Уменьшение взрывопожарной опасности очистных сооружений производственной канализации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 614.83+614.84:628.33

Б.Н. Яковлев УМЕНЬШЕНИЕ ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ КАНАЛИЗАЦИИ

Оценена возможность возникновения взрывоопасных ситуаций путем прямых расчетов, выполненных последовательно для наиболее очевидных случаев. Даны рекомендации по необходимой вентиляции воздушных зон нефтеловушек, расположению начального нефтесборника и оптимальной скорости движения стоков в очистных сооружениях.

B.N. Yakovlev LIMITATIONS OF DISPOSAL PLANTS’ EXPLOSIVE SITUATIONS

The possibility of the origin of explosive situations was evaluated by way of direct calculation, executed in succession for the most obvious situations. Recommendations are given on necessary ventilation of the air zones of oil removers, location of the initial crude (oil) collector and optimum velocity of the sewer flow in disposal plants.

При работе нефтеловушек на нефтеперерабатывающих предприятиях нефть и нефтепродукты попадают в них в диспергированном виде. Архимедовы силы заставляют их частицы всплывать, причем крупные частицы всплывают гораздо быстрее мелких и мельчайших. В результате на свободной поверхности потока воды образуется слой нефтепродуктов, имеющий некоторую толщину (обычно не более 10 см), которая является переменной по длине нефтеловушки h=h(x) (рис. 1).

Рис. 1. Испарение легких фракций с поверхности стоков в окружающую среду

Толщина h распределена вдоль нефтеловушки по некоторому закону. Можно было бы предположить, что из-за непрерывного поступления к слою и слияния с ним мелких частиц нефтепродуктов, толщина слоя должна была бы постепенно увеличиваться. Однако этот процесс нарушается из-за наличия в слое нефти и нефтепродуктов легких легкоиспаряемых фракций, например бензина и др. Их количество, как свидетельствуют результаты натурных обследований [1], составляет примерно 5% от объема нефтепродуктов в промстоках. Эти фракции при равенстве размеров всплывают несколько быстрее, чем тяжелые, поэтому можно предположить наличие тонкого слоя легких фракций на поверхности слоя нефти и нефтепродуктов. Поступающие к нему мелкие фракции или всплывающие из придонной зоны, продолжают всплывать и в слое нефтепродуктов и сливаются со слоем легких фракций. Суммарная его толщина не превышает 0,5 см.

Из слоя легких фракций начинается их испарение в окружающую среду. При этом в тонком слое у свободной поверхности быстро образуется слой, насыщенный парами фракций с концентрацией насыщенных паров КНП. Через этот слой пары легких фракций распространяются в воздушный объем нефтеловушек. Со временем над нефтеловушкой образуется слой смеси воздуха с парами легких фракций нефтепродуктов (ПВС) переменной концентрации K=K(Z). За счет испарения легких фракций толщина их слоя (толщина общего слоя нефтепродуктов) несколько уменьшится.

Процесс перемещения слоя нефтепродуктов к нефтесборнику в первом приближении схематизируем следующим образом. На некотором расстоянии от начальной, входной части нефтеловушки будем считать слой нефтепродуктов в основном сформированным, а легкие фракции расположены тонким слоем на его поверхности. С точки зрения пожарной и взры-вобезопасности, желательно обеспечить такие условия, при которых концентрация легких фракций в воздушной зоне нефтеловушки была бы меньше нижнего предела воспламенения, КНКПР, а слой легких фракций испарился бы полностью до нефтесборника. Последнее требование предусматривает понижение взрывопожароопасности в местах отведения нефтепродуктов (тяжелых фракций), уловленных нефтесборниками.

а) Случай испарения легких фракций нефтепродуктов в замкнутое пространство

Этот случай ближе всего подходит к хранению нефтепродуктов в закрытых емкостях, в которых по истечении некоторого времени пространство над свободной поверхностью нефтепродуктов будет заполнено смесью воздуха с насыщенными парами легких фракций. Если

перейти к случаю, когда свободное воздушное пространство нефтеловушки заполнено неподвижным воздухом, то развитие ситуации с взрывоопасностью оценивается следующим образом.

