعث آسیب شدید تجهیزات یا حتی انفجار فیزیکی شود. نیاز به محاسبهی پدیدههای جریان دوفازی برای طراحی سیستمهای ریلیف برای واکنشهای شیمیایی مهار نشدنی توسط بویل و هوف 2] و [3 حدود دو دهه پیش به رسمیت شناخته شده است.

کار پیشین، توسط هوف برای توصیف دو فاز از طریق روند کاهش فشار جریان در حال جوش به بخش مدلهای کامپیوتری هدایت شد 4] و .[5 رویکرد شبیهسازی کامپیوتری اندازه دریچه مورد نیاز برای توصیف خواص سینتیکی و ترموفیزیکی سیستم واکنش را بدست میآورد. متاسفانه، اطلاعات مبنا به ندرت دردسترس هستند، و کمتر از روشهای تحلیلی پیچیده 6] و [7 استفاده میشود، اندازه دریچه مجاز از طریق تست مستقیم دادهها مانند روش طراحی برای سیستم اطمینان اضطراری - DIERS - 2 بعنوان مرجع استفاده میشود 8] و .[9

سیستم اطمینان اضطراری شامل سطح تخلیه، صفحات نشت بند - RD - 3، شیر اطمینان ایمنی، لولههای تخلیه، تانک تخلیه، مبدل حرارتی افقی، اسکرابر دارای جاذب و مبدل حرارتی عمودی، دودکش خروجی، پمپهای مربوطه، فن، لولهها، اتصالات و سیستم عرضه الکتریسیته، آب خنک کننده4 و برج جذب میباشد. در نمونهای از واکنش مهار نشدنی، دریچه صفحات نشت بند باز میشود و مخلوط راکتور به لولههای تخلیه وارد شده و سپس به درون تانک تخلیه جاری میشود. به دلیل زمان اقامت کوتاه مخلوط راکتور در تانک تخلیه، در دمای ثابت حجم تغییر کرده و فشار کاهش مییابد، که منجر به تراکم مخلوط واکنش میشود. جریان دو فازی باقی مانده سریعا به مبدل حرارتی افقی وارد میشود و پس از سرد شدن و میعان به برج جذب همراه با مبدل حرارتی عمودی جریان مییابد، که در آن خنثی سازی انجام میشود

در تحقیق حاضر، جزئیات طراحی سیستم اطمینان اضطراری براساس روش طراحی برای سیستم اطمینان اضطراری نشان داده شده است. این تکنولوژی از علوم مکانیکی، الکتریکی، و مهندسی فرآیند براساس سالها تجربه در فرآیندهای صنعتی در سراسر جهان بدست آمده است. تمام اجزا بر اساس استانداردهای API RP 520 و API STD 526 طراحی شده است 

واکنش مهار نشدنی ممکن است در نتیجه قطع آب خنک کننده در راکتور، ورود بیش از حد واکنش دهندهها، آتش بیرونی و نیز عدم کارکرد مناسب هم زن ویا افزایش دمای واکنش به صورت نامطلوب در راکتور ایجاد شود. پیش بینی این موارد دشوار و کنترل آن تقریبا غیرممکن است و می-تواند منجر به انفجار شود. بنابراین، یک سیستم اطمینان اضطراری با اندازه صحیح و مناسب روش مناسبی برای جلوگیری از حوادث مرگبار وآلودگیهای زیست محیطی است.

هدف از این مطالعه عبارت است از:

1.    نشان دادن روند اصلی مکانیکی، الکتریکی و اصول فرآیند برای این سیستم.

.2طراحی سیستم اطمینان اضطراری با سکرابر مربوطه، ستون جذب و اتصالات مربوطه.

سیستم اطمینان اضطراری طراحی شده درشکل 1 ارائه شده است . یک نمونهی واقعی از فرآیند صنعتی از 12 راکتور ناپیوسته برابر به حجم 30 متر مکعب تشکیل شده است که به سنسورهای دما و فشار، وسایل سرمایش و گرمایش وصفحات نشت بند مجهز شده اند، در راکتور، واکنش گرمازای فنول Bفرمالدهید صورت میگیرد. برای راکتور برجهای خنک کننده به ظرفیت700 متر مکعب بر ساعت از آب خنک کننده که رنج تغییرات دمایی سیستم خنک کنندهی آب بین 13 تا 26 درجه سلسیوس میباشد استفاده شده است. سیستم اطمینان اضطراری برای واکنشهای مهارنشدنی:

1.    طراحی سامانه تخلیه

2.    تانک تخلیه

3.    اسکرابر با مبدل های حرارتی وبرج جذب اطمینان

.2 تجهیزات اطمینان فشار

ملزومات اطمینان فشار بر اساس استاندارد API RP 520 طراحی شده اند .[13] جزئیات سیستم اطمینان فشاری در راکتور که شامل شیر اطمینان ایمنی - SRV - 5 و صفحات نشت بند است، در شکل 2 نشان داده شده است و ابعاد آنها در جدول - 1 - ارائه شده است. فشاری که در آن پیستون شیر اطمینان ایمنی باز می شود به خواص فیزیکی و شیمیایی سیستم واکنش بستگی دارد.

در مطالعه حاضر، شیر اطمینان ایمنی به گونهای طراحی شده است که وقتی فشار متوسط واکنش بالاتر از 70×103 پاسکال برسد باز می شود. در واکنش مهار نشدنی، جریان متوسط خروجی از راکتور وارد لولههای تخلیه متصل به تانک تخلیه میشود. تعیین قطر لوله تا آنجا که به بهرهبرداری از سیستم مربوط میشود مهم است. طراحی دریچه یک گام بسیار مهم برای طراحی سیستم اطمینان اضطراری است. در این مطالعه، روش ارائه شده توسط فاسک[1] 6 و لئونگ 7 و همکارانش [11] مورد استفاده قرار گرفت. میتوان از معادلهی فشار- دمای آنتوان8 برای محاسبه فشار بخار در واکنشهای مهار نشدنی استفاده نمود:

- 1 -   میزان تخلیه جریان دو فازی در واحد سطح با توجه به مدل

تعادل همگن که میتواند در این ناحیه با کیفیت پایین تقریب زده شود، از رابطه ارائه شده توسط لئونگ [10] که به شرح زیر است، مورد بررسی قرار گرفت که در آن توسط فرم دیفرانسیل - 1 - جایگزین شد و تخلیه جریان دو فازی در واحد سطح مورد بررسی قرار گرفت.

پارامترهای فیزیکی و شیمیایی مورد استفاده برای طراحی سیستم های تخلیه:

آنتالپی تشکیل - پری وگرین :

واکنشهای شیمیایی در حالت مهار نشدنی خیلی پیچیده هستند و وابسته به نوع کاتالیست مورد استفاده و شرایط دیگر فرآیند میباشند.[1] در مطالعه حاضر بدترین سناریو برای حالت مهار نشدنی حرارتی در واکنش مورد استفاده قرار گرفته است . اساس طراحیها بر مبداء - / - و - / - s گردآوری شده اند و از مقالات ونوشتههای گذشتگان 10-12]، [16 آورده شده اند و در جدول - 1 - آمده است. محاسبه سطح دریچه باروش نوموگرام9 توسط فاسک مطالعه شده است.

این روش با روش طراحی برای سیستم اطمینان اضطراری مقایسه شده است .[1] و با نتایج بدست آمده، سطح دریچه از 0.326 m2 یا 0.65m وقطر لوله تطابق خوبی دارد . دستگاههای کنترل فشار براساس استاندارد API RP 526 طراحی شده اند . جزئیات ارائه شده از دستگاههای کنترل فشار در شکل 2 معرفی شده اند وابعاد آنها نیز در جدول - 1 - قابل مشاهده می باشند. در طراحی حاضر پیشنهاد شده است صفحات نشت بند بین راکتور و شیر اطمینان ایمنی قرار بگیرد.

صفحات نشت بند اغلب به صورت سری بر روی شیر اطمینان ایمنی نصب میشوند؛ به علت - 1 - محافظت از قسمت فنری شیر ایمنی اطمینان در مقابل خوردگی محیط - 2 - برای دستیابی به حالت عایق مطلق در مقابل مواد شیمیایی سمی منتشر شده. - 3 - برای رسیدن به عایق مناسب در مقابل بخارات آتش گیر، - 4 - برای مراقبت نسبی در مقابل اجزای پیچیده بخش فنری برای عدم واکنش با مونومر ها که باعث ایجاد حالت انباشتگی در سیستم میشوند

صفحات نشت بند از پیستون شیر اطمینان ایمنی در برابر بخارات محافظت میکند. و هنگامی که فشار مخزن بالاتر از فشار مجاز راکتور شود، باز میشود. حداکثر فشاری که در راکتورهای مهار نشدنی آشکار میشود را نمیتوان مشخص نمود ولی میتوان از دادهای گزارش شده بدست آورد

فشار طراحی 2/21×105 Pa برای طراحی سیستم با ضریب اطمینان %20 مورد استفاده قرار گرفته است . در مطالعه حاضر صفحات نشت بند بین -0/75 bar تا 0/75 bar را میتواند تحمل کند؛ اگر فشار از 0/75 bar بیشتر شود، صفحات نشت بند پاره میشود و مواد به داخل تانک تخلیه میروند.