Файл: Осипов, С. Н. Взрывчатые свойства и нейтрализация паро-газо-пылевых смесей.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 58
Скачиваний: 0
для защиты технологического оборудования от взры вов [49]. Подобную систему разработала фирма «Фепвел» (США) и применяла ее на предприятиях, произ водящих различные пластмассы [49].
За последние годы системы подавления взрывов применяются на многих установках в производствах по обработке ацетилена, адптиловой кислоты, анакардии, целлюлозы, пробки, эбонита, метилового спирта, джу та, карбамидной смолы, авиационного топлива, цин ковой пыли, сахара и многих других взрывоопасных технологических процессов [48].
Для локализации взрывов метано- и пыле-воздуш- ных смесей в тупиковых горных выработках в 1955— 1956 гг. в МакНИИ были разработаны первичные слан цевые заслоны с принудительным срабатыванием от фотоэлемента, реагировавшего на инфракрасное излу чение [12]. Автоматические заслоны из флегматизирующих веществ для предупреждения распространения взрывов газа и угольной пыли испытаны в ФРГ [91]. В этих установках в качестве индикаторов взрывов применялись малоинерционные датчики давления и температуры.
§ 1. СОЗДАНИЕ СИСТЕМ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЗРЫВОВ
Как известно, для начала процесса взрыва необхо димо два условия: появление взрывчатой среды и на личие инициатора взрыва (источника воспламенения). Только в некоторых, особых случаях (например, для ацетилена) возможен самопроизвольный взрывной распад горючего без посторонних источников воспла менения.
В большинстве практических случаев системы пред отвращения взрывов основаны на строгой регламен тации допустимых безопасных концентраций взрывча тых газов в атмосфере промышленных зданий и соору-
18!
женнй (помещениях, горных выработках и т. п.) и на
применении искробезопасного и взрывобезопасного оборудования.
Как совершенно правильно указывает В. Т. Мона хов [44], безопасной концентрацией газа, пара и взве си в воздухе можно считать концентрацию, удовлетво ряющую следующим неравенствам:
|
(131) |
|
(132) |
где С н.б е з* С в . б е з ; С о .б COOTBGTCTBCHHOе з — |
(133) |
бсЗОПЙСНЫС |
(нормативные) концентрации горючего (нижние и верхние) и окислителя, % по объему; Кбез — соответ ствующие коэффициенты безопасности, определяемые путем расчета по формуле, а если рассчитать невоз можно, то согласно приведенным ниже данным.
Значения коэффициентов безопасности для разно го характера смесей [44]:
Однородная газовая смесь без источника зажига |
|
|||
ния (газовая фаза закрытых технологических ап |
|
|||
паратов без продувания их воздухом, азотом и |
|
|||
другими газами) |
........................................................... 2 |
|
||
Однородная газовая смесь с источником зажигания |
•) |
|||
Неоднородная газо-воздушная смесь без источни |
|
|||
ков зажигания |
(газовая фаза продуваемых возду |
|
||
хом, азотом и другими газами закрытых технологи |
|
|||
ческих аппаратов; газовая фаза открытых техно |
|
|||
логических аппаратов; воздушная среда цехов, |
Ю |
|||
взрывоопасных |
по |
газу или пару) |
. . . |
|
Неоднородная газо-воздушная смесь с источника |
|
|||
ми зажигания |
(воздушная среда производственных |
|
||
помещений и открытых технологических аппаратов |
|
|||
при наличии в ней источников зажигания) |
20 |
|||
Значение коэффициента безопасности [44] можно определять по формуле
( 134)
182
где _ коэффициент, учитывающий погрешность ме тода определения параметра; /Сс— степень неоднород ности газовой смеси, определяемая специальным рас четом либо экспериментом; б„ —оценка среднего ква дратического отклонения отдельного результата опре деления параметра от среднего арифметического; и — коэффициент запаса, зависящий от вероятности Ясм невоспламеняемости смеси, согласно нормальному за кону распределения характеризуется данными, при веденными в табл. 28.
Таблица 28
Величина а в зависимости от вероятности невоспламеняемости смеси
Р см |
0 |
0,9 |
0,99 |
0,999 |
0,9999 |
0,999 99 |
0,999 999 |
а. |
0 |
1,65 |
2,58 |
3,31 |
3,91 |
4,47 |
4,96 |
Вероятность невоспламеняемости смеси рассчиты вают из уравнения
Реи = 1 - |
■ |
(135) |
где Рбез— нормативный уровень безопасности, обычно принимается равным 0,999 999; Р нст — фактическая вероятность отсутствия в рассматриваемой среде ис точника зажигания; при отсутствии экспериментальных данных о размере Р тт рекомендуется принимать Л,ст= = 0,999 для среды без источников зажигания и Р нст=0 для среды, в которой возможно появление источников зажигания.
