4.10.2010
Bezpečnost chemických výrob N111001 Petr Zámostný místnost: A-72a tel.: 4222 e-mail:
[email protected]
Rizika spojená s hořlavými látkami
Povaha procesů hoření a výbuchu Požární charakteristiky látek Prostředky snížení nebezpečí požáru nebo exploze
1
4.10.2010
Fakta o požárech a explozích Nejčastější typ 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
Hoření „Rychlá, exotermní oxidace za vzniku plamene”
Exploze „Hoření s rychlým uvolňováním energie za vzniku tlakové vlny”
2
4.10.2010
Hoření × Exploze Hoření uvolňuje energii relativně pomalu, exploze velmi rychle Hoření může přejít v explozi a naopak Exploze – prudké rozpínání plynů = tlaková vlna mechanická exploze exploze způsobená chemickou reakcí
Hoření uhlovodíku
Kouř, plameny
3
4.10.2010
Hoření sirouhlíku
Žádný kouř, plameny téměř nejsou vidět
Hoření methanu
Typicky hoří v zásobníku
4
4.10.2010
Hoření prachových částic (obilí)
Typicky probíhá vně zásobníku
Hoření prachových částic (uhlí)
5
4.10.2010
Požární trojúhelník
Složky trojúhelníku Palivo
Oxidovadlo Plyn – O2, F2, Cl2 Kapalina – H2O2, HClO3, HNO3 Pevná látka – peroxidy, KClO3
Iniciátory
Dostatečné množství/energie
Plyn - acetylen, metan, vodík, LPG Kapalina – benzín, aceton, ether, hexan Pevná látka – plasty, hořlavé prachy
Teplo, plamen, jiskry, statická elektřina
6
4.10.2010
Aplikace trojúhelníku
Zabránění iniciaci = nemůže dojít k hoření
Robustní prevence hoření = zabránění vzniku hořlavé směsi
Problém: Iniciační zdroje jsou všudypřítomné
Požární charakteristiky látek Koncentrační rozmezí Meze výbušnosti Limitní koncentrace kyslíku
Charakteristické teploty Bod vzplanutí Bod hoření Teplota samovznícení
7
4.10.2010
Meze výbušnosti 100 % vzduchu
NEHOŘÍ
100 % par hořlaviny
xhořlaviny
VYBUCHUJE
HOŘÍ
NEHOŘÍ
Oblast výbušnosti
Dolní mez Výbušnosti (LEL, LFL)
Horní mez Výbušnosti (UEL, UFL)
Základní interpretace mezí výbušnosti Směsi pod dolní mezí výbušnosti jsou bezpečné, ale směs nemusí být nikdy zcela homogenní, takže je nutno počítat s rezervou za bezpečnou se považuje směs na úrovni < 0,5 yDMV
Směsi nad horní hranicí výbušnosti by měly být teoreticky nevýbušné ale kyslík je všude okolo, takže lokální naředění na výbušnou koncentraci je velmi pravděpodobné tyto směsi se nepovažují za bezpečné
8
4.10.2010
Důvod existence mezí výbušnosti Bilance tepla při spalování plynné směsi např. par těkavé látky se vzduchem
H Hc Hp ∆Hc ... enthalpie (teplo) uvolněné spálením jednotkového objemu směsi (záporné) ∆Hp ... enthalpie (teplo) potřebné na ohřev produktů na teplotu hoření (kladné)
Bilance musí být vyrovnaná nebo končit přebytkem (∆H ≤ 0)
Příklady hodnot 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 %
Jako koncentraci, která není nebezpečná výbuchem, je možné označit koncentraci, která nepřekročí 50 % dolní meze výbušnosti.
9
4.10.2010
Zjišťování mezí výbušnosti Měření (dokonalá informace, špatná dostupnost) Výpočet/odhad (nejistá informace, dobrá dostupnost) Převzetí publikovaných dat (výborná dostupnost omezeného souboru dat) bezpečnostní datové listy sborníky fyzikálně chemických dat encyklopedie
Měření mezí výbušnosti Le Chatelier, H., “Estimation of Firedamp by Flammability Limits,” Ann. Mines, Vol. 19, ser. 8, 388-395 (1891)
10
4.10.2010
Měření mezí výbušnosti Hoří Nehoří
0
25 Koncentrace hořlaviny, obj. %
50
Nedostatky plyn je nasycen vodní parou nepřesná diagnostika hoření – nepřesné stanovení mezí určí se mez výbušnosti pro dolů postupující frontu hoření (vyšší hodnota než u nahoru postupující fronty)
Měření mezí výbušnosti
11
4.10.2010
Měření mezí výbušnosti
Měření mezí výbušnosti Testování směsí různého složení Hledání mezních hodnot
12
4.10.2010
Meze výbušnosti
Proč nestačí tabelované hodnoty? Hodnoty mezí výbušnosti závisí na teplotě tlaku složení směsi
Tabelované hodnoty jsou uváděny pro normální tlak 101 kPa normální teplotu 20 °C čisté látky
Meze výbušnosti
Proč nestačí tabelované hodnoty? Tabelované hodnoty je možno použít pro hodnocení bezpečnosti směsi v laboratořích, halách, otevřených prostranstvích jako kritickou hodnotu pro čidla havarijních analyzátorů
Tabelované hodnoty není je možno omezeně použít pro hodnocení nebezpečnosti odpařujících se směsí látek
13
4.10.2010
Meze výbušnosti
Proč nestačí tabelované hodnoty? Tabelované hodnoty není možno použít pro hodnocení bezpečnosti směsí v prostředích a aparátech s výrazně zvýšenou teplotou v tlakových nádobách u směsí vzniklých částečným odpařením směsné kapaliny v atmosféře s obsahem kyslíku neodpovídajícím vzduchu
Minimální koncentrace kyslíku Minimální koncentrace kyslíku potřebná k propagaci hoření C x Hy Oz m O2 x CO2 MOC LFL m
y 2
H2O
Směs nevybuchuje ač je v rozmezí výbušnosti, není-li obsah kyslíku alespoň roven MOC Snížení obsahu kyslíku pod MOC je možné přidáním inertu = INERTIZACE MOC (obj. % O2) Methan
12
Ethan
11
Vodík
5
14
4.10.2010
Diagram hořlavosti
Diagram hořlavosti K čemu slouží Posouzení hořlavosti směsi Řízení procesů s nebezpečím vzniku hořlavé směsi
Komplikace Vyžaduje experimentální data Závisí na typu chemické látky Závisí na teplotě a tlaku
15
4.10.2010
Odečítání z diagramu 0
100
20 %
O2
Hořlavá látka
15 % 100
0 0
N2
65 %
100
! Každý bod odpovídá složení celé směsi, jednotlivé složky dávají součet = 100
Diagram: přímka vzduchu 0
100
přímka vzduchu
(všechny možné směsi hořlavé látky se vzduchem)
O2
Hořlavá látka Horní mez výbušnosti
oblast hořlavosti
Spodní mez výbušnosti 100
0 0
N2
79 % N2, 21 % O2
100
16
4.10.2010
Diagram: přímka stechiometrie 0
100 hořlavá látka + m O2 produkty
O2 Hořlavá látka
m / (1 + m) oblast hořlavosti
přímka stechiometrie
100
0 0
N2
(všechny možné stechiometrické směsi hořlavé látky s kyslíkem)
100
Diagram: MOC 0
100
přímka minimální koncentrace kyslíku
O2 Hořlavá látka
oblast hořlavosti 100
0 0
N2
100
17
4.10.2010
Přibližný diagram přímka vzduchu 0
100
meze výbušnosti hořlavá látka + m O2 produkty MOC meze výbušnosti v O2
O2 Hořlavá látka
oblast hořlavosti 100
0 0
N2
100
Experimentální diagram
18
4.10.2010
Diagram: míchání směsí 0
100
O2
Směs vzniklá mícháním směsí leží na jejich spojnici x/y = n(A)/n(B)
Hořlavá látka A M B
100
0 0
x
N2
y
100
! Každý bod odpovídá složení celé směsi, jednotlivé složky dávají součet = 100
Diagram: míchání směsí 0
100
O2
postupné ředění směsi B směsí A
Hořlavá látka A M B
100
0 0
N2
100
! Každý bod odpovídá složení celé směsi, jednotlivé složky dávají součet = 100
19
4.10.2010
Aplikace: odstavení tlakového zásobníku START 0
1. Odstavení tlaku
100
2. Vhánění vzduchu
O2 Hořlavá látka
oblast hořlavosti 100
0 0
N2
CÍL
100
Aplikace: odstavení tlakového zásobníku START 0
1. Odstavení tlaku
100
2. Vhánění dusíku 3. Vhánění vzduchu
O2 Hořlavá látka
oblast hořlavosti 100
0 0
N2
CÍL
100
20
4.10.2010
Úkoly na cvičení
21
