§ 2.1. Аппараты с открытой поверхностью испарения

Аппараты с открытой поверхностью испарения —это окрасочные ванны, ванны для пропитки тканей и бумаги растворенными смолами, ванны для промывки и сушки деталей, открытые резервуары, емкости и т. п.

Горючая концентрация смеси паров с воздухом над поверхностью такого аппарата образуется, если температура жидкости Т выше температуры вспышки ее паров:

Т≥Т_ВСП, (2.1)

Количество жидкости, испаряющейся со свободной поверхности, зависит от физических свойств этой жидкости, температурных условий, площади и времени испарения, а также подвижности воздуха. Различают испарение в неподвижную и движущуюся среду.

При испарении в неподвижную среду рассеивание паров затруднено. Практический интерес представляет закон изменения кон­центраций пара по высоте над поверхностью испаряющейся жидкости, возможные размеры зоны взрывооласности, количество испаряющейся жидкости.

Над открытой поверхностью испарения жидкости закон измене­ния концентрации пара (по высоте) можно представить параболой n-го порядка (рис. 2.1). Концентрация пара изменяется от насы-

Рис. 2.1. Изменение концентрации пара по верти­кали при испарении жидкости в неподвижную среду

щенной концентрации φ_s (у поверхности жидкости) до нуля (на некотором расстоянии от нее). Совместим начало координатной си­стемы с точкой, где концентрация паров равна нулю. Тогда

φ=ауⁿ, (2.2)

где у - координата точки, в которой определяется концентрации пара; а- постоянная, определяемая из граничного условия φ=φ_s при y=h. При a—φ_s/hⁿ закон распределения концентрации пара по высоте будет иметь вид:

φ=φ_s(у/h)ⁿ, (2-3)

откуда средняя концентрация паров жидкости

. (2.4)

Расстояние h изменяется в зависимости от длительности испа­рения. Чтобы связать концентрацию φ и расстояние h с временем τ составим дифференциальное уравнение материального баланса по парам горючей жидкости при условии, что не происходит их рассеивания за пределы вертикального цилиндра с зеркалом испаряющейся жидкости в его основании. Тогда

dG_исп=dG_aкк, . (2.5)

где . (Gисп — количество испарившейся жидкости; G_aкк — количество паров, находящихся (аккумулированных) в воздухе.

Количество испаряющейся жидкости со свободной поверхности можно определить по закону Фика с учетом поправки Стефана на конвективную диффузию:

, (2.6)

где D — коэффициент диффузии паров жидкости в воздухе; dφ>/dy — градиент концентрации; р — плотность паров жидкости.

Значение градиента концентрации получим как производную выражения (2.3):

, (2.7)

У поверхности жидкости, где y = h,

, (2.8)

Подставив (2.8) в (2.6), получим:

, (2.9)

За время' dτ высота зоны распространения паров изменяется на dh. Тогда количество паров жидкости, находящихся в воздухе, будет равно:

, (2.10)

Подставив (2.9) и (2.10) в (2.5) и проинтегрировав, получим

, (2.11)

Исследованиями испаряемости нефти и нефтепродуктов установлено, что показатель степени п кривой изменения концентрации паров (при испарении в условиях молекулярной диффузии) близок 2. Такую же закономерность принимаем и для других жидкостей. Тогда

, (2.12)

Подставив найденное значение h в (2.3), получим уравнение для определения концентрации пара в любой точке над поверхностью жидкости (в зависимости от продолжительности испарения):

, (2.13)

откуда может быть определена координата у точки с любой заданной концентрацией.

Тогда высота опасной зоны над поверхностью жидкости будет

равна:

, (2.14)

Количество испарившейся в неподвижный воздух жидкости за любой промежуток времени можно определить, подставив (2.13)

в (2.9)

, (2.15)

Характер испарения в движущуюся среду резко отличается от испарения в неподвижную среду. При конвенктивной диффузии над поверхностью жидкости образуется небольшой толщины пограничный слой с насыщенной концентрацией пара. Затем происходит резкий перепад концентрации. В слоях, лежащих выше пограничного слоя (вследствие интенсивного перемешивания среды при движении), концентрация пара становится примерно одинаковой. Количество испаряющейся жидкости G_исп с площади F за время τ определяют по уравнению

, (2.16)

где ΔG_X — средняя движущая сила массопередачи; К_х — коэффициент массопередачи.

Методы определения коэффициента массопередачи К_х и средней движущей силы массопередачи Δφ_х изучаются в курсе «Термодинамика и теплопередача в пожарном деле».

Снижение пожаровзрывоопасности производств при наличии аппаратов с открытой поверхностью испарения обеспечивают следующие технические решения.

1. Изменение технологических схем (с наличием промывочных, окрасочных ванн и других подобных аппаратов с открытой поверхностью испарения) таким образом, что весь процесс, в том числе загрузка и выгрузка материала, осуществляется изолированно от окружающего воздуха.

2. Замена легковоспламеняющихся жидкостей негорючими или менее пожароопасными жидкостями или составами (см. главу 10 данного учебника).

3. Выбор наиболее рациональной формы открытого аппарата, позволяющей иметь минимальную величину поверхности испарения.

4. Устройство систем отсоса и улавливания выделяющихся при испарении паров жидкости непосредственно у аппаратов.

5. Наличие специальных устройств защиты на случай пожара (крышки для закрывания аппаратов, аварийный слив жидкости, локальная установка пожаротушения).

Следует иметь в виду, что аппараты с открытой поверхностью, испарения, где только позволяет технология, должны быть замене­ны закрытыми аппаратами. Однако это не всегда приводит к сни­жению пожарной опасности. Примером могут служить мазутохранилища. При свободном выходе газов из мазута в атмосферу он сохраняет высокую температуру вспышки и в производственных условиях может быть пожаробезопасным. Перевод же мазутохранилищ из открытых в закрытые резервуары существенно повысил бы их пожаровзрывоопасность.