(46)

где I - мольная доля i-го вещества в смеси;

i н(в) - значение НКПРП или ВКПРП i-го вещества.

Данная формула справедлива для большинства горючих смесей, хотя в некоторых случаях могут наблюдаться отклонения, связанные с химическим взаимодействием веществ. Пересчёт КПРП для температуры, отличной от 298 К, также осуществляется по формулам (42, 43).

ПРИМЕР: Определить КПРП смеси, состоящей из 45 об. % метана и 55 об. % бутана при температуре 37 оС.

Решение:

1. Значения КПРП индивидуальных веществ (метана и бутана) находим в таблице приложения 4:

для метана н = 5 %; в = 15 %.

для бутана н = 1,86 %; в = 8,41 %.

Рассчитываем КПРП по формуле Ле-Шателье, %

;

.

5. По формулам пересчитываем значения КПРП при температуре

37+273 = 310 К:

;

.

Ответ: КПРП газовой смеси при 37 оС составляют 2,53 - 10,67 %.

2.5 РАСЧЁТ МИНИМАЛЬНОЙ ФЛЕГМАТИЗИРУЮЩЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И МИНИМАЛЬНОГО ВЗРЫВООПАСНОГО СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА

Область воспламенения горючей смеси сужается при введении в неё негорючих компонентов - так называемых флегматизаторов, чаще всего инертных негорючих газов (диоксида углерода, азота, аргона, гелия, паров воды).

Изменение КПРП при этом зависит от природы и концентрации негорючего вещества, используемого в качестве флегматизатора. Влияние флегматизаторов на КПРП зависит от тепловых характеристик газов - теплоёмкости и теплопроводности. Чем выше теплоёмкость газа при одной и той же теплопроводности, тем выше эффективность его действия.

При увеличении концентрации флегматизатора в горючей смеси ВКПРП уменьшается, а НКПРП, как правило, незначительно увеличивается. При некоторой определённой для каждого флегматизатора концентрации нижний и верхний концентрационные пределы сливаются (рис. 1). Эта точка называется экстремальной точкой области распространения пламени или точкой флегматизации. Концентрация флегматизатора, при которой происходит слияние нижнего и верхнего пределов, называется минимальной флегматизирующей концентрацией (МФК) - наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя. По сути МФК - это минимальное количество флегматизатора, которое необходимо ввести в газовоздушную смесь стехиометрического состава, чтобы сделать её негорючей.

Рис. 1. Зависимость концентрационных пределов распространения пламени от концентрации флегматизатора в газовоздушной смеси

Максимальную флегматизирующую концентрацию можно рассчитать исходя из того, что адиабатная температура горения смеси стехиометрического состава не может быть меньше 1500 К.

Уравнение для расчёта адиабатной температуры горения стехиометрической смеси, содержащей флегматизатор, имеет вид:

, (47)

где VПГi - объём i -го продукта горения, моль/моль;

Vф - объём флегматизатора, моль/моль.

Тогда объём флегматизатора будет равен:

, (48)

а его минимальная флегматизирующая концентрация в стехиометрической смеси

. (49)

Концентрация горючего в смеси, соответствующая точке флегматизации, рассчитывается по уравнению:

. (50)

Концентрация кислорода в этой же смеси (в точке флегматизации) называется минимальным взрывоопасным содержанием кислорода (МВСК) - такая концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, меньше которой распространение пламени в горючей смеси становится невозможным при любой концентрации горючего в смеси, разбавленной данным флегматизатором.

МВСК рассчитывается по формуле, %

. (51)

Значения МВСК для некоторых газовоздушных смесей приведены в приложении 4.

Безопасная концентрация кислорода принимается с некоторым запасом и рассчитывается по формуле:

= 1,2·О2ф - 4,2. (52)

ПРИМЕР: Определить значение МФК и безопасную концентрацию кислорода при разбавлении пропановоздушной смеси водяным паром. Построить зависимость концентрационных пределов распространения пламени от концентрации флегматизатора.

Решение:

Минимальную флегматизирующую концентрацию находим из условия минимальной адиабатной температуры горения стехиометрической пропановоздушной смеси, где ТГ = 1500 К.

.

Низшая теплота сгорания пропана Qн. = 2049 кДж/моль (см табл. приложения 4).

Согласно уравнению материального баланса

С3Н8 + 5 (О2 + 3,76 N2) = 3СО2 + 4Н2О + 5 3,76 N2.

VCO2 = 3 моль/моль; VН2О = 4 моль/моль; VN2 = 5•3,76 моль/моль.

Значения теплоёмкостей можно взять в табл. 6. Объем флегматизатора в предельной по горючести стехиометрической смеси рассчитывается по формуле, моль/моль .

Минимальная флегматизирующая концентрация паров воды

;

Концентрация горючего в точке флегматизации

.

КПРП пропана в воздухе равны 2,37 - 9,5 об. %. По полученным данным строим зависимость КПРП от концентрации флегматизатора (рис. 2.).

МВСК (концентрация кислорода в точке флегматизации)

.

Значение безопасной концентрации кислорода для пропановоздушной смеси с водяным паром = 1,2·О2ф - 4,2 = 1,2 · 9,2 - 4,2 = 6,8 %.

2. Зависимость КПРП пропана от концентрации флегматизатора
(водяной пар)

2.6 ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА

Жидкость, налитая в открытый сосуд, испаряется из него. При этом молекулы, оторвавшиеся от поверхности жидкости за счёт конвективных потоков и броуновского движения, уходят в окружающее пространство, а на их место из жидкости вылетают всё новые и новые молекулы. Таким образом, над поверхностью жидкости образуется насыщенный пар и процесс испарения протекает до тех пор, пока вся жидкость не испарится.

Для того чтобы молекула оторвалась от поверхности жидкости, она должна иметь кинетическую энергию примерно в 10 раз большую, чем средняя кинетическая энергия молекул жидкости.

В закрытом сосуде кроме испарения будет протекать процесс конденсации паров. При этом в начальный момент времени скорость испарения будет больше скорости конденсации. Но с увеличением числа молекул в единице объёма скорость испарения уменьшается, а скорость конденсации возрастает. В какой-то момент скорость испарения становится равной скорости конденсации. Такое состояние жидкости и пара называется динамическим равновесием. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и её абсолютной температуры. Зависимость давления пара от температуры можно выразить формулой, вытекающей из уравнения Клаузиса-Клайперона.

. (53)

Если принять в первом приближении, что теплота испарения с изменением температуры остаётся величиной постоянной (что справедливо для области температур, которой отвечают невысокие значения давления пара), то интегрируя уравнение, получим:

, (54)

где С - постоянная интегрирования.

Если же мы будем интегрировать уравнение в пределах от Т1 до Т2 и соответственно от Р1 до Р2, то получим уравнение вида:

(55)

или, перейдя к десятичному логарифму, получим:

. (56)

Это уравнение линейное и может быть использовано для определения давления пара данной жидкости при заданной температуре, если известны значение давления пара при другой температуре и мольная теплота испарения.

Из полученных уравнений видно, что с повышением температуры жидкости давление пара увеличивается. С увеличением мольной теплоты испарения давление пара уменьшается, т. к. уменьшается летучесть жидкости.

На практике очень часто приходится иметь дело с различными смесями горючих жидкостей. Различают следующие смеси двух и более жидкостей:

1. смеси жидкостей, хорошо растворимых друг в друге;

2. смеси жидкостей, частично растворимых друг в друге;

3. смеси жидкостей, не растворимых друг в друге.

Давление пара смесей нерастворимых друг в друге жидкостей определяется как сумма давлений компонентов смеси по формуле:

, (57)

где - давление пара смеси не растворимых друг в друге жидкостей,

Рi - давление пара i- компонента.

Расчёт давления пара смеси жидкостей, растворимых друг в друге, ведётся по формуле:

, (58)

где - давление пара смеси жидкостей, растворимых друг в друге;

ri - мольная доля i компонента, причём .

Мольная доля каждого компонента может быть определена по формуле

, (59)

где g1, g2, g3 …gi - весовой процент каждого компонента в жидкой фазе;

M1, M2, M3 - молекулярные массы компонентов.

ПРИМЕР: Вычислить давление пара толуола при температуре 17С, если при температуре 30С давление насыщенных паров его равно 37,2 мм рт. ст. Мольная теплота испарения толуола 32880 Дж/моль.

Решение:

Из уравнения (50) выразим lgP1

.

Отсюда Р1 = 20,8 мм рт. ст.

Ответ: при температуре 17 С давление насыщенных паров толуола составит 20,8 мм рт. ст.

Давление насыщенного пара при заданной температуре можно определить по номограмме (рис. 3). В середине номограммы находится шкала давления пара, общая для всех веществ. Справа и слева от неё - шкалы температур. По обе стороны от шкалы давления расположены точки, каждая из которых соответствует определённому веществу. Например, №19 -керосину и декану, №32 - этиленгликолю и т. д. Нахождение давления пара жидкости сводится к тому, что через точку, отвечающую заданному веществу, и точку заданной температуры проводится прямая до пересечения её со шкалой давления пара. Точка пересечения этой прямой со шкалой давления и даст значение давления пара при заданной температуре. Для нахождения точных значений давления насыщенных паров или температурных пределов необходимо уметь находить цену деления в конкретных интервалах давлений насыщенных паров по формуле

. (60)

ПРИМЕР: Определить давление пара воднобензольной эмульсии при температуре 20С.

Решение:

1. По номограмме № 1 (рис. 3) для определения давления насыщенного пара находим значения давления насыщенных паров бензола и воды при температуре 20 С.

Давление насыщенных паров бензола при температуре 20 С составило 9,31 кПа, давление насыщенных паров воды составило 2,39 кПа.

2. Поскольку вода и бензол при смешивании образуют эмульсию, т. е. взаимно нерастворимы, давление насыщенных паров рассчитывается по формуле (кПа).

Ответ: давление пара воднобензольной эмульсии при температуре 20 С составило 11,7 кПа.

ПРИМЕР: Определить давление насыщенных паров спиртовой смеси при температуре 10 С. Состав смеси в весовых процентах: этанола - 30 %, метанола - 20 %, пропанола - 50 %.

Решение:

1. Определяем давление насыщенного пара каждого компонента смеси по номограмме:

Рн.п.(СН4О)=7,315 кПа; Рн.п.(С2Н6О)=1,995 кПа; Рн.п.(С3Н8О)=0,931 кПа.

2. Определяем молекулярные массы компонентов:

М(СН4О)=32 у. ед.; М(С2Н6О)=46 у. ед.; М(С3Н8О=60 у. ед.

3. Определяем мольные доли компонентов:

;

;

.

4. Определяем давление паров смеси растворимых друг в друге жидкостей.

(кПа)

Ответ: давление паров спиртовой смеси при 10С составило 3,14 кПа.

Номограмма № 1 для определения давления насыщенного пара жидкостей

ПРИМЕР: определить, будет ли опасной концентрация паров этилового спирта в мернике при температуре 270 К и общем давлении 101,3 кПа.

Решение:

1. Определяем давление паров этилового спирта при температуре 270 К (по номограмме № 1 рис. 3) Р = 13,32 кПа.

2. Определяем фактическую концентрацию паров этилового спирта:

.

3. По справочным данным определяем область воспламенения этилового спирта: н = 3,28 % в = 18,95 %.

4. Сравниваем и н:  = 1,31 % < н = 3,28 %, следовательно определяем ПДВК.

ПДВК ? Кбез н = 0,5 3,28 = 1,64 %.

Кбез = 0,5 , т.к. мерник - аппарат без источников зажигания.

5. Сравниваем с ПДВК и делаем вывод: = 1,31 < ПДВК, следовательно концентрация безопасна.

Ответ: концентрация паров этилового спирта в мернике при температуре 270 К и давлении 101,3 кПа будет безопасной.

Для определения мест расположения устройств вытяжной вентиляции при работе с жидкостями необходимо знать плотность их паров по воздуху, т.е. вес их относительно воздуха.

Плотность пара по воздуху определяется по формуле

, (61)

где МГВ - молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Если Д >1, то пары тяжелее воздуха и будут скапливаться в нижней части помещения, вентиляционные устройства следует располагать внизу.

Если Д < 1, то пары легче воздуха и будут скапливаться в верхней части помещения, вентиляционные устройства следует располагать вверху.

ПРИМЕР: Определить место расположения устройств вытяжной вентиляции при работе с бензолом.

Решение:

1. Определяем молярную массу бензола: М(С6Н6) = 612 + 6 1 = 78 (кг/кмоль).

2. Определяем плотность пара по воздуху:

пары тяжелее воздуха и скапливаются в нижней части помещения.

Ответ: устройства вытяжной вентиляции при работе с бензолом должны быть расположены в нижней части помещения.

2.7 РАСЧЁТ ЛИНЕЙНОЙ И МАССОВОЙ СКОРОСТЕЙ ВЫГОРАНИЯ ЖИДКОСТИ

Горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией окисления горючего вещества кислородом воздуха, но и физическими явлениями (испарение, смешение горючих паров и газов с воздухом), без которых горение невозможно. Взаимодействие горючих паров с кислородом воздуха происходит в зоне горения, в которую непрерывно должны поступать горючие пары и воздух. Это возможно, если жидкость будет получать определённое количество тепла, необходимое для испарения.

В установившемся процессе горения (Тпламени=const) наблюдается равновесие между количеством вещества, сгоревшего в зоне горения, и массой пара, поступающего в пламя. Это определяет постоянную скорость испарения, а следовательно выгорание жидкости в течение всего процесса горения.

Различают две скорости горения жидкости - массовую и линейную.

Массовая скорость выгорания (хмас) - масса жидкости (кг), выгорающая в единицу времени (с) с единицы площади поверхности (м2).

Линейная скорость выгорания (хлин) - высота слоя жидкости (м), выгорающая в единицу времени (с).

. (62)

, (63)

где h - высота слоя сгоревшей жидкости, м;

- время горения, с;

m - масса сгоревшей жидкости, кг;

- плотность жидкости, кг/м3;

S - площадь поверхности горения, м2.

Определение времени образования минимальной взрывоопасной концентрации паров вещества в помещении производится, исходя из понятия скорости испарения жидкости

(64)

где m - масса жидкости, которая должна испариться для образования концентрации паров, равной НКПРП, кг;

хисп - скорость испарения жидкости, кг/(м2 с);

S - площадь поверхности испарения, м2.

ПРИМЕР: Определить время образования минимальной взрывоопасной концентрации паров бензола в помещении объёмом 350 м3 при температуре 20оС, если испарение протекает с поверхности 3 м2 со скоростью 3,2210-4 кг/(м2 с).

Решение:

1. Пользуясь справочными данными, определяем НКПРП бензола: н = 1,4 %

2. Пересчитываем НКПРП в кг/м3:

М(С6Н6)=78 (кг/кмоль).

;

.

3. Определяем массу бензола, которая должна испариться для того, чтобы в помещении объёмом 350 м3 образовалась концентрация паров, равная 0,045 кг/м3:

m=Vп /н = 350 0,45 = 15,75 кг.

4. Определяем время, необходимое для испарения рассчитанной массы бензола:

.

Ответ: при данных условиях в помещении объёмом 350 м3 пары бензола образуют взрывоопасную концентрацию за 4,5 часа.

2.8 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Температурные пределы распространения пламени служат для характеристики пожарной опасности горючих жидкостей.

Нижний температурный предел распространения пламени (НТПРП) - это наименьшая температура жидкости, при которой над её поверхностью создаётся концентрация насыщенного пара, равная НКПР пламени. При температуре жидкости ниже НТПРП смесь насыщенных паров с воздухом не способна воспламеняться от кратковременного воздействия источника пламени.

Верхний температурный предел распространения пламени (ВТПРП) - это наибольшая температура жидкости, при которой над её поверхностью создаётся концентрация насыщенного пара, равная ВКПР пламени. Выше этой температуры жидкость образует насыщенные пары, которые в смеси с воздухом в закрытом объёме воспламенять не могут, но могут гореть в диффузионной области при выходе из ёмкости в воздух.

Следовательно, если для горючего вещества известны концентрационные пределы распространения пламени, то по зависимости давления насыщенного пара от температуры могут быть найдены его температурные пределы.

Допустим, известен нижний концентрационный предел распространения пламени паров горючей жидкости. Необходимо найти HТПРП, т.е. температуру, при которой концентрация насыщенных паров над поверхностью этой жидкости будет равна НКПРП.

По концентрации паров н и в (значение НКПРП и ВКПРП) можно найти парциальное давление насыщенных паров Рн, кПа

(65)

где Р0 - атмосферное давление (общее давление паровоздушной смеси).

По давлению насыщенного пара нетрудно установить соответствующую температуру жидкости, которая и будет значением НТПВ или ВТПВ.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры для большинства жидкостей известна и приведена в справочной литературе в виде таблиц (см. таблицу приложения 12), графиков или задана уравнением lgP = f(T) (константы приведены в таблице приложения 16).

Температурные пределы распространения можно определить также по эмпирической формуле, связывающей их с температурой кипения индивидуальных жидкостей и константами К и l, характерными для данного гомологического ряда:

tн(в) = К·Ткип - l , (66)

где tв(н) - нижний или верхний температурный предел распространения пламени, оС;

tкип - температура кипения, оС.

Значения К и l приведены в приложении 17.

ПРИМЕР: Рассчитать НТПРП бутилового спирта по нижнему концентрационному пределу распространения пламени.

Решение:

1. По справочнику или расчетом находим, что НКПР этилового спирта равен 1,8 %.

2. Определяем, какому давлению насыщенного пара соответствует значение нижнего концентрационного предела:

.

3. Для нахождения соответствующей температуры можно воспользоваться таблицей приложения 12. По таблице находим, что при
Р1 = 1,33 кПа Т1 = 303,2 К, а при Р2 = 2,67 кПа Т2 = 314,5 К. Следовательно, искомая температура, отвечающая нижнему температурному пределу, находится между 303,2 и 314,5 К. Интерполяцией находим НТПРП:

.

Значение Тн можно определить также по уравнению Антуана:

, (67)

где Р - давление, кПа;

Т - температура, К (см. таблицу приложения 16).

Решая уравнение относительно Т, получим:

.

Для бутилового спирта А=11,72, В=2665, С= -6,4. Подставляя численные значения, получим: .

Ответ: нижний температурный предел бутилового спирта составил 308,6 К.

Температурные пределы распространения пламени можно также рассчитывать с использованием номограммы для определения упругости насыщенных паров при различных температурах (номограмма №1, рис. 3).

Нахождение температурных пределов является обратной задачей. Нахождение температурных пределов сводится к тому, что через точку, отвечающую заданному веществу, проводится прямая до пересечения её со шкалой температур при заданном значении давления насыщенного пара, значения которых находятся из формул (65) с использованием значений концентрационных пределов распространения пламени, взятых из справочной литературы. Для нахождения точных значений давления насыщенных паров или температурных пределов необходимо уметь находить цену деления в конкретных интервалах давлений насыщенных паров по формуле (60).

2.9 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Температура вспышки - самая низкая температура вещества, при которой над поверхностью его образуются пары и газы, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость образования паров ещё недостаточна для возникновения устойчивого горения.

Если повысить температуру жидкости и тем самым увеличить скорость образования горючих паров над ее поверхностью, можно добиться, что кратковременное воздействие источника зажигания вызовет не только вспышку паров, но и их последующее устойчивое горение.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» жидкости, способные воспламеняться и гореть, по пожарной опасности подразделяются на два класса:

1. Легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) - tвсп 61 0С в закрытом тигле (бензин, керосин, ацетон, скипидар, бензол, сероуглерод, метиловый спирт и др.).

2. Горючие (ГЖ) tвсп >61 0С в закрытом тигле (глицерин, этиленгликоль, мазут, минеральные и растительные масла).

Наименьшая температура вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы в таком количестве, что после их зажигания и удаления источника воспламенения устанавливается устойчивое пламенное горение, называется температурой воспламенения.

Температура воспламенения не намного больше температуры вспышки. Для ЛВЖ это различие составляет 1-5 єC, для ГЖ - 30-35 єC.

Таким образом,

для ЛВЖ: tвоспл = tвсп + (1 5 0), причём чем ниже tвсп, тем меньше эта разность.

для ГЖ: tвоспл = tвсп + (30 35 0)

Температуры вспышки и воспламенения являются основными показателями пожарной опасности жидкостей. Их значения для некоторых жидкостей приведены в таблице приложения 6.

Температуру вспышки жидкостей можно определить по формуле Элея:

, С (68)

где: tкип - температура кипения жидкости, С;

К - коэффициент горючести, определённый по формуле:

, (69)

где С, S, H, O, N, Cl, F, Br - количество атомов указанных элементов в формуле горючего вещества.

По коэффициенту горючести определяют группу горючести вещества:

К 0 - вещество относится к группе негорючих веществ;

0 < К 1 - вещество относится к группе трудногорючих веществ;

К > 1 - группа горючих веществ.

ПРИМЕР: Определить температуру вспышки и воспламенения муравьиной кислоты, если её температура кипения составляет 101оС. К какому классу относится данная жидкость? В помещении какой категории можно работать с этой жидкостью?

Решение:

, С

К = 4·C + 4·S + H + N - 2·O - 2·Cl - 3·F - 5·Br;

К = 4·C + H - 2·O = 4·1 + 2·1 - 2·2 = 2.

=101 - 18·2 = 74,5оС > 61 оС это ГЖ, категория помещения В.

Для ГЖ tвоспл = tвсп + (30 35), 0С

tвоспл = 74, 5 + (30 35), 0С = 104,5 109, 5 оС.

Ответ: tвсп муравьиной кислоты 74, 5 оС, tвоспл = 104,5 109, 5 оС, ГЖ категория В.

Если вещество имеет сложный состав (керосин, краска, эмаль), то температура вспышки рассчитывается по формуле, єС:

, (70)

формула справедлива при 0 0С tвсп 160 0С.

ПРИМЕР: Определить температуру вспышки изоамилового спирта С5Н11ОН, если его НТПРП составляет 38 оС. Рассчитать его температуру воспламенения.

Решение:

< 61оС - это ЛВЖ.

Для ЛВЖ tвоспл = tвсп + (1 5) = 45,7 + (1 5) єС = 46,7 50,7 оС.

Ответ: для изоамилового спирта tвсп = 45,7 оС, tвоспл = 46,7 50,7 оС.

Метод расчета указанных показателей по формуле В. И. Блинова основывается на предположении, что концентрации паров жидкости и кислорода в потоке, направленном к поверхности горения, отвечают стехиометрическому составу, пар к пламени подводится благодаря молекулярной диффузии, а давление пара над жидкостью связано с температурой самой жидкости.

Формула Блинова имеет вид:

, (71)

где А - постоянная пpибора, зависящая от условий опыта;

До - коэффициент диффузии, м2/с;

n - число молей кислорода, необходимое для полного сгорания одного моля пара жидкости;

Рнп - давление насыщенного пара жидкости при Твсп, Па.

При определении Твсп по формуле (71) имеем два неизвестных - Твсп и Рнп, т. к. последняя величина должна быть взята именно при Твсп. В таком случае поступают следующим образом.

Сначала находим произведение температуры вспышки и давления насыщенных паров

.

В дальнейшем задача сводится к тому, чтобы по известной зависимости давления насыщенных паров от температуры жидкости найти такую температуру, при которой произведение будет равняться найденной величине . Для этого можно воспользоваться приложением 12.

Формула В. И. Блинова является универсальной, по ней можно рассчитывать температуру вспышки в открытом и закрытом тигле, а также температуру воспламенения. Для этого в формуле (71) меняется только параметр А.

При определении:

температуры вспышки в закрытом тигле А = 28 (КПа.м2)/с;

температуры вспышки в открытом тигле А = 45,3 (КПа.м2)/с;

температуры воспламенения А = 53,3 (КПа.м2)/с.

ПРИМЕР: Вычислить температуру вспышки метилового спирта по формуле В.И. Блинова для закрытого тигля, если коэффициент диффузии паров спирта 16,2.10-6 м2/с. Результаты сравнить с экспериментальным значением температуры вспышки (279 К).

Решение:

1. Для решения задачи по формуле В.И. Блинова необходимо иметь значение коэффициента n, для чего записываем уравнение реакции горения этилового спирта:

CH3OH + 1,5(О2+ 3,76N2) = СО2 + 2Н2О + 1,5·3,76N2,

откуда n = 1,5.

2. Вычислим произведение

При определении Твсп в закрытом тигле параметр А = 28 (КПа.м2)/с, поэтому

3. Найдем такую температуру, при которой произведение будет равно 576 кПа·К. Тогда найденное значение температуры будет соответствовать температуре вспышки.

Воспользуемся для этого зависимостью давления насыщенного пара от температуры жидкости, приведенной в таблице приложения 12. Для этилового спирта при Т1 = 256,8 К давление паров составляет Р1 = 1,33 кПа, а Р1Т1 =·342 кПаK. Это меньше, чем РвспТвсп. При Т2 = 267 К давление паров Р2 = 2,666 кПа, а Р2Т2 = 711 кПаК. Это уже больше, чем Рвсп Твсп. Значит, Твсп имеет значение между Т1 и Т2. Найдём его методом интерполяции:

Сравнение полученного значения с экспериментальным (279 К) показывает, что погрешность расчета по формуле В. И. Блинова составляет всего 2,7 К.

Ответ: температура вспышки метилового спирта 276,3 К.

2.10 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА

При взрыве газовых смесей протекает кинетическое горение в замкнутом объёме.

Давление, развиваемое при взрыве газовых смесей, рассчитывается по формуле, кПа

, (72)

где Р0 - начальное давление взрывчатой смеси, Па;

Т0 - начальная температура взрывчатой смеси, К;

Твзр - температура взрыва, К;

nпр - число кмолей продуктов сгорания после взрыва;

nисх - число кмолей горючей смеси до взрыва.

Для большинства горючих веществ Рвзр равно 600 - 1000 кПа. При взрыве горючих смесей с чистым кислородом Твзр резко возрастает и Рвзр может достигать 6000 кПа.

Наименьшее Рвзр на НКПРП и ВКПРП 300 кПа, что объясняется низкой температурой взрыва: на НКПРП Твзр 1550 К, а на ВКПРП Твзр 1100 К. Наибольшие Твзр и Рвзр - при концентрациях, близких к стехиометрической.

ПРИМЕР: Рассчитать давление при взрыве смеси водорода с воздухом при температуре 20 оС, если смесь была сжата до давления 600 кПа. Температура взрыва 1300 К.

Решение:

1. Записываем уравнение реакции горения водорода в воздухе:

Н2 + Ѕ (О2 + 3,76 N2) = Н2О + Ѕ· 3,76 N2.

2. Определяем сумму числа кмолей исходных веществ и продуктов взрыва: nисх = 1 + Ѕ + Ѕ · 3,76 = 3,38 (кмоль); nпр = 1 + Ѕ · 3,76 = 2,88 (кмоль).

3. По формуле рассчитываем давление взрыва смеси:

Ответ: давление взрыва сжатого водорода 2268 кПа

Давление взрыва используют при расчётах взрывоустойчивости аппаратуры, предохранительных клапанов, взрывных мембран и оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования.

При распространении взрывных волн в воздухе, при взаимодействии их с препятствиями происходят быстрые изменения давления, плотности, температуры и других параметров. Наиболее изученными являются невозмущённые каким-либо препятствием волны в воздухе. Такие волны называют падающими или проходящими. Структура подобных волн показана на рис. 4.

Для расчётов параметров взрывной волны вводится параметр расстояния Z

, (73)

где R - расстояние от центра взрыва до заданной точки, м;

W - масса взрывчатого вещества, кг.

Структура идеальной падающей взрывной волны:

1 - положительная фаза (фаза сжатия);

2 - отрицательная фаза (фаза разрежения)

Здесь Р0 - давление окружающей среды до прихода ударной волны, Па;

tа- время прихода взрывной волны в данную точку, с;

Рs - максимальное избыточное давление в падающей взрывной волне, Па;

Тs - время, за которое давление в точке прихода взрывной волны возвращается к исходному Р0, с;

is - импульс падающей взрывной волны, Пас;

Для отражённой волны:

Рr - избыточное давление отражённой волны, Па;

ir - импульс отражённой волны, Пас.

ПРИМЕР: Сферический заряд ТНТ массой 27 кг взрывается при стандартных атмосферных условиях. Найти параметры падающей и нормально отражённой от препятствия взрывной волны на расстоянии R = 30 м от центра взрыва.

Решение:

1. Найдём параметр расстояния Z для R = 30 м

(м / кг1/3).

2. С помощью номограммы № 2 найдём параметры падающей взрывной волны.

На шкале Z находим значение 101 и ведём вертикальную прямую вверх до пересечения с кривой Ps, после чего ведём перпендикуляр на ось Ps. и находим Ps=104 Па.

Аналогично ищем пересечение с кривыми is /W1/3, ta /W1/3, Ts /W1/3 и на соответствующих шкалах находим их значения. Для этого определяем цену деления и количество делений. При этом is /W1/3=25 Пас/кг1/3 (цена деления = (102-101):12=7,5 Пас/кг1/3, 2 деления);

ta /W1/3 = 0,021 с/кг1/3 (цена деления = (10-1 - 10-2):12=7,510-3, 1,5 деления);

Ts /W1/3= 5,510-3 с/кг1/3 (цена деления 7,510-4, 6 делений). Отсюда значения is, ta, Ts составят соответственно 75 Пас; 0,063 с, 0,0165 с.

3. С помощью номограммы №3 аналогично определяем параметры отражённой ударной волны:

Рr = 2,5104 Па; ir /W1/3=55 с/кг1/3, отсюда ir = 165 Пас.

Ответ: is= 75 Пас; ta =0,063 с; Ts = 0,0165 с; Ps=104 Па;

Рr = 2,5104 Па; ir = 165 Пас.

