Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Выход горючих веществ из нормально работающего технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

где– масса ГГ, выделившегося в помещение из технологического оборудования; Vсв – свободный объем помещения, м3;

–  при наличии воздухообмена в помещении

где А – кратность воздухообмена в помещении, создаваемого приточновытяжной вентиляцией, ч–1; τ – продолжительность работы вентиляции, с.

Исходя из условия взрывобезопасности, концентрация ГГ (пара) в воздухе производственного помещения не должна превышать предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию (ПДВК):

гдеKб.п –коэффициентбезопасностикконцентрациигорючихвеществвпро- изводственном помещении; обычно принимают Kб.п ≥ 5.

Так как многие ГГ и перегретые пары относятся к вредным веществам, то, исходя из условия безопасности обслуживающего персонала, их концентрация в воздухе рабочей зоны не должна превышать предельно допустимую концентрацию по санитарным нормам (ПДК):

Численные значения ПДК значительно меньше ПДВК. Например, ПДК для бензола и стирола – 0,005 г/м3; для аммиака и оксида углерода – 0,02 г/м3; для гексана – 0,18 г/м3. ПДВК для этих же веществ соответственно равны 9,9; 10,2; 22,8; 31,2 и 9,5 г/м3, что на 2–3 порядка больше ПДК. Таким образом, выполнение требований промсанитарии с помощью различных профилактических мероприятий (то есть обеспечение санитарной безопасности) способствует обеспечению взрывопожарной безопасности.

Основные способы обеспечения взрывобезопасности гер - метичных аппаратов, работающих под давлением:

–  периодический контроль герметичности оборудования (испытание на герметичность);

–  замена износившихся прокладок, отдельных узлов и оборудования в целом, подтяжка разъемных соединений и т. д.;

–  замена сальниковых уплотнений на более герметичные (например, торцевые);

–  устройство систем аэрации, местной и общеобменной вентиляции; –  вынос оборудования из помещений на открытые площадки.

101

Пожарная безопасность технологических процессов

6.2.Выход паров ЛВЖ и ГЖ из нормально работающих аппаратов

иосновные способы обеспечения пожарной безопасности

Количество выходящих паров ЛВЖ и ГЖ из нормально работающего оборудования зависит от свойств ЛВЖ и ГЖ, типа аппаратов и технологических параметров их работы.

6.2.1. Открытые аппараты

Зоны ВОК над поверхностью ЛВЖ или ГЖ в открытом аппарате или над свежеокрашенной поверхностью образуются только в том случае, если выполняется условие (5.8): tр ≥ tвсп(о.т).

На интенсивность испарения жидкости с открытой поверхности оказывают влияние многие факторы, характеризующие свойства самой жидкости и окружающей среды. Для упрощения изучения и описания явлений, влияющих на образование зон ВОК, рассмотрим процессы испарения жидкости в неподвижную и движущуюся среды.

Испарение жидкости в неподвижную среду

Испарение жидкости в неподвижную среду происходит вследствие молекулярной диффузии. Предположим, что в системе горючая жидкость – пар давление и температура не изменяются, а рассеивания паров за границы поверхности испарения не происходит. Схема распределения концентрации паров над поверхностью горючей жидкости для этого случая приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Распределение концентрации паров над поверхностью испарения жидкости на момент времени τ от начала испарения:

1 – открытый аппарат; 2 – жидкость; 3 – граница условного цилиндра, за пределы которого пары не распространяются;

А–А – плоскость, где концентрация паров равна нулю

102

Выход горючих веществ из нормально работающего технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

Непосредственно над поверхностью горючей жидкости концентрация паров равна насыщенной φs, а в любой произвольной точке на расстоянии h от поверхности жидкости – φ.

Массу горючей жидкости, испарившейся в неподвижную среду, mи, кг, можно найти по формуле

где φср – средняя концентрация паров над поверхностью испарения, определяемая из выражения φср = φs / (n  +  1) (здесь φs – насыщенная концентрация паров; n–показатель, характеризующий закон распределения концентрации паров над поверхностью жидкости); ρп – плотность паров, кг/м3; F – поверхность испарения, м2; h0 – расстояние от поверхности испарения до плоскости А–А (см. рис. 6.1), где концентрация паров равна нулю, м.

Величина h0 зависит от продолжительности испарения:

где D – коэффициент диффузии, м2/с; τ – продолжительность испарения, с. Установлено, что для большинства продуктов перегонки нефти п ≈ 2. Тогда

Текущую концентрацию паров на расстоянии h от поверхности испарения находят из выражения

Наличие и вид зон ВОК зависят от соотношений φs, φн и φв. Здесь возможно три случая:

1) φs < φн; 2) φн ≤ φs ≤ φв; 3) φs > φв.

В первом случае насыщенная концентрация паров над поверхностью испарения жидкости не превышает НКПР (φs < φн) и взрывоопасная паровоздушная смесь не образуется (рис. 6.2).

