Файл: Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.07.2024
Просмотров: 103
Скачиваний: 1
А. И. Розловский
взрывобезопасность
V
А. И. Розловский
Взрывобезопасность паро-газовых систем
в технологических процессах
Допущено Министерством высшего
исреднего специального образования СССР
вкачестве учебного пособия
для студентов химико-технологических специальностей вузов
МОСКВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «X ИМ И Я»
1973
УДК [661.7-911.3+662.76-911.3] :614.83 (0,75.8) Р 64
Розловский А. И.
Взрывобезоласность -паро-газовых систем в технологиче ских процессах. М., «Химия», 1973. 130 с., 11 рис., 2 табл., список литературы 21 ссылка.
В книге излагаются основные положения теории горения и воспламенения паро-газовых систем и закономерности ини циирования и гашения пламени. На оонове этих сведений рассматриваются принципы безопасного проведения техноло гических процессов при производстве и переработке горючих газов. На примерах организации некоторых -взрывоопасных производств даются рекомендации по составлению наиболее рациональных технологических регламентов, надежно обеспе чивающих взрывобезопасность и не -осложняющих производ ственный процесс излишними ограничениями.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических специальностей вузов. Она преследует цель развития у обучающихся умения самостоя тельно разбираться в задачах обеспечения взрывобезопасности п находить их оптимальные решения. Книга представляет ин терес для инженерно-технических работников.
f l ' f
3142-115 050(01)-73 115-74
Редактор Д. Н. Семенова
Технический редактор В. М. Скитина
Художник А. Я. Михайлов Корректор Н. И. Попова
Т 1499). Сдано в наб. 23/VIII 1973 г. Подп. в печ. 22/X 1973 г. Формат бумаги 84Х ІОЗѴзаБумага тип. № 2. Уел. печ. л. 6,72. Уч.-нзд. л. 7,10. Тираж 7500 экз. Зак. 2186. Изд. № 240. Цена 26 к.
Издательство «Химия», 107076, Москва, Стромынка, 23.
Московская типография № И Союзиолнграфпрома при Государствен ном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и киижіюіі торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., 1.
© Издательство «X и м и я», 1973 г.
ВВЕДЕНИЕ
Организации охраны труда в народном хозяйстве придается огромное значение. Ее задачи широки и мно гообразны. Однако в каждой отрасли промышленности имеется своя специфика и поэтому свои наиболее ак туальные проблемы. Для химической и нефтеперераба тывающей промышленности можно указать на два важ нейших направления работ в области охраны труда: без опасное обращение с токсичными вредными вещества ми и их переработка и вопросы обеспечения взрыво- и пожаробезопасности.
Химические предприятия в процессе работы выбра сывают в окружающую среду — в атмосферу и в вод ные бассейны — большое количество неутилизируемых продуктов, которые часто содержат вредные для живых организмов компоненты. Очистке промышленных выбро сов от вредных примесей в программах химико-техноло гических вузов посвящен специальный курс.
Обеспечение взрывобезопасиости представляет дру гое важнейшее направление, поскольку именно в химиче ской и нефтеперерабатывающей промышленности мы сталкиваемся с необходимостью обращаться с большими количествами горючих и взрывоопасных продуктов. До настоящего времени в промышленности происходят ава рии, связанные с пожарами и взрывами. Эти аварии яв ляются следствием недостаточно серьезного и продуман ного отношения производственников, а иногда и проек тировщиков к вопросам обеспечения взрывобезопасно сти и недостаточного знания ими законов горения.
Отсутствие необходимых знаний в области теории горения приводит, с другой стороны, к тому, что вводят ся ненужные ограничения и проводятся дорогостоящие
3
предохранительные мероприятия, усложняющие и удо рожающие производство, без которых можно было бы обойтись. Задачей настоящего пособия является рас смотрение таких методов обеспечения взрыврбезопасности технологических процессов, которые дают наиболь шую гарантию безопасности при наименьшем усложне нии и удорожании производственных операций. Для до стижения этого требуется правильный учет и использо вание закономерностей теории горения. На их основе должен делаться рациональный, продуманный выбор ре комендаций по обеспечению взрывобезопасности про мышленных объектов в соответствии с принципом: «Все необходимое, ничего излишнего».
