Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

ис. 6.8. Шаровые резервуары на окладе сжиженных углеводородных газов,

•азрушенные при взрыве сферической емкости бутадиена объемом 600 м

—

разрыв оболочки резервуара; б

—

деформация металлоконструкций; в

—

площадка об-

служивания

6—1006

Рис. 6 10. Железнодорожная цистерна, деформированная осколками и огневым

нагревом

(рис. 6.12) между отделениями ректификации (I) и складом

МВА (2). Взрыв вызвал разрушение трубопровода на участке

длиной 40 м на расстоянии 90 м от склада МВА; взрыв был

инициирован процессом полимеризации (возможно, термиче-

ским разложением) МВА при повышенном давлении в нем во

время отогрева водяным паром при закрытых задвижках в на-

Рис. 6.9. Характер разрушений металлоконструкций н радиусе 50—70 м от

места расположения взорвавшегося резервуара

Рис. 6.11. Здание административно-бытового назначения, расположенное в

170—175 м от места взрыва сферического резервуара

чале (а) и в конце (в) трубопровода. Взрыв вызвал разруше-

ние фланцев трубопроводов в отделении сушки и ректификации,

в результате чего в этом отделении возник пожар. Через 2—

5 мин после взрыва трубопровода произошла серия взрывов

большой силы, вызвавших полное разрушение отделения суш-

ки и ректификации МВА, частичное разрушение отделения по-

лимеризации хлоропрена и выделения каучука, насосной хло-

ропрена, отделения абсорбции, где в результате пожара про-

изошел взрыв горючего газа в рассольном скруббере. Значи-

тельные разрушения были вызваны взрывом паров МВА в от-

делении ректификации размерами 36X18X24 м и объемом

13 550 м

По масштабам и характеру разрушений эквивалент взрыва

оценивается массой около 1200 кг ТНТ. Исследованиями уста-

новлено, что вследствие разрушения трубопровода и нарушения

герметичности технологической системы (работающей при

0,2 МПа и 20 °С) началась утечка из нее жидкого МВА со ско-

ростью 53 л/с, продолжавшаяся «4 мин. За это время в атмо-

сферу было выброшено около 8700 кг жидкого МВА (темпера-

тура кипения 5°С). Авария произошла в зимнее время, когда

температура окружающей среды была около —35 °С. В этш

условиях интенсивность испарения в окружающую среду был.'

весьма ограниченной. Общая масса паров, образовавшихся !

основном за счет энергии перегрева жидкости (МВА) и тепло

отдачи от пола к разлитой в помещениях жидкости (темпера

тура 20 °С), сбставила «1200 кг.

По энергетическому балансу ударной волны и уровням раг

рушения найдено, что доля участия паров во взрыве составил

около 0,22 (22%), что больше соответствует взрывным явлен]

ям паров в замкнутых объемах. Отметим, что высвобожден!

всего имеющегося запаса энергии в технологической систе»

ПсктВМВй\

Эст

аВа

.Трубопроводы МВА

||||||||||||

1||1|11|111|||111||||1||и

-полное разрушение (И^^Е^Йй

_тяжелые повреждения полное разрушение остекления

(до 50%) ШШНШПН-" частичное разрушение оконных

^^^ и дверных заполнений

Рис. 6.12. План-схема разрушений при взрыве моновинилацетилена:

—

отделение ректификации; 2

—

склад МВА; 3

—

установка выделения каучука; 4 — на-

сосная хлоропрена; 5

—

отделение абсорбции

МВА могло привести к еще более тяжелым последствиям, если

бы подобная авария произошла в летнее время. В зимний пе-

риод условия для испарения разлива МВА в окружающей сре-

де снижали возможность образования парового облака в от-

крытой атмосфере. В результате доля участия паров во взрыве

составила «2,7% от общей массы выброшенного в окружаю-

щую среду МВА. Установку получения МВА после аварии по

экономическим соображениям не восстанавливали.

Глава 7

ВНЕШНИЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ

7.1. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ

В большинстве химико-технологических систем протекают

тепло- и массообменные процессы, для обеспечения сбаланси-

рованности которых в ряде случаев возникает необходимость

подвода тепловой энергии от внешних источников (водяной пар,

другие пары и газы, нагретая и перегретая вода и другие жид-

кости, электрообогрев и др.). Общие характерные опасности

тепломассообменных процессов подробно описаны в литерату-

ре. В этом разделе рассматриваются лишь способы количест-

венной оценки влияния внешних источников энергии на уро-

вень взрывоопасности технологических систем. Это влияние

весьма многообразно и зависит от характера технологических

процессов и определяется по заданным (реально возможным)

