爆炸及相關名詞
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爆炸及相關名詞. Explosion: 因壓力驟增而導致容器或建築物斷裂,碎裂 Detonation 爆轟 : 燃燒區的擴散速度大於音速者 Deflagration 爆燃 : 燃燒區闊算速度小於音速者,由可燃液體,可燃氣體,或粉塵引起 Implosion: 因為真空,引起的往內爆炸的效果  氣體快速膨脹,產生震波 shock wave; 震波衝擊在物體上之壓力為過壓 overpressure. 侷限爆炸 confined explosion. 指發生在容器或建築物內部的爆炸

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爆炸及相關名詞

  • Explosion: 因壓力驟增而導致容器或建築物斷裂,碎裂

  • Detonation爆轟: 燃燒區的擴散速度大於音速者

  • Deflagration爆燃: 燃燒區闊算速度小於音速者,由可燃液體,可燃氣體,或粉塵引起

  • Implosion: 因為真空,引起的往內爆炸的效果

     氣體快速膨脹,產生震波shock wave; 震波衝擊在物體上之壓力為過壓overpressure


Confined explosion
侷限爆炸confined explosion

  • 指發生在容器或建築物內部的爆炸

  • 結論之一為: (dP/dt)max V 1/3 = Kg for gases

  • (dP/dt)max V 1/3 = Kst for dusts

    也就是三次方定律(cubic law),最大升壓速率與體積的1/3次方有關

  • Kg: bar.m/sec = 55 for 甲烷; 75 for丙烷

  • Kst = 27-98 for PVC粉; 58-130 for 奶粉; 108-174 for樹脂粉等等



20公升鋼球爆炸特性測試儀


塵爆

  • 許多粉塵實際上都是可燃物,只要懸浮於空氣中,濃度適當,當然可能引起燃燒與爆炸

  • 例如農產品(e.g. 穀類),食品,塑膠粉末,藥品,金屬粉,煤炭粉,木材粉等等

  • 可能的機制: 粉體  蒸發或昇華  氣相分子  (點火源) 均相燃燒; 此時當然也可能引起非均相燃燒 (at solid surface)

  • 重要變數: 粒徑,化學組成,濃度,點燃源,濕度,擾流turbulence,溫度與壓力,惰性氣體,其他可燃氣體 (具加成作用)



粉塵爆炸的等級

  • 一般而言,影響粉塵爆炸的因素包括:

    * 必須小於某一粒徑

    * 濃度必須到達某一範圍; 大部分下限在20-60 g/m3; 上限在2 – 6 kg/m3

    * 粒徑必須均勻

    * 必有擾動現象 (懸浮於空氣中 esp. in a confined space)

  • 粉塵爆炸經常引起第二次爆炸,因為第一次爆炸會始得粉塵飛揚。

  • 依Kst大小分級: St-0: Kst = 0; St-1: Kst = 1 – 200; St-2: Kst = 200-300; St-3: Kst = >300



Some facts about dust explosion
Some facts about dust explosion

  • According to statistics from US: 1980 – 2005: total of 281 deadly dust explosions;(119 death & 718 injury)

  • Dust explosion often triggers other explosions

  • Engineering safeguards: rapid detection, suppression and mitigation systems

  • Some examples of engineering control: “explosion relief venting”;

  • dust collector – most likely place of dust explosion – cyclone, electrostatic precipitator, filter baghouse, etc); others: silo, mixer, hopper, grinder, etc.


