Витікання рідини при локальному пошкодженні апарата

Швидкість витікання речовин через отвори круглої форми визначається за законами гідравліки. Отвори, форма яких не є круглою, повинні бути приведені до круглого перерізу.

Швидкість витікання рідини через отвір у трубопроводі або корпусі апарата при постійному тиску обчислюють за формулою:

Hпр

g

 2

 ,

де g = 9,81 м/с² – прискорення сили тяжіння; H_пр– приведений напір, під дією якого проходить витікання рідини через отвір, м.

При витіканні самопливом H_пр= Н (Н – висота стовпа рідини, м) (рис.

3.20а); при роботі апарата під тиском (рис. 3.20б):

Н Р

g H

ПР Р Н

Р

 ^{. .} 

 ,

де РР.Н. – надлишковий тиск середовища в апараті над поверхнею рідини, Па; РР

– абсолютний робочий тиск середовища в апараті, Па; р – густина рідини при робочій температурі, кг/м³.

а б

Р Р

КР Р k

k

 k



 



2 

1

1,

де k – показник адіабати; значення k для різних парів і газів приведені в довідниках; R – універсальна газова стала, R = 8314,31 МДж/ кгК.

Кількість повітря, що підсмоктується QП через нещільності і пошкодження в апаратах, які працюють під розрідженням, визначають за формулою:

 

Q f Р t

П t

в п

p П

  

 



2 273

273 ,

де  – коефіцієнт витрат повітря, дорівнює 0,7; РВ – величина розрідження (вакууму), Па; чисельні значення величин розрідження Р_В і надлишкового тиску Р_С середовища в апараті пов’язані співвідношенням : Р_В + РС = 1 10⁵ Па;

tP – температура середовища в апараті, ^оС; – тривалість аварійного режиму, с;

_п – густина повітря, яке підсмоктується в апарат при температурі t_п, кг/м³; t_п – температура повітря, яке підсмоктується, ^оС.

При повному руйнуванні вважають, що всі речовини виходять назовні, а також їх витікання продовжуватиметься з трубопроводів до моменту їх від’єднання.

Маса горючих речовин m_р, які виходять назовні при повному руйнуванні апарата, визначається за формулою:

m_р= m_ап + m_тр1+ m _тр2 ,

де mап – маса речовин, які виходять зі зруйнованого апарата, кг; mтр1 і mтр2 – маси речовин, які виходять із трубопроводів відповідно до моменту відключення засувок або інших запірних пристроїв і після їх закриття, кг.

Для апаратів з рідинами або скрапленими газами масу горючих речовин m_р визначають за формулою:

m_Р V_ап q_{i i} l_j f

j k

j i

n

H TP TP P

  

 











  

1 1

.

Для апаратів із стиснутими газами масу горючих речовин m_г визначають за формулою:

P г n

i

j k

j j i

iк р

ап•

г

f P l Р q

V

m   _{TP TP }









 

 



 

  5

1 1

5 1 10

10

1 ,

де: Vап – геометричний внутрішній об’єм апарата, м³;  – ступінь (коефіцієнт) заповнення апарата; Р_Р – робочий тиск середовища в апараті, Па; qIн і qIк – продуктивність відповідно і-го насоса або компресора (або пропускна здатність і-го трубопроводу), який живить апарат, м³/с; і – тривалість відключення і-го збудника витрат, с; п_і – кількість збудників витрат, які живлять апарат; ljтр і f_jтр – відповідно довжина [м] і переріз [м²] j-ї дільниці трубопроводу (від аварійного апарата до запірного пристрою), з якого витікає рідина або газ; р

та _г – відповідно густина рідини та газу при робочій температурі середовища в апараті, кг/м³; k – число ділянок трубопроводів, які приєднані до аварійного апарата.

Тривалість вимкнення насоса або компресора приймається за 120 с (при автоматичному вимкненні збудника витрат або запірного пристрою на трубопроводі), або за 300 с (при ручному вимкненні).

