4.2.4. Практичне значення концентраційних меж поширення полум'я
Концентраційні межі є найважливішим показником пожежної небезпеки речовин і в своїй практичній діяльності Ви будете часто і широко використовувати цей параметр. КМПП застосовуються у наступних випадках:
1 Для порівняльної оцінки пожежної небезпеки декількох речовин. Наприклад, концентраційні межі бутану С4Н10 - 1,8 9%; бутену С4Н8 - 1,6 10%; вінілацетилену С4Н4 - 1,8 53,2%.
Найбільш пожежонебезпечним є вінілацетилен, оскільки він в більш широкому діапазоні утворює вибухонебезпечні концентрації.
2. Для оцінки пожежної небезпеки фактичної концентрації парогазових систем. Наприклад, для того щоб визначити міру пожежної небезпеки пароповітряної суміші бензолу з концентрацією 4%, необхідно порівняти дану фактичну концентрацію з КМПП. У бензолу КМПП становлять 1,4-7,1%, отже фактична концентрація пари є вибухонебезпечною.
3. Для визначення вибухобезпечних концентрацій парів і газів всередині технологічного обладнання (нижче φонб і вище φовб).
4. При розробці заходів щодо забезпечення пожежної небезпеки вентиляційних систем, для розрахунку гранично допустимих вибухобезпечних концентрацій газів (φобез<φонб).
Висновок: Питання виробничої безпеки можуть бути вирішені тільки на основі знань КМПП. Величини КМПП не є постійними для даної речовини і залежать від фізичних характеристик середовища, виду реагентів, концентрації інертних добавок і інших чинників. Для безпечної експлуатації технологічного обладнання, що містить парогазові системи, необхідно знати безпечні КМПП.
ЛЕКЦІЯ 5. САМОСПАЛАХУВАННЯ Й САМОЗАЙМАННЯ. ТЕПЛОВИЙ І ЛАНЦЮГОВИЙ ВИБУХИ.
Питання для розгляду на лекції:
5.1 Види виникнення горіння.
5.2 Теплова теорія само спалахування.
5.3 Температура самоспалахування речовин.
5.4 Фактори, що впливають на температуру само спалахування.
5.5 Визначення температури само спалахування та її практичне значення.
5.6 Класифікація процесів самозаймання. Відмінні особливості самозаймання.
5.7 Умови, які необхідні для виникнення самозаймання.
5.8 Різни види самозаймання.
5.1 Види виникнення горіння
Ми вже говорили, що основою процесу горіння є хімічне перетворення речовин, яке відбувається з великою швидкістю і супроводжується швидким виділенням енергії і, отже, розігрівом системи, що реагує. Тому виникнення горіння - це швидкий перехід від повільної реакції до миттєвого перетворення, що завжди є підсумком самоприскорення реакції, що прогресує. Таке перетворення називають “вибухоподібним” і звичайно воно супроводжується яким-небудь несподіваним перетворенням в системі – спалахом, стрибкоподібним підвищенням тиску чи температури, звуковим ефектом.
В чому ж відмінність вибухової реакції від повільної, стаціонарної реакції? При стаціонарній реакції концентрація реагентів системи в ході реакції поступово зменшується, а, отже, зменшується і швидкість таких реакції. При збільшенні температури швидкість реакції поступово підвищується, але загальна закономірність зберігається (рис. 1а).
Особливості вибухових реакцій були відзначені ще в середині минулого сторіччя Бунзеном і Вант-Гоффом.
Основна особливість явищ горіння полягає в тому, що умови, необхідні для швидкого протікання реакції, створені нею самою. Ці умови полягають або у високій температурі, або у високій концентрації активних продуктів, що прискорюють (каталізують) реакцію (носії реакційних ланцюгів: вільні атоми, радикали, органічні перекису). Якщо сама реакція створює умови для свого власного швидкого протікання, то виникає, так званий, зворотний зв'язок. При малій зміні зовнішніх умов можливий перехід від стаціонарного режиму з малою швидкістю реакції до режиму, коли швидкість її зростає згодом згідно експонентному закону. Такий процес, що самостійно прискорюється, і називається горінням. Явища різкої зміни режиму протікання процесу при малій зміні зовнішніх умов називаються критичними, а умови, при яких відбувається цей перехід, носять назву критичних умов.
Таким чином, виникнення горіння пов'язане з накопиченням в системі тепла або каталізуючих активних продуктів реакції (активних центрів). У першому випадку кажуть про тепловий механізм виникнення горіння, а у другому – про ланцюговий.
Поширення горіння при тепловому механізмі відбувається за рахунок передачі тепла, при ланцюговому механізмі – за рахунок дифузії активних центрів.
В залежності від температури швидкість вибухових реакцій міняється дуже різко. Так при відносно низьких температурах швидкість реакції залишається невимірно малою аж до деякого критичного значення температури. Після перевищення температури над критичним значенням система реагує дуже швидко, швидкість реакції змінюється стрибкоподібно (рис. 1б). Наприклад, якщо реакція, яка має енергію активації близько 120 КДж/моль, протікає за мікросекунду при температурі горіння (2000К), то при температурі 300К ця реакція буде проходити протягом 100 000 років.
Вибухове протікання реакції стає можливим тільки за наявності певного теплового імпульсу (термічних умов), який створюється або зовнішніми джерелами (іскровим розрядом, гарячими стінками судини, адіабатичним стисненням та ін.), або за рахунок внутрішніх екзотермічних процесів.
В залежності від початкових умов, в яких знаходиться горюча система, та природи теплового імпульсу розрізняють три види виникнення горіння: самоспалахування, самозаймання, вимушене запалення джерелом запалювання.
Перший спосіб виникнення горіння, самоспалахування, полягає в тому, що горюча суміш вся цілком нагрівається до такої температури, вище за яку вона самостійно, без додаткового зовнішнього впливу, займається.
При другому способі, самозайманні, в системі відбувається накопичення тепла внаслідок протікання різноманітних внутрішніх екзотермічних фізико-хімічних або біологічних процесів, яке теж закінчується виникненням горіння.
Третій спосіб, вимушене запалення, полягає в тому, що холодна суміш запалюється тільки в одній будь-якій точці шляхом дії високотемпературного джерела (іскри, розжареного тіло, стороннього полум’я), а подальше запалення всієї системи відбувається з певною просторовою швидкістю поширення зони горіння.
Розглянемо які ж основні процеси відбуваються в горючій системі при виникненні горіння. Візьмемо найпростіший випадок, коли горюча речовина знаходиться в газоподібному стані, а суміш з окислювачем вже утворена. Така система є гомогенною.
Якщо в результаті будь-яких процесів в системі дещо підвищується температура, то відбувається збільшення швидкості руху молекул, збільшується кількість співударів, що веде до активізації компонентів горючої суміші. Молекули починають реагувати між собою з утворенням кінцевих і проміжних продуктів реакції, однак кількість активних молекул незначна, а швидкість реакції окислення невелика, тому горіння ще не виникає.
При більш високих температурах швидкість реакції збільшується (закон Арреніуса wхім.р.=kо×exp(-Eакт/RT)). Реакції окислення є екзотермічними, тобто ідуть з виділенням тепла,
отже, в системі відбудеться додатковий розігрів і зростання температури. При наявності різниці температур виникає процес віддачі тепла від системи в навколишнє середовище за рахунок конвекційної теплопередачі.
Існує таке значення температури, при якій кількість тепла, що виділяється в процесі окислення, стає більшою ніж кількість тепла, що віддається від системи. При цьому виникає саморозігрів системи. Самонагрівання або саморозігрів - це явище підвищення температури за рахунок протікання внутрішніх екзотермічних реакцій за наявності сприятливих умов для накопичення тепла, а температура самонагрівання - це найменша температура горючої системи, при якій виникає саморозігрів.
Графічно зміну температури в часі зображаються кривими, наведеними на рис. 5.1.
Рис.5.1
Якщо негорючий матеріал нагрівати до постійної температури t1, то температура матеріалу після деякого проміжку часу стане рівною t1. Період запізнення залежить від маси, теплоємності, теплопровідності та початкової температури матеріалу tо. При відносно низькій температурі подібна поведінка характерна і для горючих систем (крива 1).
При більш високій температурі t2 в системі можуть виникнути процеси розкладу горючої речовини і окислення з виділенням тепла. Цю температуру приймають за температуру самонагрівання. Якщо в системі існують сприятливі умови, то процес самонагрівання може призвести спочатку до досягнення критичної температури tсс і в подальшому до появи горіння при tг (крива 2).
Однак підвищення температури системи може припинитися і навіть температура може почати зменшуватися, якщо тепловиділення недостатньо і швидкість розсіювання тепла почне перевищувати швидкість його виділення. В таких умовах реакції окислення, що почалися в системі, можуть завершитися лише процесом самонагрівання (крива 3) без переходу до процесу горіння (самоспалахування або самозаймання).
Рис. 5.2
Різке збільшення температури навколишнього середовища у порівнянні з температурою початку самонагрівання сприяє більш інтенсивному зростанню температури горючої системи (крива 4). При збільшенні різниці температур системи і навколишнього середовища зростають втрати тепла, яке виділяється при реакції. Температура системи може підвищуватися доки швидкість тепловиділення превалює над швидкістю тепловіддачі. Коли температура системи досягне tз відбудеться її запалення. Для цього необхідний вплив джерела запалювання, яке має достатню потужність (наприклад високу температуру).
Період часу з початку перевищення температури горючої системи над температурою навколишнього середовища і до моменту досягнення точки виникнення горіння називається періодом індукції або часом індукції.
За період індукції в горючій системі протікають підготовчі процеси за рахунок тепла, що підводиться та виділяється в системі. Якщо горюча речовина знаходиться в конденсованому стані (тверде або рідке), то за цей період часу відбуваються:
- нагрів горючої системи;
- окислення газоподібних продуктів з виділенням тепла;
- самонагрівання горючої системи;
- виникнення горіння.
Характеристики різних видів виникнення горіння в значному ступені різноманітні, але загальним для всіх цих процесів є:
· температура системи перевищує критичне значення;
· тепловиділення в горючій системі за рахунок хімічної реакції окислення перевищує тепловіддачу від системи в навколишній простір;
· перехід від повільної реакції окислення до миттєвого перетворення (горіння) відбувається за період індукції.
Це загальні принципи виникнення горіння.
Сьогодні і на наступних лекціях ми розглянемо більш детально кожний вид виникнення горіння.