СУРС

1. Основы пожаровзрывобезопастности а) Общие сведения о горении

Горение – это интенсивные химические окислитель­ные реакции, которые сопровождаются выделением теп­лоты и свечением. Горение может возникнуть только при одновременном наличии условий: присутствия горючего вещества, окислителя и источника (импульса) воспламенения.

Горючие вещества — любые органические вещества и материалы, большинство металлов в свободном виде, многие минералы, сера, оксид углерода, водород, фосфор и т.д.

В качестве окислителя может быть не только кислород, но и многие химические соединения - бертолетова соль, перхлораты, нитросоединения, пероксид натрия, азотная кислота, хлор, озон и др. Импульсами воспламенения могут быть открытые, или светящиеся источники - пламя, раскаленные поверх­ности лучистая энергия, искры, а также скрытые (несветящиеся) - трение, удар, адиабатическое сжатие, экзотермическая реакция и т.д.

В некоторых случаях при горении конденсированных систем (твердых, жидких веществ или их смесей) пламя может и не возникать, т.е, происходит беспламенное горение или тление.

Для того чтобы прервать горение, необходимо нарушить условия его возникновения и поддержания. Обычно для тушения используют нарушение двух основных условий устойчивого состояния горения - понижение температуры и режим движения газов.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают гомогенное горение, гетерогенное горение и горение взрывчатых веществ.

При гомогенном горении исходные вещества и продук­ты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. Это:

• горение газовых смесей

• горение негазифицирующихся конденсированных веществ

• изотермическое горение - распространение цепной разветвленной реакции в газовой смеси без значительного разогрева.

При гетерогенном горении исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. К основным технологическим процессам гетерогенного горения относятся горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в топках, двигателях внутреннего сгорания и т.д.

Горение взрывчатых веществ сопровождается переходом вещества из конденсированного в газовое состояние. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-химический процесс, при котором в результате химической реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие в зоне горения на некотором расстоянии от поверхности.

Движение пламени по газовой смеси называется рас­пространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть диффузи­онным (несколько метров в секунду), дефлаграционным или взрывным (десятки и сотни метров в секунду) и детонационным (тысячи метров в секунду).

При горении химически неоднородных горючих сис­тем, т.е систем, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела (твердые материалы и жидкости; струи паров и газов, поступающих в воздух), время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции. В этом случае процесс протекает в диффузионной области. Такое горение называют диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время физической стадии перемешивания горючих веществ с окислителем несоизмеримо меньше времени протекания самой химической реакции, то такой процесс горения называют кинетическим, и он может протекать в виде взрыва.

Если продолжительность химической реакции соизмерима с временем физической стадии, то горение протекает в промежуточной области. Пространство, в котором сгорают пары и газы, называют пламенем или факелом.

Для дефлаграционного горения характерна передача, теплоты от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой с активными радикалами и продуктами реакция смеси, перемещается в направлении исходной горючей смеси. Это объясняется тем, что пламя выделяет непрерывный поток теплоты и химически активных частиц, в результате чего фронт пламени перемещается в сторону горючей смеси.

Скорость горения горючих веществ в смеси с воздухом для предельных углеводородов составляет 0,32-0,4 м/с, водорода - 2,7 м/с. При таких скоростях распространения пламени образование ударной волны перед фронтом пламени не происходит.

При достижении скоростей распространения пламени, составляющих десятки и сотни метров в секунду, во не превышающих скорость распространения звука в данной среде (300-320 м/с), происходит взрывное горение.

Взрыв по ГОСТ 12.1,010 - быстрое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных произ­водить работу.

При взрывном горении продукты горения могут нагре­ваться до 1500-3000 °С, а давление в закрытых системах увеличиваться до 0,6-0,9 МПа.

В условиях промышленного производства под взрывом следует понимать быстрое неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некоторое расстоянии от источника. Источниками энергии при взрыве могут быть как химические, так и физические процессы. В реальных промышленных условиях ежегодно происходят локальные взрывы («хлопки») парогазовых выбросов из технологических систем, сопровождающиеся сильным звуковым эффектом. При этом создается избыточное давление, которое в определенных условиях может оказывать разрушающее действие.

К наибольшему разрушающему эффекту приводят ло­кальные взрывы веществ, характеризующиеся высокими скоростями распространения пламени при сравнительно небольшой массе горючего вещества. Взрыв может быть вызван детонацией конденсированного взрывчатого вещества, быстрым сгоранием воспламеняющегося облака га­за, внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или перегретой жидкостью, смешиванием перегретых твер­дых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д. Источником химического взрыва являются быстропротекающие экзотермические реакции взаимодействия горю­чих веществ с окислителями или термического разложе­ния нестабильных соединений.

