ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ БЕЗОПАСНОГО РАССТОЯНИЯ ПРИ ОГНЕВОМ ШАРЕ

  Главная      Учебники - Промышленность     Основные опасности химических производств (Маршал В.К.) - 1989 год

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..

 

 

 

8.12.7.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ БЕЗОПАСНОГО РАССТОЯНИЯ ПРИ ОГНЕВОМ ШАРЕ

 

8.12.7.1 ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Исходя из данной массы топлива в огневом шаре, нужно вычислить, на каком расстоянии от центра шара могут произойти определенные физиологические эффекты. На основе полученных результатов далее требуется определить "безопасное расстояние". Такие данные могут также представлять ценность в плане количественной оценки опасности, возникающей от хранилищ воспламеняющихся веществ.

Реализация этого подхода состоит из следующих этапов :

1) Вычисление теоретического и практического энерговыделения данной массы топлива.

2) Оценка доли выделившейся энергии, идущей на тепловое излучение.

3) Оценка длительности теплового импульса.

4) Оценка интенсивности излучения на различных расстояниях без учета ослабления.

5) Оценка степени ослабления излучения атмосферой.

6) Оценка физиологических последствий при получении различных "доз" тепловой энергии.

7) Оценка "дозы" для разных расстояний.

8) Определение допустимой максимальной дозы при возникновении огневого шара от зажигания воспламеняющихся паров.

9) Установление связи между допустимой максимальной дозой и радиусом, который определен выбросом ожидаемой мощности.

8.12.7.2. ВЫВОДЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ

Имеющийся всесторонний обзор литературы [Moorhouse,1982] предоставляет все же мало информации о вычислении безопасных расстояний, но обращает внимание на необходимость учета атмосферного ослабления. В работе [Crawley,1982] эвакуационное расстояние вычисляется исходя из предположения о том, что кожный покров способен выдерживать (без появления болевых ощущений) поток, равный 2,1 ∙ 104 Вт/м2, в течение 2с. Таким образом, предлагается определять безопасное эвакуационное расстояние по следующей формуле:

RЕV = RFB ∙ 10,5/(2,1 ∙ 104)

где RЕV радиус эвакуации; RFB - радиус огневого шара; I - интенсивность излучения на поверхности огневого шара. Из этой формулы следует, что

RЕV = 3,1∙ RFB

а для температуры на поверхности огневого шара, равной 1473 К,

RЕV = 3,6 ∙ RFB

В табл. 8.10 приводятся пороговые расстояния полусферического огневого шара массой 100 т с R = 171 м и временем существования 21с (без учета ослабления в атмосфере) [Roberts,1982a].

ТАБЛИЦА 8.10. Пороговые расстояния по [Roberts,1982a]

Уровень поражения

FR= 0,3

Fr = 0,4

50% смертельных исходов

395м (2,30 ∙RFB)

445 м (2,66 ∙ RFB)

1% смертельных исходов

1 520м(3,04 ∙ RFB)

600 м (3,51 ∙ RFB)

Порог образования волдырей

925м(5,50 ∙ RFB)

1070 м (6,25 ∙ RFB)

FR- доля теплового излучения от общего энерговыделения огневого шара.

В работе [Williamson,1981], в которой для поверхности многотонного огневого шара предполагается адиабатическая температура пламени, даются (без учета атмосферного ослабления) расстояния, на которых появляются ожоги 3-и и 2-и степени (рис. 8.8). Приводимые на рисунке значения при массе в 1000 т

Рис. 8.8. Радиусы теплового поражения огневого шара.

соответствуют расстояниям ожеговых поражений в Хиросиме для бомбы с эквивалентом в 12,5 кт ТНТ. Они были получены по следующим соотношениям:

Характеристика степени теплового поражения

огневого шара массой М т

Радиус

поражения, м

Получение ожогов третьей степени

Возможно получение ожогов третьей степени

80 ∙ М0,42

130 ∙ М0,42

Получение ожогов второй степени

Возможно получение ожогов второй степени

150 ∙ М0,42

240 ∙ М0,42

8.12.7.3. ВЫЧИСЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ

Выражение "огневой шар массой М т" (MFB) не эквивалентно утверждению, что огневой шар возникает от разлития М тонн СНГ (MS). Факторы, определяющие возможную близость MFB и МS, следующие: а) высокое значение TAFF; б) обстоятельства, способствующие быстрому вовлечению в огневой шар СНГ (разлитие происходит в летнее время; на поверхности воды; вследствие полного разрушения резервуара - примеры обстоятельств, способствующих распространению парового облака на большой площади).

Из сказанного ранее видно, что разлитие МS тонн может привести к образованию парового облака, в котором масса воспламеняющегося вещества колеблется от МS до нуля.

Ключевыми факторами, способствующими образованию огневого шара, являются высокая температура окружающей среды и разлитие на воду, а не на землю. Поэтому при оценке правдоподобия и величины огневых шаров необходимо обращать внимание на отношение MFB/MS.

Вычисления теоретического количества выделенной энергии относительно просты, поскольку имеются многочисленные данные по теплотам сгорания. Здесь в качестве полезных источников можно рекомендовать табл. 9.18 и 9.20 из работы [Реггу,1973], где даются теплота сгорания и адиабатическая температура пламени для веществ, находящихся в газовой фазе и сгорающих с образованием газообразных продуктов. Некоторые из этих данных занесены в табл. 8.11, в которой теплота сгорания преобразована в МДж/кг, или ГДж/т. Из таблицы видно, что вещества, которые чаще других приводят к образованию огневого шара, имеют теплоту сгорания, изменяющуюся в пределах 45 - 48 МДж/кг (ГДж/т), и адиабатическую температуру пламени около 2250 - 2350 К. Так что если для дальнейших расчетов выбрать теплоту сгорания, равную 47 МДж/кг, и адиабатическую температуру пламени 2300 К, то это будет вполне обоснованное предположение.

