Главная Обратная связь

Дисциплины:






Расчет параметров взрыва



8.5.1 Методики расчетов

Взрывом называют быстрое экзотермическое химическое превращение взрывоопасной среды, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных проводить работу.

Основными факторами среды, характеризующими опасность взрыва для помещений и оборудования, являются:

- максимальное давление взрыва;

- максимальная температура взрыва;

- скорость нарастания давления при взрыве;

- давление во фронте ударной волны.

К опасным и вредным факторам, воздействующим на работающих в результате взрыва, относят:

- ударную волну;

- пламя;

- обрушивающиеся конструкции, оборудование, коммуникации, здания и сооружения и их разлетающиеся части;

- образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества, содержание которых в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации.

Одним из наиболее важных параметров взрывопожарной опасности смеси газов, легкокипящих жидкостей и пылей с воздухом или другими окислителями является создаваемое при взрыве избыточное давление взрыва DР.

Расчетное избыточное давление взрыва в помещении, зависящее от вида горючего вещества, является одним из параметров, по которому определяется категория помещения по взрывопожарной опасности. В соответствии с нормативным документом все помещения по взрывопожарной опасности разбиты на пять категорий (табл. 8.14).

Избыточное давление взрыва для индивидуальных горючих веществ (горючих газов, паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей), состоящих из атомов С, Н, О, N, Cl, Br, I, F, определяется по формуле, кПа

, (8.56)

где - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочным данным (при отсутствии данных допускается принимать = 900 кПа); - начальное давление, кПа (при расчетах допускается принимать равным 101 кПа); m - масса горючего газа или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вышедших в помещение в результате нарушения технологического режима или аварии, кг; Z - коэффициент участия горючего вещества во взрыве (принимать по табл. 8.19); - свободный объем помещения (не занятый оборудованием и мебелью), определяемый через реальный объем помещения , м3

; (8.57)

- плотность газа или пара горючего вещества при расчетной температуре , вычисляемая по формуле, кг/м3:

; (8.58)

- молярная масса горючего вещества, кг/кмоль; - мольный объем, равный 22,413 м3/кмоль; - расчетная температура, оС.

В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры по каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 61оС; - стехиометрическая концентрация горючих газов или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей по объему, вычисляемая по формуле, %:



; (8.59)

- стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания; - число атомов углерода, водорода, кислорода и галоидов в молекуле горючего вещества; - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. При расчетах допускается принимать = 3.

 

Таблица 8.19. Значение коэффициента участия горючего вещества во взрыве

 

Вид горючего вещества Z
Водород 1,0
Горючие газы (кроме водорода) 0,5
Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, нагретые до температуры вспышки и выше   0,3
Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля   0,3
Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности образования аэрозоля  

 

Значения показателей пожарной опасности некоторых индивидуальных веществ приведены в табл. 8.20.

Взрывоопасная смесь горючей пыли с воздухом может образовываться в различных технологических процессах, таких как производство пшеничной и травяной муки, сушка трав, производство органических мелкодисперсных порошков и т. п.

Расчет избыточного давления взрыва DP для горючих пылей проводится по формуле, кПа:

, (8.60)

где имеют те же значения, что и в формуле (8.56); m - расчетная масса взвешенной в объеме помещения или оборудования пыли, образовавшейся в результате нарушения технологического процесса или аварийной ситуации, кг; - теплота сгорания горючего вещества, Дж/кг; - плотность воздуха до взрыва при начальной температуре , кг/м3:

Таблица 8.20. Значения показателей пожарной опасности некоторых индивидуальных веществ [25]

Вещество Химическая формула Молекулярная масса m, кг/кмоль Температура вспышки, оС Характе- ристика вещества Теплота сгорания ,кДж/кг
Ацетилен C2H2 26,038 - ГГ
Ацетон C3H6О 58,123 -69 ГГ
Бензол C6H6 78,113 -11 ЛВЖ
Бутан C4H10 58,123 -69 ГГ
Водород H2 2,016 - ГГ
Гексан C6H14 86,177 -23 ЛВЖ
Гексиловый спирт C6H14О 102,17 +60 ЛВЖ
Изобутан C4H10 58,123 -76 ГГ
Изобутиловый спирт C4H10О 74,12 +28 ЛВЖ
Изопропиловый спирт C3H8О 60,09 +14 ЛВЖ
Метан CH4 16,04 - ГГ
Метиловый спирт CH4О 32,04 +6 ЛВЖ
Оксид углерода СО 28,01 - ГГ
Оксид этилена C2H4О 44,05 -18 ГГ
Пропан C3H8 44,096 -96 ГГ
Пропилен C3H6 42,080 - ГГ
Стирол C8H8 104,14 +30 ЛВЖ
Толуол C7H8 92,140 +7 ЛВЖ
Формальдегид СH2О 30,03 - ГГ
Хлорбензол C6H5Сl 112,56 +29 ЛВЖ
Хлорэтан C2H5Сl 64,51 -50 ГГ
Циклогексан C6H12 84,16 -17 ЛВЖ
Этан C2H6 30,069 - ГГ
Этилацетат C4H8О2 88,10 -3 ЛВЖ
Этиловый спирт C2H6О 46,07 +13 ЛВЖ

 

; (8.61)

- теплоемкость воздуха, кДж/(кг×К). При расчетах допускается принимать = 1,017 кДж/(кг×К); Z - коэффициент участия взвешенной пыли во взрыве, который рассчитывается по формуле:

; (8.62)

F - массовая доля частиц пыли размером менее критического, с превышением которого аэровзвесь становится взрывобезопасной, т. е. неспособной распространять пламя. Значение параметра может быть найдено по специальной методике. В отсутствие возможности получения сведений для расчета величины F допускается принимать Z = 0,5.

