Пожарная безопасность технологических процессов / Shvyrkov - PB tekhnologicheskikh processov 2012

5.2.Пожарная опасность выхода паров ЛВЖ и ГЖ из аппаратов

испособы обеспечения пожарной безопасности

Образование зон ВОК при эксплуатация аппаратов с ЛВЖ и ГЖ определяется типом оборудования, в котором они обращаются, температурой и свойствами ЛВЖ и ГЖ, условиями растекания жидкостей, выброса и рассеивания паров, а также продолжительностью испарения.

5.2.1. Открытые аппараты

Зоны ВОК над поверхностью ЛВЖ или ГЖ в открытом аппарате или над свежеокрашенной поверхностью образуются только в том случае, если выполняется условие (4.10): tр ≥ tвсп .

На интенсивность испарения жидкости 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.

61

Массу испарившейся горючей жидкости можно найти по формуле

где mи – масса жидкости, испарившейся в неподвижную среду; ср – средняя концентрация паров над поверхностью испарения, определяемая из выражения ср = s / (n + 1) (здесь s – насыщенная концентрация паров; n – показатель, характеризующий закон распределения концентрации паров над поверхностью жидкости); ρп – плотность паров; F – поверхность испарения; h0 – расстояние от поверхности испарения до плоскости а–а (см. рис. 5.1), где концентрация паров равна нулю.

Величина h0 зависит от продолжительности испарения:

где D – коэффициент диффузии; τ – продолжительность испарения. Установлено, что для большинства пожароопасных жидкостей п ≈ 2. Тогда:

Наличие и вид зоны ВОК зависят от соотношения s, н и в. Здесь возможны три случая:

В первом случае насыщенная концентрация паров над поверхностью испарения жидкости не превышает НКПР и взрывоопасная паровоздушная смесь не образуется (рис. 5.2).

Во втором случае зона ВОК примыкает непосредственно к поверхности испаряющейся жидкости и простирается вверх до места, где = н (рис. 5.3). В этом случае зона ВОК непрерывно увеличивается во времени, но нижняя ее граница не «отрывается» от поверхности жидкости.

62

= 0

h0

Рис. 5.2. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости

вмомент времени τ при выполнении начального условия s < н

= 0

h0

Рис. 5.3. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости

вмомент времени τ при выполнении начального условия н ≤ s ≤ в

Втретьем случае зона ВОК находится на определенном расстоянии от

поверхности жидкости hв и простирается вверх до места, где = н (рис. 5.4). В этом случае зона ВОК и ее размеры по вертикали также непрерывно увеличиваются во времени.

Из выражений (5.10) определим расстояния от поверхности жидкости

до мест, где концентрация паров равна н и в:

63

= 0

φ = f(τ,h)

h0

Рис. 5.4. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости в момент времени τ при выполнении начального условия s > в

Тогда образовавшиеся зоны ВОК будут иметь следующие характеристики:

– для второго случая:

и (5.17) видно, что не все пары участвуют в образовании зон ВОК, а только их часть. Доля участия паров в образовании зоны ВОК (Z) представляет

64

собой отношение массы паров, участвующих в образовании зоны ВОК, ко всей массе испарившейся жидкости.

После несложных преобразований для второго случая имеем:

3

Z2 1 φн , (5.18)φs

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 находят из уравнения массопередачи:

где Kх – коэффициент массопередачи; для установившегося процесса испа-

рения Kх = f (Nuд, Re, Pr′, Gu); ср – средняя движущая сила процесса массопереноса; если принять, что средняя концентрация в пограничном слое

(п. сл.) вблизи поверхности испарения ср.п.сл = s /3, а на достаточно большом удалении от поверхности испарения h 0 , то:

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

Размеры зон ВОК оценивают по формуле (5.2), а также используют выражения, приводимые в последующих главах учебника.

Основные способы обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации открытых аппаратов:

1)создание и поддержание безопасных температурных условий эксплуатации согласно условию (4.11);

2)замена открытых аппаратов на аппараты других типов;

3)укрывание аппаратов крышками в периоды их простоя;

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

65

5)применение наиболее рациональной конструкции открытых аппаратов с минимальной поверхностью испарения;

6)устройство местных отсосов;

7)устройство общеобменной вентиляции;

8)вынос аппаратов за пределы помещений.

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

Необходимо помнить, что зоны ВОК вблизи дыхательных патрубков

образуются при выполнении условия tр tвсп (з.т) или при выделении из жидкости растворенных в них ГГ. Размеры зон ВОК зависят от многих

факторов и в первую очередь от количества выходящих из аппарата паров. Рассмотрим аппарат с дыхательным устройством в начале и конце

большого «дыхания» (рис. 5.5). Примем, что концентрация паров в паровоздушном пространстве (ПВП) аппарата всегда близка к насыщенной.

Введем обозначения: m – масса компонента в аппарате; – концентрация компонента в аппарате, об. доли; р – давление; V – объем паровоздушного пространства; Т – абсолютная температура смеси; М – молекулярная масса компонента; индексы: в – воздух, п – пары; 1 – состояние 1, 2 – состояние 2.

Рис. 5.5. Схема аппарата с дыхательным устройством в начале (1) и конце (2) дыхания

Из уравнения состояния идеального газа определяем массу воздуха

ваппарате:

находящегося в состоянии 1 (см. рис. 5.5):

66

находящегося в состоянии 2 (см. рис. 2.5):

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 паровоз-

где Vсм – объем паровоздушной смеси; п – средняя концентрация паров

всмеси, величину которой определяют по формуле

п1 п2 ,

п2

ρ– плотность компонента смеси.

Решая совместно уравнения (5.25) и (5.26), находим:

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

Выражение (5.29) 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 , п1 = п2 = п и:

67

где mп.б – потери паров при большом дыхании; Vж – объем жидкости, поступающей в аппарат; рбар – атмосферное давление; Тр – рабочая температура жидкости.

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

где mп.м – потери паров при малом дыхании; Vсв – объем паровоздушной смеси.

Объем взрывоопасной зоны в помещении, образующейся вблизи дыхательного патрубка, оценивают по формуле (5.2).

При размещении «дышащего» аппарата на наружной установке оценку размеров зоны ВОК необходимо производить с учетом целого ряда факторов, влияющих на мощность выброса и рассеивание паров в атмосфере. Границы зоны ВОК при выходе паровоздушной смеси через дыхательные патрубки стального вертикального резервуара с нефтью или нефтепродуктом можно ориентировочно определить по эмпирической формуле

где ХНКПР – расстояние, ограничивающее область концентраций, превышающих НКПР (длина зоны ВОК), м; Н – высота источника выброса, м; Q – объемный расход горючей смеси через дыхательный патрубок, м3/с;

р – концентрация горючего компонента в смеси, об. доли; н – нижний концентрационный предел распространения пламени, об. доли; U – скорость ветра на высоте 2 м от уровня земли, м/с.

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

Основные способы обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации « дышащих» аппаратов.

1.Ликвидация или уменьшение ПВП. Действительно, из формулы

(5.29) видно, что при V1 = V2 = 0 величина mп также равна нулю. Основные способы уменьшения или ликвидации ПВП были рассмотрены в гл. 4.

2.Установка на дыхательном патрубке аппарата дыхательного клапана для герметизации ПВП в периоды простоя аппарата. Дыхательный клапан позволяет поддерживать определенное избыточное давление

68

или вакуум в аппарате, обеспечивая минимальные потери летучих компонентов за счет испарения, но не препятствует большим и малым «дыханиям».

3. Установка диска-отражателя под дыхательным патрубком позволяет избежать интенсивного перемешивания паровоздушной смеси со свежим воздухом, поступающим в резервуар при сливе жидкости. Последующее наполнение резервуара приводит к выходу из него смеси с концентрацией паров значительно ниже насыщенной (из уравнения (5.29) видно, что при п 0 величина mп также стремится к нулю).

4. Хранение горючих жидкостей в герметичных аппаратах под избыточным давлением. Потери паров будут равны нулю, если заключенные в квадратные скобки члены уравнения (5.29) равны между собой:

Отсюда можно определить величину давления в аппарате, создаваемого с помощью дыхательного клапана, при котором паровоздушная смесь не будет выходить наружу:

Рабочее давление в горизонтальных цилиндрических и сферических резервуарах, предназначенных для хранения жидкостей с высокой упругостью насыщенных паров, обычно превышает 0,2–0,3 МПа.

5.Устройство газоуравнительной системы (ГУС).

6.Частичная конденсация пара в концевом обратном холодильнике. Пары горючей жидкости, содержащиеся в выдыхаемой из аппарата паровоздушной смеси, при прохождении через холодильник, устанавливаемый на дыхательном клапане, частично конденсируются и стекают в аппарат. Остаточная концентрация пара в выходящей из дыхательной линии смеси определяется температурой хладоносителя.

7.Защита от воздействия внешних источников тепла на оборудование

спомощью теплоизоляции, солнцезащитных экранов, орошения аппаратов водой, теплоотражающих красок.

8.Вывод дыхательных труб за пределы помещений с предотвращением сброса паровоздушных смесей в зону аэродинамической тени.

9.Использование абсорберов и адсорберов для улавливания паров из выдыхаемых паровоздушных смесей.

10.Приостановка операции наполнения резервуара при неблагоприятных атмосферных условиях, способствующих скоплению паров в приземном слое, и при интенсивной грозовой деятельности.

69

5.3.Пожарная опасность выхода горючих пылей из аппаратов

испособы обеспечения пожарной безопасности

Особенностью эксплуатации производств, в которых обращаются горючие пыли или волокна, является способность пылей и волокон оседать на различных поверхностях, что приводит к их постепенному накоплению в помещениях. Массу выделяющихся в помещение пылевидных или волокнистых материалов можно оценить из материального баланса. Потери пылевидных материалов (или пылевидные отходы) mп участвуют в образовании отложений пыли в помещении.

Объем возможной зоны ВОК при взвихрении всей осевшей пыли можно оценить по формуле (5.2).

5.3.1.Открытые аппараты

Коткрытым аппаратам относятся конвейеры (скребковые, пластинчатые, ленточные и др.); ванны для нанесения порошковых покрытий на изделия; оборудование для обработки, шлифования и полирования деталей из металлов, древесины, пластических масс, лакированных или окрашенных изделий; бункеры, сборники и лотки для приема измельченных материалов; тара для переработки, фасовки и хранения красителей, сажи, измельченной серы, муки, сахарной пудры, порошка какао и других пылевидных материалов и продуктов в химической, резинотехнической, хлебопекарной, кондитерской и других отраслях промышленности.

Основные способы обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации открытых аппаратов с порошками, пылевидными материалами или волокнами:

1)замена процессов на менее пылящие или непылящие;

2)герметизация оборудования;

3)устройство местных отсосов и общеобменной вентиляции;

4)периодическая уборка помещений от отложений пыли или волокон;

5)укрывание аппаратов крышками при транспортировании или в периоды простоя;

6)ограничение скорости транспортирования или движения воздуха вдоль поверхности пылевидного материала ниже скорости витания.

5.3.2.«Дышащие» аппараты

К «дышащим» аппаратам относятся: сборники, бункеры, силосы

ихранилища кусковых, зернистых и пылевидных материалов; аппараты для переработки и обработки твердых компактных, кусковых, пылевидных

иволокнистых материалов (мельницы, дробилки, классификаторы, разрыхлители) и тому подобное оборудование.

70