Обеспечение пожарной безопасности систем местных отсосов. Расчётные методы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

4ц ^ Д-р техн. наук, а Аспирант Московского

тгф^ ■ ■ /\ 'ь главный научный сотрудник государственного

|Г- . 1 \ ФГУ ВНИИПО МЧС РФ » строительного университета

Л. П. Вогман ХДН п-в- Шмурнов

УДК 614.841.3

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ МЕСТНЫХ ОТСОСОВ. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ

Предложены расчетные методы определения расхода воздуха в системах различных технологических процессов, совместимости веществ в общих каналах местных отсосов и их способности конденсироваться. Разработана программа использования методики, позволяющая автоматизировать расчеты и выбрать вариант исполнения системы местных отсосов.

Пожаровзрывоопасность объектов обуславливается количеством и физико-химическими свойствами горючих веществ и материалов, обращающихся в технологических процессах, особенностями технологических процессов, видами и исполнением оборудования.

При авариях в помещениях взрывоопасные среды возникают в первую очередь вблизи места утечки или выброса горючих веществ и материалов, а затем могут распространяться по всему помещению.

Для локализации утечек и выбросов горючих веществ и материалов и предотвращения пожаров и взрывов наряду с общеобменной вытяжной и аварийной вентиляцией применяют местные отсосы, которые устанавливают в местах генерации пожа-ровзрывоопасных сред.

Требования пожарной безопасности к системам местных отсосов сформулированы в СНиП 2.04.0591* [1].

Системы местных отсосов горючих газо-, паро-и пылевоздушных смесей проектируют отдельными от системы общеобменной вентиляции. Удаление горючих газов, паров и пылей от технологического оборудования предусматривается отдельным для веществ, объединение которых в одном канале может образовать горючую смесь или создать пожа-ровзрывоопасные соединения. Экспериментальные и аналитические данные по совместимости веществ (с точки зрения пожаровзрывоопасности) в системах местных отсосов при температуре до 50°С представлены в работе [2].

При отсутствии экспериментальных данных химическая совместимость веществ может быть определена расчетом стандартной энергии Гиббса

[3, 4], которая является мерой реакционной способности реагирующих веществ и может быть определена из справочной литературы [5, 6].

Реакции между веществами, сопровождающиеся большой потерей энергии Гиббса, протекают самопроизвольно (без затрат работы извне и до конца) и приобретают характер активного взаимодействия. В этих реакциях изменение энергии Гиббса отрицательно, т.е. в исходном состоянии системы (реагирующих веществ) она больше, чем в конечном (продуктов реакции).

Реакции, протекающие с затратой работы, не способны идти самопроизвольно, энергия Гиббса для них положительна.

По стандартным энергиям Гиббса образования продуктов реакции исходных веществ можно вычислить энергию химической реакции, соответствующую изменению стандартной энергии Гиббса, сопровождающей данный процесс. Изменение стандартной энергии Гиббса при реакции равно разности между суммой стандартных энергий Гиб-бса образования продуктов реакции и суммой стандартных энергий Гиббса образования исходных веществ:

п п

Лт0 = .(Лт})„^ -£и}(Лт})_,

где (Лт 0) прод, (Лт 0}) исх — энергия Гиббса образования конечных продуктов и исходных веществ, участвующих в реакции, соответственно; цг, ц — стехиометрические коэффициенты для г-го конечного продукта иу-го исходного вещества, участвующих в реакции, соответственно;

64

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17

т,п — число исходных веществ и продуктов реакции соответственно.

Критерием самопроизвольного процесса в нестандартных условиях принимается условие Дт° << 0, тогда при расчетах можно пользоваться значениями стандартной энергии Гиббса. Критерием невозможности процесса (т.е. совместимости веществ) принимается неравенство Дт° >> 0.

В качестве критической величины, определяющей совместимость или несовместимость веществ, принимается Дт° = - 41,8 кДж/моль. Если расчетом получено Дт° <-41,8 кДж/моль, то реакция возможна не только в стандартных, но и в нестандартных условиях. При значениях Дт° от -41,8 до +41,8 кДж/моль вещества следует относить к пожароопасным и несовместимым в системах местных отсосов. Если Дт° >+41,8 кДж/моль, то процесс взаимодействия веществ невозможен как в стандартных, так и в иных условиях, и они совместимы.