Source: CEP, 2008, March

Examples of engineering controls


Vapor cloud explosion
蒸汽雲爆炸Vapor Cloud Explosion

  • VCE: 化學工廠最危險,破壞力最強的一種災害類型

  • 大致步驟: 瞬間釋放大量可燃蒸汽(e.g. 容器破裂)  四處擴散,並與空氣混合  被點燃引起爆炸

  • BLEVE: boiling liquid expanding vapor explosion 沸騰氣爆

  • 大致步驟: 裝有可燃液體的容器附近起火  容器壁被加熱  容器內壓力升高  加以容器材料因熱喪失結構強度  可燃物外洩,並成為蒸汽  擴散並與空氣混合  被點燃,爆炸 (worst case: liquid flammable and toxic)


槽車是一種容易引起BLEVE的狀況; 一些對策包括: 儲槽地面要有一些傾斜,萬一洩漏時可以讓可燃物流走; 容器要絕熱; 可用水淋濕儲槽; 設置釋壓裝置等

取自工業安全科技,No 8, 1993;


過壓所致爆風破壞

  • 通常以最大過壓來估算,通常只要很小的過壓就會造成破壞,或對人的傷害。

  • 另一個傷害的原因: 噴射的碎片 (可以影響很遠的地方)

  • 數字範例: 過壓18.5 Kpa 造成5%人員耳鼓破裂; 43.2 kPa 時造成50% 耳鼓破裂; 114 kPa時造成5%肺出血致死; 144 kPa時造成50%人員肺出血致死

  • 過壓換算成TNT當量: Ze = r/mTNT1/3 [Ze: scaling factor, 與過壓關係如圖; r 距離; mTNT當量]


14.4 過壓所致爆風破壞(Clancey, 1972)

過壓(psi)

破壞程度

0.03

已遭扭曲的大玻璃窗破壞

0.04

嚴重噪音(143 dB)

0.15

玻璃窗破壞

0.3

無嚴重破壞之機率為95%

0.5 ~ 1

幾乎粉碎所有大小窗戶

0.7

房屋結構輕微受損

1

房屋部份損壞,不堪居住

1.3

高樓大廈之鋼構有些變形

2 ~ 3

非RC結構牆或磚牆破壞

2.3

結構嚴重破壞的低限

3

高樓大廈之鋼構扭曲並拔離基座

3 ~ 4

儲油槽破裂

5

木造電桿突然折斷

5 ~ 7

房舍幾乎全毀

7

載貨火車翻覆

9

滿載槽車全毀

10

高樓大廈幾乎全毀

300

如火山口之破壞力


機械爆炸能量

  • 高壓容器爆炸所產生的威力,視為理想氣體的絕熱膨脹所做的功:

  • We = [P1 V1/(-1)] [1 – (P2/P1) (-1)/]

  •  = Cp/Cv ; 1 and 2 分別代表啟始狀態及最終狀態

  • 化學爆炸能量: 需要由反應的反應物及產物間的自由能差別估算之。


預防火災爆炸的設計原理

  • 避免可燃物在其燃燒或爆炸範圍內: 例如以惰性氣體稀釋(inerting); 通風良好(ventilation);

  • 避免氧化劑濃度過高: 例如purging把空氣趕走

  • 避免點火源: 例如消除靜電; 使用防爆(explosion-proof)設備與儀器

  • 萬一已經發生災害,則

     壓制suppression: 如立即滅火系統

     釋放venting

     隔離 containment


Inerting
鈍化Inerting

  • 也就是讓氧的濃度降到MOC以下,使用氮封算是最普通且便宜的作法。

  • 初期容器內的氧含量降低的方法 (也就是將要注入可燃物時的預備動作),使之低於MOC:

    (a) 抽真空

    (b) 加高壓 –會用掉較多的氮氣

    (c) 吹驅purging –效果未必十分理想

    (d) 虹吸


防爆設備與儀器

  • 法規要求在特殊可燃環境下,必須使用防爆電氣。因為電氣開關時,也可能成為點火源。

  • 製程區可以分為防爆區與非防爆區。防爆區的定義 –可燃物蒸汽可能會存在的區域。非防爆區 –即使異常狀態,也不可能有可燃物蒸汽存在的區域。

  • 防爆電氣: 有防爆盒設計,具有防止火焰延燒到盒外的能力。或者防止可燃蒸汽進入的機制。


防爆區域分類

  • 分區是為了方便管理:

