Скоростта на нарастване на налягането по време на експлозия на биогаз. Методи за изчисляване на скоростта на нарастване на налягането на експлозия на газови и паровъздушни смеси. Изчисление за определяне на излишното налягане на експлозия

Теорията твърди, че експлозията на газ или паровъздушна смес не е мигновено явление. Когато в горимата смес се въведе източник на запалване, в зоната на действие на източника на запалване започва окислителна реакция на горивото с окислителя. Скоростта на окислителната реакция в някакъв елементарен обем на тази зона достига максимум - възниква изгаряне. Горенето на границата на елементарен обем със средата се нарича фронт на пламъка. Фронтът на пламъка има формата на сфера. Дебелината на фронта на пламъка, според изчисленията на Я.Б. Зелдович , равен на 1-100 микрона. Въпреки че дебелината на зоната на горене е малка, тя е достатъчна за протичане на реакцията на горене. Температурата на фронта на пламъка, дължаща се на топлината на реакцията на горене, е 1000-3000 ° C и зависи от състава на горимата смес.

С движението на фронта на пламъка температурата на неизгорялата част от горимата смес се повишава с увеличаване на налягането на сместа. В близост до фронта на пламъка температурата на сместа също се повишава, което се дължи на
пренос на топлина чрез проводимост, дифузия на нагрети молекули и радиация. На външната повърхност на фронта на пламъка тази температура е равна на температурата на самозапалване на горимата смес.

След запалване на горимата смес, сферичната форма на пламъка много бързо се изкривява и все повече се разтяга към сместа, която още не е запалена. Удължаването на фронта на пламъка и бързото увеличаване на повърхността му се придружава от увеличаване на скоростта на движение на централната част на пламъка. Това ускорение продължава, докато пламъкът докосне стените на тръбата или във всеки случай се приближи близо до стената на тръбата. В този момент размерът на пламъка рязко намалява и остава само малка част от пламъка, покриваща цялото напречно сечение на тръбата. Разширяване на фронта на пламъка
и интензивното му ускорение непосредствено след запалване от искра, когато пламъкът все още не е достигнал стените на тръбата, се причиняват от увеличаване на обема на продуктите от горенето. По този начин, в начален етапВ процеса на образуване на фронта на пламъка, независимо от степента на запалимост на газовата смес, се получава ускорение и последващо спиране на пламъка, като това спиране ще бъде по-голямо, колкото по-висока е скоростта на пламъка.

Развитието на следващите етапи на горене се влияе от дължината на тръбата. Удължаването на тръбата води до появата на вибрации и образуването на клетъчна структура на пламък, ударни и детонационни вълни.

От зависимостта може да се определи ширината на нагревателната зона (в cm).

1 = a/v

Къде А- коефициент на топлопроводимост; v- скорост на разпространение на пламъка.

Линейна скорост на движение v(в m/s) може да се определи по формулата

V = V t /

Къде V t- масова скорост на горене, g/(s m3); - плътност на първоначалната горима смес, kg/m3.

Линейна скоростДвижението на фронта на пламъка не е постоянно; варира в зависимост от състава. Смеси и примеси от инертни (незапалими) газове, температура на сместа, диаметър на тръбата и др. Максимална скоростразпространението на пламъка се наблюдава не при стехиометрична концентрация на сместа, а в смес с излишък на гориво. Когато инертни газове се въвеждат в запалима смес, скоростта на разпространение на пламъка намалява. Това се обяснява с намаляването на температурата на горене на сместа, тъй като част от топлината се изразходва за нагряване на инертни примеси, които не участват в реакцията.

С увеличаване на диаметъра на тръбите скоростта на разпространение на пламъка се увеличава неравномерно. Когато диаметърът на тръбата се увеличи до 0,1-0,15 m, скоростта се увеличава доста бързо. Температурата се повишава, докато диаметърът достигне определен максимален диаметър,
над която не се получава увеличение на скоростта. С намаляване на диаметъра на тръбата скоростта на разпространение на пламъка намалява и при определен малък диаметър пламъкът не се разпространява в тръбата. Това явление може да се обясни с увеличаване на топлинните загуби през стените
тръби.

Следователно, за да се спре разпространението на пламък в горима смес, е необходимо да се понижи температурата на сместа по един или друг начин, като охладите съда (в нашия пример, тръба) отвън или разредете сместа със студен инертен газ.

Нормална скоростРазпространението на пламъка е относително малко (не повече от десетки метри в секунда), но при някои условия пламъкът в тръбите се разпространява с огромна скорост (от 2 до 5 km/s), надвишаваща скоростта на звука в дадена среда . Това явление беше наречено детонация. Отличителни чертидетонациите са както следва:

1) постоянна скорост на горене, независимо от диаметъра на тръбата;

2) високо кръвно наляганепламък, причинен от детонационна вълна, която може да надвишава 50 MPa в зависимост от химическата природа на горимата смес и първоначалното налягане; и поради висока скоростпри горене, развиваното налягане не зависи от формата, капацитета и херметичността на съда (или тръбата).

С ускоряването на пламъка амплитудата на ударната вълна също се увеличава и температурата на компресия достига температурата на самозапалване на сместа.

Увеличаването на общото количество изгорен газ за единица време се обяснява с факта, че в струя с променлива скорост на напречното сечение фронтът на пламъка се огъва, в резултат на което повърхността му се увеличава и количеството на горивното вещество се увеличава пропорционално .

При изгаряне на газови смеси в затворен обем продуктите от горенето не извършват работа; Енергията на експлозията се изразходва само за нагряване на продуктите на експлозията. В този случай общата енергия се определя като сумата от вътрешната енергия на експлозивната смес Q ext.en.cm. и топлината на изгаряне от това веществоΔQ g. Стойност Q ext.en.cm. равна на сумата от произведенията на топлинните мощности на компонентите на експлозивната смес при постоянен обем от началната температура
температура на сместа

Q ext.en.cm. = C 1 T + C 2 T + …+ C p T

където C 1, C 2, C p са специфичните топлинни мощности на съставните компоненти
експлозивна смес, kJ/(kg K); Т -начална температура на сместа, K.

Температурата на експлозия на газови смеси при постоянен обем се изчислява по същия метод като температурата на горене на сместа при постоянно налягане.

Температурата на експлозия се използва за определяне на налягането на експлозия. Налягането по време на експлозия на газово-въздушна смес в затворен обем зависи от температурата на експлозията и съотношението на броя на молекулите на продуктите на горенето към броя на молекулите в експлозивната смес. По време на експлозия на газово-въздушни смеси налягането обикновено не надвишава 1,0 MPa, ако е първо начално наляганесместа беше нормална. При замяна на въздуха в експлозивна смес с кислород, налягането на експлозията се увеличава рязко с повишаване на температурата на горене.

Налягане на експлозия на стехиометрични смеси от метан, етилен, ацетон и
метилов етер с кислород е 1,5 - 1,9 МРа, а стехиометрични смеси с въздух е 1,0 МРа.

Максималното налягане на експлозия се използва при изчисленията на устойчивостта на експлозия на оборудването, както и при изчисленията предпазни клапани, експлозивни мембрани и корпуси на взривобезопасно електрическо оборудване. Налягане на експлозия rвъзрастни (в MPa) смеси газ-въздух се изчисляват по формулата

rвъзрастен =

Къде p 0- начално налягане на експлозивната смес, MPa; Т 0И T възрастен- начална температура на експлозивната смес и температура на експлозия, K;

Броят на молекулите на газовете от продуктите на горенето след експлозията;
- броят на молекулите на газовете в сместа преди експлозията.

Федерална агенция за образование на Руската федерация

състояние учебно заведениевисше професионално образование

"Уфимски държавен петролен технически университет"

Отдел по индустриална безопасност и охрана на труда

Тест по темата:

Теория на горенето и експлозията

1. Теоретични въпроси за експлозия

При технологичните процеси, свързани с добива, транспортирането, преработката, производството, съхранението и използването на запалими газове (GG) и запалими течности (FLL), винаги съществува опасност от образуване на експлозивни газови и паровъздушни смеси.

Експлозивна среда може да се образува от смеси на вещества (газове, пари, прах) с въздух и други окислители (кислород, озон, хлор, азотни оксиди и др.) и вещества, склонни към експлозивна трансформация (ацетилен, озон, хидразин и др. .).

Най-честите причини за експлозии са нарушения на правилата за безопасна работа на оборудването, изтичане на газ чрез течове във връзки, прегряване на устройства, прекомерно повишаване на налягането, липса на подходящ контрол върху технологичен процес, разкъсване или повреда на части на оборудването и др.

Източниците на иницииране на експлозията са:

открит пламък, горящи и нагорещени тела;

електрически разряди;

Топлинни прояви на химични реакции и механични въздействия;

искри от удар и триене:

ударни вълни;

Електромагнитни и други лъчения.

Според PB 09-540-03 Експлозията е:

I. Процесът на бързо освобождаване на потенциална енергия, свързан с внезапна промяна в състоянието на веществото и придружен от скок на налягането или ударна вълна.

2. Краткотрайно освобождаване на вътрешна енергия, създаваща излишно налягане

Експлозия може да възникне със или без горене (процес на окисление).

Параметри и свойства, характеризиращи експлозивността на средата:

Пламна точка;

Концентрационни и температурни граници на възпламеняване;

Температура на самозапалване;

Нормална скорост на разпространение на пламъка;

Минимално експлозивно съдържание на кислород (окислител);

Минимална енергия на запалване;

Чувствителност към механичен стрес (удар и триене). Опасни и вредни фактори за работещите

в резултат на експлозията са:

Ударна вълна, в предната част на която налягането надвишава допустимата стойност;

Срутващи се конструкции, оборудване, комуникации, сгради и съоръжения и техните летящи части;

Вредни вещества, образувани по време на експлозията и (или) отделени от повредено оборудване, чието съдържание във въздуха работна зонанадвишава пределно допустимите концентрации.

Основните фактори, характеризиращи опасността от експлозия:

Максимално налягане и температура на експлозия;

Скорост на нарастване на налягането по време на експлозия;

Налягане в предната част на ударната вълна;

Раздробяване и високоексплозивни свойства на експлозивни среди.

По време на експлозия първоначалната потенциална енергия на веществото се преобразува, като правило, в енергията на нагретите сгъстени газове, които от своя страна, когато се разширяват, се превръщат в енергията на движение, компресия и нагряване на средата. Част от енергията остава под формата на вътрешна (топлинна) енергия на разширените газове.

Общото количество енергия, освободена по време на експлозията, определя общи параметри(обем, площ) на унищожение. Концентрацията на енергия (енергия на единица обем) определя интензивността на разрушението в източника на експлозията. Тези характеристики от своя страна зависят от скоростта на отделяне на енергия от взривната система, предизвикваща взривната вълна.

Взривовете, които най-често се срещат в следствената практика, могат да се разделят на две основни групи: химически и физически взривове.

Химическите експлозии включват процеси на химична трансформация на вещество, проявяващи се чрез изгаряне и характеризиращи се с освобождаване на топлинна енергия за кратък период от време и в такъв обем, че се образуват вълни на налягане, разпространяващи се от източника на експлозията.

Физическите експлозии включват процеси, които водят до експлозия и не са свързани с химически трансформации на веществото.

Случайните експлозии най-често се дължат на горивни процеси. Експлозии от този вид най-често възникват при съхранение, транспортиране и производство на експлозиви. Те се провеждат:

При работа с експлозиви и експлозивни вещества от химическата и нефтохимическата промишленост;

За течове природен газв жилищни сгради;

по време на производството, транспортирането и съхранението на силно летливи или втечнени запалими вещества;

при измиване на резервоари за съхранение на течно гориво;

при производството, съхранението и използването на системи за запалим прах и някои спонтанно запалими твърди и течни вещества.

Характеристики на химическа експлозия

Има два основни вида експлозии: експлозия на кондензирани експлозиви и обемна експлозия (експлозия на пари от прах и газови смеси). Експлозиите на кондензирани експлозиви се причиняват от всички твърди експлозиви и сравнително малък брой течни експлозиви, включително нитроглицерин. Такива експлозиви обикновено имат плътност от 1300-1800 kg/m3, но първичните експлозиви, съдържащи олово или живак, имат много по-висока плътност.

Реакции на разлагане:

Най-простият случай на експлозия е процесът на разлагане с образуването на газообразни продукти. Например, разлагането на водороден пероксид с голям топлинен ефект и образуването на водна пара и кислород:

2H2O2 → 2H2O2 + O2 + 106 kJ/mol

Водородният пероксид е опасен при концентрация от 60%.

Разлагане чрез триене или удар на оловен азид:

Pb(N3)2 → Pb -ь 3N2 + 474 kJ/mol.

Тринитротолуенът (TNT) е вещество с „кислороден дефицит“ и следователно един от основните му разпадни продукти е въглеродът, който допринася за образуването на дим по време на експлозиите на TNT.

Веществата, склонни към експлозивно разлагане, почти винаги съдържат една или повече характерни химични структури, отговорни за внезапното развитие на процеса с освобождаването голямо количествоенергия. Тези структури включват следните групи:

NO2 и NO3 - в органични и неорганични вещества;

N=N-N - в органични и неорганични азиди;

NX3, където X е халоген,

N=C във фулминати.

Въз основа на законите на термохимията изглежда възможно да се идентифицират съединения, чийто процес на разлагане може да бъде експлозивен. Един от решаващи факторикоито определят потенциалната опасност на системата е преобладаването на нейната вътрешна енергия в първоначалното състояние в сравнение с крайното състояние. Това условие е изпълнено, когато топлината се абсорбира (ендотермична реакция) по време на образуването на веществото. Пример за съответен процес е образуването на ацетилен от елементите:

2C + H2 → CH=CH - 242 kJ/mol.

Неексплозивните вещества, които губят топлина по време на образуването (екзотермична реакция), включват например въглероден диоксид

C + O2 → CO2 + 394 kJ/mol.

Трябва да се има предвид, че прилагането на законите на термохимията ни позволява само да идентифицираме възможността за експлозивен процес. Изпълнението му зависи от скоростта на реакцията и образуването на летливи продукти. Например реакцията на парафина на свещта с кислорода, въпреки високата си екзотермичност, не води до експлозия поради ниската си скорост.

Реакцията 2Al+ 4AC2O2 → Al2O3 + 2Fe сама по себе си, въпреки високата си екзотермичност, също не води до експлозия, тъй като не се образуват газообразни продукти.

Редокс реакциите, които са в основата на реакциите на горене, поради тази причина могат да доведат до експлозия само при условия, благоприятни за постигане на високи скорости на реакция и повишаване на налягането. Изгарянето на силно диспергирани твърди вещества и течности може да доведе до повишаване на свръхналягането до 8 бара в затворен обем. Сравнително рядко, например в системи с течен въздух, където аерозолът е мъгла от маслени капки.

При екзотермични реакции на полимеризация и наличието на летлив мономер често се достига етап, при който може да възникне опасно повишаване на налягането за някои вещества като етиленов оксид, полимеризацията може да започне при стайна температура, особено когато изходните съединения са замърсени с; вещества, ускоряващи полимеризацията. Етиленовият оксид може също да изомеризира до ацеталдехид екзотермично:

CH2CH2O - CH3HC = O + 113,46 kJ/mol

Реакциите на кондензация се използват широко в производството на бои, лакове и смоли и поради екзотермичния характер на процеса и наличието на летливи компоненти понякога водят до експлозии

За да разберете общи условия, благоприятни за възникване на горене и прехода му към експлозия, разгледайте графиката (Фигура 1) на зависимостта на температурата, развита в горима система от времето при наличие на обемно отделяне на топлина с нея поради химическа реакция и топлина загуба.

Ако си представим температурата T1 на графиката като критичната точка, при която възниква горене в системата, става очевидно, че при условия, при които загубата на топлина надвишава получената топлина, такова изгаряне не може да възникне. Този процес започва само когато се постигне равенство между скоростта на отделяне на топлина и загуба на топлина (в точката на допиране на съответните криви) и след това може да се ускори с повишаване на температурата и. по този начин налягането преди експлозията.

По този начин, при наличието на условия, благоприятни за топлоизолацията, възникването на екзотермична реакция в горима система може да доведе не само до изгаряне, но и до експлозия.

Получените неконтролирани реакции, които благоприятстват експлозия, се дължат на факта, че скоростта на пренос на топлина, например, в съдовете е линейна функция на температурната разлика между реакционната маса и охлаждащата течност, докато скоростта на екзотермичната реакция и, по този начин топлинният поток от него нараства по степенен закон с увеличаване на началните концентрации на реагентите и бързо се увеличава с повишаване на температурата в резултат на експоненциалната зависимост на скоростта на химичната реакция от температурата (закон на Арениус). Тези модели определят най-ниските скорости на горене на сместа и температурата на дъното граница на концентрациязапалване. Тъй като концентрацията на горивото и окислителя се доближава до стехиометричните нива, скоростта на горене и температурата се повишават до максимални нива.

Концентрацията на газ със стехиометричен състав е концентрацията на горим газ в смес с окислителна среда, при която се осигурява пълно химично взаимодействие между горивото и окислителя на сместа без остатък.

3. Характеристики на физическа експлозия

Физическите експлозии обикновено се свързват с експлозии на съдове от парно налягане и жлебове. Освен това основната причина за тяхното образуване не е химическа реакция, а физически процес, причинен от освобождаването вътрешна енергиякомпресиран или втечнен газ. Силата на такива експлозии зависи от вътрешното налягане, а разрушаването се причинява от ударна вълна от разширяващ се газ или фрагменти от спукан съд. Физическа експлозия може да възникне, ако например преносима газова бутилка падне под налягане и се счупи редуцир вентил. Налягането на втечнения газ рядко надвишава 40 бара (критичното налягане на повечето конвенционални втечнени газове).

Физическите взривове също включват феномена на така наречената физическа детонация. Това явление възниква при смесване на горещи и студени течности, когато температурата на една от тях е значително по-висока от точката на кипене на другата (например изливане на разтопен метал във вода). В получената паро-течна смес може да възникне експлозивно изпарение поради развиващите се процеси на фина флегматизация на капчици стопилка, бързо отстраняване на топлината от тях и прегряване на студената течност със силното й изпаряване.

Физическата детонация е придружена от появата на ударна вълна с свръхналяганев течна фаза, достигайки в някои случаи повече от хиляда атмосфери. Много течности се съхраняват или използват при условия, при които налягането на парите им значително надвишава атмосферното налягане. Тези течности включват: втечнени запалими газове (например пропан, бутан); втечнени хладилни агенти, съхранявани при стайна температура; прегрята вода в парни котли. Ако контейнер с прегрята течност се повреди, парата изтича в околното пространство и се получава бързо частично изпаряване на течността. Ако парата изтича и се разширява достатъчно бързо, в околната среда се генерират взривни вълни. Причините за експлозия на съдове, съдържащи газове и пари под налягане, са:

Нарушаване на целостта на корпуса поради повреда на някой компонент, повреда или корозия поради неправилна употреба;

Прегряване на съда поради смущения в електрическото нагряване или режима на работа на горивното устройство (в този случай налягането вътре в съда се повишава, а здравината на корпуса намалява до състояние, при което възниква повреда);

Експлозия на съд при превишаване на допустимото налягане.

Експлозиите на газови контейнери, последвани от изгаряне в атмосферата, основно съдържат същите причини, които са описани по-горе и са характерни за физическите експлозии. Основната разлика е образуването в този случай на огнена топка, чийто размер зависи от количеството изхвърлено в атмосферата газообразно гориво. Тази сума зависи от своя страна от физическо състояние, който съдържа газ в контейнер. Когато горивото се съхранява в газообразно състояние, количеството му ще бъде много по-малко, отколкото ако се съхранява в същия контейнер в течна форма. Параметрите на експлозията, които определят нейните последствия, се определят главно от естеството на разпределението на енергията в зоната на експлозията и нейното разпределение като взривна вълнасе разпространява от източника на експлозията.

4. Енергиен потенциал

Експлозията има голяма разрушителна сила. Най-важната характеристикаексплозията е общата енергия на материята. Този показател се нарича енергиен потенциал на опасност от експлозия; той е включен във всички параметри, характеризиращи мащаба и последствията от експлозията.

В случай на аварийно разхерметизиране на устройството, настъпва пълното му отваряне (разрушаване);

Площта на разливането на течността се определя въз основа на конструктивни решениясгради или места за монтаж на открито;

Приема се, че времето за изпаряване е не повече от 1 час:

E= EII1+ EII2+ EII1+ EII2+ EII3+ EII4,

опасност от експлозия в пожарникарското помещение

където EI1 е сумата от енергиите на адиабатно разширение и изгаряне на парогазовата фаза (PGPC, директно разположен в блока, kJ;

EI2 е енергията на изгаряне на газовия компресор, подадена в зоната с понижено налягане от съседни обекти (блокове), kJ;

EII1 е енергията на изгаряне на GTHF, генерирана от енергията на прегрятия течен флуид на разглеждания блок и получена от съседни обекти kJ;

EII2 е енергията на изгаряне на PHF, образувана от течната фаза (LP) поради топлината на екзотермичните реакции, които не спират по време на намаляване на налягането, kJ;

EII3 е енергията на изгаряне на PHF. образуван от течен флуид поради топлинен приток от външни охлаждащи течности, kJ;

EII4 е енергията на изгаряне на PHF, генерирана от течна течност, разлята върху твърда повърхност (под, палет, почва и т.н.) поради пренос на топлина от среда(от твърда повърхност и въздух, към течност по нейната повърхност), kJ.

Въз основа на стойностите на общите енергийни потенциали на опасност от експлозия се определят стойностите на намалената маса и относителния енергиен потенциал, които характеризират опасността от експлозия на технологичните единици.

Намалената маса е общата маса на запалимите пари (газове) на експлозивен облак пара-газ, намалена до единична специфична енергия на горене, равна на 46000 kJ/kg:

Относителен енергиен потенциал на опасност от експлозия Qв на технологичен агрегат, който характеризира общата енергия на изгаряне и може да се намери чрез изчисление по формулата:

където E е общият енергиен потенциал на взривоопасността на технологичния блок.

Въз основа на стойностите на относителните енергийни потенциали Ov към приведената маса на парогазовата среда m се категоризират технологичните блокове. Индикаторите за категорията на опасност от експлозия на технологичните единици са дадени в таблица 1.

Таблица №

Категория на експлозия	Ов	м
аз	>37	>5000
II	27 − 37	2000−5000
III	<27	<2000

5. TNT еквивалент. Прекомерно налягане във фронта на ударната вълна

За да се оцени нивото на въздействие на случайни и умишлени смущения, широко се използва методът за оценка на еквивалент на TNT. Съгласно този метод степента на унищожаване се характеризира с тротилов еквивалент, където се определя масата на тротила, която е необходима за предизвикване на дадено ниво на унищожаване на експлозия на парогазова среда Wτ(kg). се определя в съответствие с условията за адекватност на естеството и степента на разделителна способност при експлозии на облаци пара-газ, както и твърди и течни химически нестабилни съединения, изчислени по формулите:

1 За парогазова среда

q/ − специфична топлина на изгаряне на парогазовата среда, kJ kg,

qT е специфичната енергия на експлозия на TNT kJ/kg.

2 За твърди и течни химически нестабилни съединения

където Wk е масата на твърди и течни химически нестабилни съединения; qk е специфичната енергия на експлозия на твърди и течни химически нестабилни съединения. При производството при експлозия на смес газ-въздух, пара-въздух или прах се образува ударна вълна. Степента на разделителна способност на строителни конструкции, оборудване, машини и комуникации, както и щетите на хората, зависи от свръхналягането във фронта на ударната вълна ΔRF (разликата между максималното налягане във фронта на ударната вълна и нормалното атмосферно налягане пред тази предна част).

Изчисленията за оценка на ефекта на запалими химически газове и течности се свеждат до определяне на свръхналягането във фронта на ударната вълна (ΔRF) по време на експлозия на смес газ-въздух на определено разстояние от контейнера, в който определено количество експлозив сместа се съхранява.

6. Изчисление за определяне на излишното налягане на експлозия

Изчисляването на свръхналягането на експлозия за запалими газове, запалими пари и горими течности се извършва съгласно методологията, посочена в NPB 105-03 „Определяне на категориите на помещения, сгради и външни инсталации за опасност от експлозия и пожар“.

Задача: определете свръхналягането на експлозия на сероводород в стая.

Начални условия

Водородният диоксид постоянно присъства в 20 m3 апарат. Устройството се намира на пода. Общата дължина на тръбопроводите с диаметър 50 mm, ограничена от вентили (ръчни), монтирани на входните и изходните участъци на тръбопроводите, е 15 m, разходът на сероводород в тръбопроводите е 4·10-3 m3/s . Размерите на помещението са 10х10х4м.

В помещението има аварийна вентилация с дебит на въздуха 8 h-1. Осигурена е аварийна вентилация с резервни вентилатори, автоматично пускане при превишаване на ПДК и захранване по първа категория на надеждност (PUE). Устройствата за отстраняване на въздуха от помещението се намират в непосредствена близост до мястото на възможна авария.

Основните строителни конструкции на сградата са стоманобетонни.

Обосновка на варианта за проектиране

Според NPB 105-03 най-неблагоприятната версия на аварията, която включва най-голям брой вещества, които са най-опасни по отношение на последствията от експлозия, трябва да се приеме като проектна версия на аварията.

И като конструктивна опция беше приета опцията за понижаване на налягането на резервоара със сероводород и изпускане както на входния, така и на изходящия тръбопровод на сероводород в обема на помещението.

1) Прекомерното налягане на експлозия за отделни запалими вещества, състоящи се от атоми C, H, O, N, Cl, Br, I, F, се определя по формулата

(1)

където е максималното налягане на експлозия на стехиометрична смес газ-въздух или пара-въздух в затворен обем, определено експериментално или от референтни данни в съответствие с изискванията на точка 3 от NPB -105-03. При липса на данни е разрешено да се вземе равно на 900 kPa;

Първоначално налягане, kPa (допуска се да бъде равно на 101 kPa);

Маса на запалим газ (GG) или запалими пари (FLV) и запалими течности (FL), изпуснати в помещението в резултат на аварията, kg;

Коефициентът на участие на горивото в експлозия, който може да се изчисли въз основа на естеството на разпределението на газовете и парите в обема на помещението според приложението. Позволено е да се вземе стойността според таблицата. 2 НПБ 105-03. Приемам го равно на 0,5;

Обем на свободното пространство, ;

Максималната абсолютна температура на въздуха за град Уфа се приема като проектна температура, равна на 39 ° C (съгласно SNiP 23-01-99 „Строителна климатология”).

По-долу е изчисление на стойностите, необходими за определяне на свръхналягането на експлозия на сероводород в стая.

Плътност на сероводород при проектна температура:

където M е моларната маса на сероводорода, 34,08 kg/kmol;

v0 – моларен обем, равен на 22,413 m3/kmol;

0,00367− коефициент на топлинно разширение, deg -1;

tp – проектна температура, 390С (абсолютна максимална температура на въздуха за град Уфа).

Стехиометричната концентрация на сероводород се изчислява по формулата:

;

където β е стехиометричният коефициент на кислорода в реакцията на горене;

nc, nn, n0, nх, е броят на атомите C, H, O и халогените в молекулата на горивото;

За сероводород (H2S) nc= 1, nн = 4, n0 = 0, nх = 0, следователно,

Замествайки намерената стойност на β, получаваме стойността на стехиометричната концентрация на сероводород:

Обемът на сероводорода, влизащ в помещението по време на проектна авария, се състои от обема на газа, напускащ апарата, и обема на газа, напускащ тръбопровода преди затваряне на клапаните и след затваряне на клапаните:

където Va е обемът газ, напускащ апарата, m3;

V1T е обемът газ, напускащ тръбопровода, преди да бъде изключен, m3;

V2T е обемът газ, изпуснат от тръбопровода след спирането му, m3;

където q е дебитът на течността, определен в съответствие с технологичния регламент, m3/s;

T е продължителността на газовия поток в обема на помещението, определена съгласно точка 38 от NPB 105-03 s;

където d е вътрешният диаметър на тръбопроводите, m;

Ln е дължината на тръбопроводите от аварийния апарат до клапаните, m;

По този начин обемът на сероводород, влизащ в помещенията по време на разглеждания сценарий на авария:

Маса на сероводород в помещението:

В случай на циркулация на запалими газове, запалими или запалими газове, запалими или запалими течности в помещението при определяне на стойността на масата е разрешено да се вземе предвид работата на аварийната вентилация, ако е снабдена с резервни вентилатори, автоматично стартиране - при превишаване на максимално допустимата взривобезопасна концентрация и захранване съгласно първа категория на надеждност (PUE) ), при условие че устройствата за отстраняване на въздуха от помещението са разположени в непосредствена близост до мястото на възможна авария.

В този случай масата на запалими газове или пари от запалими или запалими течности, нагрята до точка на възпламеняване и по-висока, влизаща в обема на помещението, трябва да се раздели на коефициента, определен по формулата

където е скоростта на обмен на въздух, създадена от аварийна вентилация, 1/s. Тази стая има вентилация с коефициент на обмен на въздух 8 (0,0022s);

Продължителността на навлизане на запалими газове и пари от запалими и горими течности в обема на помещението, s, се приема за 300 s. (клауза 7 NPB 105-03)

Маса на сероводород, присъстващ в помещението по време на разглеждания сценарий на авария:

Резултати от изчислението на експлозията

Опция №	Запалим газ	Стойност, kPa
Сероводород		5	Средни щети на сгради

Таблица. Максимално допустимо свръхналягане при изгаряне на смеси от газ, пара или прах и въздух на закрито или на открито

Изходните и изчислените данни са обобщени в таблица 2.

Таблица 2 - Изходни и изчислени данни

не	Име	Наименование	величина
1	Веществото, неговото наименование и формула	Сероводород	H2S
2	Молекулна маса, kg kmol-1	М	34,08
3	Плътност на течността, kg/m3	ρzh	-
4	Плътност на газа при проектна температура, kg/m3	ρg	1,33
5	Температура на околната среда (въздух преди експлозия), 0C	T0	39
6	Налягане на наситените пари, kPa	Rn	28,9
7	Стехиометрична концентрация, об.	Cst	29,24
8	Размери на стаята − дължина, m − ширина, m − височина, m
9	Размери на тръбата: − диаметър, m − дължина, m
10	Дебит на хептан в тръбопровода, m3/s	р	4·10-3
11	Време на затваряне на клапаните, s	t	300
12	Скорост на аварийна вентилация, 1/час	А	8
13	Максимално налягане на експлозия, kPa	Pmax	900
14	Първоначално налягане, kPa	P0	101
15	Изтичане и неадиабатен коефициент	Кн	3
16	Коефициент на участие на горивото при експлозия	З	0,5

Съгласно NPB 105-2003 категориите помещения за опасност от експлозия и пожар се приемат в съответствие с таблица 4.

Категория стая	Характеристики на веществата и материалите, намиращи се (циркулиращи) в помещенията
И експлозията и пожарът	Горими газове, запалими течности с температура на възпламеняване не по-висока от 28 ° C в такива количества, че могат да образуват експлозивни паро-газови смеси, при запалване на които се развива изчислено свръхналягане на експлозия в помещението, надвишаващо 5 kPa. Вещества и материали, способни да експлодират и горят при взаимодействие с вода, кислород на въздуха или помежду си в такива количества, че изчисленото свръхналягане на експлозия в помещението надвишава 5 kPa.
опасни от експлозия и пожар	Запалими прахове или влакна, запалими течности с точка на възпламеняване над 28 ° C, запалими течности в такива количества, че могат да образуват експлозивни смеси прах-въздух или пара-въздух, чието запалване развива изчислено свръхналягане на експлозия в помещението над 5 kPa.
B1-B4 пожароопасен	Запалими и слабо запалими течности, твърди запалими и слабо запалими вещества и материали (включително прах и влакна), вещества и материали, които при взаимодействие с вода, кислород на въздуха или помежду си могат да горят само при условие, че помещенията, в които те са на склад или в обращение и не принадлежат към категория А или Б.
Ж	Негорими вещества и материали в горещо, нажежено или разтопено състояние, обработката на които е придружена от отделяне на лъчиста топлина, искри и пламъци; запалими газове, течности и твърди вещества, които се изгарят или изхвърлят като гориво.
г	Незапалими вещества и материали в студено състояние,

Заключение: Помещението принадлежи към категория А, тъй като е възможно запалим газ (сероводород) да изтече в такива количества, че да образува експлозивни паро-газ-въздушни смеси, при запалването на които се развива изчислено свръхналягане на експлозия в помещението над 5 kPa.

8. Определяне на стойностите на енергийните показатели за опасност от експлозия на технологична единица по време на експлозия

Експлозивният енергиен потенциал E (kJ) на блок се определя от общата енергия на изгаряне на парогазовата фаза, намираща се в блока, като се вземе предвид големината на работата на нейното адиабатно разширение, както и големината на енергията на пълно изгаряне на изпарената течност от максимално възможната площ на нейното разливане и се счита:

1) в случай на аварийно намаляване на налягането на устройството, настъпва пълното му отваряне (разрушаване);

2) площта на разливане на течност се определя въз основа на проектните решения на сградите или площадката за външна инсталация;

3) времето за изпаряване се приема за не повече от 1 час:

Сума от енергиите на адиабатно разширение A (kJ) и изгаряне на PHF, разположен в блока, kJ:

q" =23380 kJ/kg - специфична топлина на изгаряне на HHF (сероводород);

26.9 - маса на запалим газ

.

За да определите практически енергията на адиабатното разширение на PHF, можете да използвате формулата

където b1 - може да се вземе от таблицата. 5. При адиабатен показател k=1,2 и налягане 0,1 MPa е равно на 1,40.

Таблица 5. Стойността на коефициента b1 в зависимост от адиабатния индекс на средата и налягането в технологичния блок

Индикатор	Налягане в системата, MPa
адиабати	0,07-0,5	0,5-1,0	1,0-5,0	5,0-10,0	10,0-20,0	20,0-30,0	30,0-40,0	40,0-50,0	50,0-75,0	75,0-100,0
k = 1,1	1,60	1,95	2,95	3,38	3,08	4,02	4,16	4,28	4,46	4,63
k = 1,2	1,40	1,53	2,13	2,68	2,94	3,07	3,16	3,23	3,36	3,42
k = 1,3	1,21	1,42	1,97	2,18	2,36	2,44	2,50	2,54	2,62	2,65
k = 1,4	1,08	1,24	1,68	1,83	1,95	2,00	2,05	2,08	2,12	2,15

0 kJ е енергията на изгаряне на PHF, подадена в зоната с понижено налягане от съседни обекти (блокове), kJ. Няма съседни блокове, така че този компонент е нула.

0 kJ е енергията на изгаряне на PHF, образувана от енергията на прегрятия течен флуид на разглеждания блок и получена от съседни обекти за време ti.

0 kJ е енергията на изгаряне на PHF, образувана от течна течност поради топлината на екзотермични реакции, които не спират по време на намаляване на налягането.

0 kJ е енергията на изгаряне на PHF, образувана от течен флуид поради приток на топлина от външни охлаждащи течности.

0 kJ е енергията на изгаряне на PHF, генерирана от течна течност, разлята върху твърда повърхност (под, палет, почва и т.н.) поради пренос на топлина от околната среда (от твърдата повърхност и въздуха към течността по нейната повърхност.

Експлозивният потенциал на блока е равен на:

E=628923.51 kJ.

Въз основа на стойностите на общите енергийни потенциали на опасността от експлозия E се определят стойностите на намалената маса и относителния енергиен потенциал, които характеризират опасността от експлозия на технологичните единици.

Общата маса на запалимите пари (газове) на експлозивен облак пара-газ t, намалена до единична специфична енергия на горене, равна на 46 000 kJ/kg:

Относителният енергиен потенциал на експлозивна опасност Qв на технологичен агрегат се намира чрез изчисление по формулата

Въз основа на стойностите на относителния енергиен потенциал Qв и приведената маса на парогазовата среда m се категоризират технологичните блокове. Показателите на категорията са дадени в табл. 5.

Таблица 4. Индикатори за категориите на опасност от експлозия на технологични единици

Категория на експлозия	кв	м, кг
аз	> 37	> 5000
II	27 - 37	2000 - 5000
III	< 27	< 2000

Заключение: Помещението принадлежи към III категория на опасност от експлозия, тъй като общата маса на експлозивния облак от пара и газ от сероводород, намалена до единична специфична енергия на изгаряне, е равна на 16,67 kg, относителният енергиен потенциал на опасността от експлозия е равен на до 5.18.

9. Изчисляване на експлозивната концентрация на газовъздушната смес в помещението. Определяне на класа на помещенията по взриво- и пожароопасност съгласно Електрическия правилник

Нека определим обема на експлозивната концентрация на сероводород в помещението:

където t е масата на паровъздушната смес в помещението, kg,

LKPV - долна концентрационна граница на възпламеняване, g/m3.

Концентрацията на паровъздушната смес в помещението ще бъде:

където VCM е обемът на експлозивната концентрация на сероводород в помещението, m3, VC6 е свободният обем на помещението, m3.

Резултатите от изчисленията са представени в таблица 6.

Таблица 6. Резултати от изчисляване на концентрацията на сместа газ-въздух

Съгласно PUE въпросните помещения принадлежат към клас B-Ia - зони, разположени в помещения, в които по време на нормална работа не се образуват експлозивни смеси от запалими газове (независимо от долната граница на запалимост) или изпарения на запалими течности с въздух, но са възможни само в резултат на аварии и неизправности.

10. Определяне на зони на унищожение по време на експлозия. Класификация на зоните на увреждане

Радиусите на зоните на унищожаване по време на експлозия на газо-въздушна смес се определят съгласно методиката, посочена в Приложение 2 на PB 09-540-03.

Масата на веществата пара-газ (kg), участващи в експлозията, се определя от продукта

където z е частта от намалената маса на сероводород, участваща в експлозията (за GG е равна на 0,5),

t – масата на сероводорода в помещението, kg.

TNT еквивалентът може да се използва за оценка на нивото на излагане на експлозия. TNT еквивалентът на експлозия на парно-газова среда WT (kg) се определя в съответствие с условията на адекватност на естеството и степента на унищожаване по време на експлозии на паро-газови облаци, както и твърди и течни химически нестабилни съединения.

За парогазови среди тротиловият еквивалент на експлозия се изчислява:

където 0,4 е частта от енергията на експлозията на парогазовата среда, изразходвана директно за образуването на ударна вълна;

0,9 – част от енергията на експлозията на тринитротолуола (TNT), изразходвана директно за образуването на ударна вълна;

q" - специфична топлина на изгаряне на парогазовата среда, kJ/kg;

qT е специфичната енергия на експлозия на TNT, kJ/kg.

Зоната на разрушаване се счита за зона с граници, определени от радиуси R, чийто център е разглежданата технологична единица или най-вероятното място на понижаване на налягането на технологичната система. Границите на всяка зона се характеризират със стойностите на свръхналягането по предната част на ударната вълна AR и съответно с безразмерния коефициент K. Класификацията на зоните на разрушаване е дадена в таблица 6.

Таблица 7. Ниво на възможно унищожаване при експлозивна трансформация на облаци от смеси гориво-въздух

Клас на зоната на счупване	ΔР, kPa	ДО	Зона на унищожение	Характеристики на засегнатата област
1	≥100	3,8	пълен	Унищожаване и срутване на всички елементи на сгради и съоръжения, включително мазета, процент на оцеляване на хората; За административни сгради и управленски сгради с конвенционален дизайн - 30%; За промишлени сгради и конструкции с конвенционален дизайн - 0%.
2	70	5,6	силен	Разрушаване на част от стените и таваните на горните етажи, образуване на пукнатини в стените, деформация на таваните на долните етажи. Възможно ограничено използване на оцелелите мазета след разчистване на входовете. Процент на оцеляване на човека: За административни сгради и управленски сгради с конвенционален дизайн - 85%: За промишлени сгради и конструкции с конвенционален дизайн - 2%
3	28	9,6	средно	Унищожаване на основно второстепенни елементи (покриви, прегради и пълнежи на врати). Подовете, като правило, не се срутват. Някои от помещенията са годни за ползване след разчистване на отпадъците и извършване на ремонт. Процентът на оцеляване на хората: - за административни сгради и управленски сгради с конвенционален дизайн - 94%.
4	14	28	слаб	Унищожаване на пълнеж на прозорци и врати и прегради. Сутерените и долните етажи са напълно запазени и са годни за временно ползване след отстраняване на отпадъци и запечатване на отвори. Процентът на оцеляване на хората: - за административни сгради и контролни сгради с конвенционален дизайн - 98%; промишлени сгради и съоръжения с конвенционален дизайн - 90%
5	≤2	56	остъкляване	Унищожаване на стъклени пломби. Процентът на оцелелите е 100%

Радиусът на зоната на унищожаване (m) обикновено се определя от израза:

където K е безразмерен коефициент, характеризиращ въздействието на експлозия върху обект.

Резултатите от изчисляването на радиусите на зоните на повреда по време на експлозия на гориво-въздушна смес в помещението са представени в таблица 7.

Таблица 7 - Резултати от изчисляването на радиусите на зоните на повреда

Списък на използваните източници

1. Бесчастнов M.V. Индустриални експлозии. Оценка и профилактика. - М. Химия, 1991.

2. Безопасност на живота, Безопасност на технологичните процеси и производство (Безопасност на труда): Учебник, Наръчник за ВУЗ / П.П.Кукин, В.Л. Лапин, Н, Л. Пономарев и др., - М.,: Висше. училище t 2001,

3. PB 09-540-03 „Общи правила за безопасност при експлозия за опасни от пожар и експлозия химическа, нефтохимическа и нефтопреработваща промишленост.“

4. ГОСТ 12.1,010-76* Безопасност при експлозия

5. NPB 105-03 „Определяне на категориите помещения и сгради, външни инсталации за опасност от експлозия и пожар.“

6. SNiP 23 -01-99 Строителна климатология.

7. Опасност от пожар и експлозия на вещества и материали и средства за тяхното гасене. Изд. А„ Н. Баратова и А. Я. Королченко. М., Химия, 1990. 8. Правила за проектиране на електрически инсталации. Изд. 7-ми.

Изследването на процесите на горене на запалими смеси от руски и чуждестранни учени позволи теоретично да обоснове много явления, съпътстващи процеса на горене, включително скоростта на разпространение на пламъка. Изследването на скоростта на разпространение на пламъка в газови смеси позволява да се определят безопасните скорости на потоците газ-въздух във вентилационните, рекуперационните, аспирационните тръбопроводи и в тръбопроводите на други инсталации, през които се транспортират газови и праховъздушни смеси.

През 1889 г. руският учен В.А. Майкелсън разглежда два ограничаващи случая на разпространение на пламъка по време на нормално или бавно горене и по време на детонация.

Теорията за нормалното разпространение на пламъка и детонацията е доразвита в трудовете на N.N. Семенова, К.И. Щелкина, Д.А. Франк-Каменецки, Л.Н. Хитрина, А.С. Соколика, В.И. Скобелкин и други учени, както и чуждестранни учени Б. Луис, Г. Елбе и др. В резултат на това е създадена теорията за възпламеняване на експлозивни смеси. Въпреки това, опитите да се интерпретират явленията на разпространение на пламъка като дифузия на активни центрове или да се обяснят границите на разпространение на пламъка чрез условията на прекъсване на веригата не са достатъчно убедителни.

През 1942 г. съветският учен Я.Б. Зелдович формулира принципите на теорията за горене и детонация на газове. Теорията на горенето дава отговор на основните въпроси: ще бъде ли запалима смес от даден състав, каква ще бъде скоростта на горене на експлозивна смес, какви характеристики и форми на пламъка трябва да се очакват. Теорията твърди, че експлозията на газ или паровъздушна смес не е мигновено явление. Когато в горимата смес се въведе източник на запалване, в зоната на действие на източника на запалване започва окислителна реакция на горивото с окислителя. Скоростта на окислителната реакция в някакъв елементарен обем на тази зона достига максимум - възниква изгаряне. Горенето на границата на елементарен обем със средата се нарича фронт на пламъка. Фронтът на пламъка има формата на сфера. Дебелината на фронта на пламъка, според изчисленията на Я.Б. Зелдович, равен на 1 – 100 микрона. Въпреки че дебелината на зоната на горене е малка, тя е достатъчна за протичане на реакцията на горене. Температурата на фронта на пламъка, дължаща се на топлината на реакцията на горене, е 1000 - 3000 0 С и зависи от състава на горимата смес. В близост до фронта на пламъка температурата на сместа също се повишава, което се дължи на пренос на топлина чрез проводимост, дифузия на нагрети молекули и радиация. На външната повърхност на фронта на пламъка тази температура е равна на температурата на самозапалване на горимата смес. Изменението на температурата на сместа по оста на тръбата в моменти от време е показано графично на фиг. 4.1. Газов слой CC 1, при което температурата на сместа се повишава, представлява фронта на пламъка. С повишаване на температурата фронтът на пламъка се разширява (до КК 2) към крайните стени на тръбата АИ М, измествайки неизгорялата смес към стената с определена скорост М, а изгорелия газ към стената А. След запалване на горимата смес, сферичната форма на пламъка много бързо се изкривява и все повече се разтяга към сместа, която още не е запалена. Удължаването на фронта на пламъка и бързото увеличаване на повърхността му е съпроводено с увеличаване на скоростта на движение

централната част на пламъка. Това ускорение продължава, докато пламъкът докосне стените на тръбата или във всеки случай се приближи близо до стената на тръбата. В този момент размерът на пламъка рязко намалява и остава само малка част от пламъка, покриваща цялото напречно сечение на тръбата. Разширяването на фронта на пламъка и интензивното му ускорение веднага след запалване от искра, когато пламъкът все още не е достигнал стените на тръбата, се причиняват от увеличаване на обема на продуктите от горенето. Така в началния етап на процеса на образуване на фронта на пламъка, независимо от степента на запалимост на газовата смес, се получава ускоряване и последващо спиране на пламъка, като това спиране ще бъде по-голямо, колкото по-висока е скоростта на пламъка.

ориз. 4.1. Изменение на температурата пред и зад фронта на пламъка: 1 – зона

продукти от горенето; 2 – фронт на пламъка; 3 – зона на самозапалване;

4 – зона за предварително нагряване; 5 – изходна смес

Развитието на следващите етапи на горене се влияе от дължината на тръбата. Удължаването на тръбата води до появата на вибрации и образуването на клетъчна структура на пламък, ударни и детонационни вълни.

Нека разгледаме ширината на нагревателната зона пред фронта на пламъка. В тази зона не протича химическа реакция и не се отделя топлина. Ширина на нагревателната зона л(в cm) може да се определи от зависимостта:

Къде А– коефициент на топлопроводимост; v– скорост на разпространение на пламъка.

За сместа метан-въздух ширината на зоната на нагряване е 0,0006 m; за сместа водород-въздух е много по-малка (3 микрона). Последващо изгаряне възниква в смес, чието състояние вече е променено в резултат на топлопроводимост и дифузия на компоненти от съседни слоеве. Добавянето на реакционни продукти няма специфичен каталитичен ефект върху скоростта на движение на пламъка.

Нека сега разгледаме скоростта на движение на фронта на пламъка през газовата смес. Линейна скорост на движение v(в m/s) може да се определи по формулата

където е масовата скорост на изгаряне, g / (cm × m 2), p е плътността на първоначалната горима смес, kg / m 3.

Линейната скорост на движение на фронта на пламъка не е постоянна, тя варира в зависимост от състава на сместа и примеса на инертни (незапалими) газове, температурата на сместа, диаметъра на тръбите и др. скоростта на разпространение на пламъка се наблюдава не при стехиометричната концентрация на сместа, а в смес с излишък на гориво. Когато инертни газове се въвеждат в запалима смес, скоростта на разпространение на пламъка намалява. Това се обяснява с намаляването на температурата на горене на сместа, тъй като част от топлината се изразходва за нагряване на инертни примеси, които не участват в реакцията. Скоростта на разпространение на пламъка се влияе от топлинния капацитет на инертния газ. Колкото по-голям е топлинният капацитет на инертен газ, толкова повече той намалява температурата на горене и толкова повече намалява скоростта на разпространение на пламъка. Така в смес от метан с въздух, разреден с въглероден диоксид, скоростта на разпространение на пламъка е приблизително три пъти по-малка, отколкото в смес, разредена с аргон.

Когато сместа е предварително загрята, скоростта на разпространение на пламъка се увеличава. Установено е, че скоростта на разпространение на пламъка е пропорционална на квадрата на началната температура на сместа.

С увеличаване на диаметъра на тръбите скоростта на разпространение на пламъка се увеличава неравномерно.

Когато диаметърът на тръбата се увеличи до 0,10 - 0,15 m, скоростта се увеличава доста бързо; с по-нататъшно увеличаване на диаметъра на тръбите, той продължава да се увеличава, но в по-малка степен. Температурата се повишава, докато диаметърът достигне определен граничен диаметър, над който скоростта не се увеличава. С намаляване на диаметъра на тръбата скоростта на разпространение на пламъка намалява и при определен малък диаметър пламъкът не се разпространява в тръбата. Това явление може да се обясни с увеличаване на топлинните загуби през стените на тръбата.

Следователно, за да се спре разпространението на пламък в горима смес, е необходимо да се понижи температурата на сместа по един или друг начин, като охладите съда (в нашия пример, тръба) отвън или разредете сместа със студен инертен газ.

Нормалната скорост на разпространение на пламъка е сравнително ниска (не повече от десетки метри в секунда), но при някои условия пламъкът в тръбите се разпространява с огромна скорост (от 2 до 5 km/s), надвишаваща скоростта на звука в дадена среда. Това явление се нарича детонация. Отличителните характеристики на детонацията са следните:

1) постоянна скорост на горене, независимо от диаметъра на тръбата;

2) високо налягане на пламъка, причинено от детонационната вълна, което може да надвишава 50 MPa в зависимост от химическата природа на горимата смес и първоначалното налягане; Освен това, поради високата скорост на горене, развитото налягане не зависи от формата, капацитета и херметичността на съда (или тръбата).

Нека разгледаме прехода от бързо изгаряне към детонация в дълга тръба с постоянно напречно сечение, когато сместа се запали в затворения край. Под натиска на фронта на пламъка в горимата смес се появяват вълни на компресия - ударни вълни. При ударната вълна температурата на газа се повишава до стойности, при които се случва самозапалване на сместа далеч пред фронта на пламъка. Този режим на горене се нарича детонация. Тъй като фронтът на пламъка се движи, движението на слоевете, съседни на стената, се забавя и съответно се ускорява движението на сместа в центъра на тръбата; разпространение

Растежът в напречното сечение става неравномерен. Появяват се струи от газови смеси, чиято скорост е по-малка от средната скорост на газовата смес при нормално горене и струи, които се движат по-бързо. При тези условия скоростта на пламъка спрямо сместа се увеличава, количеството изгорен газ за единица време се увеличава и движението на фронта на пламъка се определя от максималната скорост на газовата струя.

С ускоряването на пламъка амплитудата на ударната вълна също се увеличава и температурата на компресия достига температурата на самозапалване на сместа.

Увеличаването на общото количество изгорен газ за единица време се обяснява с факта, че в струя с променлива скорост на напречното сечение фронтът на пламъка се огъва; в резултат на това повърхността му се увеличава и пропорционално се увеличава количеството на горивния материал.

Един от начините за намаляване на скоростта на горене на запалими смеси е да се въздейства върху пламъка с инертни газове, но поради ниската им ефективност понастоящем се използва химическо инхибиране на горенето чрез добавяне на халогенирани въглеводороди към сместа.

Горимите газови смеси имат две теоретични температури на горене - при постоянен обем и при постоянно налягане, като първата винаги е по-висока от втората.

Методът за изчисляване на калориметричната температура на горене при постоянно налягане е разгледан в раздел 1. Нека разгледаме метода за изчисляване на теоретичната температура на горене на газови смеси при постоянен обем, което съответства на експлозия в затворен съд. Основата за изчисляване на теоретичната температура на горене при постоянен обем са същите условия, както е посочено в подраздел. 1.7.

При изгаряне на газови смеси в затворен обем продуктите от горенето не извършват работа; Енергията на експлозията се изразходва само за нагряване на продуктите на експлозията. В този случай общата енергия се определя като сбор от вътрешната енергия на експлозивната смес Q ext.en.cm и топлината на изгаряне на даденото вещество. Стойността на Q int.en.cm е равна на сумата от произведенията на топлинните мощности на компонентите на експлозивната смес при постоянен обем и началната температура на сместа

Q int.en.cm = s 1 T + s 2 T +… + s n T,

където с 1, с 2, с n са специфичните топлинни мощности на компонентите, които съставят експлозивната смес, kJ / (kg × K); T е началната температура на сместа, K.

Стойността на Q ext.en.cm може да се намери в справочните таблици. Температурата на експлозия на газови смеси при постоянен обем се изчислява по същия метод като температурата на горене на сместа при постоянно налягане.

Температурата на експлозия се използва за определяне на налягането на експлозия. Налягането по време на експлозия на газово-въздушна смес в затворен обем зависи от температурата на експлозията и съотношението на броя на молекулите на продуктите на горенето към броя на молекулите в експлозивната смес. Когато сместа газ-въздух експлодира, налягането обикновено не надвишава 1,0 MPa, ако първоначалното налягане на сместа е нормално. При замяна на въздуха в експлозивна смес с кислород, налягането на експлозията се увеличава рязко с повишаване на температурата на горене.

По време на експлозията дори на стехиометрична смес газ-въздух значително количество топлина се изразходва за нагряване на азота в сместа, така че температурата на експлозия на такива смеси е много по-ниска от температурата на експлозия на смеси с кислород. По този начин налягането на експлозия на стехиометрична смес от метан, етилен, ацетон и метилов етер

ra с кислород е 1,5 – 1,9 MPa, а стехиометричните им смеси с въздух са 1,0 MPa.

Максималното налягане на експлозия се използва при изчисляване на устойчивостта на експлозия на оборудване, както и при изчисления на предпазни клапани, взривни мембрани и корпуси на взривозащитено електрическо оборудване.

Налягането на експлозия P adult (в MPa) на смеси газ-въздух се изчислява по формулата

,

където P 0 – начално налягане на експлозивната смес, MPa; T0 и Texp – начална температура на взривната смес и температура на взривяване, K; – броят на молекулите на газовете от продуктите на горенето след експлозията; – броят на молекулите на газовете в сместа преди експлозията.

Пример 4.1 . Изчислете налягането по време на експлозия на смес от пари на етилов алкохол и въздух.

.

P 0 = 0,1 MPa; T възрастен = 2933 K; T 0 = 273 + 27 = 300 K; = 2 + 3 + 11,28 = 16,28 mol; = 1 + 3 + 11,28 = 15,28 mol.