245
8.Какой процесс называется пиролизом?
9.В чем проявляются анизотропные свойства древесины?
10.Почему для ТГМ не используется такой показательпожарной опасности как
КПР?
11.Что представляет собой твердый остаток при сгорании ТГМ?
12.Какой процесс называется газификацией?
13.Что называется температурой тления?
14.Что представляет собой аэрозоль? В чем опасность этого состояния?
15.Где будет больше толщина углистого слоя: в обработанной антипиреном древесине или необработанной?
16.Что называется коэффициентом дымообразования? Какова его размерность?
17.Что называется кислородным индексом?
18.Чему равна минимальная критичесая скорость горения? Что означает эта вели-
чина?
19.В чем опасность аэрогелей?
20.Какие факторы влияют на массовую скорость выгоранияТГМ?
21.Индекс распространения пламени одного горючего материала 14, а другого 28. Какой вывод Вы можете сделать?
22.Как влияет образование углистого слоя на поверхности ТГМ на дальнейшее горение материала?
23.Критические плотности падающих лучистых потоков для древесины составляет 12 кВт/м2, а для ДСП - 18 кВт/м2. Какой вывод можно сделать?
24.Как зависит скорость распространения пламени от толщины материала?
РАЗДЕЛ V. ВЗРЫВЫ.
ГЛАВА 12. ВЗРЫВЫ. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ И ДЕТОНАЦИЯ
12.1. Основные определения. Типы взрывов
Статистика показывает, что многие пожары начинаются либо сопровождаются взрывами. При этом к наиболее типичным опасным факторам пожара добавляются новые, не характерные для диффузионного вида горения. Основными поражающими факторами взрыва являются:
-продукты взрыва;
-воздушная ударная волна;
-осколки и разлетающиеся части близко расположенных конструкций;
-специальные поражающие средства.
Понятия взрыва, как правило, связывают с процессом выделения большого количества энергии за очень маленький промежуток времени. Это позволяет рассматривать взрыв как явление, в основе которого лежат химиче-
246
ские и физические процессы, связанные с выделением энергии. Таким образом, энергия, выделяющаяся при взрыве, может иметь физическую либо химическую природу. Она может находиться внутри взрывчатой системы в виде потенциальной энергии, высвобождающейся при определенных условиях. Источником такой потенциальной энергии может быть ядерная энергия либо химическая, заключенная в горючих смесях, пылях, взрывчатых веществах и т.д.
Другим видом потенциальной энергии взрыва может быть энергия, которая привнесена извне. Примером выделения такой энергии может быть разрушение баллона со сжатым газом, разрушение электрического проводника при увеличении силы тока, разряд мощного электрического заряда и т.д.
Основной характеристикой, определяющей взрывные процессы, яв-
ляется время выделения энергии. Взрыв – высокоскоростной процесс.
Например, химический взрыв представляет собой результат экзотермической окислительно-восстановительной реакции протекающей с большой скоростью. Для паровоздушных смесей скорость может достигать десятков и сотен м/с, а при определенных условиях – тысяч м/с.
Характерной особенностью взрыва горючей смеси является то, что потенциальная энергия превращается в тепловую, носителем которой являются газообразные продукты сгорания. Газообразные продукты горения могут совершать работу.
Физические взрывы не всегда происходят с выделением энергии. Например, взрыв парового котла происходит с поглощением энергии.
Взрыв (взрывное превращение) – это процесс быстрого физического или химического превращения вещества, сопровождающееся превращением потенциальной энергии в механическую энергию, движение или разрушение.
На рисунке 12.1 приведена схема основных типов и видов взрыва.
248
восстановительные реакции. Нормальное кинетическое горение может перерастать во взрыв. Рассмотрим основные причины, приводящие к взрыву.
