Proučavanje procesa sagorevanja zapaljivih smeša od strane ruskih i stranih naučnika omogućilo je da se teorijski potkrijepe mnoge pojave koje prate proces sagorevanja, uključujući i brzinu širenja plamena. Proučavanje brzine širenja plamena u gasnim mešavinama omogućava određivanje sigurnih brzina strujanja gasa i vazduha u ventilacionim, rekuperacionim, aspiracionim cevovodima i u cevovodima drugih instalacija kroz koje se transportuju mešavine gasa i prašine i vazduha.
Godine 1889. ruski naučnik V.A. Majklson je razmatrao dva ograničavajuća slučaja širenja plamena tokom normalnog ili sporog sagorevanja i tokom detonacije.
Teorija normalnog širenja plamena i detonacije dalje je razvijena u radovima N.N. Semenova, K.I. Shchelkina, D.A. Frank-Kamenetsky, L.N. Khitrina, A.S. Sokolika, V.I. Skobelkin i drugi naučnici, kao i strani naučnici B. Lewis, G. Elbe i dr. Kao rezultat toga stvorena je teorija paljenja eksplozivnih smeša. Međutim, pokušaji tumačenja fenomena širenja plamena kao difuzije aktivnih centara ili objašnjenja granica širenja plamena uvjetima prekida kola nisu dovoljno uvjerljivi.
Godine 1942. sovjetski naučnik Ya.B. Zeldovich je formulisao principe teorije sagorevanja i detonacije gasova. Teorija sagorevanja daje odgovor na glavna pitanja: da li će mešavina datog sastava biti zapaljiva, kolika će biti brzina gorenja eksplozivne smeše, koje karakteristike i oblike plamena treba očekivati. Teorija kaže da eksplozija mješavine plina ili pare i zraka nije trenutna pojava. Kada se izvor paljenja unese u zapaljivu smjesu, u području djelovanja izvora paljenja počinje reakcija oksidacije goriva sa oksidantom. Brzina reakcije oksidacije u nekom elementarnom volumenu ove zone dostiže maksimum - dolazi do sagorijevanja. Sagorevanje na granici elementarne zapremine sa medijumom naziva se front plamena. Prednja strana plamena ima oblik kugle. Debljina fronta plamena, prema proračunima Ya.B. Zeldovich, jednak 1 – 100 mikrona. Iako je debljina zone sagorevanja mala, dovoljna je da dođe do reakcije sagorevanja. Temperatura fronta plamena usled toplote reakcije sagorevanja je 1000 - 3000 0 C i zavisi od sastava zapaljive smeše. Blizu fronta plamena, temperatura smjese se također povećava, što je posljedica prijenosa topline kondukcijom, difuzije zagrijanih molekula i zračenja. Na vanjskoj površini fronta plamena ova temperatura je jednaka temperaturi samozapaljenja zapaljive smjese. Promjena temperature smjese duž ose cijevi u trenucima je grafički prikazana na Sl. 4.1. Gasni sloj CC 1, u kojem se temperatura smjese povećava, predstavlja front plamena. Kako temperatura raste, front plamena se širi (do KK 2) prema krajnjim zidovima cijevi A I M, istiskujući nesagorenu smjesu prema zidu određenom brzinom M, a zapaljeni plin prema zidu A. Nakon paljenja zapaljive mješavine, sferni oblik plamena se vrlo brzo izobličuje i sve više rasteže prema smjesi koja još nije zapaljena. Proširivanje fronta plamena i brzo povećanje njegova površina je praćena povećanjem brzine kretanja
središnji dio plamena. Ovo ubrzanje se nastavlja sve dok plamen ne dodirne zidove cijevi ili se, u svakom slučaju, približi zidu cijevi. U ovom trenutku veličina plamena se naglo smanjuje, a ostaje samo mali dio plamena koji pokriva cijeli poprečni presjek cijevi. Proširenje fronta plamena i njegovo intenzivno ubrzanje neposredno nakon paljenja od iskre, kada plamen još nije dosegao zidove cijevi, uzrokovani su povećanjem volumena produkata izgaranja. Dakle, u početnoj fazi procesa formiranja fronta plamena, bez obzira na stupanj zapaljivosti plinske mješavine, dolazi do ubrzanja i naknadnog kočenja plamena, a to kočenje će biti veće što je veća brzina plamena.
Rice. 4.1. Promjena temperature ispred i iza fronta plamena: 1 – zona
proizvodi izgaranja; 2 – front plamena; 3 – zona samozapaljenja;
4 – zona predgrijavanja; 5 – početna smeša
Na razvoj narednih faza sagorevanja utiče dužina cevi. Izduženje cijevi dovodi do pojave vibracija i stvaranja ćelijske strukture plamena, udarnih i detonacijskih valova.
Razmotrimo širinu zone grijanja ispred fronta plamena. U ovoj zoni hemijska reakcija ne curi i ne stvara toplinu. Širina zone grijanja l(u cm) može se odrediti iz zavisnosti:
Gdje A– koeficijent termičke difuzivnosti; v– brzina širenja plamena.
Za mješavinu metana i zraka širina zone grijanja je 0,0006 m, a za mješavinu vodonik-vazduh je mnogo manja (3 mikrona). Naknadno sagorevanje se dešava u smeši čije se stanje već promenilo kao rezultat toplotne provodljivosti i difuzije komponenti iz susednih slojeva. Dodatak produkta reakcije nema nikakav specifičan katalitički učinak na brzinu kretanja plamena.
Razmotrimo sada brzinu kretanja fronta plamena kroz mješavinu plina. Linearna brzina kretanja v(u m/s) može se odrediti formulom
gdje je masena brzina sagorijevanja, g/(cm×m 2), p je gustina početne zapaljive smjese, kg/m 3.
Linearna brzina kretanje fronta plamena nije konstantno, menja se u zavisnosti od sastava smeše i primesa inertnih (nezapaljivih) gasova, temperature smeše, prečnika cevi itd. Maksimalna brzina plamena širenje se ne opaža pri stehiometrijskoj koncentraciji smjese, već u mješavini s viškom goriva. Kada se inertni plinovi uvedu u zapaljivu smjesu, brzina širenja plamena se smanjuje. To se objašnjava smanjenjem temperature sagorijevanja smjese, jer se dio topline troši na zagrijavanje inertnih nečistoća koje ne sudjeluju u reakciji. Na brzinu širenja plamena utiče toplotni kapacitet inertni gas. Što je veći toplinski kapacitet inertnog plina, to više smanjuje temperaturu izgaranja i više smanjuje brzinu širenja plamena. Dakle, u mješavini metana sa zrakom razrijeđenim ugljičnim dioksidom, brzina širenja plamena je približno tri puta manja nego u smjesi razrijeđenoj argonom.
Kada se smjesa prethodno zagrije, brzina širenja plamena se povećava. Utvrđeno je da je brzina širenja plamena proporcionalna kvadratu početne temperature smjese.
Kako se promjer cijevi povećava, brzina širenja plamena raste neravnomjerno.
Kada se promjer cijevi poveća na 0,10 - 0,15 m, brzina raste prilično brzo; s daljnjim povećanjem promjera cijevi, nastavlja se povećavati, ali u manjoj mjeri. Temperatura se povećava sve dok promjer ne dostigne određeni granični promjer, iznad kojeg se brzina ne povećava. Kako se promjer cijevi smanjuje, brzina širenja plamena se smanjuje, a pri određenom malom promjeru plamen se ne širi u cijevi. Ovaj fenomen se može objasniti povećanjem gubitka topline kroz zidove cijevi.
Stoga, da bi se zaustavilo širenje plamena u zapaljivoj mješavini, potrebno je na ovaj ili onaj način sniziti temperaturu smjese, hlađenjem posude (u našem primjeru cijevi) izvana ili razrjeđivanjem smjese. sa hladnim inertnim gasom.
Normalna brzina širenja plamena je relativno mala (ne više od desetina metara u sekundi), ali se u nekim uslovima plamen u cijevima širi ogromnom brzinom (od 2 do 5 km/s), premašujući brzinu zvuka u dato okruženje. Ova pojava je nazvana detonacija. Prepoznatljive karakteristike detonacije su sljedeće:
1) konstantna brzina sagorevanja bez obzira na prečnik cevi;
2) visokog pritiska plamen izazvan detonacijskim talasom, koji može premašiti 50 MPa u zavisnosti od hemijske prirode zapaljiva smjesa i početni tlak; Štoviše, zbog velike brzine gorenja, razvijeni tlak ne ovisi o obliku, kapacitetu i nepropusnosti posude (ili cijevi).
