Практическая работа №1 «Оценка пожаровзрывоопасности среды

внутри технологического оборудования»

Основные теоретические положения

Условия образования горючих (взрывоопасных) концентраций (ВОК) внутри производственных аппаратов зависят от пожаровзрывоопасных свойств и агрегатного состояния веществ, обращающихся в технологическом процессе, конструктивных особенностей и режимов работы оборудования.

1. Внутри аппаратов с горючими газами или перегретыми парами ВОК образуются в том случае, если в них попадает воздух или по условиям ведения технологического процесса подается окислитель (кислород, воздух, хлор и др.) при выполнении соотношения

(1.1)

где - действительная (рабочая) концентрация горючего вещества, об. доли; и - соответственно нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени при рабочей температуре, об. доли (% об. или кг/м³).

Значения и , приведенные к 25 º С при атмосферном давлении, даны в табл. 1 приложения. Определить значения величин и при температуре среды, отличной от 25 º С, можно по формулам:

(1.2)

(1.3)

- рабочая температура среды в аппарате, º С.

Рабочую концентрацию горючего газа в смеси с окислителем можно определить из материального баланса аппарата по формулам:

(1.4)

или

(1.5)

где , - объемы соответственно горючего газа и окислителя в аппарате, м³; , - объемные расходы горючего газа и окислителя, м³ /с.

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

(1.6)

или

(1.7)

где - взрывобезопасная концентрация горючего вещества в газопаровоздушной смеси, об. доли.

2. В свободном пространстве герметичных и “дышащих” аппаратов с пожароопасными жидкостями ВОК образуются в том случае, если выполняется соотношение (1.1).

В аппаратах с длительно хранящимися и особенно нагретыми жидкостями концентрация паров близка к насыщенной, т. е. = . Здесь - концентрация насыщенного пара при рабочей температуре жидкости, определяемая по формуле

(1.8)

где - давление насыщенного пара жидкости при рабочей температуре, Па. Значения некоторых пожароопасных жидкостей приведены в табл. 2 приложения. Величину можно определить по уравнению Антуана

(1.9)

где А, В и - константы, зависящие от свойств жидкости, приведены в справочнике [2]; - рабочее давление паровоздушной смеси в аппарате (абсолютное давление в герметичном аппарате или барометрическое давление в “дышащем” аппарате), Па.

Для пересчета концентрации паров и газов, в том числе концентрационных пределов распространения пламени, из объемных (мольных) долей в кубическом метре используют формулу

, (1.10)

где - концентрация, кг/м³; - концентрация, об.доли; М – молекулярная масса пара или газа, кг/кмоль; - молярный объем пара или газа (м³ /кмоль) при рабочих условиях, орпеделяемый по формуле

(1.11)

где =22, 4135 нм³ /кмоль – молярный объем паров или газов при нормальных условиях ( ≈ 22, 4 нм³ /кмоль); =1, 01325 *10⁵ Па – давление при нормальных физическтх условиях ( ≈ 1* 10⁵ Па или =760 мм рт. ст.). В технических расчетах величину можно принимать равной барометрическому давлению ( ≈ ).

Взрывобезопасные условия эксплуатации герметичных аппаратов с пожароопасными жидкостями определяются из выражений (1.6) и (1.7).

Взрывобезопасные условия “дышащих” аппаратов определяются только из выражения (1.6), так как в процессе эксплуатации при снижении уровня продукта или температуры окружающей среды в аппараты через дыхательные устройства поступает воздух, что приводит к разбавлению “богатых” смесей с > и образованию ВОК.

3. Если концентрация паров в свободном пространстве аппарата с пожароопасной жидкостью является насыщенной и остается неизменной во время его эксплуатации, то условие образования ВОК определяют следующим образом:

(1.12)

где , - соответственно нижний и верхний температурные пределы распространения пламени (см. табл. 1 приложения), º С; - рабочая температура, º С.

Взрывоопасные температурные условия эксплуатации аппаратов в этом случае определяют из выражений

(1.13)

или

(1.14)

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

(1.15)

где - температура вспышки пожароопасной жидкости, º С (см. табл. 1 приложения).

Взрывобезопасные условия эксплуатации открытых аппаратов определяют из выражения

º С, (1.16)

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

(1.17)

где - концентрационный предел распространения пламени (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, в числителе формулы (1.17) следует принимать

=1,

Температурные пределы распространения пламени пожароопасных жидкостей можно пересчитать в концентрационные (или наоборот) по формуле

(1.18)

где - температурный предел распространения пламени (нижний или верхний), º С.