В данном пособии на ряде примеров будут показаны возможности осуществления указанного принципа в кон кретных производствах.
Содержанием данной книги является курс лекций, читавшийся студентам технологических специальностей Казанского химико-технологического института в 1970/71 и 1971/72 учебных годах.
Г Л А В А 1
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ГАЗОВ
Определение понятия «горение». Понятие горения не может быть определено однозначно, так как не существу ет точных границ для условий протекания процессов, ко торые можно характеризовать как горение. Мы будем пользоваться следующим определением: горением назы вается самоускоряющееся быстрое химическое превра щение, сопровождающееся интенсивным тепловыделе нием и испусканием света.
Такое определение не вполне четко и универсально. Существуют так называемые холодные пламена, в кото рых химическая реакция, хотя и сопровождается свече нием, но протекает с умеренной скоростью и без замет ного разогрева*.
Трудно также точно указать, какая реакция являет ся достаточно быстрой для того, чтобы ее можно было считать горением. Соответственно с этим пламенем, при чем горячим, мы будем называть газообразную среду, в которой интенсивная химическая реакция приводит
ксвечению, тепловыделению и саморазогреву.
Вгорючих системах обычно различают горючее и окислитель. Возможны также процессы горения, в кото рых участвует только одно исходное вещество, способное
квзрывному распаду, например озон, ацетилен, взрыв
чатые вещества и пороха. Такое соединение всегда бы вает эндотермическим, горение происходит за счет теп лового эффекта реакции его разложения или внутренне го самоокисления сложной молекулы (у взрывчатых ве ществ) .
* Холодные пламена в некоторых случаях существенны для на ших целей, и мы будем их рассматривать в дальнейшем.
-5
Характерной особенностью процессов горения, отли чающей их от большинства процессов химической техно логии, является их большая скорость. Если бы оказа лось возможным распространить условия реакции, про текающей в пламени, одновременно на всю массу горю чей смеси, горение заканчивалось бы за малую долю се кунды.
Для протекания процесса горения требуется прежде всего выполнение двух условий: чтобы реакция в пла мени была экзотермической и ускорялась с 'повышением температуры.
Чрезвычайно сильная зависимость скорости почти всех практически важных реакций от температуры яв ляется главной особенностью химической кинетики. Ни же мы увидим, что для протекания горения в экзотерми чески реагирующих системах необходимо выполнение еще одного дополнительного условия.
Наиболее важным видом горения является горение гаЗов^ Большинство твердых и жидких компонентов го рючей среды предварительно перед сгоранием либо испаряется, либо разлагается, с частичным превра щением в летучие продукты, сгорающие в газовой фазе. Поэтому закономерности горения газов представляют наибольший практический интерес.
1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ
Поджигание горючей среды. Рассмотрим явления, происходящие при поджигании холодной горючей среды локальным тепловым импульсом, приводящим к сильно му разогреву, таким, например, как электрическая искра, небольшое открытое пламя, накаленная проволо ка и т. д. При достаточной мощности такого импульса происходит поджигание горючей среды. Мощность им пульса, точнее, количество энергии, передаваемой под жигаемому газу, определяет объем и температуру разо гретого газа. Поджигание имеет следующий механизм.
Разогрев приводит к быстрому завершению экзотер мической реакции (например, окисления горючего кис лородом) в нагретом до высокой температуры ограни ченном объеме газа. Тепловыделение, сопровождающее реакцию, приводит в результате теплопроводности к разогреву е-0 £§днего слоя газа, в котором также начи
6
нается интенсивная химическая реакция, так как ее ско рость сильно возрастает при повышении температуры. Сгорание этого слоя влечет за собой поджигание сле дующего слоя и т. д. до сгорания горючей среды во всем заполненном ею пространстве.
При поджигании происходит послойное сгорание: зо на горения перемещается в пространстве, и пламя рас пространяется. Скорость этого перемещения определяет интенсивность процесса горения и является его важней шей характеристикой.
