Tр -температура среды в аппарате, 0С. 1 страница

11. Как изменяется температура вспышки горючих растворов при изменении концентрации горючего компонента?

Все горючие жидкости способны испаряться, и горение их происходит только в паровой фазе, находящейся над поверхностью жидкости. Количество паров зависит от состава и температуры жидкости. Горение паров в воздухе возможно лишь при определенной их концентрации.

Наименьшая температура жидкости, при которой концентрация ее паров в смеси с воздухом обеспечивает воспламенение смеси от открытого источника зажигания без последующего устойчивого горения, называется температурой вспышки. При температуре вспышки не возникает стабильного горения, поскольку при этой температуре концентрация смеси паров жидкости с воздухом не является устойчивой, что необходимо для такого горения. Количество тепла, выделенного при вспышке, недостаточно для продолжения горения, а вещество еще недостаточно нагрето. Для того чтобы воспламенить жидкость, нужен не кратковременный, а длительно действующий источник зажигания, температура которого была бы выше температуры самовоспламенения смеси паров этой жидкости с воздухом.

В соответствии с ГОСТ 12.1.004-76 под горючей жидкостью (ГЖ) понимают жидкость, способную самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющую температуру вспышки выше +61° С (в закрытом тигле) или +66° С (в открытом тигле).

Легковоспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) - это жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки не выше +61° С (в закрытом тигле) или +66° С (в открытом тигле).

Температура вспышки является низшей температурой, при которой жидкость становится особо опасной в пожарном отношении, поэтому ее величина принята в основу классификации горючих жидкостей по степени их пожарной опасности. Пожаровзрывоопасность жидкостей может характеризоваться также температурными пределами воспламенения ее паров.

Температура вспышки и нижний температурный предел воспламенения (НТПР) сходны. Отличие состоит лишь в методике их определения.

Температурные пределы воспламенения - температуры, при которых насыщенные пары вещества образуют в данной окислительной среде концентрации, равные, соответственно, нижнему и верхнему концентрационным пределам воспламенения жидкостей.

При концентрациях горючего ниже НКПР и выше ВКПР его смеси с воздухом негорючи.

Скорость распространения пламени и его температура, а, следовательно, и температура вспышки минимальны в предельных смесях, т.е. при концентрациях горючего, равных НКПР и ВКПР.

12. Методы определения концентрации насыщенного пара в аппаратах и резервуарах, и оценка их опасности

Аппараты, резервуары и емкости с горючими жидкостями обычно не бывают заполнены до предела, т. е. имеют определенный свободный объем. Так как жидкости обладают свойством испаряться при любой температуре, то свободное пространство закрытых аппаратов постепенно насыщается парами. При наличии в этом пространстве воздуха (или другого окислителя) пары жидкости, смешиваясь с ним, могут образовать горючие смеси.

Концентрация в паровоздушном пространстве аппаратов с горючими однородными и неоднородными жидкостями близка к концентрации насыщенного пара.

Концентрация насыщенного пара при рабочей температуре жидкости s определяется величиной давления насыщенного пара Ps и общего давления Робщ в объеме паровоздушного пространства аппарата по формуле:

Величину можно определить по уравнению Антуана:

где А, В и - константы, зависящие от свойств жидкости;

- рабочее давление паровоздушной смеси в аппарату (абсолютное давление в герметичном аппарате или барометрическое давление в «дышащем» аппарате), Па.

Следовательно, концентрация насыщенных паров является функцией температуры s=f(T), но не при любой температуре жидкости смесь ее паров с воздухом способна к воспламенению.

В некоторых случаях температура жидкости будет слишком мала для того, чтобы возникла пожароопасная концентрация паров, т. е. концентрация паровоздушной смеси в аппарате будет ниже нижнего предела воспламенения. В других случаях температура жидкости настолько повысится, что концентрация паровоздушной смеси в аппарате будет слишком богатой, т. е. выше верхнего предела воспламенения.

