Пределы взрываемости газовоздушных смесей. Физико-химические свойства природного газа Маркировка FM по стандарту NEC, CEC
Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различаютнижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.
Таблица 8.8 . Степень диссоциации водяного пара H2O и диоксида углерода CO2 в зависимости от парциального давления
|
Температура, |
Парциальное давление, МПа |
|||||||||||
|
Водяной пар H2O |
||||||||||||
|
Диоксид углерода CO2 |
||||||||||||
Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной.
Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.
Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.
Пределы воспламеняемости для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 8.11-8.9. С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.
Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 8.11-8.12 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются. Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:
L г = (r 1 + r 2 + … + r n)/(r 1 /l1 + r2 /l2 + … + rn/ln) (8.17)
где L г — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа (8.17)
где 12 — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r, r2 ,..., rn — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; r, + r2 + ... + rn = 100%; l, l2 ,..., ln — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.
При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:
L6 = LJ 1 + Б/(1 - Б);00]/ (8.18)
где Lg — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %; L2 — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %; Б — количество балластных примесей, доли единицы.
Таблица 8.11. Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)
|
Максимальное давление взрыва, МПа |
Коэффициент избытка воздуХа а при пределах воспламенения |
||||||
|
При пределах воспламеняемости |
При стехиометрическом составе смеси |
При составе смеси, дающем максимальное давление взрыва |
|||||
|
нижнем |
верхнем |
нижнем |
верхнем |
||||
|
Оксид углерода |
|||||||
|
Изобутан |
|||||||
|
Пропилен |
|||||||
|
Ацетилен |
|||||||
Таблица 8.12. Пределы воспламеняемости газов в смеси с кислородом (при t = 20ºC и p =
При расчетах часто необходимо знать коэффициент избытка воздуха а при разных пределах воспламеняемости (см. табл. 8.11), а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламеняемости, можно определить по формуле
α = (100/L - 1) (1/VT) (8.19)
Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, можно определить с достаточным приближением по следующим формулам: для стехиометрического соотношения простого газа с воздухом:
Р вз = Рн(1 + β tк) (m/n) (8.20)
для любого соотношения сложного газа с воздухом:
Рвз = Рн(1 + βtк) Vвлпс /(1 + αV m) (8.21)
где Р вз — давление, возникающее при взрыве, МПа; рн — начальное давление (до взрыва), МПа; в — коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления (1/273); tK — калориметрическая температура горения, °С; т — число молей после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе; п — число молей до взрыва, участвующих в реакции горения; V mn ,. — объем влажных продуктов сгорания на 1 м 3 газа, м 3 ; V„, — теоретический расход воздуха, м 3 /м 3 .
Давления взрыва, приведенные в табл. 8.13 или определенные по формулам, могут возникнуть только в том случае, если происходит полное сгорание газа внутри емкости и ее стенки рассчитаны на эти давления. В противном случае они ограничены прочностью стенок или их наиболее легко разрушающихся частей — импульсы давления распространяются по невоспламененному объему смеси со скоростью звука и достигают ограждения гораздо быстрее, чем фронт пламени.
Эта особенность — различие скоростей распространения пламени и импульсов давления (ударной волны) — широко используется на практике для защиты газовых устройств и помещений от разрушения при взрыве. Для этого в проемах стен и перекрытий устанавливаются легко открывающиеся или разрушающиеся фрамуги, рамы, панели, клапаны и т.д. Возникающее при взрыве давление зависит от особенностей конструкции устройств защиты и коэффициента сброса kc6, представляющего собой отношение площади защитных устройств к объему помещения.
3 июня 2011| – | Нижний предел взрываемости | Верхний предел взрываемости |
| Бензин Б-70 | 0,8 | 5,1 |
| Керосин тракторный | 1,4 | 7,5 |
| Пропан | 2,1 | 9,5 |
| н-Бутан | 1,5 | 8,5 |
| Метан | 5 | 15 |
| Аммиак | 15 | 28 |
| Сероводород | 4,3 | 45,5 |
| Окись углерода | 12,5 | 75 |
| Водород | 4 | 75 |
| Ацетилен | 2 | 82 |
Взрыв — мгновенное химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов.
При взрывах газо-воздушных смесей выделяется большое количество тепла и образуется большое количество газов.
Газы за счет выделившегося тепла нагреваются до высокой температуры, резко увеличиваются в объеме и, расширяясь, давят с большой силой на ограждающие конструкции зданий или стенки аппаратов, в которых происходит взрыв.
Давление в момент взрыва газовых смесей достигает 10 кгс/см 2 , температура колеблется в пределах 1500—2000° С, а скорость распространения взрывной волны достигает нескольких сотен метров в секунду. Взрывы, как правило, вызывают большие разрушения и пожары.
Пожароопасные свойства горючих веществ характеризуются рядом показателей: температурой вспышки, воспламенения, самовоспламенения и др.
К другим свойствам горючих веществ относятся давление взрыва, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, ниже которого вослламенение и горение смеси становятся невозможными при любой концентрации горючего вещества в смеси, характер взаимодействия со средствами пожаротушения и др.
«Охрана труда и техника безопасности в газовом хозяйстве»,
А.Н. Янович, А.Ц. Аствацатуров, А.А. Бусурин
Показатели Метан Пропан н-Бутан Авиационный бензин Керосин тракторный Масло индустриальное Температура вспышки паров, °С —188 — —77 —34 27 200 Температура самовоспламенения, °С 537 600—588 490—569 300 250 380 Концентрационные пределы воспламенения, % по объему 6,3—15 2,2—9,5 1,9—8,5 0,8—5,2 1,4—7,5 1—4 Температурные пределы воспламенения паров над жидкостью, °С —188/+180 — —(77/52) —(34/4) 27—69 146—191 Скорость…
Взрывоопасные концентрации сжиженных и природных газов образуются во время отключения трубопроводов, резервуаров и аппаратов, когда газ удален не полностью и при его смешивании с поступающим воздухом создается взрывоопасная смесь. В связи с этим до начала работ газопроводы и резервуары промывают водой, пропаривают, продувают инертным газом. Чтобы из других резервуаров или трубопроводов не попал газ, ремонтируемые…
Анализ пожаров, происшедших на эксплуатируемых кустовых базах сжиженного газа, свидетельствует о том, что основными типами аварий являются следующие: наличие утечек газа, разрывы трубопроводов и гибких шлангов, пробои фланцевых соединений и срывы заглушек, пробои сальниковых уплотнений на запорной арматуре, неплотно закрытые вентили, разрушение емкостей сжиженного газа вследствие их переполнения; различные поломки на трубопроводах и резервуарах (разрушение…
При испарении газа происходит образование взрывоопасной газовоздушной смеси. При авариях в помещениях взрывоопасные концентрации газа возникают в первую очередь, вблизи места утечки газа, а затем распространяются по всему помещению. При испарении газа на открытых площадках вблизи места утечки образуется зона загазованности, распространяющаяся по территории склада. Величина зоны загазованности при аварийном истечении газа зависит от многих…
Главная трудность при тушении пожаров газов — борьба с загазованностью и повторным воспламенением после тушения пожара. Ни одно из известных средств тушения не устраняет опасности загазованности и повторного воспламенения. Основная задача при борьбе с пожарами газов — локализация пожара. Она должна осуществляться путем ограничения времени истечения и объема вытекающего газа, а так-же путем тепловой защиты…
Пределы взрываемости газовоздушных смесей
Исключение образования взрывоопасных газовоздушных концентраций, а также появление источников воспламенения этой смеси (пламени, искр) всегда является основной задачей обслуживающего персонала компрессорных станций. При взрыве газовоздушной смеси резко повышается давление в зоне взрыва, приводящее к разрушению строительных конструкций, а скорость распространения пламени достигает сотни метров в секунду. Например, температура самовоспламенения метановоздушной смеси находится на уровне 700 °С, а метан является основным компонентом природного газа. Его содержание в газовых месторождениях колеблется в диапазоне 92-98%.
