Техносферная безопасность. Основы прогнозирования взрывоопасности парогазовых смесей


Н.И. АКИНИН, И.В. БАБАЙЦЕВ





                ТЕХНОСФЕРНАЯ
                БЕЗОПАСНОСТЬ




            ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
            ВЗРЫВООПАСНОСТИ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ


Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Техносферная безопасность» (20.03.01 и 20.04.01)









Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2016

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, генеральный директор ЗАО «Взрывиспытания»
А. С. Державец, доктор технических наук, зав. кафедрой НИТУ «МИСиС» Т.И. Овчинникова

  Н.И. Акинин, И.В. Бабайцев
    Техносферная безопасность. Основы прогнозирования взрывоопасности парогазовых смесей: Учебное пособие / Н.И. Акинин, И.В. Бабайцев — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2016. — 248 с.
    ISBN 978-5-91559-208-6

    Изложены положения теории горения и взрыва, необходимые для реализации требований нормативных документов по обеспечению взрывобезопасности технологических процессов, в которых обращаются легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, и проведён анализ причин и последствий промышленных взрывов с их участием. Рассмотрена номенклатура характеристик пожаровзрывоопасности, методика их определения и адаптации результатов лабораторных экспериментов к условиям реальных технологических процессов. Проанализированы известные и предложены новые методы прогнозирования условий образования взрывоопасных смесей, оценки массы вещества, принимающего участие во взрыве, максимального давления взрыва и разрушительных последствий взрыва парогазовых смесей.
    Книга предназначена для подготовки студентов и аспирантов технических вузов, специализирующихся в области техносфер-ной безопасности, а также для инженерно-технического персонала пожаровзрывоопасных производств, специалистов проектных и экспертных организаций, сотрудников надзорных органов.


  ISBN 978-5-91559-208-6

                     © 2015, Н.И. Акинин, И.В. Бабайцев © 2016, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ










Список сокращений....................................6
Введение.............................................8

Глава 1
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ.............................................. 11
   1.1. Тепловое самовоспламенение.................. 11
   1.2. Механизм и скорость распространения горения. 13
   1.3. Условия образования горючих смесей.......... 15
   1.4. Переход горения в детонацию................. 18
   1.5. Детонация парогазовых смесей.................20
   Список литературы.................................22

Глава 2
УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПОСЛЕДСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ...............................................23
   2.1. Крупные промышленные аварии..................23
   2.2. Взрывы в коксохимическом производстве........50
   Список литературы.................................54

Глава 3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ...................................55
   3.1. Использование нормативных характеристик пожаровзрывоопасности горючих жидкостей для прогнозирования условий возникновения опасных ситуаций.................................55

-Ц, Оглавление

   3.2. Методики определения характеристик пожаровзрывоопасности и оценка их адекватности условиям технологического процесса.......................64
       3.2.1. Метод экспериментального определения группы
            негорючих материалов............................ 64
        3.2.2. Косвенное определение группы горючести газов и жидкостей по другим экспериментально определенным показателям пожаровзрывоопасности.................. 71
        3.2.3. Метод экспериментального определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов. 71
        3.2.4. Метод экспериментального определения температуры вспышки жидкостей в закрытом тигле................. 75
        3.2.5. Метод экспериментального определения температуры вспышки жидкостей в открытом тигле................. 78
        3.2.6. Метод экспериментального определения температуры воспламенения жидкостей.............................. 81
        3.2.7. Метод экспериментального определения температуры самовоспламенения газов и жидкостей.................. 82
        3.2.8. Метод экспериментального определения пределов распространения пламени по газо- и паровоздушным смесям ............................................ 86
        3.2.9. Метод экспериментального определения температурных пределов распространения пламени по паровоздушным смесям ............................................ 95
       3.2.10. Метод экспериментального определения способности взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами............. 98
   3.3. Справочные значения параметров пожаровзрывоопасности...................................99
   3.4. Методики расчета параметров взрывоопасности...... 116
   Список литературы....................................... 130

