Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности


НазваниеГеотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
страница1/6
Дата публикации27.08.2013
Размер0.9 Mb.
ТипДокументы
referatdb.ru > Математика > Документы
  1   2   3   4   5   6





Раздел 3



Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности



УДК 622.279


К вопросу о расчете параметров взрывов газопаровоздушных смесей в открытом пространстве


К.С. КАКЕНОВ, к.т.н., профессор,
Карагандинский экономический университет Казпотребсоюза



Ключевые слова: авария, взрыв, параметры, газы, воздух, газопаровоздушная смесь, неограниченный, пространство, детонация, ударный, волна.

В

зрывы газопаровоздушных смесей (ГПВС) в неограниченном пространстве могут происходить в результате разрушений газопроводов, разлива сжиженного горючего газа, его испарения с переходом в детонацию. Известно большое число аварийных взрывов резервуаров с большим количеством сжиженного горючего газа, сопровождаемых образованием осколочного поля.

В зависимости от давления Р и температуры Т вещество может находиться в различных агрегатных состояниях (рисунок 1). Для сжижения газов их охлаждают и сжимают до параметров, соответствующих жидкой фазе, которые в общем случае отличаются от давления и температуры окружающей среды. Участок кривой АВ представляет условия равновесия двух фаз – жидкости и пара (линия насыщенного пара). Тройная точка А фиксирует одновременное равновесие трех фаз. В критической точке В пропадает граница между жидкостью и паром: при Т ≥ Ткр вещество находится в газообразном состоянии, независимо от давления. Резкой границы между паром и газом провести нельзя. Поэтому оба эти состояния для краткости обозначаются как ГПВС.

Сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны, находящиеся под сверхатмосферным давлением при температуре выше или равной температуре окружающей среды в сосудах, резервуарах и другом технологическом оборудовании, являются перегретыми жидкостями.

В теплоизолированных (изотермических) сосудах и резервуарах при отрицательных температурах хранят сжиженные газы (метан, азот, кислород), которые называют криогенными веществами, температура таких веществ значительно ниже, чем окружающей атмосферы. Вещества другой характерной группы (пропан, бутан, аммиак, хлор) хранят в жидком состоянии под давлением в однослойных сосудах и резервуарах при температуре окружающей среды.

В. Маршал классифицировал вещества по признаку их расположения в зонах диаграммы состояния [1]. К первой категории отнесены вещества с критической температурой ниже температуры среды (криогенные вещества: сжиженный природный газ, содержащий, в основном, метан, азот, кислород).



А – тройная точка; В – критическая точка;

1 – твердая фаза; 2 – жидкость; 3 – газ; 4 – пар

Рисунок 1 – Диаграмма состояния вещества
Ко второй категории отнесены вещества с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем в окружающей среде (сжиженный нефтяной газ, пропан, бутан, аммиак, хлор). Их особенностью является «мгновенное» (очень быстрое) испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении.

Третью категорию составляют жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и точка кипения выше температуры окружающей среды (вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии). Сюда попадают также некоторые вещества предыдущей категории, например, бутан – в холодную погоду и этиленоксид – в жаркую.

Четвертая категория – вещества, содержащиеся при повышенных температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости под давлением и при температуре, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении).

Критические параметры некоторых веществ приведены в таблице 1.

При разлитии жидкостей третьей категории их испарение зависит от свойств летучести, температуры внешней среды и скорости ветра.

При полном разрушении емкостей с криогенными жидкостями с веществами второй категории происходит их выброс в атмосферу, вскипание с быстрым испарением и образованием облаков газопаровоздушных смесей.

Аварийное вскрытие емкостей с негорючей или горючей перегретыми жидкостями сопровождается взрывом и опасным действием осколков. Воспламенение облака ГПВС происходит при наличии источника зажигания. При этом возможен переход дозвукового дефлаграционного режима с ускоряющимся пламенем к детонационному сверхзвуковому. Переходу к детонации способствуют различные препятствия (строения, предметы, пересеченная местность) на пути распространения пламени, вызывающие турбулизацию.

Таблица 1 – Значения критических параметров и плотности рсж в сжиженном состоянии некоторых веществ

Вещество

Т, °С кипения при 0,1 МПа

Ткр,
°С

Ркр, МПа

Рсж, кг/м3

1. Водород Н2

-252,0

-280,0

1,28




2. Азот N2

-196,0

-147,0

3,40

-

3. Кислород О2

-183,0

-118,0

5,05




4. Метан СН4

-164,0

-82,0

4,65

1

5. Элитен С2Н4

-103,7

9,5

5,02

567

6. Этан С2Н6

-88,6

32,1

4,83

546

7. Пропилен С3Н8

-47,7

91,4

4,55

608

8. Пропан С3Н8

-42,17

96,8

4,21

582

9. Хлор С1

-34,5

144,0

7,70

-

10. Аммиак СН5

33,35

132,4

11,30

682

11. Бутан С4Н10

-0,6

153,0

3,70

601

12. Циклогексан С6Н12

+80,7

280,0

4,01

-

13. Изобутан (СН3)3 СН

-11,7

133,7

-

580

14. Пентан С5Н12

+36,0

197,0

-

626

15. Двуокись углерода СО2

-78,52

31,0

-

1180

16. Тетрафторметан СF4

-128,0

-45,5

-

1960

17. Вода Н2О

+100,0

374,0

21,8

1000


Сферическая детонационная волна может возникнуть и непосредственно в ГПВС от слабого энергетического источника, например, от искры, если размер облака превышает некоторое критическое значение (таблица 2) и пределы концентрации.

