5. Расчёт основных параметров взрыва

Взрывом называется физическое и химическое превращение вещества, сопровождающееся быстрым выделением энергии, что приводит к разогреву, сжатию продуктов взрыва и окружающей среды, резкому изменению давления. Условиями, которым должна удовлетворять реакция горения для того, чтобы они могла протекать в форме взрыва, являются: экзотермическое химическое превращение; большая скорость реакции; способность реакции к самораспространению.

Основными факторами среды, характеризующими опасность взрыва для помещений и оборудования, являются:

 максимальное давление взрыва;

 максимальная температура взрыва;

 скорость нарастания давления при взрыве;

 давление во фронте ударной волны;

- тротиловый эквивалент взрывчатой системы или вещества;

- тротиловый эквивалент взрыва (мощность взрыва).

К опасным и вредным факторам, воздействующим на работающих в результате взрыва, относят:

 ударную волну;

 пожар;

 обрушивающиеся конструкции, оборудование, коммуникации, здания и сооружения и их разлетающиеся части;

 образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования опасные вещества, содержание которых в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации.

5.1. Давление при взрыве газовоздушных смесей

По температуре взрыва находят давление взрыва. При возникновении горения внутри замкнутого сосуда в нем происходит быстрый рост давления. Рост давления обусловлен повышением температуры реагирующей смеси и образованием продуктов сгорания. Развивающееся давление определяется составом горючей смеси: оно минимально для смесей предельного состава и максимально для смесей стехиометрического состава.

Максимальным давлением взрыва называется наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газовоздушных смесей в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа.

Значение максимального давления взрыва применяют в расчетах на взрывоустойчивость аппаратуры с горючими газами, жидкостями и порошкообразной продукцией; в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран, разгрузочных отверстий в ограждающих конструкциях и оболочек взрывонепроницаемого оборудования.

Экспериментально максимальное давление взрыва определяют путем сжигания горючей газовой смеси заданного состава в объеме реакционного сосуда и регистрации развивающегося избыточного давления. Изменяя концентрацию горючего в смеси, находят максимальное значение давления взрыва.

Максимальное давление взрыва можно приближенно рассчитать по формуле:

, МПа (15)

где Р₀ – начальное давление, при котором находится смесь, МПа;

Т₀ – начальная температура исходной смеси, К;

Т_взр – адиабатическая температура горения стехиометрической смеси горючего с воздухом при постоянном объеме, К;

n_п.г. – число молей газообразных продуктов горения;

n_{исх.смеси} – число молей исходной газовой смеси.

Расчет максимального давления взрыва по указанной формуле производится без учета диссоциации продуктов горения в пламени. На процесс диссоциации затрачивается определенное количество энергии, поэтому рассчитанные значения превышают экспериментально определяемые величины. Величина максимального давления взрыва для многих горючих газов составляет 600 – 900 кПа.

Пример. Рассчитать максимальное давление при взрыве паров бутана (С₄Н₁₀) с воздухом при температуре 10С, начальном давлении 0,3 МПа. Температура взрыва 2110С.

Дано: С₄Н₁₀, t_о = 10С, t _взр = 2110С, Р_о = 0,3 МПа

Найти: Р _взр = ?

Решение:

1. Составляем уравнение реакции горения бутана в воздухе.

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ + 24,44N₂ = 4CО₂ + 5Н₂О + 24,44N₂

2. Определяем число молей исходной смеси (до взрыва).

n_cм = n(С₄Н₁₀ ) + n(О₂) + n (N₂) = 1 + 6,5 + 24,44 = 31,94моль

3. Определяем число молей продуктов горения.

n_пг = n(CО₂) + n(Н₂О ) + n(N₂) = 4 + 5 + 24,44 = 33,44 моль

1. Переводим значения температур из градусов Цельсия в Кельвины и рассчитываем давление взрыва паров бутана при заданных условиях.

Т_ВЗР = 2110 + 273 = 2383К

Т₀ = 10 + 273 = 283К

Ответ: Максимальное давление взрыва паров бутана при заданных условиях составляет 2,64 МПа.