Глава 4
НОРМАТИВНЫЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ............................. 132
   4.1. Категорирование помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности................ 132
   4.2. Классификация технологических блоков по взрывоопасности.................................... 142
4.3. Категорирование наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности................ 149
   Список литературы..................................... 151

Оглавление -!\r      5

Глава 5
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ............................. 152
   5.1. Температура и теплота горения парогазовых смесей предельного состава........................... 152
   5.2. Методика расчета концентрационных пределов распространения пламени....................... 184
   5.3. Влияние инертных газов на возможность образования взрывоопасных смесей.......................... 194
   5.4. Влияние начальной температуры взрывоопасной смеси на температуру ее горения в предельных условиях и концентрационные пределы распространения пламени....................... 196
   5.5. Расчет температурных пределов образования взрывоопасных смесей.......................... 199
   Список литературы............................. 203

Глава 6
ОЦЕНКА МАССЫ ВЕЩЕСТВА, ПРИНИМАЮЩЕГО
УЧАСТИЕ ВО ВЗРЫВЕ, И МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВА.................................. 205
   6.1. Методы расчета парциального давления пара.205
   6.2. Расчет скорости испарения.................206
   6.3. Расчет максимального давления взрыва......208
   6.4. Учет возможности диспергирования жидкостей в процессе развития взрыва.....................218
   Список литературы............................. 222

Глава 7
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ................................223
   7.1. Методики расчета давления в ударных волнах.223
   7.2. Оценка энергии взрыва по характеру разрушений и определение опасных зон......................235
   7.3. Анализ и корректировка нормативных методик оценки последствий взрыва......................244
   Список литературы............................. 245

Заключение........................................247

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ICSC   --- International chemical safety card             
АРБ    --- аварийная разгерметизация блока                
ВВ     --- взрывчатые вещества                            
ВКПР   --- верхний концентрационный предел распростране-  
       ния пламени                                        
ВНИИПО --- Всероссийский научно-исследовательский институт
       противопожарной охраны                             
ВТПР   --- верхний температурный предел распространения   
       пламени                                            
гж     --- горючие жидкости                               
ЕПБВР  --- Единые правила безопасности проведения взрыв-  
       ных работ                                          
КИ     --- кислородный индекс                             
КИ     --- допустимый кислородный индекс                  
КИП    --- контрольно-измерительные приборы               
КХП    --- коксохимическое предприятие                    
ЛВЖ    --- легковоспламеняющиеся жидкости                 
ЛНС    --- линия наименьшего сопротивления                
ЛСК    --- легкосбрасываемые конструкции                  
МВСК   --- минимальной взрывоопасной концентрацией кис-   
       лорода                                             
НКПР   --- нижний концентрационный предел распростране-   
       ния пламени                                        
НМТК   --- Нижнетагильский металлургический комбинат      

                             Список сокращений          ^
НПБ    --- нормы пожарной безопасности                   
НПЗ    --- нефтеперерабатывающий завод                   
НТПР   --- нижний температурный предел распространения   
       пламени                                           
ОПВБХП --- общие правила взрывобезопасности для взрывопо-
       жароопасных химических, нефтехимических и неф-    
       теперерабатывающих производств                    
ПГФ    --- парогазовая фаза                              
ТНТ    --- тринитротолуол                                

            ВВЕДЕНИЕ











           В технологических процессах химической, нефтехимической, коксохимической и ряде других отраслей промышленности, в которых в больших количествах обращаются легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ), при нормальных режимах работы или аварийных ситуациях зачастую образуются взрывоопасные парогазовые смеси. Они отличаются чрезвычайно низким значением минимальной энергии зажигания, и поэтому их воспламенение является причиной большого числа промышленных взрывов.
   Прогнозирование характеристик пожаровзрывоопасности парогазовых смесей в значительной степени затрудняется в том случае, когда они являются многокомпонентными, так как в справочной литературе содержатся в основном соответствующие характеристики пожаровзрывоопасности индивидуальных жидкостей. Наиболее трудно произвести адекватный мониторинг изменения условий образования взрывоопасной среды в таких процессах, которые сопровождаются изменением химического состава паровой и жидкой фазы (абсорбция, десорбция, ректификация и т. п.). В этих случаях экспериментальное определение характеристик пожаровзрывоопасности практически невозможно ввиду постоянного изменения состава среды, что делает необходимым разработку надежных и удобных для инженерных расчетов методик их оценки.
   Прогнозирование потенциальной взрывоопасности технологических процессов с использованием характеристик пожаровзрывоопасности легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, определенных экспериментально по существующим стандартным методикам, не дает всегда надежные результаты, что в ряде случа

Введение

Л

9

ев обусловило возникновение аварий. Это объясняется как особенностями образования взрывоопасной среды при испарении смесей жидкостей различной летучести, так и принципиальной невозможностью определения максимальных параметров взрыва при испытаниях небольшого количества вещества.
   Неадекватность характеристик пожаровзрывоопасности, которые используются при категорировании помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, а также при классификации технологических блоков по взрывоопасности и расчетах средств взрывопредупреждения и взрывозащиты приводит к принятию необоснованных проектных и технических решений.
   В первой главе учебного пособия рассмотрены основные положения теории горения и взрыва парогазовых смесей. Излагается теория теплового самовоспламенения, описаны условия образования горючих смесей, механизмы распространения горения и перехода горения в детонацию.
   Условия возникновения и последствия промышленных взрывов парогазовых смесей жидкостей изложены во второй главе пособия. Описаны и проанализированы крупные промышленные аварии, а также взрывы в коксохимическом производстве.
   В третьей главе описаны нормативные характеристики пожаровзрывоопасности парогазовых смесей, изложены методики определения характеристик пожаровзрывоопасности, проанализированы источники справочных значений параметров пожаровзрывоопасности.
   В четвертой главе изложены нормативные основы прогнозирования взрывоопасности технологических процессов. Рассмотрены вопросы категорирования помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности, приведена классификация технологических блоков по взрывоопасности.
   Прогнозированию условий образования взрывоопасных смесей посвящена пятая глава пособия. Приведены температуры и теплоты горения парогазовых смесей предельного состава, методики расчета концентрационных пределов распространения пламени и температурных пределов образования взрывоопасных смесей. Описано влияние инертных газов на возможность образования взрывоопасных смесей.
   В шестой главе рассмотрены методы оценки массы вещества, принимающего участие во взрыве, и максимального давления взры

¹⁰ -V

Введение

ва. Приведены методики расчета парциального давления пара, скорости испарения, максимального давления взрыва и учета возможности диспергирования жидкостей в процессе развития взрыва.
   В заключительной главе учебного пособия изложены теоретические основы прогнозирования последствий взрыва парогазовых смесей. Приведены методики расчета давления в ударных волнах и определения опасных зон. Даны оценка энергии взрыва по характеру разрушений, а также анализ и корректировка нормативных методик оценки последствий взрыва.

            ГЛАВА ОСНОВЫ ТЕОРИИ



1



            ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
            ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ









        1.1.     ТЕПЛОВОЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ

             Теория теплового самовоспламенения является одним из наиболее развитых разделов физики горения и взрыва, причем процесс рассмотрен не только в общих чертах, но и созданы математические модели для самовоспламенения конкретных взрывчатых систем различных типов. Основы ее заложены трудами Вант-Гоффа, Маляра и Ле-Шателье. Впервые количественно условия теплового самовоспламенения для газовых систем сформулировал Н.Н. Семенов [1] — [2], дальнейшая ее разработка проведена Д.А. Франк-Каменецким, О.М. Тодесом, А.Г. Мержановым и др. [4] — [9] Мы дадим лишь упрощенное рассмотрение самовоспламенения в рамках теории Н.Н. Семенова [3].
      Предположим, что имеется некоторая система, способная к экзотермической реакции, причем теплообмен в системе происходит быстро и температуру во всем ее объеме можно считать одинаковой, а теплообмен с окружающей средой осуществляется конвекцией. Изменением концентрации компонентов системы при решении задач стационарной теории самовоспламенения можно пренебречь. Температуры системы и окружающей среды в начальный момент между собой равны. Необходимо определить минимальную начальную температуру системы, приводящую к самовоспламенению. Решение задачи поясняется рис. 1.1.
      Нанесенная на графике кривая описывает теплоприход q_ в системе в результате протекания химической реакции как функцию температуры.

—I Глава 1. Основы теории горения и взрыва парогазовых смесей

        Прямые 1—3 показывают изменение теплоотвода из системы при повышении ее температуры, если начальные температуры системы и среды равны Тр Т,р и Т₂. По мере увеличения температуры в системе и теплоприход, и теплоотвод увеличиваются, а возможность теплового самовоспламенения определяется их соотношением.


    Рис. 1.1. Диаграмма теплового самовоспламенения по Н.Н. Семенову: прямые 1—3 — изменение теплоотвода из системы, в зависимости от начальной температуры, кривая изменение теплоприхода при увеличении температуры в системе

        При Т₁ на начальной стадии реакции теплоприход превышает теплоотвод и система разогревается до температуры 7', при достижении которой дальнейший саморазогрев системы прекращается и самовоспламенение не происходит. При температуре Тг теплоприход при всех условиях выше теплоотвода и система самовоспламеняется. Температура Тф обеспечивает достижение равенства теплоприхода и теплоотвода в точке касания прямой теплоотвода и кривой теплоприхода. Критической температурой теплового самовоспламенения является минимальная начальная температура системы и окружающей среды, при которой достигается равенство теплоприхода и теплоотвода. Именно Т, а не температура 7', развивающаяся в системе в момент достижения этого равенства, которая автоматически возникает при достижении Т, принимается за опасную границу самовоспламенения.

                        1.2.         Mexaiiwi:: и скорость распространения горения


Л

13

       Условие теплового самовоспламенения получено Н.Н. Семе-

   новым в виде:

_____    (.  E
qVBaE exp 1-------
qp       p I RT
| кр

> 1,

(1.1)

NRTOsS кр

    где qₚ — теплота, выделяемая при образовании 1 моля продукта реакции; V — объем системы; ВиЕ — параметры уравнения Аррениуса (предэкспоненциальный множитель и энергия активации); R — газовая постоянная; N — число Авогадро (6,02 • 10²³ моль⁻¹); а — коэффициент теплопередачи конвекцией; У — поверхность теплообмена со средой; а — число молекул исходного вещества в единице объема.
       Анализ этого критического условия показывает, что Г тем ниже, чем выше теплота и скорость реакции, чем больше объем системы и чем меньше поверхность теплообмена. Таким образом, для данной взрывчатой системы температура самовоспламенения не является константой, а зависит от массы реагирующего вещества и условий теплоотвода. Это означает, что справочные данные о темпе

    ратурах самовоспламенения нельзя непосредственно переносить на условия нагрева вещества в конкретном технологическом процессе, так как они получены при лабораторных испытаниях небольшого количества вещества. Решение вопроса об оценке возможности теплового самовоспламенения материала в производственных условиях требует применения методики теплового моделирования, развитой в рамках теории теплового самовоспламенения [1], [2].
       Теория теплового самовоспламенения относится только к экзотермическим реакциям, однако, возможно ускорение реакции и при постоянной температуре системы (например, при протекании реакции по цепному механизму).



        1.2.    МЕХАНИЗМ И СКОРОСТЬ
        РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГОРЕНИЯ

           Нормальной скоростью горения называют скорость перемещения фронта реакции относительно несгоревшего газа, отсчитываемую в направлении нормали к поверхности фронта. Нормальная скорость горения зависит от следующих факторов: состава смеси, начальной температуры, давления и наличия примесей.