Časopis 112 ROČNÍK XVII ČÍSLO 3/2018
V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA máme rozbor požáru objektu třídírny odpadů v okrese Kladno. V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM se dozvíte, že ve ŠVZ HZS ČR – středisko Brno se začátkem letošního roku uskutečnil kurz Obsluha motorových pil. Dále o tom, jak správně reagovat při dopravních nehodách. Přečtete si o spolupráci psychologické služby HZS ČR se zahraničními subjekty, ale také o spolupráci HZS Pardubického kraje s neziskovými organizacemi při mimořádných událostech. Rubrika OCHRANY OBYVATELSTVA A KRIZOVÉHO ŘÍZENÍ přináší první část řízení procesů při zajišťování nouzových dodávek pitné vody. Dočtete se o aktuálních mimořádných událostech řešené na úrovni Evropské unie. Informuje vás o 17. ročníku konference Ochrana obyvatelstva. V informacích vás seznámíme se seriálem soutěží v roce 2018. 17. května tohoto roku opět odstartuje první kolo Velké ceny ČR v požárním útoku, jako již tradiční součást série ročníků sportovních soutěží. Přílohou časopisu je Statistická ročenka 2017.
- OBSAH č. 3/2018 ROČNÍKU XVII
- Evropský den tísňové linky 112
- Ternární trojúhelníkové diagramy výbušnosti hořlavých látek
- Požár objektu třídírny odpadů
- Nový výcvikový prostor
- První pomoc u dopravních nehod
- Spolupráce psychologické služby HZS ČR se zahraničními subjekty
- Spolupráce s nestátními neziskovými organizacemi
- Kontejner nouzového přežití využívají ve Zlínském kraji hasiči i krizové štáby obcí
- Řízení procesů při zajišťování nouzových dodávek pitné vody I.
- Aktuální mimořádné události řešené na úrovni Evropské unie
- Aktivity předchozího a současného předsednictví v Radě EU v oblasti civilní ochrany
- Ohlédnutí za dvacetiletou činností Výboru pro civilní nouzové plánování a jeho práce v roce 2017
- Nové trendy systémů varování a vyrozumění obyvatelstva
- Bezpečí pro festivaly a jiné akce s velkým počtem osob
- Oslava 20. výročí založení ZSMV
- Odolnost a připravenost společnosti
- Seriál soutěží v roce 2018
- Hasiči zpestřili den dětem ve Fakultní nemocnici Plzeň
Hořlavé látky a materiály každoročně způsobují požáry a výbuchy v důsledku nesprávného zacházení s nimi. K pochopení nebezpečí a přijetí potřebných preventivních opatření mohou významně pomoci ternární trojúhelníkové výbuchové diagramy.
Předpokladem požární bezpečnosti a zabezpečení proti výbuchu je znalost požárně technických charakteristik (PTCH) a bezpečnostních parametrů mj. hořlavých plynů a par hořlavých kapalin včetně jejich koncentračních mezí výbušnosti (dolní mez výbušnosti - DMV a horní mez výbušnosti - HMV), maximálního výbuchového tlaku (Pmax), brizance (dp/dt)max, bodu vzplanutí (BV), mezní koncentrace kyslíku (MKK), teploty vznícení (TVZN), minimální zápalné energie (MZE), mimoprovozní koncentrace kyslíku (MKHL), provozní koncentrace kyslíku (PKK) atd.[12].
Příspěvek stručně specifikuje pro hořlavé plyny a páry hořlavých kapalin:
- tvorbu a značení výbuchových trojúhelníků,
- možný postup při odstavování aparátů s hořlavými látkami mimo provoz a naopak při jejich uvádění do provozu v souladu s příslušnými výbuchovými trojúhelníky,
- způsoby odhadů tzv. mimoprovozní koncentrace hořlavé látky a tzv. provozní koncentrace kyslíku.