Представим, что процесс горения происходит в трубе, через один конец которой поступает горючая смесь, а через другой – отводятся продукты реакции. При поступлении горючей смеси со скоростью равной скорости распространения пламени внутри трубы пламя стабилизируется – становится неподвижным. Из закона сохранения вещества следует:
U ГС ρГС =UПГ ρПГ |
(12.1) |
где: UГС – скорость подхода горючей среды к фронту пламени, м/с;
UПГ – скорость продуктов горения по отношению к неподвижному фронту пламени, м/с;
ρГС - плотность горючей смеси, кг/м3;
ρПГ - плотность продуктов горения, кг/м3.
Величина UПГ во столько раз больше нормальной скорости, во сколько плотность исходной горючей смеси больше плотности продуктов горения. Увеличение скорости газового потока при сгорании является следствием расширения газового потока. По этой же причине горение всегда сопровождается движением газов.
Движение газов вызывает искажение фронта пламени, как правило, поверхность фронта увеличивается. При этом поверхность пламени превосходит поперечное сечение трубы, и скорость распространения пламени в трубе будет во столько раз больше нормальной, во сколько поверхность пламени больше поперечного сечения трубы. Изменение фронта пламени приводит к изменению скорости распространения пламени и, как следствие, к турбулизации горючей смеси. Неупорядоченное движение отдельных объемов горючей смеси вызывает значительное увеличение поверхности пламени и приводит к ускорению горения. Ускорение горения, параметры горения, в этом случае, ограничены только лишь газодинамическими особенностями при переходе к детонационному режиму горения.
249
Режимы обычного горения отличаются только скоростью распространения пламени. Это различие обусловлено неодинаковым развитием поверхности фронта пламени. Достаточно быстрое сгорание (≈100м/с) реализуется при существенной турбулизации пламени. Такое горение называется взрывом. Медленное горение от взрыва отличается только величиной поверхности пламени, а значит – его скоростью. Граница между двумя режимами устанавливается произвольно и не имеет четких очертаний (различий).
Горение в замкнутом объеме имеет свои особенности, обусловленные динамикой роста давления. Например, при поджигании горючей смеси в центре сферического объема, в начальной стадии распространении пламени от центра примерно до половины пути роста давления внутри объема практически не наблюдается. Далее давление резко возрастает и достигает своего максимального значения. Таким образом, в начальной стадии горение протекает как бы в условиях свободного расширения газов в неограниченном пространстве с видимой скоростью, а в конце – со скоростью, приближающейся к нормальной. Причиной этого является то, что объем сгоревшего газа пропорционален радиусу пламенной сферы в третьей степени (r3 ) , поэтому относительно невелик при значительных перемещениях в начале пути. Так, например, при отношении радиусов пламенной сферы (r) и сферического объема
(R) r:R= 1:3 объем продуктов горения будет равен 1/27 объема сосуда. По этой причине при взрыве газо-воздушной смеси внутри здания колонны в центре здания остаются целыми, а ограждающие конструкции разрушаются.
В соответствии с характером движения газов при сгорании в замкнутом объеме изменяется и скорость перемещения пламени.
Максимальное давление, создаваемое стехиометрической смесью како- го-либо углеводорода, будет находиться в пределах 8 -12 атм. В данном примере, согласно определению, горение внутри сосуда не является взрывом, поскольку нет разрушений и нет перехода потенциальной энергии в энергию механического движения. В этом случае энергия химического превращения (Eхим) была меньше, чем энергия механического разрушения сосуда (Eразр)
250
Eхим < Eразр
Если бы сосуд был менее прочным и разрушился, то данный вид горения можно было бы квалифицировать как взрыв. Сжигание аналогичного объема горючей смеси в свободном пространстве (без наружной оболочки) также нельзя отнести к взрыву. Приведенные примеры показывают условность и неоднозначность сделанных определений и отсутствие четкой границы между протекающими явлениями.
Давление взрыва можно увеличить, если каким-либо путем воздействовать на пламя и турбулизировать горящую смесь. Легче всего такое горение осуществить в трубах с определенным отношением длины и диаметра. При локальном зажигании газовых смесей характер горения будет различен для коротких и длинных труб.