Час повного випаровування рідини п, яка розлилась на підлозі промислового приміщення внаслідок аварії технологічного обладнання, визначають за формулою: _п ^p

В В

m

W F

  ,

де WВ – інтенсивність випаровування рідини, кг/м². Для легкозаймистих рідин за відсутності дослідних даних визначається за формулою: W_В 10^6 M P_s , F_В – площа випаровування, яка визначається з такого виразу:

F F f V

F ab

В

P P p

n

 





 



min ,

де F_р – площа рідини, яка розлилася, м²; fР – питома площа розлитої рідини, м^-1; Vp = m_р/_р ( _р – густина рідини, яка розлилась, кг/м³); Fn – площа підлоги приміщення, м²; a і b – довжина і ширина приміщення, м.

Величину F_p приймають згідно з ДСТУ Б В.1.1.38: 2016 , виходячи з того, що 1 л сумішей і розчинів, які містять 70% і менше за масою розчинників, розливається на площу 0,5 м² , а інших рідин – на площу 1 м² (тобто в першому випадку f_Р =500 м^-1, а в другому f_Р =1000 м^-1).

Об’єм зони, в якій може утворюватися вибухонебезпечна концентрація парів і випаровувань розлитої рідини, визначають за формулою:

V m

в

вип н

 _

0 5,  ^,

де _н^ – нижня концентраційна межа поширення полум’я, кг/м³.

Для перерахунку концентраційних меж поширення полум’я з об’ємних часток в грами на кубічний метр використовують співвідношення:

t н

н V

М 

^  ^



^{кг м/ 3}



^,

де _н– нижня концентраційна межа поширення полум’я, об. частки;

М – молекулярна маса парів рідини за заданих умов, кг/кмоль; V_t – молярний об’єм парів рідини за заданих умов, м³/кмоль.

Горизонтальні розміри зони, які обмежують область концентрацій, що перевищують нижню концентраційну межу поширення полум'я (θнкмп), обчислюють за формулами:

 для горючих газів:

333 , 0

5632 ,

14 



 





 



НКМП Г

Г НКМП

R m



 ,

де т_Г – маса горючих газів, що надійшли у відкритий простір під час аварійної ситуації, кг; ρ_г – густина горючих газів при розрахунковій температурі і атмосферному тиску, кг۰м^-3; θ_нкмп – нижня концентраційна межа поширення полум'я горючих газів, % (об.);

 для парів нагрітих легкозаймистих рідин:

333 , 0 813

, 0

1501 ,

3 



 





 



 









Н П

П НКМР

Н

НКМП Р

т К Р

R  

де т_П – маса парів ЛЗР, що надійшли у відкритий простір за час повного випаровування, але не більше 3600 с, кг; ρ_П – густина парів ЛЗР при розрахунковій температурі й атмосферному тиску, кг۰м^-3; Р_н – тиск насичених парів ЛЗР при розрахунковій температурі, кПа; К – коефіцієнт, що приймається рівним К=Т/3600 для ЛЗР; Т – тривалість надходження парів ЛЗР у відкритий простір, с; θ_нкмп – нижня концентраційна межа поширення полум'я парів ЛЗР, % (об.).

За початок відліку горизонтального розміру зони приймають зовнішні габаритні розміри апаратів, установок, трубопроводів тощо.

Молярний об’єм парів рідини за заданих умов визначається за формулою:

V V t P

t o P

p o

заг

 

273

273



^{м3 / кмоль}



^,

де V₀= 22,4125 м³/кмоль – молярний об’єм парів за нормальних умов;

tp – робоча температура рідини, ⁰С;Р₀ – тиск за нормальних фізичних умов, Па; Р_заг – загальний тиск системи (робочий тиск у герметичному апараті або барометричний тиск в апараті, який з’єднаний з атмосферою), Па.

Середня концентрація парів у приміщенні визначається за формулою:

 за відсутності повітрообміну в приміщенні:

B

д V

 m

 _;

 за наявності повітрообміну в приміщенні:   А V

m

B д

 3600 ,

де д – дійсна концентрація горючих речовин у приміщенні, кг/м³; m – сумарна маса горючих речовин, які надходять у приміщення з апаратів, кг; V_В – вільний об’єм приміщення, який визначається з виразу:

V_В  0 8, LBH,

де L, B, H – відповідно довжина, ширина та висота приміщення, м;

А – кратність вентиляції, год^-1.