Достаточно часто на производстве происходят аварии, сопровождающиеся взрывом сосуда, содержащего сжатый газ. При этом возникает проблема расчета мощности взрыва.

Мощность взрыва сосуда, заполненного сжатым газом, можно определить по формуле, Вт:

, (8.63)

где - работа взрыва, Дж; - время взрыва, с.

Работу, которую совершает сжатый газ при взрыве, ориентировочно можно определить по формуле, Дж:

, (8.64)

где - объем сосуда со сжатым газом, м3; - давление среды, где находится сосуд, Па; - абсолютное давление сжатого газа в сосуде, Па; m - показатель политропы расширения сжатого газа. При расчетах принимают m = 1,2.

Предельно допустимое давление РДОП, МПа, для бака воздухосборника определяют по формуле:

(8.65)

где внутренний диаметр бесшовной трубы DВ, м; толщина стенки dс, мм; давление, на которое рассчитан материал воздухосборника Ст20, sдоп, МПа; температура наружного воздуха 293 К.

Основной опасностью для сосудов воздушно-компрессорных установок и воздухопроводов является образование взрывоопасных смесей паров масла и воздуха, а также образование на внутренней, поверхности воздухопроводов окисной пленки масла.

Если концентрация паров масла в среде сжатого воздуха достигает6…11 %, эта смесь может взорваться при температуре около 200оС и даже при более низкой температуре, когда применяется низкокачественное компрессорное масло.

Если в воздухопроводах образуются перекисные соединения, взрыв может произойти при температуре примерно +60оС, а также от удара и сотрясения.

Расследования аварий с сосудами воздушно-компрессорных установок показали, что правила безопасной эксплуатации компрессорных установок на тех предприятиях, где происходили аварии, не выполнялись, а именно:

а) смазка цилиндров компрессоров производилась маслом с низкой температурой вспышки (190оС и ниже вместо нормальной +240оС), а в отдельных случаях даже непроверенным маслом, несмотря на прямое указание правил о необходимости перед применением компрессорного масла проверять его в лаборатории и предохранять от загрязнений;

б) продувка от масла воздухосборников и маслоотделителей производилась нерегулярно, хотя правила обязывали производить продувку всех сосудов компрессорных установок каждую смену;

в) из-за отсутствия обводных линий и по производственным условиям воздухосборники не останавливались и не очищались периодически от масла, что должно производиться не реже одного раза в полгода; также не прочищались от масляных наслоений воздухопроводы и не производилась промывка воздухопроводов, расположенных между компрессорами и ресиверами, что также должно производиться не реже одного раза в 6 месяцев;

г) в некоторых случаях температура сжатого воздуха вследствие недостаточного охлаждения в одноступенчатых компрессорах превышала 160оС и в многоступенчатых +140оС. Таким образом, температура сжатого воздуха в воздухопроводе мало отличалась от температуры вспышки масла, хотя, согласно правилам, эта разница должна быть не меньше 75°С;

д) воспламенению смеси паров масла с воздухом в компрессорных установках иногда способствовала неисправность фильтров, пропускавших с воздухом пыль и ржавчину из труб подсоса воздуха в компрессор.

8.5.2 Задания на расчет

Задание 8.1. В складском помещении, размеры которого составляют А·В·Н, м3, находится в емкостях легковоспламеняющаяся жидкость. В результате разгерметизации одной емкости из нее вытекает в помещение m, кг вещества, которое испаряется.

Определить категорию помещения склада по пожаровзрывоопасности.

Таблица. Исходные данные

 

№ вари анта Размеры склада, А·В·Н, м3   ЛВЖ Количество испаряющегося вещества, кг
10·9·4,5 Бензол
12·8·4 Гексан
10·7,5·5 Гексиловый спирт
8·8·4,5 Изобутиловый спирт
8·10·5 Изопропиловый спирт
12·6·4 Метиловый спирт
12·4,5·4 Стирол
12·5·4 Толуол
10·5·6 Хлорбензол
14·7·4 Циклогексан
14·5·5 Этилацетат
10·6·4 Этиловый спирт

 

Задание 8.2. Произошел взрыв воздухосборника компрессора, имеющего объем , м3, и рассчитанного на избыточное давление 0,5 МПа. Определить мощность взрыва, если время действия взрыва составило , с, при конечном давлении воздуха в воздухосборнике , МПа. Давление атмосферного воздуха составляет 0,1 МПа.

Таблица. Исходные данные

№ варианта Объем сосуда со сжатым газом, , м3 Время взрыва, , с Абсолютное давление сжатого газа в сосуде, , МПа
1. 0,1 0,01 1,2
2. 0,2 0,015 1,25
3. 0,25 0,02 1,3
4. 0,35 0,025 1,35
5. 0,3 0,03 1,2
6. 0,4 0,01 1,3
7. 0,5 0,015 1,25
8. 0,6 0,02 1,3
9. 0,1 0,025 1,2
10. 0,2 0,03 1,2
11. 0,25 0,01 1,25
12. 0,3 0,015 1,3

Задание 8.3. Определить опасное давление и мощность взрыва воздухосборника компрессора. Сделать заключение о возможных причинах взрыва.

Таблица . Исходные данные

№ варианта Рабочее давление воздухосборника, МПа Объем воздухосборника, м3
0,8 0,9
0,5 4,5
0,6 3,9
0,7 3,8
0,9 3,5
3,2
1,1 3,1
1,2 2,9
1,3 2,8
1,4 2,5
1,5 2,6
1,6 2,1
1,7 1,9
1,8 1,2
1,9 1,2
0,9 3,5
0,8 3,2
0,5 2,9
0,6 3,1
0,7 4,5

8.5.3 Примеры выполнения заданий

 

Задание 8.1. В складском помещении, размеры которого составляют 10·8·4 м3, находится в емкостях легковоспламеняющаяся жидкость – бензол. В результате разгерметизации одной емкости из нее вытекает в помещение 10 кг бензола, который испаряется.

Определить категорию помещения склада по пожаровзрывоопасности.

Решение:

Категорию помещения по взрывопожарной опасности можно определить, если будет известно избыточное давление взрыва в помещении. Для определения этого давления выпишем характеристики бензола C6H6 из табл. 8.20:

= 78,113 кг/кмоль; = 40576 кДж/кг.

При расчетах было принято или рассчитано:

= 900 кПа; = 101 кПа; m = 10 кг; Z = 0,3 (табл. 8.19);

= 0,8×10×8×4 =256 м3 ( формула (8.57));

кг/м3 (формула (8.58));

 

; ; ; %; = 3.

 

Избыточное давление взрыва в помещении определим по формуле (8.56):

кПа.

 

Найденное избыточное давление кПа превышает 5 кПа (табл. 8.14), поэтому помещение склада по взрывопожарной опасности относится к категории «А».

Задание 8.2. Произошел взрыв воздухосборника компрессора, имеющего объем 0,3 м3 и рассчитанного на избыточное давление 0,5 МПа. Определить мощность взрыва, если время действия взрыва составило 0,01 с при конечном давлении воздуха в воздухосборнике 1,2 МПа. Давление атмосферного воздуха составляет 0,1 МПа.

 

 

Решение:

Определим работу сжатого воздуха, произведенную в период взрыва, используя формулу (8.64):

Дж.

Тогда мощность взрыва воздухосборника составит:

МВт.

Задание 8.3.Воздухосборник объемом 0,9 м3, изготовлен из бесшовной трубы с внутренним диаметром DВ = 0,3 м и толщиной стенки dс = 3 мм. Известно, что компрессор создает давление РК = 0,8 МПа, смазывается компрессорным маслом М12 с температурой вспышки Тв=489 К. При осмотре воздухосборника установлено, что взрыв произошел не из-за ослабления элементов конструкции.

При расчетах для всех вариантов принять: время взрыва tвз = 0,1 с; материал воздухосборника Ст20; sдоп=400 МПа; температура наружного воздуха 293 К.

Решение:

1. Определяем предельно допустимое давление для бака воздухо-сборника:

МПа,

приняв минимальное давление взрыва Рвз=1,25Рдоп, получим Рсз=8×1,25=10 МПа.

2. Рассчитываем мощность взрыва, приняв, что вся энергия расходуется на работу взрыва (формула (8.63)), предварительно определив энергию сжатого газа Авз, Дж:

 

 

, (8.66)

Дж;

кВт,

где t – время взрыва, с; m – показатель адиабаты, для воздуха m = 1,41; Рвз – давление взрыва, МПа; V – объем воздухосборника, м3; Р0 – атмосферное давление, 0,1013 МПа » 0,1 МПа.

Возможными причинами взрыва могут быть:

- завышение предельно допустимого давления в сосуде от источника питания. В нашем случае данное предположение не может служить причиной аварии, так как рассчитано, что Рдоп=8,0 МПа, а источник питания создает давление всего 0,8 МПа, т. е. в 10 раз меньше допустимого;

- повышение давления за счет воспламенения масловоздушной смеси, вызванного повышением температуры среды, в связи с неисправностью системы охлаждения компрессора. Для проверки данного предложения нужно определить температуру воздуха после сжатия в компрессоре

(8.67)

Т = 535 К, что больше температуры вспышки масла Тв = 489 К.

Таким образом, давление взрыва 10 МПа, мощность – 231330 кВт. Наиболее вероятной причиной взрыва воздухосборника является отказ системы охлаждения компрессора и повышение температуры среды воздухосборника свыше Тв масла.

 

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...