Oznaczanie dolnej i górnej granicy wybuchowości par cieczy i gazów

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 3 Oznaczanie dolnej i górnej granicy wybuchowości par cieczy i gazów Wiadomości ogólne o wybuchach Powstanie wybuchu jest związane zwykle z awarią przemysłową, którą definiuje się jako niespodziewane (nieplanowane), nagłe zdarzenie (wydarzenie). Rezultatem awarii może być oprócz wybuchu, w szczególności pożar lub emisja produktów toksycznych. Skutki awarii mogą powodować lub powodują obrażenia u ludzi albo uszkodzenia budynków, zakładów, materiałów lub zniszczenie środowiska. Wybuch jest zjawiskiem nagłego uwolnienia energii będącego następstwem: zjawisk fizycznych, reakcji chemicznych, reakcji jądrowych podczas, którego wydziela się duża ilość energii i występuje fala ciśnieniowa (uderzeniowa) o znacznej wielkości, przemieszczająca się od jego źródła. W zależności od sposobu inicjowania, wybuchy zasadniczo można podzielić na fizyczne i chemiczne (rys.1) Rys. 1. Rodzaje wybuchów Źródło: opracowanie własne na podstawie Wybrane zagadnienia z fizykochemii wybuchu M. Pofit-Szczepańska, SA PSP, Poznań, 1999 Wybuch chemiczny jest spowodowany gwałtowną reakcją chemiczną o charakterze egzotermicznym (reakcją wybuchową). Do wystąpienia wybuchu nie wystarczy paliwo" w postaci palnych składników i powietrze. Jednocześnie musi wystąpić więcej czynników. Z przedstawionego poniżej schematu (rys. 2) wynika, że wybuch wystąpi jeśli wytworzy się mieszanina parowo (gazowo) powietrzna w odpowiednich zakresach stężeń oraz źródło zapłonu o odpowiednio wysokiej energii. Wyeliminowanie jednego z czynników powoduje brak możliwości powstania wybuchu. Wybuchy chemiczne mogą być wybuchami homogenicznymi lub wybuchami heterogenicznymi. Wybuchy homogeniczne zachodzą w całej objętości mieszaniny palnej i towarzyszy temu gwałtowne wydzielanie się energii cieplnej oraz wzrost temperatury (np. niestabilne ciecze takie jak organiczne nadtlenki), brak jest granicy między utleniaczem a paliwem, co skutkuje jednoczesną eksplozją całej mieszaniny. Wybuchem homogenicznym jest wybuch termiczny (cieplny), który zachodzi na przykład w przypadku egzotermicznego rozkładu niestabilnych substancji.

2 Gromadzone ciepło przyspiesza gwałtownie reakcje destrukcji, prowadząc do wybuchu. Fotochemiczny wybuch jest zapoczątkowywany energią światłą, np. reakcja chlorowania alkanów. Heterogeniczne wybuchy charakteryzują się rozdziałem strefy reakcji od strefy nie reagującej. Granicę między strefami stanowi płomień. Jeżeli płomień przemieszcza się przez atmosferę palną z prędkością poddźwiękową, mamy do czynienia z deflagracją. Propagacja płomienia w tego typach wybuchach jest w granicach m/s. Podczas takiego wybuchu temperatura dochodzi nawet do 3000 K. Drugim rodzajem wybuchu heterogenicznego jest detonacja. W tego rodzaju wybuchu granica spalania przemieszcza się z szybkością m/s; w przypadku pyłów prędkość detonacji osiąga nawet prędkość 8000 m/s. W detonacjach występuje zjawisko wyprzedzania strefy reakcji przez falę ciśnienia Rys. 2. Składowe wybuchu Źródło: z dnia Rys.3. Przykładowy wykres dla wybuchu deflagracyjnego Rys.4. Przykładowy wykres dla wybuchu detonacyjnego

