Категория помещений по взрывопожарной опасности определяются на основе численной оценки термодинамических параметров пространства определяемых по стандартным методикам, утверждаемым МЧС России. В частности, такие методики содержатся в Своде правил СП 12.13130.2009. Согласно этому документу количество паров горючей (в том числе легковоспламеняющейся) жидкости (далее ГЖ, ЛВЖ) - один из самых важных условий для определения избыточного давления взрыва, а значит для отнесения помещения к взрывопожароопасной или к пожароопасной категории.
Это понятно и объяснимо: чем больше жидкости испаряется, тем больше паров в смеси с воздухом участвуют в реакции горения, тем большее количество тепла выделяется при горении, тем большее давление взрыва возникает.
Горючая жидкость в помещении, в котором определяются категории не появляется сама по себе, она содержится в каком-то аппарате, сосуде, таре, в каком-то трубопроводе, т.е. в емкости определенного объема (V).
И вот то самое количество жидкости, которое будет испаряться, а следовательно и количество паров жидкости, которые могут образовать взрывоопасную смесь зависит от того, сколько этой жидкости будет находится в определенном объеме. А это количество определяется такой характеристикой горючей жидкости как ее плотность (ρж)
В официальную методику по СП 12.13130. плотность жидкости как физическая величина не входит, однако в учебно-методической литературе по теме категорирования, например в [1] плотность горючей жидкости входит в формулу, для определения ее массы, поступившей из аппарата и трубопроводов в случае аварии. Введение этой формулы (которая отсутствует в нормативном документе) очень логично и, при расчетах, для целей категорирования по взрывопожарной опасности, позволяет избежать досадной методологической ошибки, допущенной в СП 12.13130, когда при вычислении массы паров горючей жидкости, значения получаемые по формуле А.12 приводит к результату, противоречащим закону сохранения массы, т.е. количество паров горючей жидкости при определенных условиях превышает (и иногда значительно) количество испаряющейся жидкости.
Также плотность горючих жидкостей (ρж): дизельного топлива (при температуре t = 25⁰С, ρж = 804 кг·м-3), ксилола (ρж = 855 кг·м-3), уайт-спирта (при температуре 25⁰С ρж= 760 кг·м-3), ДМФА (при температуре t = 25⁰С ρж = 950 кг·м-3), плотность гексана (при температуре t = 50⁰С, ρж = 631,8 кг·м-3) фигурирует в работе [2] . При этом вы видим, что в данных примерах одна жидкость указана при температуре 25 ⁰С, другая при 50 ⁰С, третья вообще не привязана к какой-либо температуре. И, практика показывает, что у многих специалистов, занимающихся определением категорий, возникает вопрос: “А почему плотность берется при разных температурах, в чем разница между этими значениями и вообще, есть ли какая-то разница”. Нормативные документы об этом умалчивают, в учебно-методической литературе это тоже принимается как данность, не требующая дополнительных разъяснений и поэтому в этой серии статей мы поставили цель:
исчерпывающе разобраться в вопросе о влиянии температуры горючей жидкости на её плотность, и, как следствие, на расчет термодинамических параметров пространства, изменяющихся в ходе взрыва, а значит и на категорию по взрывопожарной и пожарной опасности.
Для этого нами предполагается решить следующие задачи:
Определить какие варианты использования горючей жидкости с той или иной температурой встречаются в практике категорирования помещений по взрывопожарной и пожарной опасности;
Разработать методику определения плотности горючей жидкости при заданной температуре;
Определить при каких условиях значения плотности горючей жидкости будут оказывать существенное влияние на значения термодинамических параметров пространства при взрыве, а следовательно на определение категории.
В данной статье мы решим первую задачу.
Категорирование помещений в которых обращаются горючие жидкости предусматривает несколько вариантов их использования или хранения. Однако все эти подразумевают размещение какого-то количества ЛВЖ и ГЖ (кг) в емкостях какого-либо объема (V), и соответственно, для всех этих вариантов есть общая закономерность, описываемая теорией термического расширения. Эта закономерность может быть выражена очень просто.
Обычно, чем выше температура жидкости, тем ниже её плотность, следовательно тем меньшее её количество может находится в той или иной емкости неизменного объема, тем меньшее ее количество в случае пролива при аварийной ситуации выйдет из этого объема и испариться и тем менее взрывоопасным будет помещение, при прочих равных условиях.
Из практики категорирования помещений мы определили три варианта возможного обращения с жидкостью в технологическом процессе. При этом в ряде вариантов температуры жидкости имеет существенное значение, а в некоторых случаях ее температура в технологическом процессе не повлияет на количество ГЖ, которое может оказаться в сосуде (емкости) того или иного объема.
Первый вариант.
