Розвиток процесу горіння. Горіння рідин (лекція 7)

17жовтня2016 року стався вибух на одному з заводів хімічного концерну BASF в німецькому місті Лампертхайм, чотири людини отримали опіки та поранення. 15 людей, що знаходились в безпосередній близкості від епіцентру вибуху, вважаються пропавшими без вісти. Подія сталася о 11:30 за місцевим часом в портовій частині підприємства, де відбувається загрузка та вигрузка сжижених газів та легкозаймистих рідин, через спалах одного з фільтрів.
Гасили пожежу 520 пожежних, 29 з них було поранено.

Зберігання горючих рідин

Вибух підземного резервуару з рідким паливом

Вибух наземного резервуару з рідким паливом

План лекції
1. Загальні закономірності горіння рідин
2. Температурні межі поширення полум'я
2.1. Поняття ТМПП і їх зв'язок з КМПП рідини
2.2. Визначення ТМПП
2.3. Практичне значення ТМПП
3. Займання рідин на відкритому просторі.
3.1. Умови займання рідини. Температура спалаху.
3.2. Визначення температури спалаху.
3.3. Розвиток горіння рідини.

1. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ГОРІННЯ РІДИН
1. Ткип. рід. < Тсс пари рід, отже, перш ніж виникне горіння, речовина перейде в газоподібний стан. Горіння рідин є гомогенним.
2. Швидкість процесу вигоряння пари обумовлена швидкістю процесу випаровування:
Wгор. рід. = Wвипар. рід.
3. Горіння може виникнути за умови:
ϕпар ≥ ϕн
4. Процес виникнення горіння рідини має кінетичний режим, процес вигоряння рідини – дифузійний характер.

Горіння рідин

Випаровування - перехід речовини з рідкого стану в газоподібний з вільної поверхні при температурах нижче за температуру кипіння.
Випаровування відбувається за умови:
Екінет. мол. > Еміжмолек. взаємод.
Випаровування - ендотермічний процес, що супроводжується поглинанням тепла.
Інтенсивність випаровування - кількість рідини, що випарувалася з одиниці поверхні в одиницю часу.

Фактори, що впливають на інтенсивність випаровування :
вид рідини (теплота випаровування)
ΔНвип ↑ Iвип ↓,
температура рідини
Трід ↑ Iвип ↑,
загальний тиск газової фази
Рзаг ↑ Iвип ↓,
швидкість руху повітря
vпов ↑ Iвип ↑

Під час випаровування рідини в закритий об'єм, в системі встановлюється динамічна рівновага.
Динамічна рівновага - стан системи, при якому кількість рідини, що випаровується, дорівнює кількості сконденсованої пари.
Насичена пара - пара, що утворилася в системі у разі встановлення динамічної рівноваги.
Зв’язок між тиском і концентрацією насиченої пари:
100 % парогазової суміші — Рзаг.
ϕнп % пари рідини — Рнп

Чим більша температура рідини, тим більша інтенсивність процесу випаровування, а отже більший тиск і концентрація насиченої пари.
Зв’язок між температурою рідини, тиском і концентрацією її насиченої пари дає рівняння Антуана:
де Р - тиск насиченої пари, кПа;
t - температура рідини , оС;
А, В, Ca - константи Антуана, що визначають для кожної рідини.

Тиск насиченої пари суміші нерозчинних рідин:
Pнп сум. = ∑Рнп i
Тиск насиченої пари суміші взаєморозчинних рідин:
Pнп.сум = ∑Рнп.i ri
де Pнп.сум - тиск насиченої пари суміші рідин;
Рнп.i - тиск насиченої пари i-го компоненту;
ri – мольна частка i-го компоненту в суміші рідин.

2. ТЕМПЕРАТУРНІ МЕЖІ ПОШИРЕННЯ ПОЛУМ'Я (ТМПП)
2.1. Поняття ТМПП та їх зв'язок з КМПП пари
Температурні межі
поширення полум'я
(нижня або верхня) –
такі температури рідини,
за яких над її поверхнею
утворюється насичена
пара в концентрації, рівній відповідно нижній або верхній концентраційній межі поширення полум'я.

