Теоретичний розрахунок концентраційних меж запалення газів і пар

Концентраційні межі запалення газів і пар індивідуальних органічних речовин, що містять атоми водню, кисню, азоту, хлору в повітрі при атмосферному тиску 101±7 кПа й початковій температурі, що не перевищує 473 ºС, визначають по наступних формулах.

Нижня межа запалення:

, (2.1)

де h₃ - коефіцієнти, що характеризують наявність структурних груп;

m₃ - число структурних груп у молекулі пального.

Значення коефіцієнтів h₃ для структурних груп, наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1- Значення коефіцієнта h₃

Вид структурної групи	Значення коефіцієнта h3	Вид структурної групи	Значення коефіцієнта h3
С – Н	49,2	С ≡ С	341,5
С – С	41,2	С – N	25,0
С = С	122,1	N – H	20,9
С – О	10,9	C – Cl	7,8
С = О	34,3	N - N	152,2
О - Н	5,7		485,4

Число структурних груп (m₃) розраховується, виходячи зі структурної формули пального. Так, наприклад, для ацетону (C₃H₆O) структурна формула має вигляд:

Зі структурної формули треба, що в молекулі ацетону є 6 зв'язків С - Н, два зв'язки С - С и один зв'язок С = О. Відповідно до цього по таблиці 1 знаходимо значення ∑ h₃ m₃ і формулі (1) визначаємо нижній боковий вівтар запалення φ_п.

Верхня межа запалення визначають по формулах при β≤8

, (2.2)

при β >8

, (2.3)

де β – стехіометричний коефіцієнт кисню в реакції горіння

, (2.4)

де m_С, m_Н, m_Cl, m_О - відповідно, число атомів вуглецю, водню, хлору, і кисню в молекулі пального;

К - коефіцієнт, який розраховується по формулі:

, (2.5)

де g - число різних структурних груп пального;

a_j - значення коефіцієнтів груп;

n_КС - загальне число полуторних, подвійних і потрійних зв'язків вуглець-вуглець у молекулі пального;

К_СВ - середня кратність зв'язків вуглець-вуглець у молекулі пального.

Для молекули ацетону:

a_j = - 0,006; n_КС = 0; К_СВ = 1; m_С = 3; g = 1.

Виходячи із цього, по формулі (2.5) визначають значення коефіцієнта К и по формулі (2.2) або (2.3) значення верхньої межі запалення.

Розрахувавши величину нижньої й верхньої межі запалення по формулі (2.1) і (2.2 або 2.3) і величину коефіцієнта безпеки (К_бэ) за ДСТУ визначимо гранично припустиму вибухонебезпечну концентрацію горючої речовини (ГДВК) по формулі:

. (2.6)

Практична частина

Опис установки

Визначення нижньої межі запалення проводиться на установці, схема якої наведена на рисунку 2.1. Установка складається з посудини й вибухового пристрою, що працює від мережі змінного струму напругою 220 В. Посудина виконана у вигляді скляного плексигласового циліндра 1 із фланцями 2, 10, з'єднаними між собою стяжними шпильками. У верхній кришці 2 є 5 отворів. Центральний круглий отвір служить для виходу продуктів згоряння при вибуху.

Воно закривається діафрагмою, що при вибуху розривається. В інші два отвори 12 і 14 герметично вмонтовані електроди 8, які ізольовані й не стикаються з корпусом посудини. Отвір 15 служить для введення в посудину ЛЗР за допомогою піпетки. Воно після уведення ЛЗР закривається пробкою. Отвір 13 служить для уведення повітря за допомогою груші, для видалення продуктів згоряння й для перемішування горючої суміші з повітрям. У цьому отворі встановлений штуцер для приєднання груші. Включення іскрового розряду здійснюється за допомогою кнопки 7. Вся установка заземлена й захищена екраном, що встановлюється перед посудиною.

Рисунок 2.1. Схема установки для визначення концентраційних меж

запалення пароповітряних сумішей.

1 - корпус; 2 - верхній фланець; 3 - кришка; 4 - гайка; 5 - вибухова діафрагма; 6 - іскровий генератор; 7 - вимикач; 8 - електроди;
9 - шпилька; 10 - нижній фланець; 11 - днище; 12, 14 - отвори для електродів; 13 - отвір для подачі повітря; 15 - отвір для подачі ЛЗР

Порядок проведення роботи

Перед початком роботи варто ознайомитися з інструкцією з техніки безпеки, поміщеної наприкінці методичних вказівок.

1. Продути посудину 1 за допомогою груші. Для цієї мети від’єднати грушу, і набираючи в неї свіже повітря, вдмухувати його в посудину. Операцію повторити 15-20 разів.

2. Відвернути гайку 4 і встановити вибухову діафрагму 5.