Тривалість утворення вибухонебезпечних концентрацій у виробничому приміщенні (при пошкодженні апаратів з газами або парами) визначають за формулами:

 за відсутності повітрообміну в приміщенні:

н г е

q V

 

 

1

ln 1 ;

 за наявності повітрообміну в приміщенні:

ln1 ( )

в г

н

V q

€ q a q

 ^     ,

де _г – тривалість утворення вибухонебезпечних концентрацій у приміщенні, с; VВ – вільний об’єм приміщення, м³; н – нижня концентраційна межа поширення полум’я горючої речовини, об.частки; q – інтенсивність надходження парів або газів у приміщення апарата, м³/с:

q  f  або 



 



г

mг

q ,

де а – продуктивність вентиляційної системи, м³/с.

Горючий пил та волокна, які надходять у виробничі приміщення з працюючих технологічних апаратів, поступово нагромаджуються в результаті осідання і утворення відкладень пилу на підлозі, обладнанні, коробах системи вентиляції та інших поверхнях.

Масу відкладеного в приміщенні пилу до моменту аварії визначають за формулою:

) (m₁ m₂ К

m К

п

п  г  ,

де Кг – частка горючого пилу в загальній масі відкладеного пилу; m1 – маса пилу, яка осідає на важкодоступних для прибирання поверхнях у приміщенні за період часу між генеральними прибираннями, кг; m₂ – маса пилу, яка осідає на важкодоступних для прибирання поверхнях у приміщенні за період часу між поточними прибираннями, кг; К_п – коефіцієнт ефективності пилоприбирання.

Приймається при ручному сухому пилоприбиранні – 0,6; при вологому – 0,7;

при механізованому вакуумному: підлога рівна – 0,9; підлога з вибоїнами – 0,7.

Масу осілого пилу (m_і ,i=1,2) визначають з такого виразу:

i i

i M

m  (1) , де ^



j

M j

M_{1 1} – маса пилу, що виділяється в приміщення за період часу між генеральними пилоприбираннями, кг; M₁j – маса пилу, що виділяється одиницею обладнання за вказаний період, кг; ^



j

M j

M_{2 2} – маса пилу, що виділяється в приміщення за період часу між поточними пилоприбираннями, кг; M_1j – маса пилу, що виділяється одиницею обладнання за вказаний період, кг; –- частка пилу, що вилучається витяжними вентиляційними системами. За відсутності експериментальних даних про величину приймають, що  0.

2 1,

 – частки пилу, що виділяються в приміщення і осідають, відповідно, на важкодоступних і доступних для прибирання поверхнях приміщення

) 1 (₁₂  .

Масу осілого пилу (m1 іm2) також можна визначити з такого виразу:

m _iS_{i i}

i n 1 2

1

, 



 ^{  ,}

де і – товщина відкладень пилу, м; Si – площа і-тих поверхонь, які мають відкладення пилу товщиною і, м²; і – насипна густина відкладень пилу, кг/м³.

Розрахункова маса звихреного пилу (m_вз) визначається за формулою:

п‘ вз

вз К m

m   ,

де К_вз = 0,9 – частка відкладеного в приміщенні пилу, який під час аварії здатний перейти у завислий стан. За відсутності експериментальних даних приймається: К_вз=0,9; m_п – маса відкладеного в приміщенні пилу до моменту аварії, кг.

Розрахункова маса пилу, що надходить у приміщення в результаті аварійної ситуації (m_ав), визначається за формулою:

 

m_ав  m_ап  q  K_n,

де m_ап – маса горючого пилу, що надходить в приміщення із зруйнованого апарата, кг; q – продуктивність пристрою, який подає пилоподібний матеріал в апарат трубопроводами до часу їх від’єднання, кг/с;  – час вимкнення, с; К_п – коефіцієнт запилення, тобто відношення маси завислого у повітрі пилу до загальної маси пилу, що надходить з апарата в приміщення. За відсутності експериментальних даних про величину Кп приймають: Кп = 1 при розмірі частинок пилу меншому ніж 350 мкм і К_п = 0,5 – при розмірі частинок пилу більшому ніж 350 мкм.

Концентрацію завислого в повітрі пилу п, який утворився в результаті аварії (при повному руйнуванні апарата), визначають за формулою:

в ав зв

п V

m m 

  _.

Максимальну безпечну для людей (гранично допустиму) масу (m_л^в) горючих газів, парів ЛЗР та ГР і пилу при вибуху в приміщенні вибухонебезпечної суміші визначають за формулою:

 

m V t

л Q z

в в в в

H

 150 P 273 _,

де Vв – вільний об’єм приміщення, м³;  в – густина повітря в приміщенні до вибуху при температурі t_в, кг/м³; Q_Н^Р – нижча теплота згоряння речовини, Дж/кг; z – коефіцієнт участі горючої речовини у вибуху, приймається за довідковими даними.

При обертанні в технологічному процесі індивідуальних горючих газів і парів ЛЗР та ГР, які складаються з атомів С, Н, О, N, СI, Br, I, F, максимальну безпечну для людей масу ^m_л^р таких речовин визначають за формулою:

 

z С m_л^р V^{в гп ст}

1

150 _,







 



 ,

де г.п. – густина пари або газу при температурі повітря в приміщенні tв, кг/м³; С_ст – стехіометрична концентрація горючої речовини в повітрі, яка обчислюється за формулою:

 81 , 4 1

1

 

Cст ,

де    

 n n n n

c

H Г

4 2

0 – стехіометричний коефіцієнт при кисні в реакції горіння;

n_c, n_н, n₀ і n_г – відповідно число атомів С, Н, О, галогенів (Cl, Br, I, F) і N в

молекулі горючого;  – ступінь підвищення тиску при вибуху в замкнутому об’ємі, визначається з виразу:  P

P_ба

max р

,

де Рmax – максимальний тиск вибуху горючої суміші, Па; Рбар – барометричний (атмосферний) тиск, Па.

Запитання та завдання для самоконтролю

1. Для яких випадків проводиться аналіз утворення горючого середовища всередині апаратів при нормальному проведенні технологічного процесу?

2. Математичний вираз умови наявності горючої суміші в апаратах з рідинами.

3. Як визначити тиск насичених парів при робочій температурі рідини?

4. Визначити значення нижньої та верхньої меж поширення полум’я для аміаку, ацетилену, водню, метану, оксиду вуглецю (СО), пропану при 60, 40, 70, 65, 50, 40 ^oC, відповідно. Необхідні дані для розрахунку наведені у таблиці.

Таблиця

Найменування газу Концентраційні межі поширення полум’я, об.частки

нижня верхня

Аміак 0,15 0,28

Ацетилен 0,025 0,81

Водень 0,0412 0,75

Метан 0,0528 0,141

Оксид вуглецю 0,125 0,74

Пропан 0,023 0,094

5. Обчислити концентрацію насичених парів ацетону, бензолу, метилового спирту, толуолу над поверхнею рідини при таких температурах: 30, 55, 60, 70 ^оС, відповідно. Апарати, у яких знаходяться вказані речовини з’єднані з атмосферою. Значення констант Антуана наведені у таблиці.

Таблиця

Найменування рідини Константи Антуана

А В Са

Ацетон 7,15058 1281,721 237,088

Бензол 6,98426 1252,776 225,187

Метиловий спирт 8,22777 1660,545 245,818

Толуол 6,95508 1345,087 219,526

Н-гептан 6,95154 1295,405 219,819

6. Як обчислити робочу концентрацію горючого газу в суміші з окислювачем?

7. Умова виникнення вибухонебезпечної концентрації всередині апарата з горючим пилом.

8. Записати математичний вираз вибухобезпечних умов експлуатації герметичних апаратів з пожежонебезпечними рідинами та для апаратів з горючим пилом.

9. У газовий змішувач надходить метан та повітря. Витрата метану GCH4 =200 м³/год, витрата повітря Gпов.=2200 м³/год. Температура суміші 60 ^оС. Вміст кисню у повітрі ~21%. Тиск – атмосферний. Чи буде горючою утворена газоповітряна суміш?

10. Наведіть приклади апаратів з відкритою поверхнею випаровування.

11. У яких випадках з нормально працюючих апаратів у виробничі приміщення та на відкриті майданчики можуть виходити вибухонебезпечні речовини?

12. Визначити кількість бензину Б-70, яка випарується з відкритої поверхні ванни (площа поверхні бензину 1,3 м², температура 25 ^оС) за 1 годину (випаровування в нерухоме середовище) Значення констант Антуана:

А=8,419, В=2629,65, С_а=364,195.

13. Що таке велике та мале „дихання”?

14. Визначити, яка кількість бензолу випарується з апарата при одному великому „диханні”, якщо відомо, що температура в пароповітряному просторі становить 20 ^оС, тиск 101325 Па, об’єм апарата 15,0 м³, а коефіцієнт заповнення – 0,9.

15. Визначити, яка кількість ацетону випарується з резервуара місткістю 100м³ при плавній зміні температури навколишнього середовища від 18 до 32 ^оС.

Робочий тиск в резервуарі – атмосферний. Ступінь заповнення резервуара – 0,6.

16. Як визначити кількість рідини, що випарується в рухоме та нерухоме середовище?

17. Чим відрізняється процес випаровування у нерухоме та рухоме середовище?

18. Як визначити кількість парів горючої рідини, які вилучаються з апаратів при великому та малому „диханні”?

19. Які з апаратів є більшу пожежонебезпечними: періодичної чи безперервної дії? Обґрунтуйте відповідь.

20. Як визначити кількість парів горючої рідини, що виходять з апаратів періодичної дії?

21. Чому відбувається вихід парів та газів з працюючого під тиском герметичного обладнання?

22. Як визначити масу та інтенсивність виходу парів або газів з апарата, що працює під тиском?

23. Як впливає наявність повітрообміну на концентрацію горючих речовин у виробничому приміщенні?

24. Розрахувати кількість толуолу, яка вийде при локальному пошкодженні технологічного апарата. Робочий тиск в апараті 0,25 МПа, температура рідини 20 ^оС, висота стовпа рідини в апараті 2 м, коефіцієнт витрат – 0,8, діаметр отвору 10мм. Пошкодження апарата було усунуто протягом 30 хв.

25. На яку площу виробничого приміщення розіллється горюча рідина при повному руйнуванні апарата об’ємом 1 м³, ступінь його заповнення – 0,8. В момент аварії проводилось наповнення апарата горючою рідиною насосом (продуктивність насоса 0,5 л/с) по трубопроводу (діаметр трубопроводу 0,05м, довжина трубопроводу 7,0м). Від’єднання насоса на засувок на трубопроводі ручне. Робоча температура рідини 25 ^оС.

РОЗДІЛ 4

ПРИЧИНИ ПОШКОДЖЕНЬ ТЕХНОЛОГІЧНИХ АПАРАТІВ ТА ЗАХОДИ ПРОТИПОЖЕЖНОГО ЗАХИСТУ

В процесі експлуатації на матеріал апаратів та трубопроводів впливають речовин, які нагріті до високих температур чи перебувають під високим тиском, навколишнє середовище, яке, особливо в хімічних виробництвах, володіє агресивними властивостями. При проєктуванні матеріал апаратів і товщина стінок підбираються таким чином, щоб вони могли чинити опір впливові речовин, які у них обертаються.

Аварії і пошкодження спричиняються недоліками конструктивного (невдалий підбір матеріалу, неправильний розрахунок) чи експлуатаційного (порушення режиму роботи апаратів) характеру. Класифікацію причин пошкоджень апаратів і трубопроводів показано на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Схема класифікації причин пошкоджень апаратів і

In document (1)Державна служба з надзвичайних ситуацій України Львівський державний університет безпеки життєдіяльності Надія ФЕРЕНЦ, Юрій ПАВЛЮК ПОЖЕЖНА ПРОФІЛАКТИКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ Підручник Львів 2019 (2)УДК 81'25 ББК 81.18 Ф 87 Ференц, Надія Олександрівна (сторінка 67-75)