|
Лекция 2. Пылевыделение и взрывоопасность на предприятиях
по переработке зерна.
Все
транспортные и технологические процессы хранения и переработки зерна на
элеваторах, мукомольных, крупяных и комбикормовых заводах сопровождаются
значительными пылевыделениями. В производственных помещениях пыль находится в двух состояниях: во
взвешенном - аэрозольном в воздухе и в осевшем - аэрогельном. Наиболее
взрывоопасной является пыль, содержащая органические вещества в аэрозольном
состоянии. Воспламенение и взрыв горючей пыли зависят от дисперсности,
зольности, влажности, от концентрации пылевоздушной смеси, наличия источника
теплоты и достаточного количества кислороду в воздухе. Пыль и пылевидные
продукты размола зерна и комбикормов (мука, дунст и др.) способны не только
гореть, но и при определенных условиях вызывать локальные пылевые взрывы в
оборудовании, которые могут распространяться по коммуникациям производственных
помещений предприятия, приводя к
разрушениям и человеческим жертвам. Пылевой взрыв возможен только при
одновременном совпадении двух условий: первое - наличие взрывоопасной
концентрации пыли или пылевидных продуктов в аэрозольном состоянии в воздухе с
нормальным содержанием кислорода, второе - наличие источника воспламенений.
Взрывоопасная
концентрация пыли и пылевидных продуктов в аэрозольном состоянии в воздухе
колеблется п очень широких пределах – от минимального нижнего предела аmin (г/м3) до максимального верхнего предела аmax (г/м3), который принимают для
всех видов пыли равным 2000 г/м3.
Пылевые
взрывы сопровождаются образованием большого объема газообразных продуктов, что
обусловливает развитие давления до (5-..7)105 Па. Скорость распространения взрыва -
300...400 м/с. При взрыве повышается температура на соседних запыленных
участках и ускоряется реакция горения.
Промышленные
горючие пыли по аналогии с горючими газами и жидкостями по пожаро и
взрывоопасности характеризуются минимальными температурами искрообразования
вспышки и самовоспламенения, верхними и нижними концентрационными пределами.
Например, мучная пыль влажностью 15% имеет нижний предел взрывоопасной
концентраций от 18 до 40 г/м3, а верхний предел - 2000 г/м3,
При взрыве
пыли наблюдается ряд последовательных взрывов, которые создают при этом
непрерывный гул. Взрывная волна от первичного взрыва поднимает осевшую пыль и
пылевидные продукты, что вызывает новый, уже более сильный взрыв, который
распространяется на все
производственные помещения.
Установлено,
что возможность возникновения взрывов пыли определяется достаточной
концентрацией аэрированной горючей пыли в воздухе при определенном содержании
кислорода, наличием, в непосредственной близости от места образования пылевого
облака источника воспламенения, высокой температуры и тепловой энергии.
Тепловое
воздействие на пылевоздушные смеси сопровождается сложными физико-химическими
процессами. Можно наблюдать также внешние признаки процесса. При быстром нагреве
горючей пыли до температуры 300...400°С в пылевоздушном потоке появляются
искры. При этом отдельные частички оставляют светящийся след при быстром
перемещении, но процесс горения не развивается и искры гаснут.
Если
продолжить нагрев пылевоздушной смеси, то при температуре 500..600°С, процесс
искрения переходит во вспышку с появлением короткого быстро затухающего
пламени. При дальнейшем нагреве (температура 700..900°С) наблюдается мгновенное
самовоспламенение пылевоздушной смеси с распространением на весь объем
запыленного воздуха.
Характеристикой
взрывоопасности пылевоздушной смеси служит стехиометрическая концентрация пыли
в воздухе. Под этой концентрацией принято понимать такое количество горючей
пыли, при котором происходит полное ее сгорание в сухом воздухе при полном
использовании кислорода воздуха.
Для любой
горючей пыли, если известен
химический состав, можно написать
уравнение реакции горения. В процессе горения пыли происходит пиролиз
(разложение) с образованием большого количества газов, а зная теплоту взрыва
газов, можно составить уравнение теплового баланса реакции.
По
закону Гесса теплоту взрыва можно определить по формуле:
Qвзр =Qр – (n2
– n1)*R*T
где Qвзр- теплота взрыва,
образовавшаяся при сгорании смеси пыли
с воздухом, Дж;
Qр - теплота образования газообразных продуктов взрыва, Дж;
n1- число молей исходных газообразных веществ;
n2 - число молей газообразных продуктов реакции окисления взрыва;
R - универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/К* моль);
T - абсолютная начальная температура газообразных
веществ, К
Для взрыва
пылевоздушной смеси любого горючего вещества необходимо такое количество
теплоты, выделенной при сгорании, которое обеспечит нагрев газовой смеси до
температуры самовоспламенения метана.
По данным
П.Г. Демидова, газообразные продукты пиролиза органической части зерна имеют
следующую температуру самовоспламенения: метан (СН4) – 550оС,
сероводород (Н2S) - 290°С и окись
углерода (СО) - 610°С.
Для
приближенной оценки развиваемого давления газов при взрыве пыли можно использовать
закон идеальных газов, тогда
 или 
где pв -
максимально развиваемое давление при взрыве, Па;
ро - начальное давление, равное атмосферному, Па;
Vв- объем газообразных продуктов после взрыва пылевоздушной смеси,
см3;
Тв
- температура газообразных продуктов после взрыва, К;
Vо— объем аэровзвеси до взрыва, см3;
То
— температура аэровзвеси до взрыва, К.
