爆発放散口の爆発放散面積 算出方法

爆発放散面積の算出方法

集じん機の爆発放散口による爆発放散

規格に沿って設計された爆発放散口を設置した、集じん機の爆発放散の様子です。爆発発生時には、放散口が瞬時に開口し、機器が破壊することなく、放散口より爆発放散されています。

爆発放散口(エクスプロージョン・ベント)のガイドラインとしては、海外では欧州標準化委員会の下でまとめられているEN14491(粉じん爆発)・EN14994(ガス爆発)、粉じん爆発とガス爆発の両方を扱う全米 防火協会のNFPA68(2007)などがあります。国内においては、独立行政法人産業安全研究所の爆発圧力放散設備技術指針の改訂版NIIS-TR-No.38(2005)が刊行されました。このガイドラインは粉じん爆発およびガス爆発の放散面積の算出については、NFPA68(2002)とほぼ同じ内容となっています。 以下に爆発圧力放散設備技術指針(以下指針)に沿った爆発放散面積の算出方法と、NFPA68(2007)の特徴(主に指針と異なる点)とを解説します。詳細につきまして は、指針を参照ください。 また、本ページでの計算結果については、弊社では一切責任は持てませんのでご注意ください。

<独立行政法人産業安全研究所 爆発圧力放散設備技術指針 改訂版 NIIS-TR-No.38(2005)

・・・規格入手先:(社)産業安全技術協会 電話 03-3455-3957(代)

1.用語

■Pstat 静的動作圧力[×102kPa = bar]・・・爆発放散口の破裂セット圧力
条件:0.1≦Pstat≦0.5〔x102kPaG=barG〕
*実際のPstatが0.1〔x102kPaG=barG〕未満での設定の場合であっても、計算上では0.1以上が必須
■Pred 放散圧力[×102kPa = bar]・・・爆発放散口の作動により低減された機器内の爆発圧力の最大値
条件:0.15≦Pred≦2〔102kPaG=barG〕
*PstatとPredの差圧は最低5kPaG必要です。現実的には、20kPaG以上であることが望ましいです。数値が高いほど、必要放散面積は小さくなり、小口径の爆発放散口を選定できます。
■Pmax 最大爆発圧力[×102kPa = bar]・・・密閉容器で爆発により発生する圧力の最大値
条件:5≦Pmax≦12〔x102kPaG=barG〕
■Kst 最大圧力上昇速度に基づいて定義される、爆発の激しさを相対的に表す爆発指数(粉じんの場合)
V[m3]を実験容器の容積とすると、 Kst=(dP/dt)max・V1/3 [×102kPa-m/s = bar-m/s]で与えられる。
条件:10≦Kst≦800〔x102kPa-m/s=bar-m/s〕
■KG 最大圧力上昇速度に基づいて定義される、爆発の激しさを相対的に表す爆発指数(ガスの場合)
V[m3]を実験容器の容積とすると、 KG =(dP/dt)max・V1/3 [×102kPa-m/s = bar-m/s]で与えられる。
条件:KG≦550〔x102kPa-m/s=bar-m/s〕
■L/D 爆発放散口を取付ける装置の長さと内径の比。円筒形以外の形状についてはDの代わりに相当径DE[m]を使う。装置の上部径と下部径が異なる場合は、どちらか径の大きい側をDとする。バグフィルターの場合、Lはダーティーエリアのみであり、クリーンエリアはLには含まない。
■DE 相当径[m]・・・装置の断面積をA[m2]とした場合、DE = 2(A/π)1/2 [m]で与えられる。ダクトやパイプに対する相当径はDEの代わりにDHE = 4A/Lpを使う。ただしLpは断面の周の長さの和とする。
■危険等級 粉じんの爆発危険性を表す等級。Kstの大小により3つの等級St1,St2,St3に分類される。爆発クラスともいう。
爆発指数
Kst(x 102kPa-m/s)
最大爆発圧力
Pmax(x 102kPaG)
爆発クラス
(爆発等級)
内容
0〜200 ≦10 St 1 爆発の激しさが弱い粉じん
201〜300 ≦10 St 2 爆発の激しい粉じん
300を超える場合 ≦12 St 3 爆発の激しさが特に大きい粉じん

