Учебное пособие: Практикум по теории горения

3. Концентрационные пределы воспламенения

Теория дефлаграционного горения не накладывает ограничений на возможность уменьшения скорости распространения горения. Однако опыт показывает, что величина скорости распространения горения не может быть меньше определенного критического значения. Распространение пламени в смесях горючего и окислителя возможно только в определенном диапазоне их концентраций. При зажигании смеси, состав которой выходит за эти пределы, стойкое горение не возникает.

Для горючих смесей различают нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП) - наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который уже возможное стойкое, незатухающее распространение горения.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) - наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который еще возможное стойкое, незатухающее распространение горения.

Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) - одна из важнейших характеристик взрывоопасности горючих газов и паров. Область концентрации горючего вещества, которая лежит между нижним и верхним КПРП, характеризуется возможностью загорания и устойчивого горения смеси и называется областью взрывоопасных концентраций. Если концентрация горючего вещества выходит за концентрационные пределы, горючая смесь становится взрывобезопасной. Так, если концентрация горючего вещества меньшее нижнего КПРП, то горение вообще не возможно. Если концентрация горючего вещества больше ВКПРП, то возможно диффузионное горение такой газовой смеси при выходе ее в окружающее пространство и наличии источника зажигания.

Максимальная скорость реакции и распространения фронта пламени наблюдается при стехиометрическом соотношении компонентов (концентрации горючего равной стехиометрической ц_гв = ц_смк). При отклонении от стехиометрического соотношения скорость горения, а следовательно и скорость тепловыделения будут снижаться. Так, при ц_гв< цстм скорость тепловыделения уменьшается в результате нехватки горючего, и нагревании излишка окислителя, что приводит к дополнительным тепловым потерям. При ц_гв> ц_смк снижение тепловыделения происходит в результате нехватки окислителя, и затратам на нагревание избытка топлива, не принимающего участия в химической реакции. Таким образом, для парогазових смесей можно выделить как минимальную (нижнюю) ц_н, так и максимальную (верхнюю) цн концентрацию горючего, при которой наступают критические условия распространения фронта пламени.

Учитывая, что концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться при изменении внешних условий, для обеспечения пожарной безопасности при работе с горючими веществами определяют не только концентрационные пределы, но и безопасные концентрации ц _нб и ц_вб, ниже или выше которых смесь гарантировано не будет зажигаться. Безопасные концентрации можно рассчитать по формулам:

цнб < 0,9(цн - 0,21), %

цвб ? 1,1(цв + 0,42), %

где ц_н, ц_в -- НКПРП и ВКПРП, %;

Расположение областей возможных концентраций горючего отображено на рисунке.

Концентрационные пределы распространения пламени могут сильно изменяться при изменении внешних условий. Изменения КПРП объясняются с точки зрения баланса тепловыделения и теплоотдачи в системе. Все факторы, изменение которых приведет к увеличению тепловыделения, будут расширять КПРП (снижать нижний КПРП и повышать верхний КПРП). Факторы, увеличивающие теплоотдачу, будут суживать КПРП (увеличивать нижний КПРП и уменьшать верхний КПРП). Наибольшее влияние на КПРП оказывают:

· концентрация окислителя в окислительной среде (содержание кислорода в воздухе);

· концентрация инертных газов (флегматизаторов);

· температура и давление смеси;

· мощность источника зажигания;

Практическое значение КПРП

КПРП применяют в следующих случаях:

1. Для сравнительной оценки пожарной опасности веществ. Например, концентрационные пределы

· бутана С₄Н₁₀ 1,8--9%;

· бутена С₄Н₈ 1,6--10%;

· винилацетилена С₄Н₄ 1,8--53,2%.

Наиболее пожароопасным из них является винилацетилен, поскольку в более широком диапазоне концентраций образует взрывоопасные смеси.

2. Для оценки пожарной опасности фактической концентрации парогазовых систем. Например, для того чтобы определить степень пожарной опасности паровоздушной смеси бензола с концентрацией 4%, необходимо сравнить данную фактическую концентрацию с КПРП бензола. У бензола КПРП составляют 1,4-7,1%, следовательно фактическая концентрация является взрывоопасной.

3. Для определения взрывобезопасной концентрации паров и газов внутри технологического оборудования (ниже ц_нб и выше ц_вб).

4. Для расчета предельно допустимых концентраций газов при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности вентиляционных систем.

Для практического определения концентрации паров и газов в воздухе служат различные газоанализаторы и сигнализаторы предельнодопустимых концентраций периодического и постоянного действия типа СТХ-5, СТХ-6, ЭТХ-1 и др.

3.1 Концентрационные пределы воспламенения

Расчетные формулы для решения задач.

Нижний концентрационный предел воспламенения ц_н определяют по предельной теплоте сгорание. Установлено, что 1м³ газо-воздушной смеси на НКПВ выделяет при горении приблизительно постоянно количество тепла-1830кДж, называемое предельной теплотой горения. Следовательно,

ц_н = (3.1)

где Q_пr-предельная теплота сгорания 1830кДж/м³;

Q_н- низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м³.

Нижний и верхний КПВ могут быть определены по аппроксимационной формуле:

ц_{н (в)}= (3.2.)

где - стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции;

- эмпирические константы, значение которых приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1.

Концентрационные пределы воспламенения паров жидких и твердых веществ могут быть рассчитаны, если известны температурные пределы:

ц_{н (в)}=; (3.3.)

гдедавление насыщенного пара вещества при температуре, соответствующей нижнему пределу воспламенения, Па (табл.4 приложения);

Ро- давление окружающей среды, Па.

Для расчета концентрационных пределов воспламенения смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье:

ц ^см_{н (в)}=1/; (3.4)

где ц ^см_{н (в)}- нижний (верхний) КПВ смеси газов, % об;

ц ^см_{н (в)}- нижний (верхний) предел воспламененияi-го горючего газа.

- мольная доля i-го горючего газа в смеси.

Следует иметь при этом в виду, что =1,т.е. концентрация горючих компонентов газовой смеси принимается за 100%.

Если известны концентрационные пределы воспламенения при температуре Т₁, то при температуре Т2они вычисляются по формуле:

ц_НТ2=н_Т1(3.5)

ц_ВТ2=в_Т1(3.6.)

где ц_НТ2;н_Т1- нижний концентр. предел воспламенения соответственно при температруреТ1 и Т2;

ц_ВТ2=в_Т1- верхний концентрационный предел воспламенения соответственно при температуре Т1 и Т2;

Тr -температура горения смеси. Приближенно при определении НКПВ Тr принимают 1550К, при определении НКПВ -1100К.

При разбавлении газо-воздушной смеси инертными газами (N₂,CO₂, H₂O) область воспламенения сужается: верхний предел уменьшается, а нижний - возрастает. Концентрация инертного газа(флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы воспламенения смыкаются, называется минимальной флегматизирующей концентрацией ц_ф. Содержание кислорода в такой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода ц_О2 МВСК. Некоторое содержание кислорода ниже МВСК называют безопасным ц_О2без. Расчет указанных параметров проводят по формулам:

ц_ф= h¹_f?H⁰_f+h_ф+1i•mi (3.7)

h²_ф-1+²_i•m_i

ц_O2=100-ц_Ф/4,844 (3.8)

ц_O2без=1,2 ц_O2-4,2 (3.9)

где ?Н⁰_f- стандартная теплота образования горючего, кДж/моль;

h¹_f; h¹_фh²_ф-константы, зависящие от элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора (Табл. 2 приложение);

m_i- количество i-го элемента (структурной группы) в молекуле горючего.

Примеры решения задач

По предельной теплоте сгорания определить нижний концентрационный предел воспламенения бутана в воздухе.

Решение: Для расчета по формуле(3.1.)в табл.3 приложения находим низшую теплоту сгорания вещества -2882,3кДж/моль. Эту величину надо перевести в другую размерность- кДж/м³:

=128,7•10³ кДж/м³

По формуле (3.1) определим НКПВ:

ц_Н=₃=1,42%

По таблице 4 приложения находим, что экспериментальное значение ц_Н=1,9%. Относительная ошибка расчета, следовательно, составила:

?_н=

Определить концентрационные пределы воспламенения этилена в воздухе

Решение: Расчет КПВ проводим по апроксимационной формуле. Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде:

С₂Н₂+3О₂=2СО₂+2Н₂О

Таким образом, n=3,тогда:

ц_н= 100/8,684•3+4,679=3,25%;

ц_н=100/1,55•3+0,56=19,23%.

Определим относительную ошибку расчета. По табл.4 приложения экспериментальные значения пределов равны 3,0+32,0:

?н=3,25-3,0/3,0?8%

?в=19,23-32,0/32?-40%

Следовательно, при расчете НКПВ этилена результат завышен на 8%, а при расчете ВКПВ - занижен на 40%.

Определить концентрационные пределы воспламенения насыщенных паров метанола в воздухе, если известно, что его температурные пределы равны280+312К. Атмосферное давление - нормальное

Решение: Для расчета по формуле (3.3)необходимо определить давление насыщенных паров, соответствующих нижнему(280К) и верхнему (312К) пределам воспламенения.

По табл. 7 приложения находим, что давление насыщенного пара на нижнем температурном пределе воспламенения находится между 53,3 и 79,99 ГПа. Так как ближайшие НТПВ по таблице равны 273 и 285,1 К, линейной интерполяцией находим давление, соответствующее нижнему температурному пределу (280К):

Р_н=53,33+

Давление насыщенного пара метанола, соответствующее верхнему пределу, находится между 266,64 и 533,29ГПа:

Р_в=266,64+

По формуле(3.3) определим НКПВ:

ц_н=

ц_в =

Экспериментальное значение КПВметанола-6,0+34,7% (табл. Приложения 5). Относительная ошибка расчета:

? _н =

?_в =

Следовательно, результаты расчета ВКПВ по известным значениям ТПВ занижены на 3 %. Это связано с ошибкой в определении давления насыщенного пара линейной интерполяцией.

Определить концентрационные пределы воспламенения газовой смеси, состоящей из 40% пропана,50% бутана,10% пропилена

Решение: Для расчета КПВ смеси газов по правилу Ле-Шателье (3.4) необходимо определить КПВ индивидуальных горючих веществ, методы расчета которых рассмотрены выше:

С3Н8-2,1+9,5%; С3Н6-2,2+10,3%; С4Н10-1,9+9,1%

цСМН=;

цСМВ=

Каково минимальное количество диэтилового эфира, кг, способное при испарении в емкости объемом 350 м^2.создать взрывоопасную концентрацию

Решение: Концентрация будет взрывоопасной, если ц_пr=ц_н;ц_пr-концентрация паров горючего вещества.

Расчетом (см. пример 1+3) или по табл. 5 приложения находим НКПВ диэтилового эфира, необходимой для создания в объеме 350м³ этой концентрации:

V_пr=³

Таким образом, для создания НКПВ диэтилового эфира в объеме 350м³необходимо ввести 5,95³ его паров. Принимая во внимание, что 1 кмоль(74кг) газа, пара, приведенный к нормальным условиям, занимает объем, равный 22,4 ³, находим количество диэтилового эфира:

Р_r=

Определить возможно ли образование взрывоопасной концентрации в объеме 50м³при испарении 35кг гексана, если температура окружающей среды 300К.

Решение: Очевидно, паровоздушная смесь будет взрывоопасной, если ц_н ц_пr ц_в. При 300К объем паров гексана, образующийся в результате испарения5 кг вещества, найдем объем, принимая во внимание, что при испарении 1 кмоля (86кг) гексана при 273К объем паровой фазы будет равен 22,4 м³:

V_пr=³

Следовательно, концентрация паров гексана в помещении объемом 50м³, будет равна:

ц_пr=

Определив концентрационные пределы воспламенения гексана в воздухе (1.2+7,5%), по таблицам или расчетом устанавливаем, что образующаяся смесь является взрывоопасной.