3 W przypadku wybuchu fizycznego źródłem energii jest zjawisko fizycznej. Jednym z najczęściej opisywanych w literaturze przedmiotu przykładów wybuchu fizycznego jest BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion). BLEVE zaczyna się zwykle od pożaru na zewnątrz zbiornika, zasilanego ewentualnie przez substancję palną wypływającą ze zbiornika. Płomienie atakują powierzchnię zbiornika będącą w kontakcie z jego ciekłą zawartością. Wrzenie cieczy zwiększa ciśnienie pary, ale utrzymuje jednocześnie względnie chłodną zwilżaną część powierzchni zbiornika. Jednak w miejscach, gdzie ogień atakuje z zewnątrz część powierzchni zbiornika kontaktującą się tylko z parą, odbiór ciepła jest mały. W wyniku tego w tych miejscach gwałtownie rośnie temperatura powierzchni metalu. Powłoka metalowa zbiornika słabnie i przy wzrastaniu ciśnienia w zbiorniku gwałtownie pęka. W wyniku uszkodzenia zbiornika jego zawartość utrzymywana pod ciśnieniem zostaje gwałtownie wyrzucona na zewnątrz i rozprężając się tworzy chmurę pary z kropelkami cieczy. Płomienie na zewnątrz zbiornika powodują zapłon chmury i utworzenie się kuli ognistej olbrzymich rozmiarów. W wypadku BLEVE zagrożeniem jest nie tylko silne promieniowanie termiczne, ale także gwałtowny wybuch i powstające odłamki. Rys. 5. Etapy powstawania wybuchu BLEVE. Źródło: Małolepszy R, Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem Pożarnik 3/2004, 9-13 Wybuchom BLEVE towarzyszą efekty fizyczne mające wpływ na ludzi i środowisko: fala nadciśnienia, kula ognista (fireball), odłamkowanie. Rys. 6. Efekty fizyczne wybuchy BLEVE Źródło: Wybrane zagadnienia z fizykochemii wybuchu M. Pofit-Szczepańska, SA PSP, Poznań, 1999

4 Promieniowanie cieplne działając na materię nieożywioną lub ożywioną może spowodować zapalenie się jej lub inne zmiany strukturalne związane ze zwiększoną temperaturą. Natężenie światła podczas maksymalnie kilku sekund emisji podczas eksplozji może osiągnąć 1000 W/cm 2 (dla porównania natężenie światła górującego Słońca w Polsce wynosi średnio ok. 0,014 W/cm 2 ). Podobne warunki powstają przy bezpośrednim kontakcie z palnikiem acetylenowym. Sucha trawa, ściółka leśna czy krzewy mogą się zapalić, dużo trudniej zapalają się rośliny wodne i drzewa, częściej uschłe liście opadłe na ziemię. Naświetlone zwierzęta i ludzie ulegają poparzeniom, których charakter zależy od mocy bomby i odległości od miejsca eksplozji. Większa bomba emituje światło dłużej niż mniejsza, przez co jego intensywność jest mniejsza i potrzeba większej ilości promieni (energii), by wywołać oparzenie. Tabela 1. Skutki promieniowania cieplnego dla sprzętu oraz ludzi w zależności od wielkości strumienia cieplnego Strumień cieplny [kw/m 2 ] Skutki promieniowania cieplnego dla sprzętu Skutki promieniowania cieplnego dla ludzi 37,5 Uszkodzenie urządzeń wchodzących w skład instalacji technologicznych (procesowych) 100% ofiar śmiertelnych po 1 min. narażenia, 1% ofiar śmiertelnych po 10 s narażenia 25,0 Zapalenie się drewna po bardzo długim okresie narażenia 100% ofiar śmiertelnych po 1 min. narażenia, znaczne urazy po 10 s narażenia 12,5 Topienie się rur z tworzywa sztucznego 1% ofiar śmiertelnych po 1 min. narażenia, oparzenia I stopnia po 10 s narażenia 4,0 --- Powoduje ból przy narażeniu dłuższym niż 20 s 2,1 --- Wartość minimalna do wywołania bólu po 1 min. narażenia 1,2 --- Nie stwarza dyskomfortu przy długotrwałym narażeniu Źródło: z dnia Bardzo ważnym zagadnieniem związanym z wybuchem jest tzw. efekt domina. Pojęcie to jest metaforą używaną dla określenia sytuacji, w której jedno drobne zdarzenie uruchamia szereg następujących po sobie, wynikających jedno z drugiego zdarzeń. Sformułowania tego używa się zazwyczaj w odniesieniu do procesów gwałtownych, destrukcyjnych, niemożliwych do opanowania, po tym, gdy już zostaną zainicjowane. Efekt