При горении газовых смесей в коротких трубах, когда процесс протекает при постоянном давлении, (зажигание осуществляется у открытого конца трубки), фронт пламени распространяется с постоянной и небольшой скоростью горения.
Горение газовой смеси в длинных трубках можно разделить на две стадии: первоначально распространение пламени происходит по механизму, который можно наблюдать при горении в коротких трубках или в сферическом сосуде. Далее, на второй стадии, на длине трубы примерно равной десяти ее диаметрам скорость распространения пламени становится огромной и может измеряться тысячами метров в секунду. Это явление носит название детонация. Оно происходит в результате адиабатического сжатия последовательных слоев горючего газа, вызванного горением, и фактически представляет собой перемещение ударной волны по горючей смеси в трубе.
Возникновение ударных волн. Ударная волна может быть получена, например, при разрыве мембраны или разделяющей емкости с разными давлениями газов. Ударная волна является границей, где осуществляется скачкообразный переход от состояния исходной смеси к состоянию сжатой смеси. Это изменение происходит на расстоянии длины свободного пробега мо-
251
лекул в газе. Ударная волна распространяется по смеси со скоростью большей скорости звука в воздухе. В ударной волне происходит заметное нагревание смеси, которое усиливается при торможении и отражении ударной волны от твердой поверхности. При достаточно сильном нагревании горючей смеси ударной волной смесь может воспламениться. Возможность воспламенения в ударной волне и при адиабатическом сжатии необходимо учитывать при оценке взрывоопасности разрыва или быстрого открывания аппаратуры, содержащей горючую смесь. Например, при разрушении вакуумированного сосуда в камере, заполненной горючей смесью, возможно, ее воспламенение, которое можно объяснить нагреванием отраженной ударной волной смеси, втекающей в разбитый сосуд.
Возникновение детонации газов в трубах всегда связано с образованием ударной волны. Рассмотрим этот процесс более детально. Представим себе трубу с поршнем (рис.12.2.)
1 |
2 |
3 |
|
21 |
31 |
|
V |
Д |
Р0,ρ0 |
V |
Д |
|
Р,ρ |
|
Р,ρ |
|
|
|
|
|
|
Р
Р |
Р |
Р0 |
Х |
|
|
|
разрежение |
Рис.12.2. Схема образования ударной волны и распределение давления.
252
В трубке под давлением РО находится инертный газ с плотностью ρΟ . Если очень быстро, например, ударом молотка сдвинуть поршень из положения 1 в положение 2 со скоростью UO, то при этом газ сожмется, но не весь, а только небольшой, прилегающий к поршню, ее волной сжатия, слой. Давление и плотность в этой сжатой части газа, назовем ее волной сжатия, повысится до значения Р и ρ . Волна сжатия представляет собой как бы газовую «пробку». Если поршень оставить в положении 2, то «пробка» будет продолжать двигаться по трубе со скоростью U. Передняя ее граница, ее фронт будет перемещаться со скоростью D.
Если изобразить изменение давления в трубе в результате произведенных действий с поршнем, то получается следующая картина. При достаточно высокой скорости (U) поршня давление в волне сжатия будет возрастать и достигнет во фронте своего максимального значения. То есть возникнет резкий скачок давления с амплитудой р. Поскольку волна сжатия действует как поршень, она увлекает за собой газ, смещая его вперед, и за ней следом образуется разряжение. Теория показывает, что такой скачек давления возникает в волне сжатия при ее скорости (U) больше скорости звука (Uзвука): U > Uзвука . Таким образом, волна представляет собой зону сжатия газовой среды, играющую роль поршня.
