Studiul proceselor de ardere a amestecurilor inflamabile de către oamenii de știință ruși și străini a făcut posibilă fundamentarea teoretică a multor fenomene care însoțesc procesul de ardere, inclusiv viteza de propagare a flăcării. Studierea vitezei de propagare a flăcării în amestecurile de gaze face posibilă determinarea vitezei sigure ale fluxurilor gaz-aer în conductele de ventilație, recuperare, aspirație și în conductele altor instalații prin care se transportă amestecurile gaz și praf-aer.
În 1889, omul de știință rus V.A. Michelson a considerat două cazuri limitative de propagare a flăcării în timpul arderii normale sau lente și în timpul detonării.
Teoria propagării normale a flăcării și a detonației a fost dezvoltată în continuare în lucrările lui N.N. Semenova, K.I. Shchelkina, D.A. Frank-Kamenetsky, L.N. Khitrina, A.S. Sokolika, V.I. Skobelkin și alți oameni de știință, precum și oamenii de știință străini B. Lewis, G. Elbe și alții. Ca urmare, a fost creată teoria aprinderii amestecurilor explozive. Totuși, încercările de a interpreta fenomenele de propagare a flăcării ca difuzie a centrelor active sau de a explica limitele de propagare a flăcării prin condiții de întrerupere a circuitului nu sunt suficient de convingătoare.
În 1942, omul de știință sovietic Ya.B. Zeldovich a formulat principiile teoriei arderii și detonării gazelor. Teoria arderii oferă un răspuns la întrebările principale: un amestec dintr-o compoziție dată va fi inflamabil, care va fi viteza de ardere a unui amestec exploziv, ce caracteristici și forme de flacără ar trebui să fie de așteptat. Teoria afirmă că explozia unui amestec de gaz sau abur-aer nu este un fenomen instantaneu. Când o sursă de aprindere este introdusă în amestecul combustibil, în zona de efect a sursei de aprindere începe o reacție de oxidare a combustibilului cu oxidant. Viteza reacției de oxidare într-un anumit volum elementar din această zonă atinge un maxim - are loc arderea. Arderea la limita unui volum elementar cu mediul se numește front de flacără. Frontul de flacara are forma unei sfere. Grosimea frontului de flacara, conform calculelor lui Ya.B. Zeldovich, egal cu 1 – 100 microni. Deși grosimea zonei de ardere este mică, este suficientă ca reacția de ardere să aibă loc. Temperatura frontului de flacără datorită căldurii reacției de ardere este de 1000 - 3000 0 C și depinde de compoziția amestecului combustibil. În apropierea frontului de flăcări crește și temperatura amestecului, ceea ce se datorează transferului de căldură prin conducție, difuziei moleculelor încălzite și radiației. Pe suprafața exterioară a frontului de flăcări, această temperatură este egală cu temperatura de autoaprindere a amestecului combustibil. Modificarea temperaturii amestecului de-a lungul axei țevii în anumite momente este prezentată grafic în Fig. 4.1. Strat de gaz CC 1, în care temperatura amestecului crește, reprezintă frontul de flacără. Pe măsură ce temperatura crește, frontul flăcării se extinde (până la KK 2) spre pereţii de capăt ai conductei OŞi M, deplasând amestecul nears spre perete cu o anumită viteză M, iar gazul ars spre perete O. După aprinderea amestecului combustibil, forma sferică a flăcării este foarte rapid distorsionată și din ce în ce mai întinsă spre amestecul care nu a fost încă aprins. Extinderea frontului de flacara si crestere rapida suprafața sa este însoțită de o creștere a vitezei de mișcare
partea centrală a flăcării. Această accelerare continuă până când flacăra atinge pereții țevilor sau, în orice caz, se apropie de peretele țevii. În acest moment, dimensiunea flăcării scade brusc și rămâne doar o mică parte din flacără, acoperind întreaga secțiune transversală a țevii. Extinderea frontului de flacara si accelerarea sa intensa imediat dupa aprinderea de catre o scanteie, cand flacara nu a ajuns inca pe peretii conductei, sunt cauzate de o crestere a volumului produselor de ardere. Astfel, în stadiul inițial al procesului de formare a frontului de flăcări, indiferent de gradul de inflamabilitate al amestecului de gaze, are loc accelerarea și frânarea ulterioară a flăcării, iar această frânare va fi mai mare, cu cât viteza flăcării este mai mare.
Orez. 4.1. Schimbarea temperaturii în fața și în spatele frontului flăcării: 1 – zonă
produse de ardere; 2 – front de flacara; 3 – zona de autoaprindere;
4 – zona de preîncălzire; 5 – amestec inițial
Dezvoltarea etapelor ulterioare de ardere este influențată de lungimea conductei. Alungirea conductei duce la apariția vibrațiilor și formarea unei structuri celulare a flăcării, undelor de șoc și detonare.
Să luăm în considerare lățimea zonei de încălzire în fața frontului de flăcări. În această zonă reacție chimică nu se scurge și nu generează căldură. Lățimea zonei de încălzire l(în cm) se poate determina din dependența:
Unde O– coeficientul de difuzivitate termică; v– viteza de propagare a flăcării.
Pentru un amestec metan-aer, lățimea zonei de încălzire este de 0,0006 m pentru un amestec hidrogen-aer este mult mai mică (3 microni). Arderea ulterioară are loc într-un amestec a cărui stare sa schimbat deja ca urmare a conductivității termice și difuziei componentelor din straturile adiacente. Adăugarea produselor de reacție nu are niciun efect catalitic specific asupra vitezei de mișcare a flăcării.
Să luăm acum în considerare viteza de mișcare a frontului de flăcări prin amestecul de gaze. Viteza liniară de mișcare v(în m/s) poate fi determinat prin formula
unde este viteza de ardere a masei, g/(cm×m 2), p este densitatea amestecului combustibil inițial, kg/m 3.
Viteza liniară Mișcarea frontului de flăcări nu este constantă, se modifică în funcție de compoziția amestecului și de amestecul de gaze inerte (neinflamabile), de temperatura amestecului, de diametrul conductelor etc. Viteza maximă a flăcării propagarea se observă nu la concentrația stoechiometrică a amestecului, ci într-un amestec cu un exces de combustibil. Când gazele inerte sunt introduse într-un amestec inflamabil, viteza de propagare a flăcării scade. Acest lucru se explică prin scăderea temperaturii de ardere a amestecului, deoarece o parte din căldură este cheltuită pentru încălzirea impurităților inerte care nu participă la reacție. Viteza de propagare a flăcării este afectată de capacitatea termică gaz inert. Cu cât este mai mare capacitatea termică a unui gaz inert, cu atât mai mult scade temperatura de ardere și cu atât mai mult reduce viteza de propagare a flăcării. Astfel, într-un amestec de metan cu aer diluat cu dioxid de carbon, viteza de propagare a flăcării este de aproximativ trei ori mai mică decât într-un amestec diluat cu argon.
Când amestecul este preîncălzit, viteza de propagare a flăcării crește. S-a stabilit că viteza de propagare a flăcării este proporțională cu pătratul temperaturii inițiale a amestecului.
Pe măsură ce diametrul conductelor crește, viteza de propagare a flăcării crește în mod neuniform.
Când diametrul conductei crește la 0,10 - 0,15 m, viteza crește destul de repede; cu o creștere suplimentară a diametrului țevilor, acesta continuă să crească, dar într-o măsură mai mică. Temperatura crește până când diametrul atinge un anumit diametru limită, peste care viteza nu crește. Pe măsură ce diametrul conductei scade, viteza de propagare a flăcării scade, iar la un anumit diametru mic flacăra nu se propaga în conductă. Acest fenomen poate fi explicat printr-o creștere a pierderilor de căldură prin pereții conductei.
Prin urmare, pentru a opri răspândirea flăcării într-un amestec combustibil, este necesară scăderea temperaturii amestecului într-un fel sau altul, prin răcirea vasului (în exemplul nostru, o țeavă) din exterior sau diluând amestecul. cu gaz inert rece.
Viteza normală de propagare a flăcării este relativ scăzută (nu mai mult de zeci de metri pe secundă), dar în unele condiții flacăra din conducte se extinde cu o viteză extraordinară (de la 2 la 5 km/s), depășind viteza sunetului într-un mediu dat. Acest fenomen a fost numit detonație. Caracteristici distinctive detonațiile sunt după cum urmează:
1) viteză constantă de ardere indiferent de diametrul conductei;
2) hipertensiune arterială flacără cauzată de o undă de detonare, care poate depăși 50 MPa în funcție de natura chimica amestec combustibil și presiune inițială; Mai mult, datorită vitezei mari de ardere, presiunea dezvoltată nu depinde de forma, capacitatea și etanșeitatea vasului (sau conductei).
Să luăm în considerare trecerea arderii rapide la detonare într-o țeavă lungă de secțiune transversală constantă atunci când amestecul este aprins la capătul închis. Sub presiunea frontului de flacara, in amestecul combustibil apar unde de compresie - unde de soc. În unda de șoc, temperatura gazului crește la valori la care autoaprinderea amestecului are loc cu mult înaintea frontului flăcării. Acest mod de ardere se numește detonare. Pe măsură ce frontul de flacără se mișcă, mișcarea straturilor adiacente peretelui este încetinită și, în consecință, mișcarea amestecului în centrul țevii este accelerată; distributie
Creșterea de-a lungul secțiunii transversale devine neuniformă. Apar jeturi de amestecuri de gaze, a căror viteză este mai mică decât viteza medie a amestecului de gaze în timpul arderii normale, iar jeturile se deplasează mai repede. În aceste condiții, viteza flăcării în raport cu amestecul crește, cantitatea de gaz ars pe unitatea de timp crește, iar mișcarea frontului de flăcări este determinată de viteza maximă a jetului de gaz.
Pe măsură ce flacăra accelerează, amplitudinea undei de șoc crește și ea, iar temperatura de compresie atinge temperatura de autoaprindere a amestecului.
Creșterea cantității totale de gaz arse pe unitatea de timp se explică prin faptul că într-un jet cu viteză în secțiune transversală variabilă, frontul flăcării se îndoaie; ca urmare a acesteia, suprafața sa crește și cantitatea de material de ardere crește proporțional.
Una dintre modalitățile de reducere a vitezei de ardere a amestecurilor inflamabile este acțiunea gazelor inerte asupra flăcării, dar datorită acestora eficienta scazutaÎn prezent, inhibarea chimică a combustiei este utilizată prin adăugarea de hidrocarburi halogenate în amestec.
Amestecurile de gaze combustibile au două temperaturi de ardere teoretice - la volum constant și la presiune constantă, iar primul este întotdeauna mai mare decât al doilea.
Metoda de calcul a temperaturii calorimetrice de ardere la presiune constantă este discutată în Secțiunea 1. Să luăm în considerare metoda de calcul a temperaturii teoretice de ardere a amestecurilor de gaze la volum constant, care corespunde unei explozii într-un vas închis. Baza pentru calcularea temperaturii teoretice de ardere la volum constant este aceleași condiții ca cele indicate în subsecțiune. 1.7.
Când amestecurile de gaze ard într-un volum închis, produsele de ardere nu efectuează lucru; Energia de explozie este cheltuită numai pentru încălzirea produselor de explozie. În acest caz, energia totală este definită ca suma energiei interne a amestecului exploziv Q ext.en.cm și căldura de ardere a substanței date. Valoarea lui Q int.en.cm este egală cu suma produselor capacităților termice ale componentelor amestecului exploziv la volum constant și temperatura inițială a amestecului
Q int.en.cm = s 1 T + s 2 T +… + s n T,
unde с 1, с 2, с n – capacitati termice specifice componentele care alcătuiesc amestecul exploziv, kJ/(kg × K); T este temperatura inițială a amestecului, K.
Valoarea lui Q ext.en.cm poate fi găsită în tabelele de referință. Temperatura de explozie a amestecurilor de gaze la volum constant se calculează folosind aceeași metodă ca și temperatura de ardere a amestecului la presiune constantă.
Temperatura de explozie este utilizată pentru a determina presiunea de explozie. Presiunea în timpul exploziei unui amestec gaz-aer într-un volum închis depinde de temperatura exploziei și de raportul dintre numărul de molecule de produse de ardere și numărul de molecule din amestecul exploziv. Când un amestec gaz-aer explodează, presiunea nu depășește de obicei 1,0 MPa dacă presiunea inițială a amestecului a fost normală. Când se înlocuiește aerul dintr-un amestec exploziv cu oxigen, presiunea de explozie crește brusc pe măsură ce temperatura de ardere crește.
În timpul exploziei chiar și a unui amestec stoichiometric de gaz-aer, o cantitate semnificativă de căldură este cheltuită pentru încălzirea azotului din amestec, astfel încât temperatura de explozie a unor astfel de amestecuri este mult mai mică decât temperatura de explozie a amestecurilor cu oxigen. Astfel, presiunea de explozie a unui amestec stoichiometric de metan, etilenă, acetonă și eter metilic
ra cu oxigen este de 1,5 – 1,9 MPa, iar amestecurile lor stoechiometrice cu aer sunt de 1,0 MPa.
Presiunea maximă de explozie este utilizată în calculele rezistenței la explozie a echipamentelor, precum și în calcule supape de siguranță, membrane explozive și incinte ale echipamentelor electrice antiexplozive.
Presiunea de explozie P adult (în MPa) a amestecurilor gaz-aer se calculează folosind formula
,
unde P 0 – presiunea inițială a amestecului exploziv, MPa; T0 și Texp – temperatura inițială a amestecului exploziv și temperatura de explozie, K; – numărul de molecule de gaze produse de ardere după explozie; – numărul de molecule de gaze din amestec înainte de explozie.
Exemplul 4.1 . Calculați presiunea în timpul exploziei unui amestec de vapori de alcool etilic și aer.
.
P0 = 0,1 MPa; T adult = 2933 K; T0 = 273 + 27 = 300 K; = 2 + 3 + 11,28 = 16,28 mol; = 1 + 3 + 11,28 = 15,28 mol.
Teoria afirmă că explozia unui amestec de gaz sau abur-aer nu este un fenomen instantaneu. Când o sursă de aprindere este introdusă în amestecul combustibil, în zona de efect a sursei de aprindere începe o reacție de oxidare a combustibilului cu oxidant. Viteza reacției de oxidare într-un anumit volum elementar din această zonă atinge un maxim - are loc arderea. Arderea la limita unui volum elementar cu mediul se numește front de flacără. Frontul de flacără are forma unei sfere. Grosimea frontului de flacara, conform calculelor lui Ya.B. Zeldovich , egal cu 1-100 microni. Deși grosimea zonei de ardere este mică, este suficientă ca reacția de ardere să aibă loc. Temperatura frontului de flacără datorită căldurii reacției de ardere este de 1000-3000°C și depinde de compoziția amestecului combustibil.
Pe măsură ce frontul de flăcări se mișcă, temperatura părții nearse a amestecului combustibil crește pe măsură ce presiunea amestecului crește. În apropierea frontului de flăcări, temperatura amestecului crește și ea, ceea ce se datorează
transfer de căldură prin conducție, difuzie a moleculelor încălzite și radiații. Pe suprafața exterioară a frontului de flăcări, această temperatură este egală cu temperatura de autoaprindere a amestecului combustibil.
După aprinderea amestecului combustibil, forma sferică a flăcării este foarte rapid distorsionată și din ce în ce mai întinsă spre amestecul care nu a fost încă aprins. Alungirea frontului de flăcări și creșterea rapidă a suprafeței sale este însoțită de o creștere a vitezei de mișcare a părții centrale a flăcării. Această accelerare continuă până când flacăra atinge pereții țevilor sau, în orice caz, se apropie de peretele țevii. În acest moment, dimensiunea flăcării scade brusc și rămâne doar o mică parte din flacără, acoperind întreaga secțiune transversală a țevii. Extinderea frontului de flacără
iar accelerarea sa intensă imediat după aprindere de către o scânteie, când flacăra nu a ajuns încă pe pereții țevii, sunt cauzate de creșterea volumului produselor de ardere. Astfel, în stadiul inițial al procesului de formare a frontului de flăcări, indiferent de gradul de inflamabilitate al amestecului de gaze, are loc accelerarea și frânarea ulterioară a flăcării, iar această frânare va fi mai mare, cu cât viteza flăcării este mai mare.
