Пожежовибухонебезпечні горючі суміші. Концентраційні межі поширення полумя

План лекції
1. Умови виникнення горіння
2. Умови утворення горючого середовища.
3. Чинники, що впливають на КМПП
4. Практичне значення КМПП

1. Умови виникнення горіння
Виникнення горіння - це швидкий перехід від повільної реакції до миттєвого перетворення, що є підсумком самоприскорення реакції і супроводжується несподіваним перетворенням в системі: спалахом або звуковим ефектом.
Виникнення горіння пов'язано з утворенням горючої системи, яка складається з горючої речовини та окисника у певному співвідношенні, та накопиченням в такій системі тепла або каталізуючих активних продуктів реакції (активних центрів).
У першому випадку кажуть про тепловий механізм виникнення горіння, а у другому – про ланцюговий.

Особливістю горіння є те, що швидкість хімічної реакції збільшується за умови зменшення концентрації реагуючих речовин. Саморозгін реакції відбувається внаслідок зміни інших параметрів системи лише при досягненні критичного стану в системі.
За тепловим механізмом вплив теплового імпульсу призводить до підвищення температури в горючій системі, внаслідок чого відбувається збільшення швидкості реакції окислення за законом Арреніуса.
За ланцюговим механізмом швидкість реакції окислення збільшується з часом за рахунок накопичення каталізуючих продуктів реакції - активних центрів.

Відмінність вибухової реакції від стаціонарної
Після перевищення температури над критичним значенням система реагує дуже швидко, швидкість вибухової реакції змінюється стрибкоподібно.

Реакції окислення ідуть з виділенням тепла, отже, в системі відбудеться додатковий розігрів і зростання температури.
Інтенсивність тепловиділення: q(+) =QгVгсωхр
Поява різниці температур викликає віддачу тепла від системи в середовище за рахунок конвекції.
Інтенсивність тепловіддачі: q(–) = α S (Т – То).
Якщо q(–)>q(+) - зона реакції охолоджується, реакція окислення гальмується;
q(–)
Період часу з початку перевищення температури горючої системи над температурою навколишнього середовища до моменту виникнення горіння називається періодом індукції або часом індукції.

Залежно від природи теплового імпульсу розрізняють три види виникнення горіння:
самоспалахування,
самозаймання,
вимушене запалювання.
Самоспалахування – виникнення горіння під впливом зовнішнього нагріву всієї горючої системи до критичної температури.
Самозаймання – виникнення горіння внаслідок накопичення тепла в горючій системі за рахунок протікання внутрішніх екзотермічних процесів.
Вимушене запалювання – виникнення горіння внаслідок дії високотемпературного джерела запалювання на невелику частку холодної горючої системи.

Загальні ознаки процесу виникнення горіння:
утворення горючої системи, яка складається з горючої речовини та окисника у певному співвідношенні,
температура системи досягає критичне значення;
тепловиділення в горючій системі за рахунок хімічної реакції окислення q(+) перевищує тепловіддачу q(–) від системи в навколишній простір;
перехід від повільної реакції окислення до горіння відбувається за певний час - період індукції.

2. Умови утворення горючого середовища
Горючим є середовище, яке здатне самостійно горіти після усунення джерела запалювання.
2.1. Поняття концентраційних меж поширення полум'я (КМПП)
Швидкість хімічної реакції залежить від концентрації компонентів та температури системи:
ωхр = ϕгрnϕокm kоexp (-Eакт/RT).
Якщо концентрація одного з компонентів горючої суміші (ϕгр або ϕок) стане менше ніж критичне значення, швидкість реакції зменшується на стільки, що інтенсивність тепловиділення q(+) стає меншою, ніж інтенсивність тепловтрат q(-), зона реакції охолоджується, система переходить у стан повільної реакції окислення, горіння не виникає або припиняється.

НКМПП (ϕн) - найменша концентрація горючої речовини в суміші з повітрям, при якій вже можливе виникнення та поширення горіння.
ВКМПП (ϕв) - найбільша концентрація горючої речовини в суміші з повітрям, при якій ще можливе виникнення та поширення горіння.

2.2. Методи визначення КМПП
1. НКМПП розраховують, виходячи з нижчої теплоти згоряння ГР:
Qн - 100%
Qкр - φн %
2. НКМПП розраховують, виходячи зі складу ГР:
де hf = 0,0246 - параметр теплоти утворення ГР;
∆Hof - стандартна теплота утворення ГР;
hj - параметр j-го елемента в молекулі ГР;
mj - число атомів j-го елемента в молекулі ГР.

3. За емпіричною формулою
4. За структурною будовою горючої речовини
де hs - вклад s-ої структурної групи,
ls - число s-их структурних груп у будові ГР.

5. КМПП суміші горючих газів
Правило Ле-Шательє: багатокомпонентна систе-ма, яка складається із декількох бінарних сумішей граничного складу, взятих у довільному співвідношенні, також є граничною.
де ϕон(в)I - нижня або верхня КМПП i-го горючого компоненту,
ϕоi - процентний вміст i-го компоненту в суміші.

Склад суміші: СН4 – 30%; С2Н4 – 70%.
ϕно СН4 = 5,3%; ϕно С2Н4 = 2,7%
Для перерахунку об'ємної концентрації ϕо у масову ϕ/ та назад можна користуватися формулою:

3. Чинники, що впливають на КМПП
Чинники, які збільшують тепловиділення в системі q(+)↑, розширюють КМПП (φн↓, φв↑), а чинники, які збільшують тепловтрати від системи в навколишнє середовище q(-)↑, звужують область запалення (φн↑, φв↓).
Найбільший вплив на зміну КМПП мають:
1) вид горючої речовини;
2) склад горючої суміші:
концентрації кисню в окислювальному середовищі;
домішки негорючих газів;
добавки каталізаторів або інгібіторів.
3) умови, в яких знаходиться суміш:
температура і тиск системи;
міра турбулізації газового потоку;
потужність впливу ДЗ.

При збільшенні молекулярної маси вуглеводнів концентраційні межі звужуються.
µгр↑ φн↓ φв↓↓
1 – водень, 2 – ацетилен, 3 – етилен, 4 – пентан

Концентрація кисню в окислювальному середовищі
φО2 ↑ ωхр↑ q(+) ↑ φн ↓ φв ↑
критичне значення
- мінімальна
вибухонебезпечна
концентрація
кисню φмвкк

Концентрація негорючих домішок в газовій суміші
φнг↑ ωхр↓ q(+)↓ q(-)↑ φн ↑ φв ↓
критичне
значення –
флегматизуюча
концентрація НГ
φфл

Вплив хімічно-активних домішок
φкат↑ ωхр ↑ q(+) ↑ φн ↓ φв ↑
φинг↑ ωхр ↓ q(+) ↓ φн ↑ φв ↓
Якщо інгібітор є горючою речовиною:

Вплив початкової температури
Т↑ ωхр↑ q(+)↑ q(-)↑ φн ↓ φв ↑
z – температурний
коефіцієнт,
для НКМПП z = 1250,
для ВКМПП z = - 800.

Вплив тиску
ω хр ~ [kгр]n [kок]m,
де k=р2/р1
Р ↑ ωхр↑ q(+) ↑ φн ↓ φв ↑

Вплив швидкості руху газової суміші
Vгс↑ q(-) ↑ φн ↑ φв ↓

Вплив потужності джерела запалення
ЕДЗ↑ Т ↑ ωхр↑ q(+) ↑ φн ↓ φв ↑

Безпечні концентраційні межі поширення полум'я:
φонб < 0,9(φон - 0,21), %
φовб >1,1(φов + 0,42), %
БК - область безпечних концентрацій
НК - область небезпечних концентрацій
ВНК - область вибухонебезпечних концентрацій
ВБК, ПНК - область вибухобезпечних, але
пожежонебезпкечних концентрацій

4. Практичне значення КМПП
1. Для порівняльної оцінки пожежної небезпеки декількох речовин.
Найбільш пожежо- та вибухонебезпечними є речовини, які мають більш широкий діапазон вибухонебезпечних концентрацій.
2. Для оцінки пожежної небезпеки фактичної концентрації горючої речовини.
φфакт< φнб - безпечна концентрація
φнб< φфакт< φн - небезпечна концентрація
φн< φфакт< φв - вибухонебезпечна конц-ція
φв< φфакт< φвб - небезпечна концентрація
φфакт > φв - вибухобезпечна, але пожежонебезпечна концентрація

3. Для визначення вибухобезпечних робочих концентрацій горючої речовини всередині технологічного обладнання: φроб< φнб, φроб > φвб .
4. При розробці заходів щодо забезпечення пожежної небезпеки вентиляційних систем, для розрахунку гранично допустимих безпечних концентрацій газів:
φбез< φнб.