    * zone 0 –充滿爆炸氣體,隨時處於危險狀態

    * zone 1 –正常操作下已具危險性,維修時容易形成危險場所

    * zone 2 –爆炸性氣體被控制,但若結構破壞,氣體外洩,則仍然會程為危險性場所

  • 防爆電氣構造: 耐壓防爆,安全增防爆,內壓防爆(內部充氣者),油入防爆,充填防爆,模注耐壓防爆(用聚酯模包住),特殊防爆,本質安全防爆(極低能量電氣,低於讓氫氣爆炸的MIE)。

    資料取自: 工業安全科技No.24, 1997.


通風排氣

  • 美國 OSHA的一些相關規定:

  • 倉儲內部換氣: (1) 每小時換氣六次; (2) 條件 – (a) 控制開關與燈具必須在儲藏區外面; (b) 排氣與燈具的開關必須以同一按鈕操作; (c) 若有第一類可燃物,則電源開關旁應設置母燈;

  • 製程區換氣: (1) 每平方呎樓板面積需1 ft3/min; (2) 條件 – (a)補充之空氣不可與排氣系統短路; (b) 對於會洩漏第一類可燃液體到空氣之設備,排氣必須足以控制該設備5 ft範圍內易燃物的濃度

  • * 第一類可燃物 –閃火點低於37.8oC者


14.9 化學工廠之噴水防火設計

(1)有屋頂遮蔽的系統,如小型倉庫、實驗室、控制室、小型實驗工廠等。 (a)3000 ft2以下樓板面積,處理一般碳氫化合物例如己烷、乙醇、甲苯,每ft2需 0.25 gpm。

(b)3000 ft2以下樓板面積,處理反應性碳氫化合物例如苯乙烯、丁二烯、環氧乙烷,每ft2需 0.35 gpm。(c) 3000 ft2以上樓板面積時,以系統中水力上最遠之3000ft2為設計基準面積。(2)屋頂開放的系統,如製程區、大型實驗工廠等。 (a)處理一般碳氫化合物例如己烷、乙醇、甲苯,每ft2需 0.25 gpm。 (b)處理反應性碳氫化合物例如苯乙烯、丁二烯、環氧乙烷,每ft2需 0.35 gpm。 (c)設計基準面積主要考量為有特殊危害或潛在大量洩漏會波及數個桶槽之地區之面積。

(3)大水量之水噴系統,如儲槽、熱交換器。此與“屋頂開放的系統”相似。

(a)與“屋頂開放的系統”相同,但設計基準面積主要考量為儲槽的外表面積。

(b)在儲槽周邊的噴嘴最大間隔為 8 ft。

(c)噴嘴與儲槽之最大距離為 2 ft。

(4) ½吋噴嘴之額定容量為

流量(gpm) : 18 25 34 50 58

噴壓(psi) : 10 20 35 75 100

(5)噴嘴的間隔主要依據噴嘴廠商的規格而定。

(6)由噴嘴規格決定管徑、噴嘴配置以及正規的水壓計算。

(7)標準滅火砲台之規格(一般為固定式) (a)噴水速度為 500 ~ 2000 gpm。 (b)涵蓋區域半徑為 150 ft。

(8)滅火栓與砲台在製程區周圍美隔 150 ~ 250 ft 設置一個。 滅火砲台一般設在距離被保護設備50 ft 遠處。


14.10 其他防火防爆設計(Davenport, 1977)