5 domina jest powszechnie znaną przyczyną groźnych wypadków w przemyśle chemicznym i produkcyjnym takich jak pożar, wybuch czy też odłamkowanie. Wiele prac wskazywało, że bardziej krytycznym krokiem w ocenie ilościowej niebezpieczeństw efektu domina jest dostępność niezawodnych modelów do oceny możliwości i prawdopodobieństwo eskalacji głównych wypadków. Zjawisko takie inicjowane jest w instalacji procesowej pierwotnej i następnie rozprzestrzenia się na następną instalację wtórną. Zdarzenia takie mogą występować zarówno w układzie szeregowym, jak i równoległym. Pierwotne zdarzenie wypadkowe związane z uwolnieniem substancji niebezpiecznej może powodować oddzielnie lub jednocześnie, w zależności od właściwości uwalnianej substancji, trzy różne efekty fizyczne: promieniowanie cieplne charakterystyczne dla pożarów, falę podmuchu o określonej wielkości nadciśnienia charakterystyczną dla wybuchów oraz tzw. zjawisko odłamkowania w przypadku pęknięcia pojemnika procesowego. Wymienione efekty fizyczne tworzą odrębne strefy zagrożenia, w których ze względu na przekroczenie wielkości progowych tych efektów powstają zniszczenia wśród znajdujących się tam ludzi i obiektów. Powstają w ten sposób kolejne uwolnienia substancji niebezpiecznych do otoczenia, tworząc kaskadę zdarzeń domina. Zjawisko domina zależy od wielu różnych czynników, spośród których najważniejsze to: rodzaj urządzenia pierwotnego, rodzaj i ilości substancji niebezpiecznych, warunki operacyjne procesu (ciśnienie i temperatura), rodzaj i wrażliwości urządzeń znajdujących się w strefie zagrożenia, odległości między aparatami i urządzeniami procesowymi, warunki propagacji efektów fizycznych. Precyzyjna ocena skutków uwolnienia substancji toksycznych dla organizmu ludzkiego, w oparciu o uzyskane z obliczeń transportowych informacje o koncentracji tych substancji jest zadaniem niezwykle trudnym. U człowieka może wystąpić cały szereg objawów i skutków: podrażnienie, neurozy, duszności, uszkodzenia organów wewnętrznych i śmierć. Co więcej, skala tych wszystkich efektów jest funkcją zarówno wielkości jak również czasu wystawienia na działanie szkodliwych substancji. Ponadto w określonej populacji ludzkiej istnieje znaczny stopień zróżnicowania wrażliwości organizmu na działanie szkodliwych substancji w zależności od stanu zdrowia, wieku i podatności osobniczej. Inną przyczyną trudności uzyskania zadowalających ocen jest fakt istnienia tysięcy toksycznych substancji i brak wystarczających danych (nawet dla najbardziej znanych substancji) dotyczących efektów ich działania na organizm ludzki. W większości wypadków jedynymi dostępnymi danymi są wyniki laboratoryjnych doświadczeń na zwierzętach. Jednak nie zawsze ciśnieniowe rozerwanie zbiornika powoduje powstaniem wybuchu typu BLEVE. Aby powstał tego typu wybuch musza zostać spełnione określone warunki: Wybuch powstaje tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z cieczą skroploną. BLEVE następuje na wskutek przejęcia międzyfazowego z fazy ciekłej w fazę gazową. Zmiana fazy powoduje ogromną zmianę objętości substancji i ta lotna ciecz wywiera ciśnienie na ścianki zbiornika. Ciecz musi być magazynowana w zamkniętej objętości. W otwartym zbiorniku podczas podgrzewania części cieczy normalnie by odparowała - nie mogło by mieć miejsca zjawisko przegrzania cieczy, co jest warunkiem zjawiska BLEVE. Temperatura cieczy w zbiorniku musi być wyższa niż temperatura jej wrzenia. Przegrzanie cieczy ma miejsce wówczas, gdy ciecz osiągnęła już swoją temperaturę

