Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Пожаровзрывоопасность технологической среды в нормально работающем оборудовании и способы обеспечения пожарной безопасности

Раздел II

АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫМИ СРЕДАМИ

Анализ пожарной опасности производственных объектов производят при оценке пожарного риска (ст. 94 и ст. 95 ФЗ № 123-ФЗ), при разработке программ сбора статистических данных для действующих, строящихся и проектируемых объектов (п. 4.1 ГОСТ 12.1.004-91), при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов (п. 4.2 ГОСТ Р 12.3.047-2012). Инструментом для разработки мероприятий по обеспечению пожарной опасности технологии производств является методикаанализавзрывопожарнойопасноститехнологическогопроцессаиоборудования, созданного основоположником кафедры и дисциплины «Пожарная безопасность технологических процессов» доцентом М. В. Алексеевым.

Основные положения методики:

–  выявление горючих веществ и материалов, обращающихся на производстве, определение их пожаровзрывоопасных свойств;

–  выявление оборудования, в котором находятся горючие вещества, материалы или сильные окислители, а также возможно образование газо-, пароили пылевоздушных смесей.

–  анализ пожаровзрывоопасности среды внутри технологического оборудования в различные периоды его работы;

–  анализ причин выхода горючих веществ и материалов из технологического оборудования;

–  анализ возможности образования взрывоопасных зон в производственных помещениях и на наружных установках;

–  анализ возможности образования в горючей среде или внесения в нее источников зажигания;

–  анализ причин и условий, способствующих развитию начавшегося пожара, а также путей распространения огня и раскаленных продуктов горения.

При обнаружении причин возникновения пожарной опасности должны быть предложены и обоснованы расчетами способы и технические решения, направленные на обеспечение пожарной безопасности технологического процесса.

Для достижения большей объективности при проведении анализа не учитывают имеющиеся в проекте или на действующем производстве противопожарные мероприятия. Сравнение требуемых по результатам анализа противопожарных мероприятий с решениями, принятыми в производ- ственно-технической документации, позволяет обоснованно дополнить их

81

Пожарная безопасность технологических процессов

необходимыми мерами по противопожарной защите производства и отказаться от тех мероприятий, использование которых ничем не обосновано.

Глава 5 пожаровзрывоопасность технологической среды

внормально работающем оборудовании

испособы обеспечения пожарной безопасности

5.1.Показатели, характеризующие взрывопожарную и пожарную опасность технологических сред в оборудовании

Для установления безопасных параметров ведения технологического процесса ФЗ № 123-ФЗ введена классификация технологических сред по пожаровзрывоопасности и пожарной опасности. Так, технологические сре-

ды по пожаровзрывоопасности подразделяются на пожароопасные, пожаровзрывоопасные, взрывоопасные и пожаробезопасные.

Среда относится к пожароопасным, если возможно образование горючей среды, а также появление ИЗ достаточной мощности для возникновения пожара.

Среда относится к пожаровзрывоопасным, если возможно образование смесей окислителей с ГГ, парами ЛВЖ или ГЖ, горючими аэрозолями, а также горючими пылями (ГП) или волокнами (ГВ), в которых при появлении ИЗ возможно инициирование взрыва и (или) пожара.

Среда относится к взрывоопасным, если возможно образование смесей окислителей с ГГ, парами ЛВЖ или ГЖ, горючими аэрозолями, а также ГП или ГВ и если при определенной концентрации горючего и появлении источника инициирования взрыва она способна только взрываться.

К пожаробезопасным средам относится пространство, в котором отсутствуют горючая среда и (или) окислитель.

Пожаровзрывоопасность и пожарная опасность технологических сред характеризуются показателями пожаровзрывоопасности и пожарной опасности веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе, и параметрами технологического процесса. При наличии в технологическом оборудовании пожароопасных, пожаровзрывоопасных и взрывоопасных технологических сред или возможности их образования должны разрабатываться мероприятия по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов.

Перечень основных показателей пожарной опасности веществ и материалов приведен в табл. 5.1.

82

Пожаровзрывоопасность технологической среды в нормально работающем оборудовании и способы обеспечения пожарной безопасности

Примечание. Знак «+» обозначает, что показатель необходимо применять; знак «–» обозначает, что показатель не применяется.

