8.Взрывы газовых смесей

Если горючие газы и пары не смешаны с воздухом и находятся в закрытом баллоне или аппарате, то они гореть не способны, так как отсутствует окислитель – кислород воздуха. В технологических процессах, связанных с производством или применением горючих газов и жидкостей, может происходить образование смесей газов и паров жидкости с воздухом. Такие смеси представляют опасность в отношении возникновения пожара и взрыва. В качестве примеров можно привести взрывы газов в помещении при незакрытом кране газовой плиты, взрывы при испарении бензина в закрытом помещении и т.д.

8.1. Взрывчатые смеси

При горении газов и паров горючих жидкостей в воздухе различают два режима горения – диффузионный и кинетический. Процесс горения, скорость которого зависит от скорости диффузии паров или газов и воздуха, называется диффузионным. Такой режим наблюдается, если пар или газ выпускать из баллона в атмосферу и в месте выхода поджечь. В диффузионном режиме горят пары керосина, выходящие из горелки примуса, парафиновая свеча, газ, выходящий из горелки газовой печи, газ, выходящий из трубы при разрыве газопровода и т.д.

Если газ предварительно перемешан с воздухом, то основное значение играет не скорость диффузии (смешения) компонентов горючей смеси, а скорость химических реакций. При этом скорость реакции возрастает с увеличением содержания воздуха в смеси и может достигать большой величины. Так, для смеси водород-воздух скорость горения достигает (5÷6) м/с. Сгорание смеси с такой скоростью приводит к выделению значительного количества теплоты в единицу времени и нагреву продуктов сгорания до высокой температуры. Если горение происходит в закрытом помещении или аппарате, то расширение газов при нагревании вызывает резкое повышение давления, то есть взрыв. Поэтому смеси горючих паров и газов с воздухом относятся к взрывчатым смесям.

Для химического превращения таких смесей в виде взрыва необходимо выполнение следующих основных условий.

• Крайняя быстрота перехода начальной смеси в продукты горения.

• Обязательное наличие газообразных продуктов сгорания.

• Обязательное выделение теплоты при реакции взрывчатого превращения.

Источники, вызывающие взрыв, могут быть самыми разнообразными – открытое пламя, искра, накаленное тело и другие энергетические воздействия.

8.2. Концентрационные пределы взрыва

В условиях производства могут образовываться любые смеси газа или пара с воздухом. Концентрация горючего в этих смесях может быть в пределах от долей процента до 100 %. Однако не все эти концентрации являются опасными с точки зрения возникновения пожара и взрыва.

Рассмотрим смесь оксида углерода СО с воздухом (рис.8.1). Слева – шкала объемной концентрации горючего (СО), справа – окислителя (воздуха). Если смесь содержит менее 12.5% СО, то она не воспламеняется мощной электрической искрой. Только при 12.5% СО в смеси происходит ее воспламенение и горение со скоростью взрыва. Концентрация пара горючей жидкости или газа в воздухе, ниже которой горючая смесь не способна взрываться, но выше которой способна гореть со взрывом, называется нижним пределом взрыва (НПВ).

Смесь любого газа или пара при нижнем пределе взрыва содержит избыток воздуха. Так, для оксида углерода коэффициент избытка воздуха α = 2.6, для сероуглерода α = 6.9, для метана α = 2 и т.д. Следовательно, предельная смесь, имея недостаток горючего и избыток воздуха, обладает низкой теплотворной способностью, малой скоростью распространения пламени, низкой температурой взрыва и небольшим взрывным давлением. Сила взрыва при этом невелика.

Концентрация, соответствующая нижнему пределу взрыва, у насыщенных паров над жидкостью образуется всегда при температуре вспышки жидкости. При увеличении концентрации СО выше нижнего предела взрыва получаются взрывчатые смеси с большей силой взрыва, так как они содержат больше горючего и обладают большей теплотворной способностью и температурой взрыва.

Рис. 8.1. Концентрационные пределы взрыва для смеси СО с воздухом

Увеличение силы взрыва (взрывного давления) происходит теоретически до стехиометрической смеси (α = 1). При этом количество воздуха и горючего точно соответствует реакции горения. Для угарного газа реакция горения записывается в виде:

.

Концентрация СО, соответствующая стехиометрической, равна 29.5% (количество воздуха 70.5%). При дальнейшем повышении концентрации СО выше стехиометрической, сила взрыва смесей будет уменьшаться в результате недостатка воздуха. При 75% содержания угарного газа, смесь теряет способность воспламеняться.

Концентрация газа или пара, ниже которой происходит взрыв, а выше которой смесь не способна воспламеняться, называется верхним пределом взрыва (ВПВ). Область между нижним и верхним пределом взрыва называется промежутком взрыва. Зная промежуток взрыва, можно определить области безопасных концентраций. Для оксида углерода эти области лежат в пределах (0÷12.5)% и (75÷100)%. Наличие областей безопасных концентраций позволяет в процессе хранения и применения горючих жидкостей поддерживать такой режим по температуре и давлению, чтобы концентрация паров была выше или ниже промежутка взрыва. Причиной прекращения распространения пламени на нижнем пределе и верхнем пределе взрыва являются теплопотери из пламени за счет излучения, которые зависят от температуры и состава смеси.