Файл: Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие.pdf

чине они пока не используются. Фракция так называе­ мых высших ацетиленов разбавлялась для безопасности 30-кратным количеством природного газа и сжигалась в факеле. Главным компонентом этой фракции являет­ ся диацетилен. Горючие свойства 'винилацетилена при­ мерно такие же, как у ацетилена.

Диацетилен легко полимеризуется уже при комнат­ ной температуре. Возникли опасения, что его полимеры взрывоопасны; предполагалось, что они могут иницииро­ вать взрыв и самого ацетилена. Исследования показали, что продукты полимеризации газообразного диацетилена невзрывчаты. Опасны только полимеры, получаемые из жидкого диацетилена, по-видимому, в силу неполного его превращения в долимер.

Температура самовоспламенения диацетилена при 1 ■ІО5 Па около 200 °С, т. е. существенно ниже, чем для ацетилена; нормальная скорость пламени у него пример­ но вдвое больше, взрывной распад возможен уже при 4,0- ІО3 Па. Это послужило поводом для предположения, что небольшие примеси диацетилена к ацетилену будут существенно увеличивать взрывоопасность. Такие опасе­ ния оказались необоснованными: взрывной распад диа­ цетилена легко флегматизируется не только инертными, но и менее активными эндотермическими соединениями, в том числе ацетиленом.

Добавки флегматизаторов повышают критическое парциальное давление взрывного распада диацетилена в его смесях. Особенно оно начинает возрастать при со­ держании флегматизатора порядка 60—70%, а для наи­ более эффективных флегматизаторов, какими являются высшие алканы, начиная от С3—С4, — при 25—35% флег­ матизатора. Дальнейшее увеличение содержания флег­ матизатора на 5—10% делает такую смесь негорючей при любом давлении. В связи с этим трехкратного раз­ бавления диацетилена природным газом достаточно для обеспечения взрывобезопасности.

Добавки до 40% воздуха к гомологам ацетилена не увеличивают взрывоопасности такой системы. Это обус­ ловлено тем, что увеличение суммарного теплового эф­ фекта при распаде эндотермических продуктов за счет взаимодействия горючих компонентов с кислородом ком­ пенсируется флегматизацией смеси азотом воздуха. Та­ ким образом, подсос даже значительных количеств воз­

89

духа не создает для технологических объектов сущест­ венной опасности.

Взрывобезопасность производства закиси азота. За последние годы закись азота находит все возрастающее применение в медицине и животноводстве в качестве эффективного анестезирующего препарата. Большие масштабы промышленного производства N20 потребо­ вали известных мероприятий по обеспечению безопасно­ сти после того, как была обнаружена способность N20 к взрывному распаду при поджигании.

Предельное давление взрывного распада закиси азо­ та равно 1,6-ІО5 Па при поджигании у нижнего конца вертикальной трубы и 1,0-10® Па—у верхнего. Взрывной распад легко предотвратить флегматизирующей добав­ кой— уже добавление 15% N2 к закиси азота делает взрыв невозможным. Установлено, что взрывной распад N20 при давлении ее насыщенного пара при комнатной температуре (около 6 -10® Па) может приводить к значи­ тельным разрушениям, в длинных газопроводах разви­ вается давление до (2н-4) • ІО8 Па.

Минимальная энергия поджигания закиси азота, повидимому, высока, заземление промышленных агрега­ тов для ее производства делает маловероятным накоп­ ление здесь заметных зарядов статического электриче­ ства. Пока не было зарегистрировано ни одного случая взрыва закиси азота на промышленных установках.

Наиболее опасным является узел компримирования. При резких изменениях давления возможно образование ударных волн; известны опыты, в которых закись азота поджигалась таким импульсом. Возможно также образо­ вание искр трения при задире поршня в компрессоре, что создает опасность поджигания сжатого продукта. Целесообразно отделять компрессор от остальной части аппаратуры специально подобранными огнепреградителя'ми. Склад готовой продукции следует размещать на достаточном удалении от отделения компрессии.

После того, как была обнаружена способность заки­ си азота к взрывному распаду, на одном из предприятий было введено ограничение: обязательное использование электрооборудования во взрывозащищенном исполнении. Такое ограничение неэффективно и излишне, поскольку любые смеси атмосферного воздуха с закисью азота при нормальных условиях не могут быть взрывчаты.

90

Г Л А В А 4

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ПОДЖИГАНИЯ

ИЛОКАЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ

1.ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ПОДЖИГАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ

Существование предельной энергии поджигающего разряда используется для решения ряда задач техники взрывобезопасности; среди них отметим:

обеспечение безопасности включения и выключения слаботочного электрооборудования во взрывоопасных помещениях;

предотвращение поджигания горючих систем разря­ дами статического электричества.