3. Увести в посудину за допомогою піпетки ДВІ краплі досліджуваної ЛЗР і закрити отвір у кришці пробкою.

4. Зробити перемішування пар ЛЗР із повітрям у посудині 1, за допомогою груші. Для цієї мети зробити кілька натискань на грушу протягом 1 хв.

5. Установити захисний екран.

6. Натисканням кнопки 7 створити імпульс (іскру) у посудині.

7. Якщо вибуху не відбулося, досвід повторити, збільшуючи щораз кількість що додається ЛЗР на одну краплю.

8. Після одержання вибуху визначити НВП. Для цієї мети попередньо визначити обсяг пар ЛЗР по формулі:

, (2.7)

де g - маса однієї краплі ЛЗР, мг, визначається експериментально шляхом зважування на аналітичних вагах піпетки із ЛЗР

g = g₁ – g₂, (2.8)

де g₁ - вихідна маса піпетки із ЛЗР, мг;

g₂ - маса піпетки після того, як з її випущена одна крапля ЛЗР, мг;

n - кількість крапель ЛЗР, уведених у посудину для одержання вибухонебезпечної суміші;

ρ_лвж - щільність пар ЛЗР у нормальних умовах, мг/см³

, (2.9)

де М - молекулярна маса випробуваної ЛЗР, г;

t - робоча температура, при якій проводиться випробування, °С, вимірюється по термометру;

Р - робочий тиск, при якому проводяться випробування, Па, визначається за показниками барометра.

9. Визначити експериментальну величину НМВ:

(2.10)

де v – обсяг посудини, см³;

(2.11)

де d - діаметр посудини, см;

l - висота посудини, см.

10. За знайденим значенням φ_п визначити категорію виробництва, де застосовуються дані речовини в кількостях, достатніх для утворення з повітрям вибухонебезпечних сумішей.

11. Зрівняти досвідчені φ^э_п і розрахункові значення φ_п. Визначити відхилення (помилку) у визначенні нижньої межі запалення

(2.12)

Форма протоколу звіту

Звіт по цій роботі складається в табличній формі (табл. 2.2).

Контрольні питання для самоперевірки

1. На які категорії класифікуються виробництва по вибуховий, вибухопожежної небезпеки?

2. Що лежить в основі класифікації виробництва по вибуховий, вибухопожежної і пожежної небезпеки?

3. Що таке верхні й нижній концентраційні межі запалення пар і газів у суміші з повітрям? По яких формулах їх визначають?

4. Як визначити щільність пар ЛЗР у нормальних умовах?

5. Як по нижній межі вибухаємості горючих рідин визначити категорію виробництва?

6. Що таке коефіцієнт безпеки К_бэ?

7. Як визначити гранично-припустиму вибухонебезпечну концентрацію горючих газів (пар) ГДВК?

8. Які ви знаєте горючі рідини й гази, які в суміші з повітрям утворять займисті суміші?

Таблиця 2.2- Результати випробувань

Найменування параметра	Умовні позначки	Як визначається	Величина
Найменування випробуваної рідини	ацетон
Молярна маса	м
Температура спалаху, °С	tвсп	згідно ДСТУ
Температура досвіду, °С	t	за показниками термометра
Атмосферний тиск, Па	Р	за показниками барометра
Нижня межа запалення, % об’ємн.	φп	формула 2.1
Верхня межа запалення, % об’ємн.	φв	формула 2.2, 2.3
Кількість крапель ЛЗР, уведених у посудину для досягнення вибуху	п	експеримент
Маса однієї краплі, мг	g	формула 2.8
Обсяг пар ЛЗР, см3	Vлвж	формула 2.7
Щільність пар ЛЗР, мг/см3	ρЛЗР	формула 2.9
Обсяг посудини, см3	Vc	формула 2.11
Досвідчене значення нижньої межі запалення, % об’ємн.	φэп	формула 2.10
Порівняння досвідчених і розрахункових значень НМВ, %	η	формула 2.12
Коефіцієнт безпеки	К6э
Граничнодопустима вибухонебезпечна концентрація	ГДВК	згідно ДСТУ
За знайденим значенням і температурі спалаху визначити категорію приміщення по вибуховій і пожежній небезпеці.		формула 2.6

Список рекомендованої літератури

1. Иванов Б.Н. Охрана труда на морском транспорте. Одесса.: “Компас”, 2007.

2. Буралев Ю.В., Павлова Е.И. Безопасность жизнедеятельности на транспорте. М.: “Транспорт”, 1999.

3. Леонов В.Е. Методические указания к выполнению лабораторной работы «Определение концентрационных пределов воспламенения газов и паров». Новосибирск: НГАВТ, 1999.

4. Охорона праці: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. / За ред. Геврика Є.О. – Львів: "Афіша", 2000.