1. Tvorba a značení ternárních výbuchových trojúhelníků
Struktura výbuchového trojúhelníku a vynášení koncentrací směsi hořlavé látky (HL), inertního plynu a oxidantu je stručně připomenuta na obr. 1. Koncentrace složek jsou na souřadných osách vynášeny po 10 % obj. jako:
- modré úsečky rovnoběžné s dolní stranou trojúhelníku a s koncentracemi HL na jeho pravém rameni (zdola na horu ve směru modré šipky),
- oranžové úsečky rovnoběžné s pravým ramenem trojúhelníku a s koncentracemi oxidantu na jeho levém rameni (ve směru oranžové šipky shora dolů),
- fialové úsečky rovnoběžné s levým ramenem trojúhelníku a s koncentracemi inertu, vyznačenými na jeho dolní základně (zleva ve směru fialové šipky doprava),
- v každém bodu diagramu je součet příslušných koncentrací složek roven 100 %.
Bod A je příkladem složení směsi s obsahem 50 % obj. HL a 50 % obj. oxidantu (OX), bod B je příkladem složení směsi s obsahem 50 % obj. HL a 50 % obj. inertního plynu (IP), bod C je příkladem složení směsi s obsahem 20 % obj. HL a 80 % obj. IP, bod E je příkladem složení směsi s obsahem 60 % obj. HL, 20 % obj. OX a 20 % obj. IP.
Obr. 1 Trojúhelníkový diagram výbušnosti - příklady vynášení koncentrací složek
Diagram na obr. 2 autor vytvořil jako konkrétní příklad výbušného trojúhelníku z následujících dat platných za pokojové teploty a barometrického tlaku: metanu ve směsi s kyslíkem a DMV = 5,1 % obj., HMV = 61 % obj, DMV metanu se vzduchem jako průsečík vzduchové čary s výbušnou oblastí = 5,3 % obj, a HMV metanu se vzduchem jako průsečík vzduchové čáry s výbušnou oblastí= 15 % obj. [1].
Jak je z diagramu patrno:
- vrcholy trojúhelníku představuji: 100 % obj. HL, 100 % obj. kyslíku a 100 % dusíku,
- vzduchová čára/přímka spojuje vrchol trojúhelníku (100 % obj. CH4) s bodem na dusíkové ose o souřadnicích 79 % obj. N2 a 21 % obj. O2.(čistý vzduch). Protíná výbušnou oblast v bodech s koncentracemi DMV (metanu se vzduchem) a HMV (metanu se vzduchem),
- přímka spojující stechiometrickou koncentraci O2 (SKK) v tomto případě ve směsi s metanem) na kyslíkové souřadné ose a bod 100 % obj. N2 je tzv. stechiometrická přímka - znázorňuje všechny možné stechiometrické koncentrace směsí HL a kyslíku dokonalého hoření,
- vrchol výbušné zóny označený jako MKK (limitní/mezní koncentrace kyslíku) znázorňuje maximální možnou koncentraci kyslíku ve směsi s HL (metanu) a inertního plynu (dusíku), při které nedojde k výbuchu za předepsaných zkušebních podmínek. Stanovuje se zkušebně podle ČSN EN 14756 [10], podle které se označuje jako LOC (Limiting oxygen concentration). Pokud není k dispozici, lze odhadnout nejprve polohu vrcholového bodu výbušné oblasti v diagramu (bod B) jako průsečík stechiometrické přímky a rovnoběžky vedené z DMV (HL s kyslíkem) podél dolní strany trojúhelníku (dusíkové souř. osy). Následně vést z tohoto bodu rovnoběžku s pravým ramenem trojúhelníku a MKK odečíst na levém rameni trojúhelníku (kyslíkové souř. ose).