其他防火防爆設計

(1)防止燃料洩漏之維護保養計畫。(2)容器、管線、結構之防火保護。(3)控制室之防爆設計。(4)提供足夠的水以滿足最大需求量。(5)大量噴水之關斷控制閥應遠離製程區。(6)設置消防栓、滅火砲台、大量噴水系統等手動防火設備。(7)廠區之間的隔離,廠內各單元間的隔離。(8)蒸氣、水、電、空壓等公用設備緊急時仍可啟動。(9)辦公室遠離危害物之製程區與儲存區。(10)排狀組合各單元。區隔各組,若一組正熱作時,另一組得正常作業。(11)設置隔離閥於各單元或各組之一角,以便安全停車。(12)製程設備應遠離燃燒塔或鐵軌。(13)氣體壓縮機應置下風處,並遠離燃燒加熱設備。(14)可燃物儲槽應遠離製程單元並圍以堰堤,以便包容或移轉洩漏液體。(15)設置緊急自動關斷閥以便阻斷或控制流動。最好具備導引危害物至其他區域的能力。(16)設置適當的線上分析儀,以監視製程狀態。能於事件發生初期察覺問題所在,以便採取必要措施,縮小問題的效應。(17)所有控制必須保證“即使故障也很安全”之設計。設置緊急時可安全自動停車之保護措施。


釋壓概論

  • 一旦壓力上升過快,爆炸之前所可以採取的工程手段之一,也就是通過緊急釋壓口,將壓力洩放。

  • 別忘記也要設計釋放出來物質的處理系統!! (因為釋放到大氣未必符合環保與安全的要求)

  • 由於釋壓閥的作用需要一些時間,系統壓力會超過設定壓力值若干(此為overpressure),釋放後,壓力下降低於設定值若干後,閥門會關閉,此一差值為blowdown。

  • 工程程序: (a) 決定釋壓設備位置 (b) 選擇釋壓設備種類 (c) 建立釋壓劇本 (d) 收集系統資料  [單相釋壓之定徑; 或兩相釋壓之定徑] (e) 選擇最壞狀況的劇本worst case scenario (f)設計釋壓系統


釋壓術語

  • 設定壓力: 釋壓設備開始動作的壓力,以錶壓力表示

  • 最大容許工作壓力: maximum allowable working pressure MAWP, 又稱之為設計壓力

  • 操作壓力: 一般約等於90% MAWP

  • 累積壓力: 釋壓過程超過MAWP的部份,以%MAWP表示

  • 過壓: 最大壓力與設計壓力間的差,% Ps

  • 背壓backpressure: Pb, 釋壓設備下游管路的壓力

  • 吹下壓力blow-down: 釋壓設定壓力與釋壓閥關閉壓力之差,%Ps表示

  • 最大容許累積壓力: 約等於120% MAWP

  • 釋壓系統: 包括管線,釋壓設備,釋壓設備的下游管線及處理設備


眾多的壓力相對數值

  • 以MAWP為準:

    * 120% -最大容許累積壓力; 也是火災預防的最大釋放壓力

    * 116% -多重安全閥的最大容許累積壓力,也是多重閥的釋放壓力

    * 110% -單一閥的釋放壓力,或火災危害時的最大容許設定壓力

    * 105% -候補閥的最大容許設定壓力

    * 98% - 閥開始打開的時候

    * 92.5% - 閥關回去的壓力(與100%間的差距即為blowdown)

    * 90% -最大正常操作壓力,標準測漏壓力


決定釋壓設備位置

  • 算是十分專業的問題,需要仔細考慮系統的特色,判斷出最可能使壓力增高的位置,然後設置釋壓設備。

  • 需要釋壓設備的地方: (a) 反應器,儲槽,塔槽,桶槽等; (b) 壓縮機,渦輪機,正置換幫浦出口處; (c) 會受熱或冷凍且含有冷液之封鎖區; (d) 儲槽需設有釋壓設備或真空釋壓設備; (e) 容器的蒸汽夾套,需設有釋壓設備