*ハイブリット(プロパン相当ガス&St=1又は2粉じんの混合物)で、実際のテストデータ値が無い場合は、Pmax=10, Kst=500として計算する。(NFPA68より)

2.圧力段階

上記用語以外に機器の強度の関わる以下の用語があります。

■Pyield 機器の変形圧力[×102kPaG = barG]・・・機器が変形を開始するが、まだ破損はしない圧力
■Pult 機器の破壊圧力[×102kPa G= barG]・・・機器の全体的な破壊、接合部の破壊が発生する圧力

圧力段階は、次の通りです →  Pult > Pyield ≧ Pred > Pstat   ( 重要! )

Pred が不明な場合の目安として Pred ≦ 2/3 Pult という考えがあります。(NFPA68より)

3.ガス爆発に対する放散面積の算出方法

-L/Dが2以下の場合-
必要な放散面積( Av) は次式によって求められます。

Av={(0.127log10KG-0.0567)Pred-0.582 +0.175Pred-0.572 (Pstat-0.1)}V2/3〔m2

-L/Dが2を超え5以下の場合-

まず上式を使ってAvを計算し、次式で計算される⊿Aを加えたものが必要な放散面積となります。

⊿A=〔AvKG{(L/D -2)2〕/750〔m2

-放散ダクトを取付けた場合の考慮-

機器が屋内設置の場合は、爆発の大気放散ができません。爆発圧力と火炎を屋外へ導くための放散ダクトの取付けが必要となります。ただし、放散ダクトの取付けにより爆発放散の効率は大幅に減少し、放散爆発圧力(Pred)は増加します。 そのため、Predを以下のように補正し、得られたP´redを使って放散面積Avを計算する必要があります。つまり、小さく補正されたP´redを使って計算された放散面積は、元の放散面積よりも大きくなります。

* 放散ダクト径が設置する爆発放散口径以下の場合、放散ダクトによる放散爆発圧力(Pred)の補正の必要はありません。(NFPA68より)

例) 爆発放散口径がφ1mの場合、1m長以内の放散ダクトの設置が認められています。

(1)ダクトの長さが3m未満の場合
P'red=0.779Pred1.161 〔x102kPaG=barG〕
(2)ダクトの長さが3m以上6m以下の場合
P'red=0.172Pred1.936 〔x102kPaG=barG〕

放散用ダクトによる放散圧力の影響(ガス爆発の場合)

※SI単位への標準化の流れを汲み、圧力の単位はkPaGを使っておりますが、NFPAとの整合性を保つためbarGによる表記を併用しています。計算式に代入する値はbarGの数値であることにご注意ください。(例・Pred=0.5barG=0.5×102kPaGの場合、Predとして計算式に代入する数値は「50」ではなく「0.5」となります。)

4.粉じん爆発に対する放散面積の算定方法

-L/Dが2以下の場合-

必要な放散面積(Av)は次式によって求められます
Av=(8.535x10-5)(1+1.75Pstat)KstV0.75{(1-Π)/Π}1/2〔m2〕(ただしΠ=Pred/Pmax)

-L/Dが2を超え6以下の場合-

まず上式を使ってAvを計算し、次式で計算される⊿Aを加えたものが必要な放散面積となります
⊿A=1.56Av{(1/Pred)-(1/Pmax)}0.65log10{(L/D)-1}〔m2

-放散ダクトを取付けた場合の考慮-

機器が屋内設置の場合は、爆発の大気放散ができません。爆発圧力と火炎を屋外へ導くための放散ダクトの取付けが必要となります。ただし、放散ダクトの取付けにより爆発放散の効率は大幅に減少し、放散爆発圧力(Pred)は増加します。 そのため、Predを以下のように補正し、得られたP´redを使って放散面積Avを計算する必要があります。つまり、小さく補正されたP´redを使って計算された放散面積は、元の放散面積よりも大きくなります。 (ただし、機器のL/Dが2以下の場合にのみ適用可能)

* 放散ダクト径が設置する爆発放散口径以下の場合、放散ダクトによる放散爆発圧力(Pred)の補正の必要はありません。(NFPA68より)

例) 爆発放散口径がφ1mの場合、1m長以内の放散ダクトの設置が認められています。

爆発放散時の火柱発生の模様(放散ダクトを使用せず直接大気へ放散のケース)

P'red=Pred{1+17.3(Av/V0.753)1.6(Lv/Dv)}-1〔x102kPa〕

Lv=放散用ダクトの長さ〔m〕 / Dv=放散用ダクトの相当径(DEあるいはDHE)〔m〕 / Av=放散面積〔m2〕

* ここで注意すべき点は、P'redの式にAvが含まれている点です。

このため、Avが収束するまでAvとP'redを繰り返し計算する必要があります。

放散用ダクトの長さによる放散圧力の影響
(粉じん爆発:L/D=1, Dv=DE, v=15㎥, Av=1.54㎡の場合)

※SI単位への標準化の流れを汲み、圧力の単位はkPaGを使っておりますが、NFPAとの整合性を保つためbarGによる表記を併用しています。計算式に代入する値はbarGの数値であることにご注意ください。(例・Pred=0.5bar=0.5×102kPaの場合、Predとして計算式に代入する数値は「50」ではなく「0.5」となります。)

5.バグフィルターに取付ける場合

バグやフィルターカートリッジなどのろ過材の高さと、爆発放散口を設置する高さの位置関係によって、装置の容積V[m3]の計算方法が異なります。ただし、上面の清浄空気層であるクルーンエリア部は常に容積Vから除外して計算できます。

(図A)

(1)ろ過材の下端よりも下に爆発放散口(ドーム状金属色の爆発放散口を正面に取付)を設置する場合が最善な取付位置です。

(図A)・・・容積Vにはろ過材の容積(白色部)を含める必要はありません。『容積V=青色部』


(図B)

(2)ろ過材と爆発放散口の高さが重なる場合、ただし重なり具合の限度は、ろ過材下端と爆発放散口(ドーム状金属色の爆発放散口を正面に取付)下端が一致する部分までとなります。

(図B)・・・容積Vにはろ過材の容積を含めます。
『容積V=青色部+白色部』つまり(1)の場合よりも算出される放散面積Avが大きくなります。


(図C)

(3)ろ過材と爆発放散口の高さが重なる場合で、(2)の重なり限度を超えた場合、すなわち、ろ過材下端よりも上方に爆発放散口(ドーム状 金属色の爆発放散口を正面に取付)下端が位置する状態で取付けることは推奨できません。
(図C)・・・このレイアウトでは、ろ過材が爆発放散口の開口面を塞ぎ爆発放散が阻害されるためです。


*参考(NFPA68より)*

過材に爆発放散口が完全にかかる場合(3)図C、指針では爆発放散口設置は認められておりませんが、NFPA68では、ある措置によって使用が認められています。

(バグフィルター断面図)

図Cの様に爆発放散口を設置する場合、爆発時にろ過材が爆発放散の妨げとならない様、以下I, IIいずれかの措置が必要となります。 I  爆発放散口設置位置より、爆発放散口径長さの距離内の左右および奥行きに位置するろ過材を、爆発放散口上端まで短くカットし、爆発放散口径より奥に位置するろ過材が爆発放散の妨げとならない様、バーを設ける。(写真A) II. 爆発放散口設置位置より、爆発放散口径長さの距離内の左右および奥行きにあるろ過材を取り除き、爆発放散口径より奥に位置するろ過材が爆発放散の妨げとならない様、バーを設ける。(写真A)


写真A

(図9)

(4)爆発放散口の取付に問題が出る(3)のレイアウトを改善する方法として、爆発放散口の設置が難しいホッパー部を取り払い、サークルフィーダー(HUV排出装置)に変更する方法があります。 延長できた直胴部を生かし、ろ過材の下端よりも下に爆発放散口(ドーム状金属色の爆発放散口を正面に取付)を設置します。

(図D)・・・ このレイアウトでは、特別に容積Vにはろ過材の容積(白色部)を含める必要はありません。『容積V=青色部』


爆発放散口を装備した
爆発放散前の集じん機

爆発放散口を装備した
爆発放散後の集じん機

爆発放散口により爆発放散中の集じん機

ろ過材下端と爆発放散口の下端が一致する場合、またはろ過材下端が高い場合は、ろ過材が爆発放散口開口面から振り子状にスムーズに押し出され、爆発放散時の障害とならないのが分かります