Определим скорость испарения бензина в неподвижный воздух. Для расчетов примем следующие исходные данные: средний молекулярный вес паров бензина Мб ср=100; удельный вес бензина - 0,73; давление насыщенных паров при £=20°С - Рб=266 мм рт. ст.

Коэффициент диффузии Д0 оказывается равным:

0,8 2 _ -1

а при температуре 20°С

Д0 = 0,08 см с -1 , (1)

0 л/100

°2» = °0' ( Ц) = 0’092 см2-с -1 . (2)

Молекулярный объем при температуре испарения, равной 20°С, определится из зависимости:

у = у (1+«• £) , (3)

3

где У0 - объем грамм-молекулы в см при 0°С и В=760 мм рт. ст.;

1 + 20а = 1,073 (при а ~ 0,00367).

Тогда У20 = 1073Уо = 1,073* 22414 = 24050 см3.

Определим весовую скорость испарения бензина при В=750 мм рт. ст.:

В 750

О = 13,6л/м ■ 1е----= 13,6ТШ0 ■ 1е---—— = 136 ■ 1е 1,53 = (4)

В - Р, 750 - 260

= 25,02 кг(ч^м2) -1 = 0,00695 кг(с^м2) -1.

Нижний предел воспламенения паров бензина составляет примерно 0,8-1,0% по объему [2, 3, 4]. Это создает опасность достижения взрывоопасных концентраций паров бензина в воздушных застойных зонах сооружений за достаточно короткое время.

По формуле [5] получим (при г=50 см):

^ = 4 ■ г ■ 1п —— = 4 ■ 50 ■ 0,092^00- 2,3 ■ = 0,0324 гс -1 (5)

У( В - Р8 24050 490

3,14 2 9—1

с площади в -4- = 0,785 м или g = 0,0414 г-(с-м ) .

Время, в течение которого в объеме воздуха WB образуется взрывоопасная концентра-

ция паров бензина, определяется соотношением:

£ = 0,5 ■ Кнкпр ■ WB (6)

О

Если высота воздушного пространства нефтеловушки равна Н м, то объем воздуха на

2 3 2 -1

1 м площади зеркала жидкости составит Н м . Тогда при 0=0,0414 г-(с-м ) и

КНКПР=32,5 г-м -3, время £ будет равно:

, = а5-32.5■ н = 392■ н , с.

0,0414

Если Н=1 м (в нефтеловушке закрытого типа), то £=392 с=6,53 мин=0,11 ч. Эта величина несопоставимо меньше времени функционирования нефтеловушки. Исходя из этих данных, можно заключить, что отсос объема ПВС над свободной поверхностью Н Ь В=

3 1ч _ 1 _

= 1-30-9 = 270 м , кратностью — = 0^ = 9,09 раз за час предотвратит образование взрывоопасной ПВС в воздушной зоне нефтеловушки. Нормами [6, 7] предусмотрена при расчете их вентиляция, близкая к полученной величине - трех- пятикратная замена воздуха. По-видимому, они были разработаны из подобных оснований. Для условий примера, объем от-

3 -1 3 -1

сасываемого воздуха составил - 9■270=2430 м •ч =0,675 м •с . Примерно к такому же результату придем, воспользовавшись данными [8], согласно которым для образования взрывоопасной концентрации в объеме 10 м3 воздуха при температуре г +20°С потребуется испарить 0,24 л бензина за 1,7 часа. При этом весовая скорость испарения бензина будет равна

£ = 0,24 л ■760 г ■д1 = 0,0298 г-(с-м2) -1 ~ 0,03 г-(с-м2) -1.

3600 ■ 1,7 с

Тогда время образования взрывоопасной смеси при Н = 1м составит

1м2 ■!32,5г■ м-3 ,пооо по

г =------------г-----= 1083,3 с = 0,3 ч.

0,03г■(с■ м2) 4м2

Эти результаты имеют тот же порядок и требуют обеспечения такой же кратности сменяемости объема воздуха в воздушной зоне. Однако сам процесс вентиляции пространства (помещения, сооружения) приведет к движению воздуха с небольшой скоростью.