Dezvoltarea etapelor ulterioare de ardere este influențată de lungimea conductei. Alungirea conductei duce la apariția vibrațiilor și formarea unei structuri celulare a flăcării, undelor de șoc și detonare.
Lățimea zonei de încălzire (în cm) poate fi determinată din dependență
1 = a/v
Unde O- coeficientul de difuzivitate termică; v- viteza de propagare a flăcării.
Viteza liniară de mișcare v(în m/s) poate fi determinat prin formula
V = V t /
Unde V t- viteza de ardere în masă, g/(s m3); - densitatea amestecului combustibil initial, kg/m 3.
Viteza liniară de mișcare a frontului de flacără nu este constantă ea variază în funcție de compoziții. Amestecuri și amestecuri de gaze inerte (neinflamabile), temperatura amestecului, diametrul conductei etc. Viteza maximă de propagare a flăcării se observă nu la concentrația stoechiometrică a amestecului, ci într-un amestec cu un exces de combustibil. Când gazele inerte sunt introduse într-un amestec inflamabil, viteza de propagare a flăcării scade. Acest lucru se explică prin scăderea temperaturii de ardere a amestecului, deoarece o parte din căldură este cheltuită pentru încălzirea impurităților inerte care nu participă la reacție.
Pe măsură ce diametrul conductelor crește, viteza de propagare a flăcării crește în mod neuniform. Când diametrul țevii crește la 0,1-0,15 m, viteza crește destul de repede. Temperatura crește până când diametrul atinge un anumit diametru maxim,
peste care nu are loc o creștere a vitezei. Pe măsură ce diametrul conductei scade, viteza de propagare a flăcării scade, iar la un anumit diametru mic flacăra nu se propaga în conductă. Acest fenomen poate fi explicat printr-o creștere a pierderilor de căldură prin pereți
conducte.
Prin urmare, pentru a opri răspândirea flăcării într-un amestec combustibil, este necesară scăderea temperaturii amestecului într-un fel sau altul, prin răcirea vasului (în exemplul nostru, o țeavă) din exterior sau diluând amestecul. cu gaz inert rece.
Viteza normală de propagare a flăcării este relativ scăzută (nu mai mult de zeci de metri pe secundă), dar în unele condiții flacăra din conducte se extinde cu o viteză extraordinară (de la 2 la 5 km/s), depășind viteza sunetului într-un mediu dat. Acest fenomen a fost numit detonaţie. Caracteristicile distinctive ale detonației sunt următoarele:
1) viteză constantă de ardere indiferent de diametrul conductei;
2) presiune mare a flăcării cauzată de unda de detonare, care poate depăși 50 MPa în funcție de natura chimică a amestecului combustibil și de presiunea inițială; Mai mult, datorită vitezei mari de ardere, presiunea dezvoltată nu depinde de forma, capacitatea și etanșeitatea vasului (sau conductei).
Pe măsură ce flacăra accelerează, amplitudinea undei de șoc crește și ea, iar temperatura de compresie atinge temperatura de autoaprindere a amestecului.
Creșterea cantității totale de gaz arse pe unitatea de timp se explică prin faptul că, într-un jet cu o viteză în secțiune transversală variabilă, frontul flăcării se îndoaie, în urma căruia suprafața sa crește și cantitatea de substanță de ardere crește proporțional. .
Când amestecurile de gaze ard într-un volum închis, produsele de ardere nu efectuează lucru; Energia de explozie este cheltuită numai pentru încălzirea produselor de explozie. În acest caz, energia totală este definită ca suma energiei interne a amestecului exploziv Q ext.en.cm. şi căldura de ardere a unei substanţe date ΔQ g Valoare Q ext.en.cm. egal cu suma produselor capacităților termice ale componentelor amestecului exploziv la volum constant cu temperatura inițială
temperatura amestecului
Q ext.en.cm. = C 1 T + C 2 T + …+ C p T
unde C 1, C 2, C p sunt capacitățile termice specifice ale componentelor care alcătuiesc
amestec exploziv, kJ/(kg K); T - temperatura inițială a amestecului, K.
Temperatura de explozie a amestecurilor de gaze la volum constant se calculează folosind aceeași metodă ca și temperatura de ardere a amestecului la presiune constantă.
Temperatura de explozie este utilizată pentru a determina presiunea de explozie. Presiunea în timpul exploziei unui amestec gaz-aer într-un volum închis depinde de temperatura exploziei și de raportul dintre numărul de molecule de produse de ardere și numărul de molecule din amestecul exploziv. Când amestecurile gaz-aer explodează, presiunea nu depășește de obicei 1,0 MPa dacă presiunea inițială a amestecului a fost normală. Când se înlocuiește aerul dintr-un amestec exploziv cu oxigen, presiunea de explozie crește brusc pe măsură ce temperatura de ardere crește.
Presiunea de explozie a amestecurilor stoechiometrice de metan, etilenă, acetonă și
eterul metilic cu oxigen este de 1,5 - 1,9 MPa, iar amestecurile stoechiometrice cu aer este de 1,0 MPa.
Presiunea maximă de explozie este utilizată în calculele rezistenței la explozie a echipamentelor, precum și în calculele supapelor de siguranță, membranelor de explozie și incintelor echipamentelor electrice antiexplozive. Presiunea de explozie r adulți (în MPa) amestecurile gaz-aer se calculează folosind formula
r adult =
Unde p 0- presiunea iniţială a amestecului exploziv, MPa; T 0Şi T adult- temperatura initiala a amestecului exploziv si temperatura de explozie, K;
Numărul de molecule de gaze produse de ardere după explozie;
- numărul de molecule de gaze din amestec înainte de explozie.
1 Metoda constă în determinarea limitelor superioare pentru viteza maximă și medie de creștere a presiunii de explozie a amestecurilor de gaz și abur-aer într-un vas de reacție sferic de volum constant.
Limita superioară pentru viteza maximă de creștere a presiunii în kPa s -1 este calculată folosind formula
Unde p i-presiunea initiala, kPa;
S Şi. i- viteza normala de propagare a flacarii la presiunea si temperatura initiala, m s -1;
o-raza vasului de reacție sferic, m;
Presiune maximă de explozie fără dimensiuni;
r -presiune maximă absolută de explozie, kPa;
Şi-indicele adiabatic pentru amestecul studiat;
-exponent termocinetic în funcţie de viteza normală de propagare a flăcării pe presiune şi temperatură. Dacă valoarea necunoscut, se ia egal cu 0,4.
Limita superioară pentru viteza medie de creștere a presiunii în kPa s -1 este calculată folosind formula
,
(98)
unde este o funcție a parametrilor e , Şi , , ale căror valori se găsesc folosind nomogramele prezentate în Fig. 26 și 27.
Valori eŞi Şi sunt găsite prin calcul termodinamic sau, dacă calculul este imposibil, se iau egal cu 9,0 și, respectiv, 1,4.
Eroarea pătratică medie relativă a calculului folosind formulele (97) și (98) nu depășește 20%.
2. Viteza maximă de creștere a presiunii de explozie a amestecurilor de gaz și abur-aer pentru substanțele formate din atomi C, H, O, N, S, F, Cl se calculează prin formula
,
(99)
Unde V-volumul vasului de reacţie, m3.
Eroarea pătratică medie relativă a calculului folosind formula (99) nu depășește 30%.
Metodă de determinare experimentală a condițiilor de ardere termică spontană a solidelor și materialelor
1. Echipamente.
Echipamentul pentru determinarea condițiilor de ardere termică spontană cuprinde următoarele elemente.
1.1. Un termostat cu o capacitate a camerei de lucru de cel puțin 40 dm 3 cu un termostat care vă permite să mențineți o temperatură constantă de la 60 la 250 °C cu o eroare de cel mult 3 °C.
1.2. Coșuri din metal rezistent la coroziune de formă cubică sau cilindrică cu înălțimea de 35, 50, 70, 100, 140 și 200 mm (10 bucăți de fiecare dimensiune) cu capace. Diametrul coșului cilindric trebuie să fie egal cu înălțimea acestuia. Grosimea peretelui coșului este (1,0±0,1) mm.
1.3. Convertoare termoelectrice (cel puțin 3) cu un diametru maxim de joncțiune de lucru de cel mult 0,8 mm.
2. Pregătirea pentru test.
2.1. Efectuați un test de calibrare pentru a determina corecția ( t T) la citirile convertoarelor termoelectrice 2 Şi 3 . Pentru a face acest lucru, plasați un coș cu o substanță neinflamabilă (de exemplu, nisip calcinat) într-un termostat încălzit la o anumită temperatură. Convertoarele termoelectrice (Fig. 2) sunt instalate astfel încât joncțiunea de lucru a unui convertor termoelectric să fie în contact cu proba și situată în centrul acesteia, al doilea să fie în contact cu partea exterioară a coșului, iar al treilea este la o distanţă de (30±1) mm de peretele coşului. Joncțiunile de lucru ale tuturor celor trei convertoare termoelectrice trebuie să fie situate la același nivel orizontal, corespunzător liniei centrale a termostatului.
1 , 2 , 3 -jonctiuni de lucru ale convertoarelor termoelectrice.
Coșul cu o substanță neinflamabilă este ținut într-un termostat până când se stabilește un regim staționar, în care citirile tuturor termoelectrice.
convertizoarele rămân neschimbate timp de 10 minute sau fluctuează cu o amplitudine constantă în jurul temperaturilor medii t 1 , t 2 , t 3 . Amendamentul t T se calculează folosind formula
,
(100)
2.2. Probele de testat trebuie să caracterizeze proprietățile medii ale substanței (materialului) testat. La testarea materialului din tablă, acesta este colectat într-o stivă corespunzătoare dimensiunilor interne ale coșului. În probele de materiale monolitice, o gaură cu un diametru de (7,0 ± 0,5) mm pentru un convertor termoelectric este pre-forată în centru.
Agenția Federală pentru Educație a Federației Ruse
Stat instituție de învățământ studii profesionale superioare
„Universitatea Tehnică a Petrolului de Stat Ufa”
Departamentul Siguranta Industriala si Protectia Muncii
Test pe subiect:
Teoria arderii și exploziei
1. Întrebări teoretice despre explozie
În procesele tehnologice asociate cu extracția, transportul, prelucrarea, producerea, depozitarea și utilizarea gazelor inflamabile (GG) și a lichidelor inflamabile (FLL), există întotdeauna pericolul formării de amestecuri explozive de gaz și abur-aer.
Un mediu exploziv poate fi format din amestecuri de substanțe (gaze, vapori, praf) cu aer și alți agenți oxidanți (oxigen, ozon, clor, oxizi de azot etc.) și substanțe predispuse la transformare explozivă (acetilenă, ozon, hidrazină etc.). .).
Cele mai frecvente cauze ale exploziilor sunt încălcări ale regulilor de funcționare în siguranță a echipamentelor, scurgeri de gaz prin scurgeri în conexiuni, supraîncălzirea dispozitivelor, creșterea excesivă a presiunii, lipsa unui control adecvat asupra proces tehnologic, ruperea sau defectarea pieselor echipamentului etc.
Sursa de declanșare a exploziei sunt:
flacără deschisă, corpuri arzând și fierbinți;
descărcări electrice;
Manifestări termice ale reacțiilor chimice și efecte mecanice;
scântei de la impact și frecare:
unde de șoc;
Radiații electromagnetice și alte radiații.
Conform PB 09-540-03 Explozia este:
I. Procesul de eliberare rapidă a energiei potențiale asociat cu o schimbare bruscă a stării unei substanțe și însoțit de o creștere a presiunii sau undă de șoc.
2. Eliberarea pe termen scurt a energiei interne, creând exces de presiune
O explozie poate avea loc cu sau fără ardere (proces de oxidare).
Parametri și proprietăți care caracterizează explozivitatea mediului:
Punct de aprindere;
Limitele de concentrație și temperatură de aprindere;
Temperatura de autoaprindere;
Viteza normală de propagare a flăcării;
Conținut minim exploziv de oxigen (agent oxidant);
Energia minimă de aprindere;
Sensibilitate la stres mecanic (șoc și frecare). Periculoase și factori nocivi care afectează lucrătorii
ca urmare a exploziei sunt:
O undă de șoc în fața căreia presiunea depășește valoarea admisă;
Structuri, echipamente, comunicații, clădiri și structuri prăbușite și părțile lor zburătoare;
Format în timpul unei explozii și (sau) eliberat din echipamentele deteriorate substanțe nocive, al cărui conținut în aer zona de lucru depășește concentrațiile maxime admise.
Principalii factori care caracterizează pericolul de explozie:
Presiunea maximă și temperatura de explozie;
Viteza de creștere a presiunii în timpul exploziei;
Presiunea în partea din față a undei de șoc;
Proprietățile de zdrobire și de mare explozie ale mediilor explozive.
În timpul unei explozii, energia potențială inițială a unei substanțe este convertită, de regulă, în energia gazelor comprimate încălzite, care, la rândul lor, atunci când se extind, se transformă în energia de mișcare, compresie și încălzire a mediului. O parte din energie rămâne sub formă de energie internă (termică) a gazelor expandate.
Cantitatea totală de energie eliberată în timpul exploziei determină parametrii generali (volum, suprafață) de distrugere. Concentrația de energie (energie pe unitatea de volum) determină intensitatea distrugerii la sursa exploziei. Aceste caracteristici, la rândul lor, depind de rata de eliberare a energiei de către sistemul exploziv, care provoacă unda de explozie.
Exploziile, care sunt cel mai des întâlnite în practica investigativă, pot fi împărțite în două grupe principale: explozii chimice și fizice.
Exploziile chimice includ procese de transformare chimică a unei substanțe, manifestate prin ardere și caracterizate prin degajarea de energie termică într-o perioadă scurtă de timp și într-un asemenea volum încât se formează unde de presiune, care se propagă de la sursa exploziei.
Exploziile fizice includ procese care duc la o explozie și nu sunt asociate cu transformările chimice ale substanței.
Exploziile accidentale sunt cel mai adesea cauzate de procesele de ardere. Exploziile de acest fel au loc cel mai adesea în timpul depozitării, transportului și fabricării explozivilor. Ele au loc:
La manipularea explozivilor și a substanțelor explozive din industria chimică și petrochimică;
Pentru scurgeri gaz naturalîn clădiri rezidențiale;
în timpul producției, transportului și depozitării substanțelor inflamabile foarte volatile sau lichefiate;
la spălarea rezervoarelor de stocare a combustibilului lichid;
la fabricarea, depozitarea și utilizarea sistemelor de praf inflamabil și a unor substanțe solide și lichide inflamabile spontan.
Caracteristicile unei explozii chimice
Există două tipuri principale de explozii: o explozie de explozivi condensați și o explozie volumetrică (explozie de vapori de praf și amestecuri de gaze). Exploziile de explozivi condensați sunt cauzate de toți explozivii solizi și de un număr relativ mic de explozivi lichizi, inclusiv nitroglicerina. Astfel de explozivi au de obicei o densitate de 1300-1800 kg/m3, dar explozivii primari care conțin plumb sau mercur au densități mult mai mari.
Reacții de descompunere:
Cel mai simplu caz de explozie este procesul de descompunere cu formarea de produse gazoase. De exemplu, descompunerea peroxidului de hidrogen cu un efect termic mare și formarea de vapori de apă și oxigen:
2H2O2 → 2H2O2 + O2 + 106 kJ/mol
Peroxidul de hidrogen este periculos începând cu o concentrație de 60%.
Descompunerea prin frecare sau impact al azidei de plumb:
Pb(N3)2 → Pb -ь 3N2 + 474 kJ/mol.
Trinitrotoluenul (TNT) este o substanță „cu deficit de oxigen” și, prin urmare, unul dintre principalii săi produși de descompunere este carbonul, care contribuie la formarea fumului în timpul exploziilor de TNT.
Substanțele predispuse la descompunere explozivă conțin aproape întotdeauna una sau mai multe structuri chimice caracteristice responsabile pentru dezvoltarea bruscă a procesului odată cu eliberarea cantitate mare energie. Aceste structuri includ următoarele grupuri:
NO2 și NO3 - în substanțe organice și anorganice;
N=N-N - în azide organice și anorganice;
NX3, unde X este un halogen,
N=C în fulminate.