Взрыв, как правило, сопровождается возникновением ударной волны, т. е интенсивным ростом давления в окружающей среде

Ударная волна обладает разрушительной способ­ностью, если избыточное давление в ней превышает 15 кПа. Она распространяется в газовой среде перед фронтом пла­мени со скоростью звука - 330 м/с. Разрушающее давле­ние порядка 30 кПа достигается при скорости распростра­нения пламени 150-200 м/с.

При определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость звука и достигает 1-5 км/с.

Детонация - это процесс химического превращения системы окислитель - восстановитель, представляющий собой совокупность ударной волны, распространяющейся с постоянной скоростью и превышающей скорость звука, и следующей за фронтом зоны химических превращений исходных веществ. Химическая энергия, выделяющаяся в детонационной волне, подпитывает ударную волну, не давая ей затухать.

При детонационном режиме горения парогазовоздушной смеси большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну; при взрывном горении переход энергии в ударную волну составляет около 30%.

В результате взаимодействия горючего вещества с окислителем образуются продукты сгорания, состав которых зависит от исходных веществ и условий реакции горения.

При полном сгорании органических, соединений образуются, как правило, углекислый газ, диоксид серы, вода, азот, а при сгорании неорганических соединений - оксиды.

б) Основные показатели пожаровзрывоопасностных веществ и материалов.

Пожаровзрывоопасность веществ и материалов - со­вокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения. Следствие горения, в зависимости от его скорости и условий протекания, может быть пожар (диффузионное горение), или взрыв (дефлаграциониое горение предварительно перемешанной смеси горючего с окислителем),

Пожаровзрывоопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества (материала) и условий его применения.

При определении пожаровзрывоопасности веществ и материалов различают:

• газы - вещества, давление насыщенных паров кото­рых при температуре 25 °С и давлении 101,3 кПа превы­шает 101,3 кПа;

• жидкости - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25 °С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления и каплепадения которых меньше 50 °С;

• твердые вещества и материалы - индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плав­ления или калепадения больше 60 °С, а также вещества, не имеющие температуры плавления (например, древеси­на, ткани и т.п);

• пыли - диспергированные твердые вещества и мате­риалы с размером частиц менее 850 мкм.

Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов выбираются в зависимости от агрегатного состояния.

Группа горючести является классификационной ха­рактеристикой способности веществ и материалов к горе­нию.

По горючести вещества и материалы подразделяются на три группы:

• негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению в воздухе. Они могут быть пожаро-взрывоопасными, например, окислители или вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с во­дой, кислородом воздуха или друг с другом:

• трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и ма­териалы, способные гореть в воздухе при воздействии ис­точника зажигания, но не способные самостоятельно го­реть после его удаления;

• горючие (сгораемые) - вещества и материалы, спо­собные самовозгораться, а также возгораться при воздей­ствии источника зажигания и самостоятельно гореть пос­ле его удаления.

Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся, которые способны воспламе­няться от кратковременного (до 30 с) воздействия источ­ника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.).

Группы горючести используются для оценки веществ и материалов, определения категории помещений по взрывопожариой и пожарной опасности, при разработке ме­роприятий по пожарной безопасности и др.

Максимальная скорость процесса горения достигается при стехиометрической концентрации, т.е. при концентрации, которая точно соответствует количественному содержанию веществ, соединяемых друг с другом при реакции горения. рации, которая точно соответствует количественному содержанию веществ, соединяемых друг с другом при реакции горения.

Концентрационные пределы, распространения пла­мени нижние или верхние - это минимальное или макси­мальное содержание горючего вещества в однородной сме­си с окислительной средой, при котором возможно распро­странение пламени смеси на любое расстояние от источ­ника зажигания.

Концентрационные пределы могут быть выражены че­рез температуру (при атмосферном давлении). Значения температуры жидкости, при которых концентрация насы­щенных паров в воздухе над жидкостью равна концентра­ционным пределам распространения пламени, называют­ся температурными пределами распространения пла­мени (воспламенения) (нижним и верхним соответствен­но - НТПРП и ВТПРП).

Для газов и паров жидкости НТПРП и ВТПРП опреде­ляются в процентах для пыли и волокон - в граммах на кубический метр.

Интервал между нижним и верхним концентрационными пределами называется областью воспламенения.

Температурой вспышки называется наименьшая температура конденси­рованного вещества, при которой в условиях специильных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.

Температура вспышки соответствует нижнему температурному пределу воспламенения.

Температуру вспышки используют для оценки воспла­меняемости жидкости, а также при разработке мероприятий для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности веде­ния технологических процессов.

В зависимости от численного значения температуры вспышки жидкости подразделяются на легковоспламеня­ющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ).

К легковоспламеняющимся относятся жидкости с тем­пературой вспышки не более 61 °С в закрытом тигле или 66 °С в открытом тигле. Для ЛВЖ температура воспламенения обычно на 1-5 °С выше температуры вспышки, а для горючих жидкостей эта разница может достигать 30-35 °С.

В соответствии с ГОСТ 12.1.017, в зависимости от температуры вспышки ЛВЖ подразделяются ни три разряда.

Особо опасные ЛВЖ - с температурой вспышки от -18 °С и ниже в закрытом тигле или от -13 °С и ниже в открытом тигле. К особо опасным ЛВЖ относятся ацетон, диэтиловый спирт, изопентан и др.

Постоянно опасные ЛВЖ - это горючие жидкости с температурой вспышки от -18 °С до +23 °С а закрытом тигле или от —13 °С до +27 °С в открытом тигле. К ним от­носятся бензил, толуол, этиловый спирт, этилацетат и др.

Опасные при повышенной температуре ЛВЖ - это го­рючие жидкости с температурой вспышки от 23 до 61 °С в закрытом тигле. К ним относятся хлорбензол, скипидар и др.

Температура вспышки жидкостей принадлежащих к одному классу (жидкие углеводороды, спирты и др.), закономерно изменяется в гомологическом, ряду, повыша­ясь с увеличением молекулярной массы, температуры кипения и плотности.

Температуру вспышки определяют эксперименталь­ным и расчетным путями. Для экспериментального определения температуры вспышки заданную массу жидкости (вещества) нагревают с определенной скоростью, периодически зажигая выделяющиеся пары и визуально оценивая результаты зажигания.

Ориентировочно расчет температуры вспышки () производится по правилу Орманда и Гровена:

где - температура кипения, К; т - коэффициент, равный 0,736.

Температурой воспламенения называется наименьшее значение температуры жидкости, при котором интенсив­ность испарения ее такова, что после зажигания внешним источником возникает самостоятельное пламенное горение.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специаль­ных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотерических реакций, заканчивающихся горением.

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (окислителя) — такая его концентрация в горючей смеси, ниже которой воспламенение и горение смеси становятся невозможными при любой концентрации горючего в сме­си, разбавленной данным флегматизатором.

Склонность к взрыву и детонации - чувствитель­ность к механическому воздействию (удару или трению).

Взрывоопасной средой являются: смеси веществ (газов, паров, пылей) с воздухом и другими окислителями (кислород, озон, хлор, окисды азота и др.), способные к взрывчатому превращению, а также индивидуальные ве­щества склонные к взрывному разложению.

Основными параметрами, характеризующими опас­ность взрыва, являются:

• максимальное давление взрыва — наибольшее дав­ление, возникающее при дефлаграционном взрыва газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа;

• скорость нарастания давления при взрыве — это производная давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва газо- паро- пыле-воздушной смеси в замкнутом сосуде от времени.

Минимальная энергия зажигания (W) - наименьшее значение энергии электрического разряда, способного воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли с воздухом. Для ориентировочного расчета минимальной энергии зажигания паров и газов в воздухе , МДж, применяется формула:

,

где - критический зазор, величину которого можно получить расчетным путем или на основе справочных данных, мм.

Для оценки взрывоопасное газо- и паровоздушных смесей используют понятие критического зазора (диаметра).

С критическим диаметром (зазором) связано также определение категории взрывоопасной смеси которая ха­рактеризует способность газопаровоздушной смеси передавать взрыв через узкие щели и фланцевые зазоры.

В соответствии с ГОСТ 12.1.011 взрывоопасные смеси газов и паров подразделяются на категории взрывоопасности в зависимости от величины безопасного эксперимен­тального максимального зазора (БЭМЗ) и значения соотношения минимального тока воспламенения испытуемого газа или пара к минимальному току воспламенения метана (МТБ).

БЭМЗ — это экспериментальный максимальный зазор, через который не происходит передача взрыва на оболочки в окружающую среду при любой концентрации горючего в воздухе.