ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА

16.6. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА

Производство сжиженного кислорода является важным направлением в перерабатывающей промышленности. В настоящее время в США его производится порядка 13 млн. т в год, из которых 70% идет на нужды сталелитейной промышленности, а еще 10% - на другие металлоплавильные производства. В 1982 г. по объему производства сжиженный кислород занимал четвертое место после серной кислоты, азота и аммиака [Malpas.1984]. Основное количество сжиженного кислорода производится на тех же предприятиях, где он и потребляется. Некоторые сталелитейные производства потребляют до 1000 т сжиженного кислорода в день. С установок по сжижению жидкий кислород может транспортироваться по трубопроводам. Одна из английских установок, где получают сжиженный кислород, имеет разветвленную сеть трубопроводов с общей длиной 20 км. Кроме этого, жидкий кислород транспортируется по железной дороге или в автоцистернах специальной конструкции. Также существует большое число хранилищ сжиженного кислорода на предприятиях. В работе [Booth.1973] указывается, что в хранилищах ежедневно теряется в результате испарения 0,1 - 0,2%. Кроме того, используется огромное количество баллонов с сжиженным кислородом.

16.6.2. ТОКСИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ КИСЛОРОДА

Хотя в больших концентрациях кислород можно рассматривать как токсичное вещество, эта проблема лежит за пределами темы данной книги. Это объясняется тем, что токсичность кислорода проявляется при коротких экспозициях при давлениях 0,3 МПа и выше или при длительных воздействиях при пониженных давлениях.

16.6.3. ПОВЫШЕННАЯ СПОСОБНОСТЬ К ГОРЕНИЮ

Основная проблема, связанная с избытком кислорода, - это повышенная способность к горению. Она привлекла широкое внимание после трагической гибели трех американских астронавтов 27 января 1967 г. в спускаемом аппарате после посадки.

При повышенной концентрации кислорода в атмосфере возможны следующие эффекты:

1. Снижается порог первоначальной энергии вспышки, от которой может начаться горение: в такой атмосфере пожар может начаться от искры, возникшей при трении синтетической одежды о тело человека. Почти затушенный окурок при внесении в такую атмосферу начинает усиленно гореть.

2. Увеличивается скорость горения. Согласно работе [Brown, 1978], скорость горения увеличивается прямо пропорционально концентрации кислорода, т. е. при давлении кислорода 0,1 МПа скорость горения будет примерно в 5 раз выше, чем при нормальном давлении кислорода, равном примерно 21 кПа. В такой атмосфере сильно повышается скорость горения одежды: примерно 20 с требуется, чтобы на человеке сгорела вся спецодежда, что, очевидно, приводит к ожогу практически всей поверхности тела человека. Также очень быстро обгорает волосяной покров человеческого тела. Еще больше ускоряется горение, если давление кислорода выше атмосферного, а также при повышенной температуре. Такие условия возникают в ограниченных пространствах.

3. Материалы, считающиеся при обычных условиях малогорючими, сильно горят при избытке кислорода. Хорошо известно, что масла не должны контактировать с системами, содержащими избыток кислорода или сжиженный кислород, однако существует также ряд других веществ (некоторые из них отмечены в работе [ВСС,1970]), с которыми можно безопасно работать в обычной атмосфере, но которые представляют серьезную опасность при избытке кислорода. Браун [Brown.1978] указывает, что под эту категорию подпадают специально обработанные пожаробезопасные текстильные материалы.

4. При избытке кислорода в газосварочных установках возможно прожигание сопла горелки вследствие высокой скорости горения. Отметим, что избыток кислорода не приводит к увеличению температуры пламени, поскольку оказывает на пламя, также охлаждающее действие.

5. При избытке кислорода затрудняется тушение пламени.

Эффективным способом тушения одежды на человеке в такой ситуации может быть лишь распыление воды по всей поверхности тела, причем тушение следует начать как можно скорее. Задержка более 20 с может привести к летальному исходу [Brown,1978].

Определенные вещества, используемые для пожаротушения, при избытке кислорода в процессе тушения могут образовывать токсичные вещества, которые будут находиться в паровой фазе. Автор знает случаи, когда была предпринята попытка погасить кислородный пожар с помощью тетрахлорида углерода. В результате рабочий, проводивший эту операцию, был отправлен в больницу с отравлением. Опубликовано руководство [H&SE,1985a] по пожарам и взрывам при неправильном обращении с кислородом.

