چگونه شعله گیر انتخاب کنیم؟

flame arrester-installation-on-storage vessels

هر تجهیزی که مواد قابل اشتعال دارد، ممکن است دچار آتش‌سوزی شود؛ زیرا در این تجهیزات یکی از شرایط اصلی احتراق که همان سوخت باشد، وجود دارد و اگر دو ضلع دیگر مثلث آتش یعنی اکسیژن و گرما نیز فراهم شود، با شکل‌گیری شعله مواجه می‌شویم. ایجاد شعله در تجهیزات دارای مواد قابل اشتعال ممکن است تا مرز آتش‌سوزی و انفجار نیز پیش برود. درنتیجه، باید از گسترش و پیشروی شعله تا منبع سوخت جلوگیری کرد. شعله گیر یا فلیم ارستر (Flame Arrester) که با نام شعله بند (Flame Arrestor) نیز شناخته می‌شود، چگونه شعله گیر انتخاب کنیم وظیفه متوقف کردن شعله را برعهده دارد. انتخاب درست شعله گیر و نصب اصولی آن می‌تواند تجهیزات را در برابر شعله‌ور شدن و انفجار محافظت کند.

در مقاله «کاربرد شعله‌ گیر در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی» به معرفی اجزا و عملکرد شعله‌گیر پرداختیم و اکنون قصد داریم عوامل موثر در انتخاب نوع و نحوه نصب آن را بررسی کنیم.

برای شناخت بهتر انواع شعله‌گیر باید با «نمودار اشتعال پذیری» و «نوع سوخت» آشنا شویم. بنابراین ابتدا به دنیای شیمی مواد نگاهی می‌اندازیم و این مفاهیم را توضیح می‌دهیم و سپس تاثیر آن‌ها بر نحوه عملکرد انواع شعله گیر را بررسی می‌کنیم. فهم «نوع سوخت» و «اشتعال پذیری» باعث می‌شود تا بتوانیم احتمال اشتعال سیال را برآورد کنیم و مانع بروز آن شویم.

نمودار اشتعال‌پذیری چیست؟

معمولاً مقداری از سیالات هیدروکربنی بر اثر گرما در مخازن ذخیره یا فرآیندی تبخیر می‌شود و به‌شکل مخلوط گاز یا بخار در قسمت بالایی مخازن قرار می‌گیرد. این مخلوط‌های گاز و بخارات (سوخت) قابل اشتعال هستند و زمانی که غلظت آن به میزان مشخصی برسد -در صورت بروز احتراق- مشتعل می‌شوند. محدوده مجاز غلظت سوخت که باعث اشتعال می‌شود، مرز اشتعال (Flammability limits) یا مرز انفجار (Explosive Limits) نام دارد. در نتیجه، برای پیشگیری از خطر انفجار لازم است رفتار سیالات قابل اشتعال مثل سیالات هیدروکربنی در برابر اشتعال‌پذیری مورد بررسی قرار گیرد. نمودار اشتعال‌پذیری، اطلاعات کافی درباره قدرت اشتعال این سیالات در شرایط مختلف را به ما می‌دهد.

flammability chart
نمودار اشتعال پذیری

دو نقطه مهم در این نمودار UEL و LEL است که نشان‌گر حد بالای انفجار (UEL) و حد پایین انفجار(LEL) است.

حد بالای انفجار چیست؟

حد بالای انفجار (Upper Explosive Limit) بیانگر بیشترین مقدار هیدروکربنی (ماده قابل اشتعال) است که با مخلوط هوا واکنش نشان می‌دهد و آتش می‌گیرد. به بیان ساده‌تر، «حد بالای انفجار» بیشترین درصد غلظت یک گاز یا بخار است که با قرار گرفتن در نزدیکی جرقه یا گرما منفجر می‌شود. بنابراین اگر غلظت سیال بیشتر از غلظت نقطه UEL باشد، حتی با وجود جرقه و گرما نیز امکان اشتعال یا انفجار گاز وجود ندارد.

 حد پایین انفجار چیست؟

حد پایین انفجار (Lower Explosive Limit) بیانگر کمترین مقدار هیدروکربنی است که با مخلوط هوا واکنش نشان می‌دهد و آتش می‌گیرد. به بیان دیگر، «حد پایین انفجار» کمترین درصد غلظت یک گاز یا بخار است که با قرارگرفتن در نزدیکی جرقه یا گرما منفجر می‌شود. بنابراین اگر غلظت سیال کمتر از غلظت در نقطه LEL باشد، حتی با وجود جرقه و گرما نیز امکان اشتعال گاز وجود ندارد.

دما، فشار و غلظت عامل اکسیدکننده (اکسیژن) سه عاملی هستند که تاثیر زیادی بر مرز اشتعال‌پذیری دارند. برای مثال زمانی که دما، فشار و غلظت اکسیژن افزایش یابد، شاهد کاهش LEL و افزایش UEL هستیم.

 غلظت سوخت چیست؟

در علم شیمی غلظت کمیتی است که میزان اختلاط یکم ماده (حل‌ شونده)، در ماده دیگری (حلال) تعیین می‌کند.

برای میزان غلظت سوخت دو اصطلاح وجود دارد که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم:

مخلوط غنی

به مخلوطی غنی یا Rich گفته می‌شود که حجم ماده سوختنی (هیدروکربنی) در آن بیشتر از هوا باشد. در این حالت، به دلیل نبود اکسیژن کافی حریق اتفاق نمی‌افتد. بنابراین وقتی سوخت با غلظتی بیشتر از حد اشتعال خود در مخازن ذخیره شود، احتمال به‌وجود آمدن حریق کم است.

مخلوط ضعیف

مخلوط ضعیف (Lean) نقطه مقابل مخلوط غنی است. اگر غلظت ماده سوختنی کمتر از میزان موردنیاز برای احتراق باشد، مخلوط ضعیف یا Lean محسوب می‌شود.

اگر میزان سوخت خیلی کمتر از میزان مورد نیاز برای حریق باشد، حریقی رخ نخواهد داد.  

برای کاهش ریسک انفجار باید میزان هوا و اکسیژن درون مخزن -هنگام عملیات بارگیری و یا خروج سیال از مخرن- کنترل شود. برای کنترل میزان اکسیژن درون مخزن و جلوگیری از شرایط احتراق، گازهای بی‌اثر مثل نیتروژن به سیالات هیدروکربنی درون مخزن تزریق می‌شود. به همین دلیل نیز از سیستم محافظت نیتروژنی (N2 Blanketing System) استفاده می‌شود. این تجهیز ایمنی با تزریق نیتروژن، باعث رقیق شدن ترکیب سیال و اکسیژن درون مخازن می‌شود و از تشکیل بخارات قابل اشتعال و انفجار در مخازن جلوگیری می‌کند.

داشتن اطلاعات کافی درباره قدرت اشتعا‌ل‌پذیری سیالات شرط لازم برای جلوگیری از وقوع انفجار و آتش‌سوزی است اما کافی نیست و باید درباره انواع انفجار نیز بدانیم؛ دانستن این اطلاعات باعث می‌شود تا  تصمیم‌گیری برای انتخاب تجهیزات ایمنی مناسب با شرایط عملیاتی خاص هر پروژه آسان‌تر شود.

انواع انفجار

وضعیتی را تجسم کنید که نوع سوخت مشخص شده و می‌دانیم سیال سیستم قابل اشتعال است و باتوجه به نمودار اشتعال‌پذیری می‌دانیم در چه زمانی احتمال شعله‌ور شدن وجود دارد. باوجود آگاهی به تمام این موارد، سیال شعله‌ور شده است. حالا برای جلوگیری از انفجار بزرگ‌تر و آسیب‌های بعدی باید چه کرد؟ این‌جاست که اهمیت شناخت انواع انفجار آشکار می‌شود. انفجارها از نظر سرعت پیشروی و شدت آسیبی که به تجهیزات وارد می‌کنند  به دو نوع تقسیم می‌شوند.

