Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7.4. Зависимость скорости вы-

кипания жидкости от плотности

теплового потока и разности

температур твердой поверхности и

кипящей жидкости:

/ — пузырьковый режич кипения; II —

переходный; /// — пленочный; А — на-

чало перехода от пузырькового к пле-

ночному режиму кипения жидкости;

В — конец снижения плотности тепло-

вого напора

Многие применяемые в промышленности жидкости имеют

критическую температуру выше, а температуру кипения ниже

температуры окружающей среды. К ним относятся большая

группа углеводородов Сг—С5 и их производных, хлор, аммиак

и др. В хранилищах и технологических системах жидкости

этих веществ могут находиться как при температуре окружаю-

щей среды, так и выше ее при соответствующем равновесном

избыточном давлении, а также при атмосферном давлении и

соответствующей равновесной температуре, близкой к темпера-

туре кипения.

Как уже отмечалось, при разливе перегретой жидкости

часть ее диспергируется и испаряется мгновенно за счет внут-

ренней энергии, а оставшаяся часть, разлитая на твердой по-

верхности, испаряется за счет теплопритока из окружающей

среды. При этом эффект испарения будет существенно зависеть

от разности температур кипения жидкости и окружающей сре-

ды, которая для данной категории жидкостей может состав-

лять более 150°С.

После мгновенного выделения внутренней энергии устанав-

ливается равновесие жидкости и паров при давлении, близком

к атмосферному. При подводе тепла от окружающей среды

жидкость переходит в состояние кипения, интенсивность кото-

рого пропорциональна скорости теплопритока из окружающей

среды. При умеренных перепадах температур между кипящей

жидкостью и твёрдым телом (АГ<10°С) тепловой поток будет

пропорционален АР.

При интенсивном парообразовании кипящая жидкость пере-

гревается и имеет температуру несколько выше температуры

насыщения. Наибольший перегрев жидкости наблюдается на

границе с твердой поверхностью. При этом отдельные точки

твердой поверхности (бугорки, шероховатости, пузырьки адсор-

бированных на поверхности газов и т. д.) являются центрами

парообразования, т. е. местами образования пузырьков пара,

которые, достигнув определенного размера, отрываются, охлаж-

дая жидкость вблизи данного центра. При таком ядерном (пу-

1ырьковом) режиме (рис. 7.4, зона 1) с увеличением удельного

•еплового потока возрастает перегрев жидкости и до опреде-

(енного предела — коэффициент теплоотдачи,

При достижении некоторого критического значения удель-

ной тепловой нагрузки 1для воды —4,19-10

Дж/(м

-ч)]

число центров парообразования возрастает настолько (точка А

на рис. 7.4), что отдельные пузырьки сливаются друг с другом,

образуя сплошную паровую пленку, которая отделяет жидкость

от твердой поверхности. При таком пленочном режиме кипения

коэффициент теплоотдачи резко снижается (точка В на

рис. 7.4), и разность температур между твердой поверхностью

и жидкостью, становится очень большой. В области пленочного

режима теплообмена (зона III на рис. 7.4) повышение АТ (за

точкой В) вызывает более медленное увеличение теплового по-

тока, пропорциональное АТ

0 75

. На рис. 7.4 приведен режим ки-

пения пролитой на твердую поверхность криогенной жидкости

(азота, метана). При разливе жидкого азота на твердую по-

верхность с температурой 20°С скорость выкипания составляет

«0,1 кг/(с-м

) при А7=210°С,

При испарении жидкости температура поверхности пола

(поддона, грунта) снижается и уменьшается тепловой поток,

который достигает минимума. Быстрее охлаждается поверх-

ность с меньшей теплопроводностью. Равновесное статическое

состояние (при котором температура твердой поверхности близ-

ка к температуре жидкости) наступает при прекращении пере-

дачи тепла. Такое состояние пролитой жидкости может насту-

пить через длительное время, однако скорость теплопритока

резко снижается уже по истечении нескольких минут с момента

разлива.