При взрыве газовоздушной смеси, находящейся под давлением 0,1 МПа, развивается давление около 0,80 МПа. Газовоздушная смесь взрывается, если в ней содержится 5-15 % метана; 2-10 % пропана; 2-9 % бутана и т.д. При повышении давления газовоздушной смеси пределы взрываемости сужаются. Следует отметить, что примесь кислорода в газе увеличивает опасность взрыва.
Пределы и интервал взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Пределы и интервал взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре 20 °с и давлении 0,1 мПа
|
Пределы взрываемости, % по объему |
Интервал взрываемости, % по объему |
||
|
Ацетилен | |||
|
Нефтепромысл. газ | |||
|
Оксид углерода | |||
|
Природный газ | |||
|
Пропилен | |||
1.2. Законы идеальных газов. Области их применения
Идеальными газами принято считать газы, подчиняющиеся уравнению Клапейрона (). Одновременно под идеальными подразумеваются газы, в которых отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а объем самих молекул равен нулю. В настоящее время можно утверждать, что ни один из реальных газов не подчиняется этим газовым законам. Тем не менее эти специфические газовые законы достаточно широко используются в технических расчетах. Эти законы просты и достаточно хорошо характеризуют поведение реальных газов при невысоких давлениях и не очень низких температурах, вдали от областей насыщения и критических точек вещества. Наибольшее практическое распространение получили законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро и на их основе полученное уравнение Клапейрона-Менделеева.
Закон Бойля-Мариотга утверждает, что
при постоянной температуре (
=
const) произведение абсолютного давления
и удельного объема идеального газа
сохраняет постоянную величину (
= const), т.е. произведение абсолютного
давления и удельного объема зависит
только от температуры. Откуда при
=
const имеем:
.
(1.27)
Закон Гей-Люссака утверждает, что при
постоянном давлении (
=
const) объем идеального газа изменяется
прямо пропорционально повышению
температуры:
,
(1.28)
где
- удельный объем газа при температуре
°С
и давлении
-
удельный объем газа при температуре
=
0 °С и том же давлении
;
- температурный коэффициент объемного
расширения идеальных газов при 0 °С,
сохраняющий одно и то же значение при
всех давлениях и одинаковый для всех
идеальных газов:
.
(1.29)
Таким образом, содержание закона
Гей-Люссака сводится к следующему
утверждению: объемное расширение
идеальных газов при изменении температуры
и при
=
const имеет линейный характер, а температурный
коэффициент объемного расширения
является универсальной постоянной
идеальных газов.
Сопоставление законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака приводит к уравнению состояния идеальных газов:
,
(1.30)
где
- удельный объем газа;
- абсолютное давление газа;
- удельная газовая постоянная идеального
газа;
-
абсолютная температура идеального
газа:
.
(1.31)
Физический смысл удельной газовой
постоянной
- это удельная работа в процессе
=
const при изменении температуры на один
градус.
Закон Авогадро утверждает, что объем
одного моля идеального газа
не зависит от природы газа и вполне
определяется давлением и температурой
вещества (
).
На этом основании утверждается, что
объемы молей разных газов, взятых при
одинаковых давлениях и температурах,
равны между собой. Если
- удельный объем газа, а
- мольная масса, то объем моля (мольный
объем) равен
.
При равных давлениях и температурах
для разных газов имеем:
Так как удельный мольный объем газа
зависит в общем случае только от давления
и температуры, то произведение
в уравнении (1.32) - есть величина одинаковая
для всех газов и поэтому называется
универсальной газовой постоянной:
,
Дж/кмоль·К. (1.33)
Из уравнения (1.33) следует, что удельные
газовые постоянные отдельных газов
определяются через их мольные массы.
Например, для азота (
)
удельная газовая постоянная будет
= 8314/28 = 297 Дж/(кг·К). (1.34)
Для
кг газа с учетом того, что
,
уравнение Клапейрона записывается в
виде:
,
(1.35)
где
- количество вещества в молях
.
Для 1 кмоля газа:
.
(1.36)
Последнее уравнение, полученное русским ученым Д.И. Менделеевым, часто называют уравнением Клапейрона-Менделеева.
Значение мольного объема идеальных
газов в нормальных физических условиях
(
= 0 °С и
= 101,1 кПа) составит:
=
22,4 м
/кмоль.
(1.37)
Уравнение состояния реальных газов
часто записывают на основе уравнения
Клапейрона с введением в него поправки
,
учитывающей отклонение реального газа
от идеального
,
(1.38)
где
- коэффициент сжимаемости, определяемый
по специальным номограммам или из
соответствующих таблиц. На рис. 1.1
приведена номограмма для определения
численных значений величины
природного газа в зависимости от давления
,
относительной плотности газа по воздуху
и его температуры
.
В научной литературе коэффициент
сжимаемости
обычно определяется в зависимости от
так называемых приведенных параметров
(давление и температура) газа:
;
,
(1.39)
где
,
и
- соответственно приведенное, абсолютное
и критическое давление газа;
,
и
- соответственно приведенная, абсолютная
и критическая температура газа.
Рис. 1.1. Номограмма расчёта
в зависимости от
,
,
Критическим давлением называется такое давление, при котором и выше которого никаким повышением температуры жидкость уже не может быть превращена в пар.
Критической температурой называется такая температура, при которой и выше которой ни при каком повышении давления нельзя сконденсировать пар.
Численные значения критических параметров для некоторых газов приведены в табл. 1.5.
Таблица 1.5
Климатические условия в шахтах. Их отличия от климатических условий на поверхности.
Климатические условия (тепловой режим) горных предприятий оказывают большое влияние на самочувствие человека, его производительность труда, на уровень травматизма. Кроме того, они оказывают влияние на работу оборудования, поддержание выработок, состояние вентиляционных сооружений.
Температура и влажность воздуха в подземных выработках зависят от таковых на поверхности.
При движении воздуха по подземным выработкам его температура и влажность изменяются.
Зимой воздух, поступающий в шахту, охлаждает стенки воздухо-подающих выработок, а сам нагревается. Летом воздух нагревает стенки выработок, а сам охлаждается. Теплообмен происходит наиболее интенсивно в воздухоподающих выработках и на некотором расстоянии от их устья затухает, а температура воздуха становится близкой к температуре пород.
Основными факторами, определяющими температуру воздуха в подземных горных выработках, являются:
1. Тепло- и массообмен с горными породами.
2. Естественное сжатие воздуха при его движении вниз по вертикальным или наклонным выработкам.
3. Окисление горных пород и материалов крепи.
4. Охлаждение горной массы при ее транспортировании по выработкам.
5. Процессы массообмена между воздухом и водой.
6. Тепловыделение при работе машин и механизмов.
7. Тепловыделение людей, охлаждение электрических кабелей, трубопроводов, горение светильников и пр.
Максимально допустимая скорость движения воздуха в различных выработках колеблется от 4 м/с (в призабойных пространствах) до 15 м/с (в вентиляционных стволах, не оборудованных подъемом).
Воздух, подаваемый в подземные выработки в зимнее время, должен подогреваться до температуры +2 о С (в 5 м от сопряжения канала калорифера со стволом).
Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений (в т.ч. и обогатительных фабрик) приведены в ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН – 2.2.4.548-96.
Оптимальные микроклиматические условия – такие сочетания метеорологических параметров, которые обеспечивают ощущение теплового комфорта.
Допустимые – такие сочетания метеорологических параметров, при которых не возникает повреждений или нарушений состояния здоровья.
Так, допустимый диапазон температур в холодный период года для работ I категории тяжести составляет 19-25 о С; II категории – 15-23 о С; III категории – 13-21 о С.
В теплый период года эти диапазоны составляют соответственно 20-28 о С; 16-27 о С; 15-26 о С.
Концентрационные пределы воспламеняемости и взрываемости метана. Факторы, влияющие на интенсивность воспламеняемости и взрываемости
Метан (СН 4) – газ без цвета, запаха и вкуса, при обычных условиях весьма инертен. Его относительная плотность 0,5539, вследствие чего он скапливается в верхних частях выработок и помещений.
Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси, горит бледным голубоватым пламенем. В подземных выработках горение метана происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию оксида углерода и водорода.
При содержании метана в воздухе до 5-6% (при нормальном содержании кислорода) он горит около источника тепла (открытого огня), от 5-6% до 14-16% взрывается, свыше 14-16% не взрывается, но может гореть при притоке кислорода извне. Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% СН 4 .
