KATEDRA BEZPIECZEŃSTWA BUDOWLI

ZAKŁAD ROZPOZNAWANIA ZAGROŻEŃ OBIEKTÓW

PRACOWNIA ROZPOZNAWANIA ZAGROŻEŃ OBIEKTÓW

ĆWICZENIE NR 3 i 4

TEMAT: WYZNACZANIE ZASIĘGU STREFY ZAGROŻENIA WYBUCHEM WOKÓŁ ROZLEWISKA ROZPUSZCZALNIKA PARUJĄCEGO Z OTWARTEJ PRZESTRZENI

Opracowali:

kpt. mgr inż. Grzegorz Kotulek

kpt. mgr inż. Bożena Kuczyńska

WARSZAWA 2010

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest praktyczne i teoretyczne wyznaczenie zasięgu strefy zagrożenia wybuchem wokół rozlewiska cieczy palnej (alkoholu etylowego, benzyny) parującej z otwartej przestrzeni w środowisku nieruchomym
oraz ruchomym. Ćwiczenie polega na pomiarze stężenia par cieczy
w powietrzu. Analizowany rozkład stężenia niebezpiecznego pod względem wybuchowym nad powierzchnią parowania odbywa się poprzez wyznaczanie miejsc, w których stężenie par osiąga 50% dolnej granicy wybuchowości (DGW).

2. Parowanie

Parowanie, czyli przejście cieczy w parę to proces polegający na odrywaniu się cząstek cieczy od powierzchni i przechodzeniu do powietrza jako drobiny pary, podczas którego pobierana jest energia z otoczenia. Z punktu widzenia kinematyki molekularnej cząstki cieczy posiadają pewną energię kinetyczną która przy temperaturze niższej od temperatury wrzenia nie może przezwyciężyć sił przyciągania międzycząsteczkowego. Wyznacznikiem średniej energii kinetycznej cząsteczek cieczy jest temperatura. Mówimy o średniej energii, bowiem poszczególne cząsteczki cieczy przemieszczają się w jej obrębie
z różnymi szybkościami (energiami kinetycznymi) i w różnych kierunkach. Zderzając się ze sobą przekazują tę energie z cząsteczki na cząsteczkę. Istnieje zatem zawsze w cieczy pewna ilość cząsteczek o energii tak dużej, że są zdolne pokonać siły spójności cieczy (napięcia powierzchniowego). Jeżeli taka cząsteczka znajdzie się przy powierzchni, a jej kierunek ruchu będzie skierowany na zewnątrz, może dojść do procesu oderwania się jej od cieczy
i przejścia w stan gazowy (stan pary). Po przedostaniu się do atmosfery cząsteczek o dużych prędkościach, średnia energia kinetyczna pozostałych
w cieczy cząstek obniży się, a więc obniży się temperatura cieczy, ponieważ energia ta jest proporcjonalna do temperatury. Miarą energii potrzebnej
do odparowania masy cieczy jest ciepło parowania. Porcja energii potrzebna
do przezwyciężenia przyciągania międzycząsteczkowego nie jest stała, ulega zmianom pod wpływem ciśnienia i temperatury. Parowanie powierzchniowe zachodzące wyłącznie na powierzchni cieczy osiągane jest poniżej temperatury wrzenia substancji. Cząsteczki pary nad cieczą też maja różne energie kinetyczne i poruszają się w różnych kierunkach, niektóre z nich trafiają więc znów w obręb cieczy, a dzieje się to tym łatwiej im więcej cząsteczek pary jest nad cieczą (większa ilość zderzeń, więcej cząsteczek o niższej energii, więcej cząsteczek porusza się w stronę cieczy). Zjawisko parowania w danej temperaturze będzie trwać tak długo, aż szybkość procesu skraplania
i parowania zrównają się i osiągnięty zostanie stan dynamicznej równowagi. Parę w stanie takiej równowagi nazywamy parą nasyconą, a charakterystycznym parametrem w danej temperaturze jest jej prężność. 

Równolegle do procesu odparowania zachodzi zatem zjawisko odwrotne. Cząsteczki pary w powietrzu wielokrotnie odbijają się między sobą i cząstkami powietrza. Jeżeli prędkość cząstek pary zmaleje, gdy znajdą się one w pobliżu cieczy, mogą zostać ponownie wchłonięte i następuje kondensacja. W procesie parowania ilość cząstek odrywających się do pochłoniętych jest większa. Gdy powietrze jest nasycone, a para osiągnęła prężność maksymalną w danej temperaturze, ilość cząstek parujących i kondensujących jest taka sama.

