Bezpenost chemickch vrob N 111001 Petr Zmostn mstnost
Bezpečnost chemických výrob N 111001 Petr Zámostný místnost: A-72 a tel. : 4222 e-mail: petr. zamostny@vscht. cz
Zdroje vznícení, zkapalněné plyny, exploze o o o Zdroje vznícení v chemických procesech Riziko spojené se zkapalněnými plyny Charakteristiky explozí
Prevence hoření o Zabránění vzniku hořlavé směsi n n n o + Omezení výskytu iniciačních příčin n o mimo meze výbušnosti pod bodem vzplanutí pod hranicí minimální koncentrace kyslíku nelze je zcela eliminovat = Robustní prevence požáru
Zdroje vznícení o o o o o Elektrické jiskření (vinutí motorů) Kouření Horké povrchy Zdroje otevřeného ohně Sváření Mechanické jiskření Uvolnění tepla chemickou reakcí Výboje statické elektřiny Žhářství
Minimální energie pro vznícení o Plamen, teplo n o ohřátí nad teplotu samovznícení Bodové zdroje (jiskry) n n musí mít minimální iniciační energii minimum ignition energy (MIE) o o nepřímo úměrná tlaku přídavek inertu zvyšuje MIE = (0, 1 m. J – 10 m. J) Běžné zdroje statických i mech. výbojů n až 20 m. J
Vznícení vlivem exothermní reakce o Adiabatický teplotní ohřev reakce n n n nr … molární zlomek výchozí látky nr … stech. koeficient výchozí látky DH … reakční teplo cp … specifické teplo kapacita V … objem reakční směsi r … hustota
Adiabatická komprese o o o Adiabatickou kompresí plynu dochází ke zvyšování jeho teploty Zvýšením teploty nad teplotu samovznícení může dojít k výbuchu Adiabatický teplotní nárůst lze spočítat z termodynamické rovnice adiabatické komprese T 0 počáteční teplota T 1 konečná teplota P 0 počáteční tlak P 1 konečný tlak
Statický náboj o o Elektrický náboj se akumuluje na povrchu tuhých materiálů Vznik náboje statické elektřiny n n n o Kontakt dvou materiálů Migrace elektronů Přerušení kontaktu – opačně nabité povrchy Vliv dielektrických vlastností materiálů n 2 dobré vodiče o n alespoň 1 špatný vodič o o elektrony velmi mobilní – malý náboj elektrony málo mobilní – velký náboj Uvolnění statického náboje - jiskra
Příklady vzniku náboje o Domácnost n n n o čištění bot na rohožce česání vlasů svlékání svetru Průmysl n n čerpání nevodivé kapaliny trubkou míchání emulzí doprava sypkých látek tryskání páry na neuzemněný vodič
Vznik statického náboje (1) suchá celulóza kovová miska ~10 g 100 V Izolovaná podložka
Vznik statického náboje (2) nálevka kovová miska xylen ~100 ml Izolovaná podložka 100 V
Vznik náboje prouděním + ++ + + - - -+ +++ o o Nerovná distribuce elektronů na rozhraní trubky a tekutiny Vzniká elektroforetický proud
Napětí vzniklé prouděním skleněná trubka 2 + ++ 1 o kovová trubka + + + ++ + skleněná nádoba o o Vznik elektrického proudu prouděním v trubce Přenos náboje do zásobníku Vytvoření napětí mezi konci skleněné trubky
Procesní zařízení jako kondenzátor o Kondenzátor n n o paralelně orientované povrchy které nejsou propojeny vodičem a nejsou uzemněné mohou uchovávat značně velký náboj Kapacita Objekt Kapacita F 1012 Nářadí, pivní plechovka 5 Barel 20 500 l nádrž 100 Člověk 200 Automobil 500 Cisternový vůz 1000
Vliv režimu proudění Hadice l=6 m d = 5 cm o Laminární proudění n n n 100 l/min Re ~ 103 U = 0. 05 V o Turbulentní proudění n n n 5*102 l/min Re ~ 3*105 U = 500 V
Vliv vodivosti kapaliny o o Srovnatelné podmínky Mírně vodivá kapalina n n o μ = 1 e-6 ohm-1 cm-1 U = 20 V Nevodivá kapalina n n μ = 1 e-10 ohm-1 cm-1 U = 2 k. V
Havarijní scénář TI smaltovaný povrch kovový plášť
Exploze - pojmy o o Hoření při kterém je rychlost uvolňování energie tak velká, že vzniká tlaková vlna Deflagrace n n n o rychlost šíření menší než rychlost zvuku (344 m/s) tlaková vlna ~ 100 atm. charakteristická pro běžné hořlavé materiály Detonace n n n rychlost šíření větší než rychlost zvuku tlaková vlna ~ 101 atm. charakteristická pro výbušniny
Deflagrace a detonace Deflagrace p produkty hoření vzdálenost počátek Detonace p produkty hoření reakční zóna tlaková vlna vzdálenost
Experimentální indikace detonace
Chování explozí Deflagrace velký rozsah poškození málo střepin Detonace lokalizované poškození velké množství úlomků
Chování explozí o Ohraničená exploze n n o Uvnitř budovy nebo jiného uzavřeného prostoru Velká část energie se podílí na tlakové vlně Neohraničená exploze n n n Ve volném prostoru 2 – 10 % energie se podílí na tlakové vlně typický scénář VCE (Flixborough)
Nováky (Slovensko), 2007
Exploze oblaku par (VCE) o Charakteristika n n o Pravděpodobnost vznícení roste s velikostí oblaku Turbulentní míchání par a vzduchu zvyšuje pravděpodobnost a účinky exploze Jediná prevence n zabránit úniku par
BLEVE o o o Boiling liquid expanding vapor explosion Při prasknutí nádrže pod tlakem obsahující kapalinu nad normálním bodem varu Typický scénář n n Požár v sousedství nádrže s hořlavou kapalinou Ohřívání stěn nádrže a kapaliny uvnitř, zvyšování tlaku par Přehřátí materiálu nádrže nad hladinou kapaliny do té míry, že není schopen odolat tlaku par Prasknutí nádrže a explozivní odpaření části obsahu
Mexico City, 1984 BLEVE v zásobnících zkapalněných rafinérských plynů (LPG) způsobilo 650 úmrtí a přes 6400 zraněných. Celkové škody pro firmu byly odhadnuty na 31 mil. USD. Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion Při rychlém zahřívání (např. působením okolního požáru) zásobníku zkapalněného plynu pod tlakem dochází k odpařování kapaliny a dalšímu růstu tlaku, který může vést až k protržení stěny zásobníku. Nastane-li taková situace dochází k rychlému poklesu tlaku, který vede k prudkému varu kapaliny bez nutnosti dodávky tepla z okolí. Prudké odpařování může přerůst v mechanickou explozi. Je-li skladovaný plyn hořlavý představuje jeho vznícení další riziko.
Postup havárie o o o Sklad LPG, kapacita 16000 m 3 Prasklé potrubí Pomalu se rozšiřující polštář plynu Vznícení plynu od fléry Rozšíření požáru zpět k zásobníkům BLEVE
Charakteristika zkapalněného plynu p (g) pskl (l) DT patm Latentní teplo TV Tskl T
Adiabatický var o Latentní teplo o Teplo potřebné na odpaření o Množství odpařené kapaliny – rovnováha o Podíl odpařené kapaliny
Schéma modelového procesu odběr 1 2 zásobník 3 3 plnění cisterna
Havarijní scénáře 1 o Pomalý únik z parního prostoru n n 2 o Rychlý únik z parního prostoru n 3 o uniká pouze pára je přerušeno pouze potrubí, nebo je otvor v zásobníku malý unikající pára vynáší kapky kapaliny, popř. pěnu Únik z kapalinového prostoru n vytéká kapalina až do úrovně otvoru
Scénář 1 - Pomalý únik z parního prostoru o Charakteristika n o malý otvor v parním prostoru zásobníku, v odběrovém potrubí, nezavřený ventil, … Děje n n n postupný pokles tlaku až na úroveň atmosférického adiabatický var – spotřeba latentního tepla klasický var dodávkou tepla z okolí po ochlazení kapaliny až na teplotu normálního bodu varu Q = A K (Tatm – Tv)
Scénář 1 - Závěry o o o Nebezpečnost plynu roste s klesajícím bodem varu Nebezpečnost zařízení roste s rostoucím tlakem Rychlost určující kroky n n 1. a 2. fáze odpor únikové cesty, v 1. fázi i přetlak prostup tepla z okolí
Scénář 2 – Rychlý únik z parního prostoru o Charakteristika n o Děje n n n o větší otvor v parním prostoru zásobníku dvoufázový únik (je-li rychlý dojde k BLEVE) jemně rozptýlená kapalina se velmi rychle vypaří (vzniká oblak par) po úniku části kapaliny může přejít ve scénář 1 Rychlost určující krok n odpor únikové cesty
Scénář 3 – Únik z kapalinového prostoru o Charakteristika n o otvor v kapalinovém prostoru zásobníku Děje n tryskání kapaliny až po úroveň otvoru o o n o tlak v parním prostoru děj výrazně urychluje mžikový odpar části tryskající kapaliny pokračuje scénářem 1 nebo 2 Rychlost určující krok n n odpor únikové cesty přetlak
Přehřáté kapaliny o o Velmi podobné chování Oproti zkapalněným plynům je opačný směr výměny tepla s okolím n n n o kapalina teplejší než okolí roste nebezpečí samovznícení pomalé scénáře úniků jsou mírnější vlivem ochlazování Aplikace n n n vysokotlaké reaktory destilace za zvýšeného tlaku potrubí o úspora energie × nárůst rizika
Úkoly na cvičení o o o Ethylen je skladován zkapalněný v kulovém zásobníku o průměru d = 7 m při teplotě 0 °C za tlaku odpovídajícího tlaku sytých par ethylenu. Zásobník je plný ze 2/3 (kapalinou). Hustota kapaliny je za uvedených podmínek 224 kg m-3. Teplota normálního bodu varu ethylenu je – 103, 9 °C, kritická teplota 282, 4 K. Poměr tepelných kapacit cp/cv = 1, 255. Vypočítejte podíl kapaliny, která se při poškození zásobníku odpaří adiabatickým varem. Porovnejte výsledky dosažené při použití algebraické a diferenciální formy vztahu. Vypočítejte tlak v zásobníku při zvýšení teploty na 40 °C.
- Slides: 38