6 wrzenia a w dalszym ciągu tylko się ogrzewa, nie wrze. Jest to tzw. stan przegrzania. W momencie osiągnięcia tego nietrwałego stanu równowagi termodynamicznej wystarczy cokolwiek, np. pęcherzyk powietrza dostarczony do cieczy w wyniku pęknięcia płaszcza zbiornika wywołanego ogrzewaniem i wzrostem ciśnienia wewnątrz, aby momentalnie cała zawartości zbiornika przeszła w stan lotny powodując wzrost ciśnienia i klasyczny wybuch BLEVE. Jedna z największych i najtragiczniejszych w skutkach wybuchów BLEVE na świecie miała miejsce w Meksyku. Miasto to, liczące ponad 16 mln mieszkańców, zużywa wielkie ilości gazu. Wokół miasta znajduje się kilka magazynów gazu. W magazynach w San Juanico - Ixhuatepec, na przedmieściach Meksyku, w 48 poziomych zbiornikach cylindrycznych oraz wielkich zbiornikach (2400 i 1500 m 3 ) sferycznych magazynowano LPG (Liquid petroleum gas) - ciekły gaz, który zazwyczaj składa się z 80% butanu i 20% propanu. Ten rodzaj gazu używany jest głównie do zaspokajania potrzeb bytowych mieszkańców Meksyku. Przyczyną inicjującą katastrofę było według najbardziej prawdopodobnego scenariusza - pęknięcie nadziemnego, 8-calowego rurociągu zasilającego, na co wskazywały zakłócenia zarejestrowane w przepompowni odległej o ok. 40 km. Snująca się w warstwie przyziemnej powietrza chmura gazu (propan - butan jest cięższy od powietrza), zapalając się od pochodni, która spalała nadmiar gazu, spowodowała dalsze katastrofalne zdarzenia. Pod wpływem wysokiej temperatury powstały uszkodzenia zbiorników oraz katastrofalne wybuchy: 15 spośród 48 cylindrycznych zbiorników (każdy o masie własnej ok. 20 t) zmieniło się w pociski i przemieściło na odległość ponad 100 m, niektóre nawet m, co powodowało zniszczenia poza terenem zakładu. Cztery wielkie (1500 m 3 ) zbiorniki sferyczne przestały istnieć w wyniku wybuchu BLEVE (Boiling liquid expanding vapour explosion - eksplozja rozprężającej się pary wrzącej cieczy). Powstały kule ogniste (o średnicy m, czas trwania - ok. 20 s), którym towarzyszyły silne promieniowanie termiczne, gwałtowna siła podmuchu oraz odłamki i przemieszczające się na dużą odległość płonące krople gazu ( deszcz ognia ). W odniesieniu do produktów ropopochodnych istotne zagrożenie stanowi możliwość wybuchu typu wyrzut i wykipienie. Najbardziej tragiczny wypadek związany z tym wybuchem miał miejsce w roku 1971 w rafinerii w Czechowicach Dziedzicach. Była to największa katastrofa chemiczna w Polsce, Trzecie- ostatnie wyładowanie uderzyło w kominek oddechowy zbiornika ropy nr.1 Zbiorniki w rafinerii nie były wyposażone w tzw. pływające dachy uniemożliwiające gromadzenie się mieszaniny wybuchowej nad powierzchnią ropy, w związku z tym uderzenie pioruna spowodowało natychmiastowe zapalenie się par zgromadzonych w zbiorniku w ciągu kilku minut pożar objął dach powierzchnię zbiornika oraz ropę rozlaną na tzw. "tacy" która