Температура воспламенения метана 650-750 о С; температура продуктов взрыва в неограниченном объеме достигает 1875 о С, а внутри замкнутого объема 2150-2650 о С.
Метан образовался в результате разложения клетчатки органической массы под влиянием сложных химических процессов без доступа кислорода. Существенную роль при этом играет жизнедеятельность микроорганизмов (анаэробных бактерий).
В породах метан находится в свободном (заполняет поровое пространство) и связанном состоянии. Количество метана, содержащегося в единице массы угля (породы) в естественных условиях, называется газоносностью.
Различают три вида выделения метана в горные выработки угольных шахт: обыкновенное, суфлярное, внезапные выбросы.
Основной мерой предотвращения опасных скоплений метана является вентиляция выработок, обеспечивающая поддержание допустимых концентраций газа. По правилам безопасности содержание метана в шахтном воздухе не должно превышать значений, приведенных в табл. 1.3.
Допустимое содержание метана в горных выработках
При невозможности обеспечить допустимое содержание метана средствами вентиляции применяется дегазация шахт.
Для предупреждения воспламенения метана запрещается применение в горных выработках открытого огня, курение. Электрооборудование, применяемое в опасных по газу выработках, должно иметь взрывобезопасное исполнение. Для ведения взрывных работ должны применяться только предохранительные взрывчатые вещества и средства взрывания.
Основные меры по ограничению вредных последствий взрыва: разделение шахты на независимо проветриваемые участки; четкая организация спасательной службы; ознакомление всех работников со свойствами метана и мерами предосторожности.
Основные физико-химические понятия взрывов в доменных и сталеплавильных цехах
Взрывы в доменных и мартеновских цехах вызываются разными причинами, но все они являются результатом быстрого перехода (превращения) вещества из одного состояния в другое, более устойчивое, сопровождающееся выделением тепла, газообразных продуктов и повышением давления в месте взрыва.
Основным признаком взрыва является внезапность и резкое повышение давления в среде, окружающей место взрыва.
Внешним признаком взрыва является звук, сила которого зависит от скорости перехода вещества из одного состояния в другое. В зависимости от силы звука различаются хлопки, взрывы и детонация. Хлопки отличаются глухим звуком, большим шумом или характерным треском. Скорость превращений в объеме вещества при хлопках не превышает нескольких десятков метров в секунду.
При взрывах издается отчетливый звук; скорость распространения превращений в объеме вещества значительно выше, чем при хлопках,—несколько тысяч метров в секунду.
Наибольшая скорость перехода вещества из одного состояния в другое получается при детонации. Этот вид взрывов характеризуется одновременным воспламенением вещества во всем объеме, причем мгновенно выделяется наибольшее количество тепла и газов и совершается максимальная работа разрушения. Отличительная особенность этого вида взрывов — почти полное отсутствие периода нарастания давления в среде вследствие огромной скорости превращений, достигающей нескольких десятков тысяч метров в секунду.
Взрывы газов
Взрыв представляет собой один из видов процесса горения, при котором реакция горения протекает бурно и с большими скоростями.
Горение газов и паров горючих веществ возможно только в смеси с воздухом или кислородом; время горения складывается из двух стадий: смешения газа с воздухом или кислородом и собственно процесса горения. Если смешение газа с воздухом или кислородом происходит во время процесса горения, то скорость его небольшая и зависит от поступления кислорода и горючего газа в зону горения. Если же газ и воздух смешаны заранее, то процесс горения такой смеси протекает бурно и одновременно во всем объеме смеси.
Первый вид горения, называемый диффузионным, получил широкое распространение в заводской практике; он применяется в различных топках, печах, аппаратах, где используется тепло для нагревания материалов, металлов, полуфабрикатов или изделий.
Второй вид горения, когда смешение газа с воздухом происходит до начала горения, называется взрывчатым, а смеси взрывоопасными. Такой вид горения в заводской практике применяется редко; он возникает иногда самопроизвольно.
При спокойном горении образующиеся газообразные продукты, нагретые до высокой температуры, свободно увеличиваются в объеме и отдают свое тепло на пути от топки к дымовым устройствам.