Во втором случае, когда φн ≤ φs ≤ φв, зона ВОК примыкает непосредственно к поверхности испаряющейся жидкости и простирается вверх до места, где φ = φн (рис. 6.3). Данная область ВОК непрерывно увеличивается вовремени,ноеенижняяграницавсегдапримыкаеткповерхностижидкости.

103

Пожарная безопасность технологических процессов

Рис. 6.2. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости в момент времени τ при выполнении начального условия φs < φн

Рис. 6.3. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости

вмомент времени τ при выполнении начального условия φн ≤ φs ≤ φв

Втретьем случае, когда φs > φв, зона ВОК находится на определенном расстоянии от поверхности жидкости hв и простирается вверх до места, где

φ= φн (рис. 6.4). Эта область ВОК и ее размеры по вертикали также непрерывно увеличиваются во времени.

Из выражений (6.9)–(6.10) могут быть найдены расстояния от поверхности жидкости до точек, где концентрации паров равны φн и φв:

104

Выход горючих веществ из нормально работающего технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

Рис. 6.4. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости в момент времени τ при выполнении начального условия φs > φв

Образующиеся зоны ВОК будут иметь следующие характеристики: –  для второго случая:

–  для третьего случая:

Из графиков, приведенных на рис. 6.3 и 6.4, и формул (6.13) и (6.14) видно, что не все пары участвуют в образовании зон ВОК, а только их часть. Доля участия паров в образовании зоны ВОК (Z) представляет собой отношение массы паров, участвующих в образовании зоны ВОК, ко всей массе испарившейся жидкости.

После несложных преобразований для второго случая имеем:

105

Пожарная безопасность технологических процессов

Параметры зоны ВОК при испарении жидкости в неподвижную среду зависят от физико-химических свойств жидкости, ее температуры, продолжительности и площади испарения.

Испарение в движущуюся среду

Испарение в движущуюся среду происходит вследствие молекулярной и конвективной диффузии. Массу испарившейся жидкости mи, кг, находят из уравнения массопередачи:

где Kх – коэффициент массопередачи, кг/(м2·с); для установившегося процесса испарения Kх = f (Nuд, Re, Pr′, Gu);Δφср – средняя движущая сила процесса массопереноса.

Определение массы испарившейся жидкости в условиях конвективной диффузии с использованием критериальных уравнений связано с достаточно сложными и трудоемкими расчетами и рассматривается в учебнике «Теплотехника».

Оценить размеры зон ВОК по формуле (6.1) или используя выражения, приводимые в гл. 8 учебника.

Основные способы обеспечения пожаровзрывобезопасно - сти при эксплуатации открытых аппаратов:

–  создание и поддержание безопасных температурных условий эксплуатации согласно условию (5.9);

–  замена открытых аппаратов на аппараты других типов; –  укрывание аппаратов крышками в периоды их простоя;

–  замена ЛВЖ и ГЖ на менее горючие (с более высокой температурой вспышки tвсп) или негорючие жидкости;

–  применение наиболее рациональной конструкции открытых аппаратов с минимальной поверхностью испарения;

–  устройство местных отсосов; –  устройство общеобменной вентиляции;

–  вынос аппаратов за пределы помещений.

Примечание.Запрещается использование ЛВЖ в открытых аппаратах для обезжиривания и мойки деталей и узлов машин и аппаратов.

6.2.2. «Дышащие» аппараты

«Дышащие» аппараты с горючими жидкостями широко используются в различных отраслях промышленности в качестве мерников, напорных баков, расходных и промежуточных емкостей, хранилищ. Повышение уровня находящейся в таком аппарате жидкости, увеличение температуры или

106

Выход горючих веществ из нормально работающего технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

снижение давления окружающей среды приводит к выходу паровоздушной смеси наружу (явление «выдоха»), что вызывает загазованность помещений и образование взрывоопасных зон на наружных установках.

После завершения операции опорожнения также наблюдается выход паровоздушной смеси из аппарата наружу, что связано с повышением в нем давления вследствие испарения жидкости и насыщения воздуха парами (явление «обратного выдоха»).

Указанные явления часто служат причинами взрывов и пожаров, так как приводят к загазованности помещений и образованию взрыво - опасных зон на наружных установках. Выход паров из аппаратов приводит также к загрязнению окружающей среды и большим экономическим потерям. Например, при заполнении бензином стального вертикального резервуара вместимостью 5 000 м3 теряется (в среднем) до 5 200 кг паров бензина летом и до 3 300 кг зимой, а ежесуточные потери бензина вследствие малых дыханий в зависимости от степени заполнения резервуара достигают 40–300 кг.

Необходимо помнить, что зоны ВОК вблизи дыхательных патрубков образуютсяпривыполненииусловияtр ≥ tвсп(з.т) илипривыделенииизжидкостирастворенныхвнейГГ.ПараметрызонВОКзависятотмногихфакторов и в первую очередь от количества выходящих из аппарата паров.

