Оценка возможности образования горючей среды при выходе веществ наружу из технологического оборудования, образующиеся при нормальном функционировании технологического процесса

При эксплуатации технологического оборудования, в котором обращаются легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, возможно образование горючей среды при выходе этих веществ наружу. Причем выход веществ может проходить как из нормально работающего технологического оборудования, так и при его повреждении.

Это может происходить при наполнении подземных резервуаров нефтепродуктами, а также при заправке автотранспортных средств на топливораздаточных колонках.

При сливе бензина из АЦ в подземные емкости взрывоопасные концентрации могут создаваться в цистерне бензовоза и на площадке АЗС, около дыхательных клапанов. Оценим возможность их образования в самое опасное время - летнее. В летний, наиболее жаркий период года, бензин в цистерне бензовоза во время его движения в дневное время за счет солнечной радиации может нагреться до 30 ⁰С и более, а сама цистерна (ее верхняя часть) до +35 - 40 ⁰С и более [21]. Концентрация паров бензина в цистерне бензовоза при его температуре 30 ⁰С будет насыщенной, так как при движении бензовоза происходит взбалтывание, перемешивание.

3.4.1 Расчет образования горючей среды при выходе веществ наружу при наливе в подземные емкости и зоны взрывоопасной загазованности

Расчет по бензину «Регуляр-92»:

Количество выходящих паров из заполняемой бензином емкости определяем по формуле.

, (3.3)

где V_н - объем поступающий в резервуар, м³; Vн =8 м³объем цистерны в бензовозе;

Р_р - рабочее давление, Па, Р_Р=Р₀=1·10⁵ Па;

Т_р - рабочая температура в резервуаре, 15 + 273 = 288К;

φ_s - концентрация насыщенного пара;

М - молярная масса бензина, кг/кмоль;

М = 98,2 кг/кмоль.

По уравнению В.П.Cучкова определяем давление насыщенного пара бензина.

(3.4)

где t_всп – температура вспышки, ⁰С.

кПа,

об.доли,

кг/цикл,

Объем взрывоопасной зоны определяем по формуле:

(3.5)

где К_б - коэффициент безопасности. К_б =2;

φ_н - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м³. Пересчет осуществляется по следующей формуле:

, (3.6)

где φ = 0,96%;

кг/м³,

, (3.7)

где V_t - молярный объем пара, м³/кмоль;

V₀ - молярный объем паров при н.у., м³/кмоль.

м³/кмоль

Размер зоны ограничивающей область концентрации превышающих φ_нкпр для паров ЛВЖ вычисляют по формуле 3.1:

Принимаем τ =0,5 час, тогда К= 1800/3600=0,5.

V_o - мольный объем, V_o=22,413 м³/кмоль;

м

, (3.8)

кг/м³

Аналогично производим расчет по бензину «Премиум-95».

Расчет по бензину «Премиум-95»:

Количество выходящих паров из заполняемой бензином емкости определяем по формуле 3.3.

По уравнению В.П.Cучкова 3.4 определяем давление насыщенного пара бензина.

кПа,

об.доли,

кг/цикл.

Пересчет осуществляется по следующей формуле 3.6:

кг/м³,

м³/кмоль,

Размер зоны ограничивающей область концентрации превышающих φ_нкпр для паров ЛВЖ вычисляют по формуле 3.1:

м,

кг/м³,

Как видно из расчетов показатели бензинов «Регуляр-92» и «Премиум-95» практически одинаковы, но с учетов более высокой опасности и выхода постановления Правительства РФ от 27.02.2008 №118, об утверждении Технического регламента «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, для реактивных двигателей и топочному мазуту»[22], топлива «Нормаль-80», «Регуляр-92» будут отменены и все расчеты будем производить по бензину «Премиум-95».

3.4.2 Расчет концентрацию паров бензина при открывании

горловины автоцистерны

При открывании крышки горловины автоцистерны некоторая часть паров бензина выйдет наружу, так как избыточное давление в свободном пространстве будет немного выше атмосферного 30 - 55 кПа. Определим количество этих паров и объем, в котором может образоваться локальная концентрация паров бензина около горловины цистерны бензовоза при открывании крышки. Определим количество паров бензина, выходящих наружу:

(3.9)

где Р_раб - рабочее давление в цистерне бензовоза, 130350 Па;

Р_атм - атмосферное давление, Р_атм =1·10⁵ Па;

φ_S – концентрации паров бензина, об. доли;

V_св – свободный объем цистерны, заполненной бензином на 90%;

м³, где 8 м³ - геометрический объем цистерны;

М - молекулярная масса паров бензина, 93,2 кг/кмоль;

Т_раб - рабочая температура бензина в цистерне бензовоза 273 + 30 = 303 К.

По уравнению В.П.Cучкова 3.4 определяем давление насыщенного пара бензина при + 30 ⁰С в бензовозе.

кПа,

об.доли,

кг.

Объем взрывоопасной зоны определяем по формуле 3.5:

ф_н - нижний концентрационный предел распространения пламени по формуле 3.6;

кг/м³,

м³/кмоль,

.

Вывод:Таким образом, открытие горловины автоцистерны большой опасности не представляет, так как такое количество паров бензина образуется кратковременно, только при контроле заполнения цистерны. Оператор открывает горловину автоцистерны на одну, две минуты. Пары бензина быстро рассеивается в атмосфере. При сливе из бензовоза бензина, в его цистерну через дыхательной клапан поступает воздух, который перемешивается с парами бензина и способен образовать взрывоопасную смесь в свободном объеме цистерны. С АЗС ООО «Нефтересурсы» бензовоз уезжает с взрывоопасной концентрацией паров в его цистерне. Бензин, нагретый до 30 ⁰С, сливается из цистерны в подземную емкость, температура жидкости, в которой в летнее время обычно не превышает 15 ⁰С. Концентрация паров в емкости в начале слива будет насыщенной и примерно равна φ_s=11,8%, что гораздо выше φ_ВРПР ⁼ 5,48% об и будет являться негорючей, то есть взрыва в подземной емкости с бензином при его температуре 15 ⁰С и выше произойти не может, даже при наличии источника зажигания.

Опасная ситуация может создаваться в летнее время на площадке, около дыхательных клапанов резервуаров, в которые производиться слив бензина из бензовоза при небольших скоростях ветра (0-1 м/с).

Технико-эксплуатационной документацией проекта АЗС предусматривается расположение дыхательных клапанов, через которые будет производиться выброс паров на высоте не менее 4,5 м. Этим создаются хорошие условия для рассеивания паров бензина в окружающую атмосферу, но при отсутствии ветра паровоздушная смесь оседает на территорию АЗС «Нефтересурсы» и создает угрозу вспышки паров бензина.

3.5 Расчет размеров зон взрывоопасных концентраций, при аварийном

поступлении горючих газов и паров в открытое пространство

Рассмотрим наихудший вариант – происходит пролив жидкости на горизонтальную поверхность при повреждении цистерны бензовоза. Бензовоз не подсоединен к трубопроводам слива.

Расчёт массы пролившейся жидкости будет находиться в соответствии с тем, что:

- вся жидкость, находящаяся в бензовозе поступает в окружающее пространство;

- жидкость растекается по поверхности не имеющей ограничений – отбортовки;

- приемные патрубки аварийного резервуара в закрытом положении.

Необходимо определить массу пролившейся жидкости. Формула расчёта массы жидкости:

(кг), (3.10)

где V_бенз – объём бензовоза, м³;

V_трк – объём насоса ТРК, м³;

ρ_б – плотность бензина равная 730 кг/м³.

Находим массу.

кг.

Зная, что 1 л. = 0,001 м³., переводим объём в литры

л,

Находим поверхность разлива F. В соответствии с НПБ 105-03 п.38г поверхность разлива принимается исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов разливается на площади 0, 15 м².

м². (3.11)

При повреждении автоцистерны масса жидкости, которая разольётся на горизонтальную поверхность будет равна 5840 кг, а площадь разлива будет составлять 1200 м².

Все производимые расчёты соответствуют требованиям НПБ 105-03[7,8].

Плотность паров ЛВЖ необходимо определить по следующей формуле 3.8:

Из ранее проведенных расчетов:

Бензин А-95

Условная формула С_6,742Н_11,898.

t_р = 30 С^о

τ = 120 с

Р_н=22,12486 кПа.

, (3.11)

где W – интенсивность испарения, кг/(с·м²);

F_u – площадь испарения (1200 м²);

t – продолжительность поступления паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в окружающее пространство, с.

Интенсивность испарения W определяется по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать W по формуле:

, (3.12)

где М – молярная масса, кг/кмоль;

Р_н – давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, определяемое по справочным данным в соответствии с требованиями [12] , кПа.

Определяем интенсивность испарения.

кг/кмоль,

кг/(с·м²),

Находим массу паров ЛВЖ поступивших в открытое пространство.

кг,

Определяем плотность паров ЛВЖ.

кг/м³,

Рассчитываем R_нкпр.

,

Из сделанных расчётов следует, что горизонтальный размер зоны, ограничивающей область концентраций, превышающих НКПР, составляет 239,07 м.

Определим размеры зоны, ограничивающие область концентраций, превышающей нижний концентрационный предел распространения пламени по вертикали:

м.

Величина избыточного давления ∆Р., кПа, развиваемого при сгорании газопаровоздушной смеси определяется по формуле:

, (3.13)

где Р_о – атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

m_пр – приведенная масса пара, газа, кг;

r – расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака, м.

Определяем m_пр.

