Файл: Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие.pdf

ческом значении тепловых потерь тепловой режим горе­ ния перестает быть стационарным, реакция тормозится

ипламя затухает. Этот режим соответствует пределу раепространеиия пламени.

Изложенное поясняет, почему скорость пламени не может быть меньше определенного предельного значе­ ния, отличного от нуля. На этом пределе тепловые поте­ рн достигают критического для стационарного горения значения.

Уменьшение скорости пламени при иеадиабатическом сгорании обусловлено охлаждением зоны реакции пла­ мени. Однако непосредственная теплопередача из этой зоны в окружающее пространство сравнительно невели­ ка. Более интенсивны тепловые потери, связанные с ох­ лаждением слоев газа, прилегающих к зоне реакции. При этом температура остывающих продуктов сгорания оказывается непостоянной. Она всюду меньше темпера­ туры зоны реакции, в результате возникает температур­ ный градиент, направленный в сторону сгоревшего газа, и зона реакции охлаждается в результате теплопровод­ ности. В тепловых потерях участвует также и зона подо­ грева пламени, передающая в конечном счете часть теп­ ла реакции в окружающее пространство.

Механизм тепловых потерь у пределов распростране- - ния пламени. Анализируя тепловой режим неадиабати­ ческого горения приходим к заключению, что тепловше потерн от стационарного пламени не могут быть значи­ тельными. На пределе распространения пламени, неза­ висимо от механизма теплоотдачи, температура горения понижается на величину характеристического интервала Ѳ, т. е. не более чем на 100—200 °С. При этом нормаль­ ная скорость неадіиабатнческого пламени может умень­

шаться не более чем в фе раз, а максимальная скорость реакции в пламени — в в раз. Если тепловые потери при­ водят к большему охлаждению зоны реакции, происхо­ дит гашение пламени.

Прекращение распространения пламени в результате тепловых потерь является основным фактором обеспе­ чения взрывобезопасности газовых систем. Тепловые по­ тери делают невозможным распространение пламени за определенными границами состава и аппаратурных усло­ вий. Механизм тепловых потерь и их интенсивность игра­ ют решающую роль для задач взрывобезопасности.

41

Очевидно, что интенсивность тепловых потерь излу­ чением однозначно определяется температурой и соста­ вом газа, на нее не могут влиять аппаратурные условия. Напротив того, теплоотдача в стенки теплопроводностью существенно зависит от размеров сосуда, заключающего охлаждаемую среду.

При горении в узких каналах тепловые потерн имеют в основном механизм кондуктивной теплопроводности к стенкам канала. Здесь охлаждается зона реакции за­ ведомо взрывчатых газовых систем. В достаточно узких каналах возможны гасящие тепловые потери даже для наиболее быстрогорящих взрывчатых систем. Это явле­ ние используется при .применении огкепреграднтелей с узкими каналами, отделяющими опасный аппарат от защищаемого огнепреградителем окружающего про­ странства, потенциально заполненного взрывчатой сре­ дой. Другого выхода из опасного аппарата газ и пла­ мя не имеют.

С увеличением диаметра канала уменьшается интен­ сивность тепловых потерь теплопроводностью к стенкам. В достаточно широких трубах такие тепловые потерн пренебрежимо малы. В пределе тепловой режим пламе­ ни в достаточно широких трубах coBnaflaef с режимом сферического пламени, для которого потери теплопро­ водностью отсутствуют. Распространение пламени в та­ кой аппаратуре может стать невозможным только при условии возрастания тепловых потерь излучением до определенного значения.

Тепловые потери излучением несущественны для быстрых пламен, поскольку они лишь незначительно снижают температуру горения*. Однако по мере уда­ ления состава смеси от стехиометрического или увели­ чения содержания инертного компонента, температура горения, а с нею и нормальная скорость пламени умень­ шаются до критического значения. Так, потери излуче­ нием, несущественные для быстрых пламен, становятся для медленных пламен важнейшим фактором, опреде­ ляющим предельные условия стационарного горения в бесконечном пространстве. Они определяют значения концентрационных пределов взрываемости — наиболее

* Выше (стр. 16) оговаривалось, что возможность интенсивной хемилюминесценции некоторых достаточно быстрых пламен здесь не учитывается.

42

важной для техники безопасности характеристики горе­

ния.

Излучение продуктов сгорания наиболее распростра­ ненных горючих систем определяется в первую очередь присутствием в них двуокиси углерода и б о д ы . Азот и кислород слабо излучают при температуре пламени. Расчеты интенсивности излучения продуктов сгорания ряда углеродсодержащих горючих смесей подтвердили теорию предела, они дали критическое значение акр, приблизительно совпадающее е вышеуказанным экспе­ риментальным.

Концентрационные пределы взрываемости необходи­ мо определять в таких аппаратурных условиях, при ко­ торых охлаждающим действием стенок можно заведомо пренебречь и горение происходит в таком же режиме, как и в бесконечном пространстве. Опыт показывает, что при нормальных условиях эти искажения мало сущест­ венны уже для труб диаметром свыше 50 мм. Этот мини­ мальный диаметр принят в качестве стандарта для опре­ деления концентрационных пределов взрываемости. Из­ мерения для более узких труб могут давать зауженные значения границ взрываемости; такая методическая ошиб­ к а — одна из причин значительных погрешностей в ряде старых исследований.

В некоторых учебниках имеются неверные указания на зависимость пределов взрываемости от методики их измерений, в первую очередь— от способа поджигания исследуемой смеси. В действительности при фиксирован­ ном давлении и начальной температуре эти пределы представляют собой физико-химическую константу го­ рючей смеси. Кажущееся непостоянство пределов взры­ ваемости может быть связано с недостатками методики их определения. В одних случаях это — угнетающее влияние стенок, если измерения проводились в слишком узких сосудах, или следствие поджигания сверху. В дру­ гих— сказывается недостаточность мощности (энергии) поджигающего импульса. Эта мощность никак не харак­ теризует возможность стационарного горения в бесконеч­ ном пространстве, т. е. на достаточном удалении от точ­ ки зажигания, а такая возможность является единствен­ ным критерием положения границ взрываемости.

Хотя в принципе пределы взрываемости однозначно определяются составом и состоянием смеси, методиче-

43

ские трудности их измерения, обусловленные необходи­ мостью выполнения указанных требований, бывают на­ столько значительны, что результаты измерений могут сильно отличаться друг от друга. Иногда такая трудно устранимая погрешность достигает 30—40% значения пределов, причем бывает нелегко указать на очевидную методическую ошибку.

2. ПРЕДЕЛЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ ГОРЕНИЯ

Механизм поджигания электрическим разрядом. При пропускании электрического разряда через газ послед­ ний ионизуется, превращаясь в плазму. Это превраще­ ние сопровождается сильнейшим разогревом, значитель­ но большим, чем при горении. Тем не менее не всякий электрический разряд порождает в заведомо взрывчатой среде стационарное пламя. Опыт показывает, что очаг горения образуется только в том случае, если энергия разряда Е не меньше некоторого минимального значе­ ния .Emin. В противном случае пламя не образуется, не­ смотря на сильное нагревание: возникающий очаг горе­ ния оказывается неустойчивым и затухает.

Чтобы объяснить причину такого ограничения, сопо­ ставим особенности нагревания электрическим разрядом инертного газа и горючей газовой среды с тождествен­ ными физическими свойствами. Для простоты будем при- - нимать, что энергия разряда Е, одинаковая в обоих слу­ чаях, освобождается в виде одного мгновенного импуль­ са в пределах малого объема нагреваемого газа. Сопо­ ставим кривые пространственного распределения темпе­ ратуры Т (г), где г — расстояние от центра нагретой зо­ ны, для обеих систем в последовательные моменты вре­ мени /0 = 0, і?і>0, h > t^ и т. д. На рис. 7, а показано рас­ пределение температуры в инертном газе, а на рис. 7, б—

вгорючей среде.

Вмомент to малый объем газа был разогрет до тем­ пературы Те~^>Ть. Вслед за этим возникает тепловая волна, распространяющаяся в пространстве. По мере роста радиуса разогретой области в инертном газе по­ нижается температура на данном удалении от центра разогрева, в том числе и максимальная температура Т (г=0). На достаточном расстоянии от центра разогрева или спустя достаточное время в любой точке температу-

44

ры разогретой зоны и окружающего пространства вы­ равниваются, т. е. Т (г, t=oo) —Т0.

'В горючей среде нагревание разрядом вызывает до­ полнительное тепловыделение ври химической реакции, эта энергия добавляется к энергии начального импульса. По мере расширения сферы нагрева суммарное количе­ ство тепла и доля в нем энергии химического превраще­ ния все более возрастает, дальнейшее понижение тем­ пературы замедляется.

Если начальный импульс был достаточно мощным для соответствующего нагревания минимально необхоходимого количества горючей среды, структура зоны из­ менения температуры с ростом t стремится к определен­ ной предельной, устанавливается стационарный режим. Отводящееся в несгоревшую среду и излучаемое тепло

.полностью компенсируется выделяющимся при реакции, температура не понижается ниже температуры горения, возникает устойчивый фронт дефлаграции. К этому вре­ мени ©се выделившееся при реакции тепло может су­ щественно превысить энергию разряда. При дальнейшем распространении пламени начальный импульс оказы­ вается малым, все более затухающим возмущением ста­ ционарного горения.

Из изложенного очевидно, что пламя возникает в том случае, если энергия разряда достаточна для соответ-

45

ствуіощего нагревания определенного количества горю­ чей среды. Для этого необходимо создать элемент пла­ мени, способного в дальнейшем к самопроизвольному распространению. Если величина £ слишком мала, ста­ ционарный 'режим не устанавливается. Теплоотвод пре­ вышает тепловыделение, горючая среда прогрессивно охлаждается, и начавшаяся реакция, локализованная в пределах зоны искрового разряда, прекращается.

Критическая энергия поджигающей искры. Нагретый до температуры горения объем газа, окруженный горю­ чей средой, получает свойства незатухающего пламенно­ го элемента в том случае, если его размеры имеют по­ рядок ширины фронта дефлаграцпонного горения. Вели­ чина £ mm равна' теплоте нагревания от Т0 до Ть объема газа, радиус которого

где 8= Х/сри — ширина фронта пламени; b — безразмер­ ное число порядка единицы.

Из уравнения (2.1) следует, что

т. е. минимальная энергия поджигания сильно зависит от нормальной скорости пламени. Величина ип быстро (экспоненциально) возрастает с повышением температу­ ры горения, а значит, и с повышением содержания недо­ стающего компонента. Поэтому Emin быстро возрастает по мере приближения состава к пределу взрываемости. Это поясняет, почему так трудно поджечь смеси подкритнческого состава и почему возможны ошибки при опре­ делении пределов взрываемости, обусловленные недоста­ точной энергией поджигающего импульса. Изменение других, кроме нормальной скорости пламени, парамет­ ров значительно слабее влияет на EminНаиболее суще­ ственно влияние изменения теплопроводности, если про­ дукты реакции содержат легкие компоненты, в первую очередь водород.

Величина Emln для различных горючих систем может в соответствии с уравнением (2 .2 ) изменяться в очень широком диапазоне: от тысячных миллиджоуля у быстрогорящих газовых сред до сотен джоулей у наиболее медленногорящих, т. е. на 8 —9 порядков. Как показыва­ ет опыт, для различных горючих систем множитель b

46

имеет 'приблизительно одинаковое значение, равное трем.

Поджигание нагретым телом. На взрывоопасных про­ изводствах часто создается возможность контакта взрывчатых паро-газовых смесей с нагревающимся при работе технологическим оборудованием, например кор­ пусами электродвигателей, колбами электроламп и т. д. Создается угроза инициирования горения взрывчатых смесей при их контакте с нагретыми телами, вероятность которого необходимо объективно оценить.

Условия, при которых возникает режим самоускоренпя реакции во взрывчатой среде у нагретой твердой по­ верхности, существенно отличаются от условий, при ко­ торых та же реакция начинает самоускоряться в режи­ ме самовоспламенения в нагретом сосуде. При самовос­ пламенении тепло реакции может отводиться только в нагретые стенки реактора, которые инициировали реакцию во взрывчатой среде. Теплота же реакции, про­ текающей вблизи одной нагретой стенки, может отво­ диться в холодную иереагирующую взрывчатую среду, находящуюся за пределами пристеночной зоны. Интен­ сивность теплоотдачи в этом случае оказывается гораз­ до большей.

Поэтому критическая температура нагретого тела, при которой в соприкасающейся с мим холодной взрыв­ чатой среде может возникнуть режим прогрессивного самоускорения, будет гораздо выше температуры само­ воспламенения в аналогичных условиях. Процесс ини­

поджиганием в отличие от самовоспламенения в нагре­ том реакторе. Во избежание недоразумений не следует путать эти термины, хотя в принципе можно пользо­ ваться любой терминологией. Критическое для перехода от стационарного к нестационарному тепловому режиму значение температуры нагретого тела мы будем назы­ вать температурой поджигания Ts.

Опыт подтверждает, что значения Та много выше ана­ логичных температур возникновения самоускоряющейся реакции в нагретых сосудах. При поджигании воздуш­ ных горючих смесей летящими нагретыми шариками или при обдувании нагретых стержней, проволок, сеток взрывчатыми смесями минимальные наблюдавшиеся тем­

47

пературы поджигания — для стехиометрических смесей водорода, ацетилена іи сероуглерода — были равны 700—800 °С. Для других горючих значения Ts были еще выше (на несколько сот градусов), для метана они до­ стигали 1200—1500°С.

3. КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ПРЕДЕЛЫ ВЗРЫВАЕМОСТИ

Общие положения. Решение вопроса о взрывобезо­ пасное™ производств, связанных с переработкой горю­ чих газов, во многих случаях сводится к установлению концентрационных пределов взрываемости. Их оценка бывает связана с рядом трудностей. Необходимость ин­ тенсификации технологического процесса во многих слу­ чаях заставляет как можно ближе подходить к границам опасной области составов, тогда как положение этих границ не всегда известно, в особенности при давлениях, больших атмосферного, и для сложных многокомпонент­ ных систем.

Значения пределов взрываемости в тройной системе горючее — окислитель— инертный компонент целесооб­ разно представлять в виде зависимости лкр от содержа­ ния инертного компонента I (рис. 8 ). С увеличением / уменьшается диапазон горючих составов между верх­ ним и нижним концентрационными пределами. При опре­ деленном содержании инертного компонента / кр обе вет­ ви кривой критических составов ят іп (Л и ягаах (Л смыкаются в точке, называемой мысом области взрывае­ мости. Как правило, мысу соответствует приблизительно стехиометрическое соотношение содержаний горючего и окислителя: такую смесь труднее сделать негорючей, для этого требуется большее содержание инертного ком­ понента, делающего горючую среду более пассивной, флегматизирующего ее.

Если концентрация инертного компонента больше, поджигание такой смеси невозможно при любом соотно­ шении содержаний горючего и окислителя. Область со­ ставов, отвечающих горючим смесям, ограничена крити­ ческой кривой и осью ординат. Опыт показывает, что

48