При взрывчатом горении процесс протекает «мгновенно»; завершается в доли секунды во всем объеме смеси. Нагретые до высокой температуры продукты горения также «мгновенно» расширяются, образуют ударную волну, которая с большой скоростью распространяется во все стороны и производит механические разрушения.
Наиболее опасными являются взрывчатые смеси, возникающие неожиданно и самопроизвольно. Такие смеси образуются в пылеуловителях, газовых каналах, газопроводах, горелках и других газовых устройствах доменных, мартеновских и других цехов. Они также образуются вблизи газовых устройств в местах, где отсутствует движение воздуха, а газы через неплотности просачиваются наружу. В таких местах взрывоопасные смеси воспламеняются от постоянных или случайных источников огня и тогда неожиданно возникают взрывы, травмирующие людей и причиняющие большой ущерб производству.
Пределы взрываемости газов
Взрывы газо-воздушных смесей происходят лишь при определенных содержаниях газа в воздухе или кислороде, причем каждый газ имеет свои, присущие ему одному, пределы взрываемости — нижний и верхний. Между нижним и верхним пределами все смеси газа с воздухом или кислородом взрывоопасны.
Нижний предел взрываемости характеризуется наименьшим содержанием газа» в воздухе, при котором смесь начинает взрываться; верхний — наибольшим содержанием газа в воздухе, выше которого смесь теряет свойства взрываемости. Если содержание газа в смеси с воздухом или кислородом будет меньше нижнего предела или больше верхнего, то такие смеси не взрывоопасны.
Например, нижний предел взрываемости водорода в смеси с воздухом равен 4,1% и верхний 75% по объему. Если водорода меньше 4,1%, то смесь его с воздухом не взрывоопасна; она не взрывоопасна и в том случае, если водорода в смеси больше 75%. Все смеси водорода с воздухом становятся взрывоопасными, если содержание в них водорода находится в пределах от 4,1% до 75%.
Необходимым условием образования взрыва является также воспламенение смеси. Все горючие вещества воспламеняются лишь тогда, когда они нагреты до температуры воспламенения, которая также является очень важной характеристикой всякого горючего вещества.
Например, водород в смеси с воздухом самовоспламеняется и происходит взрыв, если температура смеси станет больше или равной 510° С. Однако не обязательно, чтобы весь объем смеси был нагрет до 510° С. Взрыв произойдет, если до температуры самовоспламенения будет нагрета хотя бы небольшая часть смеси.
Процесс самовоспламенения смеси от источника огня происходит в следующем порядке. Ввод в газо-воздушную смесь источника огня (искры, пламени горящего дерева, выброса из печи раскаленного металла или шлака и т. п.) приводит к нагреву частиц смеси, окружающих источник огня до температуры самовоспламенения. В результате в прилегающем слое смеси возникнет процесс воспламенения, произойдет нагрев и расширение слоя; тепло передается соседним частицам, они также воспламенятся и передадут свое тепло расположенным дальше частицам и т. д. При этом самовоспламенение всей смеси происходит настолько быстро, что слышится один звук хлопка или взрыва.
Непременное условие всякого горения или взрыва состоит в том, чтобы количество выделяющегося тепла было достаточно для нагрева среды до температуры самовоспламенения. Если тепла будет выделяться недостаточно, то горение и, следовательно, взрыв не произойдет.
В тепловом отношении пределы взрываемости являются границами, когда при сгорании смеси выделяется так мало тепла, что его недостаточно, чтобы нагреть среду горения до температуры самовоспламенения.
Например, при содержании водорода в смеси меньше 4,1% при горении выделяется так мало тепла, что среда не нагревается до температуры самовоспламенения 510° С. В такой смеси содержится очень мало горючего (водорода) и очень много воздуха.
То же самое происходит, если в смеси содержание водорода будет больше 75%. В такой смеси находится очень много горючего вещества (водорода), но очень мало необходимого для горения воздуха.
Если всю газо-воздушную смесь нагреть до температуры самовоспламенения, то газ воспламенится без поджигания при любых соотношениях его с воздухом.
