Определение ударной волны, импульса сжатия, пожара разлития при взрыве баллона с этилнитратом объемом 500 литров

Формулировка задания :

На местности средней загроможденности расположен баллон с этилнитратом V= 500л. На расстоянии  50м от баллона находится резервуар с жидкостью(мазут),  m=100 т. Вследствие аварии произошел взрыв баллона с этилнитратом, в результате которого случился пожар, вызванный разлитием мазута.

Определить: ударную волну ΔР_ф, Импульс сжатия  I⁺ ,пожар разлития, безопасное расстояние для человека, проанализировать на каком расстоянии он не получить ожоги.

Решение:

Этилнитрат— C₂H₅ONO₂, сложный эфир этилового спирта и азотной кислоты, типичный представитель класса сложных эфиров. Применяется в органическом синтезе в качестве нитрующего агента, в том числе для получения лекарственных препаратов и красителей.

Бесцветная, легко подвижная жидкость с приятным запахом, Т_пл −94,6 °C−102 °C, Т_кип 87,2 °C.Этилнитрат плохо растворяется в воде (1,3 г/100 мл при 35 °C и 3,09 г/100мл 55 °C) хорошо в спирте и большинстве органических растворителей, образует азеотропные смеси (с 22% воды Т_кип 74,35 °C, с 57% метилового спирта Т_кип 61,77 °C)

В кислой и щелочной среде этилнитрат легко гидролизуется с образованием этилового спирта. В присутствии оснований этилнитрат способен нитровать амины, ароматические и алифатические соединения, содержащие активные СН₂-группы, а также может выступать в качестве алкилирующего агента для аминов, сульфидов, азидов и некоторых других соединений . Восстановление этилнитрата различными реагентами, такими как FeCl₂, LiAlH₄, N₂H₄ и некоторыми другими, приводит к образованию этанола с высокими выходами .

Взрыв - это быстро протекающий процесс физического и химического превращения вещества, сопровождающееся выделением энергии  с образованием ударной волны, способную выполнить механическую работу.

По формуле определяем величину безразмерного радиуса:

R^* =R*()^-1/3

,где :

R- расстояние от эпицентра взрыва[м]=50м;

P₀-начальное давление[кПа]=101,3кПа;

E-эффективность энергозапаса горючей смеси

Находим в справочнике значение С_г (концентрация вещества) . Для этилнитрата она будет равна 96%

Переведем концентрацию из объемной доли  в единицы [кг/м³]

С=0,01*с[%об.]*ρ_г   [кг/м³]

, где

ρ_г-плотность этилнитрата- 1108 кг/м3 с=0,01*96*1108кг/м³=1063,68 кг/м³

с_стх- стехиометрическая концентрация вещества.

По таблице определяем стехиометрическую концентрацию бутана , она равна 1,350 кг/м³. Отсюда следует что, при с_г >c_стх  :

Эффективность  энергозапаса горючей смеси :

, где

М_г  - молярная масса газа  [г/моль] ;

Q_p^н-низшая теплота сгорания [МДж/кг]

По справочнику находим значения М_г=58 г/моль и Q_p^н=118.68 МДж/м³

Для расчета следует произвести перевод из МДж/м³ в МДж/кг

Переводим 118.68/ρ = 118.68 МДж/м³ / 2,703кг/м³ = 43,9МДж/кг

Следовательно безразмерный радиус будет равен:

R^*=15*()^-1/3=2.55

Определяем детонацию газового облака :

Ln P*=10124-1.66lnR*+0.26lnR*²      ,при        R*>0.2

LnP*=1.124-1.66ln2.55+0.26ln6.5

P*=e^0.06 = 1.06

 Определяем избыточное давление  на фронте ударной волны

ΔР_ф=Р*Р₀ кПа

ΔР_ф=1.06*101.3=107.56 кПа

LnP*=1,124-1,729+0,541=-0,06

P*=e^0.06=1.06

ΔР_ф=Р*Р₀=1.06*101,3=107.56 кПа

lnI*=3.4217-0.898lnR*+0.0096lnR*²=3.4217-0.84+0.017=2.5987

I*= e^2.5987=13.446

Определяем импульс фазы сжатия :

I⁺=

,где α = 400 - скорость звука [м/с];

Пожар разлития .

Одной из наиболее опасных аварий, которая может произойти на местности, является пожар разлития горючей жидкости (например, нефтепродуктов). Эти пожары характеризуются сложными процессами развития, требуют больших усилий и значительного числа средств для их ликвидации и, как правило, носят затяжной характер. Последнее обеспечивает длительное воздействие опасных и вредных факторов на людей. При таких пожарах тяжесть последствий определяется токсическим и термическим поражениями.