DEFLAGRATION

DEFLAGRATION نوعی از انفجار است که سرعت حرکت شعله کمتر از سرعت صوت است و پس از جرقه اولیه، ابر گاز مشتعل می‌شود. این شعله از زمان شکل‌گیری تا زمانی که به سمت منبع سوخت پیشروی کند، با سرعتی کمتر از سرعت صوت در حرکت است؛ به همین دلیل در انفجار deflagrationگرما با سرعت کم و به آرامی از لایه‌های گرم به لایه‌های سرد ابرگاز منتقل می‌شود. این انتقال لایه‌به‌لایه و آرام باعث می‌شود تا کنترل و مهار شعله ایجاد شده راحت‌تر انجام شود.

DETONATION

در انفجارهای Detonation سرعت حرکت شعله بیشتر از سرعت صوت است. در این نوع از انفجار، گرما و انتشار انرژی در ابرگاز(بخار) طی فرآیند انفجار و از طریق جبهه موج شوک اتفاق می‌افتد. فاصله زمانی بین شکل‌گیری شعله و پیشروی آن به سمت منبع سوخت بسیار کوتاه است. باتوجه به سرعت بالای انفجار detonation، شعله در مدت زمانی بسیار کوتاه‌تر از حالت deflagration به بیشترین میزان فشار خود می‌رسد.

در نمودار زیر تفاوت این دو نوع انفجار به تصویر کشیده شده است:

difference-between-deflagration-and detonation
تفاوت انفجار DETONATION و DEFLAGRATION

شناخت نوع انفجار چه تاثیری بر انتخاب نوع شعله گیر دارد؟

شناخت نوع انفجار و پیش‌بینی وقوع آن در طول فرآیندهای شیمیایی واحدهای نفت و گاز یکی از عوامل موثر در انتخاب نوع و نحوه نصب شعله‌گیر است. فاصله محل نصب شعله‌گیر از منبع انفجار و یا انتخاب ابعاد منافذ المنت شعله‌گیر از جمله مواردی است که با دانستن نوع انفجار تعیین می‌شود.

در نصب شعله گیر دانستن نوع انفجار از این جهت اهمیت دارد که درحالت انفجار Deflagration محدودیت نصب وجود دارد. در ادامه این مساله را کمی فنی‌تر و از نظر ریاضیات و محاسبات بررسی می‌کنیم.

نصب شعله گیر SEWON

برای نصب شعله‌ گیر از نوع deflagration flame arrester باید فاصله محل نصب شعله گیر تا منبع انفجار را محاسبه کرد. برای محاسبه این فاصله از فرمول زیر استفاده می‌شود:

installation-of-flame arrester
نصب شعله گیر

عوامل موثر در تعیین فاصله نصب شعله گیر

عامل دیگری که در تعیین این فاصله نقش مهمی دارد، گروه‌ گازی است. 

گروه های گازی

گازها براساس قدرت انفجار و میزان خطر آفرینی به سه گروه تقسیم می‌شوند:

گروه گازی II

شامل IIA (گاز متان)، IIB (اتیلن، پروپان و بوتان)، IIC(استیلن و H2S)

گروه گازی III

شاملIIIA (فیبرها یا رشته‌های قابل اشتعال)، IIIB (ذرات یا غبارهای غیررسانا مثل گوگرد، آرد گندم، آرد چوب، ذرات دارو و…)، IIIC (ذرات یا غبارهای رسانا مانند بخارات فلزات)

گازهای خاص

برای مثال هیدروژن IIB+H2

محاسبه فاصله محل نصب شعله گیرو محل انفجار

براساس استانداردISO 16852   ENو باتوجه به نوع گاز این فاصله برای دو مدل از انفجار به صورت زیر تعریف می‌شود:

برای ترکیبات هیدروکربن و هوا در انفجارهای Deflagration، فاصله از محل نصب شعله گیر تا محل انفجار کمتر از ۵۰ متر است و همچنین این میزان از فاصله برای گروه گازی IIA و IIB3 قابل اجرا است.

برای ترکیبات هیدروژن و هوا که در دسته گروه گازی(IIC) قرار می‌گیرند، فاصله باید کمتر از ۳۰ متر باشد. به همین دلیل در این نوع از انفجار برای نصب شعله گیر محدودیت وجود دارد.

برای جلوگیری از برگشت شعله داخل خطوط لوله می‌توان فاصله محل نصب را براساس نوع انفجار از طریق فرمول زیر به‌دست آورد.

این فرمول رابطه بین طول لوله و قطر داخلی لوله و تاثیر این دو فاکتور بر تعیین فاصله محل نصب را نشان می‌دهد. در انفجار Deflagration فاصله منبع انفجار تا محل نصب نباید از نسبت طول لوله به قطر داخلی بیشتر باشد.

یعنی:

Deflagration: Max  ≤ 50

این فرمول را می‌توان به‌شکل دیگری نیز بیان کرد:

L < 50 * D = (Deflagration) Subsonic

در انفجار Detonation محدودیتی از نظر طول این فاصله وجود ندارد. در حقیقت detonation flame arrester  برای تجهیزاتی نصب می‌شود که منبع احتراق در آن‌ها مشخص نیست.

از نظر ریاضی می‌توان آن را به‌شکل زیر بیان کرد:

L > 50 * D = (Detonation) Supersonic

در جدول زیر اطلاعات لازم درباره گروه‌های انفجار، حداکثر فاصله  تجربی ایمن (Maximum Experimental Safe Gap)، گروه‌بندی براساس استاندارد NEC و گازهای تست شده آورده شده است.


Maximum-Experimental-Safe-Gap
گروه‌های انفجار

با دانشی که درباره مفاهیم سوخت و احتراق و عوامل تعیین‌کننده آن‌ها به‌دست‌آوردیم، زمان آن رسیده است که

انواع شعله‌گیر را معرفی کنیم.

انواع flame arrestor

 فلیم ارستر براساس محل نصب به دو شکل Inline و End of line در بازار موجود است. نوع شعله گیر، محدودیتی در نصب آن به شکل افقی و یا عمودی ایجاد نمی‌کند و هر دو مدل را می‌توان باتوجه به موقعیت محل نصب به دو صورت افقی و یا عمودی نصب کرد.

End of line flame arrester

در مخازن ذخیره اتمسفریک، مخازن فرآیندی و کانتینرهای حمل و نقل سوخت از فلیم ارستر End of line برای محافظت از این مخازن در برابر آتش‌سوزی استفاده می‌شود.

شعله گیر End of line معمولاً به‌طور مستقیم بر روی نازل خروجی مخزن و یا در انتهای هواکش مخزن نصب می‌شود. چنانچه بخارات خارج شده از مخرن در اثر رعد و برق مشتعل شوند، شعله بند از گسترش و انتقال شعله به درون مخزن جلوگیری می‌کند.

Inline flame arrester

شعله گیر Inline یا درون خطی در خطوط انتقال لوله(پایپینگ) نصب می‌شود و از تجهیزات پایین‌دستی در برابر اشتعال و آتش‌سوزی محافظت می‌کند.

flame arrester-installation-on-storage vessels
نصب فلیم ارستر روی مخازن ذخیره

شرکتSEWON  قابلیت طراحی و ساخت انواع فلیم ارستر باکیفیت و متناسب با نیاز هر پروژه را دارد.

همانطور که گفته شد، مهم‌ترین نکته در انتخاب نوع شعله گیر بررسی فاصله محل نصب تجهیز با منبع انفجار است. با این وجود، برای تصمیم‌گیری نهایی در انتخاب نوع  شعله گیر لازم است تا جداول فنی و جزئیات بیشتری از شرایط عملیاتی به شرکت سازنده ارائه شود. کارشناسان دامون در تلاش‌اند تا راهنمای شما در انتخاب بهترین تجهیز باشند.