Взрыв паро-газо-воздушного облака в ограниченном пространстве

При разгерметизации технологической аппаратурой, находящейся в цехе (складе) и содержащей горючие газы и жидкости, масса поступающих в помещение горючих газов (ГГ), горючих (ГЖ) и легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) определяется по формулам (1.19) и (1.20).

Масса паров ГЖ, поступающих в помещение при испарении разлившейся жидкости, находится по формуле (1.21), в которой площадь испарения F (м²) определяется исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих по массе 70% и менее растворителей, разливается по площади 0,5 м² пола помещения, а остальных жидкостей - на 1 м² пола помещения. Длительность испарения  (с) принимается равной времени полного испарения, но не более 3600 с.

Интенсивность испарения разлившейся жидкости в помещении W, кг/(м²·с), согласно НПБ-105-03, определяется по формуле

,                                                                             (1.32)

где η - коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (табл.1.9); М – молекулярная масса жидкости, кг/кмоль; Р_нас – давление насыщенного пара, кПа, определяемое по формуле (1.23).

Таблица 1.9 -- Значения коэффициента η

Скорость воздушного потока, м/с	Температура в помещении, ^оС
	10	15	20	30	35
0 0,1 0,2 0,5 1,0	1,0 3,0 4,6 6,6 10,0	1,0 2,6 3,8 5,7 8,7	1,0 2,4 3,5 5,4 7,7	1,0 1,8 2,4 3,6 5,6	1,0 1,6 2,3 3,2 4,6

 

Избыточное давление взрыва Δ P _{ф (}кПа) для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов углерода, водорода, кислорода, хлора, брома и фтора, определяется по формуле

                                                      (1.33)

где: А_ав – кратность воздухообмена аварийной вентиляции, ч^-1; - время работы аварийной вентиляции, ч; Р _max - максимальное давление взрыва стехиометрической газо- или паро-воздушной смеси в замкнутом объеме, определяемой по справочным данным (при отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа); P ₀ - начальное давление, принимаемое равным 101,3 кПа; m - масса горючего газа или паров ЛВЖ в помещении, кг; Z – коэффициент участия горючего во взрыве, принимаемый равным 1 для водорода, 0,5 – для других горючих газов, 0,3 – для паров ЛВЖ и ГЖ; V _св – свободный объем помещения, м³ (можно принять равным 80% помещения); ρ_г – плотность газа или пара при расчетной температуре, кг/м³; К _н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатность процессов горения, принимаемый равным 3; С _стх - стехиометрическая концентрация горючего, % об., вычисляемая по формуле

,                                                                                     (1.34)

где  -- стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения (n_С, n_H, n_X, n_O - число атомов углерода, водорода, кислорода и галоидов в молекуле горючего).

Плотность газа (пара) можно определить по формуле

                                                                         (1.35)

где V ₀ – молекулярный объем, равный 22,4 м³/кмоль;

t _{р –} расчетная температура, ^оС.

Избыточное давление на фронте ударной волны при взрыве горючих порошков и пылей производится по формуле

                                                                               (1.36)

где Н_Т – теплота сгорания материала, кДж/кг; - плотность воздуха, кг/м³; с_р - теплоемкость воздуха, равная 1,3 кДж/(кг_*К); Z – коэффициент участия взвешенной пыли во взрыве, принимаемый для порошков металлов и сплавов равным 1.0, для остальных - 0,5. Остальные обозначения как в формуле (1.33).

Коэффициент негерметичности и неадиабатности К_н принимается равным 3 для больших помещений (мастерские, цеха и т.п.), имеющих большую площадь оконных проемов, и 2 - для относительно небольших помещений (камеры вентиляционных установок, помещения для газоочистных установок и т.п.).

Расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли m, кг, определяется по формуле

,                                                                                             (1.37)

где m _вз – расчетная масса взвихрившейся пыли, кг, равная

                                                                                                (1.38)

Здесь К_{вз –} доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации (допускается принимать равной 0,9); m_п – масса пыли, отложившейся в помещении к моменту аварии; m_ав – расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг

                                                                                                         (1.39)

где m_ап – масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг; q – количество пылевидных веществ, поступающих в аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг/с; - время отключения трубопроводов, с (см. табл. 1.7); K_п – коэффициент пыления, равный отношению массы взвешенной в воздухе помещения пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата (допускается принимать для пыли с дисперсностью не менее 350 мкм K_п = 0.5, для пыли с дисперсностью менее 350 мкм K_п = 1,0).

Масса отложившейся в помещении к моменту аварии пыли m_п, кг, определяемая по формуле

,                                                                          (1.40)

_.                                                                                                             (1.41)

где m_i (i =1,2) – масса пыли, оседающей на различных поверхностях в помещении за межуборочный период (1 – поверхности, труднодоступные для уборки, 2 - поверхности, доступные для уборки), кг; M_i – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за период между генеральными уборками, кг; α – доля пыли, удаляемая с помощью аспирационных систем (вентиляции); _{i ,} - доли выделяющейся в помещение пыли, соответствующие m ₁ и m ₂ ( ₁ + ₂ = 1, допускается принимать ₁ = 1, ₂ = 0); К_г – доля горючей пыли в общей массе отложений пыли; К_{у –} коэффициент эффективности пылеуборки (при сухой пылеуборке К _у = 0,6).