Значения температурных пределов распространения пламени пожароопасных жидкостей при рабочем давлении , отличном от атмосферного в интервале от 0, 1*10⁵ до 2*10⁵ Па, пересчитывают по формуле

(1.19)

где индекс “р” означает, что показатель имеет отношение к рабочему давлению, а индекс “о” – к атмосферному; знак “+” в знаменателе ставится при расчете , а знак “-“ – при расчете .

Аналогично можно пересчитать температуру вспышки жидкости (в знаменателе знак “+”).

6. В аппаратах часто находятся не индивидуальные пожароопасные жидкости, а их растворы (в том числе водные). В этом случае давление насыщенных паров компонентов над раствором определяют по закону Рауля (для идеальных растворов):

(1.20)

где - парциальное давление i-го компонента над раствором, Па; - давление насыщенного пара чистого i-го компонента при данной температуре, Па; - мольная доля i-го компонента в растворе, которая зависит от его относительного содержания.

Относительное содержание компонентов в растворе определяется по формуле

(1.21)

или

, (1.22)

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

(1.23)

(1.24)

где и - объемные доли соответственно компонентов А и В в растворе, =1- ; и - плотность чистых компонентов А и В (см. табл. 4 приложения), кг/м³; и - массовые доли компонентов А и В в растворе, =1- ; и - молекулярные массы чистых компонентов А и В, кг/моль; и - мольные доли компонентов А и В в растворе, =1- .

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 табл. 3 приложения.

7. В процессах переработки, транспортировки кусковых или измельченных твердых горючих материалов, а также при их обработке образование взрывоопасных пылевоздушных смесей происходит при выполнении соотношения:

(1.25)

где - фактическая (рабочая) концентрация пыли в аппарате или помещении с учетом наличия взвешенной или осевшей пыли, кг/м³; - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м³.

Действительную концентрацию пыли в аппарате можно вычислить по формуле

(1.26)

где - концентрация взвешенной горючей пыли в аппарате, кг/м³; - концентрация осевшей горючей пыли в аппарате, кг/м³, которая может перейти во взвешенной состояние

или (1.27)

где - интенсивность образования отложений пыли, кг/с; - продолжительность работы аппарата, с; - свободный объем аппарата, м³; - масса осевшей пыли в аппарате, кг.

Взрывобезопасные условия эксплуатации аппаратов с горючими пылями определяют из выражения

(1.28)

где - коэффициент безопасности (запаса надежности), ≥ 2.

8. Для флегматизации горючих газопаровоздушных смесей в производственных аппаратах применяют инертные газы: диоксид углерода, азот, водяной пар (при температуре среды в аппарате выше 100º С), аргон и другие.

Предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию флегматизатора (ПДВК ) вычисляют по формуле

ПДВК = (1.29)

где - коэффициент запаса надежности, принимаемый следующим образом:

при > 0, 15 об. долей =1, 2;

при об. долей =1, 5;

- минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора, об. доли; величина для некоторых индивидуальных веществ приводится в работе [2], а для смесей горючих паров и газов определяется расчетом, согласно ГОСТу [1]; величину можно также определить по формуле

(1.30)

где - минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК), величина которого приводится в работе [2] или оценивается расчетом (при флегматизации среды азотом) по формуле

(1.31)

где - стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении сгорания 1 моля горючего вещества.

Определить значение минимальной флегматизирующей концентрации при температуре среды, отличной от 25 º С, можно по формуле

(1.32)

Количество инертного газа, необходимого для флегматизации горючей смеси в аппарате, определяют из выражения

(1.33)

где - количество подаваемого в аппарат инертного газа, м³; - свободный объем аппарата, занимаемый парогазовоздушной смесью, м³.

Примеры

Пример 1.1. Область распространения пламени метилового спирта при 25 º С составляет (0, 0698 – 0, 355) об. доли (см. табл. 1 приложения). Определить область распространения пламени спирто-воздушных смесей, нагретых до 350 º С.

Решение. Нижний концентрационный предел распространения пламени метанола при данной температуре определяем по формуле (1.2)

об. доли.

Верхний концентрационный предел распространения пламени метанола при данной температуре определяем по формуле (1.3)

об. доли.

Область распространения пламени спирто-воздушных смесей, нагретых до 350 º С, составит (0, 052 – 0, 499) об. доли.

Пример 1.2. Исходя из условий безопасного ведения технологического процесса, определить расход окислителя (кислорода), подаваемого в аппарат для приготовления смеси с н-Бутаном. Производительность смесителя составляет 0, 5 м³ /с по бутано-кислородной смеси. Давление в смесителе близко к атмосферному, температура процесса 25 º С.