Если в
вышеприведенной формуле заменить Vо/Vв на  , тогда
где  - сумма молей аэровзвеси до взрыва;
 - сумма молей газообразных
продуктов после взрыва.
Производственные
здания предприятий хранения и переработки зерна рассчитаны на избыточное
давление от 0,15 до 0,4 кг/см2 (0,15...0,4) 105 Па.
Пылевые
взрывы сопровождаются образованием большого объема газообразных продуктов, что
обусловливает развитие давления (5...7) 105 Па.
Для защиты
производственных зданий от разрушения предусмотрены устройства открытых проемов
(окна, двери, ворота и др.) или легкосбрасываемых элементов в наружных стенах и
перекрытиях с массой элементов не более 120
кг на 1 м2. через которые отводятся
газообразные продукты и снижается давление пылевого взрыва.
Площадь
вскрываемых сечений должна быть не
менее 0,03 м2 на 1 м3
защищаемого
объема.
Площадь
покрываемых сечений рассчитывается по формуле Гейндриха:
где V-
защищаемый
объем производственного помещения, м3;
 - скорость нарастания давления до рпр в объеме помещения V,
(кг/см2c);
 - безразмерный коэффициент, учитывающий сужение потока; для отверстий с выходом под углом 90°
= 0,8,
а для соплоообразных отверстий = 1;
R- универсальная газовая
постоянная R
= 8,31
Дж/(К* моль);
Т-
температура аэровзвеси, К;
М -
средняя молекулярная масса аэровзвеси, 29 г/моль;
Рпр - максимальное давление при взрыве в объеме производственного помещения,
кг/см2;
Ротн - относительное давление, не превышающее разрушающее избыточное
давление, кг/см2.
Для защиты
производственного оборудования от разрушений при взрыве аэровзвеси
устанавливают мембраны, которые обеспечивают вскрытие взрыворазряжающих отверстий
и отвод газообразных продуктов в атмосферу со снижением давления пылевого
взрыва.
Взрыворазряжающие
отверстия, перекрытые мембраной,
соединены с атмосферой взрыворазрядной трубой.
Толщина
металлических мембран рассчитывается но формуле:
 ,
где К - опытный коэффициент прочности:
для алюминиевых мембран
К=
0.33.. .0,38; для медных К=
0,15.. .0.18;
р -
разрушающее давление. Па;
D
- диаметр
мембраны, мм;
 - расчетная толщина мембраны, мм.
Минимальный диаметр
мембраны принимают D
= 250 мм, а толщину алюминиевой
фольги = 0,02...0,04 мм, при этом разрушающее
давление p = 0,2...0,4 кГ/см2 = (0,2...0.4) 105
Па.
По
существующим нормам для технологического оборудования величину площади взрыворазряжающих отверстий принимают S= 0, 0285м2 на 1м3 объема
защищаемой машины.
Для
оборудования с повышенной взрывоопасностью (нории, циклоны, обоечные и щеточные
машины и т. д.) величину взрыворазряжающих отверстий увеличивают: S= 0, 04...0, 06м2 на I м3 объема машины.
Диаметр мембраны можно рассчитать по
формуле:
D
=
где Есб — коэффициент сброса
давления, м2/»3;
для
зерновой пыли Есб =0,01..0,07, для
мучной Есб =
0,01..0,1;
Vм — объем защищаемой машины, м3.
Взрыворазрядные
трубы должны быть надежны и не разрушаться при отводе газообразных продуктов. Толщину стенок трубы рассчитывают по
формуле:
где
рт - давление, выдерживаемое
трубой: 0,2..0,4 кГ/см2; (0,2..0,4) 105 Па;
Dт
- диаметр
взрыворазрядной трубы, м;
 - допустимые напряжения, Па;
 - коэффициент прочности шва.
При
всех теоретических расчетах стехиометрической концентрации,
развиваемого давления
газов и теплоты при взрыве пылей следует учитывать особенности
физико-химических свойств пыли (дисперсности, зольности, влажности) и состояния
атмосферного воздуха (по содержанию кислорода, водяных паров).
В таблице 1
приведены некоторые характеристики пожаро- и взрывоопасных аэрозолей пыли, сырья
и готовой продукции хранения и переработки зерна. Все образцы сырья и готовой
продукции испытывали в измельченном состоянии дисперсностью до 74 мкм и
подсушивали их. Верхний предел взрывоопасной концентрации для всех перечисленных пылей
ориентировочно принимают 2000 г/м3.
Взрывоопасность
органической пыли в значительной степени
зависит от присутствия в ней минеральных примесей. При увеличении
содержания минеральных примесей нижний предел взрывоопасной концентрации
повышается, а взрывоопасность снижается.
Избыточное
давление, взрывная волна, высокотемпературные газообразные продукты, осколки и
обломки разрушенного оборудования и конструкции здания - последствия пылевого
взрыва, оказывающие поражающее действие на людей.
Воздействие
взрывной волны на человека весьма сложно и разнообразно. При избыточном
давлении от 1,2*105 до 4*105 Па разрушаются кровеносные сосуды и мышцы в 75 - 100% случаев.
При давлении от 0,35 до 1,05 * 105 Па у человека разрываются
барабанные перепонки и происходят нервнопаралитические поражения.
Кроме того,
поражающее действие на людей оказывают высокотемпературные продукты взрыва, при
этом люди получают ожоги различной степени тяжести. Скорость движения взрывной
волны достаточно велика (300...400 м/с), и люди, попавшие под ее действие,
получают тяжелые травмы и контузии.
|
