Расчетно-аналитическое исследование показателей пожарной опасности веществ и прогнозирование динамики

Государственное учреждение образования

«Командно-инженерный институт»

МЧС Республики Беларусь

Кафедра тактики проведения аварийно-спасательных работ

и тушения пожаров

Курсовая работа

по дисциплине

«Опасные факторы чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»

Тема: «Расчетно-аналитическое исследование показателей пожарной опасности веществ и прогнозирование динамики развития пожаров в помещении»

МИНСК-2010

Оглавление

Введение

Описание физико – химических свойств дипропилового эфира

Определение теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания дипропилового эфира

Определение теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания смеси газов

Определение объема и состава продуктов, выделившихся при полном сгорании дипропилового эфира

Определение объема и состава продуктов, выделившихся при полном сгорании газовой смеси

Определение низшей теплоты сгорания дипропилового эфира

Определение низшей теплоты сгорания смеси газов

Определение адиабатической температуры горения и давления взрыва дипропилового эфира

Определение адиабатической температуры горения и давления взрыва смеси газов

Определение концентрационных пределов воспламенения веществ

Определение температуры вспышки и температурных пределов воспламенения паров дипропилового эфира

Сравнение расчетных значений показателей пожарной опасности дипропилового эфира со справочными и расчет относительной погрешности

Динамика развития внутреннего пожара

Расчет изменения площади пожара в зависимости от времени свободного развития пожара

Расчет температуры пожара в заданные промежутки времени

Определение характеристик поражающих факторов и степени их воздействия на людей и окружающую среду

Прогнозирование химической обстановки при аварии на ХОО

Введение

Комплекс мероприятий обеспечения безопасной эксплуатации потенциально опасных объектов включает в себя такие важнейшие элементы, как:

а) заблаговременное прогнозирование возможной обстановки на объекте и прилегающей территории при возникновении чрезвычайной ситуации;

б) оперативная оценка сложившейся при этом обстановки;

в) принятие мер экстренной защиты персонала и населения.

В комплексе мероприятий защиты производственного персонала промышленных объектов и населения от последствий пожаров и аварий на химически опасных объектах, важное место занимает заблаговременное прогнозирование возможной обстановки.

Знание сути процесса горения, его законов, механизмов и способов его прекращения, а также особенностей распространения СДЯВ при выбросе (выливе) необходимы для успешной работы каждого работника органов и подразделений по чрезвычайным ситуациям.

Описание физико-химических свойств дипропилового эфира

Дипропиловый эфир относится к классу органических веществ, называемых простые эфиры. Простыми эфирами называют производные спиртов, образованные в результате замещения водорода гидроксильной группы спирта на углеводородный остаток [1]. Эти соединения можно рассматривать и как производные воды, в молекуле которой углеводородными остатками замещены оба атома водорода:

пропиловый спирт вода дипропиловый эфир

Как видно из приведенной формулы, в молекуле дипропилового эфира два углеводородных остатка (пропильные радикалы) соединены через кислород (эфирный кислород).

Для молекулы дипропилового эфира возможна внутриклассовая структурная изомерия, обусловленная различным строением углеродного скелета у изомеров. Например:

дипропиловый эфир метилпентиловый эфир

Так же имеет место ещё одна разновидность структурной изомерии, связанная с различным порядком связи структурных элементов. Например:

дипропиловый эфир 1-гексанол

Физико-химические свойства: бесцветная жидкость. Мол. масса 102,2; плотн. 736 кг/м³; т. плавл. – 122 °С; т. кип. 89,5°С; lgP = 6,2408 – 1397,34/(240,177 + t) при т-ре от – 43 до 89°С; коэф. диф. пара в воздухе 0,0588 см²/с (расч.); тепл. образов. – 293,4 кДж/моль; тепл. сгор. – 3760 кДж/моль (расч.); растворимость в воде 0,25 % масс.

