Расчет участвующей во взрыве массы вещества и радиусов разрушений

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 7Следующая ⇒

Для оценки уровня воздействия взрыва может применяться тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды W_T (кг), определяемый по условиям адекватности характера и степени разрушения при взрывах парогазовых облаков, рассчитывается по формуле:

_,                                                                              (28)

где 0,4 – доля энергии взрыва парогазовой среды, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

0,9 – доля энергии взрыва тринитротолуола (ТНТ), затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

q^/ – удельная теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг;

q_T – удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг;

z – доля приведенной массы паров, участвующей по взрыве, для неорганизованных паровых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве принимаем равной 0,1;

m – масса парогазовых веществ, участвующих во взрыве.

Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды:

_.

Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны ∆P и соответственно безразмерным коэффициентом K. Классификация зон разрушения приводится в таблице 6,7.

Таблица 6 – Классификация зон разрушения

Радиус зоны разрушения (м) определяется выражением:

R = K · R₀,                                                                                 (29)

где при m ≤ 5000 кг

                                                                    (30)

или при m ≥ 5000 кг

.                                                                                  (31)

Следовательно, радиусы зон разрушений:

;

;

;

;

.

Табл. 7- Расчет радиусов зон возможных разрушений

Пример 2. Произведем количественную оценку взрывоопасности «холодного» сепаратора высокого давления гидроочистки дизельного топлива (см. рис. 1) распложенного на открытом пространстве в соответствии с ТКП 506-2013 (02300) «Взрывобезопасность химических производств и объектов. Общие требования», определим для данного технологического объекта:

­ общий энергетический потенциал взрывоопасности;

­ относительный энергетический потенциал;

­ приведенную массу;

­ категорию взрывоопасности;

­ зоны возможных разрушений и травмирования персонала.

Рис.1 – Схема работы сепаратора С-302

Исходные данные для расчета:

- расход нестабильного гидрогенизата с растворенными газами в сепаратор С-2 составляет 18429,15 кг/ч;

- расход парогазовой фазы из сепаратора С-302 составляет 15632,73 кг/ч;

- расход жидкой фазы из сепаратора С-302 составляет 2796,42 кг/ч;

- температура в сепараторе 50 °С;

- давление в сепараторе 3980 кПа (абс.);

- диаметр сепаратора 1900 мм;

- длина сепаратора 7926 мм.  

Общий энергетический потенциал взрывоопасности технологического объекта, стадии, блока Е (кДж) характеризуется суммой энергий адиабатиче­ского расширения парогазовой фазы, полного сгорания имеющихся и обра­зующихся из жидкости паров за счет внутренней и внешней (окружающей среды) энергий при аварийной разгерметизации технологической системы:

где – собственно общий энергетический потенциал, искомая величина, кДж;

 – сумма энергий адиабатического расширения и полного сгорания ПГФ, находящейся непосредственно в технологическом блоке, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегретой ЖФ рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при разгерметизации, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет теплопритока от внешних теплоносителей, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность (пол, поддон, грунт и т.п.) ЖФ за счет теплоотдачи от окружающей среды (от твердой поверхности и воздуха к жидкости по ее поверхности), кДж. [4]

Энергия адиабатического расширения и сгорания парогазовой фазы (ПГФ), находящейся в аварийном блоке, определяется по формуле:

где А – работа адиабатического расширения, кДж;

 – масса ПГФ, непосредственно находящейся в аварийном блоке, кг.

– удельная теплота сгорания ПГФ, находящейся в аварийном блоке, кДж/кг.

Работа адиабатического расширения находится по формуле:

где объем ПГФ, находящейся в сепараторе при регламентных значениях.

– коэффициент, зависящий от показателя адиабаты и абсолютного давления в блоке;

 (k=1,4 – показатель адиабаты, определен по водороду, поскольку он преобладает в пгф  в об.%).