Для оценки поражения местностиопределяем Площадь поверхности горючей жидкости при свободном разлитии :

F_раз =      ,  [м²];   

,где

h-Глубина заполнения поддона горючей жидкости[м] , h=0.05 м

m-масса жидкости [кг];

ρ =950 [кг/м³]- плотность жидкости .

F_раз=

Определяем диаметр пожара разлития:

D= 2r = = 51.78 м

Следовательно r = 18,3м

Массовая скорость выгорания :

m_выг=c*ρ_ж*Q_н^р/L_исп  [кг/м²с]       

,где с- коэффициент пропорциональности =1,25*10^-6м/с;

Q_p^н = 42,84 * 10³ [МДж/кг] - низшая теплота сгорания .

L_исп  = 210*10³ – скрытая теплота испарения

m_выг = (1.25*10⁶*950*42.84*10⁶)/210*10³ = 0.24 [кг/м²с]

При скорости ветра ω =2м/с, определяем величину безразмерной скорости ветра:

ω _в=ω(m_выг*g*D/ρ_п)^-1/3   

,где

ρ_п-плотность пара и воздуха=1,21кг/м³;

D-диаметр пожара разлития=51.78м;

g-ускорение свободного падения=9,8м/с²;

m_выг- массовая скорость выгорания=0,24кг/м²с;

ω-скорость ветра=2м/с.

ω _в^c=2(0,24*9,8*51.78/1,21)^-1/3= 0,22

Геометрические параметры факела пожара разлития

Формула Томаса:

                                                

,где a = 55, b = 0.67, c = -0.21

ρ_п - плотность пара и воздуха=1,21кг/м³;

D-диаметр пожара разлития=36,6м;

g-ускорение свободного падения=9,8м/с²;

m_выг- массовая скорость выгорания=0,24кг/м²с;

Определяем Плотность теплового потока :

По таблице  берем расстояние и рассчитываем плотность теплового потока :

R=45 м, ϕ = 1

q_пад=q_соб*ϕ*exp[-7.0*10^-4(R-r)]   [кВт/м²]   ,где

q_соб – собственная по поверхности плотность потока собственного излучения пламени; для мазута она равна 60 кВт/м².

ϕ-угловой коэффициент излучения с площадки на боковую поверхность пламени.

q_пад=60 кВт/м²*1* exp[[-7.0*10^-4(45 м-25.89м)]= 59.4 кВт/м²

R=110 м, ϕ = 0,30

q_пад=60 кВт/м²*0,30* exp[[-7.0*10^-4(110м-25.89м)]=16.98 кВт/м²

R=160 м, ϕ=0,18

q_пад=60 кВт/м²*0,18* exp[[-7.0*10^-4(160м-25.89м)] =9.8 кВт/м²

R=200 м, ϕ=0,07

q_пад=60 кВт/м²*0,07* exp[[-7.0*10^-4(200м-25.89м)] =5.3 кВт/м²

R=250 м, ϕ=0,07

q_пад=60 кВт/м²*0,07* exp[[-7.0*10^-4(250м-25.89м)] =4.9 кВт/м²

Исходя из расчетов  определяем безразмерный радиус с учетом безопасного расстояния :

R*=R *()^-1/3   =250*0.17=42.5

lnP*=1.124-1.66*lnR*+lnR*²=1.124-1.66ln42.5+0.26ln1806=1.124-6.22+1.94=

=- 3.156

P*=e^-3.156= 0.0426

ΔP_ф=Р*Р₀=0,0426*101,3=4.315 кПа

Сильное поражение .

Определяем Пробит Функции для установления процента поражения людей на определенном расстоянии :

В соответствии с теорией риска аварий мера вероятности поражения объекта носит название «пробит-функция» - Pr, которая нашла широкое применение, как в отечественной, так и в зарубежной науке и практике управления промышленной безопасностью.

P_r=-5.74*ln{4.2(1+ ΔP_ф / Р₀)+1.3(I⁺( Р₀^0.5*m^1/3}=-5.74ln{4.2/(1+107.56/101.3)+1.3(192.93/101.3^0.5*50^1/3)}=-11.61

По таблице определяем процент поражения людей, он будет составлять 3.82% - столько процентов людей получат среднее поражение (контузия).

Термическое воздействие на человека :

P_r= -38.1 + 3.02ln(q^4/3*τ)

.где τ = (35/q)^1.33– время достижения порога боли, с

q_пад при R=45 м

P_r=-38.1 + 3.02ln(59.4^4/3*(35/59.4)^1.33=36.736

По таблице процент поражения людей составил 4.67%,что означает что на расстоянии 45 м люди получат ожоги II степени.

P_r= -38.1 + 3.02ln(q^4/3*τ)

, где

q_пад при R=250 м

P_r=-38.1 + 3.02ln(4.9^4/3*(35/4.9)^1.33=-7.753

По таблице процент поражения людей составил 3.59%,что означает что на расстоянии 250 м люди получат ожоги I степени