Благодаря скачку давления волна сжатия очень опасна для человека и материальных объектов. При встрече с препятствием она действует наподобие всесокрушающего молота, в связи с этим она получила название «ударная волна». При отражении ударной волны от препятствия под действием сил инерции происходит как бы дополнительное сжатие газа на поверхности преграды, вследствие чего давление в отраженной волне еще более возрастает. Например, для двухатомных газов давление в отраженной волне в 8 раз больше, чем в вызвавшей ее падающей волне. Поэтому падающая ударная волна с амплитудой всего р = 35 кПа (0.35 атм) разрушает здание, с амплитудой р = 50 кПа (0.5 атм) – убивает человека, всего лишь несколько кПа – выбивает стекла в окнах.
253
12.3. Энергия и мощность взрыва. Тротиловый эквивалент
При сгорании паровоздушной смеси стехиометрического состава в замкнутом объеме создается максимальное давление взрыва. Величина такого давления в основном определяется степенью температурного расширения продуктов горения и является функцией отношения температуры взрыва к
начальной температуре горючей смеси Твзр . Температура взрыва определяет-
Т0
ся энергетическими свойствами горючего материала. Чем выше теплота сгорания горючего материала, тем выше температура взрыва и, соответственно, больше давление взрыва.
Другим важным фактором, влияющим на создание избыточного давления, является дополнительное образование новых молекул в продуктах реакции. Для парогазовых воздушных смесей повышение давления за счет образования новых газообразных продуктов не является определяющим. Отноше-
ние mn , где m – число газообразных продуктов горения, а n – число исходных
газообразных веществ, для большинства углеводородов не превышает значе-
ния 1.3 – 1.4
Давление, развиваемое при взрыве газо- и паровоздушных смесей в замкнутом объеме, для большинства горючих веществ лежит в пределах
0,6 – 1 МПа.
Наименьшее давление при взрыве развивается при концентрациях горючего вещества, равных нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени. Оно обычно не превышает 0,3 МПа. Это объясняется низкой температурой взрыва. На НКПР она равна 1550 К, на ВКПР –
254
1100 К. Наибольшее давление при взрыве наблюдается при концентрации, близкой к стехиометрической.
Расчет максимального давления взрыва производится по следующей формуле:
Рвзр = |
Р0 |
Твзр |
|
m |
, где |
(12.2) |
|
|
|
|
|||
|
|
Т0 |
|
n |
|
|
Р0 – начальное давление, кПа (МПа); Т0 – начальная температура, К; Твзр – температура взрыва, К;
m – число молей (киломолей) газообразных продуктов горения; n – число молей (киломолей) исходных газообразных веществ.
Расчет максимально- |
Пример 12.1. Вычислить максимальное давление взрыва |
го давления взрыва |
смеси гексана С6Н14 с воздухом, если начальное давление 101,3 |
кПа, начальная температура 273 К, температура взрыва 2355 К. |
|
газов и паров |
|
1. Уравнение реакции горения гексана в воздухе:
С6Н14 + 9,5( О2 + 3,76 N2 ) =6СО2 + 7Н2О + 9,5· 3,76 N2
2. Рассчитаем число молей (киломолей) газообразных веществ до и после взрыва:
m = 6 + 7 + 9,5 3,76 = 48,72 моль n = 1 + 9,5 4,76 = 46,22 моль
3. Максимальное давление взрыва составит:
Рвзр = 101,3 2355 48,72 = 921,1 кПа
273 46,22
Расчет максимально- |
Пример 12.2. Вычислить максимальное давление взрыва |
го давления взрыва |
пыли полиэтилена [С2Н4] с воздухом, если начальное давление |
101,3 кПа, начальная температура 293 К, температура взрыва |
|
горючих пылей |
1900 К. |
|
|
1. Уравнение реакции горения полиэтилена в воздухе: |
|
[С2Н4] +3( О2 + 3,76 N2 ) =2СО2 + 2Н2О +3· 3,76 N2 |
|
2. Рассчитаем число молей (киломолей) газообразных веществ до и после взрыва:
m = 2 + 2 + 3 3,76 = 15,28 моль
255
n = 3 4,76 = 14,28 моль
Обратите внимание, что полиэтилен – твердое вещество и в расчете не учитывает-
ся.