Пожароопасные свойства: ЛВЖ. Т_всп - 2°С (расч.); Т_{самовоспл} 189°С; НКПРП 1,22 % об. (расч.); НТПРП: - 14 °С; ВТПРП: 18°С; МВСК 9,5 % об. (расч.), при разбавлении паровоздушной смеси азотом; 12,4 % об. (рачс.) при разбавлении диоксидом углерода, 11,3 % об. (расч.) при разбавлении водяным паром; минимальная флегматизирующая концентрация диоксида углерода 39,8 % об. (расч.), азота 53,8 % об. (расч.), водяного пара 45,4 % об. (расч.); ад. т. гор. 1263 К.

Химические свойства

Главной особенностью дипропилового эфира, как и всех представителей простых эфиров, является их химическая инертность [2]. В отличие от сложных эфиров он не гидролизуется и не разлагается водой. Безводный (абсолютный) дипропиловый эфир в отличие от спиртов при обычных температурах не реагирует с металлическим натрием, т.к. в его молекулах нет активного водорода.

Расщепление дипропилового эфира происходит под действием некоторых кислот. Например, концентрированная (особенно дымящая) серная кислота поглощает пары дипропилового эфира, и при этом образуется сложный эфир серной кислоты и пропиловый спирт:

Йодистоводородная кислота также взаимодействует с дипропиловым эфиром, в результате образуется йодистый пропил и пропиловый спирт:

При нагревании металлический натрий расщепляет дипропиловый эфир с образованием пропилнатрия и пропилата натрия:

Важно иметь в виду, что обращаться с дипропиловым эфиром надо очень осторожно; он очень горюч, а пары его с воздухом образуют взрывоопасные смеси. Коме того, при длительном хранении, особенно на свету, дипропиловый эфир окисляется кислородом воздуха и в нем образуются перекисные соединения; последние от нагревания могут разлагаться с взрывом. Такие взрывы возможны при перегонке долго стоявшего эфира.

гидропероксид дипропилового эфира

Определение теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания дипропилового эфира

Теоретическое количество воздуха определяется из уравнения материального баланса процесса горения. В случае горения дипропилового эфира уравнение реакции имеет вид:

С₆Н₁₄О + 9(О₂ ∙ 3,76N₂) = 6CO₂ +7H₂O + 33,84N₂ + Q

Для индивидуальных химических веществ теоретическое количество воздуха, необходимого для их горения, рассчитывается по формуле:

V_в = , (1)

где ; (2)

– количество молей кислорода;

– количество молей горючего вещества;

4,76 – количество воздуха, кмоль (м³), в котором содержится 1 кмоль (м³) кислорода;

- вес одного киломоля горючего, кг/кмоль.

– объем одного киломоля воздуха при заданных условиях:

= , (3)

где, Т – температура, К;

– нормальное давление (101325 Па);

– температура, равная 273 К;

P – давление, Па.

Используя формулы (1), (2), и (3) произведем расчет теоретического количества воздуха, необходимого для горения 1 кг дипропилового эфира при температуре Т, по заданию равной 0 (273 К) и давлении Р, равном 750 мм рт.ст. (99991,8 Па):

= = = 22,7 (м³)

= = 9

= = = 9,5 (м³/кг)

Определение теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания смеси газов

Произведем расчет необходимого количества воздуха для каждого компонента смеси.

Состав смеси газов (по заданию): С₃H₆ – 20%; CO – 10%; C₄H₁₀ – 30%; H₂S – 40%.

Уравнения горения компонентов:

С₃H₆ + 4,5(О₂ ∙ 3,76N₂) = 3CO₂ + 3H₂O + 16,92N₂ + Q

= = 4,5;

СО + 0,5(О₂ ∙ 3,76N₂) = CO₂ + 1,88N₂ + Q

= = 0,5

C₄H₁₀ + 6.5(О₂ ∙ 3,76N₂) = 4CO₂ + 5H₂O + 24,44N₂ + Q

= = 6,5

H₂S + 1,5(О₂ ∙ 3,76N₂) = SO₂ + H₂O + 5,64N₂ + Q

Т.к. окисление сероводорода протекает в условиях избытка воздуха (α=1,3 по условию) образуется сернистый ангидрид.

