Пределы воспламеняемости и взрываемости

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различаютнижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.

Таблица 8.8. Степень диссоциации водяного пара H2O и диоксида углерода CO2 в зависимости от парциального давления

Температура,

Парциальное давление, МПа
   

 

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

0,025

0,030

0,040

Водяной пар H2O

1600

0,85

0,75

0,65

0,60

0,58

0,56

0,54

0,52

0,50

0,48

0,46

0,42

1700

1,45

1,27

1,16

1,08

1,02

0,95

0,90

0,85

0,8

0,76

0,73

0,67

1800

2,40

2,10

1,90

1,80

1,70

1,60

1,53

1,46

1,40

1,30

1,25

1,15

1900

4,05

3,60

3,25

3,0

2,85

2,70

2,65

2,50

2,40

2,20

2,10

1,9

2000

5,75

5,05

4,60

4,30

4,0

3,80

3,55

3,50

3,40

3,15

2,95

2,65

2100

8,55

7,50

6,80

6,35

6,0

5,70

5,45

5,25

5,10

4,80

4,55

4,10

2200

12,3

10,8

9,90

9,90

8,80

8,35

7,95

7,65

7,40

6,90

6,50

5,90

2300

16,0

15,0

13,7

12,9

12,2

11,6

11,1

10,7

10,4

9,6

9,1

8,4

2400

22,5

20,0

18,4

17,2

16,3

15,6

15,0

14,4

13,9

13,0

12,2

11,2

2500

28,5

25,6

23,5

22,1

20,9

20,0

19,3

18,6

18,0

16,8

15,9

14,6

3000

70,6

66,7

63,8

61,6

59,6

58,0

56,5

55,4

54,3

51,9

50,0

47,0

Диоксид углерода CO2

1500

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

 

1600

2,0

1,8

1,6

1,5

1,45

1,4

1,35

1,3

1,25

1,2

1,1

 

1700

3,8

3,3

3,0

2,8

2,6

2,5

2,4

2,3

2,2

2,0

1,9

 

1800

6,3

5,5

5,0

4,6

4,4

4,2

4,0

3,8

3,7

3,5

3,3

 

1900

10,1

8,9

8,1

7,6

7,2

6,8

6,5

6,3

6,1

5,6

5,3

 

2000

16,5

14,6

13,4

12,5

11,8

11,2

10,8

10,4

10,0

9,4

8,8

 

2100

23,9

21,3

19,6

18,3

17,3

16,5

15,9

15,3

14,9

13,9

13,1

 

2200

35,1

31,5

29,2

27,5

26,1

25,0

24,1

23,3

22,6

21,2

20,1

 

2300

44,7

40,7

37,9

35,9

34,3

32,9

31,8

30,9

30,0

28,2

26,9

 

2400

56,0

51,8

48,8

46,5

44,6

43,1

41,8

40,6

39,6

37,5

35,8

 

2500

66,3

62,2

59,3

56,9

55,0

53,4

52,0

50,7

49,7

47,3

45,4

 

3000

94,9

93,9

93,1

92,3

91,7

90,6

90,1

89,6

88,5

87,6

86,8

 

Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной.

Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.

Пределы воспламеняемости для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 8.11-8.9. С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.

Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 8.11-8.12 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются. Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:

Lг = (r1 + r2+ … + rn)/(r1/l1 + r2/l2+ … + rn/ln) (8.17)

где Lг — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа (8.17)

где 12 — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r,, r2,..., rn — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; r, + r2 + ... + rn = 100%; l,, l2,..., ln — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.

При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

L6 = LJ1 + Б/(1 - Б);00]/[100 + L£/(1 - Б)] (8.18)

где Lg — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %; L2 — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %; Б — количество балластных примесей, доли единицы.

Таблица 8.11. Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)

Газ

Содержание газа в газовоздушной смеси, об. %

Максимальное давление взрыва, МПа

Коэффициент избытка воздуХа а при пределах воспламенения

При пределах воспламеняемости

При стехиометрическом составе смеси

При составе смеси, дающем максимальное давление взрыва

нижнем

верхнем

нижнем

верхнем

Водород

4,0

75,0

29,5

32,3

0,739

9,8

0,15

Оксид углерода

12,5

74,0

29,5

-

-

2,9

0,15

Метан

5,0

15,0

9,5

9,8

0,717

1,8

0,65

Этан

3,2

12,5

5,68

6,28

0,725

1,9

0,42

Пропан

2,3

9,5

4,04

4,60

0,858

1,7

0,40

н-Бутан

1,7

8,5

3,14

3,6

0,858

1,7

0,35

Изобутан

1,8

8,4

3,14

-

-

~1,8

0,35

н-Пентан

1,4

7,8

2,56

3,0

0,865

1,8

0,31

Этилен

3,0

16,0

6,5

8,0

0,886

2,2

0,17

Пропилен

2,4

10,0

4,5

~5,1

~0,89

1,9

0,37

Бутилен

1,7

9,0

3,4

~4,0

~0,88

1,7

0,35

Ацетилен

2,5

80,0

7,75

14,5

1,03

3,3

0,019

Таблица 8.12. Пределы воспламеняемости газов в смеси с кислородом (при t = 20ºC и p =

Газ

Содержание газа в газокислородной смеси, об. %, при пределах воспламеняемости

Газ

Содержание газа в газокислородной смеси, об. %, при пределах воспламеняемости

нижнем

верхнем

нижнем

верхнем

Водород

4,0

94,0

Изобутан

1,7

49,0

Оксид углерода

12,5

94,0

Этилен

3,0

80,0

Метан

5,0

6,0

Пропилен

2,0

53,0

Этан

3,0

56,0

Бутилен

1,47

50,0

Пропан

2,2

55,0

Ацетилен

2,5

89,0

н-Бутан

1,7

49,0

 

 

 

При расчетах часто необходимо знать коэффициент избытка воздуха а при разных пределах воспламеняемости (см. табл. 8.11), а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламеняемости, можно определить по формуле

α = (100/L – 1) (1/VT) (8.19)

Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, можно определить с достаточным приближением по следующим формулам: для стехиометрического соотношения простого газа с воздухом:

Рвз = Рн(1 + βtк) (m/n) (8.20)

для любого соотношения сложного газа с воздухом:

Рвз = Рн(1 + βtк) Vвлпс /(1 + αVm) (8.21)

где Рвз — давление, возникающее при взрыве, МПа; рн — начальное давление (до взрыва), МПа; в — коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления (1/273); tK — калориметрическая температура горения, °С; т — число молей после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе; п — число молей до взрыва, участвующих в реакции горения; Vmn,. — объем влажных продуктов сгорания на 1 м3 газа, м3; V„, — теоретический расход воздуха, м3/м3.

Давления взрыва, приведенные в табл. 8.13 или определенные по формулам, могут возникнуть только в том случае, если происходит полное сгорание газа внутри емкости и ее стенки рассчитаны на эти давления. В противном случае они ограничены прочностью стенок или их наиболее легко разрушающихся частей — импульсы давления распространяются по невоспламененному объему смеси со скоростью звука и достигают ограждения гораздо быстрее, чем фронт пламени.

Эта особенность — различие скоростей распространения пламени и импульсов давления (ударной волны) — широко используется на практике для защиты газовых устройств и помещений от разрушения при взрыве. Для этого в проемах стен и перекрытий устанавливаются легко открывающиеся или разрушающиеся фрамуги, рамы, панели, клапаны и т.д. Возникающее при взрыве давление зависит от особенностей конструкции устройств защиты и коэффициента сброса kc6, представляющего собой отношение площади защитных устройств к объему помещения.