Лекция 8 (3.3).

Анализ пожарной опасности среды внутри технологического оборудования и меры пожарной безопасности

Вопросы:

1. Условия образования взрывопожароопасных концентраций внутри нормально работающих аппаратов с горючими жидкостями, газами и пылями. Понятие предельно допустимой взрывобезопасной концентрации (ПДВК):

• Оценка пожарной опасности в аппаратах с горючими жидкостями и меры профилактики.

• Оценка пожарной опасности в аппаратах с горючими газами и меры профилактики.

• Оценка пожарной опасности в аппаратах с горючими пылями и меры профилактики.

2. Особенности взрывопожарной опасности при остановке и пуске технологического оборудования.

Введение

Итак, теперь вы знаете, что такое горючая среда внутри технологического оборудования.

Каков механизм горения газов и газовых смесей. Какие виды горения существуют.

Имеете представление о распространении пламени по газовоздушным смесям. О концентрационных пределах распространения пламени и области воспламенения.

Каков механизм горения жидкостей, и какие особенности наблюдаются при горении жидкостей.

Вы узнали о пожароопасных свойствах пылей, о горении пылей и распространении горения по пылевоздушным смесям.

Теперь мы можем поговорить об условиях образования взрывоопасных концентраций внутри нормально работающих аппаратов с горючими жидкостями, газами и пылями и о понятии предельно допустимой взрывобезопасной концентрации (ПДВК).

ВОПРОС 1. Условия образования взрывоопасных концентраций внутри нормально работающих аппаратов с горючими жидкостями, газами и пылями. Понятие предельно допустимой взрывобезопасной концентрации (ПДВК).

Рассмотрим условия образования взрывоопасных концентраций внутри нормально работающих аппаратов, где обращаются: горючие жидкости; горючие газы; горючие пыли и волокна.

Для пожарной профилактики необходимо знать предельно допустимые взрывобезопасные (невоспламеняемые) концентрации (ПДВК) горючих паров и газов не только внутри нормально работающих аппаратов, но и в воздухе производственных помещений.

При отсутствии экспериментальных значений ПДВК обычно рекомендуется считать величину предельно допустимой взрывобезопасной концентрации равной величинам предельно допустимых концентраций (ПДК) паров и газов, устанавливаемых санитарно-эпидемиологической службой по их токсичности.

Такая рекомендация содержит огромную систематическую погрешность, поскольку она базируется не на закономерностях процесса взрыва, а на токсичности веществ. Однако по надежности эта рекомендация вполне приемлема для практики, так как ПДК, по крайней мере, на порядок меньше, чем ПДВК.

Предельно допустимая взрывобезопасная (невоспламеняемая) концентрация (ПДВК) при степени надежности невоспламеняющейся смеси, 0,999 рассчитывается по формуле:

ПДВК =/k_бэ, где k_бэ – коэффициент безопасности к нижнему концентрационному пределу распространения пламени (воспламенения); - НКПРП (В).

Коэффициент безопасности k_бэ является основной практической характеристикой надежности безопасной работы технологического оборудования, исключающей образование взрывопожароопасных концентраций внутри нормально работающих аппаратов с горючими веществами.

• Оценка пожарной опасности в аппаратах с горючими жидкостями и меры профилактики

Аппараты с жидкостями

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 жидкости - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре равной 25⁰С и давлении равном 101,3кПа меньше 101,3кПа;

В приложении 4 (обязательном) ГОСТ 12.1.044-89 приведены методы расчета концентрационных пределов распространения пламени по газо-паровоздушным смесям. Расчет приведен ниже.

В случае однокомпонентной жидкости при длительном хранении горючей жидкости в паровоздушном объёме рабочая концентрация (_р) равна концентрации насыщенного пара (_s).

Рабочую концентрацию паров определяют по формуле:

, (3.1)

где: - давление насыщенных паров, кПа;

- рабочее давление в аппарате, кПа.

Давление насыщенных паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей определяют по уравнению Антуана:

, (3.2)

где: А, В, С - константы Антуана;

- расчетная температура, ^оС.

Для оценки пожаровзрывоопасности среды внутри аппаратов с нефтепродуктами давление насыщенных паров рассчитывают по уравнению Сучкова В.П.:

, (3.3)

где: - температура вспышки нефтепродукта, ^оС;

- расчетная температура нефтепродукта, ^оС.

Возможность образования взрывоопасных концентраций оценивают по условию пожаровзрывобезопасности, которое имеет следующий вид:

, (3.4)

, (3.5)

где: - нижний концентрационный предел распространения пламени, %;

- верхний концентрационный предел распространения пламени, %;

– воспроизводимость метода определения показателя пожарной опасности.