6.その他の留意事項

初期圧力が高い場合、装置内の限られた場所のみ粉じんが存在する場合については、別途考慮する必要があります。詳しくは指針をご参照ください。

表A.1 可燃性ガス・蒸気の爆発指数の例
ガス・蒸気 Pmax
[x102kPa]
KG
[x102kPa]
亜硝酸メチル 11.4 111
アセチレン 10.6 1415
アセトフェノン 7.6 109
アンモニア 5.4 10
イソプロパノール 7.8 83
エタン 7.8 106
エチルアルコール 7.0 78
エチルベンゼン 7.4 96
酸化オクチル 8.0 116
酸化メチレン 5.0 5
オクタノール 6.7 95
ジエチルエーテル 8.1 115
ジメチルホルムアミド 8.4 78
ジメチルスルホキシド 7.3 112
水素 6.8 550
トルエン 7.8 94
β-ナフトール 4.4 36
二硫化炭素 6.4 105
ネオペンタン 7.8 60
ブタン 8.0 92
プロパン 7.9 100
ペンタン 7.8 104
南アフリカ原油 6.8-7.6 36-62
メタン 7.1 55
メチルアルコール 7.5 75
硫化水素 7.4 45
表A.2 可燃性ガス・蒸気の修正爆発指数の例
ガス・蒸気 推定値
(KG)
補正値
(KG)
Pmax
[x102kPa]
アセトン 59 84 7.3
イソブタン 67 67 7.4
エタン 78 103 7.4
エチルアルコール 78 103 7.0
エチレン 171 243 8.0
1,1-ジフロロエタン 59 75 7.7
ジメチルエーテル 108 148 7.9
水素 638 * 6.5
プロパン 76 100 7.3
メタン 46 55 6.7
メチルアルコール 94 127 7.2

前述の放散面積の計算式はW.Bartknechtの実験データに由来するが、その式の開発に用いられたデータが上記NFPAの表とは若干異なる場合がある。現在各地の研究機関において見直し、修正が行われているが、より計算式に適合するように修正された、いくつかのKG値を表に示す。また、代表的な可燃性粉じんの爆発指数の例を表に示す。

表A.1)NFPA68,Guide for Venting Deflagrations, National Fire Protection Association(2002)
表A.2)W.Bartknecht,Explosions-Schutz:Grundlagen und Anwendung,Springer-Verlag(1993)

表A.3 可燃性粉じんの爆発指数の例
粉じん 粒子径 Pmax Kst St
小麦粉 22 9.9 115 1
コルク 42 9.6 202 2
コーンスターチ 7 10.3 202 2
砂糖 30 8.5 138 1
セルロース 33 9.7 220 2
大豆粉 20 9.2 110 1
脱脂ミルク 60 8.8 125 1
トウモロコシ 28 9.4 75 1
米粉 18 9.2 101 1
木粉 29 10.5 205 2
活性炭 28 7.7 44 1
瀝青炭 24 9.2 129 1
かっ炭 32 10.0 151 1
木炭 14 9.0 10 1
亜鉛 <10 7.3 176 1
アルミニウム 29 12.4 415 3
青銅 18 4.1 31 1
マグネシウム 28 17.5 508 3
アジピン酸 <10 8.0 97 1
アスコルビン酸 39 9.0 111 1
アントラキノン <10 10.6 364 3
硫黄 20 6.8 151 1
酢酸カルシウム 85 6.5 21 1
ステアリン酸カルシウム 12 9.1 132 1
ステアリン酸鉛 12 9.2 152 1
デキストリン 41 8.8 106 1
ラクトース 23 7.7 81 1
エポキシ樹脂 26 7.9 129 1
低圧ポリエチレン <10 8.0 156 1
フェノール樹脂 <10 9.3 129 1
ポリアクリルアミド 10 5.9 12 1
ポリアクリル酸メチル 21 9.4 269 2
ポリアクリロニトリル 25 8.5 121 1
ポリ酸化ビニル 107 7.6 46 1
ポリビニルアルコール 26 8.9 128 1
ポリプロピレン 25 8.4 101 1
メラミン樹脂 18 10.2 110 1

(注)粒子径:質量基準の中位径[μm]

Pmax[x102kPa]
Kst [x102kPa/m/s]
St:危険等級

表A.3)ASTM E 1226-2000,Standerd Test Method for Pressure and Rate for Pressure Rise for Combustible Dusts