3. Максимальное давление взрыва составит:
Рвзр = 101,3 1900 15,28 = 702,9 кПа
293 14,28
В практике при оценке устойчивости от взрыва используется величина
избыточного давления взрыва.
Избыточное давление взрыва является основным критерием, разделяющим взрывоопасные категории помещений от пожароопасных. Этот показатель, главным образом, зависит от массы вещества, которое поступает в аварийное помещение, и доли ее, принимающей участие во взрыве.
Определение поступающей в помещение массы вещества является одной из предварительных задач, которую необходимо решить перед тем, как определять массу вещества, принимающего участие во взрыве. Алгоритм расчета при этом зависит от агрегатного состояния горючих веществ, их свойств и технологических параметров.
Избыточное давление взрыва в замкнутом помещении - это разность между максимально возможным и начальным давлением, при котором он происходит.
∆P = PMAX - P0
Максимальное давление достигается, если
-вся масса горючего, поступившего в помещение, примет участие в образовании горючей среды и полностью взорвется;
-помещение полностью герметично и в нем отсутствует теплоотвод через ограничивающие поверхности (неадиабатический процесс);
-горючее и окислитель в горючей среде находятся в стехиометрическом соотношении.
Вреальных условиях максимальное давление взрыва не достигается, так как имеются существенные отклонения. При расчете это необходимо
256
учитывать, поэтому формулы для расчета ∆P индивидуальных веществ и смесей имеют более сложный вид.
Расчет избыточного давление взрыва для индивидуальных веществ производится согласно ГОСТ Р 12.3.047 – 98 и НПБ 105-03.
Избыточное давление взрыва ∆Р для индивидуальных горючих веществ (газов и паров ЛВЖ и ГЖ), состоящих из атомов С, Н, О, N, Cl, Br, I, F, определяется по формуле
∆P = (PMAX − P0 ) |
|
m Z |
|
100 |
|
1 |
, кПа, |
(12.3) |
|||||
V |
СВ |
ρ |
Г( П) |
С |
СТЕХ |
К |
Н |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где
РMAX - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной
ипаровоздушной смесив замкнутом объеме. Определяется экспериментально или по справочным данным. При отсутствии данных допускается принимать
РMAX = 900 кПа.
Р0 - начальное давление, кПа. Допускается принимать равным 101 кПа. m - масса горючего газа или паров ЛВЖ и ГЖ, вышедших в результате
аварии в помещение.
Z - коэффициент участия горючего во взрыве. Допускается принимать значение Z по таблице 12.1.
VСВ - свободный объем помещения, м3. Свободный объем помещения определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием.
Если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать равным 80 % геометрического объема помещения.
VСВ = 0,8VПОМЕЩ .
Таблица 12.1.
Значение коэффициента Z для различных видов горючего
_________________________________________________
Вид горючего Значение
_________________________________________________________
Водород |
1,0 |
Горючие газы (кроме водорода), пыли |
0,5 |
Легковоспламеняющиеся и горючие |
|
жидкости, нагретые до температуры |
|
вспышки и выше |
0,3 |
Легковоспламеняющиеся и горючие |
|
жидкости, нагретые ниже температу- |
|
ры вспышки, при наличии возмож- |
|
ности образования аэрозоля |
0,3 |
257
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возмож-
ности образования аэрозоля 0
_________________________________________________________
ρГ - плотность газа или пара при расчетной температуре tРАСЧ, кг/м3, где
ρГ( П) = V |
|
|
, кг/м , а |
VM = |
T |
P |
, м /кмоль. |
||
|
МГ( |
П) |
3 |
|
P0 |
V0 |
TРАСЧ |
3 |
|
|
|
М |
|
|
|
|
0 |
РАСЧ |
|
Если принять, что давление в помещении равно нормальному атмосферному давлению (101,3 кПа) то плотность газа или пара можно рассчитать по следующей формуле:
|
М |
3 |
ρГ( П) = |
|
, кг/м , где |
V0 (1+ 0,0037 tРАСЧ ) |
М - молярная масса газа или пара, кг/кмоль;
V0 - молярный объем при нормальных условиях, равный 22,4 м3/кмоль. tРАСЧ - расчетная температура, 0С.