Опасность разлива жидкостей с температурой кипения при

атмосферном давлении, близкой к температуре окружающей

среды, может быть различной в зависимости от времени года

и энергетического состояния жидкости. При хранении жидко-

сти в изотермических условиях и при давлении, близком к ат-

мосферному (при отсутствии внутренней энергии перегрева),

интенсивность парообразования пролитых жидкостей определя-

ется в основном разностью температур окружающей среды и

кипения жидкости. В зимних условиях, когда температура окру-

жающей среды, например, составляет —40°С, разлив жидких

углеводородов Сз—С4, аммиака, хлора не вызовет залпового

парообразования, пролитые жидкости могут быть безопасно

эвакуированы из ограждающих конструкций. В летний период

разлив этих же захоложенных жидкостей приводит к их вски-

панию на поверхности до достижения статического равновес-

ного состояния.

Интенсивность парообразования существенно увеличиваете*

при разливах перегретых (относительно атмосферных условий)

жидкостей. В зависимости от уровня перегрева на мгновенно!

испарение (при высвобождении внутренней энергии) будет на

кладываться испарение от теплопритока из окружающей средь

Интенсивность парообразования данного вещества, как уж

было сказано, зависит от температуры окружающей средь

ПРО

Например, разрушения емкостей с жидким хлором (хранящим-

ся при температуре окружающей среды) в зимних условиях

(при —35 °С) не приводили к опасному образованию облака,

так как в этих условиях энергия перегрева жидкости практи-

чески отсутствовала, а температура разлитой жидкости и тем-

пература ее кипения были близки к температуре окружающей

среды. Последствия существенно другие, если подобные аварии

происходят летом (при температуре окружающей среды около

30 °С, т. е. при разности температур перегрева жидкости и теп-

лоносителей Д7=64,5°С. ,

Вещества, находящиеся при атмосферном давлении в жид-

ком состоянии, но имеющие низкую температуру кипения, в

различное время года могут быть жидкими или газообразными.

Например, бутан (температура кипения 0°С), этиленоксид

(температура кипения 13,5°С), ацетальдегид (температура ки-

пения 20 °С) в жаркую летнюю погоду будут газообразными, а

в зимнее время — жидкостями. Поэтому интенсивность их испа-

рения необходимо оценивать с учетом конкретных условий.

В промышленных условиях хранят и используют большое

количество жидкостей, имеющих температуру кипения при ат-

мосферном давлении значительно выше температуры окружаю-

щей среды; к ним относятся тяжелые фракции углеводородов,

различные органические соединения и др. При разливе таких

жидкостей (без перегрева) из-за отсутствия теплоотдачи от

твердых поверхностей образование паровых облаков больших

масс в незамкнутом пространстве оказывается менее вероят-

ным, что подтверждается статистическими данными. При ана-

лизе, например, 177 промышленных взрывов паровых облаков

в Англии выделены взрывы паров бензина (при годовом про-

изводстве в 1979 г. 16,5 млн. т), число которых оказалось в

3 раза меньше по сравнению с числом взрывов углеводородов

—С

(годовое производство 1,6 млн. т), составившим 40% от

общего числа исследованных аварий. Вероятность взрывов бен-

зина в 30 раз меньше вероятности взрывов сжиженных газов

Сг—С4.

В технологических системах высококипящие жидкости при

тодводе тепла (с водяным паром, огневым обогревом, от экзо-

термических реакций) нагреваются до температур выше тем-

1ературы их кипения при атмосферном давлении и находятся

I перегретом состоянии (относительно их температуры кипе-

1ия). В этих условиях жидкости (так же, как сжиженные га-

ы) находятся в равновесии со своими парами при соответст-

ующих избыточных давлениях. Разлив таких перегретых жид-

остей также сопровождается их вскипанием и мгновенным ис-

арением при высвобождении энергии перегрева. При больших

ассах жидкостей и уровнях их перегрева эти явления могут

эиводить к образованию паровых облаков в атмосфере и зам-

ытых объемах помещений, хотя и не будет передачи тепла к

13Литой жидкости, поскольку температуры выбрасываемой

2ЙЯ

жидкости и ее кипения при атмосферном давлении превышают

температуру окружающей среды. Разрушение аппаратуры с

такими жидкостями, как уже многократно отмечалось, приво-

дило к крупномасштабным разрушениям и весьма тяжелым

последствиям.