Razmotrimo prijelaz brzog sagorijevanja u detonaciju u dugoj cijevi konstantnog poprečnog presjeka kada se smjesa zapali na zatvorenom kraju. Pod pritiskom fronta plamena u zapaljivoj smeši se javljaju kompresijski talasi – udarni talasi. U udarnom valu temperatura plina raste do vrijednosti pri kojima se samozapaljenje smjese događa daleko ispred fronta plamena. Ovaj način sagorijevanja naziva se detonacija. Kako se front plamena kreće, kretanje slojeva uz zid se usporava i, shodno tome, ubrzava se kretanje smjese u središtu cijevi; distribucija
Rast po poprečnom presjeku postaje neujednačen. Pojavljuju se mlazovi gasnih mešavina čija je brzina manja od prosečne brzine gasne mešavine pri normalnom sagorevanju, a mlazovi se kreću brže. U tim uslovima se povećava brzina plamena u odnosu na smešu, povećava se količina sagorelog gasa u jedinici vremena, a kretanje fronta plamena je određeno maksimalnom brzinom gasnog mlaza.
Kako se plamen ubrzava, povećava se i amplituda udarnog vala, a temperatura kompresije dostiže temperaturu samozapaljenja smjese.
Povećanje ukupne količine sagorjelog plina u jedinici vremena objašnjava se činjenicom da se u mlazu s promjenjivom brzinom poprečnog presjeka front plamena savija; kao rezultat toga povećava se njegova površina i proporcionalno se povećava količina materijala za sagorijevanje.
Jedan od načina za smanjenje brzine gorenja zapaljivih smjesa je djelovanje inertnih plinova na plamen, ali zbog njihovog niska efikasnost Trenutno se inhibicija hemijskog sagorevanja koristi dodavanjem halogenizovanih ugljovodonika u smešu.
Smjese zapaljivih plinova imaju dvije teorijske temperature sagorijevanja - pri konstantnoj zapremini i pri konstantan pritisak, a prvi je uvijek veći od drugog.
Metoda za izračunavanje kalorimetrijske temperature sagorevanja pri konstantnom pritisku obrađena je u Odeljku 1. Razmotrimo metodu za izračunavanje teorijske temperature sagorevanja gasnih mešavina pri konstantnoj zapremini, što odgovara eksploziji u zatvorenoj posudi. Osnova za izračunavanje teorijske temperature sagorevanja pri konstantnoj zapremini su isti uslovi kao što je navedeno u pododeljku. 1.7.
Kada mješavine plina izgaraju u zatvorenom volumenu, proizvodi izgaranja ne obavljaju rad; Energija eksplozije se troši samo na zagrijavanje produkata eksplozije. U ovom slučaju, ukupna energija se definiše kao zbir unutrašnje energije eksplozivne smeše Q ekst.en.cm i toplote sagorevanja date supstance. Vrijednost Q int.en.cm jednaka je zbiru proizvoda toplotnih kapaciteta komponenti eksplozivne smjese pri konstantnoj zapremini i početne temperature smjese
Q int.en.cm = s 1 T + s 2 T +… + s n T,
gdje je s 1, s 2, s n – specifični toplotni kapaciteti komponente koje čine eksplozivnu smjesu, kJ/(kg × K); T je početna temperatura smjese, K.
Vrijednost Q ext.en.cm može se naći u referentnim tabelama. Temperatura eksplozije mješavine plina pri konstantnoj zapremini izračunava se korištenjem iste metode kao i temperatura izgaranja mješavine pri konstantnom pritisku.
Temperatura eksplozije se koristi za određivanje tlaka eksplozije. Pritisak prilikom eksplozije gasno-vazduh mešavine u zatvorenoj zapremini zavisi od temperature eksplozije i odnosa broja molekula produkata sagorevanja i broja molekula u eksplozivnoj smeši. Kada mešavina gasa i vazduha eksplodira, pritisak obično ne prelazi 1,0 MPa ako je početni pritisak smeše bio normalan. Prilikom zamjene zraka u eksplozivnoj smjesi kisikom, tlak eksplozije naglo raste kako se povećava temperatura izgaranja.
Prilikom eksplozije čak i stehiometrijske mješavine plina i zraka, značajna količina topline se troši na zagrijavanje dušika u mješavini, pa je temperatura eksplozije takvih mješavina mnogo niža od temperature eksplozije mješavine s kisikom. Dakle, tlak eksplozije stehiometrijske mješavine metana, etilena, acetona i metil etera
ra sa kiseonikom je 1,5 – 1,9 MPa, a njihove stehiometrijske mešavine sa vazduhom su 1,0 MPa.
Maksimalni pritisak eksplozije koristi se u proračunima otpornosti opreme na eksploziju, kao iu proračunima sigurnosni ventili, eksplozivne membrane i kućišta električne opreme otporne na eksploziju.
Eksplozijski tlak P adult (u MPa) mješavine plina i zraka izračunava se pomoću formule
,
gde je P 0 – početni pritisak eksplozivne smeše, MPa; T0 i Texp – početna temperatura eksplozivne smjese i temperatura eksplozije, K; – broj molekula gasova produkta sagorevanja nakon eksplozije; – broj molekula gasova u smeši pre eksplozije.
Primjer 4.1 . Izračunajte pritisak za vreme eksplozije mešavine para etil alkohola i vazduha.
.
P 0 = 0,1 MPa; T odrasla osoba = 2933 K; T 0 = 273 + 27 = 300 K; = 2 + 3 + 11,28 = 16,28 mol; = 1 + 3 + 11,28 = 15,28 mol.
Teorija kaže da eksplozija mješavine plina ili pare i zraka nije trenutna pojava. Kada se izvor paljenja unese u zapaljivu smjesu, u području djelovanja izvora paljenja počinje reakcija oksidacije goriva sa oksidantom. Brzina reakcije oksidacije u nekom elementarnom volumenu ove zone dostiže maksimum - dolazi do sagorijevanja. Sagorevanje na granici elementarne zapremine sa medijumom naziva se front plamena. Prednja strana plamena ima oblik kugle. Debljina fronta plamena, prema proračunima Ya.B. Zeldovich , jednaka 1-100 mikrona. Iako je debljina zone sagorevanja mala, dovoljna je da dođe do reakcije sagorevanja. Temperatura fronta plamena usled toplote reakcije sagorevanja je 1000-3000°C i zavisi od sastava zapaljive smeše.
Kako se front plamena kreće, temperatura nesagorenog dijela zapaljive mješavine raste kako se povećava pritisak smjese. U blizini fronta plamena, temperatura smjese se također povećava, što je posljedica
prijenos topline kondukcijom, difuzijom zagrijanih molekula i zračenjem. Na vanjskoj površini fronta plamena ova temperatura je jednaka temperaturi samozapaljenja zapaljive smjese.
Nakon paljenja zapaljive mješavine, sferni oblik plamena se vrlo brzo izobličuje i sve više rasteže prema smjesi koja još nije zapaljena. Izduženje fronta plamena i brzo povećanje njegove površine praćeno je povećanjem brzine kretanja središnjeg dijela plamena. Ovo ubrzanje se nastavlja sve dok plamen ne dodirne zidove cijevi ili se, u svakom slučaju, približi zidu cijevi. U ovom trenutku veličina plamena se naglo smanjuje, a ostaje samo mali dio plamena koji pokriva cijeli poprečni presjek cijevi. Proširivanje fronta plamena
i njegovo intenzivno ubrzanje neposredno nakon paljenja od iskre, kada plamen još nije dosegao zidove cijevi, uzrokovani su povećanjem volumena produkata izgaranja. Dakle, u početnoj fazi procesa formiranja fronta plamena, bez obzira na stupanj zapaljivosti plinske mješavine, dolazi do ubrzanja i naknadnog kočenja plamena, a to kočenje će biti veće što je veća brzina plamena.
Na razvoj narednih faza sagorevanja utiče dužina cevi. Izduženje cijevi dovodi do pojave vibracija i stvaranja ćelijske strukture plamena, udarnih i detonacijskih valova.
Iz zavisnosti može se odrediti širina zone grijanja (u cm).
1 = a/ v
Gdje A- koeficijent termičke difuzivnosti; v- brzina širenja plamena.
Linearna brzina kretanja v(u m/s) može se odrediti formulom
V = V t /
Gdje V t- masena brzina sagorijevanja, g/(s m3); - gustina početne zapaljive smjese, kg/m 3.
