Výpočtové overenie výbušnej koncentrácie v prevádzkarni lakovne

Úvod

Pre výpočtové stanovenie dolnej medze výbušnosti (DMV) boli vybrané tri horľavé kvapaliny, ktoré sú v drevospracujúcej prevádzke zastúpené v najvyššom množstve: riedidlo DT 1200/00, tužidlo TH 0790/00 a lak TU 7425/00. Vypočítali sa koncentrácie horľavých pár pre tri modelové situácie vo výrobnej prevádzke (v lakovni, v sklade a pri požiari lakovne). Výsledné hodnoty DMV boli porovnané s hodnotami uvedenými výrobcom v Kartách bezpečnostných údajov (KBÚ) a tým zhodnotený stav bezpečnosti v prevádzke. Vyhodnotením prípadových štúdií bolo potvrdené, že únikom pár horľavých kvapalín dôjde ku koncentrácií nad DMV a bude v prevádzkarni výbušná atmosféra. Z uvedeného dôvodu sú nutné prijať do prevádzky organizačné a technické opatrenia.

Na povrchovú úpravu dreva sa v lakovniach používajú laky, riedidlá a tužidlá, ktoré patria svojimi vlastnosťami medzi horľavé kvapaliny. Napriek snahe sa ich doposiaľ nepodarilo nahradiť nehorľavými látkami. V priemysle nepredstavujú riziko samotné horľavé kvapaliny, ale ich pary, ktoré sa uvoľňujú a môžu vytvoriť výbušnú atmosféru [1].

Horľavú kvapalinu môžeme definovať aj ako kvapalinu, ktorá má priradenú teplotu vznietenia alebo teplotu vzplanutia [2]. Fyzikálno-chemické vlastnosti horľavých kvapalín, ktoré sú udané v Kartách bezpečnostných údajov, slúžia k posúdeniu požiarneho nebezpečenstva. Požiarnotechnické charakteristiky horľavých kvapalín udávajú vlastnosti horľavých kvapalín, ktoré sa využívajú pre ich bezpečnú manipuláciu a stanovenie rizika. Horľavé kvapaliny a ich pary predstavujú nebezpečenstvo ako pre zdravie človeka tak aj pre životné prostredie. Z hľadiska vzniku výbuchu sa považujú za nebezpečné, ak dosiahnu teplotu o 10 °C nižšiu, ako je ich teplota vzplanutia. Horľavé kvapaliny delíme do štyroch tried nebezpečnosti na základe ich teploty vzplanutia. Horľavá kvapalina, ktorej teplota vzplanutia nie je určená, je považovaná za horľavú kvapalinu I. triedy [3, 4].

Zmes paliva a okysličovadla môže spôsobiť samovoľne sa šíriaci plameň, ak je pomer oxidačného prostriedku a paliva v špecifickom rozmedzí. Hranice tohto rozsahu sa nazývajú medze výbušnosti. Dolná medza výbušnosti (DMV) je definovaná ako najnižšia koncentrácia paliva schopná samovoľného šírenia plameňa. Hornou medzou výbušnosti (HMV) sa rozumie najväčšia koncentrácia paliva schopného samovznietenia [5]. Koncentrácia vyššia než je horná medza výbušnosti nepredstavuje nebezpečenstvo výbuchu, keďže v zmesi nie je dostatok oxidačného prostriedku na iniciáciu [6]. Znalosť parametrov horľavosti sa používa pri posudzovaní nebezpečenstva požiaru a výbuchu technologických postupov a technologických zariadení. Medzi tieto parametre patrí hlavne bod vzplanutia – najnižšia teplota, pri ktorej stačí odparovanie na to, aby bola zmes pár a vzduchu nad horľavou kvapalinou zápalná – a medze výbušnosti [7, 8]. Pri stanovení nebezpečenstva výbuchu je nutné zodpovedať základné otázky:

• Môže sa v zariadeniach alebo v jeho okolí vyskytnúť výbušná zmes?
• Aké množstvo výbušnej zmesi môže vznikať pri daných pracovných podmienkach?
• Je množstvo výbušnej zmesi, ktoré sa na základe posudzovania pracovných a miestnych podmienok vytvorí, nebezpečné?

V priemyselnej výrobe sa však vyskytujú zmesi materiálov, buď rovnakého stavu hmoty alebo rôzne, často tiež v rôznych konfiguráciách počas výrobného procesu. Pre tieto zmesi nie sú k dispozícii zodpovedajúce parametre a ich správanie je možné predpovedať iba neadekvátne. Ako je dobre známe, zmes prachu a plynu môže byť zápalná v koncentráciách, ktoré ležia pod DMV samotnej jednotlivej látky [9]. Vytváranie náhodných hybridných zmesí, ktoré môže nastať aj v drevoprevádzke, je stále veľkým problémom a môže spôsobiť značné straty na životoch a majetku a škody na životnom prostredí [10]. Pridanie malého množstva pár horľavých kvapalín do prachovzduchovej alebo plynovzduchovej zmesi podstatne zníži hodnotu dolnej medze výbušnosti [11].

Gieras a kol. skúmali okrem veľkosti, geometrie a tepelnej vodivosti jednotlivých materiálov aj vplyv teploty, tlaku zmesi paliva a oxidačného činidla na zmenu DMV a HMV [12]. Zhao a kol. použili pre výpočet dolnej medze výbušnosti hybridnej zmesi uhlia a metánu Le Chatelierovo pravidlo, ktoré bolo pôvodne navrhnuté pre homogénne zmesi [13]. Wong a kol. vypočítali medze výbušnosti s využitím hodnôt adiabatickej teploty plameňa (Adiabatic Flame Temperatura Calculation – CAFT), ktoré sa používajú na odhad DMV plynných zmesí. Výpočet adiabatickej teploty plameňa predstavuje teplotu, ktorá sa získa spaľovaním, bez tepelných strát [14]. Schröder a Molnarne spracovali prehľad najčastejšie používaných postupov na meranie medzí výbušností plynov a pár. Medzi najčastejšie metódy používané na získanie odporúčaných hodnôt dolnej medze výbušnosti a hornej medze výbušnosti patria: a) metóda USBM; b) norma ASTM 681-98; c) nemecká norma DIN 51 649; d) nemecká norma VDI 2263-1 [15] a podľa ČSN EN 1839 ed. 2: 2017 Stanovenie medzí výbušnosti a medznej koncentrácie kyslíka (LOC) pre horľavé plyny a pary.

Výpočtové stanovenie dolnej medze výbušnosti náterových látok bolo vykonávané pre drevospracujúcu prevádzku, ktorá sa zaoberá výrobou a povrchovou úpravou okien, dverí a schodíšť a disponuje vlastnou lakovňou.

Charakteristika stavby

Nosná konštrukcia a obvodové steny jednopodlažnej stavby sú z tvárnic, z materiálu PORFIX s hrúbkou 375 mm a zateplenie je z expandovaného polystyrénu hrúbky 100 mm. Stropnú konštrukciu tvorí železobetónový panel a strešná krytina je zložená z trapézového plechu. Podhľad je zložený z vápenno cementovej omietky. Podlaha je z cementového poteru. Súčasťou budovy je lakovňa aj sklad horľavých kvapalín s kapacitou uskladnenia maximálne 7 m³ horľavých kvapalín. Lakovňa netvorí samostatný technologický proces, ale je súčasťou drevovýroby ako primárneho technologického procesu, ako je znázornené na Obr. 1. Frekvencia nanášania v lakovni nepresahuje 15 hodín týždenne. Priestory lakovne tvoria samostatný požiarny úsek. V lakovni sa používa ručný spôsob nanášania pomocou striekacej pištole.

Charakteristika vybraných horľavých kvapalín

Pre výpočet rôznych modelových situácii, ktoré môžu v prevádzke nastať, boli vybrané lak TU 7425/00, tužidlo TH 0790/00 a rozpúšťadlo DT 1200. Najčastejšie používaná zmes týchto látok je v pomere: objem laku, 10 % objemu tužidla a 60 % objemu rozpúšťadla sa využíva na povrchovú úpravu nábytku a interiérových dverí. Zmes sa nanáša ručne v maximálne troch vrstvách s hrúbkou nánosu do 150 g/m².

DT 1200/00 je univerzálne riedidlo, ktoré sa používa pre polyuretánové základné laky. Tužidlá sa pridávajú do dvojzložkových farieb a lakov, čím sa urýchľujú ich fyzikálne a chemické procesy. Tužidlo TH 0790/00 je určené pre polyuretánové a epoxidové farby. Lak TU 7425/00 je akrilový dvojzložkový lak, ktorý je možné použiť ako základný alebo vrchný náter. Účelom produktu je vytvoriť rovnomerný náter na rôznych druhoch dreva, ktorý nezožltne.

Stanovenie dolnej medze výbušnosti výpočtovou metódou pre jednotlivé modelové situácie

Pre praktickú aplikáciu teoretických poznatkov sme navrhli niekoľko modelových situácií, ktoré môžu nastať ako najvyššie riziko pri práci s horľavými kvapalinami, ktoré sa používajú pri povrchovej úprave dreva. Atmosférický tlak v prevádzkarňach sa odvíja od klimatických podmienok vonkajšieho prostredia. Vetranie priestorov je nepravidelné a tiež môže ovplyvňovať výsledky výpočtov.

