Zdroje vznícení, statická elektřina, exploze
Zdroje vznícení, statická elektřina, exploze
Zdroje vznícení, statická elektřina, exploze
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Bezpečnost chemických výrob<br />
N111001<br />
Petr Zámostný<br />
místnost: A-72a<br />
tel.: 4222<br />
e-mail: petr.zamostny@vscht.cz<br />
<strong>Zdroje</strong> <strong>vznícení</strong>, zkapalněné plyny,<br />
<strong>exploze</strong><br />
<strong>Zdroje</strong> <strong>vznícení</strong> v chemických procesech<br />
Riziko spojené se zkapalněnými plyny<br />
Charakteristiky explozí<br />
1.11.2011<br />
1
Prevence hoření<br />
Zabránění vzniku hořlavé směsi<br />
mimo meze výbušnosti<br />
pod bodem vzplanutí<br />
pod hranicí minimální koncentrace kyslíku<br />
+ Omezení výskytu iniciačních příčin<br />
nelze je zcela eliminovat<br />
= Robustní prevence požáru<br />
<strong>Zdroje</strong> <strong>vznícení</strong><br />
Elektrické jiskření (vinutí motorů)<br />
Kouření<br />
Horké povrchy<br />
<strong>Zdroje</strong> otevřeného ohně<br />
Sváření<br />
Mechanické jiskření<br />
Uvolnění tepla chemickou reakcí<br />
Výboje statické elektřiny<br />
Žhářství<br />
1.11.2011<br />
2
Minimální energie pro <strong>vznícení</strong><br />
Plamen, teplo<br />
ohřátí nad teplotu samo<strong>vznícení</strong><br />
Bodové zdroje (jiskry)<br />
musí mít minimální iniciační energii<br />
minimum ignition energy (MIE)<br />
nepřímo úměrná tlaku<br />
přídavek inertu zvyšuje MIE<br />
MIE = (0,1 mJ – 10 mJ)<br />
Běžné zdroje statických i mech. výbojů<br />
až 20 mJ<br />
Vznícení vlivem exothermní reakce<br />
Adiabatický teplotní ohřev reakce<br />
DT<br />
ad<br />
nrn<br />
rDH<br />
r<br />
<br />
V<br />
c w<br />
<br />
p,<br />
prod<br />
produkty<br />
prod<br />
n r … molární zlomek výchozí látky<br />
n r … stech. koeficient výchozí látky<br />
DH … reakční teplo<br />
c p … specifické teplo kapacita<br />
V … objem reakční směsi<br />
r … hustota<br />
1.11.2011<br />
3
Adiabatická komprese<br />
Adiabatickou kompresí plynu<br />
dochází ke zvyšování jeho teploty<br />
Zvýšením teploty nad teplotu<br />
samo<strong>vznícení</strong> může dojít k<br />
výbuchu<br />
Adiabatický teplotní nárůst lze<br />
spočítat z termodynamické rovnice<br />
adiabatické komprese<br />
Statický náboj<br />
T<br />
1<br />
1<br />
/ <br />
P 1 T0<br />
<br />
<br />
<br />
P0<br />
<br />
T 0 počáteční teplota<br />
T 1 konečná teplota<br />
P 0 počáteční tlak<br />
P 1 konečný tlak<br />
P V C C <br />
Elektrický náboj se akumuluje na povrchu tuhých<br />
materiálů<br />
Vznik náboje statické elektřiny<br />
Kontakt dvou materiálů<br />
Migrace elektronů<br />
Přerušení kontaktu – opačně nabité povrchy<br />
Vliv dielektrických vlastností materiálů<br />
2 dobré vodiče<br />
elektrony velmi mobilní – malý náboj<br />
alespoň 1 špatný vodič<br />
elektrony málo mobilní – velký náboj<br />
Uvolnění statického náboje - jiskra<br />
1.11.2011<br />
4
Příklady vzniku náboje<br />
Domácnost<br />
čištění bot na rohožce<br />
česání vlasů<br />
svlékání svetru<br />
Průmysl<br />
čerpání nevodivé kapaliny trubkou<br />
míchání emulzí<br />
doprava sypkých látek<br />
tryskání páry na neuzemněný vodič<br />
Vznik statického náboje (1)<br />
kovová<br />
miska<br />
Izolovaná podložka<br />
suchá celulóza<br />
~10 g<br />
100 V<br />
1.11.2011<br />
5
Vznik statického náboje (2)<br />
kovová<br />
miska<br />
xylen<br />
~100 ml<br />
nálevka<br />
Izolovaná podložka<br />
100 V<br />
Vznik náboje prouděním<br />
+ + + + +<br />
- - -<br />
- -<br />
+ + + +<br />
Nerovná distribuce elektronů na rozhraní trubky a<br />
tekutiny<br />
Vzniká elektroforetický proud<br />
2<br />
frv<br />
r<br />
0<br />
Is <br />
2 <br />
1.11.2011<br />
6
Napětí vzniklé prouděním<br />
skleněná trubka<br />
+ +<br />
+ 1<br />
2<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+ + +<br />
+<br />
+<br />
+<br />
skleněná nádoba<br />
kovová trubka<br />
Vliv režimu proudění<br />
Laminární proudění<br />
10 0 l/min<br />
Re ~ 10 3<br />
U = 0.05 V<br />
Hadice<br />
l = 6 m<br />
d = 5 cm<br />
Vznik elektrického<br />
proudu prouděním v<br />
trubce<br />
Přenos náboje do<br />
zásobníku<br />
I If<br />
, v,<br />
<br />
s<br />
Vytvoření napětí mezi<br />
konci skleněné trubky<br />
I R<br />
U s<br />
R <br />
L<br />
C A<br />
Turbulentní proudění<br />
5*10 2 l/min<br />
Re ~ 3*10 5<br />
U = 500 V<br />
r<br />
1.11.2011<br />
7
Vliv vodivosti kapaliny<br />
Srovnatelné<br />
podmínky<br />
Mírně vodivá<br />
kapalina<br />
μ = 1e -6 ohm -1 cm -1<br />
U = 20 V<br />
Nevodivá kapalina<br />
μ = 1e -10 ohm -1 cm -1<br />
U = 2 kV<br />
Procesní zařízení jako kondenzátor<br />
Kondenzátor<br />
paralelně<br />
orientované<br />
povrchy které<br />
nejsou propojeny<br />
vodičem a nejsou<br />
uzemněné<br />
mohou uchovávat<br />
značně velký náboj<br />
Kapacita<br />
Q<br />
C <br />
U<br />
Objekt<br />
Nářadí, pivní<br />
plechovka<br />
Kapacita<br />
F 10 12<br />
5<br />
Barel 20<br />
500 l nádrž 100<br />
Člověk 200<br />
Automobil 500<br />
Cisternový vůz 1000<br />
1.11.2011<br />
8
Havarijní scénář<br />
TI<br />
smaltovaný<br />
povrch<br />
kovový plášť<br />
Exploze - pojmy<br />
Hoření při kterém je rychlost uvolňování energie<br />
tak velká, že vzniká tlaková vlna<br />
Deflagrace<br />
rychlost šíření menší než rychlost zvuku (344 m/s)<br />
tlaková vlna ~ 10 0 atm.<br />
charakteristická pro běžné hořlavé materiály<br />
Detonace<br />
rychlost šíření větší než rychlost zvuku<br />
tlaková vlna ~ 10 1 atm.<br />
charakteristická pro výbušniny<br />
1.11.2011<br />
9
Deflagrace a detonace<br />
počátek<br />
produkty<br />
hoření<br />
Deflagrace<br />
Detonace<br />
produkty<br />
hoření<br />
reakční zóna<br />
tlaková vlna<br />
p<br />
vzdálenost<br />
vzdálenost<br />
Experimentální indikace detonace<br />
p<br />
1.11.2011<br />
10
Chování explozí<br />
Deflagrace<br />
Detonace<br />
Chování explozí<br />
velký rozsah<br />
poškození<br />
málo střepin<br />
lokalizované<br />