В качестве примера рассмотрим возможность использования негорючего окислителя триоксида хрома Сг03 и ацетона С3Н60 в одной или раздельных линиях местных отсосов [2, 4].

Реакция между этими веществами протекает по уравнению:

16Сг0з = ЗСзНбО ^ 8СГ2О3 = 9С02 = 9Н2О.

Из справочных данных находим следующие стандартные энергии Гиббса образования веществ Дт°, кДж/моль:

Триоксид хрома (твердое вещество) С03........-513,8

Оксид хрома (твердое вещество) Сг203 ........-1059,7

Ацетон (жидкость) С3Н60....................-155,5

Диоксид углерода (газ) С02...................-394,6

Вода (газ) Н20..............................-237,4

Согласно приведенному выше уравнению имеем: Дт0 = 8(Дт})Сг203 + 9(Дт}) + (Дт})н20 -

-16(Дт})с03 - 3(Дт})С3Нб03 = = -8 • 1057,9 - 9 • 394,6 - 9 • 237,4 + + 16 • 513,8 + 3 • 155,5 = -5463 кДж.

На 1 моль смеси энергия Гиббса составит: Дт" = -"Т^3 = -287,5 кДж/моль,

Дт° << - 41,8 кДж/моль.

Следовательно, местные отсосы для рассматриваемых веществ должны быть изолированными друг от друга.

При отсутствии сведений о совместимости веществ в технической документации (технологической части проекта), показателей эксперимен-

тальных исследований [2] и расчетов энергии Гиб-бса допускается руководствоваться требованиями пожарной безопасности по совместному хранению веществ и материалов, установленными ГОСТ 12.1.004-91 [7] и ППБ 01-03 [8]). Вещества опасные и особо опасные (см. табл. 15-17 [7] и 4-6 [8] позиции 3 и 4) нельзя использовать совместно в местных отсосах. Например, ядовитые газы окисляющие, едкие и коррозионные (класс 2, подкласс 2.2, категория 224 по ГОСТ 19433-88 [9]) нельзя использовать в местных отсосах совместно с едкими и коррозионными легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) с температурой воспламенения от -18 до +23°С.

В то же время вещества и материалы, отмеченные в табл. 15-17 [7] или 4-6 [8] значком "+" являются совместимыми друг с другом: едкие, коррозионные кислоты, слабые окислители (категория опасности 818 [9]) можно удалять по одному каналу местного отсоса совместно с ядовитыми газами (категория 616, 915 [9]).

Следует отметить, что в соответствии с программой ВНИИПО МЧС России "Совместимость веществ и материалов" в институте имеется банк данных 2000 веществ по их совместимости друг с другом и другими веществами с указанием условий их совместимости (несовместимости).

Если удаляемые горючие вещества способны конденсироваться или накапливаться в воздуховодах или вентиляционном оборудовании, то для таких веществ системы местных отсосов должны быть изолированными для каждого помещения или каждой единицы оборудования. Образующиеся в оборудовании и воздуховодах отложения должны быть проверены на склонность к самовозгоранию и при необходимости должны быть определены условия теплового самовозгорания для установления периодичности очистки технологического оборудования от отложений.

Возможность конденсации при удалении паровоздушных смесей ЛВЖ, горючих жидкостей (ГЖ) и окислителей системами местных отсосов определяется температурой точки росы tp, которую следует сопоставить с минимальной температурой перемещаемой паровоздушной смеси [10] (принимается равной температуре наружного воздуха tн, °С, для холодного периода года по параметрам Б приложения 8 [1]).

Параметр в системе местных отсосов с резервным вентилятором определяется по формуле:

= tн + (^ - tн ) еХР (-0,09А] , (1)

V иа)

где t.

начальная температура паровоздушной

смеси в системе местных отсосов, °С, принима-

ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17

ется по технологическим данным или по приложению 2 [1] для рабочей зоны помещения и для холодного периода года;

I — длина воздуховода за пределами отапливаемой зоны здания, м;

й — диаметр воздуховода за пределами отапливаемой зоны здания, м;

и — скорость паровоздушной смеси в воздуховоде за пределами отапливаемой зоны здания, м/с. Величина ?т1п в системе местных отсосов без резервного вентилятора принимается равной температуре наружного воздуха для холодного периода года по параметрам Б приложения 8 [1].

Температуру точки росы tр для паров ЛВЖ и окислителей в удаляемой паровоздушной смеси следует принимать по справочным данным [11-13] в зависимости от парциального давления Р, кПа, паров ЛВЖ, ГЖ и окислителей.