1. modelová situácia

V lakovni zamestnanec prevádzky po ukončení pracovnej doby neuzavrel nádobu s horľavou látkou (A1 – DT 1200/00, B1 – TH 0790/00, C1 – TU 7425/00). Rozmery lakovne: šírka 3,7 m, dĺžka 10,5 m a výška 2,6 m. Horľavé kvapaliny sa skladujú v nádobách v tvare valca s objemom 25 litrov a priemerom 30 cm. Teplota v lakovni je 20 °C. Pracovná doba prevádzky je od 7:00 do 16:00.

2. modelová situácia

V sklade zamestnanec prevádzky po ukončení pracovnej doby neuzavrel nádobu s horľavou látkou (A2 – DT 1200/00, B2 – TH 0790/00, C2 – TU 7425/00), ktorá ostala voľne položená v sklade. Rozmery skladu: šírka 4 m, dĺžka 5 m a výška 2,6 m. Horľavé kvapaliny sa skladujú v nádobách v tvare valca s objemom 25 litrov a priemerom 30 cm. Teplota v sklade je 20 °C. Pracovná doba prevádzky je od 7:00 do 16:00.

3. modelová situácia

V prevádzke lakovne vypukol požiar. Zamestnanci sa evakuovali a v lakovni ostala voľne položená otvorená nádoba s horľavou látkou A3 – DT 1200/00.

Cieľ 1. a 2. modelovej situácie: Empirické stanovenie koncentrácií pár horľavých kvapalín v lakovni a v sklade v čase medzi pracovnými smenami a určenie, či tieto koncentrácie predstavujú nebezpečenstvo výbuchu.

Cieľ 3. modelovej situácie: Určenie, ako sa bude meniť koncentrácia horľavých pár v lakovni počas prvých 5 minút požiaru ak teplota okolia vzrástla na 103 °C.

Pre stanovenie dolnej medze výbušnosti môžeme použiť Le Chatelierove pravidlo (1)

kde je

LEL_i

dolná medza výbušnosti zložky horľavej pary [obj. %]

c_i

množstvo i-tej zložky pary horľavej kvapaliny v zmesi [obj. %]

Pre výpočet množstva odparenej kvapaliny za jednotku času použijeme vzťah (2).

kde je

m

množstvo odparenej kvapaliny [kg]

c_s

koncentrácia nasýtených pár horľavej kvapaliny pri danej teplote [obj. %]

ρ

merná hmotnosť pár kvapaliny [kg∙m⁻³]

S

výparná plocha [m²]

τ

čas vyparovania kvapaliny [h]

D

difúzny koeficient pár horľavej kvapaliny vo vzduchu [m²∙h⁻¹]

Difúzny koeficient určíme zo vzťahu (3).

kde je

M

molárna hmotnosť [g∙mol⁻¹]

Skutočnú koncentráciu pár horľavej kvapalinu určíme zo vzťahu (4).

kde je

c_SKUT

skutočná koncentrácia [obj. %]

V_par

objem pár horľavej kvapaliny [m³]

V_m

objem miestnosti [m³]

Skutočnú koncentráciu horľavých pár určime zo vzťahu (5) na základe objemu pár horľavej kvapaliny.

kde je

c_SKUT

skutočná koncentrácia [obj. %]

V_par

objem pár horľavej kvapaliny [m³]

V_m

objem miestnosti [m³]

M

molárna hmotnosť [g∙mol⁻¹]

ρ

merná hmotnosť pár kvapaliny [kg∙m⁻³]

R

plynová konštanta, R = 8,314 J∙K⁻¹∙mol⁻¹

V_k

objem horľavej kvapaliny [m³]

T

teplota okolia [K]

Výpočet hustoty plynu určíme zo vzťahu (6), ktorý je odvodený zo stavovej rovnice ideálneho plynu.

kde je

M

molárna hmotnosť [g∙mol⁻¹]

p

tlak okolia [Pa]

R

plynová konštanta, R = 8,314 J∙K⁻¹∙mol⁻¹

T

teplota okolia [K]

Výsledky výpočtov

Pre názornosť uvádzame príklady výpočtov riedila DT 1200/00, ktoré boli vykonané podľa vyššie uvedených vzorcov.

Stanovenie dolnej medze výbušnosti pomocou Le Chatelierovho pravidla.

Dolná medza výbušnosti riedidla DT 1200/00 je 1,24 obj. %

V Tab. 1 sú zobrazené stanovenia dolnej medze výbušnosti pomocou Le Chatelierovho pravidla pre riedidlo, tužidlo a lak, ktoré sa vzájomne miešajú a vznikajú náterové látky.

Le Chatelierovým pravidlom sa vykonal výpočet dolnej medze výbušnosti daných horľavých kvapalín a výsledky sú znázornené v Tab. 1, aj s poukázaním na vzniknutú odchýlku s hodnotou v KBÚ. Rozdiely bližšie identifikuje Obr. 2, kde sledujeme, že riedidlo DT 1200/00 a lak TU 7425/00 vykazujú mierne odchýlky vyššie oproti KBÚ, na rozdiel od tužidla TH 079/00, kde výpočet Le Chatelierovým pravidlom je nižší ako údaj dolnej medze výbušnosti v KBÚ.

Uvedené rozdiely mohli vzniknúť tým, že každá jedna z horľavých látok je zložená z troch až ôsmich podielov chemických látok, s rôznym percentuálnym zastúpením. Vo finálnom výrobku náterovej látky, ak sa výrobca odchýli pár percentným rozdielom podielu, vznikne stanovenou metodikou v laboratóriu odlišná DMV a rozdiel vo výpočtovej hodnote.

Výpočet s výsledkami 1. modelovej situácie

V lakovni sa za 15 hodín odparí 3,46 kg horľavej kvapaliny DT 1200/00, čo predstavuje koncentráciu horľavých pár 4,3 obj. %. Koncentrácia horľavých pár sa nachádza v rozmedzí výbušnosti, čiže v lakovni vznikne výbušná atmosféra.

Na základe výpočtov pre vznik výbušnej atmosféry v prevádzkarni lakovne a skladu bolo zistené, že nedbanlivosťou zamestnancov počas ich neprítomnosti dôjde ku vzniku výbušnej atmosféry v štyroch prípadoch zo šiestich (Tab. 2).

Manipuláciou v prevádzkarni s horľavými kvapalinami neustále dochádza k odparovaniu horľavej kvapaliny.

V prevádzkach, kde sa používajú horľavé kvapaliny, je dôležité poznať hustotu ich pár. Na základe porovnania hustoty vzduchu (1,2–1,3 kg∙m⁻³) a hustoty pár horľavej kvapaliny môžeme navrhnúť efektívne vetranie a prívod čerstvého vzduchu.

Výpočet hustoty pár horľavých kvapalín

Výpočtom sa určili pary riedidla DT 1200/00, že sú ľahšie ako vzduch a v miestnosti sa budú hromadiť pri strope.

Pary všetkých troch horľavých kvapalín sú ľahšie ako vzduch (Tab. 3), preto sa v prevádzkarni budú hromadiť pri strope. Pre efektívne odvetranie je vhodné umiestniť odsávanie vzduchu v hornej časti miestnosti a prívod čerstvého vzduchu v dolnej časti prevádzkarne.

V čase 5 min bude koncentrácia horľavých pár v lakovni 0,95 obj. %.

V tretej modelovej situácii (A3) pri požiari lakovne, kde teplota okolia vzrástla na 103 °C, sa prepočítaval čas do 5 minút. Dolná medza výbušnosti riedidla dosiahla za 5 minút požiaru koncentráciu 0,95 obj. % a v KBÚ je výrobcom daná 1 obj. %. Priestor pri požiari je ovplyvnený rôznymi faktormi, preto považujeme hodnotu dolnej medze výbušnosti ako nebezpečenstvo vzniku výbušnej atmosféry (Tab. 4).

Na grafe (Obr. 3) je znázornená modelová situácia požiaru v prevádzkarni, kde sledujeme so zvyšujúcim sa časom nárast pár horľavej kvapaliny, riedidla DT 1200/00. Kde už pri 50 % dosiahnutí hodnoty DMV predpokladáme zvýšené riziko vzniku výbuchu.

Záver

Z hľadiska výsledkov výpočtov možno konštatovať, že čas medzi pracovnými smenami v prevádzke nanášania náterových látok je dostatočný na vytvorenie koncentrácie pár horľavých kvapalín v rozsahu výbušnosti:

• pre horľavé kvapaliny riedidla DT 1200/00 a laku TU 7425/00 hrozí riziko výbuchu, a preto musia byť prijaté opatrenia na zníženie výskytu výbušnej atmosféry v prevádzke.
• hodnoty koncentrácie pár tužidla TH 0790/00 sú vyššie ako horná medza výbušnosti, táto zmes pre nedostatok oxidačného prostriedku sa považuje za nevýbušnú.
• v prípade vzniku požiaru v prevádzke koncentrácia horľavých pár riedidla DT 1200/00 dosiahla polovičnú hodnotu dolnej medze výbušnosti v čase 1,5 min (zvýšene riziko vzniku výbuchu) a v čase 5 min dosiahla koncentrácie pár horľavej kvapaliny 0,95 obj. % (DMV = 1 obj. %). Vznikla výbušná koncentrácia.

Pre zaistenie bezpečnosti prevádzky s nanášaním náterových látok s trvalou prítomnosťou horľavých kvapalín je navrhnuté odsávanie pár horľavých kvapalín a prívod čerstvého vzduchu a konštrukčná ochrana pred výbuchom.

Použitá literatúra

1. ŠENOVSKÝ, M.; BALOG, K.; HANUŠKA, Z.; ŠENOVSKÝ, P. (2007). Nebezpečné látky II. 2. vyd. Ostrava: SPBI Spektrum, 2007. 230 s. ISBN: 978-807385-000-5
2. Vyhláška MV SR č. 96/2004 Z. z., ktorou sa ustanovujú zásady protipožiarnej bezpečnosti pri manipulácii a skladovaní horľavých kvapalín, ťažkých vykurovacích olejov a rastlinných a živočíšnych tukov a olejov.
3. ŠTROCH, P. (2010). Procesy hoření a výbuchu. Žilina: Žilinská univerzita v Žiline, 2010. 157 s. ISBN: 978-80-554-0187-4.
4. BARTLOVÁ, I.; DAMEC, J. (2002). Prevence technologických zařizení. Ostrava: SPBI Spektrum, 2002. 243 s. ISBN: 80-86634-10-8.
5. NASSIMI, A. M.; JAFARI, M.; FARROKHPOUR, H.; KESHAVARZ, H. (2017). Constants of explosive limits. Chemical Engineering Science 173:384–389. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.08.011
6. PEKALSKI, A.; SCHILDBERG, P.; SMALLEGANGE, D.; LEMIKOWITZ, M.; ZEVENBERG, F.; BRAITHWAITE, M. (2005). Determination of the explosion behaviour of methane and propene in air or oxygen at standard and elevated conditions. Process Safety Environmental Protection 83(5):421–429. https://doi.org/10.1205/psep.04211
7. KESHAVARZ, M. H.; JAFARI, M.; KAMALVAND, M.; KARAMI, A.; KESHAVARZ, Z.; ZAMANI, A.; RAJAEE, S. (2016). A simple and reliable method for prediction of flash point of alcohols based on their elemental composition and structural parameters. Process Safety Environmental Protection 102:1–8. https://doi.org/10.1016/j.psep.2016.01.018
8. BEYLER, C. (2016). Flammability Limits of Premixed and Diffusion Flames. In: Hurley M. J. et al. (eds) SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2565-0_17
9. GLASSMAN, I.; YETTER, R. A. (2008). Combustion. Fourth Edition. Elsevier Inc. 794 p. ISBN: 978-0-12-088573-2.
10. AMYOTTE, R.; ECKHOFF, K. (2010). Dust explosion causation, prevetion and mitigation: an overview. Journal of Chemical Health and Safety 17(1):15–28. https://doi.org/10.1016/j.jchas.2009.05.002
11. DASTIDAR, A. G.; NALDA-REYES, R.; DAHN, J. (2005). Evaluation of dust and hybrid mixture explosion potential in precess plants. Process Safety Progress 24(4):294–298. https://doi.org/10.1002/prs.10097
12. GIERAS, M.; KLEMENS, R.; KUHL, A.; OLESZCZAK, P.; TRZCINSKI, W.; WOLANSKI, P. (2008). Influence of the chamber volume on the upper explosion limit for hexane-air mixtures. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 21:423–436. https://doi.org/10.1016/J.JLP.2008.02.006
13. ZHAO, F.; ROGERS, J. W.; MANNAN, S. M. (2009). Experimental measurement and numerical analysis of binary hydrocarbon mixture flammability limits. Process Safety and Enviromental Protection 87(2):94-104.
    https://doi.org/10.1016/j.psep.2008.06.003
14. VIDAL, M.; WONG, W.; ROGERS, W. J.; MANNAN M. S. (2006). Evaluation of lower flammability limits of fuel-air-diluent mixtures using calculated adiabatic flame temperatures. Journal of Hazardous Materials 130(1-2):21–27.
    https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.07.080
15. SCHRÖDER, V.; MOLNARNE, M. (2005). Flammability of gas mixtures: Part 1: Fire potential. Journal of Hazardous Materials 121(1-3):37–44. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.01.032