7.4.2. Количественная оценка парообразования

при теплоотдаче из окружающей среды

В зависимости от энергетических параметров жидкости в

технологической системе при парообразовании при теплоотда-

че из окружающей среды возможны три модели развития ава-

рий:

1) при больших энергиях перегрева жидкости и сжатых га-

зов (паров) жидкость может полностью переходить во взвешен-

ное мелкодисперсное и парообразное состояние с образованием

взрывоопасных смесей; при этом энергия взрыва может опре-

деляться по теплоте сгорания всей массы жидкости;

2) при низких энергетических параметрах жидкости проис-

ходит спокойный ее пролив на твердую поверхность (пол, грунт,

поддон и т. д.); при этом диспергирования жидкости, как пра-

вило, не наблюдается, а испарение происходит с ее поверхно-

сти за счет теплоотдачи от твердой поверхности;

3) к промежуточным относятся случаи, когда одновременно

происходят диспергирование жидкости в атмосфере и разлив

ее по твердой поверхности.

Определение соотношения диспергированной и испарившей-

ся жидкости весьма сложно в связи с многообразием парамет-

ров процессов и неоднозначностью условий тепломассообмена

при аварийных выбросах жидкости. Для ориентировочного рас-

чета в большинстве случаев можно воспользоваться одним из

двух предельных условий —- полного диспергирования и испаре-

ния жидкости в атмосфере или только спокойного разлива ее

на твердой поверхности. Для промежуточных случаев можнс

применять количественные зависимости массы диспергирован

ной жидкости от энергий перегрева жидкости и сжатых газо!

(паров), приведенной в гл. 1 и 4.

Масса паров, образующихся в результате теплообмена во;

духа с пролитой жидкостью, может определяться по формул

С'=т

т„, (7.

где Р

— площадь поверхности зеркала испарения жидкости, м

; т

— врег

испарения жидкости, мин; т

— удельная скорость парообразования, кг/(м

определяемая зависимостью

Ю-«Т1

УЖ Р

; (7

здесь М — молекулярная масса пролитой жидкости; Л„ — давление насыш

ного пара, кПа; т] — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние с

рости и температуры воздушного потока над поверхностью (зеркало ИСПЕ

ння) жидкости и имеющий следующие значения:

Скорость

воздушного

Скорость

воздушного

потока над

зеркалом

испарения,

°С

15 "С

20 «С

'С

35 "С

м/с

1,0 1,0

1,0

0,1

3,0 2,6 2,4

1,8 1,6

0,2

4,6 3,8 3,5 2,4 2,3

0,5 6,6 5,7

5,4 3,6 3,2

1,0

10,0

8,7 7,7 5,6 4,6

Эффект парообразования с поверхности пролитой жидкости,

когда температура ее кипения выше температуры окружающей

среды, определяется в основном сравнительно медленными

диффузионными процессами. Если же температура кипения

жидкости ниже температуры окружающей среды, то при ее

разливе за счет теплоотдачи от твердой поверхности происхо-

дит интенсивное парообразование этой жидкости. Масса обра-

зующихся при этом паров О" может определяться по формуле

О" = 2 [(Г

- Г

)/г] МУп) (Р\/Р

) Уъ. (7-7)

где То, Т

— температуры твердой поверхности (окружающей среды) и кипе-

ния жидкости; Р„ — площадь твердой поверхности; е=УА,

; \

— коэффи-

циент теплопроводности твердой поверхности; С

— удельная теплоемкость

твердой поверхности; р

—плотность материала твердой поверхности.

Таким образом, общее количество паров, образующихся за

счет теплопритока от окружающей среды, 0 = 0'-{-О".

Если температура кипения жидкости ниже температуры

окружающей среды, в течение первых 3 мин преобладает теп-

лоприток от твердой поверхности; затем вследствие охлажде-

ния поверхности теплоотдача от нее резко снижается и при ра-

венстве температур поверхности и жидкости прекращается.

С этого момента парообразование происходит в основном за

счет диффузионных процессов и массобмена с воздухом по зер-

калу испарения.

