Procesy s účastí stlačených a zkapalněných plynů a přehřátých kapalin
zásobníky zkapalněných plynů havarijní scénáře a jejich rozbor
Havarijní scénář Nebezpečný potenciál – zádrž nebezpečných látek – uvolnitelná energie – schopnost konat expanzní práci
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Iniciace příčina
Pravděpodobnost
Průběh
Důsledky
Stlačené plyny H2 – Při úniku se často sám vznítí
N2 O2 – oxidující
CH4
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Expanzní práce Stlačení plynu – Dodání práce – Nutno odebrat teplo
Expanze - plyn koná práci – Maximální – vratná – Minimální – nevratná – Výpočet, schéma
„Divoká práce“ – Destrukce – Kinetická energie plynu Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Energie mechanické exploze 2
We =
∫
PdV =
1
γ =
cP cV
⎛ p2 ⎞ T2 = T1 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ p1 ⎠
(P2V2 − P1V1 ) (1 − γ )
(γ −1) / γ
(γ −1) γ ⎤ ⎛ P2 ⎞ ⎛ P1V1 ⎞ ⎡ ⎥ ⎟⎟ ⎢1 − ⎜⎜ ⎟⎟ We = ⎜⎜ ⎥ ⎝ γ − 1 ⎠ ⎢⎣ ⎝ P1 ⎠ ⎦
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Při 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
Charakteristika zkapalněného plynu p 0 (T2 )
⎡ ∆H výp (T2 − T1 ) ⎤ p (T2 ) = p (T1 ) exp ⎢ ⎥ RT2T1 ⎣ ⎦ B ln p 0 = A − Tsklad T +C
1 2 ∆H m = ∫ 2 dT ln 0 p (T1 ) R T1 T T
p
(g)
0
0
psklad ∆T
(l)
dQ = mc p dT Latentní teplo
Q = mc p ∆T
pATM
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
TV
T
Schéma modelového procesu odběr
1 2 zásobník
3 3
plnění
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
cisterna
Havarijní scénáře 1
Pomalý únik z parního prostoru – uniká pouze pára – je přerušeno pouze potrubí, nebo je otvor v zásobníku malý
2
Rychlý únik z parního prostoru – unikající pára vynáší kapky kapaliny, popř. pěnu
3
Únik z kapalinového prostoru – vytéká kapalina až do úrovně otvoru
4
BLEVE „What if“ analýza
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 1 - Pomalý únik z parního prostoru Charakteristika – malý otvor v parním prostoru zásobníku, v odběrovém potrubí, nezavřený ventil, …
Děje – postupný pokles tlaku až na úroveň atmosférického – adiabatický var – spotřeba latentního tepla – klasický var dodávkou tepla z okolí po ochlazení kapaliny až na teplotu normálního bodu varu
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 1 - Adiabatický var Latentní teplo Q = mc p (Tsklad − Tv )
Teplo potřebné na odpaření
Q = m∆Hv Množství odpařené kapaliny – rovnováha
mc p (Tsklad − Tv ) Q mv = = ∆H v ∆H v
Podíl odpařené kapaliny
mv c p (Tsklad − Tv ) = fv = m ∆H v
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
dm =
mc p ∆H v
dT
Scénář 1 - Var Q = A K (Tatm – Tv)
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 1 - Závěry Nebezpečnost plynu roste s klesajícím bodem
varu Nebezpečnost zařízení roste s rostoucím tlakem Rychlost určující kroky – 1. a 2. fáze odpor únikové cesty, v 1. fázi i přetlak – prostup tepla z okolí
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 2 – Rychlý únik z parního prostoru Charakteristika – velký otvor v parním prostoru zásobníku
Děje – dvoufázový únik • rychlá expanze par a adiabatický var unáší s plynem kapky kapaliny nebo působí pěnění
– jemně rozptýlená kapalina se velmi rychle vypaří – po úniku části kapaliny může přejít ve scénář 1
Rychlost určující krok – odpor únikové cesty
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
BLEVE Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion Explozivní odpaření přehřáté kapaliny nebo
podchlazeného plynu – velmi rychlé odpaření velkého objemu kapaliny – mechanická exploze
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 2 - Závěry Kritické poškození zásobníku velmi nebezpečné – velké objemy uvolněných látek
Zvláštní nebezpečí – extrémně stlačené plyny (BLEVE) – hořlaviny (VCE)
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 3 – Únik z kapalinového prostoru Charakteristika – otvor v kapalinovém prostoru zásobníku
Děje – tryskání kapaliny až po úroveň otvoru • tlak v parním prostoru děj výrazně urychluje • mžikový odpar části tryskající kapaliny
– pokračuje scénářem 1 nebo 2
Rychlost určující krok – odpor únikové cesty – přetlak
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Scénář 3 – Závěry Podobné nebezpečí jako u scénáře 2 Obvykle nehrozí BLEVE – kapalina má při výtoku mnohem větší odpor
Těžké plyny mohou snadněji vytvořit polštář
Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
Přehřáté kapaliny Velmi podobné chování Oproti zkapalněným plynům je opačný směr
výměny tepla s okolím – kapalina teplejší než okolí – roste nebezpečí samovznícení – pomalé scénáře úniků jsou mírnější vlivem ochlazování
Aplikace – vysokotlaké reaktory – destilace za zvýšeného tlaku – potrubí • úspora energie × nárůst rizika Bezpečnost chemických výrob – Zásobníky zkapalněných plynů