Параметр tp в зависимости от парциального давления допускается определять по преобразованному уравнению Антуана:

_ В *р _ А - 1&Р

- С,

(2)

где А, В, С — константы уравнения Антуана, соответствующие размерности Р, кПа, принимаются по справочным данным [14] или по таблице приложения [15].

Парциальное давление ЛВЖ, ГЖ и окислителей определяется по формуле:

Р _ 1,013 • 0,5ф £

(3)

где ф0 — нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР), об. %, определяется экспериментально по ГОСТ 12.1.044-91 [16] или принимается по справочным данным [17,18].

Если перемещаемой паровоздушной смеси ниже tр паров ЛВЖ, ГЖ и окислителей, то конденсация возможна и их удаление следует осуществлять системой местных отсосов отдельно от других систем. Если tmin перемещаемой паровоздушной смеси выше tр, то конденсация паров не происходит и эвакуацию их можно осуществлять по одному каналу местных отсосов при условии выполнения требований ГОСТ [1] и их совместимости [1,2].

Минимальный расход воздуха в местных отсосах, обеспечивающий удаление горючих газов, паров, аэрозолей и пыли с концентрацией, не превы-

шающей 50% НКПР при температуре удаляемой смеси, определяется по формуле:

9 = 2т/к, (4)

где к — НКПР вещества при температуре удаляемой смеси, кг/м3;

т — скорость поступления взрывоопасного вещества в местный отсос, кг/с. Количество взрывоопасных веществ т, поступающих в местный отсос в единицу времени, определяется на основании результатов испытаний или рассчитывается по приведенным ниже соотношениям в зависимости от их агрегатного состояния, физико-химических свойств и условий применения.

Расход воздуха в воздуховодах, к которым присоединяются местные отсосы, определяется в соответствии с выражением:

а _Е <и

(5)

где п — количество местных отсосов, присоединяемых к воздуховоду.

Для герметично закрытых аппаратов с неразъемными и разъемными соединениями, работающими под давлением, утечка паров и газов через неплотности аппаратов и соединений, кг/с, рассчитывается по формуле:

ту _ КСГ^М/Гр

(6)

где К — коэффициент, учитывающий степень износа производственного оборудования, принимается в пределах от 1 до 2;

С — коэффициент, зависящий от давления паров и газов в аппарате и принимаемый по табл. 1; V — внутренний (свободный) объем аппаратов и коммуникаций, находящихся под давлением, м3; М - молярная масса газов или паров, находящихся под давлением в аппаратах, кг/кмоль; Трасч — температура паров или газов, находящихся в аппаратах, К.

Количество паров и газов, кг/с, выделяющихся через сальниковые уплотнения одного насоса, принимается в соответствии с табл. 2 или рассчитывается по формулам:

• для поршневых насосов, перекачивающих легкие, холодные нефтепродукты:

тп _ 2,78 • 10 -5 рА^Р,

(7)

где р — периметр штока насоса, м;

Таблица 1. Значение коэффициента С (формула (6))

Рабочее давле- Менее 101(1) 606 (6) 1616(16) 4040 (40) 16160 40400 101000

ние Р, кПа (ати) 101(1) (160) (400) (1000)

С 3,3610-5 4,6110-5 5,0610-5 5,25-10-5 7,00 10-5 8,28-10-5 8,78-10-5 1,03-Ю-4

^ЕЛ ПОЖАРОНЗРЫНОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17

Р—рабочее давление, создаваемое насосом, кПа; А — коэффициент, принимаемый равным 5 для высоколетучих жидкостей и 2,5 — для обычных бензинов и керосинов;

для центробежных насосов при перекачке легких жидкостей:

ш„ = 1,57 • 10"

Ф ,

(8)

где

диаметр вала насоса, м; рж — плотность жидкости, кг/м3. Масса водорода, образующаяся в единицу времени при зарядке нескольких батарей, рассчитывается по формуле:

шн = 1,04 • 10-

1 +

Т Л к

расч —

273

1

(9)

где Т,

расч

расчетная температура, К; — максимальный зарядный ток г-й батареи, А; — количество аккумуляторных элементов в г-й батарее;

к — число аккумуляторов. Выражение (9) применяется для аккумуляторов, не снабженных системой рекомбинации водорода. Если аккумуляторы снабжены указанной системой, то скорость поступления водорода принимается по данным предприятия-изготовителя.

Скорость поступления паров при испарении с поверхности разлитой жидкости, не нагретой выше температуры окружающей среды, или из открытых емкостей определяется по формуле:

ш,

= 10 -6 ц^МРнГ,

(10)

где "л — коэффициент, принимаемый по табл. 3 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения; М — молярная масса, кг/кмоль; Рн — давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, кПа;

Р,

площадь испарения, м2.

Таблица 2. Количество паров и газов на один насос, выделяющихся через сальниковые уплотнения

Перекачиваемые продукты Вещества, характеризующие утечку Расход, 10-4 кг/с

Темные нефтепродукты Тяжелые 1,39

при температуре углеводороды

100-350°С

Светлые нефтепродукты Легкие 2,78

при температуре до 60°С углеводороды

Сжиженные газы Бутан-бутилен 9,94

Раствор масла в толуоле Пары толуола 0,403

Бензол Пары бензола 1,25

Площадь испарения с поверхности разлившейся жидкости принимается исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 мас. % и менее растворителей, разливается на площади 0,5 м2, а для остальных жидкостей и сжиженных углеводородных газов (СУГ) — 1 м2.

Площадь испарения при наличии преград, препятствующих растеканию жидкостей, принимается равной площади, ограниченной бортиками или другими ограждениями, если будет обосновано, что указанные преграды выполняют свои функции при возникновении аварии.

Давление насыщенных паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей при расчетной температуре воздушного потока определяют по уравнению:

( . в Л

(11)

Рн =

10

с + Т„,

X,

где А, В, С — константы уравнения Антуана, принимаются по справочным данным [16-18]; Трасч — расчетная температура воздушного потока, °С;

X — объемная доля горючей жидкости в смеси (для чистых горючих жидкостей х = 1). Интенсивность испарения при проливе СУГ, кг/(м2-с), при температуре подстилающей поверхности от -15 до +40°С допускается рассчитывать по формуле:

10 -3 М

«СУГ

(Т0 Тж )

0,2А,,

5Д „л/Йё

(12)

где М — молярная масса СУГ, кг/кмоль;

Ьисп — мольная теплота испарения СУГ при его начальной температуре Тж, Дж/моль; Т0 — начальная температура материала, на поверхность которого разливается СУГ, соответствующая расчетной температуре, К; Т, — начальная температура СУГ, К; Хтв — коэффициент теплопроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, Вт/(м-К);

Таблица 3. Зависимость коэффициента л от температуры и скорости воздушного потока

Скорость воздушного Значение коэффициента л при температуре воздуха в помещении 1, °С

потока, м/с 10 15 20 30 35

0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

0,1 3,0 2,6 2,4 1,8 1,6

0,2 4,6 3,8 3,5 2,4 2,3

0,5 6,6 5,7 5,4 3,6 3,2

1,0 10,0 8,7 7,7 5,6 4,6

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17 №5

исп

67

а — эффективный коэффициент температуропроводности материала, на который разливается СУГ, м2/с;

Яе = ий/V — число Рейнольдса; и — скорость воздушного потока, м/с; й — характерный размер (наибольшая длина поверхности испарения), м;

V — кинематическая вязкость воздуха при расчетной температуре, м2/с;

Хе — коэффициент теплопроводности воздуха при расчетной температуре, Вт/(м-К). Значение НКПР, кг/м3, для заданных веществ и материалов определяется по справочным данным или рассчитывается по формуле:

фМ

к_

100 V, (1 + 0,00367ГраСТ)

(13)

где ф — НКПР при расчетной температуре, об. %; Vo — мольный объем, равный 22,413 м3/кмоль. НКПР при расчетной температуре определяется по выражению:

ф _ ф о

1-

т — т ^

расч 0

1550 - т

(14)

0;

где Тр

раас ^0 —

расчетная температура, К; температура, при которой определен НКПР, К;

ф0 — НКПР, об. %, определяется экспериментально по ГОСТ 12.1.04-9 [16] или принимается по справочным данным [17, 18]. Давление взрыва, кПа, создаваемое при сгорании горючих веществ в помещении, рассчитывается по выражению:

др _ 1,19 • 10-4 М1И111

Vп

(15)

где М1 — масса г-го вещества, поступающего в помещение в течение 1 ч, кг;

М = 3600т,

(16)

т1 — масса г-го вещества, поступающего в помещение в единицу времени, кг/с; И1 — теплота сгорания г-го вещества, Дж/кг; 21 — коэффициент участия г-го вещества во взрыве (определяется по табл. 2 НПБ105-03 [19]); Vп — объем помещения, м3. Если время поступления вещества меньше 1 ч, то в формулу (15) вместо М1 следует подставлять массу этого вещества.