 

Пример 3. Насосный зал нефтеперерабатывающего предприятия имеет размеры 54х12х8,5 м. В зале расположены четыре центробежных магистральных насоса, два из которых находятся в рабочем состоянии, два - резервные. Производительность каждого насоса Q = 2,78 м³/с. Нефть находится в насосе с максимальным объемом заполнения V_ап = 25,76 м³. Насос занимает площадь 4,6х2,8 м.

Отсечные вентили (автоматическое отключение) находятся в помещении насосной, а длины подводящего и отводящего нефтепроводов диаметром d =1020 мм соответственно равны l ₁=3,0 и l ₂=4,4 м. Помещение насосного зала оборудовано системой аварийной вентиляции с кратностью А_ав =9 ч^-1. Температура нефти равна средней максимальной температуре t_н =22,4^оС, скорость воздуха в помещении при работе аварийной вентиляции составляет 1 м/с.

Оценить возможные последствия аварийного разлива нефти и последующего взрыва в результате разгерметизации одного магистрального нефтеперекачивающего насоса.

Р е ш е н и е.

1. Учитывая, что объем нефти, вышедшей из трубопроводов равен

 м³,

где  - время автоматического отключения насоса, согласно табл.1.7, принято равным 2 мин (120 с), найдем объем нефти, поступившей в помещение насосной (с учетом вылива из насоса

 м³.

2. Найдем толщину слоя разлившейся нефти с учетом размеров насосной и оборудования.

Учитывая, что площадь насосной составляет F_пом =54·12=648 м², а насосы занимают площадь F_нас =4·4,6·2,8=51,52 м², определим величину свободной площади пола F_{св.пола}

 м².

Поступившая в помещение насосной нефть покроет всю свободную площадь пола слоем высотой

 м.

3. Интенсивность испарения легковоспламеняющейся жидкости, не нагретой до температуры кипения, найдем по формуле (1.32), предварительно по формуле (1.23) определив давление насыщенных паров нефти Р_нас

кПа.

Здесь принято, что молекулярная масса нефти II группы равна М = 240 кг/кмоль, скрытая теплота кипения нефти L_кип = 345400 Дж/кг, а температура кипения нефти t_кип =57^оС, R = 8310 Дж/(К·кмоль).

Тогда интенсивность испарения нефти равна

кг/(м²·с).

Здесь в соответствии с табл.1.9 при температуре в помещении около 20⁰С и скорости воздушного потока 1 м/с коэффициент η=7,7.

4. Масса паров нефти, образующихся при аварийном разливе, m_п равна по формуле (1.21)

m_п = 3,53·10 ^-4·596,48·3600 = 758 кг.

Здесь время испарения нефти принято равным 3600 с.

Поскольку масса разлившейся нефти при ее плотности ρ_неф =860 кг/м³ равна

m_ав = V_ав ρ_неф = 365,36·860 = 314209,6 кг,

то за время аварийной ситуации, равное 3600 с, испарится в объем помещения только

% разлившейся нефти.

5. По формуле (1.35) найдем плотность паров нефти ρ_п

 кг/м³.

6. Избыточное давление во фронте ударной волны при взрыве паров нефти найдем по формуле (1.33), в которой дополнительно учтем уменьшение массы взрывоопасной смеси в результате работы аварийной вентиляции

= 18 кПа

При расчете по формуле (1.33) принято что:

коэффициент участия горючего во взрыве для ЛВЖ, нагретых до температуры ниже температуры вспышки, равен 0,3;

свободный объем помещения равен 80% геометрического объема помещения, т.е.

V_св = 0,8·54·12·8,5 = 4406,4 м³;

молекулярной массе нефти М = 240 кг/кмоль соответствует формула С ₁₇ Н ₃₈ (n _С =17, n _Н=38, =17+0,25·38=26,5), а стехиометрическая концентрация паров нефти определяется по формуле (1.34)

 % об.;

коэффициент негерметичности и неадиабатности процесса горения принят К_н = 3;

уменьшение массы взрывоопасной смеси в результате работы аварийной вентиляции учитывается множителем (1+ А_ав ),

 где  - время испарения нефти, принятое равным 1 ч (3600 с).

6. Поскольку основные строительные конструкции здания насосной являются железобетонными, а предельно допустимый прирост давления для них составляет ΔР_доп =25 кПа, то здание разрушено не будет.

7. В том случае, когда аварийная вентиляция не работает или отсутствует, избыточное давление на фронте ударной волны увеличится на порядок и будет равно ΔР_ф = 180 кПа, что приведет к полному разрушению здания насосной и гибели персонала.

Варианты заданий по оценке последствий взрыва ПГВ облака в ограниченном пространстве представлены в таблице П.2.3.