5.4. Прогрев жидкостей при горении. Вскипание. Выброс

Во время горения часть тепла, поступающего из пламени, расходуется на нагревание жидкости. Температура верхнего слоя жидкости с течением времени повышается, причем наиболее быстрое изменение температуры наблюдается в начальный период.

По истечении начального периода времени (10 мин) в слое жидкости устанавливается мало изменяющееся во времени распределение температуры. Характер распределения температуры зависит от рода жидкости и условий горения. При горении сложных по составу жидко- стей — нефти и продуктов ее переработки — температура на поверхности равна средней температуре кипения, определяемой по кривой разгонки топлива. Температура на поверхности горящего автобензина лежит в пределах 90—110 °С, керосина 170—220 °С, дизельного топлива 230—240 °С, солярового масла 280—340 °С, нефти 130—350 °С.

Температура не одинакова во всех точках поверхности горящей жидкости. Вблизи стенок резервуара температура выше, чем в центре. Около стенок резервуара пламя расположено ближе к поверхности, чем к ее центральной части. Распределение температуры в глубину не одинаково для различных жидкостей.

Вскипание и выбросы в процессе горения жидкостей представляют большую опасность, так как внезапно выброшенная горящая жидкость может покрыть большую площадь вблизи очага горения вместе с находящимися на ней людьми, строениями и пожарной техникой. Известны случаи, когда десятки тонн нефти выбрасывались на расстояние несколько десятков метров от очага горения. Однако выброс, имеющий характер сильного взрыва, — явление сравнительно редкое. Чаще бывает более или менее спокойное переливание нефти через борт резервуара, так называемое вскипание жидкости. Установлено, что выбросов и вскипания не происходит при горении таких продуктов переработки нефти, как керосин, дизельное топливо, бензин. Это связано с наличием воды, которая всегда содержится в том или ином количестве в самой нефти.

Под кипением понимают процесс парообразования, происходящий в объеме жидкости. Для кипения характерно образование большого количества пузырьков пара, зарождающихся в основном на стенках сосуда и на дне его. Если центры парообразования удалить (этого можно достичь тщательной очисткой жидкости, а также механической и химической обработкой поверхности стенок сосуда), то кипение не возникает, даже если жидкость будет нагрета выше температуры кипения. Так, воду, тщательно освобожденную от воздуха, можно нагреть, не вызывая кипения, почти до 200 °С.

Жидкость в таком состоянии называется перегретой. Такое состояние не является устойчивым. Достаточно лишь внести в перегретую жидкость небольшое количество какой-либо механической примеси, как произойдет бурное закипание, которое при некоторых условиях имеет взрывной характер.

Зародыши паровой фазы могут возникнуть внутри самой жидкости, если она перегрета достаточно сильно. В этом случае закипание носит взрывной характер. Аналогичное явление наблюдается при горении сырых нефтей и нефтепродуктов, способных к выбросу и вскипанию. Выброс горящей жидкости может произойти, если под слоем жидкости находится вода, жидкость при горении прогревается в глубину с образованием прогретого слоя, достигающего слой воды, а температура слоя выше температуры кипения воды.

Отсутствие одного из этих условий исключает возможность выброса. Первое условие на практике связано с хранением нефти и нефтепродуктов, два других условия определяются свойствами самой жидкости. В связи с этим выбросы наблюдаются при горении только нефти и мазута и не наблюдаются при горении таких нефтепродуктов, как керосин, дизельное топливо и др. Нефть и мазут прогреваются вглубь весьма интенсивно, и температура прогретого слоя при этом почти всегда выше 100°С. Керосин, дизельное топливо при горении прогреваются медленно и не образуют прогретого слоя одинаковой температуры. Бензин прогревается тоже быстро, как нефть и мазут, но температура прогретого слоя ниже температуры кипения воды. Поэтому выброс при горении бензина маловероятен. Если же в резервуаре с горящей нефтью нет подстилающего слоя воды (вода содержится в самой нефти в эмульгированном состоянии), то в начальный период горения вода более или менее равномерно будет распределена в массе нефти. При нагревании вследствие уменьшения вязкости верхнего слоя нефти капли воды опускаются в глубь слоя жидкости и постепенно накапливаются там, где вязкость нефти сравнительно велика. Одновременно с этим капли воды нагреваются и при достижении определенной температуры (степени нагрева) закипают. Пары воды сильно вспенивают нефть, которая переливается через борт резервуара, т. е. происходит вскипание нефти (точнее вскипание воды, содержащейся в нефти).

Характерными признаками начала выброса являются возникновение вибрации стенок резервуара, сопровождаемое шумом, и возрастание размеров факела пламени. Вскипание возникает гораздо раньше выброса, т. е. тогда, когда еще нет каких-либо определенных данных, дающих возможность точно предсказать момент наступления вскипания.

Основным признаком начала вскипания является увеличение размеров факела пламени. В некоторых случаях перед началом вскипания возникает сильный шипящий шум. Необходимо также иметь в виду, что вскипание может начаться при подаче на поверхность горящей жидкости воды или пены.