dostała się tam tuż po pierwszym wybuchu. W czasie gaszenia do zbiornika dostało się kilkadziesiąt tysięcy litrów wody, które były podgrzewane przez palącą się na tacy ropę. Woda ta osiągnęła temperaturę wrzenia i rozpoczęła przedzierać się ku górze zbiornika. Podnosząc lżejszą ropę naftową spowodowała jej wyrzut na odległość w niektórych miejscach nawet ponad 200m. W zbiorniku nr I rozległo się potężne bulgotanie, a w chwilę później wystrzelił z niego olbrzymi, sięgający może nawet 1000 metrów wysokości, słup ognia. Podczas tego wyrzutu zginęło 33 strażaków i żołnierzy. W wyniku odniesionych ran i oparzeń zmarło jeszcze 4 ratowników. Wykipienie definiowane jest jako przejście w par cząstek wody znajdujących się w ropie i powstanie piany z utworzonej emulsji "woda-ropa", która może przelewać się przez

7 ściany zbiornika. Wykipienie jest prawdopodobne w przypadku cieczy o dużej lepkości zawierającej zemulgowane, nierozpuszczalne substancje o niskiej temperaturze wrzenia. Najczęściej substancją tą jest woda, której obecność jest związana z procesem wydobycia. Zawartość wody w ropie, w zależności od jej pochodzenia waha się od 0,3% do 4,5%. W czasie przechowywania i w początkowym okresie spalania woda jest mniej lub bardziej równomiernie rozłożona w całej masie cieczy. Najczęściej kipi ropa naftowa i mazut, a więc produkty o stosunkowo dużej lepkości umożliwiającej zatrzymanie zawieszonych w nich kropelek wody [27]. Rys. 7. Schemat wykipienia gorącej ropy naftowej Żródło M. Ryng BHP i zabezpieczenie przeciwpożarowe w przemyśle chemicznym, poradnik WNT, Warszawa 1976 Wyrzut to nagły wzrost ciśnienia w otwartym zbiorniku, spowodowany dojściem warstwy przegrzanej do warstwy wody znajdującej się na dnie zbiornika i zamienienia ją w parę, w czasie długotrwałego spalania mieszaninie cieczy palnych (np. ropa, nafta). Podczas spalania ropy temperatura powierzchni cieczy jest równa temperaturze wrzenia. Pod powierzchnią, w wyniku oddziaływania ciepła i rozdestylowania ropy tworzą się 2 warstwy: górna znajdująca się tuż pod powierzchnią i dolna usytuowana poniżej. W czasie pożaru temperatura górnej warstwy przewyższa temperaturę wrzenia ropy. Grubość tej warstwy zwiększa się w czasie trwania pożaru. W drugiej warstwie temperatura szybko maleje w głąb od powierzchni rozdziału. Oddestylowanie produktów lotnych z warstwy przegrzanej powoduje wzrost jej gęstości w stosunku do gęstości początkowej. W wyniku tego przesuwa się ona w dół zbiornika, a na jej miejsce napływa świeża (nie oddestylowana) ropa. W momencie gdy warstwa przegrzana ropy o temperaturze rzędu ºC dotrze do dna zbiornika, gdzie znajduje się woda następuje gwałtowne odparowanie wody, która przechodząc w stan lotny powiększa swoją objętość ok razy. Następuje wyrzut ropy ze zbiornika Para porywa ropę i wyrzuca ją w górę. Możliwe jest rozprzestrzenienie się ognia na sąsiednie zbiorniki lub na ich obwałowania. Zasięg wyrzutu palącej się ropy może być 2-3 razy większy od średnicy zbiornika. Powierzchnia wyrzutu może być nawet 10 krotnie większa od powierzchni palącego się zbiornika. Istotnym warunkiem wystąpienia wyrzutu jest jednoczesne zaistnienie trzech elementów: pożaru otwartego zbiornika