Табл. - Значение показателя адиабаты

Объем ПГФ, находящейся в сепараторе при регламентных значениях, определим из следующих соображений: уровень раздела парогазовой и жидкой фаз в сепараторе находится на значении 60% от высоты сепаратора. Учитывая, что объем сепаратора согласно спецификации технологического регламента установки, равен 21,06 м³, объем ПГФ, находящейся в сепараторе при регламентных значениях находится по формуле:

Тогда:

 Масса ПГФ, непосредственно имеющаяся в сепараторе, определяется по формуле:

,

где  – объем ПГФ, приведенный к нормальным условиям,

– плотность ПГФ при нормальных условиях.

Плотность ПГФ при нормальных условиях рассчитана с помощью программы «PRO II» и равна .

Тогда масса ПГФ, непосредственно имеющаяся в сепараторе, равна:

Данные для расчета удельной теплоты сгорания ПГФ приведены в таблице 6.8.

Таблица 6.8 – Данные для расчета удельной теплоты сгорания ПГФ

Удельная теплота сгорания ПГФ, находящейся в сепараторе, находится по правилу аддитивности по формуле:

Таким образом, сумма энергий адиабатического расширения (А) и сгорания парогазовой фазы, находящейся непосредственно в аварийном блоке:

Энергия сгорания ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов, находится по формуле:

где  – масса парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов, кг;

 – удельная теплота сгорания парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов, кДж/кг.

Масса парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов рассчитывается по уравнению:

где – скорость истечения (прихода) парогазовой фазы к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков, аппаратов), м/с, рассчитывается по уравнению:

где b₂ – безразмерный коэффициент, учитывающий давление в трубопроводе и показатель адиабаты (k) парогазовой фазы блока, принимается по табл..

Табл. - Значение показателя адиабаты

 - удельный объем ПГФ в реальных условиях (объем, занимаемый 1 кг вещества).

Тогда:

 – площадь сечения, через которое происходит истечение (приход) парогазовой фазы к разгерметизированному участку от смежных объектов, м²:

τ – время от начала истечения (прихода) парогазовой фазы до полного срабатывания отключающей аварийный блок арматуры, сек. Принимаем равным 12 секунд.

Тогда, масса ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку:

Энергия сгорания парогазовой фазы поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов:

r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>">

В данном расчете не учитываем:

-  - энергии сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегрева ЖФ рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов за время τ, поскольку температура при регламентированном режиме в сепараторе 50°С, что ниже температуры кипения дизельного топлива при атмосферном давлении;

-  -энергии сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при разгерметизации;

-  - энергии сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет теплопритока от внешних теплоносителей, поскольку отсутствует подвод тепла в сепаратор.

Энергия сгорания ПГФ, образующаяся из пролитой на твердую поверхность жидкости за счет теплоотдачи от окружающей среды, находится по формуле:

где - теплота сгорания ПГФ образующейся из пролитой на твердую поверхность жидкости.

- суммарная масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока от окружающей среды, кг.

 – масса ЖФ в кг, испарившейся за счет теплопритока от твердой поверхности (пола, поддона, обваловки и т.п.), поскольку температура твердой поверхности на которую вытечет жидкая при аварийной разгерметизации сепаратора, ниже температура кипения жидкости, то нет необходимости в расчете данного показателя;

 – масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока от окружающего воздуха (по зеркалу испарения), кг.

где  – время испарения жидкости (принимается равной времени его полного испарения, но не более 3600 сек);

 – интенсивность испарения жидкости, кг/(c∙м² ). Определяется по формуле:

где  – коэффициент, зависящий от температуры окружающего воздуха (20°С) и скорости воздушного потока над зеркалом испарения (  = 1 м/с), принимается по справочным данным равным   = 7,7;

M = 110,35 – молярная масса жидкости, кг/кмоль (Приложение А).

