Газопаровоздушная горючая система

При проектировании промышленных предприятий и размещении оборудования необходимо учитывать физико-химические свойства веществ, участвующих в производственных процессах, особенно веществ, склонных к воспламенению и взрыву.

Горение - химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света.

В зависимости от агрегатного состояния горючих веществ горение может быть гомогенным и гетерогенным. При гомогенном горении компоненты горючей смеси находятся в начальном газообразном, состоянии. Если компоненты перемешаны, то происходит кинетическое горение (скорость горения зависит только от кинетики химических превращений). В противном случае, происходит диффузионное горение. Горение, характеризуемое наличием раздела фаз к горючей системе, является гетерогенным.

В зависимости от скорости протекания процесса различают установившееся (скорость распространения пламени в пределах нескольких м/с), взрывное (десятки и сотни м/с) и детонационное (тысячи м/с) горение. Взрывное горение (взрыв) сопровождается быстрым выделением большого количества энергии, вызывающим нагрев продуктов горения до высоких температур и резкое повышение давления.

Известны два механизма самоускоряющихся превращений при горении, теория которых разработана ученым Н.П.Семеновым - тепловой и цепной. Тепловой заключается в возрастании скорости превращения с увеличением температуры, а цепной - в результате развития цепных разветвленных реакций.

По агрегатному состоянию различают следующие горючие вещества: газы - вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50°С равно или более 300 кПа (3 кгс/см²), или критическая температура которых менее 50°С; жидкости - вещества с температурой плавления (каплепадения) менее 50°С; твердые - вещества и материалы с температурой плавления (каплепадения) более 50°С; пыли - диспергированные твердые

вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм.

Номенклатура показателей пожаро- и взрывоопасное™ вещества и материалов, необходимых для их характеристики в условиях производства, переработки;

транспортировки и хранения, установлена ГОСТ 12.1.044-84. В число этих показателей входят: группа горючести, температура вспышки, температура воспламенения, температура самовоспламенения, нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения), температурные пределы распространения пламени (воспламенения), максимальное давление взрыва. Эти показатели можно получить экспериментально или расчетно-аналитическим методом. Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов определяются с целью получения исходных данных для подразделения производств на категории в соответствии с требованиями строительных норм и правил на проектирование производственных зданий промышленных предприятий, правил устройства электроустановок, утвержденных Госэнергонадзором, а также для разработки систем по обеспечению пожарной безопасности и взрывобезопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.044-84, ОНТП 24-86, ГОСТ 12.1.004-91.

По горючести вещества и материалы подразделяют на три группы:

- негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, неспособные к горению в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например, окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом;

- трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления;

- горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы.

Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). Легковоспламеняющимися называются жидкости с температурой вспышки не более 61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле.

Результаты оценки группы горючести следует применять при подразделении материалов по горючести, при определении категории производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности, а также классов взрывоопасных и пожароопасных зон; при разработке мероприятий по обеспечению безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004-91.

Температура вспышки - самая низкая температура горючего вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для устойчивого горения.

Вспышка - быстрое горение горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.

Температуру вспышки можно определить экспериментально и расчетом с помощью эмпирической формулы Орманди и Грэвена

T_всп= 0,736 • Т_кип

где Ткип - температура кипения жидкости, К.

Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.

Температуру воспламенения определяют экспериментально и расчетным путем.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.

Основным показателем взрывной опасности газов и паров в смеси с воздухом являются нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) - минимальное и максимальное содержание горючего в смеси "горючее вещество - окислительная среда", при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) - такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени.

Оценивают нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени (φ_П) по газопаровоздушным смесям исследуемого индивидуального вещества, %, по Формуле

(1)

m_c, m_s, m_н, m_x, m_o, m_p - число атомов соответственно углерода, серы, водорода, галоида, кислорода и фосфора в молекуле соединения;

а_м, b_м - универсальные константы, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Рассчитываемый предел распространения пламени	ам	bм
нижний	8,684	4,679
верхний при β < 7,5	1,550	0,560
при β > 7,5	0,768	6,554

Например, для ацетона С₃Н₆О:

Область концентраций, при которых возможно воспламенение смеси, называют областью воспламенения, или диапазоном взрываемости. Пределы области не являются строго постоянными для определенной смеси и зависят от мощности источника воспламенения, наличия примесей инертных газов и паров, а также от давления горючей смеси. Увеличение мощности электрических искр, температуры и давления расширяет область воспламенения, но при неизменных условиях пределы этой области постоянны.

Концентрационные пределы воспламенения смеси, состоящей из нескольких взрывоопасных компонентов паров и газов, можно определить по формуле:

(2)

где n₁, n₂,..., n_n - содержание компонентов в смеси, %; (φ₁, φ₂,…, φ_n - нижние и верхние концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) отдельных компонентов в смеси с воздухом, %.

С повышением температуры и давления пределы воспламенения газовых смесей с воздухом расширяются. Температурные в концентрационные пределы воспламенения связаны между собой следующими формулами:

(3)

где , - давление насыщенных паров при температурах, соответствующих нижнему и верхнему температурным пределам, кПа; Робщ - атмосферное давление, кПа.

Определив концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения), вычисляют значения и , соответствующие этим пределам. Принимая значения и равными давлению насыщенного пара, можно определить температуру насыщенного пара, т.е. температурные пределы распространения пламени (воспламенения).

Для углеводородов, спиртов, эфиров температурные пределы распространения пламени рассчитывают по формуле

Т_кип =K • t_кип - l(4)

где t_кип - температура кипения, °С;

К, l - коэффициенты, постоянные в пределах гомологического ряда (углеводороды, спирты, эфиры).

Таблица 2

Вещество	Температурный предел	К	l,°С
Углеводороды	нижний	0,69
верхний	0,79
Спирты	нижний	0,61
верхний	0,69
Эфиры	нижний	0,61
верхний	0,75

Например, для этилового спирта С₂Н₆О t_кип⁼ 34,5°С;

t_н = 0,61 - 34,5 - 38 = 21 - 38 = -17 °С;

t_в = 0,69 - 34,5 – 15 = 23,8 – 15 = 8,8 °C.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) необходимо учитывать при расчете безопасных режимов эксплуатации сосудов, трубопроводов при работе с взрыво- и пожароопасными веществами.

Расчетное давление взрыва для индивидуальных веществ определяют по формуле

(5)

где Р_max - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочным данным (можно принять для углеводородов Р_max = 900 кПа, Р_о = 101 кПа);

m - масса горючего газа или паров легковоспламеняющейся или горючей жидкости, вышедших в результате расчетной аварии в помещение, кг;

Z - коэффициент участия горючего вещества во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения (допускается принимать:

Z = 0,5 - для горючих газов,

Z = 0,3 - для воспламеняющихся жидкостей,

Z = 0,3 - для паров, содержащих аэрозоли);

U_cb - свободный объем помещения, м³ (принимается равным 80% от объема помещения);

ρ_г,_n - плотность газа или пара, кг/м³ ;

К_Н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещений и недиабатность процесса горения (можно принят К_H = 3);

C_cm - стехиометрическая концентрация горючих газов или паров ЛВЖ и ГЖ, %(об):

- стехиометрический коэффициент кислорода в реакциях горения;

n_с, n_н, n_о, n_х - число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего вещества. Например, для СН₄ - метана: