Определение концентрационных пределов воспламенения газовоздушной смеси. Методические указания к лабораторной работе

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Методические указания к лабораторной работе

Казань Издательство КНИТУ

2014

УДК 614.841.12

ББК 3896

Составители: доц. Ф.А. Галеев ст. преп. В.Н. Филатов

ст. преп. Р.З. Хайруллин

Определение концентрационных пределов воспламенения газовоздушной смеси: метод. указания к лабораторной работе / сост.: Ф.А. Галеев, В.Н. Филатов, Р.З. Хайруллин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Изд-во КНИТУ, 2014. – 16 с.

Даны указания к выполнению лабораторной работы. Рассмотрены теоретические основы и методика определения концентрационных пределов воспламенения газовоздушной смеси. Приведены справочные данные о концентрационных пределах воспламеняемости некоторых газов в смеси с воздухом и их низшей теплоте сгорания.

Предназначены для студентов всех направлений и форм обучения.

Подготовлены на кафедре промышленной безопасности.

Печатаются по решению методической комиссии факультета химических технологий

Рецензенты: проф. Э.Ш. Теляков

доц. С.Ю. Софьина

2

Лабораторная работа №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Цель работы

1. Изучить явление и особенности воспламенения газовоздушных взрывных смесей;

2.Ознакомиться с методикой экспериментального и расчетного определения концентрационных пределов воспламенения газовоздушных взрывных смесей;

3.Уметь оценивать влияние пределов воспламенения газовоздушных взрывных смесей на их взрывопожароопасность.

4.Научиться определять расчетным путем теоретическую температуру взрыва и давление взрыва.

Общая часть

Оценка взрывопожарной опасности веществ и материалов производится с целью получения исходных данных для классификации производств по степени пожарной опасности в соответствии с действующими нормами и правилами, а также для разработки эффективных мероприятий по предупреждению и тушению пожаров.

Правильная организация противопожарных мероприятий и тушения пожаров невозможна без понимания сущности химических и физических процессов, которые происходят при горении. Знание этих процессов дает возможность успешно бороться с огнем.

Горение – это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и обычно свечением.

Горение невозможно без наличия вещества, способного гореть, окислителя и источника зажигания. Окислителем в процессе горения может быть кислород, а также хлор, бром и другие вещества. В большинстве случаев при пожаре окисление горючих веществ происходит кислородом воздуха. Этот вид окислителя и принят в дальнейшем изложении. При этом необходимо, чтобы горючее вещество и кислород находились в определенных количественных соотношениях, а источник зажигания имел необходимый запас тепловой энергии.

3

Смесь горючего и окислителя можно зажечь лишь в определенном интервале (диапазоне) концентраций, за пределами которого невозможно стационарное, т.е. незатухающее, распространение пламени. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний ‒ максимальному количеству газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.

Существование пределов воспламеняемости обусловливается тепловыми потерями при горении вследствие теплопроводности в сторону свежей смеси и к стенкам сосуда.

Если содержание горючего газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку горючего газа в смеси недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит. Такая смесь является взрывоопасной.

Концентрационные пределы воспламенения являются важнейшей характеристикой взрывоопасности горючих газов Чем шире будет область воспламенения (взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, давления, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Пределы воспламенения в основном зависят от содержания инертных компонентов в смеси и в меньшей степени от давления и температуры.

С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.

При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние - снижаются.

При горении смеси, находящейся в узком канале, тепло от зоны

4

пламени отводится за счет теплопроводности в основном к стенкам канала. Интенсивность этих потерь тепла уменьшается с увеличением диаметра канала и в широких трубах (сосудах) становится достаточно малой. Установлено, что для большинства горючих смесей при атмосферном давлении влиянием тепловых потерь, вызванных теплопроводностью, к стенкам канала можно пренебречь для труб диаметром болee 50 мм.

При повышении начальной температуры область воспламенения расширяется по следующему правилу: при повышении температуры на каждые 100 °С нижний предел воспламенения снижается на 10 % от первоначальной величины, а верхний - возрастает на 15 %.

Повышение давления до 3-4 MПа (30-40 кгс/см2) практически не влияет на значение пределов воспламенения.

При понижении давления наблюдается большое изменение области воспламенения, а именно происходит ее сужение.

При определенном минимальном или критическом давлении Ркр достигается смыкание нижней и верхней границ области воспламенения. Ниже этого давления воспламенение смеси любого состава невозможно.

Заметное влияние на область воспламенения газовых смесей оказывает введение ряда веществ или замена одних компонентов смесей другими.

В атмосфере кислорода область воспламенения значительно расширяется. При этом нижний предел почти не изменяется, а верхний резко возрастает.

Имеет место следующая закономерность: с увеличением молекулярной массы горючего компонента гомологического ряда снижаются как верхний, так и нижний пределы воспламенения, причем область воспламенения сужается, из-за более быстрого снижения верхнего предела.

Разветвление молекулярной структуры горючего компонента приводит к сужению области воспламенения. Например, при прочих равных условиях пропанол и изопропанол имеют нижние пределы − 3,02 и 2,25 об. %, верхние пределы − 13,55 и 11,65 об. %.

5

В таблице 1 приведены концентрационные пределы воспламенения некоторых веществ.

Таблица 1 - Концентрационные пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20 °C и p = 101,3 кПа)

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:

4,76 (n 1) 1

Верхний предел взрыва (ВПВ) рассчитывается по формуле:

(4,76 N) 4

где N-количество атомов кислорода, необходимое для полного сгорания одной молекулы горючего компонента смеси.

Часто при решении вопросов безопасности вентиляционных установок, сушилок, мешалок и других аппаратов требуется определить

6

пределы взрыва смеси, состоящей из нескольких горючих компонентов. Для нахождения нижнего и верхнего предела взрыва таких смесей используются следующие формулы:

где k1, k2,…, kn концентрации горючих компонентов, об. %; Н1, Н2, … Нn нижние пределы взрыва входящих в смесь

компонентов, об. %;

В1, В2, … Вn – верхние пределы взрыва, входящих в смесь компонентов, об. %.

При этом

k1+ k2 +…+kn = 100 %. (5)

Температура горения вещества определяется как теоретическая, так и действительная.

Теоретическая температура горения Тт-максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях, определяемая с учетом эндотермических (требующих теплоты) реакций диссоциации диоксида углерода и водяного пара. При этом начальная температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха принимаются по их действительным значениям.

При температуре до 1600°С диссоциация может не учитываться. При более высокой температуре диссоциация может существенно снижать температуру в рабочем пространстве.

Действительная температура горения на 30-50 % ниже теоретической, так как значительная часть тепла, выделяющегося при горении, рассеивается в окружающую среду.

Скорость большинства химических реакций с повышением температуры увеличивается. Высокая температура горения способствует распространению пожара, при ней большое количество тепла излучается в окружающую среду, и идет интенсивная подготовка горючих веществ к горению. Тушение пожара при высокой температуре горения затрудняется.

7

Расчет температуры горения при взрыве

Взрыв протекает в течение сотых и десятых долей секунды. Потери тепла при такой продолжительности процесса очень незначительны. Практически считают, что 90% тепла, выделившегося при взрыве, идет на нагрев продуктов горения и что действительная температура продуктов горения при взрыве смеси стехиометрической концентрации Тд близка к теоретической:

Тд = 0,9Тт, (6)

где Тт - теоретическая температура продуктов горения, К. Разность между теоретической и действительной температурой взрыва значительно меньше, чем соответствующая разность между температурами горения. Это связано с тем, что при взрыве процесс протекает при условиях, близких к адиабатическим:

здесь Qвзр, кДж/м3, теплота сгорания (взрыва) вещества;

cvi, кДж/(м3·К) – объемная теплоемкость компонентов при постоянном объеме, входящих в продукты взрыва (при определении объемной теплоемкости необходимо указывать к каким значениям температуры и давления она относится).

ri, м3/м3 – объемные доли компонентов, входящих в продукты взрыва. Объемной долей компонента смеси ri называется величина,

равная отношению парциального объема компонента к объему смеси:

Уравнение объёмного состава смеси имеет следующий вид: V=V1+V2+…+Vn (9)

и сумма объемных долей:

При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением. В результате этой реакции образуются в основном оксиды элементов, входящих в состав горючего вещества. Согласно закону сохранения массы количество атомов каждого элемента в левой и правой части химического уравнения должно быть

8

одинаковым. Для того чтобы уравнять обе части уравнения, рекомендуется сначала расставить стехиометрические коэффициенты перед оксидами в правой части для того, чтобы уравнять число атомов элементов горючего вещества (С, Н, S, N). Затем, подсчитав количество атомов кислорода в правой части уравнения, поставить коэффициент перед кислородом в левой части уравнения. При этом необходимо учесть кислород, который может входить в состав молекулы горючего вещества. С учетом вышесказанного запишем для примера уравнение реакции горения аммиака:

NН3+0,75О2=0,5N2+1,5Н2О. (11)

Необходимо помнить, что уравнения химических реакций горения являются брутто-уравнениями, которые показывают только начальное и конечное состояние системы, т.е. какие исходные вещества вступают в реакцию и какие продукты при этом образуются. Они не отражают механизма химического взаимодействия при горении, который достаточно сложен и протекает через ряд промежуточных стадий с участием атомов и радикалов.

Уравнение материального баланса процесса горения отличается от уравнения химической реакции тем, что в него для удобства расчетов включают азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в химическом превращении. Поскольку воздух состоит из 21 об. % кислорода и 79 об. % азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21=3,76 молей азота, в уравнении материального баланса перед азотом ставят коэффициент 3,76.

Например, уравнение материального баланса для горения

зависимость теплоемкости газов от температуры. При проведении приближенных расчетов можно принимать, что теплоемкость рабочего тела постоянна и не зависит от температуры. В этом случае значения

9

объемных теплоемкостей при постоянном объеме можно принять для одно-, двух- и многоатомных газов соответственно равными 0,57; 0,94; 1,32 кДж/(м3∙K) .

Основной характеристикой топлива является теплота сгорания, которая зависит от химического состава топлива и условий его сжигания.

Теплотой сгорания Q называется количество теплоты, выделяемого при полном сгорании 1м3 (1 кг, 1 кмоль) газа при нормальных физических условиях (P = 101 325 Па, t =25 °C).

Если горючее имеет в своем составе водород, то при его сгорании образуется вода в газообразном состоянии, которая, охлаждаясь, будет конденсироваться. Так как в процессе конденсации паров тепло выделяется, то общее количество теплоты, полученное при сгорании вещества, будет больше количества теплоты, полученного при отсутствии конденсации, на эту величину. Известно, что количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров, равно количеству теплоты, затраченному на парообразование. Тогда:

Qв = Qн + r, (14)

где Qв-высшая теплота сгорания вещества; Qн-низшая теплота сгорания вещества; r-удельная теплота парообразования воды.

Разница между высшей и низшей теплотой сгорания нефтепродуктов составляет 5-10%. Обычно для теплотехнических расчётов и сравнительной оценки топлив пользуются величиной Qн, так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии. Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводятся в справочной литературе (табл. 2).

Таблица 2 - Низшая теплота сгорания некоторых газов

10