Разработка технологических процессов и проектирование технологического оборудования производится таким образом, чтобы предотвратить возможность взрыва и (или) пожара при режиме работы оборудования с регламентированными значениями технологических параметров (нормальный, или регламентный, режим работы). Регламентированные значения технологических параметров, определяющих пожарную и взрывопожарную опасность технологического оборудования и связанных с ним технологических процессов, и допустимый диапазон их изменений устанавливаются разработчиками

83

Пожарная безопасность технологических процессов

технологических процессов и оборудования на основании данных о предельно допустимых значениях параметров или их совокупности для участвующих в производственных процессах технологических сред.

Конструктивное устройство оборудования влияет на выбор показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов и параметров технологических процессов, используемых для оценки возможности образования пожаровзрывоопасных и взрывоопасных сред внутри технологического оборудования.Поэтомувсетехнологическоеоборудование,используемоенапроизводствах, подразделяют на три типа: открытое, «дышащее» и герметичное.

Принципиальная схема открытого аппарата приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема открытого аппарата: 1 – подводящая линия; 2 – задвижки; 3 – корпус аппарата; 4 – отводящая линия

Примерами открытых аппаратов служат различные ванны (промывочные, окрасочные, закалочные), лотки и подобные аппараты и устройства.

«Дышащий» аппарат или аппарат с дыхательным устройством

(рис. 5.2), состоит из корпуса 3 и стационарно соединенной с ним крышей (крышкой) 5, в которой имеется отверстие с патрубком 6, через который происходит газообмен между внутренним пространством аппарата и атмосферой. Примерами таких аппаратов являются резервуары со стационарной крышей, мерники, напорные баки, самотечные трубопроводы и другое оборудование с переменным уровнем находящихся в них продуктов.

Схема герметичного аппарата показана на рис. 5.3. Внутреннее пространство герметичного аппарата полностью изолировано от окружающей среды. Примеры герметичных аппаратов: ректификационные колонны, абсорберы и т. д., а также насосы, компрессоры, напорные трубопроводы и другое технологическое оборудование.

84

Пожаровзрывоопасность технологической среды в нормально работающем оборудовании и способы обеспечения пожарной безопасности

Примеры герметичных аппаратов: ректификационные колонны, абсорберы, адсорберы, сушилки «кипящего слоя» и т. д., а также насосы, компрессоры,напорныетрубопроводыидругоетехнологическоеоборудование.

Условие образования взрывоопасных концентраций (ВОК), позволя-

ющее установить наличие взрывоопасных (горючих) концентраций газов, паров и пыли в оборудовании с пожаровзрывоопасными и взрывоопасными технологическими средами, в общем случае имеет вид

где jн и jв – соответственно нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени; jр – рабочая (действительная) концентрация горючего вещества.

Особенности образования ВОК в аппаратах различного типа с горючими газами (перегретыми парами ЛВЖ или ГЖ), жидкостями и пылями рассмотрены ниже.

5.2.Образование взрывоопасных концентраций в аппаратах

сгорючими газами и основные способы обеспечения

пожарной безопасности

Взрывоопасные концентрации в герметичных аппаратах с ГГ и перегретыми парами ЛВЖ или ГЖ образуются в том случае, если в них попадает воздух или по условиям ведения технологического процесса подается окислитель (кислород, хлор и др.) при выполнении соотношения (5.1).

Рабочую концентрацию ГГ или перегретого параjр (об. доли) определяют по показаниям газоанализаторов или из выражения

, (5.2)

где Vг и Vок – объемы соответственно ГГ и окислителя в аппарате, м3; Gг и Gок – объемные расходы ГГ и окислителя, м3/с.

Взрывобезопасные условия эксплуатации аппаратов с ГГ или перегретыми парами определяют из выражений:

(5.3)

или

где и – взрывобезопасные рабочие концентрации ГГ (перегретого пара) в аппарате по нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени соответственно, об. доли.

85

Пожарная безопасность технологических процессов

Способы обеспечения взрывобезопасной эксплуатации герметичных аппаратов с ГГ(перегретым паром):

1.  Создание и поддержание взрывобезопасной концентрации ГГ (перегретого пара) в смеси, для чего необходимо:

–  использовать автоматические регуляторы расхода и давления ГГ (перегретого пара) и окислителя;

–  осуществлять автоматический контроль состава технологической среды в аппарате с помощью стационарных газоанализаторов с сигнализацией об отклонениях от нормы;

–  применять автоматическую блокировку отключения подачи одного изкомпонентовприпрекращенииподачидругогокомпонентасодновременным включением подачи в аппарат инертного газа.