В табл. 1 приводятся пределы взрываемости ряда газов и паров, а также их температуры самовоспламенения.
Пределы взрываемости газов в смеси с воздухом меняются в зависимости от начальной температуры смеси, ее влажности, мощности источника зажигания и др.
Таблица 1. Пределы взрываемости некоторых газов и паров при температуре 20° и давлении 760 мм ртутного столба
При повышении температуры смеси пределы взрываемости расширяются — нижний понижается, а верхний увеличивается.
Если газ состоит из нескольких горючих газов (генераторный, коксовый, смесь коксового и доменного и т. п.), то пределы взрываемости таких смесей находят расчетом, пользуясь формулой правила смешения Ле-Шателье:
где а — нижний или верхний предел взрываемости смеси газов с воздухом в объемных процентах;
k1,k2,k3,kn — содержание газов в смеси в объемных процентах;
n1,n2,n3,nn — нижний или верхний пределы взрываемости соответствующих газов в объемных процентах.
Пример. В газовой смеси содержатся: водород (Н2)— 64%, метан (СН4) — 27,2%, окись углерода (СО) —6,45% и тяжелый углеводород (пропан) —2,35%, т. е. kx = 64; k2 = 27,2; k3 = 6,45 и k4 = 2,35.
Определим нижний и верхний пределы взрываемости газовой смеси. В табл. 1 находим нижний и верхний пределы взрываемости водорода, метана, окиси углерода и пропана и их значения подставим в формулу (1).
Нижние пределы взрываемости газов:
n1 = 4,1%; n2 = 5,3%; п3= 12,5% и n4 = 2,1%.
Нижний предел aн = 4,5%
Верхние пределы взрываемости газов:
n1 = 75%; n2 = 15%; n3 = 75%; n4 = 9,5%.
Подставляя эти значения в формулу (1), находим верхний предел ав = 33%
Пределы взрываемости газов с большим содержанием инертных негорючих газов — углекислоты (С02), азота (N2) и паров воды (Н20) — удобно находить по кривым диаграммы, построенным на основании опытных данных (рис. 1).
Пример. Пользуясь диаграммой на рис. 1, найдем пределы взрываемости для генераторного газа следующего состава: водорода (Н2) 12,4%, окиси углерода (СО) 27,3%, метана (СН4) 0,7%, углекислого газа (С02) 6,2% и азота (N2) 53,4%.
Распределим инертные газы С02 и N2 между горючими; углекислый газ присоединим к водороду, тогда суммарный процент этих двух газов (Н2 + С02) будет 12,4 + 6,2=18,6%; азот присоединим к окиси углерода, суммарный процент их (СО + N2) будет 27,3 + + 53,4 = 80,7%. Метан учтем отдельно.
Определим в каждой сумме двух газов отношение инертного газа к горючему. В смеси водорода и углекислого газа отношение составит 6,2/12,4= 0,5, а в смеси окиси углерода и азота отношение 53,4/27,3= 1,96.
На горизонтальной оси диаграммы рис. 1 находим точки, соответствующие 0,5 и 1,96 и проводим вверх перпендикуляры до встречи с кривыми (Н2 + С02) и (CO + N2).
Рис. 1. Диаграмма для нахождения нижнего и верхнего пределов взрываемости горючих газов в смеси с инертными газами
Первое пересечение с кривыми произойдет в точках 1 и 2.
Проводим из этих точек горизонтальные прямые до встречи с вертикальной осью диаграммы и находим: для cмеси (Н2 + С02) нижний предел взрываемости aн = = 6%, а для смеси газов (СО + N2) ан = 39,5%.
Продолжая перпендикуляр вверх, пересекаем те же кривые в точках 3 и 4. Проводим из этих точек горизонтальные прямые до встречи с вертикальной осью диаграммы и находим верхние пределы взрываемости смесей aв, которые.соответственно равны 70,6 и 73% .
По табл. 1 находим пределы взрываемости метана ан = 5,3% и ав = 15%. Подставляя полученные верхние и нижние пределы взрываемости смесей горючего и инертного газов и метана в общую формулу Ле-Шателье, находим пределы взрываемости генераторного газа.
