Содержание

Введение
Определение категории помещения, в котором обращаются горючие пыли
Выбор и обоснование расчетного варианта
Расчет массы горючей пыли
Расчет плотности воздуха
Вывод

Расчет избыточного давления взрыва аэровзвеси горючих пылей

Введение

Помещения, в которых обращаются или выделяются в процессе работы пыли или волокна могут представлять взрывопожарную опасность. Аэровзвесь пыли в объеме помещения при достижении нижнего концентрационного предела сгорает с образованием избыточного давления взрыва. При достижении расчетного избыточного давления взрыва более 5 кПа помещение будет относиться к категории Б по взрывопожарной и пожарной опасности.

Федеральный закон от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" Статья 27. пункт 6: "Помещение относится к категории Б, если в нем находятся, обращаются горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 °С, горючие жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа."

Определение категорий помещений, в которых обращаются горючие пыли

Определение категорий помещений проводится на основании требований пункта 12 Постановления Правительства РФ от 16.09.2020 N 1479 "Об утверждении Правил противопожарного режима в Российской Федерации", статьи 27 Федерального закона от 22 июля 2008 года № 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности". Документом, регламентирующим порядок определения категорий по взрывопожарной и пожарной опасности является СП 12.13130.2009 "Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности".

Помещения, в которых обращаются горючие пыли или волокна, в зависимости от их количества и объема помещения, могут относится к категориям Б или В1-В4.

Основным критерием для отнесения помещений к взрывоопасным категориям служит возможность образования взрывоопасной пылевоздушной среды, при воспламенении которой смесь взрывается (очень быстро сгорает в объеме помещения) с образованием избыточного давления взрыва, превышающего 5 кПа.

Целью расчета как раз и является выяснить, возможен ли взрыв в помещении и каково будет его избыточное давление.

Расчет давления взрыва для горючих пылей может быть выполнен по формуле:

Δ P = \frac{m \times H_{T} \times P_{0} \times Z}{V_{св} \times ρ_{в} \times C_{р} \times Т_{0}} \times \frac{1}{K_{н}}

Где:
m - масса горючих пылей или волокон, вышедших в результате расчетной аварии в помещение, кг;
H_T - теплота сгорания, Дж/кг;
P₀ - начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);
Z - коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения;
V_св - свободный объем помещения, м³;
ρ_в - плотность воздуха при начальной температуре T₀, кг/м³;
C_р - теплоемкость воздуха, Дж/кг*К, (допускается принимать равной 1,01 * 10³, Дж/кг*К);
Т₀ — начальная температура воздуха, К.

Коэффициент Z рассчитывают по формуле:

Z = 0.5 \times F

где F — массовая доля частиц пыли размером менее критического, с превышением которого аэровзвесь становится неспособной распространять пламя. В отсутствие возможности получения сведений для оценки величины F допускается принимать F = 1.

Выбор и обоснование расчетного варианта

При расчете критериев взрывопожарной опасности в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором в образовании горючих пылевоздушных смесей участвует наибольшее количество пылей, наиболее опасных в отношении последствий сгорания этих смесей.

Количество поступивших в помещение веществ, которые могут образовать горючие пылевоздушные смеси, определяется, исходя из следующих предпосылок:
а) происходит расчетная авария одного из аппаратов;
б) все содержимое аппарата поступает в помещение;
в) происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих аппарат, по прямому и обратному потокам в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов. Расчетное время отключения трубопроводов определяют в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки, и должно быть минимальным с учетом паспортных данных на запорные устройства, характера технологического процесса и вида расчетной аварии.
Расчетное время отключения трубопроводов следует принимать равным:

времени срабатывания системы автоматики отключения трубопроводов согласно паспортным данным установки, если вероятность отказа системы автоматики не превышает 0,000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов;
120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов;
300 с при ручном отключении.

Количество пыли, которое может образовать пылевоздушную смесь, определяется из следующих предпосылок:
а) расчетной аварии предшествовало пыленакопление в производственном помещении, происходящее в условиях нормального режима работы (например, вследствие пылевыделения из негерметичного производственного оборудования);
б) в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в помещение всей находившейся в аппарате пыли.

Масса взвешенной в объеме помещения пыли

Расчетную массу взвешенной в объеме помещения пыли m, кг, образовавшейся в результате аварийной ситуации, определяют по формуле

m = min {\begin{matrix} m_{вз} + m_{ав} \\ ρ_{ст} \times V_{ав} / Z \end{matrix}

где m - суммарная расчетная масса пыли, кг. Принимается минимальное значение из расчитанных;
m_вз — расчетная масса взвихрившейся пыли, кг;
m_ав — расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг;
ρ_ст — стехиометрическая концентрация горючей пыли в аэровзвеси, кг/м³ ;
V_ав — расчетный объем пылевоздушного облака, образованного при аварийной ситуации в объеме помещения, м³.

В отсутствие возможности получения сведений для расчета V_ав допускается принимать

m = m_{вз} + m_{ав}

Расчетную массу взвихрившейся пыли m_вз определяют по формуле:

m_{вз} = K_{вз} \times m_{п}

где К_вз — доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. К_вз = 0.9
m_п — масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии, кг.

Расчетную массу пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации определяют по формуле:

m_{ав} = (m_{ап} + q \times T) \times K_{п}

Где m_ап — масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг;
q — производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг/с;
Т — время отключения трубопроводов, с;
К_п — коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата в помещение.
При отсутствии экспериментальных данных о величине К_п допускается принимать:
- К_п = 0,5 — для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм;
- К_п = 1,0 — для пылей с дисперсностью менее 350 мкм.

Аппаратом, при расчетах категорий по взрывопожарной и пожарной опасности, считается технологическое оборудование, ящики, мешки и другие емкости.

При отсутствии трубопроводов используются только масса загрузки аппарата и коэффициент пыления.

Масса пыли, которая способна сгореть в объеме воздуха помещения

m = ρ_{ст} \times V_{ав} / Z

В первую очередь необходимо определить объем пылевоздушного облака, образовавшегося при разрушении аппарата. В случае разрушения мешка или иной емкости на определенной высоте, без дополнительного на него воздействия, облако будет иметь форму конуса.

V_{ав} = \frac{1}{3} \times H_{ав} \times π \times {H_{ав}}^{2}

Где H_ав - высота повреждения аппарата.

Далее определяется стехиометрическая концентрация горючей пыли в аэровзвеси.

Сведения, необходимые для определения стехиометрической концентрации пылей в воздухе при нормальных условиях (атмосферное давление 101,3 кПа, температура 20 °С), могут задаваться несколькими способами:

Прямым указанием величины из справочной литературы
Указанием сведений о брутто-формуле химического состава вещества, например, в виде С_УН_B>О_KN_A. В таком случае расчет стехиометрической концентрации производится на основе химического уравнения окисления данного вещества воздухом до соответствующих продуктов взаимодействия по формуле

$ρ_{ст} = 0,0087 \times \frac{12 \times У + В + 16 \times К + 14 \times А}{У + B/4 - K/2}$

При наличии в брутто-формуле вещества других атомов, например S, Р, Аl, и т. д., в расчете должны учитываться дополнительные продукты окисления: SO₃, Р₂О₅, Аl₂O ₃ и т. д.;
результатами экспериментального измерения убыли массы кислорода в камере, где произведено выжигание пробной массы исследуемого вещества в атмосфере кислорода (например, в установке для определения теплоты сгорания вещества по ГОСТ 21261-91).
По номограммам. Например по номограмме 9а «Атласа диаграмм и номограмм по газопылевой технике» Пейсахова И.Л. на каждые 1000 ккал (4184 кДж) выделившегося при горении тепла требуется 1,1 м³ воздуха. Тогда стехиометрическую концентрацию можно вычислить по формуле:

ρ_{ст} = \frac{4184000}{H_{T} \times 1.1}

Массу отложившейся в помещении пыли к моменту аварии определяют по формуле

ρ_{п} = \frac{К_{г}}{К_{у} \times (m_{1} + m_{2})}

где К_г — доля горючей пыли в общей массе отложений пыли;
К_у — коэффициент эффективности пылеуборки. Принимают равным 0,6 при сухой и 0,7 — при влажной пылеуборке (ручной). При механизированной вакуумной пылеуборке для ровного пола Ку принимают равным 0,9; для пола с выбоинами (до 5 % площади) — 0,7;
m₁ — масса пыли, оседающей на труднодоступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между генеральными уборками, кг;
m₂ — масса пыли, оседающей на доступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между текущими уборками, кг.
Под труднодоступными для уборки площадями подразумевают такие поверхности в производственных помещениях, очистка которых осуществляется только при генеральных пылеуборках. Доступными для уборки местами являются поверхности, пыль с которых удаляется в процессе текущих пылеуборок (ежесменно, ежесуточно и т. п.)

Масса пыли m_i (i = 1; 2), оседающей на различных поверхностях в помещении за межуборочный период, определяется по формуле

m_{i} = M_{i} (1 - α) \times β_{i}, (i = 1; 2)

где M₁ = ∑ M_1i — масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за период времени между генеральными пылеуборками, кг;
M₂ = ∑ M_2i — масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг;
M_2i — масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за период времени между текущими пылеуборками, кг;
α — доля выделяющейся в объем помещения пыли, которая удаляется вытяжными вентиляционными системами. При отсутствии экспериментальных данных о величине α, α = 0;
β1, β2 — доли выделяющейся в объем помещения пыли, оседающей соответственно на труднодоступных и доступных для уборки поверхностях помещения. При отсутствии сведений о коэффициентах бета и бета допускается принимать β1 = 1, β2 = 0.

M_{i} = Σ (G_{i} \times F_{i}) \times t_{i}, (i = 1; 2)

где G₁, G₂ — интенсивность пылеотложений соответственно на труднодоступных F₁ (м²) и доступных F₂(м²) площадях, кг ⋅ м^-2 ⋅ с^-1;
t₁, t₂ — промежуток времени соответственно между генеральными и текущими пылеуборками, с

Расчет плотности воздуха

Воздух имеет ряд параметров: давление, влажность, температуру. Для расчета плотности все они имеют значение. Для пожарно-технических расчетов считается, что влажностью воздуха можно пренебречь, так как не известно, какая будет влажность при расчетной аварии: время года, наличие аварий на системе отопления или другие факторы. Кроме этого во многой справочной литературе предлагается принимать значение плотности воздуха как константу.

Плотность сухого воздуха может быть вычислена по формуле Менделеева-Клайперона для идеального газа при заданной температуре и давлении.

ρ_{в} = \frac{P_{0} \times M}{R \times T_{0}}

Где ρ - плотность воздуха, кг/м³,
М – молярная масса (для сухого воздуха = 29 г/моль);
Р – давление, кПа;
R – универсальная газовая постоянная = 8,31447 Дж/(моль*К);
Т₀ – температура, измеряемая в кельвинах (^oC + 273,15).

Калькулятор для расчета плотности воздуха досупен на странице.

Вывод

Определить расчетным путем избыточное давление взрыва аэровзвеси горючих пылей для неподготовленного человека достаточно сложно, а если отсутствуют образцы выполнения или справочные данные - то мероприятие переходит в разряд невыполнимых.

Чтобы решить Вашу задачу и при этом сэкономить существенную сумму pozhbez.online разработал собственный калькулятор расчета избыточного давления взрыва аэровзвеси горючих пылей. База данных калькулятора включает все необходимые для расчетов справочные значения свойств веществ и материалов, а также по умолчанию заданы наиболее популярные параметры помещений и окружающей среды, чтобы исключить возможность ошибки и облегчить Вашу задачу.

Для самостоятельных расчетов и полного погружения в тему мы подготовили цикл статей о категорировании помещений по взрывопожарной и пожарной опасности.