1,5

Расчет воздуха, необходимого для горения смеси газов рассчитаем с помощью уравнения:

(4)

где, - содержание кислорода в газовой смеси (% об.);

- содержание -го компонента в газовой смеси (% об.).

Т.к. кислорода не содержится в исследуемой газовой смеси уравнение (4) примет вид :

16,67 (м³/м³)

Определение объема и состава продуктов, выделившихся при полном сгорании дипропилового эфира

Определим теоретический объем продуктов горения дипропилового эфира по формуле:

(5)

Из уравнения реакции:

С₆Н₁₄О + 9(О₂ ∙ 3,76N₂) = 6CO₂ + 7H₂O + 33,84N₂ + Q

(м³/м³)

Определим избыток воздуха:

= (6)

(м³/м³)

Определим практический объем продуктов горения:

(7)

(м³/м³)

Определение объема и состава продуктов, выделившихся при полном сгорании газовой смеси

Определим теоретический объем продуктов горения газовой смеси по формуле:

(8)

С₃H₆ + 4,5(О₂ ∙ 3,76N₂) = 3CO₂ + 3H₂O + 16,92N₂ + Q

СО + 0,5(О₂ ∙ 3,76N₂)= CO₂ + 1,88N₂ + Q

H₂S + 1,5(О₂ ∙ 3,76N₂) = SO₂ + H₂O + 5,64N₂ + Q

C₄H₁₀ + 6,5(О₂ ∙ 3,76N₂) = 4CO₂ + 5H₂O + 24,44N₂ + Q

Из реакций горения (окисления) получим:

3∙0,2 + 1∙0,1 + 4∙0,3 1,9 (м³/м³)

3∙0,2 + 1∙0,4 + 5∙0,3 2,5 (м³/м³)

Из формулы (5) получим:

(м³/м³)

С помощью (6,7) найдем избыток воздуха и практический объем продуктов горения:

(м³/м³)

(м³/м³)

Определение низшей теплоты сгорания дипропилового эфира

Уравнение для определения низшей теплоты сгорания индивидуальных веществ имеет вид:

(9)

Используя справочные данные [3], находим стандартные теплоты образования: = 293,4 кДж/моль; = - 393,6 кДж/моль; = - 241,9 кДж/моль.

3761,5 (кДж/моль)

Определение низшей теплоты сгорания смеси газов

Определение проводится по формуле:

(10)

(кДж/моль)

(кДж/моль)

(кДж/моль)

(кДж/моль)

Используя (10) получим:

(кДж/моль)

Определение адиабатической температуры горения и давления взрыва дипропилового эфира

Так как в случае определения адиабатической температуры горения теплопотери отсутствуют, то всё выделившееся тепло идёт на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет составлять [4]:

(кДж/кмоль)

Воспользуемся зависимостью теплосодержания газов от температуры [5], для установления температуры, которой соответствует такое теплосодержание. Сделаем это ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. 2 приложение 2 [5] видно, что при температуре 2200 °С теплосодержание азота 74121,1 кДж/кмоль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры:

(кДж/кмоль)

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения ≥ , поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 °С. Воспользуемся методом последовательных приближений и определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2100 °С:

(кДж/кмоль)

Т.к. уже меньше, чем , то из этого можно сделать вывод, что температура горения дипропилового эфира имеет значение между 2100 и 2200 °С.

Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

Давление взрыва определим по формуле:

(атм)

Определение адиабатической температуры горения и давления взрыва смеси газов

Аналогично пункту 1.5.1. проведем расчет среднего теплосодержания продуктов горения смеси газов:

(кДж/кмоль)

Из табл. 2 приложение 2 [5], теплосодержание азота при температуре 700 °С 21331,3 (кДж/кмоль). Вычислим, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты реакций до такой температуры:

(кДж/кмоль)

Это больше, чем выделилось тепла в результате реакций горения (окисления) ≥ , поэтому можно сказать, что температура горения (окисления) смеси газов меньше, чем 700 °С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов реакций до 600 °С:

(кДж/кмоль)

Т.к. ≤ , уточним искомую температуру линейной интерполяцией:

Определим давление взрыва:

(атм)

Определение концентрационных пределов воспламенения веществ

а) Дипропиловый эфир:

б) Смесь газов:

Определение температуры вспышки и температурных пределов воспламенения паров дипропилового эфира

а) Определение температуры вспышки.

Т_ВСП определим из уравнения Блинова:

С помощью уравнения Антуана определим Р:

где A = 6,2408; В = 1397,34; С_А = 240,177 – постоянные Антуана

Примем t₁= -7 ; Т₁=266 К

Выбираем t₂= -6 ; Т₂=267 К

Так как то методом линейной интерполяции определяем :

б) Определение температурных пределов:

Где A = 6,2408; В = 1397,34; С_А = 240,177 – постоянные Антуана

Сравнение расчетных значений показателей пожарной опасности дипропилового эфира со справочными и расчет относительной погрешности

Таблица 1. Расчетные и справочные данные

Определение относительной погрешности:

Динамика развития внутреннего пожара

Исходные данные:

Размеры помещения: а = 5 м; h = 5 м.

Предел огнестойкости дверей, Q_дв = 0,1 ч.

Размеры дверных проемов: а ∙ в = 3 ∙ 2,5 м.

Размеры оконных проемов: а ∙ в = 1,8 ∙ 1,4 м.

Линейная скорость распространения пламени, V_л = 0,5 м/мин.

Пожарная нагрузка аналогична древесине.

Расстояние от пола до оконных проемов: 0,5 м.

Расчет изменения площади пожара в зависимости от времени свободного развития пожара

Предположим, что в момент возникновения пожара дверные проемы были закрыты, распространение пожара во все стороны происходит с одинаковой скоростью. Определим, через которое время вскроется оконный проем (рис. 2).

Расстояние от места пожара до оконного проема составляет: м (проемы в стенах расположены симметрично). В первые 10 мин развития пожара принимаем скорость равной 0,5 ∙ V_л. Тогда время, за которое фронт пламени пройдет расстояние 2,5 м, будет равно:

Определим расстояние, которое пройдет фронт пламени за 5 минут:

, то есть еще не дойдет до стен с дверным проемом и окном, т.к место возникновения пожара – центр помещения.

Определим площадь пожара через 5 минут после его возникновения:

В этом случае фронт распространения пламени имеет форму круга с радиусом 1,25 м.

Определим площадь пожара через 10 минут после его возникновения:

В этот момент фронт пламени распространяется по всей площади помещения 1.

На 15 минуте согласно 4 допущению [5], площадь пожара будет также равна 25 м².

Во второе и третье помещение пожар распространится через дверные проемы, огнестойкость которых 0,1 часа, т.е. 6 мин. Тогда распространение пожара во втором и третьем помещении начнется одновременно через 10 + 6 = 16 мин после его начала. До достижения продольных ограждений форма пожара будет иметь форму полукруга. Расстояние до ограждений составляет 2,5 м.

Расстояние в 2,5 м фронт пламени пройдет за:

Таким образом, площадь пожара в двух направлениях на момент времени 21 мин составит:

С этого момента фронт горения принимает прямоугольную форму и, уточнив S_п на 21 минуте получим:

Оставшееся расстояние в 5 м фронт горения пройдет за время

Площадь пожара на момент времени 26 мин составит:

Таким образом, через 26 мин после возникновения пожара, все здание будет охвачено пламенем.

Рис. 1. Изменение площади пожара во времени

Расчет температуры пожара в заданные промежутки времени

Температуру рассчитаем для четырех моментов времени: 12, 17, 23, 27 мин, выбранных произвольным образом на разных участках рис. 3.