Как показали исследования [50], для аварийных условий горных выработок предельно допустимая кон центрация метана в шахтной атмосфере может быть принята равной 2%. что соответствует общепринятому НКП 5% при /С6ез= 2,5.
При выборе значений С„ нужно учитывать конкрет ные условия воспламенения, так как НКП могут быть в некоторых случаях гораздо ниже общепринятых. Ыа возможность самовоспламенения 2% -ной метано-воз
душной смеси |
при температуре 710°С указывает |
П. Г. Демидов |
[17]. Л. С. Соколик [69] считает, что |
в плоском пламени горелки НКП могут сильно сни жаться по сравнению с НКП для трубок. Так, НКП этилено-воздушной смеси в плоском пламени меньше такового в трубе почти в 2,1 раза (1,45% по сравне нию с 3,05%). При этом скорость распространения пла мени уменьшается примерно в 4 раза (с 6 до 1,5 см/с).
Для работы в горючих и взрывоопасных средах создано специальное искро- и взрывобезопасное обо рудование. Однако во многих случаях (взрывная от бойка газоносного угля в шахтах, изоляция аварийных участков, внезапные выбросы угля и газа, прорыв га зопроводов и т. п.) не представляется возможным обычными мерами вентиляции обеспечить нормирован ный допустимый уровень концентрации взрывчатых газов и тогда необходимо предпринимать специальные меры по созданию взрывобезопасной среды (заполне ние взрывоопасного объема инертными газами и паро газовыми смесями, применение пен или флегматизаторов, комплексное сочетание различных мер). Реше ние вопроса принятия определенных мер по предот вращению взрывов зависит от прогноза вероятности и времени появления взрывоопасных сред.
§ 2. СОЗДАНИЕ СИСТЕМ ПОДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВОВ
Если взрыв не удалось по каким-либо причинам предотвратить, то его необходимо подавить. До сих пор известны системы подавления взрывов относительно небольших объемов: в технологическом оборудовании, самолетных баках с горючим, неразвившпеся взрывы пыле-воздушных и метано-пыле-воздушных смесей в
184
горных выработках (до скорости распространения взрыва 250 м/с [91]). Удобные системы подавления взрывов в больших объемах производственных поме щений пока неизвестны. Создание систем подавления взрывов в больших объемах наталкивается на многие технические трудности, к которым в первую очередь следует отнести необходимость очень высокого быстро действия сигнализирующей, анализирующей и сраба
тывающей систем.
Как указывает Н. Е. Ольховский [49], взрыв ста новится безопасным при одновременном проведении следующих мероприятий: окружение очага взрыва ин гибитором; дросселирование газов в атмосферу для сброса давления; создание инертной зоны насыщением ингибиторами участков, удаленных от источника взры ва, для предотвращения его распространения; блоки рование очага взрыва от других участков; автомати ческое прекращение работы установки. При такой мно гослойной защите может быть подавлен и локализован любой взрыв. Однако создать такую защиту, особенно в значительных объемах, технически очень трудно.
В связи с незначительностью индукционного перио да взрывов наиболее опасных ацетилено- и водородо воздушных смесей, составляющего всего 10—20 мс, быстродействие всей системы подавления взрывов в начальной стадии в этих условиях не должно превы шать 5— 10 мс. Индикаторы (датчики) появления взрывов реагируют на абсолютную величину давления, температуры [91], излучения [12; 91], скорости изме нения давления [49]. Время срабатывания датчиков взрывов оценивается следующими величинами: датчи ки давления— до 5 мс, оптические датчики — от 2,5 до 10— 15 мс в зависимости от содержания горючего [91], датчики с термоэлементами — от 20 до 60 мс в зависимости от скорости взрывной волны. Инерцион ность т датчика для метано-воздушных смесей умень шается с увеличением скорости распространения взры
ва l)„: |
при ц„=70 м/с т = 60 мс; |
при v„ |
= 200 м/с т = |
= 45 мс; при у„= 300 м/с т=25 |
мс; при |
vB =1000 м/с |
|
т=20 |
мс [91]. |
|
|
Время срабатывания передающей электронной си стемы можно оценить в 1 мс. Время срабатывания электродетонаторов в исполнительной системе (распы лителях) составляет 1 мс [49]. Инерционность сраба тывания взрывопреградителя после получения сигна ла в опытах Е. Шольца [91] составляла 10 мс. Для оптического датчика-сигнализатора при содержании 9— 10% метана инерционность равна 2,5 мс, а выпуск ной механизм взрывопреградителя срабатывал через 10 мс после воздействия взрыва на датчик [91].