Použití milimetrového papíru k nakreslení výbuchového trojúhelníku vytlačily speciální počítačové programy (SW), např. Triangle SW [5]. Autor doporučuje vyzkoušet program Todd Thompson Software „TriPlot“ [3], verzi 4. 1. 2 - 2,53 MB. Umožňuje: - neomezený počet bodů (tabulka obsahuje 100 000), - podpora metafile (WMF) a Enhanced (EMF) pro import do jiných aplikací, - zkopírovat meta soubory pomocí schránky Windows, - normalizaci dat do 100 % měřítka, - ovládání vlastností diagramu: písma, výplně, osy atd.
Obr. 2 Trojúhelníkový ternární diagram výbušnosti CH4 s N2 a O2
Obr. 3 Příklad závislosti koncentrací DMV a HMV metanu ve směsi se vzduchem a dusíkem na teplotě při tlaku 1 barObr. 4 Příklad závislosti HMV a DMV (%obj) metanu na druhu inertního plynu a jeho koncentraci ve směsi se vzduchem při 25 °C Ca atm. tlaku 1 atm. [2]
Tvar a velikost výbušné oblasti v diagramu se mění s řadou faktorů, zejména počáteční teplotou, počátečním tlakem, druhem HL, druhem inertu a např. možnými znečišťujícími příměsmi. Pro názornost je jejich vliv např. na DMV, HMV, MKK a MKI patrný z tab. 1, viz též obr. 3 a 4. Horní a dolní větve oblasti výbušnosti nebyly konstruovány podle naměřených hodnot, ale odhadem se znalostí jejich průběhu.
Z hodnot MKI a MKK v tab. 1 je patrný vliv inertního plynu na velikost výbušné oblasti: čím je velikost MKK (nebo mezní koncentrace vzduchu) nižší a MKI vyšší pro stejnou HL, oxidant, teplotu a tlak, tím je výbušná oblast vyšší/větší a flegmatizační účinek inertu nižší v porovnání s jinými inerty a naopak, viz též obr. 4. V případě, že je v diagramu jako oxidant vzduch, mezní koncentrace vzduchu ve vrcholovém bodu výbušné oblasti se přepočte na mezní koncentraci kyslíku podle rovnice
MKK = 0,209. MKV (1)
když MKK a MKV jsou v % obj. nebo molových.
Graf na obr. 3 sestrojil autor v Excelu s daty z [2].
Z tab. 1 a obr. 3 je patrno, že s rostoucí teplotou, za jinak stejných podmínek (tlaku, složení), DMV klesají a HMV rostou. Z obr. 4 je patrný vliv inertu (flegmatizátoru/hasiva) na velikost výbušné oblasti (polohu vrcholového bodu).
Tab. 1 Příklady vlivu počáteční teploty, tlaku a inertního plynu na koncentrační meze výbušnosti metanu se vzduchem [2]
T |
P |
Inert |
DMV |
HMV |
MKK |
MKI |
---|---|---|---|---|---|---|
20 |
1 |
N2 N2 |
4,6 |
16,8 |
9,9 |
50,4 |
100 |
1 |
4,0 |
17,3 |
9,8 |
50,7 |
|
200 |
1 |
3,3 |
18,8 |
8,4 |
58,4 |
|
300 |
1 |
2,5 |
20,5 |
7,3 |
64 |
|
400 |
1 |
1,4 |
23,0 |
5,8 |
71,7 |
|
20 |
10 |
5,0 |
21,8 |
12,5 |
35,9 |
|
20 |
100 |
4,3 |
46,6 |
11,1 |
40,6 |
|
20 |
1 |
CO2 |
4,3 |
16,3 |
13,6 |
30,5 |
100 |
1 |
4,0 |
17,3 |
13 |
33,5 |
|
200 |
1 |
3,3 |
18,8 |
12,3 |
37,7 |
|
300 |
1 |
2,5 |
20,5 |
11,7 |
40,8 |
|
400 |
1 |
1,4 |
23,0 |
10,7 |
46 |
|
20 |
1 |
He |
4,3 |
16,3 |
11,2 |
43,5 |
100 |
1 |
4,0 |
17,3 |
10,5 |
47,1 |
|
200 |
1 |
3,3 |
18,8 |
10,1 |
49,1 |
|
300 |
1 |
2,5 |