Linearna brzina kretanja fronta plamena nije konstantna, ona varira u zavisnosti od sastava. Smjese i primjese inertnih (nezapaljivih) plinova, temperatura smjese, promjer cijevi, itd. Maksimalna brzina širenja plamena se ne opaža pri stehiometrijskoj koncentraciji smjese, već u mješavini s viškom goriva. Kada se inertni plinovi uvedu u zapaljivu smjesu, brzina širenja plamena se smanjuje. To se objašnjava smanjenjem temperature sagorijevanja smjese, jer se dio topline troši na zagrijavanje inertnih nečistoća koje ne sudjeluju u reakciji.
Kako se promjer cijevi povećava, brzina širenja plamena raste neravnomjerno. Kada se promjer cijevi poveća na 0,1-0,15 m, brzina se povećava prilično brzo. Temperatura se povećava sve dok prečnik ne dostigne određeni maksimalni prečnik,
iznad kojih ne dolazi do povećanja brzine. Kako se promjer cijevi smanjuje, brzina širenja plamena se smanjuje, a pri određenom malom promjeru plamen se ne širi u cijevi. Ovaj fenomen se može objasniti povećanjem toplinskih gubitaka kroz zidove
cijevi.
Stoga, da bi se zaustavilo širenje plamena u zapaljivoj mješavini, potrebno je na ovaj ili onaj način sniziti temperaturu smjese, hlađenjem posude (u našem primjeru cijevi) izvana ili razrjeđivanjem smjese. sa hladnim inertnim gasom.
Normalna brzina širenja plamena je relativno mala (ne više od desetina metara u sekundi), ali se u nekim uslovima plamen u cijevima širi ogromnom brzinom (od 2 do 5 km/s), premašujući brzinu zvuka u dato okruženje. Ova pojava je nazvana detonacija. Karakteristične karakteristike detonacije su sljedeće:
1) konstantna brzina sagorevanja bez obzira na prečnik cevi;
2) visok pritisak plamena izazvan detonacionim talasom, koji može premašiti 50 MPa u zavisnosti od hemijske prirode zapaljive smeše i početnog pritiska; Štoviše, zbog velike brzine gorenja, razvijeni tlak ne ovisi o obliku, kapacitetu i nepropusnosti posude (ili cijevi).
Kako se plamen ubrzava, povećava se i amplituda udarnog vala, a temperatura kompresije dostiže temperaturu samozapaljenja smjese.
Povećanje ukupne količine sagorjelog plina u jedinici vremena objašnjava se činjenicom da se u mlazu s promjenjivom brzinom poprečnog presjeka fronta plamena savija, zbog čega se njegova površina povećava, a količina tvari za izgaranje proporcionalno raste .
Kada mješavine plina izgaraju u zatvorenom volumenu, proizvodi izgaranja ne obavljaju rad; Energija eksplozije se troši samo na zagrijavanje produkata eksplozije. U ovom slučaju, ukupna energija se definira kao zbir unutrašnje energije eksplozivne smjese Q ekst.en.cm. i toplota sagorevanja date supstance ΔQ g. Vrijednost Q ekst.en.cm. jednak zbroju proizvoda toplotnih kapaciteta komponenti eksplozivne smjese pri konstantnoj zapremini na početnu temperaturu
temperatura smeše
Q ext.en.cm. = C 1 T + C 2 T + …+ C p T
gdje su C 1, C 2, C p specifični toplinski kapaciteti komponenti koje čine
eksplozivna smeša, kJ/(kg K); T - početna temperatura smjese, K.
Temperatura eksplozije mješavine plina pri konstantnoj zapremini izračunava se korištenjem iste metode kao i temperatura izgaranja mješavine pri konstantnom pritisku.
Temperatura eksplozije se koristi za određivanje tlaka eksplozije. Pritisak prilikom eksplozije gasno-vazduh mešavine u zatvorenoj zapremini zavisi od temperature eksplozije i odnosa broja molekula produkata sagorevanja i broja molekula u eksplozivnoj smeši. Kada eksplodiraju mješavine plina i zraka, tlak obično ne prelazi 1,0 MPa ako je početni tlak mješavine bio normalan. Prilikom zamjene zraka u eksplozivnoj smjesi kisikom, tlak eksplozije naglo raste kako se povećava temperatura izgaranja.
Eksplozijski pritisak stehiometrijskih smeša metana, etilena, acetona i
metil etar sa kiseonikom je 1,5 - 1,9 MPa, a stehiometrijske smeše sa vazduhom 1,0 MPa.
Maksimalni pritisak eksplozije koristi se u proračunima otpornosti opreme na eksploziju, kao i u proračunima sigurnosnih ventila, eksplozivnih membrana i kućišta električne opreme otporne na eksploziju. Eksplozivni pritisak R odrasle (u MPa) mješavine plina i zraka izračunavaju se pomoću formule
R odrasla osoba =
Gdje p 0- početni pritisak eksplozivne smeše, MPa; T 0 I T odrasla osoba- početna temperatura eksplozivne smjese i temperatura eksplozije, K;
Broj molekula plinova produkta izgaranja nakon eksplozije;
- broj molekula gasova u smeši pre eksplozije.
1 Metoda se sastoji u određivanju gornje granice za maksimalnu i prosječnu brzinu povećanja tlaka eksplozije mješavine plina i pare i zraka u sfernoj reakcionoj posudi konstantne zapremine.
Gornja granica za maksimalnu brzinu porasta pritiska u kPa s -1 izračunava se pomoću formule
Gdje str i-početni pritisak, kPa;
S I. i- normalna brzina širenja plamena pri početnom pritisku i temperaturi, m s -1;
a- radijus sferne reakcijske posude, m;
Bezdimenzionalni maksimalni pritisak eksplozije;
R -maksimalni apsolutni pritisak eksplozije, kPa;
I-adijabatski indeks za ispitivanu smjesu;
-termokinetički eksponent u zavisnosti od normalne brzine širenja plamena na pritisak i temperaturu. Ako vrijednost nepoznato, uzima se jednakim 0,4.
Gornja granica za prosječnu brzinu povećanja tlaka u kPa s -1 izračunava se korištenjem formule
,
(98)
gdje je funkcija parametara e , I , , čije se vrijednosti nalaze pomoću nomograma prikazanih na Sl. 26 i 27.
Vrijednosti e I I nalaze se termodinamičkim proračunom ili, ako je proračun nemoguć, uzimaju se jednakima 9,0 i 1,4, respektivno.
Relativna srednja kvadratna greška izračunavanja po formulama (97) i (98) ne prelazi 20%.
2. Maksimalna brzina porasta pritiska eksplozije smeše gasa i pare i vazduha za supstance koje se sastoje od atoma C, H, O, N, S, F, Cl izračunava se po formuli
,
(99)
Gdje V-zapremina reakcione posude, m3.
Relativna srednja kvadratna greška proračuna po formuli (99) ne prelazi 30%.
Metoda za eksperimentalno određivanje uslova za termičko spontano sagorevanje čvrstih materija i materijala
1. Oprema.
Oprema za određivanje uslova termičkog spontanog sagorevanja uključuje sledeće elemente.
1.1. Termostat s kapacitetom radne komore od najmanje 40 dm 3 s termostatom koji vam omogućava održavanje konstantne temperature od 60 do 250 °C s greškom ne većom od 3 °C.
1.2. Korpe od metala otpornog na koroziju kubičnog ili cilindričnog oblika visine 35, 50, 70, 100, 140 i 200 mm (10 komada svake veličine) sa poklopcima. Prečnik cilindrične korpe treba da bude jednak njenoj visini. Debljina stijenke korpe je (1,0±0,1) mm.
1.3. Termoelektrični pretvarači (najmanje 3) sa maksimalnim prečnikom radnog spoja ne većim od 0,8 mm.
2. Priprema za test.
2.1. Izvršite test kalibracije da odredite korekciju ( t T) na očitavanja termoelektričnih pretvarača 2 I 3 . Da biste to učinili, stavite korpu s nezapaljivom tvari (na primjer, kalcinirani pijesak) u termostat zagrijan na datu temperaturu. Termoelektrični pretvarači (slika 2) su postavljeni tako da je radni spoj jednog termoelektričnog pretvarača u kontaktu sa uzorkom i nalazi se u njegovom centru, drugog je u kontaktu sa spoljnom stranom korpe, a trećeg je u kontaktu sa uzorkom. na udaljenosti od (30±1) mm od zida korpe. Radni spojevi sva tri termoelektrična pretvarača moraju biti smješteni na istom horizontalnom nivou, koji odgovara središnjoj liniji termostata.
1 , 2 , 3 -radni spojevi termoelektričnih pretvarača.
Korpa sa nezapaljivom supstancom se drži u termostatu dok se ne uspostavi stacionarni režim u kojem se očitaju sve termoelektrične
pretvarači ostaju nepromijenjeni 10 minuta ili fluktuiraju sa konstantnom amplitudom oko prosječnih temperatura t 1 , t 2 , t 3 . Izmjena t T se izračunava pomoću formule
,
(100)
2.2. Ispitni uzorci moraju karakterizirati prosječna svojstva supstance (materijala) koja se ispituje. Prilikom testiranja pločastog materijala on se skuplja u hrpu koja odgovara unutrašnjim dimenzijama korpe. U uzorcima monolitnih materijala, rupa promjera (7,0 ± 0,5) mm za termoelektrični pretvarač je prethodno izbušena do centra.
Federalna agencija za obrazovanje Ruske Federacije
Država obrazovne ustanove visoko stručno obrazovanje
"Ufa državni naftni tehnički univerzitet"
Odjeljenje za industrijsku sigurnost i zaštitu na radu
Test na temu:
Teorija sagorevanja i eksplozije
1. Teorijska pitanja o eksploziji
U tehnološkim procesima povezanim sa ekstrakcijom, transportom, preradom, proizvodnjom, skladištenjem i upotrebom zapaljivih gasova (GG) i zapaljivih tečnosti (FLL), uvek postoji opasnost od stvaranja eksplozivnih gasova i mešavina pare i vazduha.
Eksplozivno okruženje može nastati mešavinama supstanci (gasova, para, prašine) sa vazduhom i drugim oksidacionim agensima (kiseonik, ozon, hlor, azotni oksidi, itd.) i supstancama sklonim eksplozivnoj transformaciji (acetilen, ozon, hidrazin itd. .).
Najčešći uzroci eksplozija su kršenje pravila za siguran rad opreme, curenje plina kroz curenje na priključcima, pregrijavanje uređaja, prekomjerno povećanje tlaka, nedostatak odgovarajuće kontrole nad tehnološki proces, puknuće ili kvar dijelova opreme itd.
Izvori iniciranja eksplozije su:
otvoreni plamen, zapaljena i vruća tijela;
električna pražnjenja;
Toplinske manifestacije hemijskih reakcija i mehaničkih efekata;
varnice od udara i trenja:
udarni talasi;
Elektromagnetno i drugo zračenje.
Prema PB 09-540-03 Eksplozija je:
I. Proces brzog oslobađanja potencijalne energije povezan s iznenadnom promjenom stanja tvari i praćen udarom pritiska ili udarnim valom.
2. Kratkotrajno oslobađanje unutrašnje energije, stvarajući višak pritiska
Eksplozija se može desiti sa ili bez sagorevanja (proces oksidacije).
Parametri i svojstva koja karakteriziraju eksplozivnost okoline:
Tačka paljenja;
Granice koncentracije i temperature paljenja;
Temperatura samopaljenja;
Normalna brzina širenja plamena;
Minimalni eksplozivni sadržaj kiseonika (oksidaciono sredstvo);
Minimalna energija paljenja;
Osetljivost na mehanički stres (udar i trenje). Opasno i štetni faktori utiče na radnike
kao posledica eksplozije su:
Udarni val na čijoj prednjoj strani tlak prelazi dozvoljenu vrijednost;
Srušene konstrukcije, oprema, komunikacije, zgrade i konstrukcije i njihovi leteći dijelovi;
Nastaje tokom eksplozije i (ili) oslobađa se od oštećene opreme štetne materije, čiji sadržaj u vazduhu radni prostor prelazi maksimalno dozvoljene koncentracije.
Glavni faktori koji karakterišu opasnost od eksplozije:
Maksimalni pritisak i temperatura eksplozije;
Brzina porasta pritiska tokom eksplozije;
Pritisak na prednjoj strani udarnog vala;
Drobljiva i visokoeksplozivna svojstva eksplozivnih sredina.
Za vrijeme eksplozije, početna potencijalna energija tvari pretvara se u pravilu u energiju zagrijanih komprimiranih plinova, koja se zauzvrat, kada se šire, pretvara u energiju kretanja, kompresije i zagrijavanja medija. Dio energije ostaje u obliku unutrašnje (toplotne) energije ekspandiranih plinova.
Ukupna količina energije koja se oslobađa tokom eksplozije određuje opšte parametre (volumen, površinu) uništenja. Koncentracija energije (energija po jedinici zapremine) određuje intenzitet razaranja na izvoru eksplozije. Ove karakteristike, zauzvrat, zavise od brzine oslobađanja energije od strane eksplozivnog sistema, uzrokujući eksplozijski talas.
Eksplozije, koje se najčešće susreću u istražnoj praksi, mogu se podijeliti u dvije glavne grupe: hemijske i fizičke eksplozije.
Hemijske eksplozije obuhvataju procese hemijske transformacije supstance, koji se manifestuju sagorevanjem i koje karakteriše oslobađanje toplotne energije u kratkom vremenskom periodu i u takvoj zapremini da se formiraju talasi pritiska koji se šire od izvora eksplozije.
Fizičke eksplozije uključuju procese koji dovode do eksplozije i nisu povezani s kemijskim transformacijama tvari.
Slučajne eksplozije najčešće su uzrokovane procesima izgaranja. Eksplozije ove vrste najčešće nastaju prilikom skladištenja, transporta i proizvodnje eksploziva. Održavaju se:
Pri rukovanju eksplozivima i eksplozivnim materijama hemijske i petrohemijske industrije;
Za curenje prirodni gas u stambenim zgradama;
tokom proizvodnje, transporta i skladištenja lako isparljivih ili tečnih zapaljivih materija;
prilikom pranja rezervoara za tečno gorivo;
u proizvodnji, skladištenju i upotrebi sistema zapaljive prašine i nekih spontano zapaljivih čvrstih i tečnih materija.
Karakteristike hemijske eksplozije
Postoje dvije glavne vrste eksplozija: eksplozija kondenzovanog eksploziva i volumetrijska eksplozija (eksplozija para mješavine prašine i plina). Eksplozije kondenzovanog eksploziva izazivaju svi čvrsti eksplozivi i relativno mali broj tečnih eksploziva, uključujući nitroglicerin. Takvi eksplozivi obično imaju gustinu od 1300-1800 kg/m3, ali primarni eksplozivi koji sadrže olovo ili živu imaju mnogo veću gustoću.
Reakcije razgradnje:
Najjednostavniji slučaj eksplozije je proces raspadanja sa stvaranjem gasovitih produkata. Na primjer, razlaganje vodikovog peroksida s velikim toplinskim efektom i stvaranje vodene pare i kisika:
2H2O2 → 2H2O2 + O2 + 106 kJ/mol
Vodikov peroksid je opasan već od koncentracije od 60%.
Razgradnja trenjem ili udarcem olovnog azida:
Pb(N3)2 → Pb -ʹ 3N2 + 474 kJ/mol.
Trinitrotoluen (TNT) je supstanca sa "nedostatkom kiseonika" i stoga je jedan od njegovih glavnih proizvoda razgradnje ugljenik, koji doprinosi stvaranju dima tokom eksplozija TNT-a.
Supstance sklone eksplozivnom raspadanju gotovo uvijek sadrže jednu ili više karakterističnih kemijskih struktura odgovornih za nagli razvoj procesa s oslobađanjem velika količina energije. Ove strukture uključuju sljedeće grupe:
NO2 i NO3 - u organskim i neorganskim supstancama;
N=N-N - u organskim i neorganskim azidima;
NX3, gdje je X halogen,
N=C u fulminatima.
Na osnovu zakona termohemije, čini se da je moguće identifikovati jedinjenja čiji proces raspadanja može biti eksplozivan. Jedan od odlučujućih faktora koji određuju potencijalnu opasnost sistema je prevalencija njegove unutrašnje energije u početnom stanju u odnosu na konačno stanje. Ovaj uslov je ispunjen kada se toplota apsorbuje (endotermna reakcija) tokom formiranja supstance. Primjer odgovarajućeg procesa je formiranje acetilena iz elemenata:
2C + H2 → CH=CH - 242 kJ/mol.
Neeksplozivne tvari koje gube toplinu tijekom formiranja (egzotermna reakcija) uključuju, na primjer, ugljični dioksid
C + O2 → CO2 + 394 kJ/mol.
Treba uzeti u obzir da nam primjena zakona termohemije omogućava samo identifikaciju mogućnosti eksplozivnog procesa. Njegova implementacija ovisi o brzini reakcije i formiranju hlapljivih proizvoda. Na primjer, reakcija parafina svijeća s kisikom, unatoč svojoj visokoj egzotermnosti, ne dovodi do eksplozije zbog svoje male brzine.
Reakcija 2Al+ 4AC2O2 → Al2O3 + 2Fe sama po sebi, uprkos svojoj visokoj egzotermnosti, takođe ne dovodi do eksplozije, jer se ne stvaraju gasoviti produkti.
Redoks reakcije, koje čine osnovu reakcija sagorevanja, iz tog razloga mogu dovesti do eksplozije samo u uslovima povoljnim za postizanje velike brzine reakcija i porast pritiska. Sagorijevanje visoko raspršenih čvrste materije i tečnosti mogu dovesti, u uslovima zatvorene zapremine, do povećanja viška pritiska do 8 bara.Relativno retko, na primer u sistemima sa tečnim vazduhom, gde je aerosol magla uljnih kapljica.
U reakcijama egzotermne polimerizacije i prisutnosti hlapljivog monomera, često se postiže faza u kojoj može doći do opasnog povećanja tlaka; za neke tvari kao što je etilen oksid, polimerizacija može početi u sobnoj temperaturi posebno kada su polazna jedinjenja kontaminirana supstancama koje ubrzavaju polimerizaciju. Etilen oksid se također može egzotermno izomerizirati u acetaldehid:
CH2CH2O - CH3HC = O + 113,46 kJ/mol
Reakcije kondenzacije imaju široku primjenu u proizvodnji boja, lakova i smola i, zbog egzotermne prirode procesa i prisutnosti isparljivih komponenti, ponekad dovode do eksplozije
Saznati opšti uslovi, povoljan za nastanak sagorevanja i njegov prelazak u eksploziju, razmotrimo grafik (slika 1) zavisnosti razvijene temperature u zapaljivom sistemu od vremena u prisustvu zapreminskog oslobađanja toplote sa njim usled hemijske reakcije i toplote gubitak.
Ako zamislimo temperaturu T1 na grafikonu kao kritičnu tačku u kojoj dolazi do sagorevanja u sistemu, postaje očigledno da u uslovima u kojima gubitak toplote premašuje toplotni dobitak, do takvog sagorevanja ne može doći. Ovaj proces počinje tek kada se postigne jednakost između brzina oslobađanja topline i gubitka topline (u tački tangente odgovarajućih krivulja), a zatim se može ubrzati s povećanjem temperature i. samim tim, pritisak prije eksplozije.
Dakle, u prisustvu uslova povoljnih za toplotnu izolaciju, pojava egzotermne reakcije u zapaljivom sistemu može dovesti ne samo do sagorevanja, već i do eksplozije.
Rezultirajuće nekontrolirane reakcije koje pogoduju eksploziji nastaju zbog činjenice da je brzina prijenosa topline, na primjer, u posudama linearna funkcija temperaturne razlike između reakcione mase i rashladne tekućine, dok je brzina egzotermne reakcije i, pri tome, toplinski tok iz njega raste prema zakonu o stepenu s povećanjem početnih koncentracija reagensa i brzo raste s porastom temperature kao rezultat eksponencijalne ovisnosti brzine kemijske reakcije o temperaturi (Arrheniusov zakon). Ovi obrasci određuju najniže stope izgaranja mješavine i temperaturu na donjoj granici koncentracije paljenja. Kako se koncentracija goriva i oksidatora približava stehiometrijskim nivoima, brzina izgaranja i temperatura se povećavaju do maksimalnih nivoa.
Koncentracija gasa stehiometrijskog sastava - koncentracija zapaljivog gasa u mešavini sa oksidacionim medijumom, koja obezbeđuje potpunu hemijska reakcija mješavina goriva i oksidatora.
3. Osobine fizičke eksplozije
Fizičke eksplozije se obično povezuju s eksplozijama posuda zbog pritiska pare i žljebova. Štoviše, glavni razlog njihovog nastanka nije kemijska reakcija, već fizički proces uzrokovan oslobađanjem unutrašnja energija komprimovani ili tečni gas. Snaga takvih eksplozija ovisi o unutrašnjem pritisku, a uništenje je uzrokovano udarnim valom od širenja plina ili fragmenata puknute posude. Do fizičke eksplozije može doći ako, na primjer, prijenosna plinska boca pod pritiskom padne i ako se ventil za smanjenje tlaka pokvari. Pritisak tečnog gasa retko prelazi 40 bara (kritični pritisak većine konvencionalnih tečnih gasova).
Fizičke eksplozije uključuju i fenomen takozvane fizičke detonacije. Ovaj fenomen nastaje kada se pomiješaju tople i hladne tekućine, kada je temperatura jedne od njih znatno viša od točke ključanja druge (na primjer, izlivanje rastopljenog metala u vodu). U nastaloj smjesi para-tečnost isparavanje može nastati eksplozivno zbog razvijanja procesa fine flegmatizacije kapljica taline, brzog odvođenja topline iz njih i pregrijavanja hladne tekućine uz njeno snažno isparavanje.
Fizička detonacija je praćena pojavom udarnog talasa sa viškom pritiska u tečnoj fazi, koji u nekim slučajevima dostiže više od hiljadu atmosfera. Mnoge tečnosti se čuvaju ili koriste u uslovima u kojima pritisak njihove pare znatno premašuje atmosferski pritisak. U te tečnosti spadaju: ukapljeni zapaljivi gasovi (na primer, propan, butan), tečna rashladna sredstva amonijak ili freon, uskladištena na sobnoj temperaturi, metan, koji se mora čuvati na sniženoj temperaturi, pregrejana voda u parni kotlovi. Ako je posuda s pregrijanom tekućinom oštećena, para curi u okolni prostor i dolazi do brzog djelomičnog isparavanja tekućine. Ako para izlazi i širi se dovoljno brzo, u okolini se stvaraju udarni valovi. Uzroci eksplozije posuda koje sadrže plinove i pare pod pritiskom su:
Kršenje integriteta kućišta zbog kvara bilo koje komponente, oštećenja ili korozije zbog nepravilnog rada;
Pregrijavanje posude zbog poremećaja električnog grijanja ili načina rada uređaja za izgaranje (u tom slučaju se povećava tlak unutar posude, a snaga tijela se smanjuje do stanja u kojem dolazi do oštećenja);
Eksplozija posude kada je dozvoljeni pritisak prekoračen.
Eksplozije plinskih kontejnera praćene sagorijevanjem u atmosferi u osnovi sadrže iste razloge koji su gore opisani i karakteristični su za fizičke eksplozije. Glavna razlika je formiranje u ovom slučaju vatrene lopte, čija veličina ovisi o količini plinovitog goriva ispuštenog u atmosferu. Ova količina ovisi, pak, o fizičkom stanju u kojem se plin nalazi u posudi. Kada se gorivo drži u gasovitom stanju, njegova količina će biti mnogo manja nego ako se čuva u istoj posudi u tečnom obliku. Parametri eksplozije koji određuju njene posljedice uglavnom su određeni prirodom distribucije energije u području eksplozije i njenom distribucijom kako se eksplozijski talas širi od izvora eksplozije.
4. Energetski potencijal
Eksplozija ima veliku razornu moć. Najvažnija karakteristika eksplozija je ukupna energija materije. Ovaj indikator se naziva energetski potencijal opasnosti od eksplozije, uključen je u sve parametre koji karakteriziraju razmjer i posljedice eksplozije.
U slučaju hitnog smanjenja pritiska uređaja dolazi do njegovog potpunog otvaranja (uništenja);
Područje prolivene tečnosti određuje se na osnovu konstruktivna rješenja zgrade ili mjesta za postavljanje na otvorenom;
Pretpostavlja se da vrijeme isparavanja nije duže od 1 sata:
E= EII1+ EII2+ EII1+ EII2+ EII3+ EII4,
opasnost od eksplozije vatrogasne sobe
gde je EI1 zbir energija adijabatskog širenja i sagorevanja parno-gasne faze (PGPC direktno lociran u bloku, kJ;
EI2 je energija sagorevanja GPF-a dovedena u područje bez pritiska iz susjednih objekata (blokova), kJ;
EII1 je energija sagorevanja GTHF-a generisana usled energije pregrejanog tečnog fluida razmatranog bloka i primljena od susednih objekata kJ;
EII2 je energija sagorevanja PHF nastalog iz tečne faze (LP) usled toplote egzotermnih reakcija koje se ne zaustavljaju tokom smanjenja pritiska, kJ;
EII3 je energija sagorevanja PHF. formiran iz tečnog fluida usled priliva toplote iz spoljašnjih rashladnih tečnosti, kJ;
EII4 je energija sagorevanja PHF koja nastaje iz tečnog fluida prolivenog na čvrstu površinu (pod, paleta, tlo, itd.) usled prenosa toplote iz okruženje(od čvrste površine i vazduha, do tečnosti duž njene površine), kJ.
Na osnovu vrijednosti općih energetskih potencijala opasnosti od eksplozije određuju se vrijednosti smanjene mase i relativnog energetskog potencijala koje karakteriziraju opasnost od eksplozije tehnoloških jedinica.
Smanjena masa je ukupna masa zapaljivih para (gasova) eksplozivnog oblaka pare i gasa, svedena na jednu specifičnu energiju sagorevanja jednaku 46000 kJ/kg:
Relativni energetski potencijal opasnosti od eksplozije Qv tehnološke jedinice, koji karakteriše ukupnu energiju sagorevanja i može se naći proračunom po formuli:
gdje je E ukupan energetski potencijal opasnosti od eksplozije tehnološke jedinice.
Na osnovu vrijednosti relativnih energetskih potencijala Ov prema reduciranoj masi parogasnog medija m, kategorizirani su tehnološki blokovi. Pokazatelji kategorije opasnosti od eksplozije za procesne jedinice dati su u tabeli 1.
Tabela br.
| Kategorija eksplozije | Ov | m |
| I | >37 | >5000 |
| II | 27 − 37 | 2000−5000 |
| III | <27 | <2000 |
5. TNT ekvivalent. Prevelik pritisak na frontu udarnog talasa
Za procjenu nivoa uticaja slučajnih i namjernih poremećaja, široko se koristi metoda procjene ekvivalenta TNT-a. Prema ovoj metodi, stepen razaranja karakteriše TNT ekvivalent, pri čemu se određuje masa TNT-a koja je potrebna da izazove dati nivo razaranja.TNT ekvivalent eksplozije paro-gasnog okruženja Wτ(kg) određuje se prema uslovima adekvatnosti prirode i stepena rezolucije u eksplozijama paro-gasnih oblaka, kao i čvrstih i tečnih hemijski nestabilnih jedinjenja, izračunatih po formulama:
1 Za parno-gasne medije
q/ − specifična toplota sagorevanja parogasnog medija, kJ kg,
qT je specifična energija eksplozije TNT kJ/kg.
2 Za čvrsta i tečna hemijski nestabilna jedinjenja
gde je Wk masa čvrstih i tečnih hemijski nestabilnih jedinjenja; qk je specifična energija eksplozije čvrstih i tečnih hemijski nestabilnih jedinjenja. U proizvodnji, kada eksplodira mješavina plina i zraka, pare i zraka ili prašine, nastaje udarni val. Stepen rezolucije građevinskih konstrukcija, opreme, mašina i komunikacija, kao i oštećenja ljudi, zavisi od viška pritiska na frontu udarnog talasa ΔRF (razlika između maksimalnog pritiska na frontu udarnog talasa i normalnog atmosferskog pritiska ispred ovaj front).
Proračuni za procjenu djelovanja zapaljivih kemijskih plinova i tekućina svode se na određivanje viška tlaka na fronti udarnog vala (ΔRF) prilikom eksplozije mješavine plina i zraka na određenoj udaljenosti od posude u kojoj se nalazi određena količina eksploziva. smjesa se čuva.
6. Proračun za određivanje viška tlaka eksplozije
Proračun viška tlaka eksplozije za zapaljive plinove, zapaljive pare i zapaljive tekućine vrši se prema metodologiji utvrđenoj u NPB 105-03 „Određivanje kategorija prostorija, zgrada i vanjskih instalacija za opasnost od eksplozije i požara“.
Zadatak: odrediti višak tlaka eksplozije sumporovodika u prostoriji.
Početni uslovi
Vodikov dioksid je stalno prisutan u aparatu od 20 m3. Uređaj se nalazi na podu. Ukupna dužina cevovoda prečnika 50 mm, ograničenih ventilima (ručnim) postavljenim na ulaznim i izlaznim delovima cevovoda, iznosi 15 m. Potrošnja sumporovodika u cevovodima je 4·10-3 m3/s. . Dimenzije prostorije su 10x10x4 m.
Prostorija ima ventilaciju u slučaju nužde sa brzinom izmjene zraka od 8 h-1. Hitna ventilacija je obezbeđena rezervnim ventilatorima, automatskim uključivanjem pri prekoračenju maksimalno dozvoljene koncentracije eksploziva i napajanjem po prvoj kategoriji pouzdanosti (PUE). Uređaji za uklanjanje zraka iz prostorije nalaze se u neposrednoj blizini mjesta moguće nesreće.
Glavne građevinske konstrukcije objekta su armiranobetonske.
Opravdanost opcije dizajna
Prema NPB 105-03, kao projektnu verziju udesa treba uzeti najnepovoljniju verziju nesreće, koja uključuje najveći broj materija koje su najopasnije po posljedicama eksplozije.
A kao opcija dizajna usvojena je opcija smanjenja pritiska posude sa sumporovodikom i oslobađanja i ulaznih i izlaznih cevovoda sumporovodika u zapreminu prostorije.
1) Prekomjerni tlak eksplozije za pojedinačne zapaljive tvari koje se sastoje od atoma C, H, O, N, Cl, Br, I, F određuje se formulom
(1)
gde je maksimalni pritisak eksplozije stehiometrijske mešavine gas-vazduh ili pare-vazduh u zatvorenoj zapremini, određen eksperimentalno ili iz referentnih podataka u skladu sa zahtevima tačke 3. NPB-105-03. U nedostatku podataka, dozvoljeno je uzeti jednak 900 kPa;
Početni pritisak, kPa (dozvoljeno da bude jednak 101 kPa);
Masa zapaljivog gasa (GG) ili zapaljivih para (FLV) i zapaljivih tečnosti (FL) ispuštenih u prostoriju kao posledica udesa, kg;
Koeficijent učešća goriva u eksploziji, koji se može izračunati na osnovu prirode distribucije gasova i para u zapremini prostorije prema primeni. Dozvoljeno je uzeti vrijednost prema tabeli. 2 NPB 105-03. Uzimam da je 0,5;
Volumen slobodnog prostora, ;
Maksimalna apsolutna temperatura zraka za grad Ufa uzima se kao projektna temperatura, jednaka 39°C (prema SNiP 23-01-99 „Klimatologija zgrade“).
Ispod je proračun vrijednosti potrebnih za određivanje viška tlaka eksplozije sumporovodika u prostoriji.
Gustina vodonik sulfida na projektnoj temperaturi:
gdje je M molarna masa vodonik sulfida, 34,08 kg/kmol;
v0 – molarna zapremina jednaka 22,413 m3/kmol;
0,00367− koeficijent termičkog širenja, deg -1;
tp – projektna temperatura, 390C (apsolutna maksimalna temperatura vazduha za grad Ufu).
Stehiometrijska koncentracija sumporovodika izračunava se pomoću formule:
;
gdje je β stehiometrijski koeficijent kisika u reakciji sagorijevanja;
nc, nn, n0, nh, je broj C, H, O atoma i halogena u molekulu goriva;
Za vodonik sulfid (H2S) nc= 1, nn = 4, n0 = 0, nh = 0, dakle,
Zamjenom pronađene vrijednosti β dobijamo vrijednost stehiometrijske koncentracije sumporovodika:
Zapremina sumporovodika koji ulazi u prostoriju tokom projektne nezgode sastoji se od zapremine gasa koji izlazi iz aparata i zapremine gasa koji izlazi iz cevovoda pre zatvaranja ventila i nakon zatvaranja ventila:
gdje je Va zapremina gasa koji izlazi iz aparata, m3;
V1T je zapremina gasa ispuštenog iz cjevovoda prije isključivanja, m3;
V2T je zapremina gasa ispuštenog iz cjevovoda nakon njegovog isključivanja, m3;
gde je q protok tečnosti, određen u skladu sa tehnološkim propisima, m3/s;
T je trajanje protoka gasa u zapreminu prostorije, određeno prema tački 38. NPB 105-03 s;
gdje je d unutrašnji prečnik cjevovoda, m;
Ln je dužina cjevovoda od aparata za hitne slučajeve do ventila, m;
Dakle, količina vodonik sulfida koja ulazi u prostorije tokom razmatranog scenarija nesreće:
Masa vodonik sulfida u prostoriji:
U slučaju kruženja zapaljivih plinova, zapaljivih ili zapaljivih plinova, zapaljivih ili zapaljivih tekućina u prostoriji pri određivanju vrijednosti mase, dozvoljeno je uzeti u obzir rad ventilacije u slučaju nužde ako je opremljena pomoćnim ventilatorima, automatskim startom. - gore kada je prekoračena maksimalno dozvoljena protueksplozivna koncentracija i napajanje po prvoj kategoriji pouzdanosti (PUE) ), pod uslovom da se uređaji za odvođenje zraka iz prostorije nalaze u neposrednoj blizini mjesta mogućeg udesa.
U tom slučaju, masu zapaljivih gasova ili para zapaljivih ili zapaljivih tečnosti, zagrejanih do tačke paljenja i više, koja ulazi u zapreminu prostorije treba podeliti sa koeficijentom koji je određen formulom
gdje je brzina izmjene zraka stvorena ventilacijom u slučaju nužde, 1/s. Ova prostorija ima ventilaciju sa brzinom izmjene zraka od 8 (0,0022s);
Trajanje ulaska zapaljivih gasova i para zapaljivih i zapaljivih tečnosti u zapreminu prostorije, s, uzima se 300 s. (klauzula 7 NPB 105-03)
Masa sumporovodika prisutnog u prostoriji tokom razmatranog scenarija nesreće:
Rezultati proračuna eksplozije
| Opcija br. | Zapaljivi gas |
Vrijednost, kPa | ||
| Hidrogen sulfid | 5 | Prosječna šteta na zgradama | ||
Table. Maksimalni dozvoljeni višak pritiska pri sagorevanju gasa, pare ili mešavine prašine i vazduha u zatvorenom ili na otvorenom prostoru
Početni i izračunati podaci su sažeti u tabeli 2.
Tabela 2 - Početni i izračunati podaci
| br. | Ime | Oznaka | Magnituda |
| 1 | Supstanca, njeno ime i formula | Hidrogen sulfid | H2S |
| 2 | Molekulska masa, kg kmol-1 | M | 34,08 |
| 3 | Gustina tečnosti, kg/m3 | ρzh | - |
| 4 | Gustina plina na projektnoj temperaturi, kg/m3 | ρg | 1,33 |
| 5 | Temperatura okoline (zrak prije eksplozije), 0C | T0 | 39 |
| 6 | Pritisak zasićene pare, kPa | Rn | 28,9 |
| 7 | Stehiometrijska koncentracija, % vol. | Cst | 29,24 |
| 8 | Dimenzije sobe − dužina, m − širina, m − visina, m |
||
| 9 | Dimenzije cijevi: − prečnik, m −dužina, m |
||
| 10 | Protok heptana u cjevovodu, m3/s | q | 4·10-3 |
| 11 | Vrijeme zatvaranja ventila, s | t | 300 |
| 12 | Stopa ventilacije u slučaju nužde, 1/sat | A | 8 |
| 13 | Maksimalni pritisak eksplozije, kPa | Pmax | 900 |
| 14 | Početni pritisak, kPa | P0 | 101 |
| 15 | Propuštanje i neadijabatski koeficijent | Kn | 3 |
| 16 | Koeficijent učešća goriva u eksploziji | Z | 0,5 |
Prema NPB 105-2003, kategorije prostorija za opasnost od eksplozije i požara prihvaćene su u skladu sa tabelom 4.
| Kategorija sobe | Karakteristike supstanci i materijala koji se nalaze (kruže) u prostorijama |
I eksplozija i požar |
Zapaljivi gasovi, zapaljive tečnosti sa tačkom paljenja ne većom od 28 °C u takvim količinama da mogu da formiraju eksplozivne mešavine para i gasa, čijim paljenjem se razvija proračunati pritisak viška eksplozije u prostoriji, veći od 5 kPa. Tvari i materijali koji mogu eksplodirati i izgorjeti u interakciji s vodom, kisikom zraka ili jedni s drugima u takvim količinama da izračunati tlak viška eksplozije u prostoriji prelazi 5 kPa. |
|
opasna eksplozija i požar |
Zapaljiva prašina ili vlakna, zapaljive tečnosti sa tačkom paljenja većom od 28 °C, zapaljive tečnosti u takvim količinama da mogu formirati eksplozivne mešavine prašine-vazduh ili pare-vazduh, čijim paljenjem se razvija izračunati višak eksplozivnog pritiska u prostoriji preko 5 kPa. |
| B1-B4 opasan za požar | Zapaljive i lako zapaljive tekućine, čvrste zapaljive i lako zapaljive tvari i materijali (uključujući prašinu i vlakna), tvari i materijali koji u interakciji s vodom, kisikom zraka ili jedni s drugima mogu izgorjeti samo pod uslovom da prostorije u kojima nalaze se na zalihama ili u opticaju i ne pripadaju kategoriji A ili B. |
| G | Negorive tvari i materijali u vrućem, užarenom ili rastopljenom stanju, čija je obrada praćena oslobađanjem zračeće topline, iskri i plamena; zapaljivi gasovi, tečnosti i čvrste materije koje se sagorevaju ili odlažu kao gorivo. |
| D | Nezapaljive materije i materijali u hladnom stanju, |
Zaključak: Prostorija spada u kategoriju A, budući da je moguće da zapaljivi plin (vodonik sulfid) izađe u takvim količinama da može formirati eksplozivne mješavine para-gas-vazduh, čijim paljenjem nastaje proračunati višak eksplozivnog tlaka u prostoriji. , preko 5 kPa.
8. Određivanje vrijednosti energetskih indikatora opasnosti od eksplozije tehnološke jedinice za vrijeme eksplozije
Eksplozivni energetski potencijal E (kJ) bloka određen je ukupnom energijom sagorevanja parno-gasne faze koja se nalazi u bloku, uzimajući u obzir veličinu rada njegovog adijabatskog širenja, kao i veličinu energije potpunog sagorevanja isparene tečnosti iz najveće moguće površine njenog izlivanja, a smatra se:
1) u slučaju hitnog smanjenja pritiska uređaja dolazi do njegovog potpunog otvaranja (uništenja);
2) područje izlivanja tečnosti određuje se na osnovu projektnih rješenja objekata ili mjesta postavljanja na otvorenom;
3) pretpostavlja se da vrijeme isparavanja nije duže od 1 sata:
Zbir energija adijabatskog širenja A (kJ) i sagorevanja PHF koji se nalazi u bloku, kJ:
q" =23380 kJ/kg - specifična toplota sagorevanja HHF (vodonik sulfida);
26,9 - masa zapaljivog gasa
.
Da biste praktično odredili energiju adijabatskog širenja PHF-a, možete koristiti formulu
gdje se b1 - može uzeti iz tabele. 5. Sa adijabatskim indeksom k=1,2 i pritiskom 0,1 MPa, jednak je 1,40.
Tabela 5. Vrijednost koeficijenta b1 u zavisnosti od adijabatskog indeksa medija i pritiska u procesnoj jedinici
| Indeks | Pritisak u sistemu, MPa | |||||||||
| adijabate | 0,07-0,5 | 0,5-1,0 | 1,0-5,0 | 5,0-10,0 | 10,0-20,0 | 20,0-30,0 | 30,0-40,0 | 40,0-50,0 | 50,0-75,0 | 75,0-100,0 |
| k = 1.1 | 1,60 | 1,95 | 2,95 | 3,38 | 3,08 | 4,02 | 4,16 | 4,28 | 4,46 | 4,63 |
| k = 1.2 | 1,40 | 1,53 | 2,13 | 2,68 | 2,94 | 3,07 | 3,16 | 3,23 | 3,36 | 3,42 |
| k = 1.3 | 1,21 | 1,42 | 1,97 | 2,18 | 2,36 | 2,44 | 2,50 | 2,54 | 2,62 | 2,65 |
| k = 1.4 | 1,08 | 1,24 | 1,68 | 1,83 | 1,95 | 2,00 | 2,05 | 2,08 | 2,12 | 2,15 |
0 kJ je energija sagorevanja PHF-a dovedena u područje bez pritiska iz susjednih objekata (blokova), kJ. Nema susjednih blokova, tako da je ova komponenta nula.
0 kJ je energija sagorevanja PHF-a, generisana usled energije pregrejanog tečnog fluida razmatranog bloka i primljena od susednih objekata tokom vremena ti.
0 kJ je energija sagorevanja PHF nastalog iz tečnog fluida usled toplote egzotermnih reakcija koje se ne zaustavljaju tokom smanjenja pritiska.
0 kJ je energija sagorevanja PHF formiranog iz tečnog fluida usled priliva toplote iz spoljašnjih rashladnih tečnosti.
0 kJ je energija sagorevanja PHF koja nastaje iz tečnog fluida prosutog na čvrstu površinu (pod, paleta, tlo, itd.) usled prenosa toplote iz okoline (sa čvrste površine i vazduha u tečnost duž njene površine).
Eksplozivni potencijal bloka je jednak:
E=628923,51 kJ.
Na osnovu vrijednosti općih energetskih potencijala opasnosti od eksplozije E određuju se vrijednosti smanjene mase i relativnog energetskog potencijala koje karakteriziraju opasnost od eksplozije tehnoloških jedinica.
Ukupna masa zapaljivih para (gasova) eksplozivnog oblaka pare i gasa t, svedena na jednu specifičnu energiju sagorevanja jednaku 46.000 kJ/kg:
Relativni energetski potencijal opasnosti od eksplozije Qv tehnološke jedinice nalazi se proračunom po formuli
Na osnovu vrijednosti relativnih energetskih potencijala Qv i redukovane mase parno-gasnog medija m, kategorizirani su tehnološki blokovi. Indikatori kategorije su dati u tabeli. 5.
Tabela 4. Pokazatelji kategorija opasnosti od eksplozije tehnoloških jedinica
| Kategorija eksplozije | Qv | m, kg |
| I | > 37 | > 5000 |
| II | 27 - 37 | 2000 - 5000 |
| III | < 27 | < 2000 |
Zaključak: Prostorija spada u III kategoriju opasnosti od eksplozije, budući da ukupna masa eksplozivnog parno-gasnog oblaka sumporovodika svedenog na jednu specifičnu energiju sagorevanja iznosi 16,67 kg, relativni energetski potencijal opasnosti od eksplozije je 5,18.
9. Proračun eksplozivne koncentracije mješavine plina i zraka u prostoriji. Određivanje klase prostora prema opasnosti od eksplozije i požara prema elektro-elektrotehničkim propisima
Odredimo zapreminu eksplozivne koncentracije sumporovodika u prostoriji:
gdje je t masa smjese pare i zraka u prostoriji, kg,
LKPV - donja granica koncentracije paljenja, g/m3.
Koncentracija mješavine pare i zraka u prostoriji bit će:
gdje je VCM zapremina eksplozivne koncentracije vodonik sulfida u prostoriji, m3, VC6 je slobodna zapremina prostorije, m3.
Rezultati proračuna su prikazani u tabeli 6.
Tabela 6. Rezultati proračuna koncentracije mješavine plina i zraka
Prema PUE, predmetne prostorije spadaju u klasu B-Ia - zone koje se nalaze u prostorijama u kojima se tokom normalnog rada ne stvaraju eksplozivne mješavine zapaljivih plinova (bez obzira na donju granicu zapaljivosti) ili para zapaljive tekućine sa zrakom, ali su mogući samo kao rezultat nesreća i kvarova.
10. Određivanje zona uništenja tokom eksplozije. Klasifikacija zona oštećenja
Radijusi zona destrukcije prilikom eksplozije gasno-vazdušne mešavine određivani su prema metodologiji datoj u Prilogu 2 PB 09-540-03.
Masu para-gasnih supstanci (kg) uključenih u eksploziju određuje proizvod
gdje je z udio reducirane mase sumporovodika uključenog u eksploziju (za GG je jednak 0,5),
t – masa vodonik sulfida u prostoriji, kg.
TNT ekvivalent može se koristiti za procjenu nivoa izloženosti eksploziji. TNT ekvivalent eksplozije parno-gasne sredine WT (kg) određuje se prema uslovima adekvatnosti prirode i stepena destrukcije pri eksplozijama oblaka pare i gasa, kao i čvrstih i tečnih hemijski nestabilnih jedinjenja.
Za okruženja pare i plina izračunava se TNT ekvivalent eksplozije:
gdje je 0,4 udio energije eksplozije para-gasnog medija utrošenog direktno na formiranje udarnog vala;
0,9 – udio energije eksplozije trinitrotoluena (TNT) utrošen direktno na formiranje udarnog talasa;
q"—specifična toplota sagorevanja parogasnog medija, kJ/kg;
qT je specifična energija eksplozije TNT-a, kJ/kg.
Zonom razaranja smatra se područje sa granicama definisanim radijusima R, čiji je centar tehnološka jedinica koja se razmatra ili najvjerovatnije mjesto smanjenja pritiska tehnološkog sistema. Granice svake zone karakteriziraju se vrijednostima viška tlaka duž fronta udarnog vala AR i, shodno tome, bezdimenzionalnim koeficijentom K. Klasifikacija zona razaranja data je u tabeli 6.
Tabela 7. Stepen mogućeg uništenja pri eksplozivnoj transformaciji oblaka mješavine goriva i zraka
| Klasa zone loma | ΔR, kPa | TO | Zona uništenja | Karakteristike zahvaćenog područja |
| 1 | ≥100 | 3,8 | pun | Uništavanje i urušavanje svih elemenata zgrada i objekata, uključujući podrume, procenat ljudskog preživljavanja; Za upravne zgrade i upravne zgrade konvencionalnog dizajna - 30%; Za industrijske zgrade i objekte konvencionalnog dizajna - 0%. |
| 2 | 70 | 5,6 | jaka | Uništavanje dijela zidova i plafona gornjih spratova, stvaranje pukotina u zidovima, deformacija plafona donjih spratova. Moguće ograničeno korištenje preživjelih podruma nakon čišćenja ulaza. Stopa preživljavanja ljudi: Za upravne zgrade i upravne zgrade konvencionalnog dizajna - 85%: Za industrijske zgrade i konstrukcije konvencionalnog dizajna - 2% |
| 3 | 28 | 9,6 | prosjek | Uništavanje uglavnom sekundarnih elemenata (krovova, pregrada i ispuna vrata). Podovi se u pravilu ne urušavaju. Neki od prostorija su pogodni za korištenje nakon raščišćavanja ruševina i popravke. Procenat preživljavanja ljudi: - za upravne zgrade i kontrolne zgrade konvencionalnog dizajna - 94%. |
| 4 | 14 | 28 | slab | Uništavanje ispuna prozora i vrata i pregrada. Podrumski i donji spratovi su potpuno očuvani i pogodni za privremenu upotrebu nakon uklanjanja smeća i zaptivanja otvora. Procenat preživljavanja ljudi: - za administrativne i kontrolne zgrade konvencionalnog dizajna - 98%; industrijske zgrade i konstrukcije konvencionalnog dizajna - 90% |
| 5 | ≤2 | 56 | zastakljivanje | Uništavanje staklenih ispuna. Procenat preživjelih ljudi je 100% |
Radijus zone uništenja (m) općenito je određen izrazom:
gdje je K bezdimenzionalni koeficijent koji karakterizira utjecaj eksplozije na objekt.
Rezultati proračuna radijusa zona oštećenja prilikom eksplozije mješavine goriva i zraka u prostoriji prikazani su u tabeli 7.
Tabela 7 - Rezultati proračuna radijusa zona oštećenja
Spisak korištenih izvora
1. Beschastnov M.V. Industrijske eksplozije. Procjena i prevencija. - M. Hemija, 1991.
2. Sigurnost života, Sigurnost tehnoloških procesa i proizvodnje (Zaštita na radu): Udžbenik, Priručnik za univerzitete / P.P. Kukin, V.L. Lapin, N, L. Ponomarev i drugi, - M.,: Viši. skolska 2001,
3. PB 09-540-03 „Opća pravila zaštite od eksplozije za industriju opasne od požara i eksplozije hemijske, petrohemijske i prerade nafte.“
4. GOST 12.1,010-76* Sigurnost od eksplozije
5. NPB 105-03 “Definicija kategorija prostorija i zgrada, vanjskih instalacija za opasnost od eksplozije i požara.”
6. SNiP 23 -01-99 Građevinska klimatologija.
7. Opasnost od požara i eksplozije materija i materijala i sredstva za njihovo gašenje. Ed. A„ N. Baratova i A. Ya. Korolchenko. M., Hemija, 1990. 8. Pravila za projektovanje električnih instalacija. Ed. 7th.