ССТЕХ - стехиометрическая концентрация горючих газов или паров ЛВЖ и ГЖ, % (объемных). Стехиометрическая концентрация вычисляется по формуле
ССТЕХ = |
100 |
, % , где |
1+ 4,76 β |
β - стехиометрический коэффициент кислорода в уравнении реакции горения. Коэффициент β также может быть рассчитан по следующей формуле:
β = nС + nH − nX |
− nO |
, где |
4 |
2 |
|
nC, nH, nX,, nO - число атомов С, Н, О, галогенов в молекуле горючего вещества.
КН - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать КН = 3.
Расчет избыточного |
Пример 12.3. Вычислить избыточное давление взрыва |
давления взрыва |
в помещении, где обращается толуол. |
индивидуальных веществ |
|
|
|
Данные для расчета:
1. Характеристика горючего вещества.
Толуол С6Н5СН3 - метилбензол. Температура вспышки tВСП = -5 0С. Нижний концентрационный предел распространения пламени НКПР = 1, 21 %
Константы уравнения Антуана А = 6,0507; В = 1328,17; С = 217,713.
Плотность жидкости ρЖ = 867 кг/м3.
Максимальное давление взрыва паров толуола РMAX = 634 кПа.
258
2. Характеристика помещения. Длина l = 18 м,
ширина b = 12 м, высота h = 6 м.
Температура воздуха в помещении 25 0С. Скорость воздушного потока в помещении 0,1 м/с.
3. Характеристика оборудования и параметры технологического процесса. Объем аппарата VАП = 0,05 м3.
Степень заполнения аппарата жидкостью ε = 0,85. Температура жидкости в аппарате 400С.
В результате аварийной ситуации аппарат полностью разрушен, вся жидкость поступила в помещение. Испарение жидкости проходило в течение 1 часа.
Решение:
1. Определяем массу жидкости, которая поступит в помещение mАП.
m = 867 0,05 0,85 = 37 кг
2. Определяем площадь испарения жидкости.
SИСПАР = 37 м2.
3. Определяем интенсивность испарения WИСП. При 25 0С и ωВОЗД = 0,1 м/с,
η = 2,1.
Молярная масса толуола С6Н5СН3 М = 92 кг/кмоль.
Давление насыщенного пара толуола определяем по уравнению Антуана. В качестве температуры жидкости tЖ принимаем среднюю температуру между температурой
воздуха в помещении и температурой жидкости в аппарате. tЖ = (25 + 40) / 2 = 32,5 0С.
|
|
6.0507− |
1328,17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
РS = 10 |
|
|
217,713+32,5 |
|
= 5,53 кПа. |
Тогда интенсивность испарения будет равна
WИСП = 10-6 2,1 
92 5,53 = 111,4 10-6 кг/м2 с.
4. Определяем массу жидкости, испарившейся с поверхности разлива mИСП ЖИДК.
Расчетное время испарения принимаем
τРАСЧ = 3600 с.
mИСП ЖИДК = 111,4 10-6 3600 37= 14,8 кг.
5. Избыточное давление при взрыве паров толуола определяем по формуле
∆P = (P |
− P ) |
|
m Z |
|
100 |
|
1 |
, кПа. |
||||
V |
|
ρ |
|
С |
|
К |
|
|||||
MAX |
0 |
СВ |
Г( П) |
|
СТЕХ |
|
Н |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для расчета нам известны следующие величины:
РMAX = 634 кПа;
259
Р0 = 101 кПа; m = 14,8 кг;
Z = 0,3 (по таблице 2 приложения ; по условию нашей задачи толуол - ЛВЖ, нагретая выше температуры вспышки);
КН = 3.