моделям возникновения и развития аварии. Наибольшего вни-

мания заслуживают жидкофазные процессы с большими мас-

сами (потоками) горючих жидкостей в аппаратуре, когда под-

вод внешнего тепла осуществляется непосредственно к жидкой

фазе. При аварийной разгерметизации таких технологических

систем и непрекращающейся подаче теплоносителя может об-

разоваться значительное количество горючих паров и их взры-

воопасных смесей с воздухом. В общем случае энергия взрыва

для таких условий может определяться по формуле

Е-(Ч/Г)^П

Т„ (7.1)

1=1

где ц — удельная теплота сгорания образующихся при испарении жидкости

паров, кДж/кг; г — удельная теплота испарения жидкости, кДж/кг; /7

<—

тепловой напор теплообменнаго элемента, кДж/с; т; — время с момента ава-

рийного раскрытия технологической системы до прекращения подачи тепло-

носителя, с.

Значения Я

могут определяться для случаев теплопереда

чи через стенку по основным закономерностям теплообмена:

=/СТ\ (7.2

где К — общий коэффициент теплопередачи, кДж/(м

-с-К); Р — площадь п<

верхности теплопередачи теплообменного элемента, м

;

Д7"

— разность темш

ратур теплоносителя и нагреваемой среды, К.

При установившихся режимах П

можно определять по ра

ности теплосодержания теплоносителей на входе в теплообме

ный элемент (аппарат) и выходе из него:

и>

(Т

— Т

), (7

где и, - расход теплоносителя, кг/с; С— теплоемкость теплоносителя, кД

/(кг-К); Т

, Т\ — температура теплоносителя на входе в теплообменный з

мент и выходе из него.

Если в процессе теплообмена происходит конденсация па-

ров теплоносителя, П

определяется выражением

=Ш

, (7.4)

где г

— удельная теплота конденсации теплоносителя, кДж/кг.

При авариях на современных крупнотоннажных технологи-

ческих агрегатах масса образующихся под действием' внешних

теплоносителей паров и соответственно энергии взрыва по мо-

делям неорганизованного облака и огненного шара могут быть

весьма существенными. Например, при аварийном раскрытии

технологического блока разделения легких углеводородов при

расходе исходной углеводородной фракции 42 т/ч и подаче

греющего водяного пара в теплообменные аппараты кубовой

части колонны «7 т/ч под действием внешнего теплоносителя

ежесекундно может образовываться «10 кг паров углеводоро-

дов, эквивалентных 100 кг тротила. С учетом реального време-

ни (5 мин), необходимого для ручного отключения подачи гре-

ющего пара при аварийной обстановке, выделится около 3 т

горючих паров, эквивалентных 30 т тротила при взрыве по мо-

дели неорганизованного облака.

Однако на практике не всегда можно быстро отключить по-

дачу теплоносителей в аварийных ситуациях. Это даже не

предусматривается в планах локализации аварий, хотя для

этого имеются технологические и технические возможности.

Именно задержка отключения подачи внешних теплоносителей

усугубляет развитие аварий и существенно повышает тяжесть

их последствий.

Так, при аварии на установке газофракционирования Мини-

баевского газоперерабатывающего завода ПО «Татнефть»

(11 июля 1989 г.) общее время с момента разрушения трубо-

провода технологической системы до взрыва составляло при-

мерно 12 мин. В течение этого времени работа насосов, подаю-

щих теплоноситель (перегретый до 260 °С керосин) в испари-

тель (кубовую часть) ректификационной колонны по разделе-

нию легких углеводородов, не прекращалась. По формуле (7.3)

рассчитано, что за это время в испарителе образовалось «2 т

паров легких углеводородов из имеющейся з системе жидкости.

На это же количество паров увеличилась масса парового обла-

ка в атмосфере с момента возникновения аварийной обста-

новки. Продолжавшееся при непрекращающейся подаче тепло-

носителя парообразование способствовало повышению давле-

ния в системе и поддержанию стабильной, не снижающейся

скорости истечения парожидкостной смеси углеводородов в ат-

мосферу через разрушенный участок трубопровода. При свое-

временном прекращении подачи теплоносителя при нарушении

герметичности системы энергия взрыва при этой аварии по ори-

ентировочным расчетам могла быть меньше.

Уровень парообразования при аварийных условиях может

.ущественно возрастать при огневом обогреве горючих жидких

сред. Например, при термической переработке углеводородного

сырья в аппаратуре с огневым обогревом количество тепла,

подводимого к горючей жидкой фазе, в современных агрегатах

достигает 4150 кДж/с; за счет этого тепла возможно образова-

ние «11,2 кг/с дополнительного количества углеводородных

паров, эквивалентных 112 кг тротила.