Приведенная масса пара определяется из следующего соотношения:

, (3.14)

где Q_cr – удельная теплота сгорания пара, Дж/кг; 4,352·10⁷ Дж/кг;

m – масса горючих газов, паров, поступивших в окружающее пространство в результате аварии, кг;

Q_o – константа, равная 4,52·10⁶ для паров;

Z – коэффициент участия горючих веществ в горении (0.1).

кг

где r = 30 м.

Определяем избыточное давление ∆Р по формуле 3.13.

кПа,

Расчет импульса волны давления.

Величину импульса волны давления i, Па·с, вычисляем по формуле:

Па·с, (3.15)

Па·с,

Вывод:Размеры зоны, ограничивающие область концентраций, превышающей нижний концентрационный предел распространения пламени составит по горизонтали R_нкпр=90,9м, по вертикали Z_нкпр=3,3м, Избыточное давление составит ∆Р=861,52 кПа, Величина импульса волны составит Па·с.

3.6 Основные причины повреждения технологического оборудования

1) Образование повышенного или пониженного давления:

Повышенное либо пониженное давление в аппарате может образоваться по следующим причинам:

а) Нарушение материального баланса.

В свою очередь к нарушению материального баланса могут привести следующие причины:

– неравнозначная замена или нарушение нормального режима работы устройств, обеспечивающих подачу веществ в аппараты;

– увеличение сопротивления в технологических коммуникациях, по которым из аппарата отводятся горючие вещества;

– нарушение работы дыхательных устройств;

– переполнение аппаратов;

б) Нарушение теплового баланса;

К нарушению теплового баланса при эксплуатации технологического оборудования могут привести следующие причины:

– нарушение режима обогрева или охлаждения аппаратов;

– нарушение скорости экзотермических и эндотермических химических процессов;

– нарушение материального баланса;

– влияние внешних источников теплоты.

в) Нарушение процесса конденсации паров.

Нарушению процесса конденсации паров в аппаратах может способствовать:

– уменьшение или полное прекращение подачи хладогента;

– поступление хладоагента с более высокой начальной температурой;

– уменьшение коэффициента теплопередачи от пара к хладоагенту при сильном загрязнении теплообменной поверхности конденсаторов малотеплопроводными отложениями.

г) Подсоединение аппаратов с разным рабочим давлением.

Если аппарат работает при давлении, меньшем, чем давление питающего источника, то есть вероятность его повреждения при

– отсутствии или неисправности на соединительных линиях редуцирующих устройств и предохранительных клапанов;

– использовании для снижения давления обычной запорной арматуры.

д) Попадание в объем высоконагретых аппаратов легкокипящих жидкостей:

Вода или другая легкокипящая жидкость может попасть в высокотемпературные аппараты вместе с поступающим продуктом, через не плотности в теплообменных элементах аппаратов, при конденсации водяного пара в период продувки аппаратов перед их пуском. Может произойти интенсивное испарение жидкости, что приведет к резкому увеличению давления.

В технологическом оборудовании АЗС повышенное либо пониженное давление может образоваться по следующим причинам:

– неисправность оборудования линии наполнения (неисправность запорной арматуры, засорение трубопровода линии наполнения);

– неисправность дыхательных устройств резервуаров;

– переполнение резервуаров при их заполнении;

– неисправность запорной арматуры линии выдачи;

2) Воздействие динамических нагрузок.

Рассмотрим основные виды динамических воздействий, которые могут привести к механическому повреждению технологического оборудования:

а) Вибрация технологического оборудования.

Наибольшая опасность от вибрации возникает в том случае, если число колебаний возмущающей силы по своему значению приблизится к числу собственных колебаний или будет отличаться в целое число раз. При этом возникает явление резонанса.

б) Гидравлические удары.

Гидравлический удар - явление, которое возникает в результате резкого торможения движущегося потока жидкости или газа. Чаще всего происходит при быстром закрывании или открывании запорной арматуры, а также при внезапном изменении направления движения потока. Вследствие этого могут происходить значительные повреждения технологического оборудования.

в) Внешние механические удары.

Могут происходить из-за неосторожной работы внутрицехового транспорта, а также при неосторожной работе инструмента ударного действия.

Технологическое оборудование АЗС может быть повреждено при действии на него следующих динамических нагрузок:

– гидравлические удары (при резком открывании и закрывании запорной арматуры)

– внешние удары (при ремонте оборудования)

3) Эрозия.

Одной из характерных причин повреждения технологического оборудования является эрозия. Эрозия - это механический износ материала стенок резервуаров и трубопроводов, вызванный воздействием движущейся среды. Частицы вещества, ударяясь о материал стенки, разрушают ее поверхностный слой, что приводит к уменьшению толщины стенки, образованию каверн, кратеров, бороздок и т.п. В результате такого износа может происходить локальное повреждение оборудования.

4) Коррозия.

Коррозия - химическое воздействие, приводящее к износу и разрушению стенок аппаратов и трубопроводов. Химический износ - уменьшение толщины или прочности стенок оборудования в результате химического взаимодействия материала с обращающимися веществами, или внешней средой.