Остальные величины VСВ, ρГ, ССТЕХ необходимо рассчитать.
6. Определим свободный объем помещения VСВ.
VСВ = 18 12 6 0,8 = 1036,8 м3.
7. Определим плотность паров толуола в помещении ρГ. Температура воздуха в помещении tРАС = 25 0С.
Поскольку атмосферное давление в помещении принимаем равным нормальному атмосферному давлению Р0, плотность паров можно рассчитать по формуле
ρГ = |
92 |
|
|
= 3,76 кг/м3. |
|
22,4 (1+ 0,00367 |
25) |
||||
|
|
||||
8. Определим стехиометрическую концентрацию паров толуола ССТЕХ.
ССТЕХ = |
|
100 |
|
, % |
|
1+ 4,76 |
β |
||||
|
|
||||
Уравнение реакции горения толуола
С6Н5СН3 + 9 (О2 + 3,76 N2) = 7 CО2 + 4 Н2О + 9 3,76 N2
β = 9
Коэффициент β можно рассчитать и по формуле:
β = 7 + 8 / 4 = 9
Тогда ССТЕХ = 100 / (1 + 4,76 9) = 1,86 %.
9. Определяем избыточное давление взрыва паров толуола, используя величины,
полученные в п.п. 6 - 8. |
|
|
|
|
|
|
|
∆Р = (634 −101) |
14,8 0,3 |
|
100 |
|
1 |
= 10,9 кПа. |
|
1036,8 3,76 |
1,86 |
3 |
|||||
|
|
|
|
Расчет ∆Р для пылей и смесей производится по формуле
∆P = |
m НТ Р0 |
Z |
|
|
1 |
, кПа, |
(12.4) |
|||||
V |
ρ |
В |
С |
Р |
Т |
Н |
К |
Н |
||||
|
СВ |
|
|
|
|
|
|
|
||||
где
m - масса пылей или смесей, вышедших в результате аварии в помещение. Р0 - начальное давление, кПа. Допускается принимать равным 101 кПа. НТ - теплота сгорания веществ, Дж/кг. Эти данные приведены в справочниках. Для ряда веществ значение теплоты сгорания приведены в приложе-
нии 2 данного пособия.
261
Температура воздуха в помещении tН = 200С. ТН = 293 К.
3. Характеристика оборудования и параметры технологического процесса. Масса пыли в аппарате mАП = 40 кг.
В результате аварийной ситуации вся пыль поступила в помещение.
Решение:
1. Общая массу пыли в объеме помещения.
mПЫЛИ = 40 кг .
2. Определяем избыточное давление взрыва ∆Р для пылей по формуле:
∆P = |
m НТ Р0 |
Z |
|
|
1 |
, кПа, где |
|||||
V |
ρ |
В |
С |
Р |
Т |
Н |
К |
Н |
|||
|
СВ |
|
|
|
|
|
|
||||
Для расчета нам известны следующие величины: m = 40 кг;
НТ = 10439 кДж/кг;
Р0 принимаем равным 101 кПа;
Z = 0,5;
Теплоемкость воздуха СР принимаем равной 1,01 103 Дж/кг К = 1,01 кДж/кг К.
ТН = 293 К;
Коэффициент, учитывающий негерметичность и неадиабатичность процесса горения КН принимаем равным КН = 3.
Остальные величины VСВ и ρВ необходимо рассчитать.
3. Определяем свободный объем помещения VСВ.
VСВ = VПОМЕЩ 0,8 = 14 12 6 0,8 = 806,4 м3.
4. Определяем плотность воздуха при данных условиях ρВОЗД.
VМ = 101 22,4 293 = 24 м3 /кмоль. Тогда
273 101
ρВ = 29 / 24 = 1,21 кг/м3.