При горении парогазовых сред возможен также перегрев

аппаратуры со сжиженными горючими и токсичными газами,

емкостей с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями,

цепное развитие аварий по моделям огненного шара и взрыва

парового облака.

Энергия взрыва от внешних теплоносителей-зависит от мас-

сы обогреваемой в аппаратуре горючей жидкости, скорости теп-

лопритока и времени с момента аварийного раскрытия техно-

логической системы до прекращения подачи теплоносителя.

7.2. НЕЙТРАЛЬНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

Источниками энергии образования паровых облаков могут

быть и нейтральные среды, находящиеся в технологической ап-

паратуре в нагретом (перегретом) состоянии, когда с ними

случайно смешивается горючая жидкость. На крупнотоннажных

промышленных установках масса образующихся при этом па-

ров может достигать огромных размеров, а взрывы — вызывать

большие разрушения.

Например, в декабре 1982 г. в производстве изопренового

каучука на Стерлитамакском заводе синтетического каучука

произошел взрыв парового облака изопентана массой «9,7 т.

Интенсивное парообразование произошло в сгустителе водной

суспензии каучука, куда был закачан жидкий изопентан при

нарушении технологического режима на предыдущей стадии

[выпаривание растворителя (изопентана) из полимеризата ост-

рым водяным паром]. Сгуститель — цилиндрический вертикаль-

ный аппарат открытого типа объемом 91 м

— был заполнен

водной суспензией каучука (80 т) при температуре 90°С. Зака-

чиваемый в течение 5 мин изопентан (температура кипения

28 °С) мгновенно испарялся в сгустителе за счет тепла водной

суспензии, создавая взрывоопасное облако паров в помещена

выделения каучука (размерами 156X68X20 м) и за его преде

лами, которое взорвалось от электрооборудования открытой

исполнения. Усредненная концентрация паров изопентана

объеме помещения могла составлять «2% (об.) (при НК.ПВ-

1,3%, ВКПВ-7,6%).

Взрывом были полностью разрушено само здание (рис. 7.1

выделения, а также другие здания и сооружения, расположе

ные на площади в радиусе 100—150 м от эпицентра (рис. 7.2

значительные повреждения получили также сооружения, ра

положенные в радиусе «250 м (рис. 7.3). Наблюдаемый ур

вень разрушений оказался близким к рассчитанному по трот

Рис. 7.1. Здание выделения каучука, разрушенное взрывом паров изопентана

ловому эквиваленту, равному 31 т при доле участия паров изо-

пентана во взрыве «0,3. Однако при такой модели возникно-

вения и развития аварии ее последствия могли быть более тя-

желыми, так как по запасу тепловой энергии сгустителя при

аварии могло испариться более 50 т изопентана.

7,3. ОГНЕВОЙ ОБОГРЕВ

Как уже отмечалось, достаточно типичны аварии в резуль-

тате пожара, возникшего от внешнего огневого нагрева аппара-

туры с горючими жидкостями. Если герметичные технологиче-

ские аппараты с горючими жидкостями оказываются в зоне

пожара, при их нагреве может повышаться давление образую-

щихся паров, приводящее к разрушению. Если в аппарате на-

ходятся горючие вещества, то при взрыве происходит мгновен-

ное зажигание с образованием огненного шара. Основную опас-

ность при этом представляют тепловое воздействие и разлетаю-

диеся осколки, а также образующаяся ударйая волна, способ-

ен приводить к ощутимым разрушениям.

О А1

Рис. 7.2 Сооружения, разрушенные взрывом паров изопентана (площадь раз-

рушения в .радиусе 100—150 м)

-полное разрушение

-легкие

повреждения,

разрушение >

10% остекления

Рис. 7.3. План-схема зон разрушений при взрыве паров изопентана:

—

эпицентр взрыв»; 2

—

производственные корпуса; 3

—

склад; 4 — щитовая КИП;

открытые технологические установки

Развитие аварии в таком случае включает следующие ста-

дии: охват пламенем системы; ослабление прочности оболочки

от воздействия огня в зонах паровой фазы над жидкостью; раз-

рушение оболочки системы от превышения давления с выбро-

сом перегретой среды и мгновенным испарением жидкости; вос-

пламенение паров с образованием огненного шара.

При разрыве резервуара максимальное избыточное давле-

ние в ударной волне будет близко к максимальному давлению,

при котором произошло разрушение сосуда. Давление ударной

волны снижается до атмосферного на расстоянии нескольких

радиусов сосуда. Например, по теоретическим расчетам сжи-

женный пропан при давлении 1 МПа образует облако, объем

которого превышает занимаемый им первоначальный объем.

Подобные аварии часто сопровождаются весьма тяжелыми

последствиями. Так, при взрыве облака пропана через 1 ч

30 мин после возникшего пожара образовался огненный шар,

от которого погибло 17 человек и тяжело ранено 40. В дальней-

шем при перегреве оболочек разорвались еще четыре сфериче-

ских резервуара и пострадали люди, находившиеся в 300 м от

хранилища. Полагают, что в резервуарах находилось 100—

300 т пропана, а огненные шары имели диаметр 150—200 м. От-

мечается, что при взрыве резервуара его осколок массой 15 т

отлетел примерно на 300 м от места установки; по состоянию

осколков определено, что стенки резервуаров на некоторых уча-

стках прогревались до 1000°С. При пожаре были деформиро-

ваны и обрушились опоры резервуаров.

7.4. ТЕПЛООТДАЧА ОТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ &

7.4.1. Тепло- и массообменные процессы

при аварийных выбросах жидкостей

При аварийных разливах жидкости ее испарение может про-

исходить за счет как высвобождения внутренней энергии, так

и теплоотдачи от окружающей среды. Высвобождение внутрен-

ней энергии перегрева происходит при мгновенном испарении

жидкости, а переход энергии окружающей среды протекает в

процессе теплоотдачи от твердой поверхности к разлитой на

*ей жидкости и диффузионного тепло- и массообмена с возду-

хом. Скорости и условия мгновенного испарения при разливе

:жиженных газов и других перегретых жидкостей подробно

осмотрены в гл. 4. Ниже рассматриваются только условия

еплопередачи от более нагретой твердой поверхности к разли-

ой жидкости с более низкой температурой.

Скорость теплопередачи от поверхности твердого тела к

идкости характеризуется коэффициентом теплоотдачи, кото-

ый зависит от вязкости жидкости, теплопроводности, плотно-

•и и теплоемкости теплоносителя, гидродинамических и гео-

ггрических факторов. Однако в аналогичных условиях ско-

рость теплоотдачи характеризуется в основном физическими

свойствами жидкости и разностью температур окружающей сре-

. ды и кипения этой жидкости при атмосферном давлении.

Большинство жидкостей в промышленных условиях пред-

ставляют собой двухфазные системы, характеризующиеся рав-

новесным соотношением температуры жидкости и давлением

насыщенных паров над ней. Минимальная температура, выше

которой вещество не может находиться в жидком состоянии,

называется критической температурой вещества. Соответствую-

щее ей минимальное равновесное давление, при котором еще

сохраняется возможность сжижения газообразной фазы, назы-

вают критическим давлением.

При оценке процессов парообразования необходимо учиты-

вать не только свойства жидкостей, но и температуру окружа-

ющей среды, которая на территории СССР может быть в пре-

делах от 50 до —40°С. Ниже приведены свойства различных

веществ, в том числе тех, критическая температура которых

ниже температуры окружающей среды:

Вещество

Температура кипе-

ния при атмосфер-

ном давлении, °С

Критическая темпе-

ратура. °С

Критическое давле-

ние Х10-\ Па

—252,0 —240,0

12,8

—196,0

—147,0

34,0

—183,0

—118,0

50,5

—164,0

—82,0 46,5

—103,0 9,5 50.2

—88,6

32,2 48,3

—47,0

92,0,

45,5

—42,0

96,8

42,1

—34,5

144,0

77,0

—33,0 132,0

113,0

—0,5 152,3

37,0

80,7 280,0

40,1

100,0 374,0

218,0

Водород

Азот

Кислород

Метан

Этилен

Этан

Пропилен

Пропан

Хлор

Аммиак

Бутан

Циклогексан

Вода

Вещества' с критической температурой ниже температуры

окружающей среды (водород, метан, продукты разделения воз-

духа) относят к классу криогенных веществ и в больших ко

личествах хранят при температурах ниже температуры окру

жающей среды и при умеренных избыточных давлениях. Пр1

термостатировании таких жидкостей требуется эффективна

теплоизоляция (вакуумные оболочки) технологических систе)

и сосудов, удаление из системы образующихся газов (испариг

шейся жидкости), которые направляют на повторное сжижена

(или выбрасывают в атмосферу). На поверхности разлива (пр

температуре окружающей среды) такие жидкости находятся

состоянии кипения при атмосферном давлении (температура I

—250 до —160°С). В результате этого создаются условия э

фектИвной теплопередачи от окружающей среды при разнос

температур в интервале 300—200 °С.