б) Случай функционирования нефтеловушек при малых скоростях

движения воздушной среды

При учете влияния подвижной среды, в которую испаряется жидкость, скорость испарения значительно возрастает. В том числе она зависит и от режима движения воздуха. Обычно он является турбулентным. Рассмотрим, что произойдет в воздушной зоне, в которой воздух перемещается поперек потока в ловушке с малой скоростью. Например, в случае, если скорость движения воздуха составит УВ=0,1 м-с _1, то весовая скорость испарения возрастает до значения, определяемого по формуле:

£ = М-(0,352 + 0,786 • Ув) • Р, • ^ -10-3 ; (7)

£ = 100-(0,352 + 0,786 • 0,1)-260 • 0,001 кг-(ч-м2) -1 =

= 11,2 кг-(ч-м2) -1 = 0,031 кг-(с-м2) -1 = 3,1 г-(с-м2) -1.

Тогда время образования взрывоопасной концентрации паров бензина будет равно, при Н=1,0 м по формуле (6):

0,5 ■ 32,5 1 СЛС г = —------— = 5,25 с .

3,1

Если предположить, что пары бензина перемещаются с воздухом со скоростью УВ=0,1 м-с-1 вдоль свободной поверхности, то они за время г=5,25 с переместятся всего лишь на расстояние 0,1-5,25=0,525 м. Очевидна опасность быстрого возникновения взрывоопасной ПВС. Получается, что само по себе движение воздуха лишь ускоряет образование взрывоопасной ситуации. В данном случае кратность замены воздуха в свободном объеме нефтеловушки при его вентиляции составит 3600/5,25=686. Это потребовало бы отсоса ПВС в объеме 270-686=185220 м3-ч-1=51,45 м3-с-1.

в) Определение значения поперечной скорости движения воздуха, предотвращающей образование взрывоопасной концентрации паров

легких фракций над очистными сооружениями

Влияние скорости движения воздушной среды на скорость испарения в неё различных жидкостей учитывается, в основном, рядом эмпирических и полуэмпирических формул. Ре-

жим движения воздуха, как правило, является турбулентным. Будем предполагать, что при организации принудительной вентиляции воздушной зоны нефтеловушки выгоднее всего осуществлять поперечное по отношению движения потока в нефтеловушке движение воздуха со скоростью Уу. Определим значение скорости Уу над свободной поверхностью потока в нефтеловушке, перемещающегося в направлении оси X со скоростью У (рис. 2).

■2

нефг тру( гесборная 5а /нефтесборник/ ^ X

"^УУ///'-'/// ■ ////)

Ь

Рис. 2. Изменение толщины слоя легких фракций по длине сооружения

Пусть нефтеловушка состоит из п секций шириной Ь каждая. Тогда ширина нефтеловушки составит В=пЬ. Для простоты предположим, что основная часть легких фракций нефтепродуктов расположена на их слое уже на небольшом расстоянии от входной части нефтеловушки. Обозначим начальную толщину слоя легких фракций Нл.ф.н.. Толщина клф за счет испарения будет непрерывно уменьшаться в направлении оси X и на некотором расстоянии Ь может выклиниться.

Задачу расчета разделим на две:

- первая заключается в определении скорости воздуха Уу, при которой в воздушной зоне высотой Н взрывоопасная концентрация достигнута не будет;

- вторая заключается в определении длины зоны выклинивания слоя легких фракций нефтепродуктов Ь, то есть расстояния, на котором все они испарятся, и толщина слоя НЛшф. примет нулевое значение. Это необходимо знать для определения рационального размещения нефтесборников. Рассмотрим это на следующей схеме (рис. 3).

Рис. 3. Схема испарения легких фракций из зоны выклинивания

—1 2 —1 Пусть скорость испарения в г-с с единицы площади составляет g [г-(с-м ) ]. Тогда с

элементарной площадки свободной поверхности в нефтеловушке dy (рис. 3) за время & выделятся пары бензина весом

¿у,

Уу

¿О = g• ¿у• ¿ґ . (8)

При наличии поперечного ветра со скоростью Ув = Уу они будут за время, равное

, перенесены к границе площадки. За следующий такой же интервал времени к границе

площадки поступит с этой же полоски такое же весовое количество паров, но к нему добавится еще одно такое же весовое количество паров, выделившихся с соседней полоски той же ширины йу. Вес переносимых ветром паров бензина, таким образом, будет нарастать до тех пор, пока этой границы не достигнут пары, выделившиеся с полоски йу у противоположного борта нефтеловушки. С этого момента времени вес паров, пересекающих границу нефтеловушки, стабилизируется (рис. 4).

6

Рис. 4. График изменения веса паров бензина, пересекающих боковую границу нефтеловушки

Определим его величину. Возьмем за интервал времени величину йу/Ув. Тогда йО можно представить в виде:

йу

¿О = g •А Ь • ¿у •

Уу

Интегрируя данное выражение, получим соответственно:

в ґ

О = Л g •А Ь • йу • ¿ґ = g • АЬ • В • ґ

0 0

или

О = В В g -А Ь • ¿у • ¿у = g • А Ь • в 2

І І Уу Уу ' '

(9)

(10)

(11)

Очевидно, что выражения (10) и (11) идентичны. Действительно, принимая во внимав

ние, что Ь = —, подставляя это значение в (10), получим (11).

уу

Размерность о

2

г м • м

2

с

составляет [г]. Тогда весовая концентрация перемещае-

с • м м

мых через рассматриваемое сечение паров бензина, в объеме воздуха ШВ=И■ АЬ■ В составит:

К =

О

g •А Ь • В

g • в

g • в

0,5 • Wв Уу • 0,5 • Н •А Ь • В 0,5 • Уу • Н • В 0,5 • Уу • Н

(12)

Она должна быть меньше концентрации, соответствующей нижнему пределу распространения пламени (воспламенения), К<КНКПР.

Отсюда можно определить значение скорости воздуха, требуемой для того, чтобы состояние воздушного пространства нефтеловушки было бы взрывобезопасным. Из зависимости (12) получим, что

Vy <-----—-------м-с -1. (13)

0,5 ■ Кнкпр - H

Рассмотрим это на примере. Применительно к нашим условиям, рассмотренным в

2 —1 —3

пункте б), когда g = 3,1 г-(с-м ) , если B = 9м и Н=1,0м, при КНКПР = 32,5 г-м , получим:

т, 3,19,0 -1

Vy =----------= 1,66 м-с .

0,5-32,5-1

Ясно, что полученный объем ПВС должен удаляться из воздушной зоны нефтеловушки.

Объемная производительность вентиляционных установок должна составлять (с запасом):

g - B - Н - L g - B - L

Q = Vy-H-L = g B H L = g B L , (14)

05-К H 05-К

0,5 K НКПР H 0,5 K НКПР

где L - длина нефтеловушки.

Отсюда следует, что величина Q не зависит от высоты Н. Для условий примера (при L=30 м) Q=1,66-1-30=49,8 м3-с -1. При L=36 м, Q=1,66-1-36=59,76 м3с -1 ~ 60 м3с -1.

Если объем ПВС удалять не полностью, а заменить, например, лишь половину объема воздуха, то взрывоопасная концентрация ПВС будет достигнута (при продолжающейся работе нефтеловушек) за время, вдвое меньшее, и т.д. Следовательно, вывод о необходимости полного удаления образовавшегося объема ПВС окажется справедливым.

г) Определение длины выклинивания слоя легких фракций нефтепродуктов

Если максимальная толщина слоя легких фракций в начале нефтеловушки составляет ^л.ф.н., то в начальный момент времени t=0 вес легких фракций можно оценить на длине в

1,0 м и ширине потока в 1,0 м:

G = ^.ф.н. ^1м 7л.ф. гм = Ул.ф/ ^.ф.н. [г] . (15)

При весовой скорости испарения равной g, для полного испарения этого слоя потребуется время t

= G ■фЛф“- , (16)

gg

где g - весовая скорость испарения, г-(с-м2) -1.