( Этот же расчет можно провести по формуле
ρВ = |
29 |
|
|
=1,21 кг/м3. ) |
|
22,4 (1+ 0,00367 20 |
) |
||||
|
|
||||
5. Определяем избыточное давление взрыва пыли торфа в данном помещении, используя величины, полученные в п.п. 2 - 4.
∆Р = |
40 10439 |
103 101 0,5 |
|
1 |
= 24 кПа. |
|
806,4 1,21 |
1,01 103 293 |
3 |
||||
|
|
|
В результате действия поражающих факторов взрыва происходит разрушение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудо-
100
53
28
12
5
3
263
QТ – удельная теплота взрыва ТНТ (qТ = 4240 кДж/кг);
z – доля приведенной массы паров, участвующей во взрыве.
В общем случае для неорганизованных парогазовых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься 0,1. В отдельных обоснованных случаях доля участия веществ во взрыве может быть снижена, но не менее чем до 0,02.
Для производственных помещений (зданий) и других замкнутых объемов значения z могут приниматься в соответствии с табл. 12.1.
Расчет тротилового |
Пример 12.5. В производственном помещении находит- |
|
эквивалента взрыва |
ся аппарат с бензолом С6Н6. Масса жидкости в аппарате 20 |
|
кг. В результате аварии аппарат разрушен, жидкость посту- |
||
|
||
|
пила в помещение и полностью испарилась. Вычислить |
|
|
тротиловый эквивалент взрыва паровоздушной смеси. Теп- |
|
|
лота сгорания бензола составляет 3169,4 кДж/моль. |
Решение:
1. Определим низшую теплоту сгорания бензола М(С6Н6) = 78 кг/кмоль
QН = 3169,4 1000 = 40633 кДж/кг.
78
2.Для легковоспламеняющейся жидкости бензола в замкнутом помещении z = 0,3.
3.Рассчитаем тротиловый эквивалент взрыва
WТ = 00,,94 406334240 0,3 20 = 25,6 кг
Значения избыточного давления взрыва и тротилового эквивалента взрыва используются для расчета радиуса зон разрушений.
Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны ∆Р и соответственно безразмерным коэффициентом К. Классификация зон разрушения приводится в табл. 12.3.
264
Таблица 12.3.
Классификация зон разрушения
Класс зоны |
К |
∆Р, кПа |
разрушения |
|
|
1 |
3,8 |
≥100 |
2 |
5,6 |
70 |
3 |
9,6 |
28 |
4 |
28,0 |
14 |
5 |
56,0 |
≤2,0 |
Радиус зоны разрушения (м) в общем виде определяется выражением:
R = K |
|
3 |
W |
|
|
1/ 6 , |
(12.6) |
||
|
|
T |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3180 |
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
+ |
W |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где К — безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие взрыва на
объект.
При массе паров т более 5000 кг радиус зоны разрушения может определяться выражением:
R = K 3 |
|
. |
(12.7) |
WT |
|||
|
Пример 12.6 . Определить радиус зон разрушений в по- |
||
Расчет радиуса |
|||
зон разрушений |
мещении, где произошло разрушение аппарата с толуолом. |
||
|
|
|
Условие примера 12.3. |
|
|
|
|
Решение:
1. Определим низшую теплоту сгорания толуола
М(С6Н5СН3) = 92 кг/кмоль ∆Нсгор = − 3771,9 кДж/моль
QН = 3771,9 1000 = 40999 кДж/кг.
92
2.Для легковоспламеняющейся жидкости бензола в замкнутом помещении z = 0,3.
3.Рассчитаем тротиловый эквивалент взрыва
WТ = 00,,94 409994240 0,3 37 = 47,7 кг
4. В соответствии с расчетом в примере 12. 3.
∆ Р = 10,9 кПа Тогда по таблице 12.3. класс зоны разрушений 4 и коэффициент К = 28.