8 warstwy wody na dnie zbiornika utworzeniu się warstwy przegrzanej w cieczy palnej, której powstanie zdeterminowane jest własnościami fizykochemicznymi ropy lub innej substancji ropopochodnej. Skomplikowane procesy chemiczne w przemyśle realizowane są przy wykorzystaniu zaawansowanych instalacji technologicznych. Wiele reakcji zachodzi z udziałem substancji palnych, które podgrzewane są do temperatury kilkuset stopni Celsjusza (znacznie wyżej niż ich temperatury zapłonu). Dodatkowo często występują bardzo wysokie ciśnienia. W tych warunkach jakiekolwiek, nawet nieznaczne, zaburzenie procesu może doprowadzić do jego niestabilności, a w konsekwencji - do katastrofy, wybuchu, pożaru i skażenia środowiska. Przetwarzanie, magazynowanie i transport produktów ropopochodnych, gazów węglowodorowych niesie za sobą różnorodne niebezpieczeństwa, w tym także zagrożenie wybuchem. Uwolnienie palnej substancji, jej dyspersja w atmosferze oraz zapłon może spowodować wybuch określany w literaturze jako VCE. Wybuchy VCE, należą do najpoważniejszych dlatego też w literaturze poświęca się temu szczególną uwagę i wkłada dużo wysiłku żeby móc oszacować wartość nadciśnienia i siły, które są głównymi parametrami odpowiedzialnymi za szkodę. W szczególności ich wagi są obliczane w celu przeprowadzenia analizy skutków. W tym celu korzysta się z modeli, które w prosty sposób pozwalają ustalić, jaka jest wartość uszkodzenia w zależności od odległości od źródła. Wybuch VCE (Vapour Cloud Explosion) Mechanizm wybuchu VCE polega na zapłonie chmury będącej mieszaniną paliwo- powietrze, wskutek którego następuje rozprzestrzenianie się płomienia przez chmurę. Jeżeli prędkości rozchodzenia się płomienia będą duże, wówczas powodowane nimi przyrosty ciśnienia osiągną również znaczne wartości. Aby mogło dojść do wybuchu, czyli powstania fali ciśnieniowej zdolnej do powodowania zniszczeń, niezbędne jest jednak nałożenie się kilku czynników: 1. Uwolniona substancja musi być palna, a za nim dojdzie do awarii, musi znajdować się w odpowiednich warunkach ciśnienia i temperatur. 2. Przed wybuchem musi wytworzyć się chmura o dostatecznie dużych rozmiarach. Jeżeli zapłon nastąpi natychmiast po uwolnieniu substancji palnej, wówczas może dojść do: spalania się chmury flash fire, albo spalania dyfuzyjnego strumienia wydobywających się par lub gazów ze zbiornika lub instalacji pod wysokim ciśnieniem, albo.zjawiska fireball. W takich przypadkach niemożliwe jest powstanie fali ciśnieniowej mogącej powodować określone skutki. Jeżeli zapłon nastąpił po pewnym czasie, a chmura przez ten okres będzie się formować, wówczas istnieje możliwość, że spalanie chmury doprowadzi do powstania fali ciśnieniowej zdolnej do powodowania rozległych zniszczeń. Przyjmuje się, iż opóźnienie zapłonu o 1-5 minuty jest opóźnieniem, po którym wy buch VCE jest najbardziej prawdo podobny, 3. Stężenia substancji palnej dostatecznie dużej chmury muszą znajdować się w granicach palności tej substancji. 4. Prędkość rozprzestrzeniania się płomienia musi być dostatecznie duża, aby spowodować odpowiednio duży przyrost ciśnienia. W większości przypadków sposobem rozprzestrzeniania się płomienia jest deflagracja, jedynie w szczególnych warunkach detonacja. Warunkiem koniecznym do powstania wybuchu określonego mianem VCE jest wystąpienie w trakcie rozprzestrzeniania się płomienia w chmurze turbulencji. Powstawanie turbulencji może być przyczyną bardzo dużych prędkości rozchodzenia się płomienia i w rezultacie silnych przyrostów ciśnienia.