 – давление насыщенного пара жидкости при температуре окружающего воздуха, кПа. Давление насыщенных паров дизельной фракции 180-360°С определим используя формулу Ашворта:

 откуда = 3,158 кПа,

где - давление насыщенных паров при температуре Т, Па;

Т₀ = средняя температура кипения фракции при атмосферном давлении, К.

Функция температур f (T) и f (T ₀) выражается уравнением:

 – площадь поверхности зеркала жидкости, м². При проектировании необходимо также предусмотреть поддон, для снижения площади испарения и удобства сбора дизельной фракции при аварийной разгерметизации сепаратора, с учетом того, что вместимость поддона, должна быть больше объема жидкости в сепараторе. Вычтем площадь, занимаемую опорами и другим оборудованием, тогда  = 37,971 м².

Тогда:

Энергия сгорания ПГФ, образующаяся из пролитой на твердую поверхность жидкости за счет теплоотдачи от окружающей среды равна:

Общий энергетический потенциал взрывоопасности сепаратора С-302 равен:

По найденному значению общего энергетического потенциала взрывоопасности Е определятся величины других показателей, характеризующих уровень взрывоопасности технологических блоков, стадий, объектов: приведенную массу горючих паров (m) и относительный энергетический потенциал взрывоопасности блока (Q_в).

Общая масса горючих паров (газов) взрывоопасного облака m, приведенная к единой удельной энергии сгорания:

где Е – энергия сгорания парогазовой фазы,

46000 – единая удельная энергия сгорания, кДж/кг.

Относительный энергетический потенциал взрываемости Q_в технологического блока:

По значению относительного энергетического потенциала и приведенной парогазовой среды осуществляем категорирование технологического блока согласно таблицы 6.9.

Таблица 6.9 – Категории взрывоопасности блоков, стадий, объектов

В соответствии с рассчитанными m = 5282,1 кг и Q_в = 37,74 сепаратору С-302 присваивается I категория взрывоопасности.

Для оценки уровня воздействия взрыва может применяться тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды W_T (кг), определяемый по условиям адекватности характера и степени разрушения при взрывах парогазовых облаков, рассчитывается по формуле:

где 0,4 – доля энергии взрыва парогазовой среды, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

0,9 – доля энергии взрыва тринитротолуола (ТНТ), затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

q^/ – удельная теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг;

q_T – удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг;

z – доля приведенной массы паров, участвующей по взрыве, для неорганизованных паровых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве принимаем равной 0,1;

m – масса парогазовых веществ, участвующих во взрыве.

Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды:

Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны ∆P и соответственно безразмерным коэффициентом K. Классификация зон разрушения приводится в таблице 6.10.

Радиус зоны разрушения (м) определяется выражением:

где при m ≥ 5000 кг:

Следовательно, радиусы зон разрушений:

Таблица 6.10 - Расчет радиусов зон возможных разрушений

Пример 3 Основная аварийная ситуация – разгерметизация резервуара хранения мазута. В результате указанной разгерметизации происходит разлив нефтепродукта с температурой 80-90 °С, температура самовоспламенения мазута составляет 380-420 °С.

Так как в рассчитываемом блоке ПГФ нет, то:

.

Так как рассчитываемый технологический блок рассматривается как отдельный, у которого нет смежных блоков, из которых могут поступать газы или пары горячих жидкостей, то

.

Так как в блоке отсутствует перегретая ЖФ, то

.

Экзотермические реакции в блоке отсутствуют, поэтому

.

Теплоприток от внешних теплоносителей отсутствует, поэтому

.

Таким образом

Энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность ЖФ за счет теплоотдачи от окружающей среды, рассчитывается по формуле:

,

где  – суммарная масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока из окружающей среды, кг;

q – удельная теплота сгорания ПГФ, кДж/кг.

Суммарная масса ЖФ находится по формуле

,                                       

где  – масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока от твердой поверхности, кг;

 – масса ЖФ, испарившейся за счет теплопередачи от окружающего воздуха (по зеркалу испарения), кг.

Температуру поверхности грунта принимаем равной 10^оС. Так как эта температура ниже температуры кипения пролитой жидкости, то испарения за счет теплопритока от твердой поверхности не происходит. Поэтому

.

Масса ЖФ, испарившейся за счет теплопередачи от окружающего воздуха, рассчитывается по формуле:

,                                   

где  – интенсивность испарения кг/с·м²;

 – площадь поверхности зеркала жидкости, м²;

 – время контакта жидкости с поверхностью разлива, принимаемое в расчет, с.

Интенсивность испарения находится по формуле

,

Принимается средняя температура кипения фракции t_ср мазута равной 480 °С, тогда молярная масса определяется по формуле:

М=60+0,3t_ср +0,001 .                                   

М=60+0,3·480+0,001·480²=434,4 кг/кмоль,

Принимается М=450 кг/кмоль.

По формуле Ашворта рассчитывается давление насыщенных паров мазута при 85 ^оС:

.                        

.                            

.

.

Тогда

.

,

3158,00026 Па=3,158 кПа.

Где кПа – давление насыщенных паров мазута при 85^оС;

М – молярный масса, кг/кмоль;

 – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние скорости и температуры воздушного потока над поверхностью (зеркалом испарения) жидкости, принимается максимальный.

Тогда

 кг/с·м².

Площадь поверхности зеркала жидкости находится по формуле

F _ж = F _о,

где F _о = 2611,4 – площадь обвалования, м²;

F _ж = 2611,4 м².

Тогда

=62,98 кг.

Удельная теплота сгорания находится по формуле:

,                                           

где  – удельная теплота сгорания (низшая) жидкой фазы топлива, кДж/кг;

– удельная теплота испарения жидкой фазы топлива, кДж/кг.

Удельная теплота сгорания рассчитывается по формуле

,            

где  = 0,998 – относительная плотность топлива при 15^оС.

 кДж/кг.

Для расчета удельной теплоты испарения топлива используется формула

,                         

где = 753 – средняя температура кипения нефтепродукта, К.

 кДж/кг.

Тогда

q =  + 153,38 = 40982,18 кДж/кг.

Отсюда

E=62,98 ·40982,18 =2581057,7кДж.

По значению общего энергетического потенциала взрывоопасности определяются величины общей массы горючих паров взрывоопасного парогазового облака и относительного энергетического потенциала взрывоопасности.

Общая масса горючих паров взрывоопасного парогазового облака, приведенная к единой удельной энергии сгорания, равной 46000 кДж/кг, определяется по формуле:

.                                            

 кг.

Относительный энергетический потенциал взрывоопасности технологического блока находится по формуле

.                                     

.

По значениям относительного энергетического потенциала и приведенной массы парогазовой среды осуществляется классификация (категорирование) технологического блока. Так как  27, а m < 2000 кг, то рассчитываемый блок является блоком III категории взрывоопасности.

Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды  (кг) рассчитывается по формуле

,                                  

где  – доля приведенной массы паров, участвующей во взрыве;

 – удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг. Принимается 46000.

 кг.

Радиус зоны разрушения (м) определяется выражением:

R = K · R₀.

Радиус (базовый) зоны разрушений  (м) рассчитывается по формуле

при  < 5000 кг.              

Радиус зоны сильного разрушения R₁:

R₁ = K·R₀ = K =3,8· м.

Радиус зоны 50% разрушения R₂:

R₂ = 5,6·R₀=5,6·0,24=1,34 м.

Радиус зоны среднего повреждения R₃:

R₃ = 9,6·R₀=9,6·0,24=2,304 м.

Радиус зоны лёгкого повреждения R₄:

R₄ = 28·R₀=28·0,24=6,72 м.

Радиус зоны повреждения 10% остекления R₅:

R₅ = 56·R₀=56·0,24=13,44 м.

Пример 4 Произведем количественную оценку взрывоопасности сепаратора 215-V32, распложенного на открытом пространстве в соответствии с ТКП 506-2013 (02300) «Взрывобезопасность химических производств и объектов. Общие требования», определим для данного технологического объекта:

· общий энергетический потенциал взрывоопасности; 

· относительный энергетический потенциал;

· приведенную массу;

· категорию взрывоопасности; 

· зоны возможных разрушений и травмирования персонала.

Исходные данные для расчета:

ü среда в аппарате: СУГ + вода;

ü удельная теплоемкость рефлюкса: 2,807 кДж/(кг·K);

ü температура кипения рефлюкса: -57°С;

ü удельная теплота испарения рефлюкса: 400 кДж/кг;

ü удельная теплота сгорания ПГФ рефлюкса: 42498 кДж/кг;

ü расход рефлюкса: 26633,66 кг/час;

ü температура в аппарате: 47°С;

ü давление  в аппарате: 1590 кПа.

Расчет общего энергетического потенциала

Общий энергетический потенциал взрывоопасности блока Е (кДж) характеризуется суммой энергий адиабатического расширения парогазовой фазы, полного сгорания имеющихся и образующихся из жидкости паров за счет внутренней и внешней (окружающей среды) энергий при аварийной разгерметизации технологической системы:

где E – собственно общий энергетический потенциал, искомая величина, кДж;

 – сумма энергий адиабатического расширения и полного сгорания ПГФ, находящейся непосредственно в аппарате, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегретой ЖФ рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при разгерметизации, кДж;

 – энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет теплопритока от внешних теплоносителей, кДж;

  – энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность (пол, поддон, грунт и т.п.) ЖФ за счет теплоотдачи от окружающей среды (от твердой поверхности и воздуха к жидкости по ее поверхности), кДж.

Поскольку ПГФ в самом аппарате и в смежных объектах отсутствует, то значения  и  равны нулю.

Энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегретой ЖФ рассматриваемого блока , определяется по формуле:

где  – масса ПГФ, образующейся за счет энергии перегретой ЖФ, находящейся непосредственно в аппарате, для которого рассматривается аварийная ситуация, кг;

     – удельная теплота сгорания ПГФ, кДж/кг.

    Для сжиженных газов, находящихся в аппарате под давлением, масса ПГФ, образующейся за счет внутренней энергии, определяется по следующей формуле:

где  – масса ЖФ в аппарате, кг;

 –  доля испарившейся жидкости, которая определяется по следующей формуле:

где  – удельная теплоемкость жидкой фазы, кДж/(кг·K);

     – температура окружающей среды, по проекту принята 0°С;

     – температура кипения рефлюкса;

     – удельная теплота испарения ЖФ, кДж/кг.

Тогда:

Энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при разгерметизации,  кДж, т.к. экзотермических реакций нет.

Поскольку внутри аппаратов жидкой фазы после истечения не остается, то  кДж.

Энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность (в данном случае поддон площадью F_ж = 85,26 м², при этом с учетом высоты жидкости в поддоне площадь соприкосновения жидкости с поддоном составит F_п = 93,25 м²) ЖФ, за счет теплоотдачи от окружающей среды (от твердой поверхности и воздуха к жидкости по ее поверхности) определяется по следующей формуле:

где .                                                                           

    Масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока от твердой поверхности (поддона), определяется по следующей формуле:

где     Т_а – температура твердой поверхности пола, К (величина температуры

принята по проекту 273 К (0°С)); 

Т_к – температура кипения рефлюкса, К;

 – коэффициент тепловой активности твердой поверхности, кДж/(м2·°С·√сек);

F_п – площадь контакта жидкости с твердой поверхностью разлива, м2; 

F_ж – площадь поверхности зеркала жидкости, м2;

 – время контакта жидкой фазы с поверхностью разлива, сек (принята по проекту равной 180 сек).

Коэффициент тепловой активности твердой поверхности находится по формуле: