3.3. Оценка пожаровзрывоопасности среды внутри аппаратов при их нормальной работе

В технологических схемах присутствуют:

- аппараты с горючими жидкостями, причем уровень жидкости может изменяться при наполнении или расходе продукта;

- аппараты, полностью заполненные жидкостью (например, насосы, трубопроводы);

- аппараты с горючими газами;

- аппараты, внутри которых находятся одновременно горючая жидкость и газ.

3.3.1. Поэтому вначале следует выяснить, есть ли в заданной технологической схеме аппараты с переменным уровнем горючей жидкости. Это обычно резервуары, вертикальные и горизонтальные емкости, мерники и другие подобные им аппараты. В таких аппаратах над поверхностью жидкости всегда есть паровоздушное пространство, концентрация паров в котором может быть ниже нижнего предела распространения пламени (воспламенения) или в пределах воспламенения (взрыва), или выше верхнего предела распространения пламени (воспламенения) [3].

Чтобы установить, какая концентрация паров будет в паровоздушном объеме аппарата при нормальной рабочей температуре, нужно сравнить эту температуру с температурными пределами распространения пламени и сделать соответствующие выводы. Внутри аппаратов с горючими газами или перегретыми парами горючие (взрывоопасные) концентрации (ВОК) образуются в том случае, если в них попадает воздух или подается окислитель (кислород, воздух, хлор и др.) при выполнении соотношения

, (1)

где φ_р- действительная (рабочая) концентрация горючего вещества, об.доли; φ_н и φ_в - соответственно нижний и верхний концентрацион­ные пределы распространения пламени при рабочей температуре, об.доли.

Результат оценки пожарной опасности целесообразно оформить в виде таблицы.

Анализ горючести среды внутри аппарата при их нормальной работе

№ аппа-рата	Наименование аппарата, жидкость	Наличие паровоздуш-ного пространства в аппарате	Рабочая темпера- тура в аппа- рате	Темпера- турные пре- делы восп- ламенения раст- воров (жидкос- тей)		Заключение о горю-чести среды в аппарате
				нижний	верхний
1	2	3	4	5	6	7

3.3.2. Если в аппарате в какие-то периоды образуется взрывоопасная концентрация, опасность ее нужно подтвердить расчетом величины давления, которая образуется при взрыве [4, с. 147]. Опасность образования взрывоопасной концентрации внутри аппарата подтверждаем расчетом величины давления, которая образуется при взрыве

, (2)

где Р₀ – начальное давление взрывоопасной смеси, МПа (рабочее давление в аппарате); Т₀ – начальная температура взрывоопасной смеси, К; Т_взр – определяется нижними и верхними температурными пределами воспламенения, К; ∑n_i – число молей продуктов горения после взрыва (берется из конечной части уравнения горения); ∑n_см - число молей газовой смеси до взрыва (берется из исходной части уравнения горения).

Уравнение горения:

n₁ * [горючий газ] + n₂ * [кислород] = n_см * [продукты горения]. (3)

Например, реакции горения, используемые в данном курсовом проекте:

четыреххлористый титан: ТiСL₄ + О₂ =ТiО₂ + 2СL₂ ;

триэтилалюминий: 2 АL (С₂Н₅)₃ + 8О₂ = 4СО₂ + 5Н₂О + АL₂О₃;

циклогексан: С₆Н₁₂ + 9О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О;

этилен: С₂Н₄ + 3О₂ =2СО₂ + 2Н₂О;

бензин: С₇Н₂₀ + 12О₂= 7СО₂ + 10Н₂О;

бензол: С₆Н₆ + 7,5О₂= 6СО₂ + 3Н₂О;

пропан: С₂Н₄ + 3О₂ = 2СО₂ + 2Н₂О и т. д.

Таким образом, записываются реакции горения всех веществ, находящихся в аппаратах технологической схемы процесса заданных производств и производятся расчеты давлений взрыва веществ.

3.3.3. Если аппараты и трубопроводы полностью заполнены жидкостью, в них нет паровоздушного объема и, следовательно, в них не могут образоваться взрывоопасные концентрации (кроме периодов пуска и остановки). То есть возникают большие внутренние напряжения в стенках аппаратов в результате резкого торможения движущегося потока жидкости или газа. В связи с этим слушателю необходимо определить приращение давления в герметичном аппарате или на участке трубопровода, полностью заполненном жидкостью, при повышении температуры, учитывая, что начальная температура равна температуре внутри помещения : 20 ⁰С.

Определяем приращение давления, ∆P, МПа, в герметичном аппарате:

∆P = , (4)

где β_CЖ - коэффициент объемного сжатия жидкости, К^-1; β – коэффициент объёмного расширения жидкости, К^-1; ∆t – изменение температуры в аппарате, ⁰С, определяется по формуле: ∆t = t_К – t_Н , где t_К – конечная (рабочая) температура, ⁰С, t_Н – начальная температура, ⁰С.