20,5 |
8,9 |
55,4 |
|
400 |
1 |
1,4 |
23,0 |
7,9 |
60,6 |
|
20 |
1 |
Ar |
4,3 |
16,3 |
8,5 |
57,6 |
100 |
1 |
4,0 |
17,3 |
7,5 |
62,6 |
|
200 |
1 |
3,3 |
18,8 |
6,8 |
66,3 |
|
300 |
1 |
2,5 |
20,5 |
5,4 |
73,6 |
|
400 |
1 |
1,4 |
23,0 |
4 |
80,7 |
|
100 |
1 |
H2O |
4,0 |
17,3 |
12,4 |
36,6 |
200 |
1 |
3,3 |
18,8 |
11,6 |
40,6 |
|
300 |
1 |
2,5 |
20,5 |
11,2 |
42,7 |
|
400 |
1 |
1,4 |
23,0 |
9,8 |
50,2 |
Vysvětlivka: MKI označuje mezní koncentraci inertního plynu ve vrcholovém bodu výbušné oblasti.
2. Možný postup při odstavování aparátů s hořlavými látkami mimo provoz a naopak při jejich uvádění do provozu v souladu s příslušnými výbuchovými trojúhelníky
Reálné riziko požáru nebo výbuchu vzniká při odstavování aparátů/zařízení s náplní hořlavých plynů nebo kapalin v rámci servisu (oprav, výměny atp.), nebo naopak při jejich uvádění do provozu. Z výbuchového trojúhelníku sestrojeného autorem, viz obr. 5, je patrné toto nebezpečí a dále možnosti, jak se tomuto nebezpečí – vzniku výbušné směsi při níže uvedených operacích – vyhnout.
Při odstavování aparatury mimo provoz
Když se z aparatury vypustí plyn/kapalina, a tím se odtlakuje na barometrický tlak, obsahuje uvnitř 100 % hořlavé látky (plynu nebo par): podle obr. 5 jde o etylen. Pokud by se do aparatury začal přivádět vzduch, měnilo by se složení plynné směsi podle vzduchové čáry z horního vrcholu trojúhelníku a od bodu HMV do bodu DMV by v aparatuře byla výbušná směs. Dalším přívodem vzduchu by již směs hořlavá nebyla a v bodě A by aparatura již obsahovala čistý vzduch. Aby se při této operaci zabránilo vzniku výbušné směsi, je nutné se vyhnout výbušné zóně takto: namísto vzduchu se do aparatury začne přivádět dusík, dokud koncentrace etylenu ve směsi s dusíkem nedosáhne minimálně bodu C. Následně lze již přivádět do aparatury vzduch, neboť koncentrace směsi se začne měnit po úsečce z bodu C do bodu A, mimo výbušnou oblast, kdy se již vytěsní veškerý etylen (obecně hořlavá látka) a v aparatuře je již jenom čistý vzduch. Koncentrace C se nazývá Mimoprovozní koncentrace hořlavé látky. V kap. 3 je uveden vzorec pro její výpočetní odhad.
Při najíždění/uvádění aparatury do provozu
Při najíždění aparatury po jejím servisu opět do provozu je nutné vycházet z faktu, že obsahuje čistý vzduch (bod A trojúhelníka). Přívodem dusíku se koncentrace směsi pohybuje z tohoto bodu po dusíkové ose trojúhelníku doprava. Již po dosažení bodu D lze do aparatury přivádět etylen (HL). Koncentrace vznikající směsi se mění podél červené přímky až do vrcholu trojúhelníku, kde již bude aparatura naplněna čistým etylenem. Vedeme li rovnoběžku podél etylenové osy jako tečnu vrcholem výbušné oblasti, tak průsečík s kyslíkovou osou trojúhelníku udává tzv. provozní koncentraci kyslíku. Ta se označuje též jako „maximální bezpečná koncentrace“. V kap. 3 je uveden vzorec pro její výpočetní odhad.
