Избыточное давление взрыва газопаровоздушной смеси при выбранной аварийной ситуации

Избыточное давление взрыва является основным критерием, разделяющим взрывоопасные категории помещений от пожароопасных.

В результате действия поражающих факторов взрыва происходит разрушение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудования, транспортных средств, элементов коммуникаций и других объектов, гибель людей. В табл. 6 представлены степени поражения в результате взрывов в зависимости от их избыточного давления.

Таблица 6.

Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве

Степень поражения	Избыточное давление, кПа
Полное разрушение зданий
50 %-ное разрушение зданий
Средние повреждения зданий
Умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т.п.)
Нижний порог повреждения человека волной давления
Малые повреждения (разбита часть остекления)

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:

DP = P_MAX - P₀ (13)

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.

В реальных условиях максимальное давление взрыва не достигается, так как имеются существенные отклонения. При расчете это необходимо учитывать, поэтому формулы для расчета DP индивидуальных веществ и смесей имеют более сложный вид.

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

, кПа, (14)

где

Р_MAX - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной и паровоздушной смесив замкнутом объеме. Определяется экспериментально или по справочным данным. При отсутствии данных допускается принимать Р_MAX = 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 7.

V_СВ - 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.

Таблица 7.

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 температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля	0,3
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности образования аэрозоля

r_Г - плотность газа или пара при расчетной температуре t_РАСЧ, кг/м³, где

, кг/м³, а , м³/кмоль.

Если принять, что давление в помещении равно нормальному атмосферному давлению (101,3 кПа) то плотность газа или пара можно рассчитать по следующей формуле:

, кг/м³, где (15)

М - молярная масса газа или пара, кг/кмоль;

V₀ - молярный объем при нормальных условиях, равный 22,4 м³/кмоль.

t_РАСЧ - расчетная температура, ⁰С.

С_СТЕХ - стехиометрическая концентрация горючих газов или паров ЛВЖ и ГЖ, % (объемных).

К_Н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать К_Н = 3.

Пример.

Условие: Вычислить избыточное давление взрыва в помещении, где обращается толуол

1. Характеристика горючего вещества

ТолуолС₆Н₅СН₃ - метилбензол. Температура вспышки t_{ВСП =} -5 ⁰С.

Нижний концентрационный предел распространения пламени

НКПР = 1, 21 %

Константы уравнения Антуана

А = 6,0507; В = 1328,17; С = 217,713.

Плотность жидкости r_Ж = 867 кг/м³.

Максимальное давление взрыва паров толуола Р_MAX = 634 кПа.

2. Характеристика помещения

Длина l = 18 м,

ширина b = 12 м,

высота h = 6 м.

Максимальная температура воздуха в помещении 34 ⁰С, повышение температуры в результате аварии, а также образования аэрозоля невозможно.

Скорость воздушного потока в помещении 0,1 м/с.

3. Характеристика оборудования и параметры технологического процесса

Объем аппарата V_АП = 0,05 м³.

Степень заполнения аппарата жидкостью e = 0,85.

В результате аварийной ситуации аппарат полностью разрушен, вся жидкость поступила в помещение. Испарение жидкости проходило в течение 1 часа.

Решение:

1. Определяем количество жидкости, которое поступит в помещение m_АП.

Объем жидкости:

Масса жидкости: m = 867 × 0,05 × 0,85 = 37 кг

2. Определяем площадь испарения жидкости

При этом, в соответствии с п.7(г) НПБ 105-03 принимается: что происходит испарение с поверхности разлившейся жидкости; площадь испарения при разливе на пол определяется (при отсутствии справочных данных) исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади 0,5 м², а остальных жидкостей – на 1 м² пола помещения

S_ИСПАР =42,5 м².

3. Определяем интенсивность испарения W_ИСП.

При 25 ⁰С и w_ВОЗД = 0,1 м/с,

h = 2,1.

Молярная масса толуола С₆Н₅СН₃ М = 92 кг/кмоль.

Давление насыщенного пара толуола определяем по уравнению Антуана при температуре 34°С. Сначала проверяем размерность коэффициентов Антуана, подставляя в уравнение температуру кипения жидкости

Р_Н^кип. = 10 = 101, значит размерность в кПа.

Давление насыщенных паров при 34°С:

Р_Н³⁴ = 10 = 5,6 кПа.

Тогда интенсивность испарения будет равна

W_ИСП = 10^-6 × 2,1 × × 5,6 = 111,4 × 10^-6 кг/м²×с.

4. Определяем массу жидкости, испарившейся с поверхности разлива m_ИСП

Расчетное время испарения принимаем t_РАСЧ = 3600 с.

m_{ИСП ЖИДК} = W·S·τ = 111,4 × 10^-6 × 42,5 × 3600 = 17 кг

Примечание: Бывают случаи, когда рассчитанная таким образом масса паров превышает массу жидкости. Это говорит о том, что жидкость испарится полностью менее чем за час. В этом случае расчетная масса паров принимается равной массе жидкости.

5. Избыточное давление при взрыве паров толуола определяем по формуле:

, кПа.

Для расчета нам известны следующие величины:

Р_MAX = 634 кПа;

Р₀ = 101 кПа;

m = 17 кг;

Z = 0,3 (по условию нашей задачи толуол - ЛВЖ, нагретая выше температуры вспышки);

К_Н = 3.

Остальные величины V_СВ, r_Г, С_СТЕХ необходимо рассчитать.

6. Определим свободный объем помещения V_СВ.

V_СВ = 18 × 12 × 6 × 0,8 = 1036,8 м³.

7. Определим плотность паров толуола в помещении r_Г.

Температура воздуха в помещении t_РАС = 34 ⁰С.

Поскольку атмосферное давление в помещении принимаем равным нормальному атмосферному давлению Р₀, плотность паров можно рассчитать по формуле

кг/м³.

8. Определим стехиометрическую концентрацию паров толуола С_СТЕХ.

, %

Уравнение реакции горения толуола

С₆Н₅СН₃ + 9 (О₂ + 3,76 N₂) = 7 CО₂ + 4 Н₂О + 9 × 3,76 N₂

b = 9

С_СТЕХ = 100 / (1 + 4,76 × 9) = 1,86 %.

9. Определяем избыточное давление взрыва паров толуола, используя величины, полученные в п.п. 6 - 8.

= 12,9кПа.

Вывод: избыточное давление взрыва при выбранной аварийной ситуации составляет 12.9 кПа.

Расчет DР для индивидуальных веществ, кроме упомянутых в предыдущем примере, а также для смесей может быть выполнен по формуле:

, кПа, (16)

где

m - масса горючего вещества, вышедшего в результате аварии в помещение.

Р₀ - начальное давление, кПа. Допускается принимать равным 101 кПа.

Н_Т - теплота сгорания веществ, Дж/кг.

Z - коэффициент участия горючего во взрыве.

V_СВ - свободный объем помещения, м³.

r_В - плотность воздуха до взрыва при начальной температуре Т_Н, кг/м³.

, кг/м³, а , м³/кмоль.

М_В - средняя молярная масса воздуха. М_В = 29 кг/кмоль.

Если принять, что давление в помещении равно нормальному атмосферному давлению (101,3 кПа) то плотность воздуха можно рассчитать по следующей формуле:

, кг/м³, где

V₀ - молярный объем при нормальных условиях, равный 22,4 м³/кмоль

С_Р - теплоемкость воздуха, Дж/кг×К. Допускается принимать С_Р = 1,01 × 10³ Дж/кг×К.

T_Н - начальная температура воздуха, К.

К_Н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать К_Н = 3.