*幫浦P1; 反應器R1; 熱交換器E1; 容器D1都需要安全閥

取自Crowl & Louvar


釋壓設備種類

  • 會因為釋放對象(氣體,液體等)不同而異; 後處理系統不同而異

  • 依結構分: (a) 傳統的彈簧閥(為避免誤觸,所以多加鉛封); (b) 平衡彈簧閥(balanced bellows); (c) 破裂盤rupture disc; 後者(較便宜,隔離性較佳)經常與前面兩種釋壓裝置併聯或串聯使用。當串聯使用時,可以在二者間裝壓力計,以便偵測何時破裂盤已經破了。

  • 彈簧閥依流過的流體,分為: (a) 釋液閥 relief valve; (b) 安全閥 safety valve –針對氣體或蒸汽; (c) 安全釋液閥 safety relief valve –適用於液體及氣體都可能存在的系統


取自Crowl & Louvar


Sizing
Sizing 釋壓定徑計算

  • 依據最壞的劇本 (洩漏量最大,洩漏速度最快),以及物質的特性 (相 – gas, liquid or gas/liquid mixture,溫度,壓力,組成,比熱,密度等),計算釋放口的尺寸。本工作極為重要,因為不恰當的設計,可能無法有效應付真實的狀況,以致於發生爆炸意外。

  • 程序: (a) 決定釋放的速度; (b) 依據流體力學計算所需要的面積 (影響之因素包括: 流動型態,過壓規格,所用之釋壓設備等)

  • 使用彈簧閥時,通常需要最大流量的25-30%間以維持開啟狀態,否則流量太小,容易一開一關,反而危險。


範例一: 傳統彈簧閥釋放液體

  • A = [in2 psi 1/2/30.8 gpm] Qv/(Co Kv Kp Kb) {(/ref /(1.25Ps – Pb)} ½

  • Qv: 釋放速度 (gpm); Co discharge coefficient; Ps, Pb = 設定壓力與背壓; Kv = 黏度校正因子; Kp = 過壓校正因子 (如圖); Kb = 背壓校正因子

  • 原則上這些校正因子與Re有關,需要查參考資料,取得數據。


範例二: 液體釋放用破裂盤

  • Qm = A Co {2  gc Pg} ½

  • Pg = 上游液體錶壓力; Co discharge coefficient;

  • 對於背壓較大的情況,例如釋放物質排到洗滌塔,燃燒塔時,破裂盤可以被當作系統中一個等值於50 dia.之管件計算 (會影響摩擦係數,流速,管徑)


其他範例

  • 例如還包括:

    * 製程流體熱膨脹之釋放

    * 對抗製程容器外之火焰之釋放

    * 塵爆或氣爆之燃爆釋放

    * 失控反應釋壓之兩相流

    * 氣體釋放用破裂盤

     各有專門的計算公式可以引用


後續的處理設備

  • 氣液分離器knockout drums: 目的是去除兩相中的液滴部份,利用液滴的速度,設計分離器尺寸 (or blowdown drum)

  • 冷凝器: 適用於高沸點的蒸汽,屬於簡單的處理設備

  • 淋洗塔scrubber:有毒氣體,需要被吸收轉化為無毒物質,然後才可以排放

  • 燃燒塔flare: 通常在氣液分離器之後,目的在於燒掉可燃物或有害物,要有一定高度,避免輻射熱的效應

  • 全收留系統total containment system: 表示不會釋放任何物質到大氣中 (must be expensive)


取自Crowl & Louvar


Suppression systems
Suppression Systems

  • 內容取自CEP, 92(3), 22-31, 1996

  • 應付爆炸的另一種方法,就是將抑制劑加到反應系統內,此法比較貴,非常需要定期維護。

  • 抑制系統包括: 偵測器,抑制器suppressor (也就是會釋放出抑制劑的東西), 以及控制器。

  • 可以選用的抑制劑: 水或CFC類液體,固體類如sodium bicarbonate; magnesium phosphate  利用高壓氮氣送入反應器

  • 應用對象: 例如集塵器,噴霧乾燥器,粉碎機等



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