Вопрос 1. Природа концентрационных пределов распространения пламени

V. Текст лекции

Основная часть

Вводная часть

IV. Учебно-материальное обеспечение

III. Литература

основная

1. Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва. – М.: Пожнаука, 2007. – 266 с., ил.

дополнительная

1. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Асс. «Пожнаука», 2004.

2. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Миронов М.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей образовательных учреждений МЧС России / Под ред. В.Ф.Маркова. Екатеринбург: УрО РАН. 2009. 274 с.

1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, компьютерная техника, презентация.

Во вводной части занятия преподаватель принимает рапорт о готовности курсантов к проведению лекции, приветствует обучающихся согласно требованию Устава. Затем сообщает тему лекции, цели и учебные вопросы. Затем преподаватель обозначает актуальность и практическую направленность изучаемого материала.

В технологических процессах производств используются или образовываться смесь горючего газа, пара или пыли с воздухом. Чаще всего с этим приходится сталкиваться на предприятиях нефтехимического комплекса, компрессорных станциях по перекачке и получению водорода, ацетилена, складах баллонов с горючими газами, цеха обработки металлов и древесины. Для классификации производств по степени их пожарной опасности, при расчете ПДК горючих паров и газов в помещениях при производстве огневых работ, для расчета взрывобезопасных режимов работ в среде, содержащей горючие пары и газы применяются концентрационные пределы распространения пламени (КПР).

Прежде чем перейти к рассмотрению нового материала преподаватель проводит фронтальный опрос с целью актуализации знаний, которые необходимы для освоения и глубокого понимания обучающимися материала лекции:

1. Какие факторы влияют на скорость протекания химической реакции?

2. При любом ли соотношении молекул горючего и окислителя возможно протекание химической реакции между ними?

3. Сформулируйте условие теплового самовоспламенения.

Вывод: таким образом, воспламенение реакционноспособных систем возможно только при определенном числе эффективных соударений между молекулами горючего и окислителя, обеспечивающих достаточную интенсивность выделения тепла.

Концентрация горючего вещества в смеси с воздухом может изменяться от десятых долей процента до 100 %. Однако смесь горючего с воздухом не во всех случаях является пожаровзрывоопасной, а только при определенных концентрациях.

Под концентрационными пределами распространения пламени область концентраций пара, газа или взвеси вещества в воздухе, при которой смесь способна воспламеняться от источника зажигания с последующим распространения пламени по смеси. Различают нижний (j_н) и верхний (j_в) концентрационные пределы распространения пламени.

Концентрационные пределы распространения пламени являются одним из важнейших показателей пожарной опасности для газов, жидкостей и пылей.

Нижним (верхним) концентрационным пределом распространения пламени называется - минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смесина любое расстояние от источника зажигания (ГОСТ 12.1. 044 - 89 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения).

На рисунке 1 проиллюстрированы условия воспламенения горючей смеси.

Рис.1. Соотношение между горючим и окислителем в горючей смеси.

I - область безопасных концентраций; II - область воспламенения;

III - область пожароопасных концентраций.

Все смеси горючего с воздухом от нуля до НКПР (j_н) не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания из-за недостатка горючего газа - это область безопасных концентраций.

При НКПР (j_н) смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси. Смесь воздуха с горючим или паром на нижнем концентрационном пределе распространения пламени содержит избыток воздуха. Горение на НКПР характеризуется минимальной скоростью распространения пламени в объеме всего сосуда, низкой температурой горения - 1250 -1300 ^оС и небольшим давлением взрыва 0,3 МПа.

При концентрации горючего в смеси выше нижнего концентрационного предела распространения пламени горение происходит с большей скоростью, давление при взрыве повышается. Это объясняется тем, что по мере увеличения содержания горючего содержание воздуха уменьшается; тепло, выделившееся в результате химической реакции, в меньшей степени расходуется на нагрев не участвующего в реакции избытка воздуха.

Давление при взрыве горючих смесей может увеличиваться теоретически до давления, соответствующего стехиометрической концентрации веществ, т.е. рассчитанной по уравнению химической реакции. Фактически наибольшее давление при взрыве наблюдается у смесей с концентрацией горючего несколько выше стехиометрической, так как скорость горения этой смеси выше скорости горения смеси со стехиометрической концентрацией компонентов.

Смесь горючего с окислителем на ВКПР (j_в) характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха. При воспламенении такой газо-воздушной смеси часть тепла химической реакции расходуется на нагрев не участвующего в реакции горючего, поэтому продукты горения нагреваются не до максимальной температуры; давление при взрыве невелико около 0.3 - 0.4 МПа.

Интервал концентраций газов или паров в воздухе между j_н и j_в называется областью воспламенения. Область воспламенения определяется при атмосферном давлении и характеризуется тем, что внутри нее все смеси горючего с воздухом способны воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси. Область воспламенения различных газо- и паровоздушных смесей не одинакова. Чем ниже нижний концентрационный предел распространения пламени и шире область воспламенения газов, тем большую пожарную опасность они представляют. Например, для ацетилена j_н = 2.5 %; j_в = 81 %, а для водорода j_н = 4.12 %, j_в = 75 %. Исходя из выше изложенного, наиболее опасным является ацетилен.

Знание областей безопасных и пожароопасных концентраций дает возможность в процессе применения и хранения газов и горючих жидкостей поддерживать такой режим, при котором концентрации горючего выше верхнего или ниже нижнего концентрационных пределов распространения пламени. Концентрационные пределы распространения пламени используют в расчетах допустимых концентраций газов внутри взрывоопасного технологического оборудования, вентиляции и других технологических систем, а также при расчете предельно допустимой, взрывоопасной концентрации горючего газа, при работе с огнем, при определение категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствие с требованиями норм технологического проектирования, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта. Кроме этого значения концентрационных пределов распространения пламени необходимо включать в стандарты или технические условия на газы, ЛВЖ, твердые вещества, способные образовывать взрывоопасные пылевоздушные смеси (для пыли определяют только нижний концентрационный предел распространения пламени).

Для оценки пожарной опасности газа, жидкости, пыли используют такой показатель как минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК). Пределы распространения пламени паров и газов при разбавлении горючей смеси негорючим газом (флегматизатором) изменяются. При этом j_н возрастает, а j_в - снижается (рис. 2). Содержание флегматизатора в смеси с горючим и окислительной средой в этой точке (j_н) соответствует минимальному взрывоопасному содержанию кислорода в смеси.

Рис. 2. Зависимость концентрационных пределов распространения пламени

от концентрации флегматизатора в газовоздушной смеси

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода [j_ф(О₂), МВСК] - концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, меньше которой распространения пламени по смеси становится невозможным при любой концентрации горючего в смеси, разбавленной данным флегматизатором.

Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора [j_ф, МФК) – наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя. (ГОСТ 12.1. 044 - 89 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.).

МВСК и МФК связаны между собой следующим соотношениями:

, %; , %

где

j(Н₂О) – концентрация паров воды в воздухе, %.

Чем меньше значение МВСК тем больше пожарная опасность вещества.

Величину минимального взрывоопасного содержания кислорода применяют в расчётах безопасных режимов работы технологических аппаратов, при конструировании систем и установок для взрывоподавления и тушения пожаров.

Вывод по вопросу. Определения показатели пожарной опасности - КПР и МВСК, знание которых позволяет разрабатывать и осуществлять инженерно-технические мероприятия по повышению противопожарной устойчивости объектов народного хозяйства.

Вопрос 2. Анализ влияния различных факторов