§2.3. Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных и паровоздушных смесей

Как уже отмечалось, в связи с широким внедрением в промышленности, на транспорте и в быту углеводородных жидких и газообразных топлив участились пожары, связанные с их возгоранием, а также с возгоранием газовоздушных смесей (ГВС), образующихся при разгерметизации хранилищ, емкостей, содержащих эти вещества в сжиженном состоянии (при последующем их испарении) либо в газообразном под давлением, и при авариях. Концентрация горючего в смесях может изменятся от долей процента почти до 100%. Важно знать условия, то есть те концентрации, при которых смесь становится такой опасной.

Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения горючей смеси в зависимости от концентрации горючего представлены на рис.8. В замкнутом объеме воспламенение смеси, как правило, носит взрывной характер. На рис.8 приводится также зависимость давления взрыва от концентрации горючего газа в смеси.

Смесь горючего с воздухом при изменении концентрации горючей примеси от нуля до НКП не способна воспламениться – это область безопасных концентраций. Та наименьшая концентрация газов, паров (или пылей) в смеси с воздухом, при которой смесь может воспламениться от источника зажигания и пламя распространится на весь объем горючей смеси, называется нижним концентрационным пределом воспламенения – НКП. При увеличении концентрации горючей примеси от НКП до давление взрыва увеличивается до максимального значения, соответствующего стехиометрической концентрации вещества (фактически наибольшее давление при взрыве наблюдается у смесей с концентрацией горючего несколько выше стехиометрической). При давление взрыва снижается, что связано с избытком горючего и недостатком кислорода в смеси. Та наибольшая концентрация газов, паров, при которой смесь ещё способна воспламениться от источника зажигания с распространением пламени на весь ее объем, называется верхним концентрационным пределом воспламенения – ВКП (для пылей обычно определяют только НКП).

Рис.7. Зависимость давления взрыва газовоздушной смеси от концентрации горючего

I – область безопасных концентраций, II – область воспламенения,

III – область пожароопасных концентраций

Интервал НКП-ВКП называют областью воспламенения. Так как в замкнутом объеме воспламенение смеси, как правило, носит взрывной характер, указанные пределы называют также пределами взрываемости.

Газовоздушные и паровоздушные смеси при значениях остаются пожароопасными, пылевоздушные смеси – при .

Концентрационные пределы воспламенения НКП, ВКП индивидуальных горючих веществ (газов, паров) определяются по формуле

, (2.6)

где КП - верхний или нижний концентрационные пределы, % (об.);

- число молекул кислорода, необходимое для полного сгорания одной молекулы горючего вещества;

a и b - постоянные, см. табл.8.

Таблица 8

Значения чисел a и b

Концентрационные Пределы	a	b
НКП ВКП ( ) ВКП ( )	8,684 1,550 0,768	4,679 0,560 6,554

Величину находят по соотношению

, (2.7)

где - число атомов углерода, серы, водорода, кислорода, галогенов (хлор, бром и др.) в молекуле горючего вещества.

Масса горючего газа в единице объёма смеси ,при нормальных условиях, то есть Т0 = 0⁰С и давлении Р0 =101,3 кПа, отвечающая НКП и ВКП (иногда её называют концентрацией горючей примеси), может быть вычислена по соотношению

, (2.8)

где М – масса горючего газа (в кг), численно равная молекулярной массе горючего вещества;

22,4 –объём (в м³) 1 кмоль газа при температуре и давлении .

Стехиометрической называется горючая смесь, которая не содержит в избытке ни горючий компонент, ни окислитель. Состав такой смеси полностью отвечает уравнению химической реакции горения. При избытке горючего смесь называется богатой, а при избытке окислителя – бедной.

Стехиометрическая концентрация горючего в смеси в % (об.) определяется по соотношению

, (2.9)

где коэффициент находится по соотношению (2.7).

Масса горючего газа в единице объема смеси стехиометрического состава (иногда её называют стехиометрической концентрацией горючей примеси), может быть вычислена по соотношению

, (2.10)

где величина М имеет тот же смысл, что и в соотношении (2.8).

Если величины , необходимо привести к иным условиям, пользуются соотношениями

, (2.11)

где , - концентрации горючего вещества в смеси, отвечающие значениям Т, P и Т₀, P₀ соответственно;

Т – заданная температура, К;

P – заданное давление, кПа.

Для вычисления НКП и ВКП смеси нескольких газов или паров используют соотношение

, (2.12)

где - концентрация i-го горючего компонента в смеси, % (об.);

-нижний или верхний концентрационные пределы воспламенения i-го компонента, % (об.).

Массу горючей пыли в единице объема пылевоздушной смеси, отвечающую нижнему концентрационному пределу воспламенения, , кг/м³ , находят по соотношению

, (2.13)

где - теплота сгорания горючей пыли, кДж/кг.

Пример. Найти нижний концентрационный предел воспламенения метана ( ).

Решение. 1. По соотношению (2.7) вычисляем значение

2. Используя данные табл. 8, находим значения чисел a и b

;

3. По формуле (2.6) определяем величину НКП метана

Данные о НКП и ВКП используют при расчёте взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчёте предельнодопустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.010-76.

Данные о НКП применяют при определении категории производств по пожаровзрывоопасности в соответствии с требованиями Строительных норм и правил на проектирование производственных зданий, утверждённых Госстроем СССР.