За время испарения слой до своего исчезновения пройдет путь Lwcu вместе с потоком, движущимся в нефтеловушке со скоростью V, Lncn = V tncn .

Если для допускаемых (предельных) параметров нефтеловушек принять слой нефтепродуктов равным ^.п=10 см, слой легких фракций в 5% от него, то есть ^.ф.н=0,05 ^.п., то

при ул.ф=730 гл -1 и весовой скорости испарения g = 3,1 г-(с-м2) -1 получим

730-0,05-10 ллппл t,_ =----J-------= 1177,4 с.

исп

3,1

Тогда при V=1 см-с-1 ^ Ьисп=1177^ 1=11,77 м ~ 12 м, а при V=0,3 смх -1, длина Ьисп= 1177,4 • 0,3=353 см = 3,53 м.

Отсюда следует:

- во-первых, рекомендация, при наличии принудительной вентиляции помещения располагать первый - начальный нефтесборник на расстоянии Ь, определяемый предлагаемым способом;

- во-вторых, этот расчет позволяет уточнить необходимую производительность по объему удаляемого из воздушной зоны воздуха. Она составит:

О = 8 В' Ьисп . (17)

0,5 • К нкпр

Для рассматриваемого случая оказывается, что при У= 1 см-с -1

^ 3,1 • 9,0 • 12 3-1

О =-----------= 20,6 м •с ,

0,5 • 32,5

а при У=0,3 см-с -1

_ 3,1 • 9 • 3,53 3 -1

О =-----------= 6,06 м-с .

0,5 • 32,5

Следовательно, можно заключить, что с точки зрения оптимальной организации принудительной вентиляции целесообразно назначать скорость течения в нефтеловушках по нижнему пределу, то есть принимать У= 0,3 см-с -1.

Выводы

1. Для уменьшения взрывопожарной опасности канализационных очистных сооружений в результате проведенных расчетов получена величина объемной производительности вентиляции, необходимой для удаления парогазовоздушных смесей горючих веществ из воздушных зон нефтеловушек и отстойников.

2. При наличии принудительной вентиляции воздушных зон нефтеловушек и отстойников необходимо располагать начальный нефтесборник с поверхности промстоков на расстоянии от 3,5 до 12 м от начала очистного сооружения, в зависимости от скорости движения стоков в сооружении - от 0,3 см-с -1 до 1 см-с -1.

3. Для оптимальных условий организации вентиляции и снижения взрывопожаро-опасности очистных сооружений целесообразно проектировать скорость движения сточных вод в нефтеловушках и отстойниках: У=0,3 см-с -1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Яковлев Б.Н. Взрывная, пожарная и экологическая опасность канализационных очистных сооружений / Б.Н. Яковлев. Саратов: СГТУ, 2001. 104 с.

2. Пожарная опасность веществ и материалов: справочник / под общ. ред. И.В. Рябова. М.: Стройиздат, 1966. Ч. 1. 244 с.

3. Пожарная опасность веществ и материалов: справочник / под общ. ред. И.В. Рябова. М.: Стройиздат, 1970. Ч. 2. 336 с.

4. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочное изд.: в 2 кн. / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. М.: Химия, 1990. Кн. 1. 496 с.; Кн. 2. 384 с.

5. Ведерников М.И. Основные методы теоретического определения количества газов и паров, выделяющихся из аппаратов и машин в химической промышленности / М.И. Ведерников, Л.И. Нужда, В.Н. Масленников // Очистка сточных вод и отходящих газов в химической промышленности / НИИТЭХИМ. М., 1970. Вып. 2. С. 23-36.

6. Межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации водопроводноканализационного хозяйства. ПОТ Р М-025.-2002. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. 96 с.

7. Строительные нормы и правила: СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 72 с.

8. Баратов А.Н. Некоторые вопросы категорирования промышленных предприятий по пожарной опасности / А.Н. Баратов // Химическая промышленность. 1974. № 3. С. 29-30.

Яковлев Борис Николаевич -

кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой «Эргономика и безопасность жизнедеятельности»

Саратовского государственного технического университета