Решение. Взрывобезопасные концентрации н-Бутана при эксплуатации смесителя определяем по формулам (1.6) и (1.7)

об. доли

или

об. доли

Здесь 0, 018 и 0, 49 об. доли – соответственно нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени н-Бутана с кислородом [2].

Преобразуем выражение (1.5) в соответствии с требованиями условий задачи, когда :

.

Но по условию =0, 5 м³ /с.

Тогда .

Подставляем найденные взрывобезопасные значения рабочих концентраций н-Бутана в полученное выражение и определяем расход кислорода

м³ /с

или

м³ /с.

Взрывобезопасность технологического процесса (при заданной производительности смесителя по бутано-кислородной смеси) обеспечивается при выполнении следующих условий:

1) расход окислителя (кислорода) должен превышать 0, 493 м³ /с

или

2) расход кислорода должен быть менее 0, 227 м³ /с.

Пример 1.3. Пересчитать значение нижнего концентрационного предела распространения пламени толуола из об. долей в кг/м³. Рабочее давление паровоздушной смеси в аппарате – атмосферное, температура 30 º С.

Решение. По табл. 1 приложения находим для толуола =0, 0127 об. доли, =91, 14 кг/моль.

Молярный объём пара при рабочих условиях определяем по формуле (1.11)

м³ /кмоль.

Нижний концентрационный предел распространения пламени толуола определяем по формуле (1.10)

кг/м³ (47 г/м³).

Пример 1.4. Определить концентрацию насыщенного пара над раствором этилового спирта в бензоле при 40 º С и атмосферном давлении в аппарате. В растворе содержится 50 л этилового спирта и 120 л бензола.

Решение. Относительное объёмное содержание компонентов в растворе определяем по формуле (1.21)

этиловый спирт об. доли,

бензол об. доли.

По табл. 4 приложения находим плотность компонентов раствора при рабочей температуре:

кг/ м³,

кг/ м³.

Относительное массовое содержание компонентов в растворе определяем по формуле (1.23)

мас. доли,

мас. доли.

Мольную долю компонентов в растворе определяем по формуле (1.24)

доли моля,

доли моля.

Здесь 46, 07 кг/моль и 78, 11 кг/моль – молекулярные массы соответственно этилового спирта и бензола (см. табл. 1 приложения).

Давление насыщенных паров чистых компонентов при температуре 40 º С (313 К) определяем по табл. 2 приложения:

этиловый спирт

при Т=308 К Па,

при Т=321, 6 К Па.

Следовательно, при Т=313 К

Па;

бензол

при Т=299, 8 К Па,

при Т=315, 4 К Па.

Следовательно, при Т=313 К

Па.

Парциальное давление паров компонентов над раствором определяем по формуле (1.20)

Па,

Па.

Суммарное давление насыщенного пара над раствором

Па.

Концентрацию насыщенного пара над раствором этилового спирта в бензоле определяем по формуле (1.8)

об. доли или 22, 1% об.

Пример 1.5. Показать, что внутри резервуара с этилацетатом при 20 º С образуется взрывоопасная концентрация пара.

Решение. По табл. 1 приложения находим температурные пределы распространения пламени этилацетата

º С, º С.

Подставляем численные значения величин в выражение (1.12)

( º С) < ( º С) < ( º С).

Условие образования ВОК (1.12) выполняется. Следовательно, в паровоздушном пространстве резервуара при температуре 20 º С образуется взрывоопасная концентрация этилацетата.

Пример 1.6. Определить нижний температурный предел распространения пламени этиленгликоля при атмосферном давлении.

Решение. По справочнику [2] находим константы уравнения Антуана (1.9) и значение нижнего концентрационного предела распространения пламени:

А=8, 13754; В=2753, 183; об. доли.

Нижний концентрационный предел распространения пламени этиленгликоля определяем по формуле (1.18)

º С.

Пример 1.7. Определить верхний концентрационный предел распространения пламени бытового (топливного) газа, имеющего следующий состав (средний) в % об.:

метан – 74, 2; этан – 15, 1; пропан – 8, 5; бутаны – 0, 6; азот – остальное.

Решение. По табл. 1 приложения находим значения верхних концентрационных пределов распространения пламени компонентов газа (об. доли):

=0, 141; =0, 15;

=0, 094; =0, 091.

Верхний концентрационный предел распространения пламени бытового газа определяем по формуле (1.17)

об. доли

или 13, 03% об.

Пример 1. 8. Какое минимальное количество осевшей пыли полипропилена должно скопиться в циклоне, чтобы при её навихрении могла образоваться взрывоопасная концентрация во всем объеме аппарата? Объем циклона 1, 2 м³.