Рассмотрим аппарат с дыхательным устройством в начале и конце

большого «дыхания» (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Схема аппарата с дыхательным устройством:

а– в начале «дыхания»; б – в конце «дыхания»

Впроцессе «дыхания» из паровоздушного пространства (ПВП) аппара-

та вместе с воздухом выходят пары горючей жидкости, при этом φв + φп = 1. Примем, что пары равномерно распределены в ПВП аппарата, а их концентрация всегда близка к насыщенной.

107

Пожарная безопасность технологических процессов

Введем обозначения:

m – масса пара или воздуха в аппарате, кг; φ – концентрация пара или воздуха в аппарате, об. доли; р – давление, Па; V – объем ПВП, м3; Т – абсолютная температура паровоздушной смеси, К; М – молярная масса пара или воздуха, кг/кмоль; индексы: в – воздух, п – пар.

Из уравнения состояния идеального газа определяем массу воздухаmв, кг, в аппарате:

–  находящегося в начальном состоянии (см. рис. 6.5, а):

–  находящегося в конечном состоянии (см. рис. 6.5, б):

Масса воздуха, вышедшего из аппарата за одно «дыхание»:

где R = 8314,31 Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная.

В то же время массу выходящих из аппарата компонентов паровоздушной смеси можно найти из уравнений:

–  воздуха:

где Vсм – объем паровоздушной смеси, м3; – средняя концентрация паров в смеси, об. доли, величину которой определяют по формуле

ρ – плотность компонента смеси, кг/м3.

Решая совместно уравнения (6.21) и (6.22), находим:

108

Выход горючих веществ из нормально работающего технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

Отношение плотностей в этом выражении можно заменить отношением соответствующих молекулярных масс:

Подставляем значения (6.20) и (6.25) в выражение (6.24) и после сокращений получаем:

где – насыщенная концентрация горючего пара в аппарате, об. доли; р – давление, Па; V – объем паровоздушного пространства, м3; Т – абсолютная температура смеси, К; М – молярная масса пара кг/кмоль.

Выражение (6.26) называют общим уравнением потерь паров горючих жидкостей из «дышащих» аппаратов.

Первый частный случай: происходит большое «дыхание» (аппарат заполняется жидкостью). При этом р1 = р2 = рбар, Т1 = Т2 = Тр, φп1 = φп2 = φп:

гдеmп.б –потерипаровприбольшом«дыхании»,кг;Vж –объемжидкости,по- ступающейваппарат,м3;рбар –атмосферное(барометрическое)давление,Па; Тр – рабочая температура жидкости, К.

Второй частный случай: происходит малое «дыхание» (изменяется температура паровоздушной смеси). При этом V1 = V2 = Vсв, р1 = р2 = рбар:

где mп.м – потери паров при малом дыхании, кг;Vсв – свободный объем аппарата, м3.

Объем взрывоопасной зоны в помещении, образующейся вблизи дыхательного патрубка, оценивают по формуле (6.1).

Внедрение на предприятиях мероприятий по сокращению потерь паров ЛВЖ из «дышащих» аппаратов позволяет решить сразу три задачи: снизить взрывопожарную опасность, уменьшить загрязнение окружающей среды и повысить экономическую эффективность производства.

109

Пожарная безопасность технологических процессов

Основные способы обеспечения пожаровзрывобезопасно - сти при эксплуатации «дышащих»аппаратов:

1.  Ликвидация или уменьшение ПВП. Действительно, из формулы (6.27) видно, что при V1 = V2 = 0 величина mп также равна нулю. Основные способы уменьшения или ликвидации ПВП были рассмотрены в гл. 5.

2.  Установка на дыхательном патрубке аппарата (резервуара) дыхательного клапана для герметизации ПВП в периоды простоя резервуара. Дыхательный клапан позволяет поддерживать определенное избыточное давление или вакуум в аппарате, обеспечивая минимальные потери летучих компонентовзасчетиспарения,нонепрепятствуетбольшимималым«дыханиям».

Известно множество конструкций дыхательных клапанов, выбираемых в зависимости от назначения резервуаров, их габаритов, конструктивных особенностей, пропускной способности и конкретных условий эксплуатации. На резервуарах для хранения светлых нефтепродуктов применяются дыхательные клапаны, давление срабатывания которых рассчитано из условий прочности и устойчивости конструкций резервуаров: на избыточное давление 2 000 Па (200 мм вод. ст.) и вакуум 250 Па (25 мм вод. ст.) – для стальных вертикальных резервуаров или избыточное давление 1 000 Па (100 мм вод. ст.) – для железобетонных резервуаров.

Дыхательный клапан КДС-3000/350 (клапан дыхательный совмещенный с пропускной способностью 3 000 м3/ч и условным проходом 350 мм) изготовляется со встроенным кассетным огнепреградителем (рис. 6.6).

5 6

7

4

3

2

1

Рис. 6.6. Клапан дыхательный совмещенный: а – общий вид клапана; б – схема клапана

110