Взрывы газовоздушных смесей

 

Если способная воспламениться горючая газовоздушная смесь находится в замкнутом объёме, например в помещении, аппарате или трубопроводе достаточно большого диаметра, то при появлении в какой-либо точке этого объёма открытого пламени, электрической искры или нагретого тела, температура которого достаточна для воспламенения газа, происходит взрыв. Взрыв представляет собой явление чрезвычайно быстрого воспламенения и сгорания сразу всего объёма имеющейся газовоздушной смеси. Взрываться может не только газообразное топливо. При определенных условиях могут происходить взрывы смесей паров жидких горючих веществ с воздухом и взвешенной в воздухе пыли твердых горючих веществ.

Быстрое сгорание топлива при взрыве сопровождается очень быстрым повышением температуры и, как следствие,

скачкообразным повышением давления нагретых газов. Это практически мгновенное и резкое увеличение давления в замкнутом объеме, который занимала горючая смесь до взрыва, может привести к разрушительным последствиям. Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, может доходить до 0,7 - 0,8 МПа, если эти смеси до взрыва находились при нормальном атмосферном давлении. Если газовоздушная смесь до взрыва уже находилась при повышенном давлении, то давление при взрыве будет настолько более высоким, насколько давление смеси было - выше нормального. При взрывах газокислородных смесей давления могут быть значительно более высокими, чем при взрывах газовоздушных смесей.

Величину давления, развивающегося при взрыве газовоздушной смеси, можно определить, пользуясь формулой:

 

(7)

 

где Р_взр - абсолютное давление при взрыве, МПа;

Р_нач - начальное абсолютное давление смеси, МПа;

t_взр - температура, развивающаяся при взрыве, пределом которой являются максимальные величины;

t_нач - начальная температура газовоздушной смеси; °С;

m-число объёмов (м³) продуктов сгорания газа с учётом азота воздуха ;

n- число объёмов (м³) газовоздушной смеси до взрыва, также с учётом азота воздуха.

 

Так как, максимальные температуры горения практически не достигаются, а смесь газа с воздухом лишь случайно может оказаться такой, что в ней не будет ни избытка, ни недостатка воздуха по сравнению с теоретическим количеством, то фактическое давление при взрывах газа будет меньше максимально возможного, т. е. 0,7 – 0,8 МПа. Особенно опасными в отношении взрыва являются газы с более низкими нижними пределами взрываемости, так как в этом случае при прочих равных условиях скорее образуется газовоздушная смесь, способная воспламениться. При близких величинах нижних пределов взрываемости двух газов опаснее тот, у которого шире область взрываемости и ниже температура воспламенения.

Для углеводородных газов C_m·H_n уравнение химической реакции горения их в кислороде имеет вид

 

(8)

 

где m- количество атомов углерода в углеводородном газе;

n – количество атомов водорода в газе;

- количество кислорода необходимое для полного сгорания газа.

 

Согласно формуле (8) уравнение горения горючих газов будет:

 

метана СН₄ + 2·О₂ = СО₂ + 2·Н₂О

этана С₂ Н₁₆ + 3,5·О₂ = 2·СО₂ + 3·Н₂О

бутана С₄ Н₁₀ + 6,5·О₂ = 4·СО₂ + 5·Н₂О

пропана С₂ Н₈ + 5·О₂ = 3·СО₂ + 4·Н₂О

пентана С₅ Н₁₂ + 8·О₂ = 5·СО₂ + 6·Н₂О

 

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а как компонент входящий в состав воздуха.

Поскольку воздух состоит по объёму на 79 % из азота и на 21 % из кислорода то на каждый объём кислорода требуется 100 : 21 = 4,76 объёма воздуха или 79 : 21 = 3,76 объёма азота.

Таким образом, реакцию горения метана в воздухе можно описать уравнением вида

 

СН₄ + 2·О₂+2· 3,76·N₂= СО₂ + 2·Н₂О + 7,5·N₂ .

 

Из полученного уравнения видно, что для сжигания 1 м³ метана потребуется 2 м³ кислорода и 7,52 азота или 2 + 7,52 = 9,52 м³ воздуха (см. таблицу 6).