Аппараты с жидкостями
Аппараты, резервуары и емкости с горючими жидкостями обычно не бывают заполнены до предела, т. е. имеют определенный свободный объем. Так как жидкости обладают свойством испаряться при любой температуре, то свободное пространство закрытых аппаратов постепенно насыщается парами. При наличии в этом пространстве воздуха (или другого окислителя) пары жидкости, смешиваясь с ним, могут образовать горючие смеси.
Концентрация насыщенных паров является функцией температуры φ s = f (t), но не при любой температуре жидкости смесь ее паров с воздухом способна к воспламенению.
В некоторых случаях температура жидкости будет слишком мала для того, чтобы возникла пожароопасная концентрация паров, т. е. концентрация паровоздушной смеси в аппарате будет ниже нижнего предела распространения пламени. В других случаях температура жидкости настолько повысится, что концентрация паровоздушной смеси в аппарате будет слишком «богатой», т. е. выше верхнего предела распространения пламени.
Отсюда вытекает, что обязательными условиями для образования взрывоопасных (горючих) концентраций паров в закрытых аппаратах и емкостях с жидкостями являются:
а) наличие паровоздушного пространства в аппарате;
б) наличие в аппарате горючей жидкости, рабочая температура которой находится в интервале между нижним и верхним температурными пределами распространения пламени с учетом запаса надежности и при условии, что концентрация паров в свободном пространстве аппарата с пожароопасной жидкостью является насыщенной и остается неизменной во время его эксплуатации.
Условие образования взрывоопасных концентраций (ВОК) определяют следующим образом:
(6)
где t р – рабочая температура жидкости в аппарате, град;
t НТПРП, t ВТПРП – соответственно нижний и верхний температурные пределы воспламенения жидкости, град.
Эти условия справедливы для оценки возможности образования горючей концентрации в аппаратах с неподвижным уровнем жидкости (например, аппараты непрерывного действия, аппараты периодического действия при их заполнении), когда в них образуется насыщенная концентрация паров жидкости. Но при опорожнении аппаратов периодического действия концентрация паров в их свободном пространстве уменьшается за счет поступления воздуха через дыхательную арматуру. В этом случае оценку горючести среды по температурным пределам воспламенения проводить нельзя.
Условия образования горючих (взрывоопасных концентраций) производственных аппаратов с переменным уровнем жидкости в том случае, если в них попадает воздух или по условиям технологического процесса подается окислитель определяют из выражения:
φ нкпрп ≤ φ р ≤ φ вкпрп, (7)
где φр – фактическая (рабочая) концентрация горючего вещества, об доли (кг/м3);
φнкпрп, φвкпрп – соответственно нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени при рабочей температуре, об доли (кг/м3).
Концентрация в паровоздушном пространстве аппаратов с горючими однородными и неоднородными жидкостями близка к концентрации насыщенного пара.
Концентрация насыщенного пара φ s при рабочей температуре жидкости определяется величиной давления насыщенного пара и общего давления в объеме паровоздушного пространства аппарата по формуле:
(8)
где Рр – рабочее давление паровоздушной смеси в аппарате (абсолютное давление в герметичном аппарате или барометрическое давление Рбар в «дышащем» аппарате), Па.
PS – давление насыщенного пара жидкости при рабочей температуре, Па.
Величину давления насыщенного пара можно определить по уравнению Антуана:
(9)
где А, В и СА – константы, зависящие от свойств жидкости, приведены в справочной литературе [25].
Если справочные данные констант формулы Антуана отсутствуют, то определить зависимость давления пара от температуры можно расчетным путем с помощью корреляции Миллера [29].
Для нефтепродуктов давление насыщенных паров в кПа, можно определить по формуле В.П. Сучкова [30]:
(10)
где tвсп – температура вспышки, 0С.
Для бензинов с известной температурой начала кипения t н.к. при рабочей температуре t р давление насыщенного пара можно определить по приближенной формуле:
(11)
где а и б – постоянные величины, для авиабензинов а = 6,4·104 Па и б = 0,0325 0С-1, для автобензинов а = 5,55·104 Па и б = 0,034 0С-1.
Аппараты с горючими газами
В производственных условиях получают или используют в технологическом процессе разнообразные горючие газы при различных температурах и давлении.
В качестве химического сырья или топлива широко применяются следующие газы: естественный, нефтяной, коксовый, этилен, ацетилен, бутилен, аммиак, водород и др.
Неправильная эксплуатация аппаратов с горючими газами может вызвать пожары и взрывы. Поскольку такими же свойствами, как газы, обладают и перегретые пары жидкостей, излагаемые ниже условия образования горючих концентраций газов внутри аппаратов относятся и к перегретым парам.
Обычно аппараты и трубопроводы заполнены горючим газом без примеси окислителя и реже по технологическим условиям используется смесь горючего газа с воздухом или кислородом (например, получение водорода конверсией метана, ацетилена – термоокислительным пиролизом естественного газа, окислов азота – окислением аммиака).
Наличие горючей смеси газа с воздухом внутри аппаратов и трубопроводов может быть выражено условием:
φнкпрп ≤ φр ≤ φвкпрп , (12)
Для обеспечения пожаровзрывобезопасности процессов производства, переработки, хранения и транспортирования веществ и материалов необходимо данные о показателях пожаровзрывоопасности веществ и материалов использовать с коэффициентами безопасности. Так, взрывобезопасные условия эксплуатации аппаратов с горючими газами и перегретыми парами согласно [7] определяют из выражений:
, (13)
или
(14)
где φр.без – взрывобезопасная концентрация горючего вещества в газопаровоздушной смеси, об. доли.
Аппараты с горючими пылями
В производственных условиях тонко измельченные твердые горючие вещества могут являться конечным продуктом (пылевидное топливо, древесная мука, сахарная пудра и т. д.) или отходами и побочными продуктами производства (мучная, табачная, древесная или угольная пыль и т. д.). Размеры частичек пыли колеблются в весьма широких пределах. В зависимости от размеров частиц и скорости движения воздуха пыль может находиться во-взвешенном или осевшем состоянии. При увеличении скорости движения воздушных потоков осевшая пыль (аэрогель) легко переходит во взвешенное состояние (аэрозоль) и наоборот.
Пожарная опасность оборудования зависит от состояния пыли: взвешенная пыль может образовывать взрывоопасные смеси; осевшая пыль может тлеть и гореть. Осевшая пыль скапливается в машинах в застойных участках, тупиках, при дефектах поверхности, в местах скопления при погрузках, в местах резкого изменения диаметров и острых сопряжений, а также во всем аппарате в период остановки. Осевшая пыль при взвихрении может создать взрывоопасные смеси, самовозгорающаяся пыль – вызвать очаги самовозгорания.
Для оценки взрывоопасности смеси взвешенной пыли с воздухом наиболее важное значение имеет нижний концентрационный предел воспламенения пыли, так как величина верхнего предела воспламенения очень высока и практически редко достижима. Таким образом, условием наличия взрывоопасной концентрации пыли будет соотношение:
(15)
где φД – действительная концентрация пыли в аппарате;
φНКПРП – нижний концентрационный предел распространения пламени.
Взрывобезопасные условия эксплуатации аппаратов с горючими пылями определяют из выражения:
(16)
где Кб – коэффициент безопасности (запаса надежности), Кб ≥ 2.