9 Skutki wybuchu pary zależą w dużym stopniu od stopnia zamknięcia objętości zawierającej parę. Wbrew potocznym sądom odnotowano liczne wybuchy całkowicie otwartych objętości pary. Przyczyną powstawania takich wybuchów mogą być zjawiska turbulencji. Fala powstająca w wyniku wybuchu nie zamkniętej objętości pary charakteryzuje się względnie wolnym narastaniem ciśnienia do wartości maksymalnej i względnie dużym okresem trwania nadciśnienia (rzędu kilku dziesiątych sekundy). Spektakularnym przykładem wybuchu VCE była awaria, która wydarzyła się w zakładach chemicznych Nypro Ltd, Flixborough (niedaleko od Scunthorpe), produkujących głównie kaprolaktam - surowiec do wytwarzania nylonu. Z pękniętego 20-calowego rurociągu uwolniło się około 80 t gorącego (155 C) ciekłego cykloheksanu, znajdującego się pod ciśnieniem 8 barów. Cykloheksan utworzył palną mieszaninę i napotkał źródło zapłonu. Następnie nastąpił potężny wybuch chmury gazowej, który spowodował duże zniszczenia i wywołał liczne pożary na terenie zakładu. W celu wymiernej oceny podatności na wybuch, stosuje się dwa podstawowe wskaźniki określające stopień zagrożenia wybuchem w zależności od stężenia palnej części mieszaniny tj. dolna granica wybuchowości (DGW) i górna granica wybuchowości (DGW). Dolna granica wybuchowości określa stężenie gazu palnego lub palnej pary w powietrzu, poniżej którego atmosfera gazowa nie jest wybuchowa. Wartość DGW podawana jest zwykle w % objętościowych lub w g/m 3.Górna granica wybuchowości określa stężenie gazu palnego lub palnej pary w powietrzu, powyżej którego atmosfera gazowa nie jest wybuchowa. Wartość GGW podawana jest zwykle w % objętościowych lub w g/m 3. Przedział stężeń między DGW i GGW nazywany jest przedziałem wybuchowości. Granice wybuchowości nie są wielkościami stałymi i zależą od wielu parametrów. Do najważniejszych czynników wpływających na wartości granic wybuchowości należą [32]: Temperatura, gdzie ze wzrostem temperatury dolne granice wybuchowości (z wyjątkiem CO) ulegają obniżeniu, a górne podwyższeniu, a więc zakres granic wybuchowości, tzn. zakres stężeń leżących między dolną, a górną granicą wybuchowości powiększa się. Ze wzrostem temperatury początkowej obszar wybuchowości mieszaniny palnej rośnie. Mieszanina, która była niepalna w niższej temperaturze, może ulec wybuchowi w temperaturze wyższej. Ciśnienie - obniżenie ciśnienia poniżej atmosferycznego wpływa na powolne zawężenie granic wybuchowości, aż do całkowitego ich zaniku. Podwyższenie ciśnienia ponad atmosferyczne wpływa na ogół rozszerzające na granice wybuchowości, a w szczególności na górną. Domieszka gazów obojętnych - jeżeli do mieszaniny składnika palnego i utleniacza dodać gazu obojętnego, wówczas następuje podwyższenie dolnej granicy wybuchowości i znaczne obniżenie górnej granicy wybuchowości. Obszar wybuchowości ulega zawężeniu i powyżej pewnej ilości dodanego składnika palnego mieszanina przestaje być palna. Energia źródła zapłonu, gdzie przy niewielkich wartościach energii wraz ze wzrostem ilości dostarczonej ze źródła, zakres granic wybuchowości ulega rozszerzeniu; Kierunek propagacji płomienia - najszerszy zakres wybuchowości uzyskuje się w pionowo ustawionych rurach przy dolnym zapłonie (kierunek wstępujący rozchodzenia się płomienia). Najwęższy zakres wybuchowości uzyskuje się przy

10 rozprzestrzenianiu się płomienia ku dołowi (kierunek zstępujący, a pośredni przy poziomym). O charakterze i mechanizmie wybuchu decydują: charakterystyka przestrzeni, w której zachodzi spalanie (rozmiar, przeszkody ograniczone czy otwarte etc.), właściwości mieszaniny wybuchowej (stan skupienia, stężenie, turbulencja, ciśnienie i temperatura, obecność gazu inertnego, mieszanina hybrydowa), czynniki zapłonu (energia, temperatura). Wykorzystanie granic wybuchowości w praktyce Oznaczanie granic wybuchowości par cieczy w praktyce pozwala na ocenę zagrożenia wybuchem pomieszczeń oraz przestrzeni zewnętrznych i w konsekwencji wyznaczenie w pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych odpowiednich stref zagrożenia wybuchem. Na podstawie Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 109, poz. 716) pomieszczenie, w którym może wytworzyć się mieszanina wybuchowa, powstała z wydzielającej się takiej ilości palnych gazów, par, mgieł lub pyłów, której wybuch mógłby spowodować przyrost ciśnienia w tym pomieszczeniu przekraczający 5 kpa, określa się jako pomieszczenie zagrożone wybuchem. Zidentyfikowane miejsca występowania atmosfery wybuchowej należy zakwalifikować do odpowiedniej strefy zagrożenia wybuchem. Klasyfikację należy przeprowadzić z uwzględnieniem podziału na strefy zagrożone wybuchem, zgodnie z normą PN-EN :2011 Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem. Według tej normy przewidziane są trzy strefy dla gazów tj. Strefa 0 miejsce, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę powietrza oraz substancji palnych w postaci gazu, pary lub mgły, występuje stale lub przez długie okresy czasu, lub często. Strefa ta pojawia się wewnątrz pojemników, rurociągów, zbiorników, separatorów olejowo-wodnych otwartych do atmosfery. Strefa 1 miejsce, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę powietrza oraz substancji palnych w postaci gazu, pary lub mgły, może czasami wystąpić w trakcie normalnego działania. Strefa ta może obejmować bezpośrednie otoczenie strefy 0, miejsca napełniania i opróżniania naczyń lub zbiorników, otoczenie uszczelnień pomp, zaworów połączeń kołnierzowych armatury i rurociągów. Strefa 2 miejsce, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę powietrza oraz substancji palnych w postaci gazu, pary lub mgły, nie występuje w trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa krótko. Typowo strefa ta może obejmować strefę 0 lub strefę 1.

11 Procedura badawcza Po uprzednim ustawieniu temperatury parownika (7), temperatury termostatu (4) oraz ustawieniu odpowiedniego przepływu (9) ciecz znajdująca się w dozowniku (8), przekształca się w parowniku (6) pary, które następnie poddawane są zapłonowi iskrowemu. Zbiornik w kształcie rury jest wykonany i służy on do wzrokowej obserwacji zapłonu. Pary cieczy powstają w parowniku gdzie mieszane są z powietrzem o zadanej temperaturze (ustalamy ją w regulatorze temperatury termostatu, a następnie przez komorę termostatu podawane są do zbiornika badawczego. Pomiędzy dwoma elektrodami, umieszczonymi w zbiorniku badawczym, zapalany jest łuk wysokiego napięcia, przy pomocy którego inicjowany jest zapłon gazu. Ocena czy doszło do zapłonu dokonywana jest metodą wzrokową Rys. 3. Schemat stanowiska do oznaczania DGW I GGW par cieczy i gazów. 1. Zbiornik badawczy 6. Parownik 2. Komora termostatu. 7. Regulator temperatury parownika 3. Dmuchawa 8. Dozownik cieczy 4. Regulator temperatury termostatu 9. Sterownik dozownika cieczy 5. Blok generatora iskier

12 Rys. 9. Zapłon łuku wysokiego napięcia w komorze spalania Wyniki badań należy zamieścić wg tabeli jak poniżej L.p. Objętość cieczy Wystąpienie wybuchu TAK/NIE