а) Установим когда и какие проемы вскроются. Найдем их общую площадь (F_пр) и площадь приточной части (F₁) приняв, что она составляет примерно 1/3 F_пр.

При τ = 12 мин фронт горения достигнет 1 оконного и 2-х дверных проемов, но дверные проемы не вскроются т.к. имеют предел огнестойкости 6 мин.

К 17 мин вскроются 2 дверных проема и 1 окно. Тогда:

К 23 мин будут вскрыты 2 оконных проема:

К 27 мин будут вскрыты последние 4 оконных проема:

Для удобства все данные сводим в таблицу 2.

Таблица 2.

Плотность теплового потока на заданные моменты времени составит:

Рис. 2. Изменение температуры пожара во времени

Время свободного развития пожара составляет приблизительно 20 мин. Из рис. 1 видно, что площадь пожара в это время будет 70 м², т.е. огнем будет охвачено полностью первое помещение и часть второго и третьего помещений. К этому времени температура пожара достигнет 800 °С. Следовательно работа личного состава без снижения температуры невозможна.

Определение характеристик поражающих факторов и степени их воздействия на людей и окружающую среду

Исходные данные:

Масса хранящихся на объекте ГСМ (СУГ), Q = 100 т.

Размер объекта: 2х4 км.

Плотность рабочего персонала на объекте, П_р = 2 тыс. чел./м².

Плотность населения в поселке, П_н = 2 тыс. чел./м².

Расстояние от объекта до поселка, х = 0,5 км.

Наименование СДЯВ, А – сероуглерод.

Количество выброшенного СДЯВ, Q₀ – 50 т.

Степень вертикальной устойчивости воздуха: изотермия.

Температура воздуха, t = 0 °С.

Скорость ветра, V_в = 5 м/с.

Характер разлива: свободно.

Определить:

I. При взрыве хранилища СУГ:

1) Ожидаемую степень разрушения производственного кирпичного здания на расстоянии 300 м от хранилища сжиженных углеводородных газов;

2) Является ли объект экономики потенциально опасным при:

а) мгновенном и полном разрушении резервуара с СУГ;

б) неполном разрушении резервуара.

II. При взрыве склада ГСМ:

1) Величину радиуса смертельного поражения при взрыве топливовоздушной смеси (ТВС) в результате полного разрушения емкостей с бензином;

2) Ожидаемую степень разрушения зданий и сооружений в поселке на расстоянии 500 м от склада ГСМ.

Решение.

I. При взрыве хранилища СУГ:

1.1. В очаге взрыва газовоздушной смеси (ГВС) (Рис. 3) выделяются зоны, имеющие форму полусфер: I зона (детонационной волны) радиусом R₁.

II зона (действия продуктов взрыва), радиус которой R₂ R₁1,7 ∙ 81 138 м.

Рис. 3. Зоны в очаге поражения при взрыве ТВС.

1.2. Производственное здание находится за пределами этих двух зон и оказалось в третьей зоне ударной воздушной волны. По графику (рис. 8 [5]), находим, что при массе взрывоопасной ГВС 100 т на расстоянии 300 м от центра взрыва величина избыточного давления должна составить 50 кПа (или 0,5 кг/см²).

1.3. Избыточное давление величиной 50 кПа вызовет сильные разрушения производственного кирпичного здания (табл. 12 приложения 2 [5]).

2.1. При мгновенном и полном разрушении резервуара во зрыве участвует вся масса СУГ (100 т). По табл. 9 [5] определяем, что число погибших из числа персонала 129 чел., а радиус смертельного поражения достигнет 139 м. Хотя среди населения жертв нет, так как расстояние от объекта экономики до поселка больше 139 м, объект при полном разрушении резервуара является потенциально опасным (погибло больше 10 человек).

2.2. При неполном разрушении резервуара облако ТВС образуется из 50 % массы СУГ, т.е. Q = 50 т. Среди населения в этом случае так же жертв нет, а среди персонала они достигнут 51 человека. Радиус смертельных поражений составит 88 м.

Следовательно, при неполном разрушении резервуара объект экономики является потенциально опасным.

II. При взрыве склада ГСМ:

2.1. В очаге взрыва топливовоздушной смеси (Рис. 5) выделяются зоны, имеющие форму полусфер: I зона (детонационной волны) радиусом R₁; II зона (действия продуктов взрыва), радиус которой R₂ R₁1,7 ∙ 81 138 м. В расчетах принимаем, что весь объем хранящихся ГСМ принимает участие во взрыве.

2.2. Поселок находится за пределами этих двух зон и оказался в третьей зоне ударной волны. По графику (рис. 8 [5]) находим, что при массе взрывоопасной ТВС 100 т на расстоянии 500 м от центра взрыва величина избыточного давления должна составить 23 кПа (0,23 кг/см²).

Избыточное давление величиной 0,23 кг/см² вызовет сильные разрушения деревянных и кирпичных зданий в поселке (табл. 12 приложения 2 [5]).

При мгновенном и полном разрушении емкостей с ГСМ во взрыве участвует вся масса ГСМ (100 т). По таблице 9 определяем, что число погибших из числа персонала 26 чел., а радиус смертельного поражения достигнет 139 м. Среди населения поселка жертв нет т.к. расстояние от объекта экономики до поселка больше 139 м.

Прогнозирование химической обстановки при аварии на ХОО

Для заблаговременного и оперативного прогнозирования масштабов заражения на случай выбросов сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ) в окружающую среду при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте используется РД 52.04.253-90 «Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте».

Методика позволяет осуществлять прогнозирование масштабов зон заражения при авариях на технологических емкостях и хранилищах, при транспортировке железнодорожным, трубопроводным и другими видами транспорта, а также в случае разрушения химически опасных объектов.

Рассмотрим случай аварии на ХОО, где в технологической системе содержалось 50 т сероуглерода. Определим глубину зоны возможного заражения сероуглеродом при времени от начала аварии 1 ч и продолжительность действия источника заражения (время испарения сероуглерода).

Метеоусловия на момент аварии: скорость ветра 5 м/с, температура воздуха 0 °С, изотермия. Разлив СДЯВ на подстилающей поверхности - свободный.

Решение

1. Так как количество разлившегося сероуглерода неизвестно, то принимаем его равным максимальному - 50 т (согласно п.1.5 [6]).

2. По формуле (1, [6]) определяем эквивалентное количество вещества в первичном облаке: Q_э1 = 0 т.

3. По формуле (12, [6]) определяем время испарения хлора:

4. По формуле (5, [6]) определяем эквивалентное количество вещества во вторичном облаке:

. т.

5. По приложению 2 для 0,1 т находим глубину зоны заражения для вторичного облака: Г₂=0,17 км.

6. Находим полную глубину зоны заражения:

Г = 0,17 + 0,5 0 = 0,17 км.

7. По формуле (7, [6]) находим предельно возможные значения глубины переноса воздушных масс: Г_п = 1 · 29 = 29 км.

Таким образом, глубина зоны заражения сероуглеродом в результате аварии может составить 0,17 км; продолжительность действия источника заражения - около 3,2 часа.

Список литературы

1. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. М., Высшая школа, 1999.

2. Ким А.М. Органическая химия. Новосибирск, Сибирское университетское издательство, 2002.

3. Мищенко К.П., Равделя А.А. Краткий справочник физико-химических величин. Л., Химия, 1974.

4. Беззапонная О.В., Вайнтер Е.В. Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения. Екатеринбург, ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ, 2008.

5. Врублевский А.В., Котов Г.В., Гороховик М.В. Опасные факторы чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы. – Мн.: ЦНИИТУ, 2004.

6. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. РД 52.04.253-90.

7. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. – 2-е изд., перераб., и доп. – М.: Асс. «Пожнаука», 2004.