Статистика 150 аварий в России и странах СНГ за последние двадцать лет показывает, что в 42,5 % случаев взрывов облаков ГПВС участвовали углеводородные газы, 15,5 % – пары легковоспламеняющихся жидкостей, 18,0 % – водород, 5,3 % – пыль органических продуктов.

Детонационную волну в газах представляют как ударную волну, сопровождаемую волной горения. В отличие от дефлаграционного, данный процесс связан с разогревом газа ударной волной до температуры, обеспечивающей высокую скорость реакции и скорость распространения пламени со скоростью ударной волны.
Таблица 2 – Минимальная энергия, Емин, инициирования ГПВС, наиболее чувствительных к детонации (смесей с объемной концентрацией µ топлива) и минимальные диаметры dмин, облака, способного детонировать [2]

Горючий компонент

µ, об, %

Емин, Дж

dмин, м

1. Ацетилен С2 Н2

12,5

1,3∙102

3,12

2. Водород Н2

29,6

4,2∙106

109,6

3. Пропан С3 Н8

5,7

2,5∙106

85,8

4. Пропилен С3 Н6

6,6

7,6∙105

58,5

5. Этан С2 Н6

5,7

5,1∙106

109,6

6. Этилен С2 Н4

9,5

1,2∙105

31,2

7. Метан СН4

12,3

2,3∙108

398,0


Учитывая высокую скорость детонации (тысячи метров в секунду), сформировавшееся при быстром испарении облако ГПВС в целях расчета считают неизменным за весь период распространения фронта волны до внешней границы облака, схематизируемого полусферой радиуса r0, с центром на поверхности грунта (рисунок 2), совмещенным с источником инициирования. Давление на фронте детонационной волны в газовых смесях может достигать 2 МПа, а при взаимодействии с конструкциями в помещениях вследствие многократных отражений – доходить до 10 МПа.

Параметры детонационной волны в процессе распространения в пределах облака существенно не меняются. При выходе за пределы границы облака расширяющиеся продукты детонации (ПД) возбуждают воздушную ударную волну. Поскольку при выбросах не все количество жидкого продукта переходит в облако, к расчетному значению массы продукта вводят коэффициент v  1. На рисунке 2 схематически показано изменение максимума давления по координате при ГПВС в сравнении со взрывом заряда конденсированного взрывчатого вещества.

Для расчета поражающего действия взрывов ГПВС определяют параметры детонационной волны расширяющихся ПД и воздушной ударной волны. Начальный радиус r0, м, полусферического облака ГПВС в зависимости от его объема V0, м3 определяют по формуле:

(1)


1 – область облака ГПВС с радиусом r0;
2 – зона разлета продуктов детонации и ударной
воздушной волны (R > r0); 3 – изменение
давлений для взрыва ГПВС; 4 – изменение
давлений взрыва конденсированного ВВ

Рисунок 2 – Схема взрыва ГПВС и изменения
давлений ΔР по координате R
Поскольку согласно закону Авогадро киломоль µг идеального газа занимает объем Va = 22,4 м3, для газовой смеси стехиометрического состава с объемной концентрацией Сстх и молекулярной массой µг горючей компоненты массы Св запишем приближенную формулу для объема облака:

V0 = VaQ1CB/(µгСстх). (2)

Значение коэффициента Q и принимают в зависимости от способа хранения продукта: Q1 = 1 – для газов при атмосферном давлении; 0,5 – для газов, сжиженных под давлением; 0,1 – для газов, сжиженных охлаждением; 0,02-0,07 – при растекании легковоспламеняющихся жидкостей.

При взрыве детонационная волна распространяется со скоростью D, м/с:

(3)

где Qm – теплота взрыва, Дж/кг;
γ – показатель адиабаты.

Время полной детонации облака tB, с, равно:

tB = r0/D. (4)

Максимум избыточного давления на фронте детонационной волны (химический пик):

ΔР1 = (γ – 1)∙Qmрстх – р0. (5)

Через весьма малый интервал времени т давление в детонационной волне уменьшается в два раза (так называемая точка Жуге):

ΔР2 = 2(γ – 1)∙Qmpстх – Р0 = рстхD2/(γ + 1) – P0. (6)

Время порядка десятков микросекунд – длительность превращений в зоне химической реакции, т.е. перехода от адиабаты исходного вещества к адиабате продуктов детонации. Изменение избыточного давления во времени для детонационной волны на расстоянии R  r0, м, от центра взрыва аппроксимируют треугольником. При наличии плоской вертикальной преграды давление нормального отражения ΔРотр при R  r0 определяется по формуле ΔРотр = 2,5∙ΔP2.

Характеристики распространенных газо- и паровоздушных смесей: ΔP2 – избыточное давление детонационной волны (эффективное давление); γстх – показатель адиабаты продуктов детонации; рстх – плотность; Qm,стх и Qv,сих теплота взрыва единицы массы и единицы объема смеси; индексом «стх» помечен стехиометрический состав – приводятся в работе [3].

Параметры ударной волны на расстояниях, превышающих начальный размер облака R ≥ r0, м, определим по формулам, аппроксимирующим численное решение задачи о детонации пропано-воздушной смеси [4]. Решение получено интегрированием системы нестационарных уравнений газовой динамики в сферических координатах в переменных Лагранжа. Использованы достаточно реалистичные уравнения состояния исходной смеси, продуктов детонации и соотношения для скорости реагирования смеси в зоне реакции.

Полученные универсальные зависимости максимума эффективного избыточного давления ΔPм, Па, и удельного импульса 1, Па∙с, в ударных волнах от расстояния R до центра взрыва в энергетических координатах удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными для горючих углеводородов с воздухом или кислородом, независимо от состава смеси:

ΔPm = P0P, (7)

lgP = 0.65 – 2.18∙lg+ 0.52(lgR)2, R/, (8)

(9)

lgI = 2,11 – 0,97∙lgR + 0,44(lgR). (10)

Здесь mТ – тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГПВС, кг.

mT = 2∙mQm,стх/QT, (11)

где m = pстхV0 – масса горючего облака, кг;
QT – теплота взрыва тротила
(принята 4, 184-106 Дж/кг);
^ Р0 – атмосферное давление, Па.

Для сшивания параметров на границе облака величина r0 заменяется на близкое значение R0, определяемое из условия непрерывности функции Рм (R) в точке R0:

(12)

K1 = 1,09/0,52; A = 1,25 – lg(P2/P0)/0,52.

Значение импульса при R  E0 принимается равным I(R0) из уравнения (9).

Эффективное время Ө, с, действия фазы сжатия ударной волны с давлением, аппроксимируемым треугольником Р(t) = Рm(1 – t/Ө), определяется по формуле:

Ө = 2I/Pm. (13)

Рассмотрим конкретный пример – взрыв облака ГПВС, образованного при разрушении резервуара с 106 кг сжиженного пропана. Исходные данные: Св = 106 кг; Ө1 = 0,5; Сстх = 4,03 %; Qm,стх = 2,801106 Дж/кг; μг = 44;  = 1,257; рстх = 1,315 кг/м3; ро = 1,013105 Па.

Объем ГПВС по формуле (2): Vо = 22,4 – 0,5106/ /(44 – 0,0403) = 6,316 – 10 м3

Параметры детонационной волны:



P2 = 1,315(1,8103)2/(1,257 + 1)  1,013103 = 17,910Па.

Параметры ударной волны при R > r0 определяем по формулам (7-13):

m = 1,3156,316106 = 8,31106 кг;

mT = 28,311062.801106/(4,184106) = 1,11107 кг;

А = 1,25 – lg(17,9105/1,013 – 105)/0,52 = –1,149;

K1 = 2,096;





удельный импульс на расстоянии R0:

lgI0 = 2,11 – 0,97lg0,551 + 0,04(lg 0,551)2 = 2,364;

I0 = 231 Пас/кг1/3; Пас;

эффективное время фазы сжатия:

Ө0 = 25,15104/(17,9105) = 0,0575 с.

Определяем параметры ударной волны на расстоянии R = 200 м от центра взрыва (R > R0):



lgP = 0,65 – 2,18lg0,895 + 0,52(lg 0,897)2 = 0,754;

P = 100,754 = 5,675; Pм = 1,0131055,675 = 5,76105 Па;

I = 102,156 = 143,2; Пас;

Ө = 23,19104/(5,76105) = 0,11 с.
  1   2   3   4   5   6

Похожие рефераты:

«Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности» Раздел 3 Геотехнологии....
Важным моментом при анализе таких расчетных схем является величина-угла входа , определяющего переход от круглоцилиндрического участка...
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Вероятностный анализ режимов работы автоматизированных систем контроля рудничной атмосферы
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Проявления горного давления в вентиляционной выемочной выработке при технологии очистных работ
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Терең карьерлерде автокөлікпен орындалатын тасымалдау жұмыстар сипаттамасы бойынша екі түрлі болады
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Ключевые слова: выработка, анкерная крепь, фактор, эффективность, добыча, исследование, технологические схемы, крепление
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Применение вероятностно-детерминированного метода планирования эксперимента при флотации сульфидной медной руды реагентом-собирателем...
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Карагандинском бассейне все большее применение получает анкерная (до 12 %) и комбинированная анкерно-арочная крепь (до 36 от общего...
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Самонагревание окисления угля, как всякое тепловое явление, подчинено закону сохранения энергии, который в данном случае имеет вид...
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Бұл кентіректердің ендері кеншоғыр­дың қалыңдығымен анықталатын болса, ал биіктіктер­інің шамасын анықтау, осы кезге дейін күрделі...
Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности
Важным моментом при анализе таких расчетных схем является величина угла входа θ, определяющего переход от круглоцилиндрического участка...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза