Файл: Осипов, С. Н. Взрывчатые свойства и нейтрализация паро-газо-пылевых смесей.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 78
Скачиваний: 0
начальной температуры оказывается эквивалентным лишь небольшому изменению состава. Для давлений меньше атмосферного влияние начальной температу ры на изменение концентрационных пределов воспла менения изучено недостаточно.
§ 2. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСЕЙ ПРИ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ ВЫШЕ НОРМАЛЬНЫХ
При различных технологических процессах горючие паро-газовые смеси зачастую находятся при повышен ных давлениях и температурах. В этих условиях их взрывчатые свойства могут значительно отличаться от таковых при нормальных давлениях и температурах.
Хотя до настоящего времени проведено немало ис следований, посвященных влиянию давления на кон центрационные границы воспламенения паро-газовых систем, однако ввиду сложности процессов надежных аналитических зависимостей не установлено, а извест ны только общие тенденции влияния повышения дав ления.
Как установлено, область воспламенения, как пра вило, расширяется с повышением давления выше атмо сферного [69] в основном за счет резкого увеличения ВКП (рис. 47). А. И. Розловский [63] объясняет это явление увеличением скорости реакции в пламени. Ре зультаты исследования влияния давления на пределы воспламенения метано-воздушных смесей, проведен ного Я- Б. Зельдовичем [20], представлены на рис. 48. Как видно из рисунка, несмотря па увеличение давле ния, НКП практически нс изменился, а ВК.П увели чился значительно. Результаты, полученные Б. Г. Пис куновым [59J при исследовании влияния давления и температуры на ВКП метано-кислородных смесей, при ведены на рис. 49. С увеличением давления ВКП мета но-кислородных смесей при нормальной и повышенных температурах неуклонно растет. Этот рост особенно
по
интенсивен при начальной температуре смеси 400“С
(кривая 4).
Однако в некоторых случаях, особенно при распро странении пламени сверху вниз, наблюдается не рас ширение, а сужение пределов воспламенения. Как пн-
л |
ч |
ь |
7 |
||
1 |
/ |
. к |
|
7 V/
/
0 |
Ю 50 50 70 О 10 20 30 |
0 10 20 30 00 50 60 |
ГН,],% [СНь),%
Рис. 47. Кривые влияния давления на пределы 'Воспламе
нения:
1 — нижний предел: 2 — верхний предел.
Рис. 48. График влия |
Рис. 49. График |
влияния |
ния давления на пре |
давления на ВКП мета |
|
делы воспламенения |
но-кислородных |
смесей |
метано-воздушных |
при различной начальной |
|
смесей: |
температуре: |
|
/ — нижний предел; 2 — |
/ — 20° С; 5 — 100“ С: 3 — |
верхний предел. |
300° С: Л — I005 С. |
шут Л. А. Ловачев и другие [60], существование верх него предела воспламенения по давлению обеспечива ется сужением бедного или богатого (нижнего или верхнего) концентрационных пределов с увеличением давления п является необычным явлением среди мно гочисленных экспериментальных результатов. Сужение нижнего предела в воздушных смесях метана и нор мальных парафинов при невысоких давлениях (до 0,4—0,5 МПа) наблюдали различные исследователи. Сужение предела начиналось с некоторого критическо го давления, характерного для данного углеводорода. Опыты, проведенные при более высоких давлениях, показали [60], что сужение пределов в некоторых воз душных смесях происходит только до определенного
давления, |
выше |
которого пределы |
расширяются |
|
р,л/?о |
|
(рис. |
50). Большинство |
исследователей |
|
|
считает, что наличие верхних пределов по |
||
|
|
давлению свойственно только распростра |
||
|
|
нению пламени сверху вниз. |
||
|
|
По |
мнению Л. А. Ловачева и других |
|
|
|
[60], появление верхнего предела по дав |
||
|
|
лению, по-виднмому, может быть связано |
||
|
|
с различными механизмами гашения пла- |
||
|
|
Рмс. 50. Кривая зависимости НКП водородо-воз |
||
|
|
душной смеси от давления. |
|
|
" 6 |
W н2,% -------------------------------------------------------------- |
|||
мени на стенках сосуда. При высоких давлениях и в относительно широких сосудах свободная конвек ция обеспечивает условия, при которых пламя не способно распространяться по всему сосуду. При низких давлениях и в узких сосудах одним из основных факторов, влияющих на распространение пламени, является потеря тепла в стенки сосуда посредством теплопроводности. Возможно также появление верхне го предела в неограниченном пространстве в резуль
тате гашения пламени конвективными потоками. Во всех случаях, при наличии пли отсутствии стенки, на ряду с конкретным механизмом гашения пламени, важ ную роль играет характер зависимости скорости рас пространения пламени от давления.
Для практических целен наиболее важным являет ся учет расширения пределов воспламенения с ростом давления, который пока возможен только на основа нии лабораторных исследований [44].
Согласно исследованиям А. Н. Баратова [6], увели чение начальной температуры горючей смеси на каж дые 100° снижает НК.П на 8— 10% его значения и со ответственно повышает ВКП на 12— 15%. Однако та кая закономерность сохраняется не всегда. Значитель ное повышение температуры сильнее сказывается на
ВКП (см. рис. 49). Как |
|
|
|||
видно из кривых рис. 51, |
|
|
|||
построенных |
по |
данным |
|
|
|
работы [84], при подогре |
|
|
|||
ве метано-воздушной сме |
|
|
|||
си свыше 600° С ВКП рез |
|
|
|||
ко расширяется. При на |
|
|
|||
гревании до 700° харак |
|
|
|||
терно |
снижение |
НКП |
|
|
|
примерно на 0,4% |
па каж |
|
|
||
дые 100° предварительно |
Рис. 51. Кривые влияния на |
||||
го подогрева. |
|
|
|||
|
Г. Пис |
чальной температуры |
подогре |
||
По данным Б. |
ва метано-воздушной |
смеси на |
|||
кунова |
[59], |
зависимость |
пределы воспламенения: |
||
ВКП от температуры для |
/ — нижний; 2 — |
псрхниП. |
|||
метано-кислородных сме |
|
|
|||
сей описывается выражением |
|
||||
|
|
С = С0 + 6,8 •10-3 Л |
(113) |
||
где Со — верхний концентрационный предел воспламе нения при нормальной температуре, %.
По данным А. Н. Баратова [6], при низких началь ных температурах (ниже нормальных) изменения пре-
113
Делов воспламенения с температурой подчиняются ги перболическим зависимостям:
C„ = \j(a + bt) и Св =- 1/(а, — bxt), |
(114) |
где а, Ь, а.\, Ь\ — константы для данного вещества; t — температура окружающей среды.
При начальных температурах выше нормальной в первом приближении можно принять линейную зависи мость расширения концентрационных пределов воспла менения типа
С = C0(l ± a't), |
(115) |
где знак минус берется для нижних, а знак плюс — для верхних концентрационных пределов; а' — эмпириче ская константа, равная для нижних пределов примерно 0,0008, для верхних пределов 0,0015.
Расчеты, произведенные по формуле (115), дают только ориентировочные значения пределов. Для полу чения более точных значений необходимо проведение специальных исследований с заданной горючей смесью.
В заключение необходимо отметить, что влияние температуры и давления на концентрационные преде лы воспламенения паро-газовых смесей изучено совер шенно недостаточно. Нет надежной теории влияния этих факторов. Полученные экспериментальные ре зультаты в некоторых случаях противоречивы. Одна ко уже в настоящее время представляется возможным качественно (а иногда и количественно) заранее учи тывать влияние температуры и давления на взрывча тые свойства паро-газовых смесей. Следует ожидать, что такие же закономерности присущи пыле-воздуш- ным смесям, так как их воспламенение в основном протекает в паро-газовой фазе.
Глава III НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ СВОЙСТВ ПАРОГАЗОВЫХ И ПЫЛЕ-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
Нейтрализация взрывчатых свойств паро-газовых и пыле-воздушных смесей является одним из главных направлений в решении проблемы подавления и лока лизации взрывов при различных технологических про цессах.
Добавки различных веществ могут флегматизировать горючую систему, т. е. уменьшить область вос пламенения и скорость горения вплоть до превращения системы в негорючую. По характеру воздействия на процессы флегматизаторы можно разделить на два основных класса [63]: тепловые, не принимающие прямого участия во взаимодействии горючего с окис лителем, но понижающие температуру горения, и хи мически активные (ингибиторы), способные тормо зить реакцию при неизмененной температуре горения вследствие их чисто химического воздействия, выра жающегося в обрыве цепей развития реакций. Избы точный компонент смеси, будь то инертный газ или горючее, может рассматриваться как тепловой флегматизатор. Характерно, что сам горючий компонент в ко личестве, превышающем ВКП, является флегматизатором. В этом случае, например, для метано-воздушных смесей добавление лишь 6% метана от стехиомет рической смеси нейтрализует ее взрывчатые свойства, хотя при этом содержание кислорода в метано-воздуш ной смеси остается около 18%.
Нейтрализация взрывчатых свойств метано-воздуш ной смеси азотом, мольная теплоемкость которого все го на 1/3, а теплопроводность на 1/5 меньше, чем у метана, происходит при содержании кислорода около 10%, т. е. по необходимому снижению содержания кис
115
лорода азот примерно в четыре раза хуже флегматпзирует смесь по сравнению с метаном. Отсюда видно, что содержание горючих выше В КП оказывает более сильное действие, чем инертнее газы, и такие горючие необходимо рассматривать как флегматпзаторы, от носящиеся к тепловым и химически активным. По-ви димому, большинство реальных флегматизаторов об ладают двойственным механизмом воздействия на процессы воспламенения горючих смесей.
Применение различных флегматизаторов для ней трализации взрывчатых свойств паро-газовых и пыле воздушных смесей наряду со строгими ограничениями допустимых концентраций горючих газов является не обходимой предпосылкой обеспечения безопасности многих технологических процессов.
§ 1. ЦЕНТРАЛИЗАЦИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ СВОЙСТВ ПАРО ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ
Были проведены эксперименты по предотвращению взрыва метано-воздушных смесей инертными газами в стеклянных взрывных камерах длиной 500 мм. Ре зультаты испытаний приведены на рис. 52 и 53.
Концентрация инертного газа, определенная в пике воспламенения, предотвращает взрыв метана во всем диапазоне взрываемости. В подавляющем большинстве случаев истинное значение концентрации метана око ло источника воспламенения не известно, поэтому на практике в качестве расчетной необходимо принимать концентрацию инертных газов в пике воспламенения.
Испытания показали, что изменение диаметра реак тора приводит к изменению взрывопредотвращающей концентрации инертных газов. Для азота ясно выра жена тенденция увеличения расхода его с уменьше нием диаметра реактора до 76 мм, при диаметре 37 мм расход азота резко уменьшается.
П6
В случае предотвращения взрыва метана углекис лым газом такой зависимости не наблюдается. Для нейтрализации взрывчатых свойств метано-воздушной смеси нужно понизить содержание кислорода пример-
Рис. 52. Области воспламенения метано-поздушпо-углекпелот- ных смесей:
а — по СО-; б — по О-; /— п реакторах диаметром 197 мм: 2 — то же. 170 мм: 3 — 100 мм; 4 — 73 мм; 5 — 57 мм; 6 — огибающая кривая.
мо до 13%, а у ВКП содержание кислорода должно составлять около 18%. Таким образом, метан за верх ним пределом воспламенения является гораздо более эффективным флегматизатором, чем инертные газы. В случае соответствия флегматизирующих свойств ме тана углекислому газу ВК.П метано-воздушных сме сей должен соответствовать содержанию 30—35% метана.