3.3.4. Если в аппаратах находится горючий газ, оценка опасности внут­ренней среды производится сравнением величины рабочей концентрации газа с концентрационными пределами распространения пламени [4, с. 13].

Почти всегда аппараты, заполненные газами без наличия воздуха, имеют рабочую концентрацию газа в аппарате – 100 %. Следовательно, она практически всегда выше верхнего концентрационного предела распространения пла­мени, т.е. опасность взрыва (взрывоопасная концентрация) отсутствует. Однако она также может возникать в периоды остановки и пуска.

3.3.5. Если аппараты заполнены жидкостью и горючим газом, опасность среды надо оценивать так же, как для аппара­тов с наличием газов. Если в аппаратах (например, сушилках, окрасочных камерах и т.п.) имеется смесь возду­ха с насыщенными или перегретыми парами, оценку взрывоопасности внутренней среды следует производить не по температурным пределам воспламенения, а путем сравнения действительной концентрации паров с нижним концентра­ционным пределом распространения пламени (воспламенения).

3.3.6. Если концентрация окажется в пределах опасности (с уче­том коэффициента запаса, равным 20), следует предложить меры, обеспечивающие снижение концентрации до безопасных пределов [5, с. 3 - 9], то есть конечная концентрация φ_КОН определяется по формуле:

φ_кон=φ_НПВ/20 , (5)

где значения φ_н и φ_в, приведенные к 25 °С при атмосферном давле­нии [5, прил.]. Слушателю необходимо определить значения величин φ_н и φ_в при температуре среды, отличной от 25 °С, по формулам:

; (6) , (7)

где t_р - рабочая температура среды в аппарате, °С.

Взрывобезопасные условия эксплуатации аппаратов с горючими газами и перегретыми парами определяют из выражений

; (8)

, (9)

где φ_р.без - взрывобезопасная концентрация горючего вещества в газопаровоздушной смеси, об. доли.В аппаратах с длительно хранящимися и особенно нагретыми жидкостями концентрация паров близка к насыщенной, т.е. φ_р=φ_s. Здесь φ_s - концентрация насыщенного пара при рабочей температуре жидкости, определяемая по формуле

, (10)

где Р_S - давление насыщенного пара жидкости при рабочей темпера­туре, Па.

При эксплуатации аппаратов с открытой поверхностью испарения (окрасочные, закалочные, пропиточные ванны, емкости для промывки деталей и другие аппараты) БОК паров над зеркалом пожа­роопасной жидкости образуются при выполнении условии

, (11)

где - температура вспышки пожароопасной жидкости, °С [5, прил.].

Взрывобезопасные условия эксплуатации открытых аппаратов определяют из выражения

⁰С . (12)

Концентрационные пределы распространения пламени газовых (паровых) смесей, состоящих из горючих и негорючих компонентов, оценивают по формуле

, (13)

где - концентрационный предел распространения племени (нижний или верхний) смеси, об.доли; - объемная доля i-го го­рючего компонента в смеси; . -концентрационный предел распространения пламени (нижний или верхний) i-го компонента, об до­ли; n - количество горючих компонентов в смеси.

Когда смесь газов (паров) состоит только из горючих компонентов:

. (14)

Кажущаяся молекулярная масса смеси паров,

, (15)

где - относительное содержание компонента в растворе или смеси; - молекулярная масса вещества.

Относительное содержание компонентов в растворе

; (16)

; (17)

где и - соответственно объемная и массовая доли i-го компо­нента в растворе; - объем i-го компонента в растворе, м³; - масса i-го компонента в растворе, кг; n - число компонентов в растворе.

Пересчет относительного объемного или массового содержания компонентов в растворе в мольные доли компонентов для бинарных растворов, содержащих компоненты А и В, производится по формулам

; (18)

, (19)

где и - объемные доли соответственно компонентов А и В в растворе, ; ρ_а и ρ_в - плотность чистых компонентов А и В [5, прил.], кг/м³ ; и - массовые доли компонентов А и В в растворе, ; и - молекулярные массы чистых компонентов А и В, кг/кмоль; и - мольные доли компонентов А и В в растворе, .

Формулы для перевода массовых долей компонентов в газовых смесях в объемные доли, а также для определения плотности молекулярной массы и газовой постоянной смеси паров или газов приведены в таблице 3 приложения.

Чтобы избежать образования взрывоопасных концентраций внутри аппаратов трубопроводов, при их остановке полностью сливают огнеопасные жидкости и стравливают горючие газы, надёжно отключают трубопроводы с огнеопасными веществами и продувают внутренний объём аппаратов, чтобы в них не оставалось паров жидкостей и газов (пункт 11).