Фронт пламени и его перемещение. Узкая зона, в ко торой происходит подогрев горючей среды и протекает химическая реакция, называется фронтом пламени. Фронт пламени не имеет резко очерченных границ, они фиксируются условно. Однако это не вносит неопреде ленности, так как концентрации и температура в зоне пламени изменяются очень резко. Толщина фронта пла мени при 1-105 Па*, как правило, не превышает не скольких десятых миллиметра. Поэтому в ряде задач фронт можно считать поверхностью, разделяющей горю чую среду и нагретые продукты реакции.
Очевидно, что все участки фронта пламени, незави симо от его формы, вполне равноценны**. На каждом квадратном сантиметре поверхности фронта в единицу времени сгорает одно и то же количество горючей сре ды. Из этого следует, что величина поверхности фронта пламени (а значит, и его форма) представляет собой один из главных факторов, определяющих интенсивность суммарного процесса горения. Искривления, обусловли вающие увеличение поверхности пламени, вызываются движением газа в зоне горения.
При распространении пламени по однородной среде от точечного источника поджигания в неограниченном пространстве (т. е. в середине достаточно большого со суда) его поверхность будет иметь форму сферы непре рывно увеличивающегося радиуса, если все направления для перемещения зоны горения равнозначны.
Другой характерный режим распространения пламе
ни может установиться |
при поджигании у |
открытого |
|||
конца |
в длинной трубе, |
заполненной |
горючей |
средой |
|
* 1 |
ПаяЩ-10-5 кгс/см2. |
пламени больше |
ширины |
его |
фронта, |
** Если радиус кривизны |
т. е. во всех практически важных случаях.
7
(рис. 1). Вначале в районе точки зажигания возникает сферическое пламя. После соприкосновения со стенками трубы пламя будет иметь форму части сферической по верхности, вырезаемой постоянным сечением трубы. Так как радиус этой сферы неограниченно возрастает, фронт
Г Л |
пламени становится все более плоским, сов |
падая в пределе с поперечным сечением |
|
трубы. |
|
|
Рассмотрим поведение фронта |
пламени |
||||
|
|
произвольной формы, для чего условно вы |
|||||
|
|
делим его участок, достаточно малый, что |
|||||
|
|
бы его можно было считать плоским. Каж |
|||||
|
|
дую точку поверхности этого участка мож |
|||||
|
|
но считать независимым поджигающим им |
|||||
|
|
пульсом, создающим |
новый элементарный |
||||
|
|
фронт пламени. Новое положение резуль |
|||||
|
|
тирующего |
суммарного |
фронта |
пламени, |
||
|
|
спустя определенный |
промежуток времени, |
||||
|
|
будет отвечать огибающей ко всем элемен |
|||||
|
|
тарным сферическим фронтам. В результа |
|||||
|
|
те их наложения плоский участок пламени |
|||||
|
|
переместится по горючей среде параллельно |
|||||
|
|
своей поверхности. |
|
|
|
|
|
|
|
Эти соображения легко распространить |
|||||
|
|
на поведение любого |
(не плоского) участка |
||||
|
|
фронта. Из этого очевидно, что распростра |
|||||
|
|
нение пламени произвольной формы, не ос |
|||||
|
|
ложненное внешними воздействиями |
(невоз |
||||
|
|
мущенное), |
происходит |
от каждой |
точки |
||
Рис. |
1. Не |
фронта по нормали к его поверхности, так |
|||||
же как и у сферического пламени при цент |
|||||||
возмущаемый |
ральном зажигании. Такое неосложненное |
||||||
фронт |
пламе |
горение называется нормальным |
(от слова |
||||
ни в длинной |
|||||||
трубе. |
нормаль), а |
скорость |
перемещения |
пламе |
|||
|
|
ни по неподвижному |
газу вдоль |
нормали |
|||
к его поверхности — нормальной |
скоростью |
пламени |
ип (м/с); подобный механизм горения именуется также дефлаграцией. Величина ип является основной характе ристикой горючей среды, она представляет собой мини мальную возможную скорость пламени, с которой оно распространяется при плоской форме фронта.
Расширение газа при сгорании. Рассмотрим процесс невозмущенного горения в трубе, открытой с двух кон
8