Ho řlavé a výbušné látky

HoHořlavé a výbušné látkyřlavé a výbušné látky

Rizika spojená s použitím hořlavých a výbušných látek v

chemickém průmyslu

Institute of Chemical Technology - Prague, Technicka 5, 166 28 Praha, Czech Republic

Jsou požáry a exploze nebezpečné ?Jsou požáry a exploze nebezpečné ?Nejčastější havárie v chem. průmyslu

– požár– výbuch– uvolnění toxické látky

Nejčastější zdroj výbuchu– páry organického rozpouštědla

Spálení (výbuch) 1 kg toluenu– uvolní se energie ~ 40 MJ– dokáže zničit chemickou laboratoř– může způsobit ztráty na životech


Co je třeba znát pro prevenciCo je třeba znát pro prevenciVlastnosti materiálůPovaha procesů hoření a výbuchuProstředky snížení nebezpečí požáru nebo

exploze


HořeníHoření

„„Rychlá, exotermní oxidace vzníceného Rychlá, exotermní oxidace vzníceného palivapaliva””


Požární trojúhelníkPožární trojúhelník

OHEŇ

Vzdu

ch (o

xido

vadl

o)Palivo

Iniciační energie

HOŘÍjsou-li všechny strany spojené

NEHOŘÍchybí-li některá

ze stran


PalivoPalivoKapalina

– benzín– aceton, ether, hexan

Plyn– acetylen, metan, vodík– LPG

Pevná látka– plasty– prachy organických látek


OxidovadloOxidovadloPlyn

– kyslík (vzduch)– chlór

Kapalina– peroxid vodíku– kyselina dusičná– kyselina chloristá

Pevná látka– peroxidy kovů


IniciátorIniciátorJiskryPlamenTeploStatická elektřina


Hoření × ExplozeHoření × ExplozeHoření uvolňuje energii relativně pomalu,

exploze velmi rychleHoření může přejít v explozi a naopakExploze – prudké rozpínání plynů

= tlaková vlna– mechanická exploze– exploze způsobená chemickou reakcí


Bod vzplanutí Bod vzplanutí (Flash Point)(Flash Point)

„„Teplota, při níž Teplota, při níž hořlavá látka hořlavá látka

vytvoří dostatek vytvoří dostatek par k tomu, aby se par k tomu, aby se vzduchem tvořily vzduchem tvořily hořlavou směshořlavou směs””

Hoření potřebuje dodatečnou iniciaci

Vzplanutí je pouze dočasné

Závisí na tlaku

Při teplotách pod teplotou vzplanutí není možné zapálení, protože tlak par látky je příliš malý k tomu, aby se vytvořily zápalné směsi par se vzduchem. To však neznamená, že při teplotách pod teplotou vzplanutí neexistují nebezpečí požáru. Zdrojem zapálení může být látka velmi rychle zahřátá na svou teplotu vzplanutí.


Třída nebezpečnosti hořlavých kapalinTřída nebezpečnosti hořlavých kapalinZa hořlavou kapalinu se považuje kapalina, suspenze nebo emulze, splňující při atmosférickém tlaku 101 kPa a současně tyto podmínky:

•není při teplotě + 35° C tuhá ani pastovitá, •má při teplotě + 50° C tlak nasycených par nejvýše 294 kPa, •má teplotu vzplanutí nejvýše + 250° C, •lze u ní stanovit teplotu hoření.

Hořlavé kapaliny se podle teploty vzplanutí dělí do čtyř tříd nebezpečnosti:•třída nebezpečnosti teplota vzplanutí do 21°C, •třída nebezpečnosti nad 21°C do 55°C, •třída nebezpečnosti nad 55° C do 100°C, •třída nebezpečnosti nad 100°C do 250°C.

Stanovení teploty vzplanutí a zatřídění hořlavé kapaliny do příslušné třídy nebezpečnosti zajišťuje obvykle výrobce. U dovážených hořlavých kapalin zajišťuje zatřídění do příslušné třídy nebezpečnosti obvykle dovozce. Teplotu vzplanutí stanovují akreditované zkušebny.


Hořlavé kapaliny podle S-větHořlavé kapaliny podle S-větextrémně hořlavé

– kapaliny s bodem vzplanutí do 0 °C nebo látky vznětlivé při styku se vzduchem za normálních podmínek

vysoce hořlavé– kapaliny s bodem vzplanutí do 21 °C; látky u kterých

může za normálních podmínek dojít k zahřívání a samovznícení; pevné látky které se mohou vznítit a dále hořet po krátkém styku se zápalným zdrojem; látky uvolňující ve styku s vlhkostí vysoce hořlavé plyny

Hořlavé– s bodem vzplanutí mezi 21-55 °C


Bod hoření (zápalnosti) Bod hoření (zápalnosti) (Fire Point)(Fire Point)

„„Teplota, při které Teplota, při které páry nad páry nad

hořlavou látkou hořlavou látkou po zapálení po zapálení

vytrvale hořívytrvale hoří””

Hoření potřebuje dodatečnou iniciaci

Hoření je trvalé = produkuje teplo pro dostatečnou tvorbu dalších par

Vyšší než bod vzplanutí

Bod hoření leží výše než bod vzplanutí. Rozdíl mezi oběmi teplotami je u nízkovroucích kapalin velmi nepatrný, avšak vzrůstá se snižující se těkavostí kapaliny.


Teplota samovzníceníTeplota samovznícení((Autoignition temperatureAutoignition temperature))

„„Teplota, při které Teplota, při které hořlavá látka hořlavá látka samovolně samovolně

vznítívznítí””

Hoření nepotřebuje dodatečnou iniciaci

Vyšší než bod zápalnosti Vznícení se vyvolá poze

působením tepla, bez dalšího iniciačního zdroje


Meze výbušnostiMeze výbušnosti

NEHOŘÍ

xhořlaviny

VYBUCHUJE HOŘÍ

100 %vzduchu

100 %par

hořlaviny

Dolní mezVýbušnosti(LEL, LFL)

Horní mezVýbušnosti(UEL, UFL)

Oblast výbušnosti


Meze výbušnostiMeze výbušnostiJako koncentraci, která není nebezpečná výbuchem, je možné označit koncentraci některého plynu nebo páry uvnitř technologického zařízení, jestliže nepřekročí 50 % dolní meze výbušnosti. Směsi prachu tuhých látek se vzduchem jsou nebezpečné výbuchem, jestliže jejich dolní mez výbušnosti je menší nebo rovna 65g/m3 a jsou zvlášť nebezpečné výbuchem, jestliže jejich dolní mez výbušnosti je menší nebo rovna 15g/m3.

Všechny hořlavé látky jsou ve směsi se vzduchem zapalitelné jen uvnitř oblasti výbušnosti. Pokud je koncentrace pod dolní mezí výbušnosti, není tato směs ani výbušná, ani hořlavá. Pokud je koncentrace směsi nad horní mezí výbušnosti, je směs hořlavá jen za přístupu vzduchu, ale snadno se může stát výbušnou po odpovídajícím zředění se vzduchem.

acetylen 1,2 - 80,0 % svítiplyn 5,8 - 63,0 %amoniak 15,5 - 31,0 % zemní plyn 4,3 - 15,0 %oxid uhelnatý 12,5 - 75,0 % sirovodík 4,3 - 45,5 %methan 5,0 - 15,0 % vodík 4,0 - 74,2 %benzín 1,1 - 6,0 % aceton 1,6 - 15,3 %butan 1,6 - 8,5 % sirouhlík 1,3 - 50,0 %propan 1,9 - 9,5 % gener. plyn 21,0 - 74,0 %


MMěření mezí výbušnostiěření mezí výbušnosti


VýpočtyVýpočty mez mezí výbušnostií výbušnosti Směsi par – Le Chatelierova rovnice

Závislost na teplotě– měření– empirické rovnice

n

i

imix

LFLy

LFL

1

1

n

i

imix

UFLy

UFL

1

1

CHTTLFLLFL0

0 75.01

CHTTUFLUFL0

0 75.01

Hc … spalné teplo kcal.mol-1


Závislost na teplotě - toluenZávislost na teplotě - toluen

0 50 100 150 200 250 3001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

UFL

LFL

t

% obj.


Výpočty mezí výbušnostiVýpočty mezí výbušnosti Vliv tlaku

– malý vliv na LFL– značný vliv na UFL

1log6.200 PUFLUFL

P [Mpa]

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 15

10

15

20

25

30

P [Mpa]

UFL


Odhad mezí výbušnostiOdhad mezí výbušnostiEmpirický odhad ze složení látky

– platí dobře pro uhlovodíkové směsi– stechiometrická koncentrace Cst z rovnice hoření

stCUFL 5.3

stCLFL 55.0

OHCOxOmOHC yzyx 2222

100

vzduchumolypalivamoly

palivamolyCst

21.01100mCst

obsah O2 ve vzduchu


Minimal oxygen concentration (MOC)Minimal oxygen concentration (MOC)Minimální koncentrace kyslíku potřebná k

propagaci hoření

– Směs nevybuchuje ač je v rozmezí výbušnosti, není-li obsah kyslíku alespoň roven MOC

– Snížení obsahu kyslíku pod MOC je možné přidáním inertu = INERTIZACE

OHCOxOmOHC yzyx 2222

mLFLMOC


Zdroje vzníceníZdroje vznícení


Minimální energie pro vzníceníMinimální energie pro vznícení MIE = Minimum Ignition

energy– nepřímo úměrná tlaku– přídavek inertu zvyšuje MIE– prachové oblaky mohou mít

srovnatelnou MIE jako páry

Zdroje IE– Automobilová svíčka

25 mJ– Očištění bot na rohožce

statická energie 22 mJ


Adiabatická kompreseAdiabatická komprese Adiabatickou kompresí plynu dochází

ke zvyšování jeho teploty Zvýšením teploty nad teplotu

samovznícení může dojít k výbuchu Adiabatický teplotní nárůst lze

spočítat z termodynamické rovnice adiabatické komprese

/1

0

101

PPTT

T0 počáteční teplotaT1 konečná teplotaP0 počáteční tlakP1 konečný tlak

VP CC


Šíření explozeŠíření exploze


Typy explozíTypy explozí Deflagrace

– rychlost šíření menší než rychlost zvuku

– tlaková vlna ~ 100 atm.– šíření plamene je řízeno

rychlostí přenosu hmoty– může přerůst v detonaci

Detonace– rychlost šíření větší než

rychlost zvuku– tlaková vlna ~ 101 atm.– k iniciaci je nutná velká

energie uvolněná v malém prostoru

• tepelný mechanismus – teplo vyvinuté při reakci ji dále urychluje

• řetězový mechanismus – při reakci se zvyšuje množství reaktivních volných radikálů