Obr. 5 Výbuchový trojúhelmník etylenu ve směsi s kyslíkem a dusíkem při 25 °C a at,osférickém tlaku 1 atm s vyznačením MKHL a PKK
3. Způsoby odhadů mimoprovozní koncentrace hořlavé látky a provozní koncentrace kyslíku
Pro řadu látek nejsou k dispozici detailně naměřené body na horní a dolní větvi výbušné oblasti výbuchového trojúhelníku. V tomto případě lze aplikovat grafický způsob odhadu:
Z horního vrcholu trojúhelníku (100 % obj. C2H4) se vede přímka na dusíkovou souřadnou osu s koncentrací 79 % N2 (bod A). Z bodu A se vede přímka průsečíkem stechiometrické přímky a přímky rovnoběžně vedené z bodu DMV podél dusíkové osy trojúhelníku směrem na etylenovou osu trojúhelníku. Zde vzniklý průsečík, bod C, má hledanou koncentrací MKHL v % obj. nebo % mol. V našem případě lze odečíst hodnotu 5,7 % obj.
Graficky lze obdobně zjistit koncentraci PKK. Z vrcholu trojúhelníku podle obr. 5 vedeme tečnu na špičku poloostrova výbuchové oblasti. Kyslíkovou souřadnici s koncentrací PKK = 10 % obj. lze odečíst jako průsečík přímky vedené z bodu B, rovnoběžně s ethylenovou souřadnou osou, a to s kyslíkovou souřadnou osou trojúhelníku.
Výpočetní odhady:
MKHL = 21 × (DMV/(21 - MKK)) (2)
kde DMV je dolní mez výbušnosti (% obj),
MKK je mezní koncentrace kyslíku (% obj.)
MKHL je odhadovaná mimoprovozní koncentrace hořlavé látky (%)
Dosadíme-li do rovnice (2) za DMV podle rovnice (3)
MKK = cSK × DMV (3)
kde cSK je stechiometrický koeficient kyslíku,
lze výpočet MKHL odhadovat podle rovnice (4)
MKK (4)
MKHL = cSK x (21 - MKK)
21
Dosadíme -i z obr. 5 MKK = 10,0 % obj., DMV = 2,9 % obj. a csk = 3 vyjde z rovnice (2)
MKHL = 5,5 % obj. a z rovn. (4) MKHL = 6,36 % obj.
PKK lze ohadnout z rovnice (5)
PKK = 100 × MKK/(100 – DMV) (5)
kde MKK mezní koncentrace kyslíku (% obj.),
DMV dolní mez výbušnosti (% obj.),
PKK je provozní koncentrace kyslíku (% obj.).
Dosadíme-li do rovnice (5) za DMV z rovnice (3), můžeme PKK výpočetně odhadovat z rovn. (6).
PKK = 100 × MKK/(100 – MKK/cSK) (6)
Tab. 2 Porovnání hodnot MKHL a PKK stanovených grafickým odhadem a výpočtem na vybraných olefínech
HL |
MKK (%) obj. |
MKHL (%) obj. |
PKK (%) obj. |
|||
---|---|---|---|---|---|---|
Graf |
Výpočet |
Graf |
výpočet |
Graf |
Výpočet |
|
Etylen |
10,0 |
8,7 |
5,5 |
5,0 |
10,0 |
9 |
Propylen |
9,2 |
9,5 |
4,9 |
3,8 |
9,2 |
9,6 |
Hexen |
9 |
10,8 |
2,3 |
2,5 |
9 |
10,9 |
Tetradecen |
8 |
8,4 |
1,5 |
0,7 |
11 |
9 |
Opět lze dosadit hodnoty odečtené z obr. 5 s výsledkem PKK = 10,5 % obj. (podle rovnice 5 a podle rovnice 6) PKK = 10,55 % obj.