При ДР > 5 кПа помещение является взрывопо-жароопасным и относится к категории А или Б [19] в зависимости от вида обращающихся в нем веществ и материалов. При ДР < 5 кПа помещение не является взрывоопасным и относится к категориям В1-В4 (рассчитывается согласно [19]) или Г, Д.

Далее определяется концентрация горючих веществ, кг/м3, образующаяся в помещении при остановке вентилятора местных отсосов и продолжающейся работе технологического оборудования:

кп _ М^п . (17)

Вычисляется отношение:

¥ = кп /к (18)

и определяется необходимость оборудования систем местных отсосов резервным вентилятором.

Плотность горючих веществ по отношению к воздуху определяется по формуле:

^ р/р,, (19)

где р — плотность горючего вещества при расчетной температуре, кг/м3;

рв — плотность воздуха при расчетной температуре, принимается равной 1,2 кг/м3. Плотность горючих веществ берется из справочной литературы или рассчитывается по формуле (для газов и паров):

__м_

р_ коото;003б7таасчч)'

тогда формула (19) будет иметь вид:

М

V _

1,2^ (1 + 0,00367Трасч)

(20)

По величине V определяется необходимость устройства подъема воздуховода. Необходимость устройства уклона определяется возможностью конденсации.

Выводы

Разработанная методика оценки пожарной опасности местных отсосов позволяет выполнить расчеты и определить расход воздуха, возможность взаимодействия горючих смесей друг с другом или их конденсации в воздуховодах, осуществить выбор электрооборудования и, наконец, установить, должна ли система местных отсосов быть автономной от общеобменной вентиляции и имеется ли необходимость в установке аварийного вентилятора.

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

2. Вогман, Л. П. Исследования химической совместимости паров горючих жидкостей и окислителей / Л. П. Вогман, В. А. Зуйков, Е. В. Капишников [и др.] // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2002. — Т.11,№ 1. — С. 22-28.

00

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17 №5

3. Монахов, В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ / В. Т. Монахов. — М.: Химия, 1972. —416 с.

4. Саушев, В. С. Пожарная безопасность хранения химических веществ / В. С. Саушев. — М.: Сройиздат, 1982. — 127 с.

5. Карапетьянц, М. X. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ / М. X. Карапетьянц, П. Л. Карапетьянц. — М.: Химия, 1968. — 472 с.

6. Рабин, В. А. Термодинамические свойства веществ / В. А. Рабин, А. М. Остроумов //Справочник. — Л.: Химия, 1977. — 389 с.

7. ГОСТ 12.1.004-91*. Пожарная безопасность. Общиетребования.

8. ППБ 01-03. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации.

9. ГОСТ 19433-88. Грузы опасные. Маркировка и классификация.

10. Литвинова, Г. Ж. Пожарная безопасность систем местных отсосов / Г.Ж.Литвинова, А. Н. Белоусов // Пожаровзрывобезопасность. — 2004. — Т. 13, № 3. — С. 13-21.

11. Стэл, Д. Р. Таблицы давления паров индивидуальных веществ /Д. Р. Стэл. — М.: Иностранная литература, 1949. — 72 с.

12. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. — М.: Наука, 1972. — 720 с.

13. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов (рекомендуемые значения). — М.: Гостоптехиздат, 1960. — 412 с.

14. Справочникхимика. Т.1. — М.: Химия, 1966.

15. Пособие по применению НПБ 105-95 "Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности" при рассмотрении проектно-сметной документации". — М.: ВНИИПО, 1998. — 119 с.

16. ГОСТ 12.1.044-91. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

17. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения / Под ред. А. Н. Бара-това и А. Я. Корольченко // Справ. изд. в2кн. — М.: Химия, 1990.

18. Корольченко, А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства ихтушения/ А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко // Справ. изд. в2кн. — М.: Пожнаука, 2000.

19. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.

Поступила в редакцию 12.08.08.

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17 №5 |б9^