Тот факт, что для поджигания горючей системы необ­ ходим определенный минимум энергии, имеет также су­ щественное значение при измерении пределов взрывае­ мости, неправильный выбор аппаратуры может приво­ дить к значительной погрешности.

Разряды, образующиеся при работе сильноточного электрооборудования и при его неисправностях, доста­ точны для поджигания практически любых взрывчатых воздушных смесей. Энергия разряда здесь всегда боль­ ше j&min. поэтому в случае возможности возникновения таких разрядов взрывобезопасность не может обеспечи­ ваться в пределах реализации второго принципа*.

Слаботочное оборудование и искробезопасные цепи. При работе даже слаботочного электрооборудования в связи с существованием индуктивности цепи возмож­ но возникновение искрового разряда. Энергия такого разряда определяется силой тока, напряжением, самоин­ дукцией и емкостью цепи. Закономерности поджигания этими разрядами лежат в основе безопасной эксплуата­

91

ния наиболее опасных воздушных смесей, которые может образовывать горючий газ, содержащийся в атмосфере данного производства.

Влияние всех действующих факторов на энергию раз­ ряда, происходящего при разрыве индуктивной цепи, трудно учесть аналитически. Поэтому пскробезопасность электрического оборудования обычно устанавливается эмпирическим подбором. Результаты измерений преде- - лов поджигания разрядом индуктивной цепи плохо вос­ производятся. Поэтому взрывобезопасные регламенты здесь обычно устанавливают статистически, по данным серии опытов, ие менее чем для 3-104 искрений.

Для установления границ 'искробезопасности слаботочной цепи, в которую включен испытуемый прибор, в нее вводят взрывную камеру, внутри которой помещен прерыватель тока. Он состоит из неподвижного и под­ вижного электродов. Последним служит вращающийся барабан с рядом радиальных гибких металлических контактных пластин. При вращении барабана, включен­ ного в цепь с помощью щеточного устройства, пластины подвижного электрода поочередно касаются неподвиж­ ного электрода и тут же соскальзывают с него, замыкая и размыкая цепь.

Камеру заполняют исследуемой взрывчатой воздуш­ ной смесью наиболее взрывоопасного (для данного го­ рючего) состава. Цепь со включенным в нее прибором - считается искробезопаоной, если при силе тока, в 2,5 ра­ за больше рабочей, вероятность поджигания не превос­ ходит ІО-3. На основании эмпирической проверки уста­ новлены ориентировочные значения предельных парамет­ ров. Так, для метано-воздушных смесей безопасными считаются цепи переменного тока частотой 50 Гц при индуктивности 0,1 Г, для которых при напряжении 10 В сила тока не превосходит 65 мА. Однако для официаль­ ного разрешения на использование новой серии искробе­ зопасных приборов их предварительно подвергают конт­ рольной проверке по описанной методике.

Особым видом взрывозащищенного слаботочного обо­ рудования являются низковольтные лампы накалива­ ния, используемые для сигнализации и связи. Их опас­ ность обусловлена возможностью разрушения колбы включенной лампы в горючей среде. Даже если цепь питания лампы искробезопасна, здесь в определенных

92

условиях возможно поджигание взрывчатых смесей. При этом газ поджигается не разрядом при перегорании нити лампы, а самой нагретой нитью, до ее разрушения'и раз­ мыкания цепи, за счет запасенной в ней тепловой энер­ гии. Измерения показали, что минимальная температу­ ра нити, поджигающей любые смеси, даже сероуглерода, не ниже 800 °С. Для ряда горючих эмпирически установ­ лены предельные взрывобезопасные значения напряже­ ния и силы тока, при которых поджигание нитью разру­ шенной лампы невозможно.

Разряды статического электричества и их предотвра­ щение. Разряды статического или контактного электри­ чества представляют собой распространенный, трудно регламентируемый и потому наиболее опасный возмож­ ный импульс поджигания взрывчатых газовых систем. Статические заряды возникают на границах разнород­ ных сред вследствие различия их электронного сродства, приводящего к перераспределению электронов. При раз­ делении разноименно заряжающихся тел заряды сохраня­ ются и могут накапливаться. Этому способствует трение, измельчение и быстрое движение, заряжающихся тел.

При многократном размыкании контактов возника­ ют разности потенциалов во много тысяч вольт. Такие поля могут становиться причиной искрового разряда, энергия которого иногда оказывается достаточной для -поджигания воздушных смесей большинства горючих газов и паров.

