CHƯƠNG 6: CHÁY VÀ NỔ

Quá trình cháy:

Thống kê tai nạn: Hầu hết tai nạn liên quan đến cháy và nổ

- Nổ chiếm 30%- Cháy chiếm 31%- Nổ đám mây bụi 33%

Giới thiệu:

- Cháy: quá trình oxi hoá toả nhiệt nhanh kèm ngọn lửa- Nổ: Sóng áp suất hoặc sóng âm thanh có năng lượng thoát ra cao hơn. Hai quá

trình cháy nổ có thể gây ra lẫn nhau.- Hậu quả: Gây ra do bức xạ nhiệt, ngạt thở, hơi độc, nổ, đổ vỡ cấu trúc

o Tổn thương, tổn thất tài sảno Thiệt hại tài sảno Gián đoạn sản xuất

- Yêu cầu có kiến thức để phòng chống:o Tính chất vật liệuo Bản chất của quá trình cháy và nổo Các quy trình giảm nguy cơ

Tam giác lửa: Nhiên liệu-Chất oxi hoá-Nguồn kích lửa

- Nhiên liệu: o Chất khí: Axêtylen, Propan, CO, H2 …o Chất khí: Xăng dầu, dung môi hữu cơ…o Chất rắn: Chất dẻo, vụn gỗ, xơ sợi, bụi kim loại…o Chất lỏng có thể bay hơi và chất rắn bị phân huỷ trước khi bị cháy đã trở

thành pha hơi- Chất oxi hoá:

o Chất khí: oxi, flo, clo…o Chất lỏng: H2O2, HNO3, HClO3…o Chất rắn: Peroxit, NH4, NO2…

- Nguồn kích lửa:o Tia lửa điện, lửa, tĩnh điện…

o Nhiệt…o Cần năng lượng đủ để kích hoạt

Ứng dụng của tam giác lửa:

- Quá trình cháy nổ có thể được ngăn ngừa bằng cách loại bỏ bất kỳ yếu tố nào trong tam giác lửa

- Nguồn kích lửa rất đa dạng nên rất khó kiểm soát một cách tin cậy- Phương pháp thiết thực: kiểm soát hỗn hợp có thể cháy, nổ

Đặc tính cháy của một số chất:

- Hydrocarbon: có thể nhìn thấy lửa và khói- H2S: không nhìn thấy lửa và khói nhưng tốc độ toả nhiệt cao- Methane: hầu hết cháy trong phạm vi của bồn chứa, ngọn lửa bị phun ra bên

ngoài bồn chứa- Bụi: hầu hết cháy bên ngoài buồng chứa

Các định nghĩa về cháy nổ:

- LFL: Lower Flammability Level, dưới giá trị LFL hỗn hợp không thể cháy vì quá loãng

- UFL: Upper Flammability Level, trên giá trị UFL hỗn hợp không thể cháy vì quá đậm đặc

- Hai giá trị này chỉ có ý nghĩa với hỗn hợp chất khí trong không khí, cả hai đều là % thể tích của nhiên liệu trong không khí

- Flash point: điểm chớp cháy, là nhiệt độ mà trên đó chất lỏng sinh ra đủ lượng hơi để hình thành hỗn hợp có thể bắt lửa trong không khí

- Auto Ignition Temperature (AIT): nhiệt độ tự cháy, nhiệt độ mà trên đó năng lượng đủ lớn trong môi trường tạo ra nguồn kích lửa

- Limit Oxygen Concentration (LOC): Nồng độ oxy giới hạn, Nồng độ giới hạn của oxy mà dưới nó không thể cháy với bất kỳ hỗn hợp nhiên liệu. Giá trị này còn có các tên tương đương: Minimum Oxygen Concentration (MOC), Maximum Safe Oxygen Concentration (MSOC)…

Giá trị tiêu biểu các giá trị trên của một số chất:

Mối quan hệ các chất dễ cháy:

Năng lượng kích lửa tối thiểu:

- Là năng lượng tối thiểu để có thể kích lửa một hỗn hợp- Giá trị tiêu biểu: (Thực tế có giá trị thay đổi trong khoảng rộng)

o Với chất khí: 0,25MJo Bụi rắn: 10MJ

- Giá trị này phụ thuộc vào thiết bị thí nghiệm nên không là giá trị tin cậy cho quá trình thiết kế

- Năng lượng của tia lửa điện có thể nhìn thấy được: 20MJ

Phương trình ước lượng nhiệt độ chớp cháy:

- Với các giá trị lần lượt là: a, b, c là hằng số tra bảng, Tb là nhiệt độ sôi của chất (K)- Bảng tra các giá trị a, b, c

Thí nghiệm xác định điểm chớp cháy:

- Thí nghiệm cốc hở Cleveland:

- Thí nghiệm cốc kín Setaflash:

- Thí nghiệm nhiệt độ tự cháy:

Phương trình tính độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của khí lý tưởng:

Với lần lượt là nhiệt độ cuối cùng, nhiệt độ ban đầu, áp suất cuối, áp suất đầu và gama=Cp/Cv

- Thí nghiệm xác định quan hệ Áp suất-Nhiệt độ:

- Thí nghiệm xác định giá trị LFL và UFL: Tiến hành thí nghiệm với các tỷ lệ khác nhau giữa nhiên liệu và không khí, Khi tăng áp suất với độ lớn khác nhau trong các thí nghiệm có thể cho kết quả khác nhau.

Đặc tính của các giá trị chất dễ cháy:

- Khi tăng nhiệt độ:o UFL tăng, LFL giảmo Độ rộng phạm vi cháy được tăngo Công thức áp dụng cho tất cả hydrocarbon:

- Khi tăng áp suất: o UFL tăngo LFL hầu như không bị ảnh hưởngo Công thức tính toán áp dụng:

P tính bằng Megapascal, là áp suất tuyệt đối- Quy luật Le Chatelier:

yi chỉ tính toán trên chất cháy đượcCác giả thiết:

o Nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy không đổio Số mol khí không đổio Động học quá trình cháy các chất nguyên chất không đổio Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt giống nhau cho mọi chất

- Quy luật Le Chatelier cho LFL có thể tính gần đúng:

Các giá trị lần lượt là: nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy, độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt và nhiệt cháyThường giả sử độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt là 1200KBiểu thức tính toán cho giá trị UFL tương tự như trên

- Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt:

Các giới hạn cháy của hỗn hợp:

- Công thức tính toán:

- Từ phương trình trên khi vẽ đồ thị quan hệ giữa giới hạn cháy và nhiệt dung riêng sẽ thu được đường thẳng theo quy luật Le Chatelier

- Quy tắc Le Chatelier áp dụng tốt cho giá trị LFL hơn giá trị UFL

Giá trị giới hạn cháy LFL của một số chất:

Giá trị giới hạn cháy UFL cho một số chất:

Ước lượng các giá trị giới hạn cháy cho hydrocarbon (Jones)

Ước lượng giá trị LOC (Nồng đồ oxy giới hạn): (Chỉ có tính ước lượng, không cho giá trị an toàn)

Nhiệt độ chớp cháy của hỗn hợp:

- Quy luật: Tại nhiệt độ chớp cháy của hỗn hợp áp suất riêng phần của các chất dễ cháy bằng với áp suất hơi bão hoà của chất nguyên chất ở nhiệt độ chớp cháy của nó.

- Khi có thể nên sử dụng nhiệt độ gần với điều kiện thực tế của công nghệ khi tính toán

Giản đồ cháy:

- Ích lợi của giản đồ cháy:o Xác định khả năng cháy của một hỗn hợpo Cần phải có khi kiểm soát và ngăn ngừa hỗn hợp cháy

- Nhược điểm của giản đồ cháy:o Có rất ít giá trị thực nghiệmo Phụ thuộc vào chất cháyo Là một hàm số của nhiệt độ và áp suất

Ứng dụng của giản đồ cháy:

- Mô tả hỗn hợp cháy trên giản đồ:

- Mô tả đường không khí trên giản đồ:

- Mô tả phản ứng cháy trên giản đồ: Ví dụ cho quá trình cháy methane

- Xác định giá trịn LOC trên giản đồ:

Vẽ ước lượng giản đồ cháy:

- Vẽ điểm LFL và UFL trên đường không khí (% nhiên liệu trong không khí)- Vẽ đường phản ứng cháy- Vẽ giao điểm giữa đường LOC và đường phản ứng cháy- Vẽ điểm LFL và UFL trên đường oxy nguyên chất nếu có- Nối các điểm trên để có đường giản đồ cháy gần đúng

Ví dụ ước lượng gần đúng giản đồ cháy của methane:

Giá trị LFL và UFL trong oxy của một số chất

Giá trị LOC của một số chất:

Vùng cháy được:

Vùng cháy được của Ethylene:

Các quy luật của giản đồ cháy:

- Hỗn hợp M từ hai thành phần R và S sẽ nằm trên đường thẳng nối R và S, lượng chất R và S tạo hỗn hợp M sẽ tuân theo quy tắc đòn bẩy-có nghĩa là chất nào càng nhiều trong hỗn hợp thì càng gần với điểm M.

- Khi pha loãng R bằng S điểm M sẽ càng ngày càng chạy về điểm S

- Đường thẳng nối giữa một đỉnh tam giác với một cạnh còn lại sẽ biểu diễn hỗn hợp chỉ có hai chất nằm trên cạnh đó và có hai chất đó có tỷ lệ không đổi

Thống kê một số nguồn kích lửa trong tai nạn thực tế:

Quá trình nổ:

Các định nghĩa:

- Quá trình nổ: Quá trình thoát ra năng lượng đột ngột gây ra sóng âm thanh và sóng áp suất

- Shock, nổ, sóng áp suất: là sóng áp suất gây nguy hiểm cho người và tài sản- Sự bùng nổ: (Deflagration) Vận tốc phản ứng nhỏ hơn vận tốc âm thanh- Sự nổ: (Detonation) Vận tốc phản ứng lớn hơn vận tốc âm thanh- Vận tốc âm thanh trong không khí: 344m/s- Quá trình bùng nổ thường xảy ra với các vật liệu dễ cháy.

Các yếu tố ảnh hưởng quá trình nổ:

- Nhiệt độ môi trường- Áp suất môi trường- Thành phần vật liệu nổ- Tính chất vật lý của vật liệu nổ- Bản chất nguồn kích lửa: loại, năng lượng, thời gian kéo dài- Hình dạng bên ngoài: giới hạn hay không giới hạn- Lượng chất dễ cháy- Mức độ xáo trộn của chất dễ cháy- Thời gian trước khi kích lửa- Tốc độ thất thoát ra ngoài của vật liệu dễ cháy

So sánh đặc tính quá trình nổ bùng và quá trình nổ:

- Phân bố áp suất theo khoảng cách từ điểm kích nổ:

o Quá trình bùng nổ áp suất phân bố hình quả chuôngo Quá trình nổ áp suất phân bố dạng peak (tăng và giảm rất đột ngột)

- Vị trí phá huỷ:

o Quá trình bùng nổ là biến dạng toàn bộ thùng chứao Quá trình nổ là vỡ thùng chứa tại vị trí nổ

Quá trình nổ bị giới hạn:

- Xảy ra trong nhà máy hoặc toà nhà, hầu hết năng lượng nhiệt động chuyển thành sóng áp suất

- Công thức tính

o KG và KSt là chỉ số bùng nổ cho khí (G) và bụi (St)o Chỉ số bùng nổ đo mức độ mạnh của vụ nổ có giá trị phụ thuộc vào điều

kiện thí nghiệm

Quá trình nổ không giới hạn:

- Xảy ra trong không gian mở- Chỉ có 2-10% năng lượng nhiệt động chuyển hoá thành sóng áp suất. Khi tính

toán thiết kế sử dụng giá trị 2%

Một số giá trị chỉ số bùng nổ KG

Một số giá trị chỉ số bùng nổ KSt

Quá trình nổ đám mây hơi:

- Thoát ra đột ngột khí cháy được- Khí cháy được phân và trộn lẫn với không khí- Có nguồn kích lửa tạo ra vụ cháy hoặc nổ- Ngăn ngừa:

o Tồn trữ chỉ lượng nhỏ chất dễ cháy o Thông số công nghệ không quá caoo Có thiết bị phát hiện rò rỉ từ lúc bắt đầu rò rỉo Sử dụng van ngắt tự động

Quá trình nổ hơi do chất lỏng dãn nở khi sôi: (BLEVE: Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion):

- Thoát ra lượng lớn chất lỏng quá nhiệt khi bồn bị vỡ khi cháy- Hậu quả: Nổ và tạo lượng nhiệt lớn

Quá trình nổ cơ học:

- Gãy vỡ bồn chứa khí trơ ở áp suất cao- Năng lượng cơ học tối đa sinh ra khi vỡ:

Với các đại lượng lần lượt là công tối đa sinh ra, áp suất bồn chứa, áp suất khí quyển, nhiệt độ khí quyển (áp suất tuyệt đối)

Quá trình quá áp:

- Các vụ nổ gây ra tiếng nổ hoặc sóng áp suất di chuyển từ tâm vụ nổ với tốc độ âm thanh

- Cách thông thường để xác định áp suất là đo áp suất theo hướng vuông góc với sóng áp suất. Áp suất này được gọi là áp suất bên (Side-on Overpressure).

- Nếu áp suất được đo theo hướng về tâm vụ nổ giá trị áp suất đo được sẽ lớn hơn do quá trình va đập của khí khi di chuyển với bộ phẩn cảm ứng áp suất của áp kế

- Peak của áp suất bên:o Áp suất tăng đột ngột tạo peak và di chuyển ra xa tâm nổo Càng xa tâm nổ áp suất peak càng giảm

Hậu quả của quá trình nổ:

Hậu quả của sóng áp suất do quá trình nổ:

Tính toán áp suất theo khoảng cách so với tâm vụ nổ:

- Áp suất so sánh ps: với lần lượt là áp suất quá áp và áp suất môi trường

- Khoảng cách so sánh z với lần lượt là khoảng cách đến tâm nổ và khối lượng

tương đương thuốc nổ TNT

- Khối lượng thuốc nổ TNT tương đương: với lần lượt là hệ số (nổ giới hạn=1 hoặc =0,02-0,1 khi nổ không giới hạn), m là khối lượng chất nổ, Ec là năng lượng thoát ra hoặc nhiệt cháy, ETNT là 4686kJ/kg

- Giản đồ tính toán:

Phương trình thực nghiệm tương đương với tra giản đồ:

Quy trình xác định áp suất theo phương pháp khối lượng TNT tương đương

- Xác định khối lượng chất cháy hoặc nổ- Ước lượng hệ số hiệu suất nổ- Tra năng lượng cháy hoặc nổ (Appendix B)- Xác định khối lượng TNT tương đương- Xác định khoảng cách so sánh z- Xác định áp suất quá áp theo khoảng cách so sánh- Xác định thiệt hại dựa trên giá trị áp suất quá áp- Nhược điểm của phương pháp này:

o TNT nổ theo kiểu chất nổ, các chất khác nổ kiểu bùng nổo Dùng phương pháp TNT cho nổ đám mây hơi sẽ cho kết quả thấp khi ở

khoảng cách xa và kết quả cao khi gần tâm nổ so với thực tế