Исходя из условия пожаровзрывобезопасности, можно определить безопасные концентрации горючего (соответственно для нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени):

; (3.6)

. (3.7)

Если рабочая температура в технологическом аппарате не равна 25^оС, то значения нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени следует пересчитывать по следующим зависимостям:

; (3.8)

, (3.9)

где: - величина нижнего концентрационного предела распространения пламени, определяемая по справочным данным, %;

- величина верхнего концентрационного предела распространения пламени, определяемая по справочным данным, %;

- рабочая температура, К.

Для многокомпонентных горючих жидкостей рабочую концентрацию определяют по уравнению:

, (3.10)

где: - парциальное давление насыщенных паров i-го компонента, кПа;

- рабочее давление в аппарате, кПа.

Парциальное давление насыщенных паров i-го компонента определяют по закону Рауля:

_, (3.11)

где: - давление насыщенных паров над поверхностью i-го компонента, (определяют по уравнению Антуана) кПа;

- мольная доля i-го компонента.

Мольную долю i-го компонента определяют по формуле:

, (3.12)

где: - масса i-го компонента в растворе, кг;

-молярная масса i-го компонента.

Для смесей горючих веществ также следует рассчитывать значения нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени по формуле:

, (3.13)

где: - концентрация к-го компонента, %;

- величина нижнего (верхнего) концентрационного предела

распространения пламени, %.

В производственных условиях аппараты с жидкостью обычно не заполняются полностью и, следовательно, над зеркалом жидкости имеется определенный свободный объем, который постепенно насыщается парами жидкости.

Необходимо отметить, что некоторые технологические процессы требуют использование аппаратов закрытого типа с неподвижным уровнем жидкости.

Другие технологические процессы используют аппараты с подвижным уровнем жидкости, т.е. когда существует необходимость постоянного опорожнения жидкости из аппарата или наоборот заполнения аппарата жидкостью.

Поэтому рассмотрим аппараты с неподвижным и подвижным уровнями жидкости и условия образования в них пожароопасных концентраций.

Аппараты с неподвижным уровнем жидкости

Внутри закрытого аппарата с неподвижным уровнем горючей жидкости горючая среда может образоваться только при наличии в аппарате свободного от жидкости объема (газового пространства), который сообщается с атмосферой и в той или иной степени насыщается парами жидкости.

В наиболее общем случае наличие горючей смеси в аппарате выражается следующим образом:

φ_н ≤ φ_р ≤ φ_в,

где φ_р – рабочая (фактическая) концентрация паров жидкости в аппарате;

φ_н – концентрация паров жидкости, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени (воспламенения);

φ_в - концентрация паров жидкости, соответствующая верхнему концентрационному пределу распространения пламени (воспламенения).

При установившемся (в течение достаточно долгого длительного периода времени) технологическом режиме эксплуатации аппарата пары равномерно распределяются по всему объему газового пространства при концентрации насыщения φ_s, величина которой зависит от температуры среды в аппарате.

Из курса химии известно, что концентрация насыщения φ_s является функцией температуры: φ_s = f (T). Поэтому образование горючей среды в аппарате в этом случае определяется соотношением: Т_НТПВ ≤Т≤ Т_ВТПВ,

где Т –расчетная температура жидкости; Т_НТПВ и Т_ВТПВ – соответственно нижний и верхний температурные пределы распространения (воспламенения) пламени ( с учетом давления среды в аппарате).

Рабочая температура жидкости определяется по показаниям приборов, из технологического регламента либо из пояснительной записки к проекту.

Если рабочая температура жидкости в процессе эксплуатации аппарата изменяется, следует определить, в какие именно периоды работы аппарата внутри него могут возникнуть горючие концентрации.

Примечание. Здесь необходимо представить схему технологического процесса с наличием аппаратов с неподвижным уровнем горючей жидкости, и дать объяснение по схеме. С.7,8,9. Алексеев.

При незначительных колебаниях рабочей температуры в аппаратах с неподвижным уровнем горючей жидкости в большинстве случаев за расчетную температуру Т принимают среднюю рабочую температуру жидкости Т_ср.

При значительных колебаниях рабочей температуры в аппарате необходимо учитывать тот факт, что концентрация насыщенных паров в газовом пространстве емкости определяется меньшей из температур: поверхностного слоя жидкости или газового пространства.

Например, в неизолированных емкостях, расположенных на открытом воздухе (резервуары для нефти и нефтепродуктов) и летом в дневное время подверженных воздействию солнечной радиации, температура газового пространства превышает температуру жидкости.

Следовательно, концентрация насыщенных паров определяется температурой поверхностного слоя жидкости, которая превышает среднюю рабочую температуру жидкости.

В этом случае необходимо дополнительно определять и учитывать перегрев поверхностного слоя жидкости.

Это особенно важно для жидкостей, имеющих высокий НТПР(В), когда при повышении температуры окружающей среды или под воздействием солнечной радиации температура поверхностного слоя растет и достигает НТПР(В).

Концентрация паров горючей жидкости при этом входит в область воспламенения.