Для конкретных условий при разливе жидкости масса об-

разующихся паров может определяться по зависимостям ее от

"емпературы кипения жидкости. Например, при разливе жид-

:ости на бетонной поверхности площадью 50 м

, времени испа-

'ения т

=180 с и температуре окружающей среды 50°С масса

бразовавшихся паров определяется по графику зависимости

е от температуры кипения жидкости (рис. 7.5) или по приве-

енным ниже данным:

, °С >60 60-40 40—25 25—10 От 10 до —5

О, кг <10 10-40 40—85 85—135 135—185

С От—5до—20 От —20 до—35 От —35 до—55 От —55 до—80 <—80

кг 185-235 235—285 285—350 350—425 >425

Зависимость изменения скорости царообразования во вре-

ни приведена на рис. 7.6.

окк

Рис. 7.5. Зависимость массы испарившейся жидкости т

от температуры ее

кипения:

' — диффузионное испарение по зеркалу; 2 — теплоприток от твердой поверхности; 3 —

суммарное парообразование

Рис. 7.Зависимость скорости испарения жидкости Vн от времени с момента

пролива:

/ — этан: г - пропан

В большинстве случаев для определения площади разлива

необходимо знать общую массу и скорость истечения жидко-

сти. При расчете количества пролитой жидкости можно вос-

пользоваться формулой

О = шЗрт, (7.8)

где ьи-линейная скорость «стечения, м/с; 5 — площадь проходного сечения

разгерметизированного участка, м

; р — плотность жидкости, кг/м

; т — время

истечения, с.

Линейную скорость истечения можно рассчитать по фор-

муле

(7.9)

где 3 •—коэффициент, зависящий от свойств жидкости и гидродинамически)

условий истечения и находящийся в пределах 0,1—0,9.

Для определения скорости истечения газовых сред можн*

Воспользоваться зависимостью

и> = У[2А/(*- 1)1 Ру[ 1 - (Р

/Р

ее)**-*"*!. * (7. К

где

«(

— удельный объем парогазовой фазы (в реальных условиях),

При определении скорости адиабатического истечения п

ров (газов) можно использовать формулу

®«=У2 Р'Лвс*; (7.

В приведенных формулах Р

~ атмосферное давление, Р-— I

быточное (исходное'), Р

бс — абсолютное; значения коэффш

ента приведены ниже:

Э' при давлении (МПа)

0,07—

0,5

0,5-1,0 1,0—5,0

5.0- 10.0- 20.0— 30,0-

40,0—

50.0-

0,5-1,0 1,0—5,0

10.0 20,00

30,0 40,0

50,0

75,0

75,0-

100.0

1.1

1.3

1.4

1,76

1,68

1,57

1,515

2,14

1.84

1.85

1,74

3,25

2,56

2.56

2,35

3,72

3,21

2,83

2,56

4,18

3,52

3,07

2,74

4,42

3,68

3,18

2,805

4,58

3,79

3.26

2,87

4.71

3.88

3.30

2.91

4.91 5,10

4.02 4.10

3,40 3.46

2.97 3,02

Формула (7.11) применяется для определения скорости га-

зового потока в условиях докритического режима истечения.

При скоростях, превышающих критическую, определяемую по

формуле

У\2к/(к+\)]Р

бсТ,

(7.12)

в приведенных выше формулах следует использовать ее значе-

ние.

7.5. ПАРООБРАЗОВАНИЕ ПРИ КРУПНОМАСШТАБНЫХ

ПРОМЫШЛЕННЫХ РАЗЛИВАХ ЖИДКОСТИ

При промышленных авариях скорости парообразования

пролитых жидкостей могут достигать огромных размеров. Это

обусловлено, во-первых, тем, что при авариях часто происхо-

дит разлив сжиженных газов и других жидкостей, имеющих

температуру кипения ниже температуры окружающей среды,

и, во-вторых, большими площадями, на которых может раз-

литься жидкость. В результате за незначительное время при

теплоотдаче от твердой поверхности и испарении по зеркалу

разлива образуются паровые облака. Так, при внезапном от-

рыве днища от резервуара изотермического хранилища около

7000 т жидкого аммиака разлилось по поверхности бетонного

и асфальтового покрытия дорог и грунту общей площадью

«10

при температуре окружающей среды ~20°С. Вследст-

вие внезапного развития аварии за первые 3—5 мин образо-

валось облако аммиака общей массой около 90 т. При этом

газовое облако смешивалось с воздухом, увеличивалось по ши-

эине (около 2 км) и глубине (на 4,5 км) по направлению ветра

3 наземном слое атмосферы на площади около 10 км

концен-

трация аммиака в воздухе в 20—200 раз превышала ПДК-

При достижении открытого огня облако воспламенилось, но

[ерез некоторое время опало, а горение наблюдалось только у

юверхности разлива. Полагают, что загорелись масло и при-

одный газ, истекающие из разорванного (при разрушении ре-

ервуара) газового трубопровода, воспламенившегося от от-

рытого огня костра, который находился вблизи хранилища ам-

иака для разогрева битума. Горящий на поверхности разлива

идкий аммиак растекался по территории предприятия и до-

гиг склада азотных удобрений, вызвав там пожар и: сигарооб-

—1006

257

Рис. 7.7. Натурные съемки разрушенного изотермического хранилища жидкого

аммиака

разное горение хранящейся в буртах нитрофоски. Из расчетов

следует, что первоначальное облако образовалось за счет ин-

тенсивного теплопритока от твердая поверхностей, ограждаю-

щих и несущих конструкций (днища, верхней опорной плиты,

опорных колонн, ограждающей стены) общей площадью кон-

такта 7000 м

— 6 г; теплоотдачи от грунта и твердых поверх-

ностей дорог за пределами ограждающей кольцевой стены —

70 т; испарения по зеркалу разлива— 10 т. В последующее вре-

мя испарение аммиака стабилизировалось и протекало в основ-

ном по механизму установившегося теплообмена с воздухом пс

зеркалу разлитой жидкости с меньшей скоростью («14 т/мин)

Такие экстремальные условия создались вследствие внезапной

разрушения огромного наземного хранилища при отрыве дни

ща резервуара (рис. 7.7).

При развитии аварии без повреждения ограждающей стен

поверхность разлива аммиака могла быть значительно менып>

а масса первичного облака аммиака не превышала бы 7600 к

через 5 мин с момента разрушения резервуара скорость исп

рения с поверхности жидкости, ограниченной ограждающ<

стеной, могла быть не более 700 кг/ч.

Наряду с мерами, направленными на снижение вероятное

проливов жидкости при больших массах сжиженных газов

ЛВЖ, следует разрабатывать меры, реально снижающие

диспергирование и парообразование в окружающей среде (С1

жение энергетических параметров жидкостей в технологичен

системе; выбор материала ограждающих конструкций или

25,ч

валования с минимальными удельной теплоемкостью и тепло-

проводностью; соответствующая обработка внутренних поверх-

ностей ограждающих конструкций для достижения минималь-

ной удельной скорости теплоотдачи к пролитой жидкости; ло-

кальное снижение температуры ограждающих конструкций;

выбор рациональных конструкций обвалования технологиче-

ских объектов и др.).

Необходимо обратить внимание на обеспечение прочности и

герметичности ограждающих конструкций хранилищ больших

масс сжиженных газов. При аварийных условиях разрушения

хранилищных емкостей, работающих под давлением, а также

изотермических хранилищ (при случайном повышении в них

давления до разрушающих значений) гидродинамические на-

грузки на ограждающие конструкции могут быть значительны.

Например, при отрыве днища изотермического хранилища в

описанном выше случае потоком выливающегося жидкого ам-

миака железобетонный «стакан» первоначально был смещен с

фундамента на 2 м. Как было установлено, ограждающая же-

лезобетонная конструкция была выполнена в виде «кольца»,

свободно опирающегося на фундамент на уровне земли; тол-

щина кольцевых железобетонных стен была в два раза меньше

(350 мм) расчетной (700 мм); стеновой каркас не был связан

арматурой с несущим фундаментом. Качество исполнения же-

лезобетонных стеновых конструкций также оказалось низким,

что не обеспечивало необходимую герметичность и не исклю-

чало возможности протечки жидкого аммиака за пределы

ограждения даже при спокойном разливе жидкости.

Переход на изотермические методы хранения больших масс

сжиженных газов позволил исключить такой источник энергии,

<ак внутренняя энергия перегрева жидкости, и существенно по-

зысить технологическую безопасность. Однако более чем трид-

1атилетний мировой опыт эксплуатации таких хранилищ вы-

шил также серьезные опасности, связанные с возможностью

[еограниченного разлива огромных масс низкокипящих жидко-

тей, при котором сохраняется опасность быстрого образования

[аровых облаков взрывоопасных и токсичных веществ. По

той проблеме в 1990 г. было принято специальное решение на-

чно-технического совета Госпроматомнадзора СССР. В нем, в

астности, отмечалось, что в результате описанной выше ава-

ии разрушено изотермическое хранилище аммиака, которое не

эдлежит восстановлению, частично выведено из строя произ-

эдство нитрофоски и его склад, пострадала большая группа

одей, материальный ущерб составил около 5 млн. руб.

Так как при аварии была уничтожена техническая докумен-

ция, перед экспертами стояла задача моделирования возмож-

.IX причин разрушения хранилища. Установлено, что основной

'ичиной возрастания напряжений и разрушения внутреннего

зервуара явилась подача в хранилище теплого жидкого ам-

[ака с последующим его интенсивным испарением и повыше-

лием избыточного давления выше расчетного. Подача теплого

аммиака в хранилище была возможна по двум коммуникаци-

ям — не предусмотренной в проекте перемычке между коллек-

торами теплого и холодного аммиака и линии первоначального

заполнения (при пуске) хранилища аммиаком из коллектора

с температурой 10°С. Возникновению аварии способствовали

необоснованные отступления от проектных решений, касаю-

щихся прочностных характеристик строительных конструкций

фундамента и ограждения, несовершенство конструкции отдель-

ных узлов резервуара, в том числе сопряжения окрайки днища

и цилиндрической части резервуара, низкое качество монтажа

элементов резервуара.

При эксплуатации изотермического резервуара выявились

ненадежная работа аммиачных компрессоров, внесенные в тех-

нологический регламент производства аммиака изменения, раз-

решающие поступление холодного аммиака в изотермическое

хранилище с температурой —28 °С.

Органами Госгортехнадзора были проверены и другие изо-

термические хранилища, где также установлен ряд нарушений,

снижающих уровень безопасности при их эксплуатации. Эти

нарушения касаются отклонений от регламентированных значе-

ний температуры поступающего в хранилище аммиака, перепа-

да температур в верхней и нижней частях хранилища, предель

ного уровня заполнения изотермических резервуаров. На ряд»

предприятий оказались неработоспособными средства сигна

лизации и блокирования подачи в хранилище аммиака с повы

шенной температурой, системы измерения уровня аммиака. Н

изотермических хранилищах жидкого аммиака и сжиженног

этилена между днищем наружной емкости и основанием жел(

зобетонной плиты не было предусмотрено уплотнение, препя'

ствующее попаданию влаги под днище наружной емкости; ок

зались ненадежными ограждения хранилищ, на некоторых хр

нилищах не были смонтированы обратные клапаны на лини)

холодного аммиака перед подогревателями, факельные систел*

не соответствовали Правилам устройства и безопасной эксплу

тации факельных систем (ПУ и БЭФ-84). При осмотре однс

хранилища был обнаружен изгиб всех 36 анкерных болтов. I

ряде предприятий оказались неэффективными мероприятия

локализации аварийной обстановки в случае непредвиденж

механического разрушения хранилищ с выбросом в атмосф(

больших количеств сжиженных газов. На коммуникациях мс

ду гребенками холодного и теплого потока сжиженного г

не были установлены заглушки.

Учитывая повышенную потенциальную опасность залпо]

выбросов сжиженных газов при аварийной разгерметиза

хранилищ, необходимо проанализировать возможные мол

превышения давления и возникновения взрывов в резервуа

и разработать эффективные меры по надежной технолог

ской защите, исключающие разрушение оболочки при откл

9Й0