Intensywność parowania zależy od temperatury otoczenia i temperatury parującej cieczy, wilgotności powietrza, prędkości wiatru, ciśnienia atmosferycznego, powierzchni rozlewiska i od rodzaju podłoża. Niska temperatura spowalnia odparowanie, natomiast wysoka przyspiesza ten proces. Wiatr przemieszcza parę znad powierzchni cieczy obniżając wielkość nasycenia powietrza tuż nad cieczą i parowanie rośnie. Ciśnienie wpływa na temperaturę powietrza oraz prężność par nasyconych. Spadek ciśnienia powoduje obniżenie temperatury wrzenia. Duża wilgotność powietrza zmniejsza parowanie.

2. Własności par

Parą nazywamy każdy gaz rzeczywisty w temperaturze niższej niż temperatura krytyczna.

Wyobraźmy sobie hermetycznie zamknięte naczynie, całkowicie wypełnione cieczą, w którym dno stanowi tłok mogący się przesuwać. Jeżeli obniżymy poziom tłoka, nad cieczą pojawi się wolna przestrzeń, która przez parowanie cieczy zostanie wypełniona parą nasyconą. Ciśnienie jakie będzie wywierać
ta para w danej temperaturze to właśnie wartość prężności pary.

W czasie parowania w stan gazowy przechodzą cząsteczki, które osiągnęły odpowiednią energię umożliwiającą oderwania się od cieczy, i które znalazły się tuż przy powierzchni. Cząsteczki wewnątrz cieczy, nawet jeśli posiadają energię wystarczającą do oderwania się od objętości cieczy, stracą  ją w zderzeniach
z innymi cząsteczkami. Możemy powiedzieć, że otoczenie nie pozwoli im dojść do stanu gazowego, szybko odbierając im nadmiar energii. Podwyższając temperaturę cieczy tzn. zwiększając średnią energię kinetyczna cząsteczek
w pewnej temperaturze doprowadzamy do stanu, w którym cząsteczki najszybsze posiadają energię pozwalającą na stworzenie stanu gazowego,
a otaczające je wolniejsze cząsteczki też są bliskie tego stanu, tak że ilość oddawanej najbliższemu otoczeniu energii jest równa energii przez to otoczenie dostarczanej. W takim stanie możliwe jest powstawanie lokalnych skupisk cząsteczek o energii pozwalającej zachować stan gazowy nawet wewnątrz objętości cieczy. Mówimy wówczas, że ciecz wrze (niektórzy mówią,
że wrzenie to parowanie całą objętością), a dostarczane z zewnątrz energia
na sposób ciepła nie powoduje już wzrostu temperatury lecz jedynie zwiększa intensywność wrzenia. Tak więc temperatura wrzenia pod danym ciśnieniem jest stała i charakterystyczna dla danej substancji, często stanowi jeden
z czynników identyfikacyjnych.

Jak stwierdzono, w chwili wrzenia ciśnienie pary nasyconej cieczy osiąga wartość ciśnienia zewnętrznego. Można zatem stwierdzić, że wrzenie następuje wówczas, gdy prężność pary osiągnie wartość ciśnienia zewnętrznego. 

Para nasycona to gaz pozostający w równowadze z fazą ciekłą tej samej substancji. Para ta ma największe możliwe dla danej temperatury ciśnienie
i gęstość. Ciśnienie pary nasyconej jest niezależne od objętości. Zmniejszanie objętości w stałej temperaturze powoduje skraplanie pary, a stan równowagi
w dalszym ciągu istnieje. Zwiększanie objętości powoduje wyparowanie cieczy bez obniżenia ciśnienia pary nasyconej. Stan pary nasyconej istnieje
w zamkniętych naczyniach z cieczą, na przykład w butli z płynnym gazem propan-butan. Para nasycona pojawia się również w układach otwartych. Przykładem może być para wodna zawarta w powietrzu podczas wieczornego obniżania się temperatury. Po osiągnięciu pewnej temperatury zwanej punktem rosy, woda skrapla się tworząc mgłę.