Заряды статического электричества могут возникать и на диэлектриках, и на проводниках, если последние изолированы и заряды с них не стекают. Наиболее бла­ гоприятной средой для возникновения и накопления за­ рядов являются диэлектрические жидкости и сыпучие материалы. В газах заряды обычно не возникают, одна­ ко туманы и дымы, т. е. жидкие и твердые дисперсные частицы, содержащиеся в газах во взвешенном состоя­ нии, представляют собой среду, благоприятную для по­ явления значительных зарядов. Появление электриче­ ских зарядов возможно и на человеческом теле, чему в значительной степени способствует одежда из синтети­ ческих материалов.

В химической промышленности действуют правила по предотвращению поджигания взрывчатых смесей за­ рядами статического электричества, которые, однако, не

ѳз

дают исчерпывающих рекомендаций. Защитные меро­ приятия проводятся в двух направлениях: предотвраще­ ние образования зарядов и их нейтрализация.

Для уменьшения электризации вводят ограничения допустимых скоростей течения диэлектрических жидко­ стей в трубопроводах. Поскольку распыление благо­ приятствует электризации, горючие жидкости, контакти­ рующие с воздухом, полагается разливать без разбрыз­ гивания, по трубам, доходящим до дна заполняемого ре­ зервуара. Взрывоопасный газовый поток не должен со­ держать распыляемых капель и твердых частиц, которые могут образовываться также и при конденсации после сильного охлаждения вследствие дросселирования. Из­ вестен случай взрыва образовавшейся в резервуаре воз­ душной горючей смеои в момент продувки двуокисью углерода. Взрыв был инициирован разрядами, обуслов­ ленными кристаллизацией быстро охладившейся двуоки­ си углерода.

Заряды легко возникают при распространенном в со­ временной технологии проведении процессов в псевдо­ ожиженном слое, чему способствует разнородность сре­ ды и большая скорость потока.

Увеличение электропроводности среды, заключающей заряженные тела, является основным способом предот­ вращения накопления контактных зарядов. Сюда отно­ сится « наиболее распространенный прием — заземлениеэлектропроводящей аппаратуры. Во многих случаях это дает желаемый эффект, однако заземление недействи­ тельно, например, при образовании на внутренней сто­ роне заземленных приборов и газопроводов пленок из изолирующих материалов. Далее заряды могут возни­ кать внутри заземленного газопровода на дисперсных частицах, витающих в газовом потоке, или в потоке ди­ электрической жидкости.

Для уменьшения заряжения диэлектрических жидко­ стей иногда вводят различные электропроводящие до­ бавки. Используют такие добавки и к различным твер­ дым материалам, например к .пластмассам, резине, мате­ риалам для приводных ремней, строительным материа­ лам для полов. Установлено, что для эффективного сня-' тая зарядов достаточно, чтобы удельное сопротивление среды не превосходило 10‘! Ом-м. Отеканию зарядов ста­ тического электричества во многом способствует увлаж-

94

нение атмосферы взрывоопасных помещений. Однако возможности такого приема ограничены определенным классом изолирующих материалов, отличающихся гидрофпльностыо, так как электропроводностью обладает не влажный воздух, а тонкая пленка сорбированной вла­ ги на поверхности диэлектрических тел.

За последние годы для снятия зарядов статического электричества получил известное распространение метод ионизации атмосферного воздуха, который при этом ста­ новится электропроводным. Иногда ионизацию осу­ ществляют с помощью электрических разрядов, хотя этот прием и достаточно сложен. Эффективная иониза­ ция воздуха возможна с помощью радиоактивных пре­ паратов. Однако их использование требует особых мер предосторожности против опасности облучения людей и допустимо лишь в пределах ограниченной зоны для от­ дельных технологических операций.

Многообразие реальных производственных условий не позволяет гарантированно предотвращать возникно­ вение разрядов статического электричества в любом про­ цессе. Поэтому взрывобезопасность следует по возмож­ ности обеспечивать в пределах первого принципа*, при­ бегая ко второму лишь при решении частных специфи­ ческих задач. Это определяет особую роль интенсивной вытяжной вентиляции во взрывоопасных помещениях и других мер борьбы с образованием взрывчатых газо­ вых смесей.

2. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ПОДЖИГАНИЯ НАГРЕТЫМИ ТЕЛАМИ

Нагревающееся при эксплуатации оборудование, ис­ пользуемое во взрывоопасных помещениях, в принципе способно стать объектом инициирования горения взрыв­ чатых воздушных смесей, образующихся в аварийных ситуациях. Для предотвращения такой опасности вво­ дят ограничения допустимых температур оборудования.

Регламентация использования нагревающегося обо­ рудования. Для распространенных в промышленности горючих газов и паров установлены следующие группы, в которых единственным объединяющим признаком яв­ ляется допустимая температура наружных поверхностей электрооборудования во взрывоопасных помещениях.

* См. стр. 60.

95

Группа TI: аммиак, метан, дихлорэтан, этан, пропан, толуол, бензин Б-100, этилен, ацетон, коксовый газ, во­ дород, водяной газ — 450 °С;

группа Т2: ацетилен, вш-шлацетнлен, уксусный ангид­ рид, метанол, этанол, метилметакрилат, бутан, пентан, пропилен, фурфурол, окись этилена, окись пропилена, нитроциклогексан, метиламин — 300 °С;

группа ТЗ: циклогексан, скипидар, уайт-спирит, гек- ~ сан, ряд моторных топлив и бензинов (В-70, А-72 п др.), сероводород, ряд хлорсилагюв, триметиламин— 200 °С;

группа Т4: диэтиловый эфир, этиленгликоль, ацеталь­ дегид — 130 °С;

группа Т5: сероуглерод— 100 °С.

Необходимо оговорить, что описанная регламентация не свободна от противоречий и несоответствия с некото­ рыми безусловно установленными положениями теории горения. Здесь оказываются объединенными в одну груп­ пу горючие газы и пары, не схожие между собой по зна­ чениям нормальной скорости пламени — главной харак­ теристики взрывоопасности, а также по температурам поджигания нагретой поверхностью, температурам вспышки и пределам взрываемости.

Система категорирования по допустимым температу­ рам оборудования основана на значениях температур самовоспламенения воздушных смесей соответствующих горючих. Эти величины были получены в каких-то изме­ рениях, условно принятых стандартными. Однако извест­ но, что температура самовоспламенения не является физико-химической константой горючей среды и зависит от методики определения и от свойств использованной аппаратуры.

Температура самовоспламенения в нагретом сосуде вообще не характеризует условий инициирования горе­ ния нагретым оборудованием, находящимся во взрыво­ опасной атмосфере. Как было объяснено в гл. 2, разд. 2, инициирование очага горения нагретым телом происхо­ дит по механизму поджигания, а не самовоспламенения. При этом величины Ts существенно отличаются от 7\- тех же смесей, но всегда значительно выше.

Следует указать на особенности процесса поджига­ ния. Для некоторых горючих смесей поджигание проис­ ходило уже при очень низких температурах, что обус­ ловлено возникновением и развитием холоднопламенно­

96

го процесса. Такое, низкотемпературное поджигание на­ блюдалось для воздушных смесей сероуглерода и эти­ лового эфира; в обоих случаях минимальная темпера­ тура поджигания Т3 достигала 180 °С.

В воздушных смесях сероуглерода и этилового эфира легко образуются холодные пламена. При поджигании этих же смесей в потоке, омывающем нагретое тело, хо- -лодные пламена не наблюдались и значения Ts были так же высоки, как и для смесей других горючих: 770—

1060°С.

Низкотемпературное поджигание происходило толь­ ко в отсутствие организованного потока поджигаемой среды, когда движение газа ограничивалось лишь тем минимальным, которое неизбежно в режиме свободной конвекции. Возникновение организованного потока со­ кращает продолжительность генерирования активных продуктов в реагирующем газе, препятствуя тем самым накоплению активных центров и развитию вырожденных разветвлений. Поджигание в режиме свободной конвек­ ции, наиболее благоприятствующее накоплению актив­ ных центров, в то же время наиболее близко к реальным условиям применения нагревающегося оборудования, т. е. моделирует эти условия. Было бы научно обосно­ ванным определять допустимые температуры по резуль­

возможно поджигание богатых смесей ацетилена. Для остальных горючих значения Ts в режиме свободной кон­ векции примерно такие же, что и в случае организован­ ного потока.

В настоящее время некоторые правила, касающиеся этого вопроса, пересматриваются в плане их согласова­ ния как между собой, так и с известными закономерно­ стями инициирования и распространения горения.

Поджигание фрикционными искрами. При истира­ нии стальных предметов или ударах по ним образуются яркие искры, которые мы будем именовать фрикционны­ ми. Они представляют собой кусочки металла разме­ ром 0,1—0,5 мм, оторванные при механическом воздейст­ вии, частично окисленные и сильно нагретые. Оптические