Отсюда вытекает, что обязательными условиями для образования взрывоопасных (горючих) концентраций паров в закрытых аппаратах и емкостях с жидкостями являются:

- наличие паровоздушного пространства в аппарате;

- наличие в аппарате горючей жидкости, рабочая температура которой находится в интервале между нижним и верхним температурными пределами воспламенения с учетом запаса надежности и при условии, что концентрация паров в свободном пространстве аппарата с пожароопасной жидкостью является насыщенной и остается неизменной во время его эксплуатации условие образования ВОК определяют следующим образом:

(8)

где t_раб —рабочая температура жидкости в аппарате, град;

t_нпв, t_впв— соответственно нижний и верхний температурные пределы воспламенения жидкости, град.

В производственных условиях получают нлн используют в технологическом процессе разнообразные горючие газы при различных температурах и давлении.

Наличие горючей смеси газа с воздухом внутри аппаратов и трубопроводов может быть выражено следующим образом:

(9)

Запас надежности для нижнего концентрационного предела воспламенения принимают равным 50% от его значения

где К — коэффициент, зависящий от численной величины верхнего предела воспламенения.

Для веществ с невысоким значением верхнего концентрационного предела распространения пламени К = 1.04 -1.1

Для веществ с высоким значением верхнего концентрационного предела распространения пламени (например, ацетилен, водород, метиловый спирт и тому подобные вещества) К =1.31-2.52

В производственных условиях тонко измельченные твердые горючие вещества могут являться конечным продуктом (пылевидное топливо, древесная мука, сахарная пудра и т.д.) или отходами и побочными продуктами производства (мучная, табачная, древесная пыль и т. д.).

Наиболее важное значение имеет нижний предел воспламенения пыли, так как величина верхнего предела очень высока и практически редко достижима. Таким образом, условием наличия взрывоопасной концентрации пыли внутри аппаратов будет Сд>Снпв.

13. Линейная скорость выгорания и скорость распространения пламени по ГЖ – это одно и то же понятие или нет?

Различают две скорости горения жидкостей — массовую и линейную. Массовой скоростью G называется масса жидкости (кг), выгорающей в единицу времени (ч, мин) с единицы поверхности. Под линейной скоростью v горения жидкости понимают высоту ее слоя (мм, см), выгорающего в единицу времени:

G =/1000, (1)

= h/, (2)

где — плотность жидкости, кг/м*;

h — высота слоя сгоревшей жидкости, мм;

— время горения.

Зная или определив линейную скорость выгорания, можно вычислить массовую и наоборот.

Скорость горения жидкостей непостоянна и изменяется в зависимости от начальной температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости в резервуаре, скорости ветра и других факторов. Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. С увеличением диаметра скорость сгорания сначала уменьшается, а затем возрастает, пока не достигает определенного постоянного значения для данной жидкости. Такая зависимость обусловлена различными причинами.

На скорость горения в малых горелках существенно влияют стенки, так как пламя, соприкасаясь с ними, нагревает верхнюю кромку до высокой температуры. От верхней кромки тепло теплопроводностью распространяется по всей стенке и передастся жидкости. Этот дополнительный приток тепла со стороны стенки увеличивает скорость испарения жидкости. Увеличение скорости горения с увеличением диаметра связано с переходом от ламинарного режима горения к турбулентному. Этот переход сопровождается уменьшением полноты сгорания, а большое количество выделяющейся сажи способствует увеличению степени черноты пламени, что приводит к увеличению теплового потока от пламени. При турбулентном горении обеспечивается наиболее быстрый отвод паров от поверхности жидкости, увеличивается скорость испарения.

Перемещение фронта пламени по поверхности ГЖ называется распространением пламени и характеризуется скоростью распространения пламени v (в м/мин):

V = l/ , (3)

где l — расстояние, пройденное фронтом пламени, м;

— время перемещения фронта пламени, мин.

Как следует из определений, скорость распространения пламени по ГЖ и линейная скорость – разные понятия.

14. Существует ли связь между температурными и концентрационными пределами РП?

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПРП и ВКПРП) - минимальная (максимальная) концентрация горючего вещества (газа, паров горючей жидкости) в однородной смеси с окислителем (воздух, кислород и др.) при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания (открытое внешнее пламя, искровой разряд).

Если концентрация горючего вещества в смеси меньше нижнего предела распространения пламени, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если концентрация горючего вещества в смеси находится между нижним и верхним пределами распространения пламени, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов распространения пламени (называемых также пределами воспламеняемости и пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. Если концентрация горючего вещества в смеси превышает верхний предел распространения пламени, то количества окислителя в смеси недостаточно для полного сгорания горючего вещества.

Температурные пределы распространения пламени - это температуры жидкости, при которых её насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени. Таким образом, между температурными и концентрационными пределами распространения пламени связь очевидна.

Очевидно, что чем меньше нижний температурный предел распространения пламени и чем, шире диапазон между НТПРП и ВТПРП, тем опаснее горючая жидкость.

Температурные пределы распространения пламени учитывают при расчёте пожаро- и взрывоопасных температурных режимов работы закрытых технологических аппаратов.

Значения НТПРП и температуры вспышки обычно равны между собой. Однако на практике определение этих параметров проводят на разных установках и полученные данные несколько различаются (иногда на несколько градусов). Поэтому нижний температурный предел распространения пламени можно рассчитав по формуле:

НТПРП = tВСП – С , (1)

где tВСП - температура вспышки исследуемого вещества, °С;

С– константа, допускается принимать С = 2, если температура вспышки определена в закрытом тигле и С = 8, если температура вспышки определена в открытом тигле.

Температурные пределы распространения пламени при нормальном атмосферном давлении для горючих органических соединений можно рассчитать по формулам:

НТПРП = К1tкип - l 1 , (2)

ВТПРП = К2tкип – l 2 , (3)

где tкип -температура кипения жидкости или температура начала кипения раствора неоднородных жидкостей, OC;

К и l - коэффициенты, определяемые по специальным таблицам. Для нормальных алканов они соответственно будут равны: K1=0,69, K2=0,78, l1=73,8; l2=50,3.

15. По какому параметру классифицируются жидкости на ЛВЖ (легковоспламеняющаяся жидкость) и ГЖ (горючая жидкость)?

В нашей стране уже в течение многих десятилетий промышленные горючие жидкости делят на те, пары которых обладают взрывоопасными свойствами при взаимодействии с кислородом воздуха, и на те, которые в этих условиях могут только гореть, образуя диффузионное пламя над жидкой поверхностью. Первые из них называют легковоспламеняющимися жидкостя- ми (ЛВЖ), а вторые – горючими жидкостями (ГЖ). Само деление рабочих жидкостей на ЛВЖ и ГЖ согласно ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения проводится по температуре вспышки, разделяющее значение которой, как известно, равно 61 0 С в закрытом тигле и/или 66 0 С в открытом тигле

Вспышка - быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Температура вспышки—наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.

Значение температуры вспышки следует применять для характеристики пожарной опасности жидкости, включая эти данные в стандарты и технические условия на вещества; при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и взрывобезопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения температуры вспышки.

16. Расположите в порядке возрастания температурные параметры пожарной опасности; t горения, t вспышки, t кипения, ВТПР, t самовоспламенения, НТПР, t воспламенения

Температурой вспышки паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей является наинизшая температура при давлении 760 мм рт. столба, при которой пары этих жидкостей, нагреваемых в определенных условиях, образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.

Вспышка отличается от воспламенения кратковременностью. Температура вспышки является одним из важных показателей степени пожарной опасности жидкости.

Температурой воспламенения называется температура, при которой нагреваемое в определенных условиях вещество загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее 5 секунд.

Смесь некоторых органических веществ может воспламеняться и гореть не только при соединении с кислородом воздуха, но и с хлором, озоном и другими окислителями; пары некоторых взрывчатых веществ, например, метилни- трита, нитроглицерина и др., могут воспламеняться и гореть даже без кислорода воздуха и других окислителей.

Термин «воспламенение» часто смешивают с термином «самовоспламенение». В действительности эти термины различны, так как воспламенение паров и газов веществ происходит от соприкосновения их с открытым пламенем, а самовоспламенение происходит от соприкосновения нагретого до известной температуры вещества с кислородом воздуха.

(ВТПР) или верхним температурным пределом распространения пламени называется температура жидкости, при которой концентрация паров над ее поверхностью равна соответствующему концентрационному пределу.

Расчет температурных пределов распространения пламени основывается на нахождении таких температур жидкости, при которых концентрация насыщенных паров соответствует НКПР и ВКПР.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) применяются при расчете пожаровзрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования, (включаются в стандарты и технические условия на горючие жидкости), при оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей и для расчета КПР. За безопасную температуру нагрева жидкости принимается температура, равная:

t_без £ НТПР - 15 °С и t_без ³ ВТПР + 15 °С.

Кипение — бурный переход вещества из жидкого состояния в парообразное, происходящий во всей массе жидкости, в отличие от испарения, при котором парообразование происходит только на свободной поверхности жидкости. Кипение данной жидкости при нормальном атмосферном давлении происходит при определенной температуре, называемой точкой кипения. При повышении давления температура кипения повышается, при понижении давления понижается. Чем ниже температура кипения горючей жидкости, тем эта жидкость опаснее в пожарном отношении. Способность огнеопасных жидкостей испаряться связана с возможностью пожара, так как при этом может образоваться горючая или взрывоопасная смесь их паров с кислородом воздуха.

Самовоспламенением называется процесс воспламенения в присутствии кислорода воздуха твердых, жидких и газообразных веществ, нагретых внешним источником тепла до известной температуры.

Температура самовоспламенения данного вещества в зависимости от условий может быть различной. При самовоспламенении огнеопасных веществ большое значение имеют катализаторы. Примесь другого вещества также резко влияет на температуру самовоспламенения.

Температура самовоспламенения твердых веществ, которые при нагревании выделяют горючие газы, невысока.

Самовоспламенение таких огнеопасных жидкостей, как бензин, нефть, мазут, масла и т.п., может происходить не только после нагрева их до определенной температуры в закрытом сосуде, но и в том случае, если эти жидкости при нормальной температуре попадают на оголенные горячие паропроводы, выхлопные трубы и другие нагретые поверхности.

Под температурой горения понимают максимальную температуру, до

которой нагреваются продукты горения. Принято различать адиабатическую температуру горения, рассчитываемую без учета потерь тепла в окружающее пространство, и действительную температуру горения, учитывающую эти теплопотери.

Температура горения зависит от концентрации горючего в горючей смеси. Если горение происходит с избытком воздуха, т.е. при > 1, то выделившееся в результате сгорания тепло частично затрачивается на нагрев этого лишнего воздуха. В горючей смеси с < 1 из-за недостатка воздуха полное сгорание горючего вещества произойти не может, поэтому и тепловыделение в такой смеси будет неполным. Из этого можно сделать вывод, что максимальная температура горения будет при сгорании стехиометрической смеси, т.е. при = 1.

Можно привести положение в температурной шкале данных показателей по возрастанию: t° вспышки; t° воспламенения; ВТПР; t° кипения; t° самовоспламенения; t° горения.

17. Температурные пределы РП, их практическое значение

Очевидно, что чем меньше нижний температурный предел распространения пламени и чем, шире диапазон между НТПРП и ВТПРП, тем опаснее горючая жидкость. Температурные пределы распространения пламени учитывают при расчёте пожаро- и взрывоопасных температурных режимов работы закрытых технологических аппаратов.

Значения НТПРП и температуры вспышки обычно равны между собой. Однако на практике определение этих параметров проводят на разных установках и полученные данные несколько различаются (иногда на несколько градусов). Поэтому нижний температурный пред ел распространения пламени можно рассчитав по формуле:

НТПРП = t_ВСП – С , (1)

где t_ВСПтемпература вспышки исследуемого вещества, °С;

НТПРП = К1t_кип - l 1 , (2)

ВТПРП = К2t_кип – l 2 , (3)

где t_кип- температура кипения жидкости или температура начала кипения раствора неоднородных жидкостей, OC;

Температурные пределы распространения пламени необходимо учитывать при расчёте безопасных температурных режимов работы закрытых технологических аппаратов. Оптимальными условиями работы технологических аппаратов являются температурные режимы ниже нижнего или выше верхнего температурных пределов распространения пламени. При этом необходимо учитывать, что в реальных условиях возможно неравномерное распределение концентраций в паровом объёме аппарата. Поэтому к температурным пределам принимается некоторый «запас прочности», и безопасными считают температуры на 10 °С ниже НТПРП и на 15 °С выше ВТПРП. Если же это условие безопасности не выполняется и аппарат работает в области опасных температур, то необходимо использовать следующие технические решения: применение высокогерметичного оборудования; ликвидация паровоздушного объёма в аппарате; применение ингибирующих (химически активных) и флегматизирующих (инертных) добавок, введение в горючую жидкость Kaкиx-либо добавок, снижающих парциальное давление (например, разбавление ацетона или этилового спирта водой); употребление различных веществ, способных не разрушаясь, плавать на поверхности горючей жидкости и создавать защитный слой и т.п. Такие показатели пожарной опасности, как t _ВСП,t_воспл, НТПРП, ВТПРП определяют с использованием внешнего источника зажигания. Однако горючие паровоздушные смеси способны воспламеняться и без внесения в них внешнего источника зажигания, т.е., самовоспламеняться.

Способность вещества в самовоспламенению оценивается температурой самовоспламенения.

18. Причины образования гомотермального слоя в горящих жидкостях

После воспламенения температура поверхностного слоя жидкости быстро повышается и достигает максимального значения. Следует отметить, что для однокомпонентных (индивидуальных) жидкостей это значение немного ниже температуры кипения, так как часть тепла, поступающего к поверхности жидкости, тратится на парообразование. Чем выше теп- лота парообразования, тем больше это различие. Распределение температуры жидкости по глубине резервуара носит различный характер. В некоторых жидкостях по мере удаления от поверхности температура плавно понижается. В других – формируется слой, практически равномерно прогретый до температуры, близкой к температуре кипения. Этот слой называется гомотермическим. Он может образовываться как в индивидуальных, так и в поликомпонентных жидкостях (то есть в жидкостях сложного состава). Такие распределения температуры принято называть распределением первого и второго рода соответственно.

Природа гомотермического слоя до конца не ясна. Достоверно известно следующее. В верхнем и нижнем слоях горящей жидкости действуют конвективные потоки. Причем в верхнем слое они значительно более интенсивные, чем в нижнем. В результате этого происходит перемешивание жидкости и выравнивание ее температуры по толщине слоя. Гомотермический слой имеет предельную толщину, т. е. его нижняя граница может не достигать дна резервуара. Причем предельная толщина возрастает с увеличением диаметра резервуара. Чем ниже теплопроводность стенок, тем медленнее растет толщина гомотермического слоя. При охлаждении борта резервуара рост толщины гомотермического слоя замедляется, а в лабораторных условиях может прекратиться совсем. Гомотермический слой значительной толщины возникает в жидкостях с температурой кипения (начала кипения жидкостей сложного состава) не более 100 °С.

На основании экспериментальных данных, как собственных, так и по- лученных другими исследователями, В. И. Блинов и В. Н. Худяков предположили, что в механизме образования и роста гомотермического слоя ведущую роль играет стенка резервуара. Вначале, по истечении нескольких минут горения, температура стенки резервуара оказывается везде выше температуры жидкости (рис. 3.10). После того как стенка достаточно прогреется, на ней начинается кипение жидкости. Пузырьки пара поднимаются вверх и вызывают интенсивное движение в верхнем слое горящей жидкости. Эти потоки перемешивают соответствующий слой и выравнивают его температуру – происходит за- рождение гомотермического слоя. Нагретый слой жидкости ускоряет прогрев стенки, на соответствую- щей ее части начинается кипение, ведущее, в свою очередь, к росту толщины гомотермического слоя. Перемещение границы гомотермического слоя приводит к нагреванию следующей части стенки резервуара – процесс повторяется. Было высказано также предположение, что в поликомпонентных жидкостях (в частности, в нефти) плотность гомотермического слоя выше, чем плотность исходной жидкости, из-за выгорания легких фракций. В результате этого гомотермический слой как бы продавливается через жидкость, находящуюся ниже. Однако прямые измерения плотности нефти при горении в резервуаре показали, что это не так. Средняя плотность жидкости, находящейся в гомотермическом слое, ниже исходной

Таким образом, в настоящее время не существует единого общепризнанного механизма формирования гомотермического слоя при горении жидкостей в резервуарах. Одни исследователи отдают предпочтение процессам кипения жидкости у нагретой стенки, другие – конвекции, возникающей за счет разности плотностей в верхнем слое. Очевидно, в реально- сти имеют место оба этих процесса. Влияние каждого из них на образование и рост гомотермического слоя, по-видимому, определяется природой жидкости и размерами резервуара.

19. Что является движущей силой процесса РП по ГЖ?

Распространение горения по поверхности зеркала жидкости зависит от скорости образования горючей смеси по механизму молекулярной и конвективной диффузии. Поэтому для жидкостей г: температурой ниже температуры воспламенения эта скорость менее 0,05 м/с, а для жидкостей выше температуры воспламенения достигает 0,5 м/с и более. Таким образом, скорость распространения пламени по поверхности горючей жидкости зависит в основном от ее температуры.

Во время горения часть тепла, поступающего из пламени, расходуется на нагревание жидкости. Естественно, что верхний слой горящей жидкости нагревается до более высокой температуры, чем нижележащие слои. Температура верхнего слоя жидкости с течением времени повышается, причем наиболее быстрое изменение температуры наблюдается в начальный период (рис. 3). По истечении начального периода времени (10 мин) в слое жидкости устанавливается мало изменяющееся во времени распределение температуры. Характер распределения температуры зависит от рода жидкости и условии горения. При горении сложных по составу жидкостей — нефти и продуктов ее переработки — температура на поверхности равна средней температуре кипения определяемой по кривой разгонки топлива.

Рис. 3. – изменение температуры поверхностного слоя жидкости во времени

То обстоятельство, что температура на поверхности сложных по составу жидкостей всегда выше температуры начала выкипания, объясняется изменением фракционного состава во время горения. Опыты показывают что температура не одинакова во всех точках поверхности горящей жидкости. Вблизи стенок резервуара температура выше, чем в центре. Неравномерность распределения температуры на поверхности жидкости связана с влиянием стенок резервуара, температура которых всегда выше температуры верхнего слоя горящей жидкости а также с неравномерным притоком тепла от пламени. Около стенок резервуара пламя расположено ближе к поверхности, чем к ее центральной части.

20. Как изменится скорость выгорания ГЖ при уменьшении уровня жидкости в резервуаре?

В установившемся процессе горения (т.е. при постоянной температуре пламени) наблюдается равновесие между количеством сгоревшего в зоне горения (пламени) вещества и массой пара, поступающего в пламя. Это определяет постоянную скорость испарения и, следовательно, выгорание жидкости в течение всего процесса горения.

Скорость горения в больших резервуарах увеличивается с ростом диаметра незначительно. Считают, что скорость горения в резервуарах диаметром больше 2 м практически одинакова.

Сильный ветер способствует смешиванию паров с воздухом, повышению температуры пламени, в результате чего интенсивность горения увеличивается.