2.  Создание и поддержание безопасного давления в аппарате ниже предельно допустимого значения, при котором исключается распространение пламени по смеси.

Известно, что концентрационные пределы распространения пламени зависят от давления смеси: при повышении давления область распространения пламени расширяется, а при снижении давления ниже атмосферного – сужается. При некотором давлении значительно ниже атмосферного насту-

где – безопасное рабочее давление среды в аппарате, Па; рпр – предельно допустимое остаточное давление смеси, Па; Kбр – коэффициент безопасности (запаса надежности) к давлению, обычно принимаемый в пределах

1,2–1,5.

3.  Создание и поддержание безопасной концентрации флегматизатора в смеси.

На практике для флегматизации среды в аппаратах используют азот, диоксид углерода (углекислый газ), дымовые газы и водяной пар (при рабочей температуре среды в аппарате выше 80 °С).

Предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию флегматизатора (ПДВКф), об. доли, можно найти по формуле

86

Пожаровзрывоопасность технологической среды в нормально работающем оборудовании и способы обеспечения пожарной безопасности

где Kб.ф –коэффициент безопасности (запаса надежности) к флегматизирующей концентрации без учета погрешностей газового анализа и неравномерности распределения концентраций, принимаемый

Kб.ф = 1,2 при ϕф > 0,15, об. доли,

Kб.ф = 1,6 при ϕф ≤ 0,15, об. доли;

ϕф – минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора.

где ϕр.ф – рабочая (действительная) концентрация флегматизатора, об. доли. В зависимости от особенностей проведения некоторых технологических процессов их взрывобезопасность обеспечивают следующими техни-

ческими решениями:

а)  при проведении технологических процессов под вакуумом:

–  создают и поддерживают безопасное остаточное давление в аппарате ниже предельно допустимого значения по горючести смеси;

–  осуществляют автоматический контроль состава выходящей среды из аппарата на содержание кислорода и кислородосодержащих соединений (СО и СО2) с помощью стационарных газоанализаторов с сигнализацией о превышении предельно допустимого количества;

–  применяют автоматическую блокировку включения подачи инертного газа при превышении содержания в аппарате кислорода или кислородосодержащих соединений выше предельно допустимого количества;

б)  при использовании в процессе горючей смеси, которую по условиям технологии нельзя флегматизировать инертным газом (например, при производстве формалина окислением метанола, азотной кислоты – окислением аммиака и некоторых других химических продуктов):

–  организуют процесс таким образом, чтобы ГГ вводился в окислитель (или окислитель вводился в ГГ) непосредственно в зоне реакции;

–  предотвращают появление в горючей смеси источника зажигания; –  обеспечивают подачу горючей смеси в зону реакции со скоростью,

превышающей скорость распространения пламени по горючей смеси; –  защищают коммуникации огнепреграждающими устройствами;

–  защищают аппарат автоматической системой взрывоподавления при опасности выхода химической реакции из-под контроля или системой сброса избыточного давления среды из аппарата при взрыве горючей смеси.

5.3.Образование взрывоопасных концентраций в аппаратах

сЛВЖ и ГЖ и основные способы обеспечения пожарной безопасности

Пожароопасные жидкости (ЛВЖ и ГЖ) хранят или перерабатывают в открытых, «дышащих» или герметичных аппаратах.

87

Пожарная безопасность технологических процессов

5.3.1. Открытые аппараты

При эксплуатации открытого аппарата с пожароопасной жидкостью ВОК образуется при условии

где tр – рабочая температура жидкости; tвсп(о.т) – температура вспышки в открытом тигле.

Взрывобезопасные температурные условия , °С, эксплуатации открытых аппаратов с ЛВЖ и ГЖ определяют из выражения

1.  Создание и поддержание взрывобезопасных температурных условий эксплуатации (5.9).

2.  Разбавление ЛВЖ и ГЖ растворимыми в них негорючими или трудногорючими жидкостями (например, водой, хладонами, тетрахлорметаном и др.) с получением негорючих или трудногорючих растворов, для которых при рабочей температуре эксплуатации выполняется условие безопасности (5.9).

Из приведенных в табл. 5.2 и 5.3 данных видно, что с увеличением содержания негорючих разбавителей температура вспышки растворов уксусной кислоты и диэтилкетона растет и при некоторой концентрации разбавителя этот показатель у растворов отсутствует.

в ней негорючей жидкости или пены (например, сероуглерода под слоем воды, бензина или керосина под слоем пены и т. д.).

88

Пожаровзрывоопасность технологической среды в нормально работающем оборудовании и способы обеспечения пожарной безопасности

5.3.2.«Дышащие» аппараты

Всвободном (паровоздушном) пространстве «дышащих» аппаратов

сЛВЖ и ГЖ ВОК образуются в том случае, если выполняется соотношение (5.1). Наибольшую трудность представляет определение рабочей концентрации паров жидкости в паровоздушном пространстве (ПВП) аппарата, которая в зависимости от целого ряда условий может изменяться практически от 0 до максимального при рабочей температуре жидкости значения – насыщенной концентрации js.

Всвязи с этим рассмотрим два случая:

–  в аппарате жидкость длительно хранится при постоянном уровне инеизменныхзначенияхтемпературыидавленияокружающейсреды(аппарат с неподвижным уровнем жидкости);

–  в аппарате с жидкостью изменяются ее уровень, температура или давление окружающей среды (аппарат с подвижным уровнем жидкости).

Аппарат с неподвижным уровнем жидкости

Вследствие постоянства объема свободного пространства (уровень жидкости не изменяется по условию), температуры и давления окружающей среды приток воздуха через дыхательное устройство внутрь аппарата не происходит. Находящийся в свободном пространстве аппарата воздух постепенно насыщается парами жидкости, концентрация которых через определенное время во всем ПВП становится насыщенной, т. е. φр ≈ φs.

Из курса химии известно, что концентрация насыщенного пара является функцией температуры, т. е. φs = f(t). Поэтому в этом случае условие образования ВОК можно записать в виде

где tн.п иtв.п – нижний и верхний температурные пределы распространения пламени, соответствующие нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени, °С;tр – рабочая температура жидкости, °С.

Взрывобезопасные температурные условия эксплуатации аппаратов с неподвижным уровнем жидкости можно найти из выражений:

(5.11)

или

89

Пожарная безопасность технологических процессов

где и – взрывобезопасные рабочие температуры горючей жидкости в аппарате, °С; А, В, СА – константы уравнения Антуана, принимаемые по справочнику [20]; ро – давление окружающей среды, обычно принимаемое равным 1·105 Па.

Необходимо отметить, что подсасывание воздуха через дыхательное устройствовнутрьаппаратов,температуражидкостивкоторыхсоответствует условиям безопасности (5.11) либо (5.12), приводит к совершенно противоположным результатам, что видно из рис. 5.4.

Область ВОК

Рис. 5.4. Схема образования ВОК в «дышащем» аппарате: φ – концентрация горючего компонента в паровоздушной смеси;

– направление изменения концентрации горючего компонента

впаровоздушной смеси при ее разбавлении воздухом

Впервом случае, когда выполняется условие (5.11), происходит раз-

бавление воздухом негорючей смеси (например, состава jр1) и снижение концентрации значительно ниже значения , что гарантирует еще большую взрывобезопасность.

Во втором случае, когда выполняется условие (5.12), происходит разбав-

ление воздухом также негорючей смеси (например, состава jр2) и снижение концентрации до значенияjв и ниже с образованием взрывоопасной смеси.

Аппарат с подвижным уровнем жидкости

В большинстве случаев при эксплуатации «дышащего» аппарата насыщенная концентрация паров жидкости в ПВП не образуется вследствие притока воздуха через дыхательное устройство внутрь при снижении уровня жидкости, температуры окружающей среды или увеличении барометрического давления. В этом случае условие образования ВОК в «дышащем» аппарате имеет вид

где φs – насыщенная концентрация паров при температуре поверхностного слоя жидкости, об доли.

ОценитьвозможностьобразованияВОКв«дышащем»аппаратесподвижным уровнем жидкости можно также из выражения

90