Chování exploze v časeChování exploze v čase


Vliv koncentrace hořlaviny na tlakovou vlnuVliv koncentrace hořlaviny na tlakovou vlnu


VVliv koncentrace hořlaviny na liv koncentrace hořlaviny na typ explozetyp exploze


Exploze oblaku par (VCE)Exploze oblaku par (VCE)Typický scénář

– Náhlý únik velkého množství hořlavých par– Disperze par do okolí = promíchání se vzduchem– Vznícení vzniklého oblaku

Flixborough– přerušení potrubí s cyklohexanem (d=50 cm)– uniklo 30 tun cyklohexanu– výbuch nastal 45 s po přerušení potrubí

• 28 mrtvých• továrna srovnána se zemí


Exploze oblaku parExploze oblaku parCharakteristika

– Pravděpodobnost vznícení roste s velikostí oblaku– Turbulentní míchání par a vzduchu zvyšuje

pravděpodobnost a účinky exploze– Velký oblak je takřka nemožné ovládat a zabránit

výbuchu

Metody prevence– zabránit úniku par– malé zásoby těkavých látek– minimalizace nebezpečí vzplanutí při prasknutí trubky– citlivé detektory úniku + automatické uzavření


BLEVEBLEVEBoiling liquid expanding vapor explosionPři prasknutí nádrže pod tlakem obsahující

kapalinu nad normálním bodem varuTypický scénář

– Požár v sousedství nádrže s hořlavou kapalinou– Ohřívání stěn nádrže a kapaliny uvnitř, zvyšování tlaku

par– Přehřátí materiálu nádrže nad hladinou kapaliny do té

míry, že není schopen odolat tlaku par– Prasknutí nádrže a explozivní odpaření části obsahu


Boiling Liquid Expanding Vapor ExplosionPři rychlém zahřívání (např. působením okolního požáru) zásobníku zkapalněného plynu pod tlakem dochází k odpařování kapaliny a dalšímu růstu tlaku, který může vést až k protržení stěny zásobníku. Nastane-li taková situace dochází k rychlému poklesu tlaku, který vede k prudkému varu kapaliny bez nutnosti dodávky tepla z okolí. Prudké odpařování může přerůst v mechanickou explozi. Je-li skladovaný plyn hořlavý představuje jeho vznícení další riziko.

Mexico City, 1984BLEVE v zásobnících zkapalněných rafinérských plynů (LPG) způsobilo 650 úmrtí a přes 6400 zraněných. Celkové škody pro firmu byly odhadnuty na 31 mil. USD.


Tlaková vlnaTlaková vlna

3131

31kgmmrkgmZ

TNT

kgkcalTNTEm 1120


Poškození vlivem tlakové vlnyPoškození vlivem tlakové vlnypřetlak [kPa] Poškození

3-7 Rozbitá okna

5 Částečné zničení domů

9 Zohýbané ocelové konstrukce

15-20 Poškození běžných betonových zdí

25 Kritické poškození zásobníků ropy

50 Převrácené železniční vagóny

70 Totální destrukce budov


Energie mechanické explozeEnergie mechanické explozePři mechanické explozi se

uvolní mechanická energie obsažená v substanci

Stlačený plyn– uvolní se kompresní práce– expanze je isoentropická

Kapalina pod tlakem– neexpanduje– velmi malá energie exploze

V

P

e

cc

VPVPPdVW

11122

2

1

1

1

211 11 PPVPWe


Enegie chemické explozeEnegie chemické explozeTlaková vlna chemické exploze

– tepelná expanze produktů reakce– změna molového čísla v průběhu reakce

– C3H8 + 5 O2 + 18,8 N2 3 CO2 + H2O + 18,8 N2

n0 = 24.8 n1 = 25.8

– C7H5(NO2)3 C + 6 CO + 2,5H2 + 1,5 N2

Maximální energie exploze udána A

00

1101 Tn

TnPP

STUA


Prevence požárů a explozíPrevence požárů a explozí

InertizaceEliminace statické elektřinyVětráníNevýbušné zařízení a nástrojeAutomatické hašení


InertizaceInertizaceŘedění výbušné směsi inertem pod hladinu

MOCMOC pro většinu plynů ~ 10 % obj. O2

Zavedení inertní atmosféry– Vakuová inertizace– Tlaková inertizace– Průtočná inertizace

Automatické udržování inertizace

Ho řlavé a výbušné látky

Documents

Transcript of Ho řlavé a výbušné látky