Решение. Нижний концентрационный предел распространения пламени полипропилена, определенный по справочнику [2], равен 40г/м³.

Используя выражение (1.27), определяем массу осевшей пыли в циклоне в случае, когда :

г.

Пример 1.9. Определить минимальное взрывоопасное содержание кислорода в паровоздушной смеси, зафлегматизированной азотом. Горючее вещество н-Декан.

Решение. Составляем уравнение полного сгорания 1 моля н-Декана

.

Стехиометрический коэффициент при кислороде β =15, 5.

Определяем минимальное взрывоопасное содержание кислорода по формуле (1.31)

15, 5*0, 007=0, 1085 об. доли или 10, 85% об.

Задачи

1.1. По условиям ведения технологического процесса в смеситель поступают горючий газ и воздух. Вид горючего, расходы компонентов (G и ) и температура образующейся смеси () приведены в табл. 1.1. Дать заключение о горючести газовоздушной смеси в аппарате при условии, что давление в системе не меняется и близко к атмосферному.

Таблица 1.1

1.2. Предложить взрывобезопасный концентрационный режим эксплуатации газового смесителя (исходные данные приведены в табл. 1. 1) с учетом того обстоятельства, что температура в аппарате изменяется от 25 º С (пуск аппарата в работу) до .

1.3. Технологический процесс осветления продукта (пожароопасной жидкости) проводится в отстойнике с дыхательным устройством при постоянной температуре. Дать заключение о горючести паровоздушной смеси, если известно, что уровень продукта в аппарате периодически меняется. Вид продукта и его температура приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2.

Примечание. При решении задачи необходимо учесть разбавление насыщенной паровоздушной смеси воздухом, который поступает в отстойник из-за снижения в нем уровня продукта.

1.4. Технологический процесс фильтрации готового продукта (пожароопасной жидкости) протекает в фильтре, который работает под вакуумом или избыточным давлением. Температура продукта и его уровень в аппарате в течение всего процесса фильтрации поддерживаются постоянными. Рекомендовать взрывобезопасный температурный режим проведения процесса фильтрации при рабочем давлении паровоздушной смеси в аппарате и определить предельное давление, ниже которого паровоздушная смесь не имеет концентрационных пределов распространения пламени. Вид продукта и рабочее (абсолютное) давление процесса приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Примечание. При решении задачи необходимо воспользоваться формулой (1.19) для пересчета показателей пожарной опасности продукта с учетом фактического давления паровоздушной смеси.

1.5. В технологическом процессе приготовления лакокрасочных материалов используются растворители, состоящие из двух компонентов. Дать заключение о возможности образования ВОК в сборнике вместимостью 2 м³ с длительно хранящимся в нем растворителем (сборник оборудован дыхательным устройством). Содержание компонентов растворителя в емкости и технологические параметры процесса хранения приведены в табл. 1.4 (давление в емкости - атмосферное).

Таблица 1.4

1.6. На станции технического обслуживания автомобилей промывку деталей двигателей машин (перед сборкой) производят в открытой ванне с моющим средством (пожароопасной жидкостью). Дать рекомендации по снижению пожаровзрывоопасности данной технологической операции. Вид моющего средства и его максимальную температуру в ванне () принять по табл. 1.5.

Таблица 1.5

1.7. В процессе измельчения горючего кускового материала выделяется пыль, которая удаляется из внутреннего пространства дробилок местными отсосами. Дать заключение о возможности образования взрывоопасной пылевоздушной смеси в коллекторе магистрального воздуховода системы аспирации (с учетом наличия взвешенной и осевшей пыли). Определить продолжительность безопасной эксплуатации системы аспирации, приняв =20. Данные для расчета приведены в табл. 1.6. Концентрация пыли в отсасываемом воздухе не превышает 10% нижнего концентрационного предела распространения пламени.

Таблица 1.6

Примечание. При определении продолжительности безопасной эксплуатации системы аспирации необходимо совместно решить выражения (1.26) и (1.28).

1.8. На действующем производстве расходная емкость с пожароопасной жидкостью подключена к системе азотного дыхания. Концентрация азота в системе колеблется в пределах 55-60% об. (остальное воздух и пары жидкости). Произвести анализ возможности образования ВОК в емкости, а также обосновать расчетом взрывобезопасную концентрацию инертного газа (азота) и определить его количество, необходимое для флегматизации среды в емкости с пожароопасной жидкостью. Вид пожароопасной жидкости, температура среды в аппарате, а также свободный объем аппарата приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7