Концентрационные пределы воспламенения

 

Та наименьшая концентрация горючих паров газов или пылей в смеси с воздухом, при которой смесь уже может воспламениться от источника зажигания и пламя распространяется па весь объем горючей смеси, на-
зывается нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ).

Смесь воздуха с горючим или паром на нижнем концентрационном пределе воспламенения содержит избыток воздуха. Так, для смеси воздуха с метаном коэффициент избытка воздуха равен 2, с оксидам углерода 2,6,
а с сероуглеродом 6,9 и т. д.

Фактически наибольшее давление при взрыве наблюдается у смесей
с концентрацией горючего несколько выше стехиометрической, так как скорость горения этой смеси выше скорости горения смеси со стехиометрической концентрацией компонентов.

Недостаток воздуха в смесях, богатых горючим, ведет к тому, что смесь может терять способность воспламеняться. Для различных смесей концентрация горючего, при которой смесь уже не способна воспламеняться, не одинакова. Например, для смеси оксида углерода с воздухом наивысшей концентрацией СО, при которой еще возможно воспламенение, является 74%. Выше этой концентрации никакие смеси оксида углерода с воздухом воспламеняться не могут, хотя в них присутствует некоторое количество воздуха.

Та наибольшая концентрация горючих паров, газов или пылей в смеси с воздухом, при которой смесь еще способна воспламеняться от источника зажигания с распространением пламени на весь ее объем, называется
верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). ВКПВ характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха. При воспламенении такой газо-воздушной смеси часть тепла химической реакции расходуется на нагрев не участвующего в реакции горючего, поэтому продукты горения нагреваются не до максимальной температуры; давление при взрыве составляет 0,3—0,4 МПа.

Интервал концентраций газов или пара в воздухе между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения называется областью воспламенения. Область воспламенения газов (паров) в воздухе определяется при атмосферном давлении (О,1 МПа) и характеризуется тем, что внутри нее все смеси горючего с воздухом способны воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси. Область воспламенения различных газо- и паровоздушных смесей не одинакова. Наибольшую область воспламенения имеют оксид этилена, водород, ацетилен и др.; наименьшую — бензин, керосин, пропан, бутан и др. Чем ниже нижний концентрационный предел воспламенения и больше область воспламенения газов, тем большую пожарную опасность они
представляют.

Концентрация горючих паров и газов в смеси с воздухом, превышающая верхний концентрационный предел воспламенения называется пожароопасной.

Знание областей безопасных и пожароопасных концентраций дает возможность в процессе применения и хранения газов и горючих жидкостей поддерживать такой режим, при котором концентрации горючего выше
верхнего или ниже нижнего концентрационных пределов воспламенения. Это достигается созданием соответствующих давлений и температур в аппаратах, хранилищах и различных емкостях. Концентрационные пределы воспламенения используют в расчетах допустимых концентраций газов внутри взрывоопасного технологического оборудования, систем рекуперации, вентиляции и других систем, а также при расчете предельно допустимой взрывоопасной концентрации горючего газа, при работе с огнем, при классификации производств, связанных с синтезом, применением или хранением горючих газов, но степени пожарной опасности.

Мощность источника зажигания. Наиболее распространенными источниками зажигания являются электрическая искра и электрическая дуга. Механизм воспламенения горючей смеси электрической искрой или дугой сложен, поскольку при возникновении искры происходит очень интенсивное местное возбуждение молекул газа и их ионизация. Это в сильной степени интенсифицирует протекание химических процессов и изменяет критические условия зажигания. Возникновение искры вызывает повышение температуры газа, поэтому искру можно представить как своеобразное накаленное тело.

Для каждой горючей смеси существует некоторая предельная минимальная мощность искры, начиная с которой смесь воспламеняется — возникает фронт горения. Эта минимальная мощность является функцией состава смеси и зависит от давления и температуры. Знание минимальной мощности электрических искр, необходимой для воспламенения различных газовых смесей, имеет большое практическое значение. Это дает возможность оценить чувствительность горючей смеси к воспламенению, установить допустимое значение энергии электрического разряда во взрывоопасной среде, классифицировать горючие смеси по воспламеняемости их электрическими разрядами и разработать меры безопасности проведения процесса.

Допустимая энергия искрового разряда в производственных условиях для газо-паро-воздушных горючих смесей не должна превышать 0,4 минимальной энергии зажигания. Выше этого предела изменение мощности искры не изменяет границ зажигания. Такие искры называют насыщенными. Использование насыщенных искр в приборах для определения концентрационных и температурных пределов воспламенения, а также температуры вспышки дает результаты, не отличающиеся от результатов определения пределов воспламенения с использованием накаленных тел и пламен.

Турбулентность. В условиях производства в аппаратах и емкостях газо-воздушные смеси могут находиться не только в статическом, но и в турбулентном состоянии. С увеличением турбулентности, характеризующейся скоростью движения газового потока Vт, создаваемого в емкости, при постоянной энергии источника зажигания концентрационные пределы воспламенения сужаются. Качественно эти данные согласуются с результатами наблюдений для турбулентного потока газо-воздушной смеси — повышенной мощности источника зажигания по мере увеличения скорости потока. Это объясняется тем, что турбулентное перемешивание газа затрудняет искровое воспламенение, так как теплоотдача в свежий газ определяется теплопроводностью пограничного слоя, окружающего очаг зажигания. Увеличение теплоотвода через пограничный слой приводит к сужению пределов воспламенения и замедлению формирования пламени в турбулизованном газе.

Примеси негорючих паров и газов. Введение в смесь горючего газа с воздухом различных негорючих паров и газов, так называемых присадок (азота, аргона, гелия, паров воды и др.) не одинаково изменяет свойства смеси. Влияние азота впервые было исследовано на метано-воздушной смеси, в которой кислород замещали азотом. Было установлено сильное смещение верхнего концентрационного предела воспламенения влево. Характер влияния всех примесей, кроме диоксида углерода, одинаков — малое повышение нижнего концентрационного предела и большое смещение верхнего концентрационного предела воспламенения. Нижний предел воспламенения незначительно изменяется по мере уменьшения концентрации кислорода при введении негорючих примесей, так как в смеси имеется избыток кислорода воздуха. Верхний концентрационный предел значительно уменьшается, поскольку смесь содержит мало кислорода.

Для подавления воспламенения, т. е. для полной флегматизации смеси, необходимы значительные количества присадок.

Малое влияние примесей на нижний концентрационный предел объясняется тем, что концентрация горючего компонента в смеси мала. Смесь сильно разбавлена воздухом, кислород которого играет по существу роль инертной присадки. Поэтому добавление к смеси дополнительных количеств инертной примеси не приводит практически к изменению содержания горючего. На верхнем же концентрационном пределе именно содержание кислорода определяет свойства горючей смеси, а концентрация его мала. Поэтому добавление инертных газов оказывает такое сильное влияние.

Влияние инертных газов на концентрационные пределы зависит от тепловых характеристик этих газов — их теплоемкости и теплопроводности. Чем больше теплоемкость газа при одной и той же теплопроводности, тем выше эффективность его действия, т. е. при меньшей его концентрации прекращается воспламенение.

Особую практическую ценность представляют так называемые активные примеси — галогенированные углеводороды (бромистый и йодистый этил, бромметилен, дибромтетрафторэтан, бромистый метилен и др.). Некоторые примеси могут полностью «подавить» воспламенение уже при добавлении около одного процента вещества от общей массы смеси.

Температура смеси. Начальная температура горючей смеси влияет на пределы воспламенения. С повышением температуры увеличивается скорость химической реакции, и область воспламенения расширяется. Наиболее сильное влияние температура оказывает на верхний кон-
центрационный предел воспламенения. С повышением начальной температуры смеси увеличивается скорость горения при предельных концентрациях смесей; смеси, сильно разбавленные горючим или воздухом и не способные при низкой температуре гореть, становятся горючими.

Давление смеси. Начальное давление горючей смеси влияет на пределы ее воспламенения. Концентрационные пределы воспламенения изменяются вследствие изменения скорости распространения пламени под давлением. Горючие смеси различных веществ при повышении давления ведут себя неодинаково, что объясняется физико-химическими свойствами горючей смеси.

Если изменение коэффициента диффузии смеси будет равно изменению коэффициента температуропроводности (Δ D = Δa), то изменение
давления не окажет влияния на пределы воспламенения. Установлено, что для газовых смесей заметное изменение пределов воспламенения наблюдается только при пониженном давлении.

Для каждой газовой системы существует минимальное давление, ниже которого при любом составе смеси зажигание невозможно.
Наличие такой точки связано с тем, что по мере понижения давления верхний и нижний пределы сближаются и затем совпадают.

Объем и диаметр сосуда. При уменьшении объема и диаметра сосуда увеличивается поверхность теплоотдачи, приходящейся на единицу объема смеси. Для каждой газовой системы существуют минимальный объем и
диаметр, ниже которых при любом составе смеси зажигание и распространение пламени становится невозможным.