Pe baza legilor termochimiei, pare posibil să se identifice compuși al căror proces de descompunere poate fi exploziv. Unul dintre factorii decisivi care determină pericolul potențial al unui sistem este prevalența energiei sale interne în starea inițială față de starea finală. Această condiție este îndeplinită atunci când căldura este absorbită (reacție endotermă) în timpul formării unei substanțe. Un exemplu de proces corespunzător este formarea acetilenei din elementele:
2C + H2 → CH=CH - 242 kJ/mol.
Substanțele neexplozive care pierd căldură în timpul formării (reacție exotermă) includ, de exemplu, dioxidul de carbon
C + O2 → CO2 + 394 kJ/mol.
Trebuie avut în vedere faptul că aplicarea legilor termochimiei ne permite doar să identificăm posibilitatea unui proces exploziv. Implementarea sa depinde de viteza de reacție și de formarea produselor volatile. De exemplu, reacția parafinei lumânării cu oxigenul, în ciuda exotermicității sale mari, nu duce la o explozie din cauza vitezei sale scăzute.
Reacția 2Al+ 4AC2O2 → Al2O3 + 2Fe în sine, în ciuda exotermicității sale ridicate, nu duce nici la o explozie, deoarece nu se formează produse gazoase.
Reacțiile redox, care stau la baza reacțiilor de ardere, din acest motiv pot duce la o explozie numai în condiții favorabile realizării viteze mari reacția și creșterea presiunii. Arderea foarte dispersate solide iar lichidele pot duce, în condiții de volum închis, la o creștere a presiunii în exces de până la 8 bari Relativ rar, de exemplu, în sistemele de aer lichid, unde aerosolul este o ceață de picături de ulei.
În reacțiile de polimerizare exotermă și prezența unui monomer volatil, se ajunge adesea la o etapă în care poate apărea o creștere periculoasă a presiunii pentru unele substanțe, cum ar fi oxidul de etilenă, la care poate începe polimerizarea; temperatura camerei mai ales când compuşii de pornire sunt contaminaţi cu substanţe care accelerează polimerizarea. Oxidul de etilenă se poate izomeriza, de asemenea, la acetaldehidă exotermic:
CH2CH2O - CH3HC = O + 113,46 kJ/mol
Reacțiile de condensare sunt utilizate pe scară largă în producția de vopsele, lacuri și rășini și, datorită naturii exoterme a procesului și a prezenței componentelor volatile, conduc uneori la explozii.
Pentru a afla conditii generale, favorabil pentru apariția arderii și trecerea acesteia la o explozie, luați în considerare graficul (Figura 1) al dependenței temperaturii dezvoltate într-un sistem combustibil în timp în prezența degajării volumetrice de căldură cu aceasta datorită unei reacții chimice și căldură. pierderi.
Dacă ne imaginăm temperatura T1 pe grafic ca punctul critic în care are loc arderea în sistem, devine evident că în condițiile în care pierderea de căldură depășește câștigul de căldură, o astfel de ardere nu poate avea loc. Acest proces începe numai atunci când se atinge egalitatea între ratele de eliberare a căldurii și pierderile de căldură (în punctul de tangență al curbelor corespunzătoare) și poate apoi accelera odată cu creșterea temperaturii și. prin urmare, presiunea înainte de explozie.
Astfel, în prezența unor condiții favorabile izolației termice, apariția unei reacții exoterme într-un sistem combustibil poate duce nu numai la ardere, ci și la o explozie.
Reacțiile necontrolate rezultate care favorizează o explozie se datorează faptului că viteza de transfer de căldură, de exemplu, în vase este o funcție liniară a diferenței de temperatură dintre masa de reacție și lichidul de răcire, în timp ce viteza reacției exoterme și, astfel, fluxul de căldură din acesta crește conform unei legi de putere cu o creștere a concentrațiilor inițiale ale reactivilor și crește rapid cu creșterea temperaturii ca urmare a dependenței exponențiale a vitezei unei reacții chimice de temperatură (legea lui Arrhenius). Aceste modele determină cele mai scăzute viteze de ardere ale amestecului și temperatura la limita inferioară a concentrației de aprindere. Pe măsură ce concentrația de combustibil și de oxidant se apropie de nivelurile stoechiometrice, viteza de ardere și temperatura cresc până la niveluri maxime.
Concentrația gazului de compoziție stoechiometrică - concentrația unui gaz inflamabil într-un amestec cu un mediu oxidant, care asigură complet reacție chimică amestec de combustibil și oxidant.
3. Caracteristicile unei explozii fizice
Exploziile fizice sunt de obicei asociate cu exploziile vaselor de la presiunea vaporilor și caneluri. Mai mult, motivul principal al formării lor nu este o reacție chimică, ci un proces fizic cauzat de eliberare energie internă gaz comprimat sau lichefiat. Puterea unor astfel de explozii depinde de presiunea internă, iar distrugerea este cauzată de o undă de șoc de la gazul în expansiune sau fragmentele unui vas rupt. O explozie fizică poate apărea dacă, de exemplu, o butelie portabilă de gaz sub presiune cade și o supapă de reducere a presiunii se rupe. Presiunea gazului lichefiat depășește rar 40 bar (presiunea critică a majorității gazelor lichefiate convenționale).
Exploziile fizice includ și fenomenul așa-numitei detonații fizice. Acest fenomen apare atunci când lichidele calde și reci sunt amestecate, când temperatura unuia dintre ele este semnificativ mai mare decât punctul de fierbere al celuilalt (de exemplu, turnarea metalului topit în apă). În amestecul vapor-lichid rezultat, evaporarea poate avea loc în mod exploziv datorită proceselor de dezvoltare de flegmatizare fină a picăturilor de topitură, îndepărtarea rapidă a căldurii din acestea și supraîncălzirea lichidului rece cu vaporizarea sa puternică.
Detonația fizică este însoțită de apariția unei unde de șoc cu exces de presiune în faza lichidă, ajungând în unele cazuri la peste o mie de atmosfere. Multe lichide sunt depozitate sau utilizate în condiții în care presiunea vaporilor lor depășește semnificativ presiunea atmosferică. Aceste lichide includ: gaze inflamabile lichefiate (de exemplu, propan, butan) agenți frigorifici lichefiați amoniac sau freon, depozitați la temperatura camerei, metan, care trebuie depozitat la temperatură redusă, apă supraîncălzită în cazane cu abur. Dacă un recipient cu lichid supraîncălzit este deteriorat, aburul se scurge în spațiul înconjurător și are loc o evaporare parțială rapidă a lichidului. Dacă aburul curge și se extinde suficient de repede, în mediu sunt generate unde de explozie. Cauzele exploziilor vaselor care conțin gaze și vapori sub presiune sunt:
Încălcarea integrității carcasei din cauza defecțiunii oricărei componente, deteriorarea sau coroziunea din cauza utilizării necorespunzătoare;
Supraîncălzirea vasului din cauza perturbărilor în încălzirea electrică sau a modului de funcționare al dispozitivului de ardere (în acest caz, presiunea din interiorul vasului crește, iar rezistența corpului scade până la o stare în care se produce deteriorarea);
Explozia unui vas atunci când presiunea admisă este depășită.
Exploziile recipientelor de gaz urmate de ardere în atmosferă conțin practic aceleași motive descrise mai sus și sunt caracteristice exploziilor fizice. Principala diferență este formarea în acest caz a unei mingi de foc, a cărei dimensiune depinde de cantitatea de combustibil gazos eliberat în atmosferă. Această cantitate depinde, la rândul său, de starea fizică în care se află gazul în recipient. Când combustibilul este menținut în stare gazoasă, cantitatea acestuia va fi mult mai mică decât dacă este depozitată în același recipient sub formă lichidă. Parametrii unei explozii care determină consecințele acesteia sunt determinați în principal de natura distribuției energiei în zona de explozie și de distribuția acesteia pe măsură ce valul de explozie se răspândește de la sursa exploziei.
4. Potential energetic
Explozia are o mare putere distructivă. Cea mai importantă caracteristică explozia este energia totală a materiei. Acest indicator se numește potențialul energetic al pericolului de explozie; este inclus în toți parametrii care caracterizează amploarea și consecințele unei explozii.
În cazul unei depresurizări de urgență a dispozitivului, are loc deschiderea (distrugerea) completă a acestuia;
Zona de scurgere a lichidului este determinată pe baza solutii constructive clădiri sau locuri de instalare în aer liber;
Se presupune că timpul de evaporare nu depășește 1 oră:
E= EII1+ EII2+ EII1+ EII2+ EII3+ EII4,
explozie camera pompierilor pericol
unde EI1 este suma energiilor de expansiune adiabatică și ardere a fazei de vapori-gaz (PGPC situat direct în bloc, kJ;
EI2 este energia de ardere a GPF furnizată zonei depresurizate de la obiecte (blocuri) adiacente, kJ;
EII1 este energia de ardere a GTHF generată ca urmare a energiei fluidului lichid supraîncălzit al blocului luat în considerare și primită de la obiectele adiacente kJ;
EII2 este energia de ardere a PHF formată din faza lichidă (LP) datorită căldurii reacțiilor exoterme care nu se opresc în timpul depresurizării, kJ;
EII3 este energia de ardere a PHF. format din fluid lichid datorită influxului de căldură din lichidele de răcire externe, kJ;
EII4 este energia de ardere a PHF generată din fluidul lichid vărsat pe o suprafață solidă (pardoseală, palet, sol etc.) datorită transferului de căldură de la mediu(de la o suprafață solidă și aer, la lichid de-a lungul suprafeței sale), kJ.
Pe baza valorilor potențialelor energetice generale de pericol de explozie, se determină valorile masei reduse și ale potențialului energetic relativ care caracterizează pericolul de explozie al unităților tehnologice.
Masa redusă este masa totală de vapori (gaze) inflamabili ai unui nor exploziv de vapori-gaz, redusă la o singură energie specifică de ardere egală cu 46000 kJ/kg:
Potențialul energetic relativ al pericolului de explozie Qв al unei unități tehnologice, care caracterizează energia totală de ardere și poate fi găsit prin calcul folosind formula:
unde E este potențialul energetic total al pericolului de explozie al unității tehnologice.
Pe baza valorilor potențialelor energetice relative Ov la masa redusă a mediului vapor-gaz m, blocurile tehnologice sunt clasificate. Indicatorii categoriei de pericol de explozie pentru unitățile de proces sunt prezentați în Tabelul 1.
Tabelul nr.
| Categoria de explozie | Ov | m |
| eu | >37 | >5000 |
| II | 27 − 37 | 2000−5000 |
| III | <27 | <2000 |
5. Echivalent TNT. Presiune excesivă în frontul undei de șoc
Pentru a evalua nivelul de impact al perturbărilor accidentale și intenționate, metoda de evaluare echivalentă TNT este utilizată pe scară largă. Conform acestei metode, gradul de distrugere este caracterizat de un echivalent TNT, unde se determină masa de TNT care este necesară pentru a provoca un anumit nivel de distrugere Echivalentul TNT al unei explozii a unui mediu vapor-gaz Wτ(kg). se determină în funcție de condițiile de adecvare a naturii și gradului de rezoluție în exploziile norilor de vapori-gaz, precum și a compușilor instabili chimic solizi și lichizi, calculate cu formulele:
1 Pentru medii de vapori-gaz
q/ − căldura specifică de ardere a mediului vapor-gaz, kJ kg,
qT este energia specifică de explozie a TNT kJ/kg.
2 Pentru compuși instabili chimic solizi și lichizi
unde Wk este masa compușilor instabili chimic solizi și lichizi; qk este energia specifică de explozie a compușilor instabili chimic solizi și lichizi. În producție, atunci când un amestec gaz-aer, abur-aer sau praf explodează, se formează o undă de șoc. Gradul de rezoluție al structurilor clădirii, echipamentelor, mașinilor și comunicațiilor, precum și daunele aduse oamenilor, depinde de excesul de presiune în frontul undei de șoc ΔRF (diferența dintre presiunea maximă din frontul undei de șoc și presiunea atmosferică normală înainte de acest front).
Calculele pentru evaluarea efectului gazelor și lichidelor chimice inflamabile se reduc la determinarea presiunii în exces în frontul undei de șoc (ΔRF) în timpul exploziei unui amestec gaz-aer la o anumită distanță de recipientul în care se află o anumită cantitate de exploziv. amestecul este depozitat.
6. Calcul pentru determinarea presiunii de explozie în exces
Calculul excesului de presiune de explozie pentru gaze inflamabile, vapori inflamabili și lichide combustibile se realizează conform metodologiei prevăzute în NPB 105-03 „Determinarea categoriilor de spații, clădiri și instalații exterioare pentru pericol de explozie și incendiu”.
Sarcina: determinați excesul de presiune al unei explozii de hidrogen sulfurat într-o încăpere.
Condiții inițiale
Dioxidul de hidrogen este prezent în mod constant într-un aparat de 20 m3. Aparatul este amplasat pe podea. Lungimea totală a conductelor cu diametrul de 50 mm, limitată de supape (manuale) instalate pe secțiunile de intrare și de evacuare ale conductelor, este de 15 m. Consumul de hidrogen sulfurat în conducte este de 4,10-3 m3/s . Dimensiunile camerei sunt 10x10x4 m.
Camera are ventilație de urgență cu un schimb de aer de 8 h-1. Ventilația de urgență este prevăzută cu ventilatoare de rezervă, pornire automată la depășirea concentrației maxime admisibile de explozive și alimentare conform primei categorii de fiabilitate (PUE). Dispozitivele de evacuare a aerului din încăpere sunt amplasate în imediata apropiere a locului unui posibil accident.
Structurile principale ale clădirii sunt din beton armat.
Justificarea opțiunii de proiectare
Conform NPB 105-03, versiunea cea mai nefavorabilă a accidentului, care implică cel mai mare număr de substanțe care sunt cele mai periculoase în ceea ce privește consecințele unei explozii, ar trebui luată ca versiune de proiectare a accidentului.
Și ca opțiune de proiectare, a fost adoptată opțiunea de depresurizare a recipientului cu hidrogen sulfurat și a ieșirii atât a conductelor de admisie, cât și de evacuare a hidrogenului sulfurat în volumul încăperii.
1) Presiunea de explozie excesivă pentru substanțele inflamabile individuale constând din atomi C, H, O, N, Cl, Br, I, F este determinată de formula
(1)
unde este presiunea maximă de explozie a unui amestec stoichiometric gaz-aer sau abur-aer într-un volum închis, determinată experimental sau din date de referință în conformitate cu cerințele clauzei 3 din NPB -105-03. În absența datelor, este permis să se ia egal cu 900 kPa;
Presiunea inițială, kPa (permisă să fie egală cu 101 kPa);
Masa de gaz inflamabil (GG) sau vapori inflamabili (FLV) și lichide inflamabile (FL) eliberate în încăpere ca urmare a accidentului, kg;
Coeficientul de participare a combustibilului la o explozie, care poate fi calculat pe baza naturii distribuției gazelor și vaporilor în volumul încăperii conform aplicației. Este permis să se ia valoarea conform tabelului. 2 NPB 105-03. o iau egal cu 0,5;
Volumul spațiului liber, ;
Temperatura maximă absolută a aerului pentru orașul Ufa este luată ca temperatură de proiectare, egală cu 39°C (conform SNiP 23-01-99 „Climatologia clădirii”).
Mai jos este un calcul al valorilor necesare pentru a determina excesul de presiune al unei explozii de hidrogen sulfurat într-o cameră.
Densitatea hidrogenului sulfurat la temperatura de proiectare:
unde M este masa molară a hidrogenului sulfurat, 34,08 kg/kmol;
v0 – volum molar egal cu 22,413 m3/kmol;
0,00367− coeficient de dilatare termică, grad -1;
tp – temperatura de proiectare, 390С (temperatura maximă absolută a aerului pentru orașul Ufa).