poškození<br />
velké množství<br />
úlomků<br />
Ohraničená <strong>exploze</strong><br />
Uvnitř budovy nebo jiného uzavřeného<br />
prostoru<br />
Velká část energie se podílí na tlakové vlně<br />
Neohraničená <strong>exploze</strong><br />
Ve volném prostoru<br />
2 – 10 % energie se podílí na tlakové vlně<br />
typický scénář VCE (Flixborough)<br />
1.11.2011<br />
11
Exploze oblaku par (VCE)<br />
Charakteristika<br />
Pravděpodobnost <strong>vznícení</strong><br />
roste s velikostí oblaku<br />
Turbulentní míchání par a<br />
vzduchu zvyšuje<br />
pravděpodobnost a účinky<br />
<strong>exploze</strong><br />
Jediná prevence<br />
zabránit úniku par<br />
BLEVE<br />
Boiling liquid expanding vapor explosion<br />
Při prasknutí nádrže pod tlakem obsahující kapalinu<br />
nad normálním bodem varu<br />
Typický scénář<br />
Požár v sousedství nádrže s hořlavou kapalinou<br />
Ohřívání stěn nádrže a kapaliny uvnitř, zvyšování<br />
tlaku par<br />
Přehřátí materiálu nádrže nad hladinou kapaliny do té<br />
míry, že není schopen odolat tlaku par<br />
Prasknutí nádrže a explozivní odpaření části obsahu<br />
1.11.2011<br />
12
Mexico City, 1984<br />
BLEVE v zásobnících zkapalněných<br />
rafinérských plynů (LPG) způsobilo 650<br />
úmrtí a přes 6400 zraněných. Celkové<br />
škody pro firmu byly odhadnuty na 31<br />
mil. USD.<br />
Boiling Liquid Expanding<br />
Vapor Explosion<br />
Při rychlém zahřívání (např. působením<br />
okolního požáru) zásobníku zkapalněného<br />
plynu pod tlakem dochází k odpařování<br />
kapaliny a dalšímu růstu tlaku, který může vést<br />
až k protržení stěny zásobníku. Nastane-li<br />
taková situace dochází k rychlému poklesu<br />
tlaku, který vede k prudkému varu kapaliny<br />
bez nutnosti dodávky tepla z okolí. Prudké<br />
odpařování může přerůst v mechanickou<br />
explozi. Je-li skladovaný plyn hořlavý<br />
představuje jeho <strong>vznícení</strong> další riziko.<br />
1.11.2011<br />
13
Postup havárie<br />
Sklad LPG, kapacita<br />
16000 m 3<br />
Prasklé potrubí<br />
Pomalu se rozšiřující<br />
polštář plynu<br />
Vznícení plynu od fléry<br />
Rozšíření požáru zpět k<br />
zásobníkům<br />
BLEVE<br />
Charakteristika zkapalněného plynu<br />
Latentní<br />
teplo<br />
(g)<br />
(l)<br />
Q mc p T D <br />
dQ mc pdT<br />
p<br />
0<br />
p<br />
p skl<br />
p atm<br />
0 T p T <br />
2<br />
1<br />
T2 T1<br />
<br />
DH výp <br />
exp<br />
RT2T1<br />
T V<br />
DT<br />
T skl<br />
0 B<br />
ln<br />
p A<br />
T C<br />
T<br />
1.11.2011<br />
14
Adiabatický var<br />
Latentní teplo<br />
Q mc pT<br />
sklad Tv<br />
<br />
Teplo potřebné na odpaření<br />
Q mDH<br />
v<br />
Množství odpařené kapaliny – rovnováha<br />
Q mc p Tsklad Tv<br />
<br />
mv<br />
<br />
DH<br />
v DH<br />
v<br />
Podíl odpařené kapaliny<br />
m c p Tsklad Tv<br />
<br />
v fv<br />
<br />
dm<br />
m DH<br />
v<br />
mc p<br />
<br />
DH<br />
Schéma modelového procesu<br />
3<br />
odběr<br />
1<br />
2<br />
zásobník<br />
3<br />
plnění<br />
