8.3. Экспериментальное определение концентрационных пределов взрыва

Концентрационные пределы взрыва выражаются в процентной концентрации горючего газа или пара горючей жидкости в смеси с воздухом. Однако на практике использование концентрации затруднительно, так как ее трудно измерить.

При обследовании предприятий обычно чаще всего приходится сталкиваться с легковоспламеняющимися жидкостями. В этом случае более удобно пользоваться пределами взрыва, выраженными через температуру жидкости. Температура жидкости обычно известна и может быть легко измерена, а концентрация насыщенных паров прямо связана с температурой.

Нижний температурный предел взрываемости обозначают температурой жидкости, при которой образуется концентрация паров, соответствующая нижнему пределу взрыва. Аналогично – верхний температурный предел обозначают значением температуры, при котором концентрация паров соответствует верхнему пределу взрыва. Например, для метилового спирта нижний температурный предел взрываемости + 8 ⁰С, а верхний + 32 ⁰С. При всех температурах в диапазоне (8÷32)С концентрации метилового спирта являются взрывчатыми.

Схема прибора для измерения пределов взрыва приведена на рис. 8.2. Он состоит из взрывного сосуда 1, в который наливается горючая жидкость 2. Сосуд помещается в термостат 3 с нагревателем 4. Температура термостата и, соответственно, горючей жидкости измеряется датчиком 5. Через электроды 6 в сосуд подается электрическая искра. Изменяя температуру в термостате, подают искру на электроды и находят, таким образом, нижний и верхний пределы взрыва для данной жидкости. Если смесь взрывчатая, то появляется пламя, распространяющееся от контактов; если же она не взрывчатая, то пламя не появляется.

В табл. 8.1. приведены температуры некоторых жидкостей, при которых они образуют концентрации паров, равные нижнему и верхнему пределам взрыва.

Таблица 8.1.

Нижний и верхний пределы взрыва для некоторых жидкостей

Жидкость	Нижний предел взрыва, 0С	Верхний предел взрыва, 0С
Бутиловый спирт	+ 34.6	+ 62
Метиловый спирт	+ 8	+ 32
Скипидар	+ 36	+62
Бензол	- 13	+12

Рис. 8.2. Схема прибора для измерения концентрационных пределов взрыва:

1 – взрывной сосуд; 2 – горючая жидкость; 3–термостат; 4– нагреватель; 5 – датчик температуры; 6 –электроды

8.4. Расчетное определение концентрационных пределов взрыва

Для определения пределов взрыва применяются эмпирические формулы, полученные обработкой экспериментальных данных для различных горючих веществ.

Нижний предел взрыва (НПВ) рассчитывается по формуле

объем. %. (8.1)

Верхний предел взрыва (ВПВ) рассчитывается по формуле

объем.% . (8.2)

Здесь N – количество атомов кислорода, необходимое для полного сгорания одной молекулы горючего компонента смеси.

В качестве примера определим пределы взрыва смеси воздуха и пентана.

• Запишем уравнение реакции горения пентана С₅Н₁₂:

С₅Н₁₂+8О₂=5СО₂+6Н₂О.

• Найдем количество атомов кислорода, необходимое для полного сгорания одной молекулы пентана:

• Найдем нижний предел взрыва рассматриваемой смеси по формуле (8.1):

объем.%.

• Найдем верхний предел взрыва рассматриваемой смеси по формуле (8.2):

объем.%.

Таким образом, для пентано-воздушной смеси нижний предел взрыва достигается при содержании 1.4 объем.% пентана, а верхний предел взрыва – при 5.0 объем.% пентана.

Часто при решении вопросов безопасности вентиляционных установок, сушилок, мешалок и других аппаратов требуется определить пределы взрыва смеси, состоящей из нескольких горючих компонентов. Для нахождения нижнего и верхнего предела взрыва таких смесей используются следующие формулы:

объем.%; (8.3)

объем.%. (8.4)

Здесь V₁, V₂, … V_n – концентрации горючих компонентов, объем.%;

Н₁, Н₂, … Н_n – нижние пределы взрыва входящих в смесь компонентов, объем.%;

В₁, В₂, … В_n – верхние пределы взрыва, входящих в смесь компонентов, объем.%.

При этом

V₁+V₂+…+V_n=100%.

При расчете пределов взрыва смеси, выраженных в массовых долях горючих компонентов (масс.%), значения V₁, V₂, … V_n в формулах (8.3), (8.4) заменяются на значения их массовых долей z₁, z₂, …, z_n. При этом

z₁ + z₂ + … z_n = 100%.

В качестве примера определим пределы взрыва смеси паров ацетона и этилового спирта с воздухом, если в 1 м³ смеси находится 32 г ацетона и 25 г этилового спирта.

• Найдем процентное содержание горючих компонентов, выраженное в массовых долях.

Содержание ацетона:

z₁= масс.%

Содержание этилового спирта:

z₂= масс.%

• Найдем из таблиц нижние пределы взрыва компонентов.

Для ацетона НПВ=Н₁=1.6 объем.%;

Для спирта НПВ=Н₂=2.6 объем.%

• Найдем нижний предел взрыва рассматриваемой смеси по формуле (8.3):

объем.%.

• Найдем из таблиц нижние пределы взрыва компонентов.

Для ацетона ВПВ=В₁=13 объем.%;

Для спирта ВПВ=В₂=19 объем.%

• Найдем верхний предел взрыва рассматриваемой смеси по формуле (8.4):

объем.%.

Таким образом, для смеси паров ацетона и этилового спирта с воздухом нижний предел взрыва достигается при содержании 1.9 объем.% горючих паров, а верхний предел взрыва – при 15.1 объем.%.

Значения пределов взрыва смесей нескольких горючих компонентов с воздухом находятся между значениями пределов взрыва отдельных горючих компонентов, входящих в смесь.