Одним из примеров вещества, образующего, как известно, огневой шар, но имеющего намного меньшую теплоту сгорания, чем парафины и олефины, может служить мономерный винилхлорид (МВХ). Однако огневые шары могут возникать также от многотонных выбросов любых воспламеняющихся газов, которые кипят при температуре выше их точки кипения при атмосферном давлении. Поэтому, вероятно, надо делать поправку для веществ, имеющих теплоту сгорания, заметно отличающуюся от теплоты сгорания, выбранной выше.

До сих пор рассматривались соотношения между разлитой массой и массой в облаке, а также выход энергии на единицу массы. Однако есть еще один фактор, связанный с эффективностью горения. По этому вопросу нет каких-либо количественных сведений, но в ряде работ, например [Crawley.1982], высказываются суждения по поводу присутствия дыма, т. е. несгоревшего углерода, в огневом шаре. При вычислениях теоретически возможного диаметра предполагаются стехиометрические условия, но они не способствуют полному сгоранию, поскольку для полного сгорания требуется избыток воздуха. Как будет показано ниже, количество реагирующего в единицу времени топлива, приходящееся на единицу объема, не намного больше, чем в случае пожара разлития.

Мощность, т, е. выделение тепла в единицу времени, в типичном огневом шаре можно получить следующим образом:

РFB = 12 , 3 ∙ 109 ∙ М2/3

где РFB - мощность, Вт; М - масса, т. Для огневого шара массой 20 т Р ≈ 90 ГВт. Плотность мощности (т. е. мощность на единицу объема или скорость сгорания единицы объема в предположении, что выделение тепла - это линейная функция реагирующей массы) составляет

PD = (12,З ∙ 109 ∙ M2/3) / (  ∙ (27,5 ∙ М1/3)3) = 1, 42 ∙ 105 ∙ М-1/3

Таким образом, скорость выгорания огневого шара обратно пропорциональна М1/3. Для огневого шара массой 20 т удельное энерговыделение составит 1,42 ∙ 105/2,71 = 5,2 ∙ 104 Вт/м3.

ТАБЛИЦА 8.11. Теплота сгорания (газ-гае) и адиабатическая

температура пламени

Соединения

Теплота сгорания,

МДж/кг

Адиабатическая температура

пламени, К

ПАРАФИНЫ

   

Метан

Этан

Пропан

Бутан

Пентан

50,7

48,2

47,0

46,4

46,01

2236

2244

2250

2255

2244

НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ АЛИФАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

   

Этилен

Пропилен

Бутилен

Бутадиен

Ацетилен

47,8

46,45

45,90

45,20

49,00

2375

2250

2319

2375

2598

ЦИКЛИЧЕСКИЕ

СОЕДИНЕНИЯ

   

Циклогексан

Бензол

Толуол

44,50

41,17

41,53

2250

2305

2344

ДРУГИЕ

   

Диметиловый эфир Этиленоксид

Мономерный

винилхлорид

28,69а

31,60а

19,20б

2270

2411

а По [Weast,1981]. б По [КОЕ,1964]

Удельное энерговыделение для пожаров разлитии можно получить, если воспользоваться данными, представленными в работе [Mizner,1982]. Для СНГ скорость выгорания приблизительно равна 0,1 кг/(с ∙ м2). Для разлития радиусом 10 м без учета растяжения пламени площадь составит 314м2. Высота пламени превышает радиус разлития примерно в 3,4 раза. При этом объем пламени приблизительно равен 314 ∙ 34м3, или около 104м3. Таким образом, удельное энерговыделение для пожара разлития составляет:

Если же учесть растяжение пламени, то значение PD станет несколько меньшим, порядка 105 Вт/м3. По этому расчету получается, что огневые шары имеют удельное энерговыделение, сравнимое с плотностью мощности пожаров разлитий и количество реагирующего вещества на единицу объема в единицу времени в огневом шаре, вероятно, будет того же порядка, что и в пожаре разлития. Из общих соображений следует, что соотнесение доли действительного выхода тепла с теоретически возможной для пожаров разлитии могло бы быть использовано для определения характера огневого шара. К сожалению, автор не смог найти данных о таких исследованиях. Однако все исследователи пожаров разлитии отмечали присутствие в пламени несгоревшего углерода (сажи), и, по-видимому, вполне возможно, что некоторое количество углерода сгорает только до моноксида углерода.

При оценке энерговыделения огневого шара возникают неточности, причиной которых являются: а) неопределенность отношения MFB/MS, и б) неопределенность в эффективности сгорания. Предположения о том, что MFB/MS = 1 и что происходит полное сгорание, можно считать пессимистическими. Согласно теории, интенсивность излучения зависит также от DFB - времени существования огневого шара, и, следовательно, точность, с которой она может быть вычислена, не превышает точности уравнений. Однако воздействие на окружающую среду характеризуется, по крайней мере приблизительно, количеством излученной энергии, т. е. произведением интенсивности и длительности; и, таким образом, влияние неточности в оценке длительности в некоторой степени компенсируется, если говорить о результате произведения.

 

 

 

 

 

содержание   ..  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..