Výše uvedené rovnice a grafické odhady byly testovány též na 1-propylenu, 1-hexenu s 1-tetradecenu s výsledky v následující tab. 2, konkrétně pro:
- MKK (podle rovnice 3), MKHL (podle rovnice 2), když za MKK byla dosazena vypočtená hodnota podle rovnice 2, PKK (podle rovnice 5) a opět za MKK byla dosazena vypočtená hodnota z rovnice 3. Všechny výpočty jsou uvedeny se zaokrouhlením na desetinu.
Závěr
Výbuchové trojúhelníky jsou velmi dobrým nástrojem pro inženýrsko-technické pracovníky k hodnocení nebezpečí požáru a výbuchu při výrobních operacích, odstavování aparatur s hořlavými plyny a kapalinami pro potřebu servisu a při jejich opětovném najíždění do provozu a v neposlední řadě pro posuzování vhodného inertu jako flegmatizátoru/hasiva.
Protože experimentálně naměřené hodnoty DMV, HMV jsou zatížené nejistotou stejně jako odečítání hodnot ze sestrojeného výbuchového trojúhelníku, jsou výsledky MKHL a PKK zatíženy chybou, jejíž celková kombinovaná nejistota je dána součtem kombinované nejistoty experimentálních výsledků a nejistot zakreslení/odečtu dat z grafu [11], [13]. Přesnost odečtů lze zvýšit graficky zvětšením velikosti trojúhelníku a analyticky vložením výbuchového trojúhelníku do kartézských souřadnic (x, y), odvozovat rovnice přímek, které procházejí zájmovými body a hledat dotčené průsečíky řešením dvou rovnic o dvou neznámých. S tím je potřebné počítat při řízení dotčených pracovních postupů.
Použitá literatura
[1] ZABETAKIS, M.G. Flammability characteristics of Combustible Gases and Vapors. Bulletin 627, Washington: Bureau of Mines, 1965.
[2] MOLNÁRNÉ, M. + kol. Sicherheitstechnische Konngrößen, Band 2: Explosionsbereiche von Gasgemischen. Bremerhaven: Wintschaftswerlag NW, 2003.
[3] http://mypage.iu.edu/~tthomps/programs/html/tnttriplot.htm.
[4] Kuchta, J. M. Investigation of Fire and Explosion Accident in Chemical, Mining and Fuels - Related Industries – A Manual. Bulletin 680: Bureau of Mines, 1985.
[5] http://www.dechema.de/en/chemsafe.html
[6] NFPA 30 F Flammable and Combustible Liquids Code
[7] DVOŘÁK O. The Determination and Calculation of the Lower and Upper Flammability Limits of Neratens. Second Int. Seminar on Fire and Explos. Hazard of Substances and Venting of Deflagrations, Moscow: 1997, p. 11–15.
[8] ČSN EN 1839:2005 Stanovení mezí výbušnosti plynů a par.
[9] ČSN EN 15794:2010 Stanovení bodů výbušnosti hořlavých kapalin.
[10] ČSN EN 14756:2007 Stanovení mezní koncentrace kyslíku.
[11] EAL – G23 (1996) The Expression of Uncertainty in Quantitative Testing.
[12] ČSN EN 13237:2013 Prostředí s nebezpečím výbuchu – Termíny a definice pro zařízení a ochranné systémy určené pro prostředí s nebezpečím výbuchu.
[13] GUM, Guide to the expression of uncertainty in measurement; EC/IFCC/ISO/IUPAC/OIML; ISBN 92-67-10188-9.
Ing. Otto DVOŘÁK, Ph.D., UCEEB – ČVUT Praha
Ing. Otto DVOŘÁK, Ph.D., UCEEB – ČVUT Praha