Concentrația stoechiometrică de hidrogen sulfurat se calculează folosind formula:
;
unde β este coeficientul stoichiometric al oxigenului în reacția de ardere;
nc, nn, n0, nх, este numărul de atomi de C, H, O și halogeni dintr-o moleculă de combustibil;
Pentru hidrogen sulfurat (H2S) nc= 1, nн = 4, n0 = 0, nх = 0, prin urmare,
Înlocuind valoarea găsită a lui β, obținem valoarea concentrației stoichiometrice de hidrogen sulfurat:
Volumul de hidrogen sulfurat care intră în încăpere în timpul unui accident de proiectare constă în volumul de gaz care părăsește aparatul și volumul de gaz care iese din conductă înainte de închiderea supapelor și după închiderea supapelor:
unde Va este volumul de gaz care iese din aparat, m3;
V1T este volumul de gaz eliberat din conductă înainte de a fi oprit, m3;
V2T este volumul de gaz eliberat din conductă după ce aceasta a fost oprită, m3;
unde q este debitul lichidului, determinat în conformitate cu reglementările tehnologice, m3/s;
T este durata alimentării cu gaz a volumului încăperii, determinată conform clauzei 38 din NPB 105-03 s;
unde d este diametrul interior al conductelor, m;
Ln este lungimea conductelor de la aparatul de avarie la supape, m;
Astfel, volumul de hidrogen sulfurat care intră în incintă în timpul scenariului de accident considerat:
Masa de hidrogen sulfurat în cameră:
În cazul circulației într-o încăpere a gazelor inflamabile, a gazelor inflamabile sau combustibile, a lichidelor inflamabile sau combustibile, la determinarea valorii masei, este permis să se țină cont de funcționarea ventilației de urgență dacă aceasta este prevăzută cu ventilatoare de rezervă, pornire automată. -până când se depășește concentrația maximă admisă antiexplozivă și alimentarea cu energie electrică conform primei categorii de fiabilitate (PUE) ), cu condiția ca dispozitivele de evacuare a aerului din încăpere să fie amplasate în imediata apropiere a locului unui eventual accident.
În acest caz, masa de gaze inflamabile sau vapori de lichide inflamabile sau combustibile, încălzite până la punctul de aprindere și mai sus, care intră în volumul camerei trebuie împărțită la coeficientul determinat de formula
unde este rata de schimb de aer creat de ventilația de urgență, 1/s. Această cameră are ventilație cu un schimb de aer de 8 (0,0022s);
Durata de intrare a gazelor inflamabile și a vaporilor de lichide inflamabile și combustibile în volumul încăperii, s, este considerată a fi de 300 s. (clauza 7 NPB 105-03)
Masa de hidrogen sulfurat prezentă în încăpere în timpul scenariului de accident considerat:
Rezultatele calculului de explozie
| Opțiunea nr. | Gaz inflamabil |
Valoare, kPa | ||
| Hidrogen sulfurat | 5 | Daune medii aduse clădirilor | ||
Masă. Excesul de presiune maxim admisibil în timpul arderii amestecurilor de gaz, abur sau praf-aer în interior sau în spațiu deschis
Datele inițiale și calculate sunt rezumate în Tabelul 2.
Tabelul 2 - Date inițiale și calculate
| Nu. | Nume | Desemnare | Magnitudinea |
| 1 | Substanța, numele și formula ei | Hidrogen sulfurat | H2S |
| 2 | Masa moleculară, kg kmol-1 | M | 34,08 |
| 3 | Densitatea lichidului, kg/m3 | ρzh | - |
| 4 | Densitatea gazului la temperatura de proiectare, kg/m3 | ρg | 1,33 |
| 5 | Temperatura ambiantă (aerul înainte de explozie), 0C | T0 | 39 |
| 6 | Presiunea vaporilor saturați, kPa | Rn | 28,9 |
| 7 | Concentrație stoichiometrică, % vol. | Cst | 29,24 |
| 8 | Dimensiunile camerei − lungime, m − latime, m − înălțime, m |
||
| 9 | Dimensiuni tevi: − diametrul, m −lungime, m |
||
| 10 | Debit de heptan în conductă, m3/s | q | 4·10-3 |
| 11 | Timp de închidere a supapelor, s | t | 300 |
| 12 | Rata de ventilație de urgență, 1/oră | O | 8 |
| 13 | Presiune maximă de explozie, kPa | Pmax | 900 |
| 14 | Presiunea inițială, kPa | P0 | 101 |
| 15 | Scurgeri și coeficient nonadiabatic | Kn | 3 |
| 16 | Coeficientul de participare a combustibilului la explozie | Z | 0,5 |
Conform NPB 105-2003, sunt acceptate categorii de spații cu pericol de explozie și incendiu conform Tabelului 4.
| Categoria camerei | Caracteristicile substantelor si materialelor aflate (circulatoare) in incinta |
Și explozia și focul |
Gaze combustibile, lichide inflamabile cu un punct de aprindere de cel mult 28 ° C în astfel de cantități încât să poată forma amestecuri explozive de vapori-gaz, la aprinderea cărora se dezvoltă o presiune de explozie în exces calculată în încăpere, care depășește 5 kPa. Substanțe și materiale capabile să explodeze și să ardă atunci când interacționează cu apa, oxigenul aerului sau între ele în astfel de cantități încât presiunea de explozie în exces calculată în încăpere să depășească 5 kPa. |
|
pericol de explozie și incendiu |
Prafuri sau fibre combustibile, lichide inflamabile cu un punct de aprindere mai mare de 28 ° C, lichide inflamabile în astfel de cantități încât să poată forma amestecuri explozive praf-aer sau abur-aer, a căror aprindere dezvoltă o presiune de explozie în exces calculată în încăpere peste 5 kPa. |
| B1-B4 pericol de incendiu | Lichide inflamabile și puțin inflamabile, substanțe și materiale solide inflamabile și puțin inflamabile (inclusiv praf și fibre), substanțe și materiale care nu pot arde decât atunci când interacționează cu apa, oxigenul aerului sau între ele, cu condiția ca încăperile în care se află în stoc sau în circulație și nu aparțin categoriilor A sau B. |
| G | Substanțe și materiale neinflamabile în stare fierbinte, incandescentă sau topită, a căror prelucrare este însoțită de degajarea de căldură radiantă, scântei și flăcări; gaze inflamabile, lichide și solide care sunt arse sau eliminate ca combustibil. |
| D | Substanțe și materiale neinflamabile în stare rece, |
Concluzie: Camera aparține categoriei A, deoarece este posibil ca gazul inflamabil (hidrogen sulfurat) să scape în astfel de cantități încât să poată forma amestecuri explozive vapori-gaz-aer, a căror aprindere dezvoltă o presiune de explozie în exces calculată în încăpere. peste 5 kPa.
8. Determinarea valorilor indicatorilor energetici ai pericolului de explozie ai unei unități tehnologice în timpul unei explozii
Potențialul energetic exploziv E (kJ) al unui bloc este determinat de energia totală de ardere a fazei de vapori-gaz situată în bloc, ținând cont de mărimea activității expansiunii adiabatice a acestuia, precum și de mărimea energiei. de ardere completă a lichidului evaporat din zona maximă posibilă a scurgerii acestuia și se consideră:
1) în cazul unei depresurizări de urgență a dispozitivului, are loc deschiderea (distrugerea) completă a acestuia;
2) aria de scurgere a lichidului este determinată pe baza soluțiilor de proiectare a clădirilor sau a locului de instalare în aer liber;
3) se presupune că timpul de evaporare nu depășește 1 oră:
Suma energiilor de dilatare adiabatică A (kJ) și arderea PHF situată în bloc, kJ:
q" =23380 kJ/kg - căldura specifică de ardere a HHF (hidrogen sulfurat);
26,9 - masa de gaz inflamabil
.
Pentru a determina practic energia expansiunii adiabatice a PHF, puteți utiliza formula
unde b1 - poate fi luat din tabel. 5. Cu indicele adiabatic k=1,2 și presiune 0,1 MPa, este egal cu 1,40.
Tabel 5. Valoarea coeficientului b1 în funcție de indicele adiabatic al mediului și presiunea din unitatea de proces
| Indicator | Presiunea sistemului, MPa | |||||||||
| adiabats | 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 este energia de ardere a PHF furnizată zonei depresurizate de la obiecte (blocuri) adiacente, kJ. Nu există blocuri adiacente, deci această componentă este zero.
0 kJ este energia de ardere a PHF, generată ca urmare a energiei fluidului lichid supraîncălzit al blocului luat în considerare și primită de la obiectele adiacente în timpul ti.
0 kJ este energia de ardere a PHF format din fluid lichid datorită căldurii reacțiilor exoterme care nu se opresc în timpul depresurizării.
0 kJ este energia de ardere a PHF format din fluid lichid datorită afluxului de căldură din lichidele de răcire externe.
0 kJ este energia de ardere a PHF generată din fluidul lichid vărsat pe o suprafață solidă (pardoseală, palet, sol etc.) datorită transferului de căldură din mediu (de la suprafața solidă și aer la lichidul de-a lungul suprafeței sale).
Potențialul exploziv al blocului este egal cu:
E=628923,51 kJ.
Pe baza valorilor potențialelor energetice generale ale pericolului de explozie E, se determină valorile masei reduse și ale potențialului energetic relativ care caracterizează pericolul de explozie al unităților tehnologice.
Masa totală de vapori (gaze) inflamabili ai unui nor de vapori-gaz exploziv t, redusă la o singură energie specifică de ardere egală cu 46.000 kJ/kg:
Potențialul energetic relativ al pericolului de explozie Qв al unei unități tehnologice este găsit prin calcul folosind formula
Pe baza valorilor potențialelor energetice relative Qv și a masei reduse a mediului vapor-gaz m, blocurile tehnologice sunt clasificate. Indicatorii categoriei sunt prezentați în tabel. 5.
Tabelul 4. Indicatori ai categoriilor de pericol de explozie ale unităților tehnologice
| Categoria de explozie | Qв | m, kg |
| eu | > 37 | > 5000 |
| II | 27 - 37 | 2000 - 5000 |
| III | < 27 | < 2000 |
Concluzie: Încăperea aparține categoriei III de pericol de explozie, deoarece masa totală a norului exploziv de vapori-gaz de hidrogen sulfurat redusă la o singură energie specifică de ardere este de 16,67 kg, potențialul energetic relativ al pericolului de explozie este de 5,18.
9. Calculul concentrației explozive a amestecului gaz-aer din încăpere. Determinarea clasei de spații în funcție de pericolul de explozie și incendiu conform Reglementărilor Electrice Electrice
Să determinăm volumul concentrației explozive de hidrogen sulfurat din cameră:
unde t este masa amestecului de abur-aer din încăpere, kg,
LKPV - limita inferioară a concentrației de aprindere, g/m3.
Concentrația amestecului de abur-aer din cameră va fi:
unde VCM este volumul concentrației explozive de hidrogen sulfurat din încăpere, m3, VC6 este volumul liber al încăperii, m3.
Rezultatele calculului sunt prezentate în Tabelul 6.
Tabelul 6. Rezultatele calculării concentrației amestecului gaz-aer
Potrivit PUE, spațiile în cauză aparțin clasei B-Ia - zone situate în spații în care, în timpul funcționării normale, nu se formează amestecuri explozive de gaze inflamabile (indiferent de limita inferioară de inflamabilitate) sau vapori de lichid inflamabil cu aerul, dar sunt posibile numai ca urmare a accidentelor și defecțiunilor.
10. Determinarea zonelor de distrugere în timpul unei explozii. Clasificarea zonelor afectate
Razele zonelor de distrugere în timpul exploziei unui amestec gaz-aer au fost determinate conform metodologiei prevăzute în Anexa 2 din PB 09-540-03.
Masa substanțelor vapori-gaz (kg) implicate în explozie este determinată de produs
unde z este fracția din masa redusă de hidrogen sulfurat implicată în explozie (pentru GG este egal cu 0,5),
t – masa de hidrogen sulfurat din încăpere, kg.
Echivalentul TNT poate fi utilizat pentru a evalua nivelul de expunere la explozie. Echivalentul TNT al unei explozii a unui mediu vapor-gaz WT (kg) se determină în funcție de condițiile de adecvare a naturii și a gradului de distrugere în timpul exploziilor de nori de vapori-gaz, precum și a compușilor instabili chimic solizi și lichizi.
Pentru mediile vapori-gaz, echivalentul TNT al unei explozii este calculat:
unde 0,4 este fracțiunea energiei de explozie a mediului vapor-gaz cheltuită direct pentru formarea undei de șoc;
0,9 – fracțiunea energiei de explozie a trinitrotoluenului (TNT) cheltuită direct la formarea unei unde de șoc;
q"—caldura specifica de ardere a mediului vapor-gaz, kJ/kg;
qT este energia de explozie specifică a TNT, kJ/kg.
Zona de distrugere este considerată a fi o zonă cu limite definite de razele R, al cărei centru este unitatea tehnologică luată în considerare sau locul cel mai probabil de depresurizare a sistemului tehnologic. Limitele fiecărei zone sunt caracterizate de valorile presiunii în exces de-a lungul frontului undei de șoc AR și, în consecință, de coeficientul adimensional K. Clasificarea zonelor de distrugere este dată în tabelul 6.
Tabelul 7. Nivelul de distrugere posibilă în timpul transformării explozive a norilor de amestecuri aer-combustibil
| Clasa zonei de fractură | ΔР, kPa | LA | Zona de distrugere | Caracteristicile zonei afectate |
| 1 | ≥100 | 3,8 | deplin | Distrugerea și prăbușirea tuturor elementelor clădirilor și structurilor, inclusiv subsoluri, procent de supraviețuire umană; Pentru clădiri administrative și clădiri de management de design convențional - 30%; Pentru clădiri industriale și structuri de design convențional - 0%. |
| 2 | 70 | 5,6 | puternic | Distrugerea unei părți din pereții și tavanele etajelor superioare, formarea de fisuri în pereți, deformarea tavanelor etajelor inferioare. Posibilă utilizare limitată a pivnițelor supraviețuitoare după degajarea intrărilor. Rata de supraviețuire umană: Pentru clădiri administrative și clădiri de management de design convențional - 85%: Pentru clădiri industriale și structuri de design convențional - 2% |
| 3 | 28 | 9,6 | medie | Distrugerea elementelor în principal secundare (acoperișuri, pereți despărțitori și umpluturi). Podelele, de regulă, nu se prăbușesc. Unele dintre spații sunt potrivite pentru utilizare după curățarea resturilor și efectuarea reparațiilor. Procentul de supraviețuire a oamenilor: - pentru clădirile administrative și clădirile de conducere de design convențional - 94%. |
| 4 | 14 | 28 | slab | Distrugerea umpluturilor și pereților despărțitori ai ferestrelor și ușilor. Subsolurile și etajele inferioare sunt complet conservate și sunt potrivite pentru utilizare temporară după îndepărtarea resturilor și etanșarea deschiderilor. Procentul de supraviețuire a oamenilor: - pentru clădirile administrative și clădirile de control de proiectare convențională - 98%; clădiri industriale și structuri de design convențional - 90% |
| 5 | ≤2 | 56 | geamuri | Distrugerea umpluturilor de sticlă. Procentul de supraviețuitori este de 100% |
Raza zonei de distrugere (m) este determinată în general de expresia:
unde K este un coeficient adimensional care caracterizează impactul unei explozii asupra unui obiect.
Rezultatele calculării razelor zonelor de deteriorare în timpul exploziei unui amestec combustibil-aer într-o încăpere sunt prezentate în tabelul 7.
Tabelul 7 - Rezultatele calculării razelor zonelor de deteriorare
Lista surselor utilizate
1. Beșchastnov M.V. Explozii industriale. Evaluare și prevenire. - M. Chimie, 1991.
2. Siguranța vieții, Siguranța proceselor și a producției tehnologice (Siguranța muncii): Manual pentru universități / P.P. Kukin, V.L. Lapin, N, L. Ponomarev și alții, - M.,: Mai înalt. scoala t 2001,
3. PB 09-540-03 „Reguli generale de siguranță la explozie pentru industriile chimice, petrochimice și de rafinare a petrolului periculoase la incendiu și explozie.”
4. GOST 12.1,010-76* Siguranța la explozie
5. NPB 105-03 „Definirea categoriilor de spații și clădiri, instalații exterioare pentru pericol de explozie și incendiu”.
6. SNiP 23 -01-99 Climatologie constructii.
7. Pericol de incendiu și explozie al substanțelor și materialelor și mijloacelor de stingere a acestora. Ed. A„ N. Baratova şi A. Ya Korolchenko. M., Chimie, 1990. 8. Reguli de proiectare a instalaţiilor electrice. Ed. al 7-lea.