книги из ГПНТБ / Осипов, С. Н. Взрывчатые свойства и нейтрализация паро-газо-пылевых смесей

Таблица !

Пределы воспламенения метано-воздушной смеси в трубках_____

мени вверх в вертикальной трубке. Распространению пламени может способствовать также давление, ко­ торое развивается в прореагировавшей части смеси. Для снижения этого влияния конец трубки, у которо­ го смесь поджигается, остается открытым в течение испытания. В этом случае продукты реакции в основ­ ном отводятся и не влияют на продвижение пламени. Следовательно, более жесткие условия создаются при вертикальном положении трубки, распространении пламени вверх и закрытом конце трубки у источника воспламенения.

Длина трубки. Эксперименты по определению пре­ делов воспламенения метано-воздушных смесей про­ водятся в трубках длиной от 30 до 300 см. Многие ис­ следователи рекомендуют применять трубки длиной 100— 150 см [44; 65]. В трубках такой длины пламя распространяется практически равномерно. Однако увеличение длины трубки приводит к сужению преде­ лов воспламенения. Так, при горизонтальном распро­ странении пламени в закрытых трубках диаметром

30

5 см и длиной 50 и 150 ем нижний и верхний пределы воспламенения соответственно равны 5,39 и 14,28%, 5,65 и 13,95% метана. Такая же закономерность на­ блюдается и при распространении пламени вниз. Сле­ довательно, более жесткие условия создаются при про­ ведении экспериментов в трубках длиной 50 см.

Диаметр трубки влияет также на значения преде­ лов воспламенения. Так, нижний предел связан с пре­ обладанием обрыва цепей на стенках трубки, верх­ ний — в объеме трубки. Кроме того, уменьшение диа­ метра способствует улучшению теплоотвода и замед­ лению скорости реакции. При некоторых значениях диаметра (1—2 мм) распространение пламени стано­ вится невозможным, поэтому пределы воспламенения рекомендуется определять в не слишком узких (в основном 5—6 см) трубках.

Ввиду того что при ведении горных работ метан может скапливаться до взрывоопасных концентраций в трещинах и шпурах небольших размеров (диамет­ ром 2—4 см), а при технологических процессах в хи­ мической, нефтехимической и других отраслях про­ мышленности взрывчатые смеси часто находятся в трубках малого диаметра (2,5—5 см), необходимо определять влияние диаметра трубки (шпура, трещи­ ны) на пределы воспламенения и концентрации флегматизаторов.

Источник воспламенения. Для воспламенения газо­ воздушных смесей при испытаниях применяются элек­ трические искры, нагретая до определенной температу­ ры металлическая проволока, открытое пламя [44; 65]. Энергия, необходимая для воспламенения, зависит от состава смеси. При воспламенении искрой смесей угле­ водородов (метана, этана, пропана, бутана, гексана и т. п.) с воздухом минимальная энергия необходима при составах, близких к стехиометрическим; по мере приближения к пределам воспламенения требуется все большая энергия [25; 77]. При воспламенении

31

смесей нагретыми металлическими поверхностями та­ кая закономерность не наблюдается.

Пределы воспламенения зависят от материала ис­ точника воспламенения. Никель снижает нижний пре­ дел воспламенения метано-воздушной смеси до 3,3% метана. В этом случае минимальная температура 970° С необходима для воспламенения смеси при ниж­ нем, а максимальная 1080° С — при верхнем пределах воспламенения. Молибден расширяет верхний предел

плового источника воспламенения было принято рав­ ным 70 с [73].

При проведении экспериментов в трубах диаметром 13—73 мм источник воспламенения располагали у ниж­ него конца, в камерах диаметром 100 мм — на рас­

стоянии 1/3 от днища, в остальных случаях — по центру.

В камерах диаметром 197 и 57 мм было определено распределение температурного поля (рис. 12). Темпе­ ратура I измерялась по оси х камеры и на расстоянии

32

5—30 мм по радиусу у от оси. Уже на расстоянии 10 мм от центра спирали по оси температура падала от 500° С в камере диаметром 197 мм до 400° С в ка­ мере диаметром 57 мм. В 4—5 мм от центра спирали независимо от диаметра камеры температура была равна температуре воспламенения метано-воздушных смесей или выше ее (696—742° С ). Следовательно,

Рис. 12. Температурное поле вокруг источника воспламене­ ния:

а — в камере диаметром 197 мм; 6 — в камере диаметром 57 мм.

распределение температур в камерах различного диа­ метра и изменение места расположения источника вос­ пламенения не влияют на пределы воспламенения.

Число испытаний в серии, гарантирующее отсут­ ствие воспламенения, определялось, исходя из стати­ стического распределения редких событий (распреде­ ление Пуассона). Вероятность наступления события при распределении Пуассона

где К — параметр распределения, показывающий число независимых событий с учетом ожидаемого события; т — порядковый номер события.

Поскольку в данном случае необходимо опреде­ лить вероятность первой вспышки взрыва в серии ис­

вательных испытаний без вспышек). Тогда из выраже­

Интегральная вероятность взрыва при /г+1 испы­

Как показывают расчеты, вероятность появления взрыва составляет: при одном испытании — 0,368; при

0,001. Следовательно, достаточно провести серию из шести последовательных испытаний, что обеспечит вероятность отсутствия взрыва и вспышки, равную

99,9%.

Определение взрываемости смеси. При установле­ нии взрываемости испытуемой смеси в стеклянных трубках диаметром 13— 197 мм учитывались взрывы и вспышки. При диаметре трубки 100— 197 мм взрыв сопровождался прорывом целлофана, а при диаметре 13—73 мм — выбрасыванием пробки. В обоих случаях давление повышалось до 140— 150 кПа (1,4— 1,5 атм).

34

ванне вентилятора 1 (рис. 13, а), в остальных — цир­ куляционным насосом 2 (рис. 13, б).

При испытании рассчитывали парциальное давле­ ние каждого испытуемого компонента

Рис. 13. Схемы камер для испытания паро-газо- воздушны.х смесей:

а — диаметром 100 и 197 мм; б — диаметром 13, 26 37 57 и 73 мм.

где Яатм— атмосферное давление в момент проведения испытания; а — объемная доля компонента, %; b —

объемная доля испытуемого компонента в исходном веществе, %•

Количество жидкого флегматизатора, необходимого для создания соответствующего парциального давле­ ния, определяли по формуле

36

мый 1 мл жидкого флегматизатора в газовой фазе в условиях эксперимента.

Для определения величины Vt, Р 2—3 см3 флегма­ тизатора помещали в герметичную стеклянную колбу вместимостью 4000—5000 см3, соединенную с водяным манометром, и замеряли давление, создаваемое флегматизатором при испарении. Температуру в начале и в конце испытания сохраняли постоянной. По замеря­

матизатора; Рфл — давление, создаваемое при испаре­ нии жидким флегматизатором.

Затем рассчитывали объем, занимаемый 1 см3 жидкого флегматизатора в газовой фазе при /= 0°С и

где k — поправка к показаниям барометра; t — темпе­ ратура при условиях испытания, ° С.

Объем, занимаемый 1 мл жидкого флегматизатора в газовой фазе, для любых условий эксперимента опре­ деляли по формуле

0,1К0 (273,2 + Q

(40)

273,2 (Яатм-А)

При расчете объема флегматизатора в камерах диа­ метром 73 мм и меньше учитывали также объем шлан­ гов, ведущих к манометру и циркуляционному насосу, и объем насоса.

После сборки и проверки камеры на герметичность в ней создавали разрежение, равное сумме парциаль-

37

hbix давлений испытуемых компонентов (если они при условиях испытания находились в газообразном со­ стоянии). Затем подавали метан и флегматизатор. Контроль за подачей компонентов смеси при разре­ жении, не превышающем 20 кПа (0,2 ати), производи­ ли по водяному манометру, а при большем разреже­ нии — по вакуумметру. При определении пределов воспламенения метано- и водородо-воздушных смесей контроль за подачей горючих производили только по водяному манометру.

Если флегматизатор в условиях испытания был жидким, то, чтобы ускорить его испарение, улучшить перемешивание и уменьшить возможные потери при подаче, в камере создавали разрежение, превышающее сумму парциальных давлений испытуемых компонен­ тов. В шланг, подсоединенный к штуцеру для подачи реагентов, вливали необходимое количество флегматизатора и воздухом вдували его в камеру. В камерах диаметром 100-—197 мм смесь перемешивалась венти­ лятором в течение б мин, в остальных камерах произ­ водилось двадцатикратное перемешивание смеси цир­ куляционным насосом. Перед подачей реагентов каме­ ру отключали от вакуум-насоса, перед перемешивани­ ем смеси — и от вакуумметров.

Взрывобезопасность смеси определялась по описан­ ной выше методике. Если в течение 70 с после включе­ ния спирали не было ни взрыва, ни вспышки пламени, то смесь считалась взрывобезопасной.

Исследование зависимости нижних и верхних пре­ делов воспламеняемости метано-воздушных и нижних пределов воспламеняемости водородо-воздушных сме­ сей от диаметра реактора. Известны различные значе­ ния концентрационных пределов воспламеняемости метано-воздушных смесей при атмосферном давлении: от 2,5 до 6,6% * для нижнего и от 11,9 до 24% метана

* Здесь и дальше имеются в виду проценты по объему.

38

для верхнего пределов [25; 78; 86]. Общепринятые в горной промышленности пределы воспламеняемости: 5% метана — нижний и 15% — верхний.

Г. Меербах исследовал распространение взрыва в слоях метана, образовавшихся вдоль кровли в спокой­ ной атмосфере, и установил, что в штольне с крепеж­ ными рамами при содержании 3,4% метана происходит взрыв. Пределы воспламеняемости водородо-воздуш­

ко вспышки. Таким образом, нижний предел воспла­ менения метано-воздушных смесей при нормальных условиях в трубках небольшого диаметра может сос­ тавлять 2% метана. В сосудах длиной 1,5 м концентра­

39