Выход горючих веществ наружу из поврежденного технологического оборудования.

Наибольшую пожарную опасность для производства представляют собой нарушения режима работы технологического оборудования и связанные с ними повреждения и аварии, при которых за короткий промежуток времени может образоваться горючая концентрация не только внутри аппаратов, но и снаружи вследствие выхода значительного количества горючих веществ.

Масштаб аварии и пожара зависит от вида повреждения. Повреждения бывают локальные (образуются трещины, свищи, сквозные отверстия, происходит разрушение прокладочного материала, разъемных соединений и т. п.) и полные.

При локальных повреждениях в зависимости от рабочего давления в аппарате или трубопроводе возможен выход горючих веществ наружу или подсос воздуха внутрь. И в том и другом случаях давление (избыточное или остаточное) в аппарате, стремясь к атмосферному давлению, изменяется плавно. Образующаяся струя выходящего горючего вещества или подсасываемого воздуха устойчиво существует в течение длительного времени.

При полном повреждении (разрушение) аппарата или трубопровода давление в аппарате изменяется резко, с большой скоростью. Оно успевает выравниваться с атмосферным давлением за небольшой промежуток времени. Таким образом, при полном повреждении существует реальная опасность выхода из аппарата за короткий отрезок времени практически всего объема содержащихся в нем горючих веществ. Кроме того, при этом будет наблюдаться дополнительное истечение горючих веществ из всех трубопроводов, которые непосредственно связаны с поврежденным аппаратом.

Характерные ситуации повреждения технологического оборудования:

1. Если в поврежденных аппаратах и трубопроводах горючие вещества (жидкие или газообразные) находятся под давлением и нагреты выше температуры самовоспламенения, то при выходе наружу и контакте с воздухом произойдет их самовоспламенение. В этом случае образуется устойчивое горение газа или разлившейся жидкости.
2. Если выходящие горючие вещества нагреты ниже температуры самовоспламенения, но выше температуры вспышки (для жидкостей и сжиженных газов), то при отсутствии источников зажигания произойдет образование горючих смесей паров или газов с воздухом. При этом горючая концентрация может образоваться не только в локальной зоне, но и в объеме всего производственного помещения и даже на открытой площадке. При появлении источника зажигания в этом случае существует возможность воспламенения и горения образующегося парогазовоздушного облака в кинетической области (т. е. в виде взрыва смеси).
3. Если выходящая из поврежденного аппарата или трубопровода жидкость нагрета ниже температуры вспышки, то при ее разливе над поверхностью испарения горючая концентрация образоваться не может, и поэтому при появлении источника зажигания опасность взрыва отсутствует. Однако необходимо помнить, что и в этом случае длительное воздействие мощного источника зажигания на зеркало такой жидкости может привести к воспламенению ее паров, а затем к медленному (вследствие горения в диффузионной области) распространению фронта пламени по ее поверхности.

Повреждение технологического оборудования, работающего под вакуумом, может вызывать подсос воздуха внутрь аппаратов. В зависимости от начальной рабочей температуры в объеме аппарата могут возникнуть те же характерные ситуации, что и при выходе горючих веществ наружу. Опасность взрыва внутри аппарата при этом повышается. Поэтому часто локальные повреждения аппаратов, работающих под вакуумом, заканчиваются полным разрушением в результате взрыва горючей смеси, образующейся в их объеме,

Количество выходящих наружу веществ в результате локальных повреждениях аппаратов определяют по формуле:

(1.24)

где G_A – масса горючего вещества, выходящего наружу, кг;

j - коэффициент расхода системы; f – площадь отверстия, через которое вещество выходит наружу, м²; w - скорость истечения вещества из  отверстия,м/с; r_t – плотность вещества, кг/м³; t - длительность истечения, с.

Длительность истечения вещества из поврежденного аппарата определяется:

t=t₁+t₂+t₃, (1.25)

где t₁ – время с момента истечение до момента обнаружения, с; t₂ – длительность операций по прекращению утечки, с; t₃ – длительность остаточного истечения, с.

Скорость истечения жидкости через отверстие в трубопроводе или корпусе аппарата при постоянном давлении вычисляют по формуле:

, (1.26)

Н_пр – приведенный уровень жидкости в аппарате, м; G=9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

При истечении самотеком Н_пр=Н (здесь Н – высота столба жидкости, м). Если аппарат работает под давлением, Н_пр определяется по формуле:

(1.27)

Истечение газов может осуществляться:

1. с дозвуковой скоростью, если P₀<P_кр;

2. со звуковой скоростью, если P₀≥P_кр.

Для двухатомных газов ;

Для многоатомных газов .

Количество горючих веществ, выходящих из системы при полном разрушении аппарата, определяют по формуле

G_п= G_ап+G_тр.1+G_тр.2 (1.28)

Где G_п – количество веществ, выходящих из системы при полном разрушении аппарата, кг; G_ап - количество веществ, выходящих из  разрушенного аппарата, кг; G_тр.1;G_тр.2 - количество веществ, выходящих соответственно из трубопроводов до момента отключения и после закрытия задвижек или других запорных устройств.

Причины повреждения производственного оборудования.

Основой для предупреждения повреждения технологического оборудования является его механическая прочность, под которой понимают способность материала воспринимать усилия рабочих нагрузок, не разрушаясь и не образуя пластических деформаций сверх предельно установленных величин.

Прочность технологического оборудования обеспечивается выбором материала, из которого оно изготовлено, и толщиной его стенки. При этом исходят из наиболее неблагоприятных условий работы оборудования.

И тем не менее на практике в технологических процессах производства нередки случаи повреждения аппаратов и трубопроводов и связанных с ним взрывов и пожаров.

Причины повреждения технологического оборудования делят на три группы:

1. повреждения, вызванные механическими воздействиями;
2. повреждения, вызванные температурными воздействиями;
3. повреждения, вызванные химическими воздействиями.

Механические воздействия.

Различают три вида механических вохдействий на материал стенок аппаратов и трубопроводов:

1. образование повышенного или пониженного давления;
2. воздействие динамических нагрузок;
3. эрозионный износ.

1. Образование повышенного или пониженного давления. Изменение давления может быть вызвано нарушением материального и теплового балансов, процессов конденсации, попаданием легкокипящих жидкостей в объем высоконагретых аппаратов, а также нарушением протекания экзотермических химических процессов.

1.1. Нарушение материального баланса может привести к повышению или понижению давления, когда по каким-либо причинам перестает соблюдаться равенство между суммой приходящих в аппарат веществ åG_пр и суммой уходящих из аппарата веществ åG_yx, т.е.

åG_пр¹åG_yx, (1.29)

где åG_пр - сумма приходящих в аппарат веществ; åG_yx - сумма уходящих из аппарата веществ.

1.2. Нарушение теплового баланса происходит в результате изменения соотношения между суммой теплоты прихода (åQ_пр) и ухода (åQ_yx) в уравнении

åQ_пр=åQ_yx, (1.30.)

где åQ_пр – сумма количества теплоты, приходящей в аппарат; åQ_yx - сумма количества теплоты, уходящей из аппарата.

При этом в аппаратах и трубопроводах изменяется рабочая температура и, как следствие, повышается или понижается давление в результате изменения упругости насыщенных паров и объема веществ при их тепловом нагреве или охлаждении.

Причины нарушения теплового баланса:

• нарушение режима обогрева или охлаждения аппаратов и трубопроводов,
• нарушение материального баланса обращающихся в технологическом процессе продуктов,
• изменения температуры окружающего воздуха,
• изменения плотности теплового потока солнечной радиации и т.п.

Наибольшую опасность представляет случай, когда аппарат с помощью задвижек полностью разобщен с соседними аппаратами и атмосферой окружающего воздуха.

1.3. Нарушение процесса конденсации паров может быть вызвано изменением материального и теплового балансов, так как в его основе лежат процессы тепломассообмена.

Процесс конденсации широко распространен в технологии многих производств, когда необходимо осуществить разделение растворов путем перегонки или ректификации, концентрирования или упаривания, глубокого охлаждения или вымораживания и т. п.

1.4. Попадание в объем высоконагретых аппаратов легкокипящих жидкостей связано с их быстрым испарением и резким увеличением за счет этого давления.

Например, на одном нефтеперерабатывающем заводе при пуске вакуумной установки вследствие допущенных ошибок в вакуумную колонну с температурой кубового остатка около 370° С был подан бензин. В результате интенсивного пароообразования в колонне произошло резкое увеличение давления, которое привело к повреждению стенок аппарата и возникновению пожара.

Характерен и другой случай вскипания легкокипящей жидкости, когда в аппарат с ее остатками поступает высококипящая жидкость, нагретая до высокой температуры. Подобная ситуация может сложиться в аппаратах, например, в период их пуска при подаче высоконагретой (с высокой температурой кипения) жидкости, если после пропарки или промывки осталось некоторое количество воды.

1.5. Нарушение экзотермических химических процессов - связано с возможностью образования повышенного давления в результате более интенсивного выделения тепла и образования побочных парогазообразных продуктов в зоне реакции.