cisterna<br />
v<br />
dT<br />
1.11.2011<br />
15
Havarijní scénáře<br />
1<br />
2<br />
3<br />
Pomalý únik z parního prostoru<br />
uniká pouze pára<br />
je přerušeno pouze potrubí, nebo je<br />
otvor v zásobníku malý<br />
Rychlý únik z parního prostoru<br />
unikající pára vynáší kapky kapaliny,<br />
popř. pěnu<br />
Únik z kapalinového prostoru<br />
vytéká kapalina až do úrovně otvoru<br />
Scénář 1 - Pomalý únik z parního<br />
prostoru<br />
Charakteristika<br />
malý otvor v parním prostoru zásobníku, v<br />
odběrovém potrubí, nezavřený ventil, …<br />
Děje<br />
postupný pokles tlaku až na úroveň<br />
atmosférického<br />
adiabatický var – spotřeba latentního tepla<br />
klasický var dodávkou tepla z okolí po<br />
ochlazení kapaliny až na teplotu normálního<br />
bodu varu Q = A K (T atm – T v)<br />
1.11.2011<br />
16
Scénář 1 - Závěry<br />
Nebezpečnost plynu roste s klesajícím<br />
bodem varu<br />
Nebezpečnost zařízení roste s rostoucím<br />
tlakem<br />
Rychlost určující kroky<br />
1. a 2. fáze odpor únikové cesty, v 1. fázi i<br />
přetlak<br />
prostup tepla z okolí<br />
Scénář 2 – Rychlý únik z parního<br />
prostoru<br />
Charakteristika<br />
větší otvor v parním prostoru zásobníku<br />
Děje<br />
dvoufázový únik (je-li rychlý dojde k BLEVE)<br />
jemně rozptýlená kapalina se velmi rychle vypaří<br />
(vzniká oblak par)<br />
po úniku části kapaliny může přejít ve scénář 1<br />
Rychlost určující krok<br />
odpor únikové cesty<br />
1.11.2011<br />
17
Scénář 3 – Únik z kapalinového<br />
prostoru<br />
Charakteristika<br />
otvor v kapalinovém prostoru zásobníku<br />
Děje<br />
tryskání kapaliny až po úroveň otvoru<br />
tlak v parním prostoru děj výrazně urychluje<br />
mžikový odpar části tryskající kapaliny<br />
pokračuje scénářem 1 nebo 2<br />
Rychlost určující krok<br />
odpor únikové cesty<br />
přetlak<br />
Přehřáté kapaliny<br />
Velmi podobné chování<br />
Oproti zkapalněným plynům je opačný směr<br />
výměny tepla s okolím<br />
kapalina teplejší než okolí<br />
roste nebezpečí samo<strong>vznícení</strong><br />
pomalé scénáře úniků jsou mírnější vlivem<br />
ochlazování<br />
Aplikace<br />
vysokotlaké reaktory<br />
destilace za zvýšeného tlaku<br />
potrubí<br />
úspora energie × nárůst rizika<br />
1.11.2011<br />
18
Úkoly na cvičení<br />
Ethylen je skladován zkapalněný v kulovém zásobníku o<br />
průměru d = 7 m při teplotě 0 °C za tlaku odpovídajícího tlaku<br />
sytých par ethylenu. Zásobník je plný ze 2/3 (kapalinou).<br />
Hustota kapaliny je za uvedených podmínek 224 kg m -3 .<br />
Teplota normálního bodu varu ethylenu je –103,9 °C, kritická<br />
teplota 282,4 K. Poměr tepelných kapacit c p/c v = 1,255.<br />
Vypočítejte podíl kapaliny, která se při poškození zásobníku<br />
odpaří adiabatickým varem. Porovnejte výsledky dosažené při<br />
použití algebraické a diferenciální formy vztahu.<br />
Vypočítejte tlak v zásobníku při zvýšení teploty na 40 °C.<br />
Data v přiloženém XLS<br />
1.11.2011<br />
19
Change language