Такими горючими жидкостями, например, являются керосин, реактивное топливо, топливо ТС-1 и др., в некоторых случаях и дизельное топливо, при хранении которых необходимо предусматривать и соблюдать все необходимые меры предосторожности.

В жаркие летние дни перегрев поверхностного слоя жидкости в металлическом неизолированном резервуаре может достигать 10…20 градусов, что влияет на пожароврывоопасность газового пространства резервуара.

Предотвращению образования горючей среды в закрытых аппаратах и емкостях с неподвижным уровнем жидкости способствуют следующие технические решения.

1. Ликвидация свободного паровоздушного пространства. Это можно достичь:

• Предельным (полным) заполнением аппарата или емкости жидкостью.

К таким аппаратам можно отнести реакторы змеевикового типа, теплообменники, электродегидраторы и т.п., которые при нормальном режиме работы всегда работают при полном заполнении.

Существует три вида опасности, если это относится к резервуарам, в которых хранятся горючие жидкости: перелив при заполнении аппарата жидкостью, разрушение аппарата и перелив при повышении температуры в полностью заполненном аппарате.

• Устройством хранилищ, в которых жидкости находятся под защитным слоем воды (например, сероуглерод) или над слоем воды (например, нефтепродукты).

• Применением аппаратов или резервуаров с плавающей крышей, одновременно выполняющей роль внешней стационарной крыши.

Кольцевой зазор между стенками аппарата и плавающей крышей уплотняют специальным затвором.

В резервуаре такой конструкции горючая среда может образоваться только в кольцевом зазоре под уплотнением, а также при снижении уровня жидкости ниже предельного нижнего положения крыши, когда она опускается на опорные стойки;

• Применением резервуаров со стационарной крышей и плавающим понтоном.

При эксплуатации резервуаров с понтонами необходимо иметь в виду, что их надпонтонное пространство, хотя и значительно медленнее, чем с открытым зеркалом испарения, но все же постепенно насыщается парами, находящейся в резервуаре жидкости.

Нарастание концентрации даже у исправных резервуаров происходит быстрее, чем выше упругость насыщенных паров жидкости и больше интенсивность чередования операций слива - налива.

Поэтому для предупреждения образования горючей концентрации в таких резервуарах надпонтонное пространство должно эффективно проветриваться с помощью специальных устройств естественного вентилирования – дефлекторов, вентиляционных проемов и т.п.

Применение понтона приводит к снижению концентрации паров легковоспламеняющейся жидкости в паровоздушном пространстве над понтоном, но отсутствие вентиляции повышает пожаровзрывоопасность надпонтонного пространства.

• Применением емкостей с гибкими внутренними оболочками (или мягкими, эластичными стенками), которые представляют собой замкнутую оболочку в виде подушки. Обычно для этих целей используется резинотканевый материал.

Поддержание безопасного температурного режима. Это достигается посредством использования систем контроля и регулирования. Рабочая температура поддерживается ниже нижнего (например, в подогреваемом мазутном резервуаре) или выше верхнего (например, в ректификационных колоннах) температурного предела распространения пламени (воспламенения) паров жидкости.

Снижение концентрации паров горючей жидкости в паровоздушном пространстве при заданной температуре ниже НКПР (В). Это достигается:

- применением высокостойких пен, эмульсий полых микрошариков из полимерных материалов и т.п., способных, не разрушаясь, длительное время, и плавающих на поверхности жидкости, препятствовать процессу испарения;

- применением добавок, снижающих упругость паров и испаряемость жидкости. В качестве таких добавок могут использоваться вода – для спиртов, ацетона, уксусной кислоты; четыреххлористый углерод – для нефтепродуктов и сероуглерода; специальные желатинизирующие (загущающие) добавки – для моторного топлива в авиации.

4. Введение негорючих (инертных) газов в паровоздушное пространство аппарата. В результате данной операции либо снижается концентрация окислителя (кислорода воздух), либо он полностью замещается. Негорючими газами (флегматизаторами) могут быть следующие газы: азот, углекислый газ, водяной пар, выхлопные газ двигателей внутреннего сгорания.

Добавление инертных компонентов, ухудшает горючие свойства среды.

Область воспламенения при этом сужается вплоть до ее полной ликвидации при определенной (флегматизирующей) концентрации инертного компонента.

Кроме того, обладая определенной теплоемкостью, они способны отнимать часть тепла, которое пошло бы на нагрев исходной горючей смеси.

Поэтому эффективность действия инертного компонента (флегматизирующей добавки) тем сильнее, чем выше его теплоемкость.

Флегматизирующие концентрации инертных газов (при достижении и превышении которых воспламенение невозможно) для смесей различных горючих веществ с воздухом приводятся справочной литературе.

Расход инертного газа определяют по объему газового пространства аппарата или по производительности аппарата.

Необходимо знать флегматизирующее действие инертных примесей на ту или иную горючую смесь. (Процессы горения. Абдурагимов).