В помещение поступает ГЖ. В технологическом процессе предусмотрен её нагрев или охлаждение до определенной температуры и, после нагревания или охлаждения эта жидкость поступает в технологическое устройство (аппарат, трубопровод) или емкость для хранения определенного объема. В этом случае температура горючей жидкости напрямую влияет на то её количество, которое будет находится в конечном объеме. И, как следствие, специалисту определяющему категорию будет необходимо определить плотность ГЖ при той температуре, при которой она поступает в емкость определенного объема.
Второй вариант.
Технологический процесс предусматривает доставку в помещениях жидкости при определенном объеме. Данная жидкость закачивается в аппарат и, впоследствие, нагревается уже в аппарате. В этом случае нагрев жидкости изменит ее плотность, но, не повлияет на ее количество в аппарате, оно будет неизменным при нагреве и будет соответствовать той температуре, при которой эта жидкость поступала в емкость, в которой ее впоследствие нагревали.
Третий вариант
Жидкость доставляется в категорируемое помещение в таре и хранится или используется в нем не нагреваясь в технологическом процессе.
Как мы видим и из примеров в Пособии [2] и из примеров различных отчетов по категорированию, которые приходилось проверять в процессе экспертизы или практической работы, очень часто специалисты используют справочные значения плотности.
При этом следует отметить, что в справочниках например [3] плотность обычно указана при 25⁰С, и соответственно если брать такое значение, то результаты расчета, а значит и категорирования могут оказаться не верными, так как одним условий категорирования, является проведение вычислений при параметрах горючих веществ, соответствующих так называемой расчетной температуре tp которая в свою очередь равна или температуре в помещении, определенной и подтвержденной в документации описывающей технологический процесс, или равна максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне.
Поэтому очень странно, что вычисляя плотность газа или пара, в работе [2] используется именно расчетная температура, а при вычислениях связанных с плотностью жидкости, принимается температура в 20⁰С - 25⁰С. Например в примере 4 определялась категория помещения - склада ацетона. При этом, расчеты для определения плотности паров ацетона велись при расчетной температуре 32⁰С, а вот массу жидкости, определяли по плотности ацетона при 20⁰С (ρацетона = 791 кг·м-3). Но ведь закачка ацетона в емкости тоже могла происходить при 32⁰С, если осуществлялась в этом регионе. И тогда, если учесть, что расчетная плотность ацетона при 32⁰С будет составлять ρацетона = 777,8 кг·м-3, то и массы в рассматриваемом примере определена неправильно. Она составит не 63,264 кг, а 62,224 кг. На наш взгляд это снижает достоверность расчетов.
Поэтому в качестве первого вывода можно сделать следующий - плотность жидкости, поступающей в емкость в том или ином регионе, в расчетах, для целей категорирования следует принимать в нормальных условиях, в при максимально возможной температуре для того региона, где происходит наполнение емкости ГЖ.
Для того, чтобы определить плотность ГЖ при расчетной температуре можно использовать справочные данные, например [4], в которых указаны значения плотностей тех или иных жидкостей при разных температурах. Однако при этом возникает вторая проблема. В этих истояниках плотности указаны для определенный темпетатур 20⁰С, 30⁰С, 40⁰С, 50⁰С , т.е., для “круглых” значений. А максимальная температура воздуха указывается точно 37⁰С, 41⁰С. И, в связи с этим, так важно уметь вычислять данную плотность при точном значении той или иной температуры, и методику такого вычисления мы представим в следующей статье.
Список использованной литературы
1. В.Р. Малинин, Б.Г. Коробейникова, В.П. Крейтор “Категорирование помещений и зданий по взрывопожарной опасности(НПБ 105-95): Примеры решения практических задач. -СПБ.: С-Петербургский университет МВД РФ, 1999.- с.18.
2. И.М.Смолин, Н.Л.Полетаев Д.М.Гордиенко, Ю.Н. Шебеко, Е.В.Смирнов (ФГБУ ВНИИПО МЧС России) Пособие по применению СП 12.13130.2009 “Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности” / И.М Смолин (и др.). М.: ВНИИПО, 2014. (с.26, с.37, с.59, с.70, )
3. А.Я.Корольченко, Д.А.Корольченко. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средств их тушения. Справочник: в 2-х ч. - 2-е издание,переработал и дополнил - М.: Асс “Пожнаука”, 2004 год. - Ч.1. - 713 с; Ч.2. - 774 с.
4. Теплофизические свойства жидких веществ и растворов: справочное пособие к курсовому проектированию по процессам и аппаратам химической технологии/ сост. Савельев Н.И. Кафедра химической технологии и защиты окружающей среды – Чебоксары: 2016
Для цитирования: М.М. Вафина, П.Ю. Князев, А.Д. Чемендряков "Плотность горючей жидкости в теории и практике категорирования помещений по взрывопожарной и пожарной опасности (ч.1)" [электронный ресурс] "Лаборатория процессов горения и динамики пожара". - Электрон. дан. - Режим доступа: //firecategory.ru/articles.php?id=60, свободный Размещено 26 июня 2021 года