CC BY
10
УДК 614.835.3
Асатрян О.М., Гаджиев Г.Г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО КОЛИЧЕСТВА ЛВЖ ДЛЯ ПОМЕЩЕНИЙ КАТЕГОРИЙ В
Асатрян Оганнес Мисакович - бакалавр 4-го года обучения кафедры техносферной безопасности; asatryan451@gmail.com
Гаджиев Гарун Гамзатович - к.т.н., доцент кафедры техносферной безопасности; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены методы определения максимально допустимого количества ЛВЖ для помещений категорий В, объемом 50 м3, для дальнейшего сравнения, уточнения их актуальности и нахождения оптимального способа расчета. Всего было проанализировано 5 методов, из которых 4 используют коэффициенты диффузии и 2 экспериментальные данные. Наиболее точным и лучшим выбором при отсутствии экспериментальных данных оказался расчет по методу 2, использующий аддитивную формулу коэффициента диффузии и основанный на формуле для расчета давления взрыва по СП 12.13130.2009. Были определены отклонения методов, использующих расчетные значения коэффициентов диффузии, от методов с экспериментальными данными.
Ключевые слова: легковоспламеняющаяся жидкость, избыточное давление взрыва, категории В
DETERMINATION OF THE MAXIMUM PERMISSIBLE AMOUNT OF FLW FOR ROOMS OF CATEGORIES B
Asatryan O.M.1, Gadzhiev G.G.1
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses methods for determining the maximum allowable amount of flammable liquids for category B volume of 50 m3 for further comparison, clarification of their relevance and finding the optimal method of calculation. A total of 5 methods were analyzed, of which 4 use diffusion coefficients and 2 experimental data. The most accurate and best choice in the absence of experimental data was the calculation according to method 2, using the additive formula for the diffusion coefficient and based on the formula for calculating AP according to SP 12.13130.2009. The average deviations of the methods using the calculated values of the diffusion coefficients from the methods with experimental data were determined.
Key words: flammable liquid, explosion overpressure, category B
Введение
В промышленности в широких масштабах применяются различные легковоспламеняющиеся и горючие жидкости (ЛВЖ и ГЖ, соответственно), зачастую незаменимые при проведении технологического процесса, но применение данных веществ связано с определёнными опасностями. Эти вещества могут быть небезопасными для здоровья и при работе с ними может возникнуть необходимость использования средств защиты, но основной проблемой является угроза пожара или взрыва в помещении, где используется или хранится жидкость. Малейшее нарушение технологического режима, неисправное оборудование, несоблюдение правил предосторожности и небрежное обращение с пожароопасными веществами могут привести к тяжелым последствиям. Согласно ресурсу Chemical Safety Board [1], сотни пожаров, миллионы долларов ущерба, человеческие жертвы зачастую являются результатом несоблюдения норм обращения с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями. Для предупреждения аварийных ситуаций необходима разработка комплекса мер по обеспечению пожаровзрывобезопасности и созданию безопасных условий труда для работающих на производстве.
Помещения, в которых используются или хранятся ЛВЖ подлежат обязательному категорированию по взрывопожарной и пожарной опасности. Для каждой категории существуют специальные
конструкционные и эксплуатационные требования, включающие в себя дополнительные материальные затраты. Таким образом, чтобы снизить данные затраты и отнести помещение к более безопасным категориям В следует соблюдать следующий основной критерий: при проливе и испарении жидкости избыточное давление взрыва (А Р) образовавшейся паровоздушной смеси должно быть не более 5 кПа. Значение А Р можно снизить, например, путем ограничения количества ЛВЖ в помещениях. При этом максимально допустимый объем жидкости можно определять расчетными методами. В данной работе был проведен подобный расчет с использованием нескольких методов для некоторого перечня ЛВЖ, использующихся в лабораториях Тушинского комплекса РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Экспериментальная часть
При определении максимально допустимого количества ЛВЖ в помещениях для последующего сравнения были использованы следующие расчетные методы:
Метод 1: с использованием экспериментальных значений коэффициентов диффузии исходя из требований не действующего СНиП П-М.2-72. Методы, основанные на формуле для расчета А Р по СП 12.13130.2009, отличающиеся способом определения скорости испарения: Метод 2: с использованием аддитивной формулы коэффициента диффузии;
Метод 3: с использованием групповой формулы коэффициента диффузии;
Метод 4: с использованием формулы скорости испарения, предложенной в СП 12.13130.2009; Метод 5: с использованием экспериментальных значений коэффициентов диффузии. Основным отличием метода 1 по сравнению с методами 2-5 является способ определения объема паров (Уп) ЛВЖ. В первом случае Уп (м3) определяется по формуле (1) и исходит из старых строительных норм и правил [2] по которым для отнесения помещения к категории В концентрация взрывоопасной смеси не должна образовываться в 5 % свободного объема помещения. В свою очередь, в методах 2-5 Уп (м3) определяется по формуле (2) и опирается на свод правил [3], по которому для отнесения помещений к категории В избыточное давление взрыва не должно превышать 5кПа. Вычисляется масса паров т, затем вычисляется объем паров Уп.
у _ ^¿фЕ^-^/нд (,)
п 100*/Сй ' ( )
где, Vйвзрыв - объем взрывоопасной паровоздушной смеси равный 5% от свободного объема помещения,
м3,
1/нп - нижний концентрационный предел воспламенения, об. %,
2 - коэффициент неравномерности распределения паров жидкости, равный 1, Кбэ - коэффициент безопасности равный 1,37.
— (2)
где, Ртах - максимальное давление, которое развивается при сгорании смеси в замкнутом пространстве, определяемое по справочным данным или принимаемое равным 900 кПа при отсутствии данных, кПа,
Р0 - начальное давление, принимаемое 101 кПа, т - масса паров ЛВЖ, кг,
2 - коэффициент участия горючих газов и паров в
горении, принимаемый для ЛВЖ равным 0,3,
Усв - свободный объем лаборатории, м3,
рг,п - плотность паров при расчетной
температуре 20°С, кг*м-3,
Сст - стехиометрическая концентрация паров ЛВЖ, об. %,
Кн - коэффициент, учитывающий
неадиабатичность процесса горения и негерметичность лаборатории, принимаемый равным 3.
Еще одним различием всех методов является способ определения интенсивности испарения В
методах 1, 2, 3, 5 при расчете W (г/(с*м2)) по формуле (3) [4], используются коэффициенты диффузии, определяемые:
- в методах 1 и 5 по экспериментальным данным, взятым из справочника [5];
- в методе 2 - по аддитивной формуле [6];
- в методе 3 - по групповой формуле из публикации Рамма [7].
где, п - коэффициент изменения скорости потока,
равный 5,44 при температуре 20°С и скорости
воздуха в помещении 0,5 м/с,
Мв - молекулярная масса жидкости, г/моль,
Рнас - давление насыщенных паров, определяемое с
помощью констант Антуана, мм. рт. ст.,
К - коэффициент испаряемости, который равен
3,75,
А - коэффициент диффузии см2/с, V - объем, занимаемый г-молем жидкости, равный 24058,11 см3 при 20 С, см3.
Метод 4 для расчета интенсивности испарения (кг/(с*м2)) использует формулу (4), утвержденную нормативным документом [3].
= ■ (4)
где, Рнас - давление насыщенных паров, кПа, а п и Мв
- как в формуле (3)
Связующей и заключительной частью расчетов по всем методам является формула (5) максимально допустимого количества ЛВЖ в помещении О (л), которая была также взята из пособия [4].
, (5)
где, Уп - объем паров горючего вещества, м3, у - удельный вес паров жидкости, кг/м3, Г - площадь пола, занятая разлившейся жидкостью, м2, принимая 0,5м2 на 1 литр жидкости,
- интенсивность испарения вещества, г/(с*м2), X - время испарения, принимаем 0,25 ч.
Исходные данные и результаты расчетов для помещений объемом 50 м3 представлены в таблице и на рис. 1. Принимая, что метод 5 является наиболее актуальным и достоверным так как, определяет Уп по действующему СП [3] и использует более точную формулу интенсивности испарения по экспериментальным данным коэффициентов диффузии, погрешность остальных методов будет определяется сравнением с методом 5. Таким образом, результаты расчета по методу 1 дают наибольшее отклонение и в среднем уменьшают объем ЛВЖ на 72,5 % относительно метода 5. Наименьшие различия и слегла завышенные значения, в среднем на 5,0 %, дают результаты метода 2, тоже опирающегося на актуальное
законодательство и использующего аддитивную формулу коэффициента диффузии при определении интенсивности испарения. В свою очередь, методы 3 и 4 также можно рекомендовать к использованию, но они дают немного большие отклонения. Результаты метода 3 выходят в среднем на 8,4 % выше
эталонных, а метод 4 дает значения в среднем ниже на 13,8% так как, использует более грубую формулу определения интенсивности испарения без учета коэффициентов диффузии, что и является причиной заниженных значений, исключением являются уксусная кислота и ацетон.
Таблица. Исходные данные и результаты расчетов
Вещество Чнп' об % Рнас, мм. рт. ст. Pmax, кПа D20, см2^ G, л
Метод 1 Метод 2 Метод 3 Метод 4 Метод 5
Акролеин 2,80 281,248 900 0,1039 0,15 0,52 0,57 0,48 0,52
Амилацетат 1,08 4,212 735 0,0599 6,86 29,21 29,78 23,34 29,20
Ацетон 2,70 184,108 570 0,1256 0,19 1,21 1,36 1,11 0,99
Бензол 1,43 74,903 880 0,0895 0,34 1,42 1,23 1,04 1,13
Бутанол 1,80 5,063 720 0,0841 6,77 26,77 30,03 23,47 27,72
Гексан 1,24 121,285 850 0,0742 0,22 0,74 0,76 0,56 0,69
Гептан 1,07 35,480 843 0,0682 0,71 2,45 2,46 1,80 2,25
Декан 0,70 1,225 900 0,0516 17,73 61,24 56,72 41,13 57,13
1,2-дихлорэтан 6,20 62,733 650 0,0829 1,91 3,43 6,24 5,66 5,87
Изопентан 1,36 574,439 900 0,0784 0,05 0,15 0,16 0,12 0,15
Изопрен 1,70 455,639 660 0,0840 0,07 0,31 0,31 0,24 0,29
Изопропанол 2,23 33,038 634 0,0955 1,13 5,35 6,21 4,96 5,73
Метанол 6,98 95,767 620 0,1492 0,78 3,25 4,01 3,54 3,58
Нонан 0,78 3,367 900 0,0559 6,64 22,75 21,62 15,71 21,23
Октан 0,90 10,472 900 0,0563 2,44 7,50 7,32 5,33 7,57
Пентан 1,47 424,056 850 0,0816 0,07 0,22 0,24 0,17 0,21
Пиридин 1,80 14,562 950 0,0819 2,42 7,06 7,08 5,91 6,95
п-ксилол 1,10 6,611 765 0,0656 4,06 16,79 14,71 11,62 14,69
Пропанол 2,30 14,785 900 0,0925 2,69 7,98 9,25 7,39 8,82
Стирол 1,10 5,350 650 0,0776 4,24 26,26 22,50 18,05 19,48
Толуол 1,27 21,803 634 0,0861 1,08 6,68 5,76 4,76 4,92
Уксусная кислота 4,00 11,751 900 0,1217 4,48 19,00 23,22 19,83 17,99
Хлорбензол 1,40 9,260 558 0,0723 3,35 20,93 21,15 18,44 20,56
Циклогексан 1,30 77,523 860 0,0736 0,36 1,19 1,22 0,90 1,14
Этилбензол 1,00 7,254 900 0,0657 3,36 12,72 11,14 8,80 11,13
Рис. 1. Максимально допустимое количество ЛВЖ для помещений объемом 50 м3
Продолжение рис. 1 Максимально допустимое количество ЛВЖ для помещений объемом 50 м3
Так же в ходе исследования была выявлена следующая закономерность: наиболее опасными ЛВЖ, которые необходимо хранить в небольших количествах для отнесения помещений к категориям В, являются жидкости, имеющие отрицательную температуру вспышки, зависящую от количества и видов атомных связей в молекулах веществ.
Заключение
По данным наблюдениям, можно с уверенностью сказать, что для определения максимально допустимого количества ЛВЖ при отнесении помещений к категориям В наиболее точным и лучшим выбором при отсутствии
экспериментальных данных является расчет по методу 2, использующий аддитивную формулу коэффициента диффузии. Метод 1, основанный на СНиП П-М.2-72, является неактуальным и дает сильно заниженные результаты. Метод 3 так же дает достаточно близкие к эталонным значения и рекомендуется к использованию. А метод 4 может послужить хорошей альтернативой при отсутствии значений коэффициентов диффузии, но необходимо принимать во внимание, что расчетные значения могут оказаться заниженными.
Список литературы
1. US Chemical Safety and Hazard Investigation Board [Электронный ресурс] сайт. — URL http://www.csb.gov. (дата обращения 18.05.2022).
2. СНиП П-М.2-72. Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования, 1972 г.
3.СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности, 2009 г.
4. Г.В. Макаров, Л.М. Пустовалова, А.Г. Федякин. Методические указания по определению категории лабораторий и помещений МХТИ им. Д.И. Менделеева по взрывной, взрыво-пожарной и пожарной опасности // МХТИ им. Д.И. Менделеева -1977, 15 с.
5. А. Я. Корольченко, Д.А. Корольченко. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Асс. «Пожнаука», 2004 г. - Ч.2. - 774 с.
6. Учебно-методическое пособие, Методы расчета показателей пожарной опасности газов и жикдостей.// УВАУ ГА, Ульяновск, 2005, с. 37.
7. В. М. Рамм. Абсорбция газов // Химия - 1976.- с. 70-72.