Номограмма № 2 для определения параметров падающей (невозмущённой) взрывной волны ТНТ

Номограмма № 3 для определения параметров взрыва за нормально отражённой взрывной волной ТНТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить, что по мере развития научно-технического прогресса вопросы пожаровзрывобезопасности приобретают всё большее значение. Появляются всё новые полимерные материалы, пожароопасность которых выше материалов природного происхождения. Методы количественной оценки пожаровзрывоопасности веществ и материалов в конкретных условиях, знание безопасных условий эксплуатации оборудования на пожароопасных объектах, знание критических значений показателей пожарной опасности веществ и материалов необходимы для будущих специалистов МЧС при принятии правильных научно-обоснованных решений в чрезвычайных ситуациях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Русинова Е.В. Теория горения и взрыва: курс лекций. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2009. 175 с.

2. Русинова Е.В. Теория горения и взрыва: учебное пособие. Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2011. 178 с.

3. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ. - М.: Химия, 1990. Ч. 1-2.

4. Гайнуллина Е.В. Теория горения и взрыва: информационно-справочный материал. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2010. 52 с.

5. Физика взрыва / под ред. Л. П. Орленко. 3-е изд. В 2 т. - М.: Физматлит, 2004. 360 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Список принятых обозначений

n - число молей вещества

- стехиометрический коэффициент

VВтеор - объём воздуха, теоретически необходимый для горения, м3

VВдейств - действительный (практический) объём воздуха, пошедшего на горение, м3

Vпгтеор - теоретический объём продуктов горения, м3

Р - давление газа, Па

Р0 - исходное (атмосферное) давление, Па

Рs - давление падающей ударной волны, Па

Рr - давление отражённой ударной волны, Па

Т - температура вещества, К

Q - количество теплоты, Дж

Vi - объём i-го газообразного вещества, м3, кмоль

- коэффициент избытка воздуха

Тсвп - температура самовоспламенения, К

Твсп - температура вспышки, К

m - масса вещества, кг

W - масса взрывчатого вещества, кг

R - расстояние от эпицентра взрыва до точки наблюдения, м

М - масса одного киломоля вещества, кг/кмоль

Qн - низшая теплота сгорания вещества, кДж/моль, кДж/кг

Нi - энтальпия i-го вещества, кДж/моль, кДж/м3

ТГ - температура горения, К

- теплоёмкость i-го газа при постоянном давлении, кДж/мольК; кДж/м3

- коэффициент теплопотерь

н (в) - нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени, %

Тн (в) - нижний (верхний) температурные пределы

Мр - число концевых функциональных групп

li - длина i-й углеродной цепи

ta - время прихода ударной волны, с

Тs - время, за которое давление в точке прихода взрывной волны возвращается к исходному (атмосферному) давлению, с

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Основные физические константы некоторых газов

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Показатели пожарной опасности некоторых газов

Примечание: Состав газовых смесей: коксовый газ СО - 6,8 %, СО2 - 2,8 %, N2 - 7,8 %; Н2 - 58 %, СН4 - 22,5 %; природный газ СО - 3,3 %, СН4 - 94 %, СmHn - 2,5 %; доменный газ СО - 28 %, СО2 - 10,5 %, N2 - 58,5 %, Н2 - 2,7 %, СН4 - 0,3 %.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Физико-химические константы некоторых горючих жидкостей

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Показатели пожарной опасности некоторых горючих жидкостей

Подобные документы

• Расчет основных параметров развития пожара в здании завода гелиевого машиностроения

  Расчет материального баланса процесса горения, коэффициента избытка воздуха, низшей теплоты сгорания и температуры горения, плотности теплового потока. Определение приведенной массовой скорости выгорания, количества дыма, выделяемого в помещении.
  
  курсовая работа [2,4 M], добавлен 21.02.2016
  

• Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

  Общие закономерности кинетического режима горения газов. Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации пламени. Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Оценка дебита горящих газовых фонтанов.
  
  курсовая работа [358,8 K], добавлен 10.07.2012
  

• Распространение пламени при пожаре

  Физические закономерности распространения пламени. Типичные стадии горения: воспламенение и последующее сгорание вещества. Распространение пламени в горючих смесях. Зависимость теплового потока в однозонной волне от температуры в узкой зоне реакции.
  
  контрольная работа [56,5 K], добавлен 19.09.2012
  

• Теория горения и взрыва

  Кратковременное высвобождение внутренней энергии, создающее избыточное давление. Особенности физического взрыва и его энергетический потенциал. Тротиловый эквивалент. Определение категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.
  
  контрольная работа [94,5 K], добавлен 28.04.2011
  

• Расчёт основных параметров развития и тушения пожара в здании оптовой торговой базы

  Оперативно-тактическая характеристика здания торговой оптовой базы. Прогнозирование возможной обстановки, определение формы и площади пожара. Расчет материального баланса процесса горения. Тепловой баланс и температура горения. Параметры развития пожара.
  
  курсовая работа [88,6 K], добавлен 18.10.2011
  

• Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана

  Определение границ локальных зон теплового воздействия факела газового фонтана. Расчет теплосодержания теоретического объема продуктов горения. Мощность фонтана, теплота горения, интенсивность лучистого теплового потока в зависимости от расстояния.
  
  курсовая работа [535,8 K], добавлен 16.01.2016
  

• Основы профилактики пожаров

  Общие положения, мероприятия по пожарной профилактике. Процессы и условия горения и взрыва, свойства веществ и материалов, применяемых в технологическом процессе, способов и средств защиты от пожара и взрыва. Состояние пожароопасности населенных пунктов.
  
  реферат [88,4 K], добавлен 12.05.2009
  

• Опасность взрыва

  Сущность и признаки взрыва. Основные поражающие факторы, действующие при этом, зоны действия взрыва. Его действие на здания, сооружения, оборудование. Поражение человека. Правила безопасного поведения при угрозе взрыва, последствия и поведение после него.
  
  презентация [703,8 K], добавлен 08.08.2014
  

• Расчёт основных параметров развития и тушения пожара в здании офисного центра

  Оперативно-тактическая характеристика офисного центра, определение формы и площади пожара. Материальный и тепловой балансы процесса горения; параметры развития и тушения пожара. Количество огнетушащего средства и технических приборов для защиты объекта.
  
  курсовая работа [121,9 K], добавлен 29.03.2013
  

• Возникновение и развитие горения. Физические закономерности формирования очаговых признаков пожара

  Возникновение ситуаций, осложняющих формирование и выявление очаговых признаков. Возникновение множественных первичных очагов пожара, их отличие от очагов горения. Нивелирование и исчезновение очаговых признаков в ходе развития горения. Пробежка пламени.
  
  презентация [348,4 K], добавлен 26.09.2014
  

• Пожары и их предупреждения

  Статистика и причины пожаров. Оценка риска его возникновения и мероприятия по его снижению. Физико-химические основы процесса горения и взрыва. Организация пожарной охраны. Спасение людей, которые могут подвергнуться воздействию опасных факторов пожара.
  
  контрольная работа [28,9 K], добавлен 17.04.2014
  

• Расчёт взрывопожароопасности помещений по лабораториям ТОО "Х"

  Расчет взрывопожароопасности помещения (аналитический зал). Определение класса и категории помещения согласно "Правилам устройства электроустановок". Основные условия воспламенения паровоздушных смесей, развитие расчетного избыточного давления взрыва.
  
  контрольная работа [73,3 K], добавлен 25.08.2015
  

• Свойства веществ, характеризующие их пожарную опасность

  Быстроразвивающиеся процессы горения. Неорганизованные процессы горения веществ, приводящие к потере материальных ценностей, травматизму и гибели людей. Излучение пламени. Температура дыма. Коэффициент химического недожёга. Воспламенение и самовозгорание.
  
  учебное пособие [37,1 K], добавлен 24.03.2009
  

• Расчетно-аналитическое исследование показателей пожарной опасности веществ и прогнозирование динамики развития пожаров в помещении

  Анализ физико-химических свойств дипропилового эфира. Определение теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания дипропилового эфира и смеси газов. Расчет концентрационных пределов воспламенения веществ. Динамика развития внутреннего пожара.
  
  курсовая работа [1005,1 K], добавлен 12.10.2010
  

• Выдвижение и анализ версий о причинах возникновения пожаров. Отработка версии о поджоге. Исследование инициаторов горения

  Классификация инициаторов горения, используемых для поджогов. Полевые методы обнаружения инициаторов горения на местах пожаров. Нетрадиционные инициаторы горения. Лабораторные инструментальные методы обнаружения легковоспламеняющихся жидкостей.
  
  презентация [458,4 K], добавлен 26.09.2014
  

• Оценка показателей взрывопожароопасности горючих веществ

  Применение метана в промышленности. Торфяные технологии и продукция для экологии и охраны окружающей среды. Концентрационные пределы распространения пламени. Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора. Максимальное давление взрыва.
  
  курсовая работа [132,7 K], добавлен 31.12.2014
  

• Пожары и взрывы

  Причины и особенности взрывов или реакции горения, при которой скорость выделения теплоты превышает скорость ее рассеяния. Взрывоопасный объект. Пожар, как неконтролируемый процесс горения, причиняющий материальный ущерб. Отдельные и массовые пожары.
  
  презентация [1,1 M], добавлен 04.02.2016
  

• Физические основы огнетушения очагов возгорания

  Определение и сущность процесса горения. Виды иточников зажигания, классификация веществ по горючести. Фазы горения твердых, жидких и газообразных веществ. Условия огнетушения, огнетушащие вещества и материалы. Их целевое назначение и классификация.
  
  контрольная работа [15,6 K], добавлен 13.12.2009
  

• Безопасность жизнедеятельности на транспорте

  Основные понятия пожарной безопасности. Сущность процессов горения и взрыва. Организационно-технические мероприятия по обеспечению пожарной безопасности. Безопасная эксплуатация электроустановок. Первая медицинская помощь, правовой аспект при ее оказании.
  
  реферат [23,3 K], добавлен 22.02.2011
  

• Огнетушащие средства ингибирующего действия

  Характеристика, область применения, механизм прекращения горения и интенсивность подачи огнетушащих средств ингибирующего действия (химического торможения реакции горения). Расчет необходимого количества автоцистерн для подвоза воды на тушение пожара.
  
  контрольная работа [108,6 K], добавлен 19.09.2012
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам