2.2. Расчет максимального давления взрыва парогазовых смесей [2]

Паровоздушные горючие смеси взрывоопасны. В закрытой емкости при наличии теплового источника воспламенение паровоздушной смеси сопровождается взрывом, как и газовоздушной смеси с присущими ей аналогичными закономерностями

Максимальное давление взрыва – это давление, которое возникает в

результате сгорания или детонации парогазовых смесей при условии реализации изобаро-изохорического процесса.

Максимальное давление взрыва для парогазовых смесей углеводородных топлив рассчитывается по формуле:

= (2.1)

где – максимальное давление взрыва, Па; , , – давление, температура, количество смеси до взрыва, соответственно в Па, К, молях; – температура взрыва, количество продуктов горения, соответственно в К, молях.

П р и м е р 1. Рассчитать максимальное давление взрыва бутано-

воздушной смеси стехиометрического состава. На момент взрыва давление

и температура были близки к нормальным условиям (Р_о=10⁵ Па, Т=273 К).

Температура взрыва 2905 К.

Р е ш е н и е.

1. Определяем состав и объем исходной смеси и продуктов горения.

Запишем уравнение химической реакции:

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ + (6,5·3,76)N₂ = 4СО₂ +5Н₂О + (6,5∙3,76)N₂.

Из уравнения реакции следует: количество исходной смеси стехио-

метрического состава равно 31,9 моля, количество продуктов сгорания 33,4 моля.

2. Рассчитываем максимальное давление взрыва бутано-воздушной

смеси (формула 1.1).

= = =11,14∙10⁵Па

4. Избыточное давления взрыва ΔР будет равно:

P= - 1·10⁵ Па = 11,14·10⁵ - 1×10⁵ = 10,14·10⁵ Па.

3. Расчет тротилового эквивалента взрыва и безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн

Тротиловый эквивалент вещества рассчитывается по формуле:

η_тнт= (2.2)

где η - тротиловый эквивалент парогазовой смеси; Q_взр = Q_н – теплота взрыва вещества, кДж/кг;Q_ТНТ = 4,184∙10³ кДж/кг – теплота взрыва тротила (тринитротолуола).

Тротиловый эквивалент взрыва (мощность взрыва) – это мощность взрыва. Из определения тротилового эквивалента взрыва следует, что тротиловый эквивалент взрыва есть условное количество взорвавшегося тротила.

Тротиловый эквивалент взрыва (мощность взрыва) парогазовых сме-

сей рассчитывается по формуле:

М_тнт= (2.3, а)

или с учетом (2.2):

М_ТНТ = h∙m∙η (2.3, б)

где М_ТНТ – масса условно взорвавшегося тротила;

m – масса горючего вещества пожаровзрвывоопасной смеси;

g – доля потенциальной энергии, перешедшей в кинетическую энергию взрыва.

При взрыве парогазовой смеси углеводородных топлив в ограничен-

ном объеме (помещении, оборудовании) коэффициент g принимается рав-

ным 1, при взрыве в неограниченном объеме (взрыв облака парогазовой

смеси) коэффициент g, как правило, принимают равным 0,4.

Размер безопасной зоны по действию давления воздушной ударной

волны взрыва рассчитывают по формуле:

R _без=15 (2.4)

где R_без – безопасное расстояние по действию ударной волны взрыва, м;

М_ТНТ – тротиловый эквивалент взрыва, кг.

П р и м е р 1. Рассчитать тротиловый эквивалент взрыва бутана.

Р е ш е н и е:

1. Теплота взрыва бутана принимается равной его низшей теплоте

сгорания. Значение Q_н для бутана составляет 2,67·10³ кДж/моль. При пере-

счете на 1 кг бутана теплота взрыва составит:

Q_взр = = = 46∙10³ кДж/кг.

2. Согласно соотношению (2.2) тротиловый эквивалент взрыва бутана

в смеси стехиометрического состава будет: С₄Н₁₀

η_С4Н10 = = =10.9≈11

П р и м е р 2. Рассчитать тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва 20 кг бутана с воздухом:

а) в технологическом оборудовании;

б) в облаке.

Р е ш е н и е.

1. Тротиловый эквивалент взрыва бутана в смеси стехиометрического

состава равен 10,9 (см. пример 1).

2. Тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве

в технологическом оборудовании рассчитывается по формуле (2.3б), при

условии g=1.

М_ТНТ = η ∙m∙g = 10,9∙20∙1 = 220 кг (тротила).

3. Тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве

облака рассчитывается по формуле (2.3, б) при условии g=0,4.

М_ТНТ = η ∙m∙g = 10,9∙20∙0,4 = 90 кг (тротила).

П р и м е р 3. Для случаев взрывов, рассмотренных в примере 2, рас-

считать безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны.

Р е ш е н и е.

1. Безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны при

взрыве в технологическом оборудовании (согласно 2.4) будет равно:

R_без=15 =15 91 м.

2. Безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны при

взрыве облака (согласно 2.4) будет равно:

R_без=15 =15 67 м.

Контрольные задачи

1. Определить тротиловый эквивалент аварийного взрыва облака из

смеси паров ацетона с воздухом и безопасное расстояние по действию

ударной волны взрыва. Концентрация паров горючего в смеси 0,2 кг/м³.

Объем облака 2500 м³.

2. Определить количество взорвавшихся паров бензола, если после

аварии отмечены разрушения на расстоянии 100 м от эпицентра взрыва.

Взрыв произошел в помещении.

3. Определить возможность разрушения металлического резервуара,

рассчитанного на давление 5·10⁵ Па, при взрыве паров толуола.

Задание для самостоятельной работы

Рассчитать максимальное давление взрыва и безопасное расстояние

по действию ударной волны взрыва для парогазовоздушной смеси i-го ве-

щества. При расчете максимального давления взрыва принять давление и

температуру до взрыва равными: Р_о = 10⁵ Па, Т_о = 273 К.

Расчет безопасного расстояния выполнить как для условия взрыва в

ограниченном объеме, так и для взрыва в открытом пространстве. Расчет

выполнить для горючего вещества массой m_i.

Т а б л и ц а 1

№ варианта	Горючее вещество	Брутто-формула	Масса горючего, кг
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	диметиловый эфир диэтиловый эфир н-бутиловый спирт нитроэтан окись углерода н-пентан пропан сероводород этилбензол ацетилен толуол этиленгликоль этан уксуснобутиловый эфир н-гексиловый спирт уксусноэтиловый эфир метиловый спирт пропиловый спирт метан	С2Н6О С4Н10О С4Н10О C2H5NO2 CO C5H12 C3H8 H2S C8H10 C2H2 C7H8 C2H6O C2H6 C6H12O2 C6H14O C4H8O2 CH4O C3H8O СН4	10 150 15 2 3 50 100 20 15 120 80 5 60 20 70 30 130 30 54