16.6.4. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА

Смешение облаков, содержащих избыток кислорода, с воздухом, который также содержит кислород, сохраняет избыток кислорода в атмосфере. Например, при смешении 50% кислорода и 50% воздуха образуется смесь, содержащая в своем составе более 50% кислорода. Концентрацию кислорода в таком случае можно вычислить по формуле

где Ос - доля кислорода в конечной смеси; R - отношение воздух: кислород.

Если максимальную безопасную концентрацию принять равной 24%, тогда R будет равным 25. Для сравнения приведем значения R, необходимые для того, чтобы разбавить метан, водород, ацетилен и пропилен до концентраций в конечной смеси ниже их нижних пределов воспламенения.* Они равны 20; 25; ≈ 40 и ≈ 40 соответственно. На основании этих данных видно, что кислород сравним с горючими газами по объемам воздуха, требующимся для разбавления избытка этих газов до безопасных концентраций.

16.6.5. СУЩЕСТВУЮТ ЛИ УСЛОВИЯ, В КОТОРЫХ КИСЛОРОД ОПАСЕН НА ОТКРЫТОМ ВОЗДУХЕ?

По-видимому, в истории промышленности не было аварий с серьезными последствиями при образовании разлитии жидкого кислорода или при утечках газообразного кислорода из трубопроводов. С учетом всего вышесказанного, однако, нельзя исключить возможность летальных исходов при таких авариях. Отметим, что по правилам CIMAH, вводимых сейчас в качестве обязательных в английской промышленности, жидкий кислород в количествах более 2000 т представляет серьезную опасность.

16.6.6. ОБРАЗОВАНИЕ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА ПРИ РАЗЛИТИИ ЖИДКОГО АЗОТА ИЛИ ЖИДКОГО ВОЗДУХА

Точки кипения жидкого кислорода и жидкого азота равны -183 и -196°С соответственно. Вследствие этого при контакте воздуха с жидким азотом на поверхности контакта происходит массоперенос: кислород воздуха конденсируется и сжижается, а азот- испаряется. Таким образом, может образоваться большое количество сжиженного кислорода. Аналогичные эффекты возникают при контакте кислорода воздуха с разлитием жидкого воздуха, поскольку точки кипения жидкого воздуха и жидкого азота близки.

Многие органические материалы, если их пропитать жидким кислородом, становятся сильными взрывчатыми веществами. В свое время широко применялся способ приготовления ВВ путем пропитки древесного угля жидким кислородом. Однако такие вещества были весьма нестабильными и самопроизвольно взрывались. Но до сих пор такие ВВ из-за их дешевизны продолжают использовать в некоторых странах мира [Fordham,1980].

Вполне очевидно, что при образовании жидкого кислорода в описанных ситуациях на предприятиях химической и нефтехимической промышленности могут происходить взрывы (см. ниже).

___________________________________________________________

*В этом случае R - это отношение числа долей воздуха к числу долей перечисленных выше газов. - Прим. перев.
16.6.7. ОПИСАНИЕ ДВУХ АВАРИЙ

Серьезная авария, связанная с избытком кислорода в атмосфере, произошла на судостроительном заводе 23 сентября 1976г. в Уолсенде (Великобритания), где шла постройка ракетоносца "HMS Glasgow". Сразу после начала утренней смены разразился очень сильный пожар, который унес жизни восьми человек. Последующее официальное расследование показало, что во время ночной смены началась утечка кислорода из линий подачи кислорода и к моменту начала аварии в атмосфере трюма строящегося корабля создалась высокая концентрация кислорода [H&SE,1977].

В 1979 г. на английской фабрике по производству хрустящего картофеля произошел взрыв, в результате которого один человек пострадал, а двое погибли. Случай описан в работе [H&SE,1981]. Однако точных данных в этой работе не приводится. Взрыв произошел после того, как поджаренная свинина была пропитана жидким азотом с целью придания ей твердости для последующего измельчения. Измельченная свинина в дальнейшем смешивалась с картофелем. Взрыв произошел в момент механической обработки замороженной свинины. Расследование показало, что на поверхности мясной массы образовался жидкий кислород.