книги из ГПНТБ / Осипов, С. Н. Взрывчатые свойства и нейтрализация паро-газо-пылевых смесей
.pdf
С. Н. ОСИПОВ
ВЗРЫВЧАТЫЕ СВОЙСТВА И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ПАРО-ГАЗО-ПЫЛЕВЫХ СМЕСЕЙ
Киев «Техшка»
1977
I ел.'. I'V b J! . '" ' Л Я |
[/ / f 7. |
6П1.2
0-74
УДК 622.3
Взрывчатые свойства и нейтрализация паро-газо-пы- левых смесей. О с и п о в С. II. Киев, «Техшка», 1977,
199с.
Вкниге изложены методы расчета пределов взрывае мости паро-газовых и пыле-воздушных смесей, дан ана лиз условий взрываемости н нейтрализации взрывчатых свойств с помощью ингибиторов. Приведены .практиче ские рекомендации по предотвращению н подавлению взрывов паро-газовых и пыле-воздушных смесей порош ками, жидкостями и газами. Рассмотрены перспективные направления создания систем подавления взрывов.
Книга предназначена для инженерно-технических работ ников угольной, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности, где встреча ются взрывоопасные паро-газовые пли пыле-воздушиые смеси.
Табл. 28, ил. 67, спиоск лит. 91.
Рецензент д-р техн. наук В. Я. Балтайтис Редакция литературы по тяжелой промышленности Заведующий редакцией инж. В. И. Кравец
|
30102—073 |
О |
86-77 |
|
М202 f04)-77 |
(Б) Издательство «Техшка», 1977 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Научно-технический прогресс промышленности свя зан с дальнейшей интенсификацией всех производ ственных процессов, многие из которых в отдельных звеньях или целиком могут оказаться взрывоопасными.
В Основных направлениях развития народного хо зяйства СССР на 1976— 1980 гг. поставлена задача разработать и внедрить новые средства обеспечения безопасных условий труда на предприятиях угольной промышленности.
В последние годы появился ряд интересных работ, посвящедных проблеме предотвращения взрывов паро- газо-пылевых смесей и методам изучения их взрывча тых свойств. К. их числу следует отнести работы В. Т. Монахова [44] и А. И. Розловского [63].
Теоретические основы горения и взрыва паро-газо вых и пыле-газовых систем, заложенные классическими трудами академиков Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдови ча, В. Н. Кондратьева и их учеников, с каждым годом приобретают все большее значение для создания спо собов и средств предотвращения взрывов при прове дении технологических процессов в разных отраслях промышленности (угольной, горной, химической, неф техимической, газовой, нефтяной и др.). Однако до сих пор решение многих практически важных вопро сов не доведено до количественного уровня. Это, в первую очередь, относится к расчету пределов воспла менения многих паро-газовых смесей при повышенных давлениях (более атмосферного) и температурах. Рас-
з
чет пределов воспламенения паро-газовых смесей при нормальных давлениях и температурах в основном производится по эмпирическим формулам. Явно недо статочно изучено влияние различных факторов на эф фективность флегматизаторов, отсутствуют необходи мые теоретические разработки проблемы подавления взрывов на предприятиях различных отраслей про мышленности.
В данной работе сделана попытка обобщения уже известных результатов ранее проведенных исследова ний и новых данных, полученных автором. На основе корреляционного анализа влияния молекулярного со става горючего на взрывчатые свойства получены аналитические зависимости пределов воспламенения (нижнего и верхнего) от характеристик молекул. Пока зано, что нижние пределы воспламенения всех паро газовых смесей в значительной степени зависят от температуры кипения горючего. Если нижний предел воспламенения паро-воздушных смесей монотонно сни жается с увеличением количества атомов углерода в молекуле (увеличением длины углеводородной цепи), то в пыле-воздушных смесях эта зависимость гораздо сложнее и явно не монотонна.
Полученные данные позволили определить более эффективные смеси н рассчитать необходимые концент рации в зависимости от молекулярной структуры го рючего и воздействующего флегматизатора. В резуль тате исследований смесей флегматпзаторов с инертны ми газами выявлено явление синергизма и определены наиболее эффективные и удобные составы.
В основу книги легли результаты исследований, выполненных автором совместно с канд. техн. наук В. К- Гасюкевичем, инженерами В. В. Шаповалсико, Л. М. Файнвейц и Э. А. Поповым.
Отзывы и пожелания просим направлять по адресу:
252601, Киев, 1, ГСП, Пушкинская, 28, издательство «Техшка».
Глани I
ВЗРЫВЧАТЫЕ СВОЙСТВА ПАРО ГАЗОВЫХ И Г1ЫЛЕ-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
В большинстве случаев на практике приходится иметь дело со взрывчатыми паро-газовыми смесями, находящимися в нормальных условиях, т. е. при дав лении /7=101 кПа (760 мм рт. ст.) и температуре t = = 15° С. Увеличение или уменьшение давления и тем пературы на небольшую величину не оказывает су щественного влияния на взрывчатые свойства паро-га зовых смесей. Поэтому условия как для глубоких шахт
[глубина 1000 м, /7=113 кПа (850 мм рт. ст.), t = 30...
... 40° С ], так и для высокогорных или северных районов
[/7 = 80 ... 86,5 кПа (600 ... 650 мм рт. ст.), t= —40° С]
с достаточной для практических целей точностью мож но отнести к нормальным.
При нормальных условиях наибольший интерес представляет правильноечопределенне концентрацион ных пределов взрываемости (воспламенения). Нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости соответствуют такому содержанию (обычно объемно му) горючего вещества в воздухе, кислороде или дру гом окислителе, при котором сохраняется способность самостоятельного распространения пламени на зна чительное расстояние.
§ 1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРЮЧЕГО НА НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПРОСТЫХ НАРО-ГАЗОВЫХ СМЕСЕН
К простым паро-газовым смесям относятся смеси горючего и окислителя. При этом горючее должно быть однокомпонентным п однородным. В качестве окисли теля обычно принимается воздух или кислород.
а
Развитие реакций горения и взрыва газов может протекать по тепловой.или цепной схемам (процес сам). Зачастую наблюдается комбинация этих процес сов, н взрыв развивается по сложным цепочно-тепло вым схемам.
Теории цепных реакций и теплового воспламенения изложены в трудах акад. Н. Н. Семенова [66; 67; 68]. Как указано в работе [66], тепловые взрывы, для ко торых характерна большая энергия активации, проте кают, как правило, при высоких температурах. Цеп ное же воспламенение происходит преимущественно при низких (комнатных) и даже минусовых темпера турах.
Однако, как показывают исследования, даже при высоких температурах в углеводородно-воздушных смесях большое значение играют цепные процессы. Благодаря этому, небольшие добавки флегматизаторов во многие горючие углеводородно-воздушные сме си предотвращают развитие реакций горения и взрыва.
Тепловая теория возникновения взрыва исходит из того, что количество тепла, выделяющегося при реак ции, больше теплопотерь в окружающую среду. За счет освобождающегося тепла повышается температура га за, а следовательно, согласно закону Аррениуса, ско рость реакции непрерывно растет до возникновения
взрыва.
Тепловое условие воз никновения взрыва (по Н. Н. Семенову) графиче ски представлено на рис. 1. Система кривых q i соответ ствует скорости выделения тепла для трех различных скоростей реакции. Кривая с/г соответствует скорости отдачи тепла в зависимости от температуры внутри со
6
суда (t2— температура стенки сосуда). Для упроще ния предполагается, что до момента воспламенений в сосуде не происходит изменения концентрации реаги
рующих веществ.
Если реакция идет по кривой 1, то смесь вначале разогревается до i\, так как до этого момента прира щение количества тепла превышает теплоотдачу. При более высоких температурах теплоотвод превышает тепловыделение и дальнейшее повышение температу ры газа прекращается. Таким образом, в этих услови ях непрерывное увеличение скорости реакции оказы вается невозможным, в точке t\ нагрев прекращается, и система приходит в равновесие. Если реакция про текает по кривой 3, то тепловыделение всегда превы шает теплоотдачу и, следовательно, система с самого начала непрерывно наращивает температуру, скорость реакции быстро достигает крайне высоких значений и возникнет взрыв.
Протекание реакции по кривой 2 характеризуется переходом от ограниченного роста температуры к не ограниченному. Вначале температура газа возрастает до величины t2, а начиная с этого момента, система будет находиться в равновесии, но равновесие это неустойчиво. Небольшое повышение величины t2 при водит к превышению тепловыделения над теплоотда чей и к прогрессирующему саморазогреву системы. Ве личина t2 характеризует для данной смеси и данного сосуда предельное условие воспламенения системы. Именно эта температура называется температурой воспламенения, или самовоспламенения газовой смеси. Температура реагирующей смеси повышается до темпе ратуры воспламенения в течение индукционного пе риода, который необходим для развития реакции и накопления тепла. Каждой горючей смеси, характери зующейся определенным начальным составом и давле нием, отвечает определенное значение температуры воспламенения. Это значит, что существует целая
I
система предельных состоянии, определяющих области, где взрыв возникает и не возникает. Такие области ограничиваются взрывными границами, или граница ми воспламенения.
Зависимость опасности воспламенения смеси от давления при постоянной температуре представлена на рис. 2. При давлении р\ не любая смесь способна воспламеняться, а только смеси, находящиеся в гра ницах состава между значениями с, и с2. Это — кон-
Рис. 2. Зависи |
Рис. 3. Зависи |
||
мость |
опаснос |
мость |
темпера |
ти воспламене |
туры |
воспламе |
|
ния |
смеси от |
нения |
смеси от |
давления. |
давления. |
||
центрационные пределы воспламенения, они являются функциями давления.
Как указывает В. Пост [25], по К- Берлю и Ф. Вин неру с увеличением давления метано-воздушной смеси
повышается верхний предел воспламенения, |
нижний |
||||
предел снижается незначительно. |
Так, при |
0,1 |
|
А'\Па |
|
(1 |
атм) метано-воздушная смесь |
взрывоопасна |
при |
||
содержании метана в пределах |
6,6— 12,7%, |
а |
при |
||
40 |
МПа (400 атм) — в пределах 5,2—46%. |
Связь |
|||
между температурой воспламенения t и давлением р при постоянном составе смеси характеризуется кри вой, представленной на рис. 3.
Повышение температуры исходной смеси при по стоянном давлении расширяет область воспламенения. Для предотвращения воспламенения, связанного с по
8
вышением температуры смеси, добавляются инертные газы, способствующие повышению ее теплоемкости. При этом снижается рост температуры, а следователь но, замедляется скорость реакции. При введении га зов, обладающих высокой теплопроводностью, напри мер гелия, происходит быстрый отвод тепла и за счет этого снижается склонность смеси к воспламенению. Кроме того, инертные или негорючие газы снижают концентрацию реагирующих веществ, а главное, кисло рода, что также замедляет протекание реакции.
Тепловая теория не может объяснить некоторые явления, наблюдаемые в большинстве гомогенных га зовых реакций: чувствительность их к добавкам не больших количеств катализаторов, влияние диаметра и состояния стенок реактора на скорость реакции и др. Все это хорошо объясняется цепным механизмом реак
ции [68].
Ускорение многих медленных реакций может про исходить не в результате тепловыделения, а вслед ствие накопления промежуточных продуктов. В этом случае энергия реакции затрачивается на образование свободных атомов или радикалов, которые сами спо собны ускорять реакцию без заметного повышения температуры в целом. Обладая повышенной реакцион ной способностью, атомы и радикалы легко вступают в реакцию с молекулами исходных веществ. При этом может образоваться конечный продукт и возродиться один или несколько новых активных центров в зави симости от типа реакций, так как свободная валент ность не может исчезнуть и, по крайней мере, один из продуктов этой реакции будет свободным радикалом. Этот радикал вступает в реакцию со следующей моле кулой опять с образованием свободного радикала и таким образом возникают цепи химических превра щений.
Цепная реакция может быть неразветвленной, когда при взаимодействии активного центра с молеку
I