Ciśnienie (prężność) pary nasyconej to ciśnienie, przy którym w określonej temperaturze gaz jest w stanie równowagi z cieczą. Występuje wówczas równowaga między parowaniem i skraplaniem. Ciśnienie pary nasyconej zależy od rodzaju cieczy (substancji), a dla danej cieczy zależy od temperatury, wzrastając wraz z nią i osiągając największą wartość (ciśnienie krytyczne)
w temperaturze krytycznej. W wyższej temperaturze ciecz już nie istnieje (stąd nazwa). Gdy w danej temperaturze w warunkach równowagi ciśnienie pary nasyconej jest równe ciśnieniu panującemu w otoczeniu, to substancja wrze.

W temperaturze poniżej temperatury punktu potrójnego ciecz nie może istnieć
w równowadze z gazem, ale gaz może być w równowadze z ciałem stałym
w procesach sublimacji i resublimacji. Ciśnienie pary nasyconej jest jedną
z wielkości fizycznych charakteryzujących substancje, szczególnie ciecze. Jeżeli nie podano temperatury, przy której określono to ciśnienie, przyjmuje się temperaturę normalną. W mieszaninie gazów danego składnika może być najwyżej tyle, aby jego ciśnienie parcjalne odpowiadało ciśnieniu pary nasyconej w danej temperaturze.

3. Szybkość parowania cieczy

Szybkość procesu parowania zależy od temperatury oraz ciśnienia parcjalnego pary nad cieczą. Gdy ciśnienie pary jest równe ciśnieniu pary nasyconej w danej temperaturze to parowanie nie zachodzi. Stan też określa się jako równowagę między parowaniem a skraplaniem. Obniżenie ciśnienia oraz napływ gazu
o mniejszym stężeniu pary, zwiększa szybkość parowania. Gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, wówczas proces parowania (zwany wówczas wrzeniem) zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy. Szybkość parowania cieczy ze swobodnej jednostki powierzchni, określana jest wzorem:

V = (2πmkT)^-1/2 _* (p₀-p)

gdzie:

m - masa molowa cieczy [g/mol],

k - stała Boltzmanna (R/Na = 1,38 ^. 10 ^-23 J/K)

T - temperatura [K]

po - prężność pary nasyconej w danej temperaturze [Pa],

p - aktualna prężność par nad cieczą [Pa].

4. Aparaty z otwartą powierzchnią parowania cieczy.

Parowanie z otwartej powierzchni może zachodzić zarówno podczas awarii urządzeń oraz podczas normalnej pracy w nie zakrytych zbiornikach i wannach farbiarskich. Palne stężenie mieszaniny par z powietrzem nad powierzchnią otwartego aparatu występuję wtedy, gdy temperatura cieczy T_rob jest wyższa
od temperatury jej zapłonu T_z. Z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa zależność ta wyraża się następująco:

T_rob ≥ T_z.- 10 °C

Wielkość strefy zagrożenia wybuchem par uwarunkowana jest przebiegiem parowania. Ilość cieczy wyparowującej z powierzchni otwartej zależy od wielu wielkości fizycznych. Zależność tę przedstawić można w następujący sposób:

m_p = f ( p_n, M, D, q_p, t_c, t_pow, α, ω, p_pow, F, τ)

m_p - masa odparowanej cieczy,

p_n - prężność pary nasyconej w danej temperaturze,

M - masa cząsteczkowa cieczy,

D - współczynnik dyfuzji par cieczy w danej temperaturze,

q_p - ciepło parowania cieczy,

t_c - temperatura cieczy,

t_pow - temperatura powietrza,

α - współczynnik konwekcji cieplnej między cieczą a powietrzem,

ω - prędkość ruchu powietrza równoległa do powierzchni parowania,

p_pow - prężność par cieczy w powietrzu,

F - powierzchnia parowania,

Τ - czas parowania.

Należy rozróżnić parowanie w środowisku nieruchomym i ruchomym.
Dla takich uogólnień stosuje się metody półempiryczne.

Droga obliczeniowa dla środowiska nieruchomego jest następująca:

• odległość od powierzchni parowania cieczy do płaszczyzny,
  gdzie stężenie par po 1h wyniesie 0 obliczamy według wzoru:

x= √(12Dτ)/ (1-C_n) [m]

C_n= p_n/p_rob

D - współczynnik dyfuzji par cieczy w danej temperaturze w powietrzu [m²/h]

τ - czas parowania cieczy [h]

C_n - stężenie objętościowe par nasyconych w danej temperaturze cieczy

x - odległość od powierzchni parowania do płaszczyzny, w której stężenie par jest równe 0 [m]

p_n - prężność pary nasyconej w temperaturze parowania [mm. sł. Hg]

p_rob - ciśnienie robocze [mm. sł. Hg]

• wysokość strefy, w której koncentrują się pary, zagrożonej wybuchem obliczamy ze wzoru:

x_zw= x-y =√(12Dτ)/ (1-C_n) * (1-√(0,5 C_DGW)/C_n) [m]

y- odległość od płaszczyzny parowania w której stężenie wynosi 0,5 C_DGW [%obj] do płaszczyzny, w której stężenie par jest równe 0 [m]

• ilość odparowanej cieczy w czasie 1 h określa się wg wzoru:

m_par = 2C_n γ F √D/ 3(1-C_n) [kg]

γ - masa właściwa par cieczy [kg/m³]

Jeśli przyjmiemy, że wszystkie pary mieszając sie z powietrzem tworzą stężenie DGW to objętość takiej mieszaniny będzie równa:

V= m_p//C_DGW [m³]

C_DGW [g/m³]

W rachunku przybliżonym dla niewielkich prężności pary nasyconej,
do określania ilości wyparowanej cieczy w nieruchomym powietrzu można również stosować poniższy wzór:

m_p = 4rD(M/V_t)* (p_n/p_at)

m_p - masa odparowanej cieczy w jednostce czasu z całego obszaru parowania [g/s]

r - promień pow. parowania [cm]

D - współczynnik dyfuzji par cieczy w danej temperaturze [cm²/s]

p_at - ciśnienie atmosferyczne [mm. sł. Hg]

p_n - ciśnienie pary nasyconej w temperaturze parowania [mm. sł. Hg]

M- masa molowa cieczy,

V_t - objętość molowa cieczy w temperaturze parowania [cm³]

Droga obliczeniowa dla środowiska nieruchomego jest następująca.

Określamy liczby podobieństwa dla fazy gazowej:

• liczba Reynoldsa - w procesie dyfuzyjnym określa charakter ruchu środowiska

R_e = ωl/γ

γ - masa właściwa par cieczy [kg/m³]

ω - prędkość ruchu powietrza równoległa do powierzchni parowania [m/s]

l - wymiar liniowy powierzchni parowania w kierunku ruchu powietrza [m]

• liczba Nusselta - charakteryzuje proces przenikania masy przez powierzchnię rozdziału faz

N_u = (K_xl)/(γD)

D - współczynnik dyfuzji par cieczy w danej temperaturze [m²/h]

K_x - współczynnik przenikania masy ( wielkość stała) [kg/m²h]

• liczba Prandtla - charakteryzuje fizyczne właściwości środowiska

P_r = (3600μ/(γD)

μ - lepkość dynamiczna [Ns/m²]

• liczba Guchmana - ( wyznaczona jako wielokrotność K_x) - charakteryzuje proces przenikania masy i ciepła procesie dyfuzyjnego parowania

G_u = (q_pK_x)/(αt)

q_p - ciepło parowania cieczy [kcal/kg]

α - współczynnik przejmowania ciepła między cieczą a powietrzem [kcal/m²*h*°C]

t - temperatura [°C]

Według wielkości R_e znajdujemy współczynniki:

Re	1-200	200-6000	6000-70000
A	0,9	0,87	0,347
n	0,5	0,54	0,65

Współczynniki te podstawiamy do wzoru i obliczamy K_x [kg/m²*h]

N_u = A*R_eⁿ*P_r^0,33*G_u^0,135

Ruchoma siłę przenikania masy obliczamy ze wzoru:

ΔC_sr= p_n/6*760

Ilość ulatniającego się acetonu obliczamy ze wzoru:

m_p= K_x* F* ΔC_Sr*τ [kg]

Do obliczenia masy odparowanej cieczy możemy również wykorzystać wzór empiryczny, który daje przybliżone wyniki:

m_p = M*p_n*F*(0,352+0,786ω)*10^-3

m_p - masa wyparowującej cieczy z całego obszaru parowania [kg/h]

M -masa cząsteczkowa cieczy,

ω - szybkość ruchu powietrza równoległa do powierzchni parowania [m/s]

p_n - prężność pary nasyconej w temperaturze parowania cieczy [mm. sł. Hg]

F- powierzchnia parowania [m²]

4. Schemat stanowiska pomiarowego

W skład stanowiska wchodzą:

• prostokątna taca na ciecz palną,

• waga elektroniczna,

• centrala eksplozymetryczna firmy GAZEX model WGm-3 ( 3-kanałowa) z 3 głowicami pomiarowymi,

• wentylator o regulowanym wydatku powietrza,

• anemometr,

• stoper.

Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów eksplozymetrycznych należy włączyć centralę eksplozymetryczną, zmierzyć i zanotować powierzchnię tacy. Następnie należy wylać ciecz na tacę i umieścić ciecz z tacą na wadze. Należy zanotować masę początkową tacy z cieczą.

Pomiary w nieruchomym powietrzu (dyfuzja molekularna)

Co 15 minut od momentu umieszczenia tacy z cieczą na wadze wykonujemy
4 pomiary stężeń par nad lustrem cieczy umieszczając w tym celu głowice pomiarowe nad tacą w osi tacy na wysokości w zakresie od 0,05÷0,5m
oraz 4 odczyty ubytku masy tacy z cieczą w funkcji czasu.

Pomiary w ruchomym powietrzu (dyfuzja konwekcyjna)

Należy włączyć wentylator i ustawić go tak, aby prędkość przepływu powietrza nad lustrem cieczy zmierzona anemometrem wynosiła 1m/s. Co 15 minut
od momentu umieszczenia tacy z cieczą na wadze i ustalenia przepływu powietrza wykonujemy 4 pomiary stężeń par nad lustrem cieczy umieszczając
w tym celu głowice pomiarowe nad tacą w osi tacy na wysokości w zakresie
od 0,05÷0,5m oraz 4 odczyty ubytku masy tacy z cieczą w funkcji czasu.

5. Analiza otrzymanych wyników

- na podstawie przeprowadzonych pomiarów w powietrzu ruchomym
i nieruchomym należy wykonać obliczenia ubytku masy badanej cieczy
w funkcji temperatury wskutek parowania z otwartej powierzchni
oraz szybkości parowania w funkcji temperatury i przedstawić wyniki w formie wykresu. Przeanalizować należy wpływ przepływu powietrza na przebieg procesu parowania.

- na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy sporządzić wykresy zależności stężenia par badanej cieczy w poszczególnych punktach pomiarowych od czasu dla pomiarów w powietrzu ruchomym i nieruchomym. Przeanalizować w jaki sposób przepływ powietrza wpływa na rozkład stężeń par nad lustrem cieczy.

- określić masę cieczy odparowanej z tacy w czasie 1h dla zależności przy braku przepływu powietrza nad lustrem cieczy. Wykorzystać w tym celu należy zależność:

- określić masę cieczy odparowanej z tacy w czasie 1h dla zależności przy braku przepływu powietrza nad lustrem cieczy. Wykorzystać w tym celu należy zależność:

- dla przypadku bez przepływu powietrza należy określić odległość
od powierzchni parowania cieczy do płaszczyzny, w których stężenie par
po 15, 30, 45 i 60 minutach będzie równe zeru. Wyniki obliczeń przedstawić
w postaci wykresu i porównać z wynikami pomiarów doświadczalnych.

- Dla przypadku bez przepływu powietrza nad lustrem cieczy należy określić
po 15, 30, 45 i 60 minutach wysokość strefy, w której zalegać będą pary cieczy zagrożonych wybuchem. Wyniki obliczeń przedstawić w postaci wykresu
i porównać z wynikami pomiarów doświadczalnych.

6. Przygotowanie sprawozdania

Po przeprowadzonym ćwiczeniu należy sporządzić pisemne sprawozdanie według zaleceń prowadzącego.

Literatura

1. M.W.Aleksiejew „Profilaktyka pożarowa w procesach technologicznych” Cz. 1. WOSP Warszawa 1977.

2. J. Błądek „Inżynieria chemiczna” - materiały wykładowe WAT.

3. www.wikipedia.pl

Ćwiczenie nr 4 Wyznaczanie zasięgu strefy zagrożenia wybuchem wokół rozlewiska rozpuszczalnika parującego z otwartej przestrzeni.

2

Pracownia Rozpoznawania Zagrożeń Obiektów

---