Все эти данные свидетельствуют о том, что в на стоящее время максимальное быстродействие систем обнаружения взрыва, передачи информации и срабаты вания механизма выпуска флегматизатора составля ет не менее 5— 10 мс. Однако распыление необходи мого количества флегматизаторов во взрывоопасном объеме требует еще дополнительного времени. Как указывает Н. Е. Ольховский [49], скорость выброса флегматизаторов под давлением с помощью электро детонаторов составляет до 180 м/с, что для заполнения промежутка в 2 м потребует еще около 10 мс. Таким образом, общее время образования взрывоподавляю щей среды на расстоянии всего 2 м от распылителя составляет около 20 мс, что слишком много для ацетилено- и водородно-воздушных смесей. При этом бо лее половины времени затрачивается па распыление флегматизатора.
При необходимости нейтрализовать объем большо го цеха, размеры которого достигают десятков метров по длине, ширине и высоте, скорость распыления флег матизатора приспособлениями, установленными на стенах и потолке, с учетом резкого падения в простран стве скорости движения флегматизатора со свободной струей [2; 42], определяется по зависимости
186
•ZW =3/8-0]//0/р 1/л-, |
(136) |
где v макс — максималньая скорость по осп свободной струи; /о — импульс движения в начальном сечении; о — эмпирическая константа; х — расстояние от источ ника выброса струи (среза выпускного отверстия или сопла).
В таком случае время заполнения флегматизатором большого объема составит уже десятые доли секунды, что слишком много. При этом необходимо учесть, что поле скоростей в поперечном сечении свободной струи описывается выражением [42]
и |
|
|
(137) |
^макс |
|
|
|
0,414 |
|
||
|
|
||
где и — продольная скорость |
потока |
на расстоянии г |
|
от оси струи; R — расстояние |
от оси |
струи при и = |
|
0,5 ^макс-
Скорость струи быстро уменьшается с удалением от оси и выпускного отверстия (сопла). Поэтому для за полнения флегматизаторами значительных объемов обычные струи мало пригодны. В этом отношении большой интерес представляет использование специ альных сверхзвуковых сопел (типа сопла Лаваля). Безопасный режим работы сверхзвукового сопла огра ничивается скоростью истечения примерно имакс< 3/И, где М — число Маха (равно скорости звука для дан ного газа или смеси), так как при уМакс>3/И возможно образование сильных ударных волн, способных иници ировать самовоспламенение горючих смесей.
Как показывают ориентировочные расчеты, при скорости истечения инертного газа около 500 м/с, на пример азота под давлением 0,4 МПа, на расстоянии 5 м от сопла, скорость снижается примерно до 100 м/с, что позволяет заполнить 5-метровое взрывоопасное пространство в конусе факела сопла необходимой кон
187
центрацией флегматизатора за 20—40 мс. При исполь зовании простых (дозвуковых) сопел это время увели чивается в несколько раз.
Таким образом, производственное помещение с по перечным сечением 10x10 м может быть быстро за щищено от возникновения взрыва. Однако для взрыв ных реакций с очень малым индукционным периодом (10—20 мс) даже применение сверхзвуковых сопел мо жет оказаться недостаточно эффективным, если подачу флегматизатора во взрывоопасный объем начинать только в момент зарождения взрыва, как это делается в системах подавления взрывов в технологическом обо рудовании. Поэтому система подавления взрывов в больших объемах должна срабатывать при появлении явно взрывоопасных концентраций горючих газов или большом градиенте нарастания этих концентраций. Прибор для замера концентраций взрывчатых газов в этом случае должен быть малоннерционным (менее
10 мс).
Электронная система в этом случае позволит сле дить как за абсолютной концентрацией взрывчатых га зов в помещении, так и за градиентом их нарастания н своевременно выдавать команду на включение ра бочих элементов для нейтрализации взрывоопасного объема.
Проблема создания достаточно надежных мало инерционных приборов для замера концентраций горю чих газов до сих пор не решена. Решение этой пробле мы осложняется необходимостью транспортировки ана лизируемого газа в рабочую часть прибора по трубкам или за счет конвекции, что обусловливает большую инерционность, не говоря даже о самом измерении. Кроме того, для надежного газового контроля поме щения большого объема необходимо предусмотреть размещение нескольких датчиков газоанализатора. В этом направлении большой интерес может представ лять использование оптических квантовых генераторов
188