§ 5.4. Взрыв облака газовоздушной смеси на поверхности земли

Целый ряд тяжелых катастроф имел место при взрывах газовоздушных смесей в атмосфере.

При аварии, сопровождающейся разгерметизацией емкости, содер-жащей сжатый или сжиженный горючий газ, или разрыве газопровода об-разуется облако газовоздушной смеси. Характер взрыва облака ГВС зави-сит от ряда факторов: его размеров, распределения и концентрации горю-чей примеси по облаку, величины энергии инициирования. Возможны ре-жимы горения, взрывного горения, детонации, а также их комбинации. Воспламенение облака происходит при наличии источника зажигания. При этом возможен переход дефлаграционного дозвукового режима горения к детонационному сверхзвуковому. Детонационный режим может возник-нуть и непосредственно, например, от взрыва детонатора или электричес-кой искры, если размеры облака превышают некоторое критическое значе-ние. При оценке параметров взрыва облако взрыва приближенно принима-ют в форме полусферы.

Взрыв в режиме детонации. Наиболее тяжелые последствия наблюю-даются при детонации облака ГВС. Такой взрыв может иметь место при значениях радиуса облака R₀, концентрации горючей примеси _п, энергии зажигания, отвечающих условиям:

, (5.26)

где R_кр. – характерный размер облака, м;

Е_воспл. – энергия воспламенения, Дж;

НКП_д, ВКП_д– нижний и верхний концентрационные пределы горючей примеси, определяющие область детонации ГВС, кг/м³.

Значения R_кр., НКП_д, ВКП_д, Е_воспл. для некоторых горючих газов приве-дены в табл.30. В этой таблице приведены также данные о концентрации горючей примеси _*, кг/м³, при которой газовоздушная смесь наиболее чувствительна к детонации; значения нижнего НКП, кг/м³, и верхнего ВКП, кг/м³, концентрационных пределов примеси, определяющих область воспламенения ГВС [16].

Таблица 30

Концентрационные пределы воспламенения и детонации газовоздушных смесей и минимальные размеры облака, способного детонировать

Газ	Хим. ф – ла	НКП, кг/м3	ВКП, кг/м3	НКПд, кг/м3	ВКПд, кг/м3	*, кг/м3	Rкр., м	Евоспл., МДж
Ацетилен Бутан Водород Метан Пропан Пропилен Этан Этилен	С2Н2 С4Н10 Н2 СН4 С3Н8 С3Н6 С2Н6 С2Н4	0.021 0.045 0.0033 0.033 0.038 0.038 0.036 0.034	0.86 0.22 0.062 0.10 0.17 0.18 0.185 0.37	0.065 0.059 0.066 0.054	0.135 0.138 0.159 0.123	0.145 0.026 0.088 0.112 0.124 0.076 0.119	1.56 54.8 199 42.9 29.3 54.8 15.6	0.011 0.25 0.017 0.28 0.26 0.17 0.24 0.12

Согласно данным этой таблицы диапазон НКП – ВКП шире диапазона НКП_д - ВКП_д, что следует учитывать при оценке обстановки при авариях, сопровождающихся выбросом горючих газов в атмосферу. Режимы горе-ния газовоздушных смесей в диапазоне НКП – ВКП зависят от выполнения или невыполнения условий (5.26). Вероятность взрыва в режиме детона-ции повышается при наличии на местности различных предметов, зданий, деревьев, способствующих тубулизации процесса распространения пламени по облаку.

При детонации ГВС параметры детонационной волны, распространя-ющейся по облаку газовоздушной смеси, т.е. давление во фронте , ско-рость распространения фронта D, скорость и плотность продуктов детона-ции за фронтом , находятся по соотношениям (4.75), (4.76), где при-нимается:  – плотность смеси, кг/м³, Q_v – теплота взрыва смеси, Дж/кг,  – показатель адиабаты продуктов взрыва ГВС. При этом скорость распрост-ранения фронта детонационной волны может составлять 1800-2500 м/с, а давление во фронте достигает значений 1400-1800 кПа.

Следует отметить, что максимальные параметры взрыва имеют место при стехиометрическом составе смеси. Стехиометрической называется оп-тимальная по составу смесь, в которой количество всех компонентов пол-ностью соответствует уравнению реакции взрывчатого превращения. При избытке горючего вещества смесь называется богатой, при избытке окислителя – бедной.

При нормальных условиях (температура 0С, давление 1атм) взрывная реакция для газовоздушных смесей с горючим веществом вида C_аН_в опи-сывается уравнением (1.39)

Теплота взрыва горючего газа Q_v определяется согласно закону Г.Г.Гесса, как разность между суммой теплот образования продуктов взры-ва ( , ) и теплотой образования горючего вещества ( ). Теплота образования молекул простых веществ N₂, O₂ равна нулю.

Теплоту взрыва горючих веществ определяют также экспериментально с помощью калориметрических установок.

Значения теплоты образования некоторых горючих газов приводятся в табл.31. Значения теплоты образования СО₂ и Н₂О даны ранее в табл.4.

Таблица 31

Теплота образования горючих газов и жидкостей

Горючее вещество	Хим. формула	Агрегатное состояние	Тепл. образ. Q, ккал/моль
Ацетилен Бутан Метан Пропан Этан Этилен Бензол Метиловый спирт Этиловый спирт	С2Н2 С4Н10 СН4 С3Н8 С2Н6 С2Н4 С6Н6 CH3OH C2H5OH	Газ Газ Газ Газ Газ Газ Жидк. Жидк. Жидк.	-57.15 29.7 17.89 24.8 20.2 -12.56 -11.12 48.08 56.24

Стехиометрическая концентрация горючей примеси _п.стх, кг/м³, при нормальных условиях применительно к смеси вида (1.39) вычисляется по соотношению

, (5.27)

где m₁ – масса одного киломоля горючего вещества;

a, в – число атомов углерода и водорода в молекуле горючего вещества.

Плотность смеси стехиометрического состава _стх, кг/м³, при нормальных условиях находится по соотношению

, (5.28)

где m₁, m₂, m₃ – масса одного киломоля горючего вещества, кислорода и азота соответственно;

а, в – имеют то же значение, что и в формуле (5.27).

Если величины _п.стх, _стх необходимо привести к иным начальным условиям, пользуются зависимостями:

; (5.29)

где Т – заданная температура смеси, К; P – заданное давление, Па.

Теплота взрыва газовоздушной смеси Q_v.стх, Дж/кг, и теплота взрыва горючей примеси Q_v, Дж/кг, применительно к смеси вида (1.39), связаны соотношением

(5.30)

Значения _стх, _п.стх, Q_v.стх, Q_v для некоторых газовоздушных смесей приведены в табл.32.

Таблица 32