теория горения-2

Таблица 5.9

Объемная концентрация, минимальная энергия инициирования и диаметр облака веществ, способных детонировать

Д етонация смеси водорода с воздухом происходит при инициировании взрывом всего одним граммом тро­ тила, что меньше, чем требуется для инициирования взры­ вов углеводородов, в том числе и метана.

Статистика 150 аварий в России показывает, что в 42,5% случаев взрывов облаков ГПВС участвовали углеводород­ ные газы; 15,5% — пары легковоспламеняющихся жидко­ стей; 18,0% — водород; 5,3% — пыль органических продук­ тов. Аварийные взрывы конденсированных нестабильных веществ составили 12,0%. В 30 случаях при авариях про­ исходили выбросы значительных масс токсичных веществ: хлора — в 17 случаях, аммиака — в 11 случаях, оксидов углерода и азота — в двух случаях.

Из 150 крупных взрывов 84 произошли в технологиче­ ской аппаратуре, 66 — в атмосфере. В 73 случаях взрывы привели к серьезным разрушения зданий, сооружений и различного оборудования промышленных предприятий.

Аналогичные данные имеются в Великобритании. Так, из общего числа аварий с выбросами и образованием обла­ ков ГПВС в 40% случаев облака состояли из углеводоро­ дов с тремя или четырьмя атомами углерода. Взрывы про­ пана, бутана и их смеси, а также сжиженного нефтяного газа были причиной аварий в 3 раза чаще, чем взрывы паров бензина. С учетом объемов выработки этих продук­ тов промышленностью получается, что вероятность аварий, связанных с углеводородами, примерно в 30 раз больше, чем с бензином (в расчете на 1 т продукта). Что касается метана, широко используемого в промышленности, то этот продукт в открытом пространстве взрывается весьма редко, поскольку он не образует стабильных облаков вблизи поверхности земли. Его детонация возможна, если он был разлит в ограниченном объеме и воспламененился, а также при инициировании взрывом заряда ВВ.

Детонационная волна в газах является ударной волной, сопровождаемой волной горения. В отличие от дефлагра-

ционного, причиной данного процесса становится разо­ грев газа ударной волной до температуры, обеспечивающей высокую скорость реакции и распространение пламени со скоростью ударной волны.

Учитывая высокую скорость детонации (тысячи метров в секунду) сформировавшееся при быстром испарении облако ГПВС с целью расчета считают неизменным за весь период распространения фронта волны до внешней гра­ ницы облака, схематизируемого полусферой радиуса г0

сцентром на поверхности грунта (рис. 5.13), совмещенным

систочником инициирования. Давление на фронте детона­ ционной волны в газовых смесях может достигать 2 МПа,

ав результате многократных отражений от конструкции в помещения доходить до 10 МПа.

Рис. 5.13. Схема взрыва ГПВС и изменение давления АР

взависимости от расстояния г до центра облака:

1—область облака ГПВС с радиусом г0; 2 —зона разлета продуктов детонации и воздушной ударной волны

(г > г0); 3 — ГПВС; 4 —изменение давления при взрыве конденсированного ВВ

Параметры детонационной волны в процессе распро­ странения в пределах облака существенно не меняются. При выходе за пределы границы облака расширяющиеся продукты детонации (ПД) возбуждают воздушную удар­ ную волну.

Поскольку при выбросах не все количество жидкого продукта переходит в облако, при расчете массы продукта используют коэффициент k < 1.

Для расчета поражающего действия взрывов ГПВС определяют параметры детонационной волны расш иря­ ющихся ПД и воздушной ударной волны.

Начальный радиус г0, полусферического облака ГПВС ! зависимости от его объема определяют по формуле

(5.71)

Поскольку согласно закону Авогадро 1 моль идеального газа занимает объем V\x = 22,4 м3, то расчет объема облака для газовой смеси стехиометрического состава с объемной концентрацией Сстх и молярной массой |ur горючего компо­ нента массы ттможно производить по формуле

V..mrk v - ** 1 v0 ----------

где k равен: 1 — для газов при атмосферном давлении; 0,5 — для газов, сжиженных под давлением; 0,02—0,07 — при рас­ текании легковоспламеняющихся жидкостей.

При взрыве детонационная волна распространяется со скоростью

где U — удельная теплота взрыва, Дж/кг; устх — коэффици­ ент, имеющий значения 1,25—1,26 (табл. 5.11).

Таблица 5.11

Свойства газопаровоздушных смесей, способных к детонации

где тт— тротиловый эквивалент наземного взрыва полу­ сферического облака ГПВС:

т = Рстх^О — масса облака горючего; £/,. — удельная теплота взрыва тротила (4,2-10^ Дж/кг).

Максимум избыточного давления на фронте детонаци­ онной волны составляет

Через малый промежуток времени т давление в детона­ ционной волне уменьшается в 2 раза ( АР2 = 0,5ЛР {). Это время (десятки микросекунд) равно длительности химиче­ ской реакции в зоне: переходу от адиабаты исходного веще­ ства к адиабате продуктов реакции.

Зависимость избыточного давления от времени для дето­ национной волны на расстоянии г < г0 от центра взрыва может быть представлена в виде

(5.75)

где 0 — эффективное время действия, с.

При наличии плоской вертикальной преграды давление нормального отражения при г < г0составляет АРотр = 2,5ДР2.

Характеристики распространения ГПВС приведены в табл. 5.11.

Параметры ударной волны на расстояниях, превышающих начальный размер облака (г > г0), определяют по формулам, аппроксимирующим численное решение задачи о детонации пропано-воздушной смеси. Существуют универсальные зави­ симости максимума избыточного давления ЛРП]ах и удель­ ного импульса I от расстояния до центра взрыва:

lg 7' = 2,11 - 0,97lg2,4 -ь 0,04(lg 2,4)2 = 1,747;

1' = 55,81 = 55,8 ^ 7 = 55,8^58-104 = 4,653 • 103 Па • с;

21 2 - 4,653 ■103-0,11с. АРтах 7,97 - Ю4

5.4.2. Взрывы пылевоздушных смесей

Взрывы пыли (пылевоздушных смесей — аэрозолей) представляют одну из основных опасностей химических производств. Взрывы пыли происходят в ограниченном пространстве — в помещениях зданий, внутри различ­ ного оборудования, в штольнях шахт. Возможны взрывы пыли в мукомольном производстве, на зерновых элевато­ рах (мучная пыль); при работе с красителями, серой, саха­ ром, другими порошкообразными пищевыми продуктами; при производстве пластмасс, лекарственных препаратов; на установках дробления топлива (угольная пыль); в тек­ стильном производстве.

По данным зарубежных источников, из 1120 взрывов пылевоздушных смесей на производствах 540 произошли при работах с зерном, мукой, сахаром и другими пище­ выми продуктами, 80 — с металлом, 63 — с угольной пылью на установках дробления топлива, 33 — с серой, 61 — в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Взрывы пыли в основном происходят по дефлаграционному механизму (взрывное горение). Переход к дето­ нации возможен в длинных штольнях шахт, на конвей­ ерных линиях зернохранилищ большой протяженности из-за турбулизации пыли. Возникновение облаков аэрозо­ лей из осевшей ранее пыли (аэрогеля), их воспламенение

ивзрыв возбуждаются слабым взрывом какой-либо газо­ воздушной смеси, например взрывом метана в шахтах.

При взрыве пыли избыточное давление АР в объеме V возрастает до своего максимального значения АРтах посте­ пенно за некоторый промежуток времени т. Это объясня­ ется тем, что горение (при дефлаграционном взрыве) рас­ пространяется с дозвуковой скоростью. Значение давления АРтах зависит от большого числа факторов: концентрации

иразмеров частиц пыли определенного типа, химической активности вещества, влажности, начального давления