Фактори, що впливають на ТМПП:
1) вид горючої рідини Нвип↑ Iвип↓ tн↑ tв↑;
2) склад горючого середовища
- вміст кисню ϕО2 ↑ tн↓ tв↑;
- домішки негорючих рідин ϕ нр↑ tн↑ tв↓;
- домішки негорючих газів в газовому середовищі
ϕ нг↑ tн↑ tв↓ ;
3) умови, в яких знаходиться система
- загальний тиск Рзаг↑ tн↑ tв↑;
- потужність джерела запалювання
ЕДЗ↑ tн↓ tв↑

Так само як і для газів, для горючих рідин існують безпечні параметри експлуатації – безпечні температурні межі.
0% ϕнб ϕн ϕв ϕвб 100%
|---------|---------|-----------------|--------|--------------|
tпл tнб tн tв tвб tкип
tнб = 0,9(tн -Кбез )
tвб = 1,1(tв + Кбез)
Кбез =10,5оС для індивідуальних речовин і нафтопродуктів,
Кбез =14оС для сумішей.

2.2. Визначення ТМПП.
Експериментальний метод

Розрахункові методи визначення ТМПП
2) залежно від структури горючої рідини
tн(в) = а0 + а1tкип + ∑аjlj
Коефіцієнт НТМПП ВТМПП
а 0 - 62,46 - 41,43
a1 0,655 0,723
аj : С–С -0,909 -1,158
С–Н -0,009 0,570
С–О 0,110 1,267
О–Н 19,8 17,80

3) за методом лінійної інтерполяції
Рнп н(в) = ϕн(в) Рзаг/100

4) за константами гомологічного ряду
tн(в) = ktкип - l

2.3. Практичне значення ТМПП
1) для порівняльної оцінку пожежної небезпеки двох рідин.
2) для визначення області вибухобезпечних температур роботи технологічного обладнання:
tроб без. < tнб tроб без. > tвб
3) для визначення ступеню пожежної небезпеки пари в закритих ємностях за будь-якої температури (треба фактичну температуру порівняти з ТМПП).

3. Займання рідин на відкритому просторі
3.1. Умови займання рідини. Температура спалаху.
При випаровуванні рідин у відкритий простір молекули пари дифундують у навколишнє середовище, динамічна рівновага не встановлюєть-ся, а пара, що утворюється, є ненасиченою.
Інтенсивність випаровування рідини:
у приміщенні: , кг/м2·с
η – коефіцієнт, що враховує температуру і швидкість руху повітря.
на відкритому просторі: , кг/м2·с

Горіння пари виникне за умови:
Для того щоб досягти НКМПП для ненасиченої пари, рідину необхідно нагріти більше, щоб збільшити інтенсивність випаровування і компенсувати втрати пари за рахунок дифузії.

Температура спалаху – це найменша температура конденсованої речовини (рідини), за якої в умовах спеціальних випробувань над її поверхнею утворюється пара, здатна спалахувати в повітрі від короткочасної дії джерела запалювання середньої потужності.
Стійке горіння при цьому не виникає, тому що швидкість випаровування рідини при даній температурі менша, ніж швидкість вигоряння пари.
Температура займання – найменша температура рідини, при якій швидкість випаровування рідини дорівнює швидкості вигоряння пари. Після займання пари від джерела запалювання встановлюється стійке горіння.

Температура спалаху прийнята за основу класифікації рідин за ступенем їх пожежної небезпеки.
tсп > 61оC - горючі рідини (ГР)
tсп ≤ 61оC - легкозаймисті рідини (ЛЗР)
tсп ≤ 28оC - особливо небезпечні
легкозаймисті рідини (ОНЛЗР)
Рідина вважається пожежобезпечною, якщо її температура не перебільшує:
tбез = tсп – 35 оC.

Фактори, що впливають на
температуру спалаху (займання)
вид горючої рідини Нвип↑ Iвип↓ tсп↑
склад середовища:
домішки негорючих рідин ϕнр↑ ϕн↑ tсп↑
домішки негорючих газів ϕнг↑ ϕн↑ tсп↑
вміст кисню в Ок ϕО2↑ ϕн↓ tсп↓
умови, в яких знаходиться рідина
загальний тиск Рзаг↑ Iвип↓ tсп↑
швидкість руху ГС vпов↑ ϕн↑ tсп↑
потужність джерела запа- ЕДЗ↑ ϕн↓ tсп↓
лювання

3.2. Визначення температури спалаху
Експериментальні методи
Схема приладу для визначення температури спалаху в закритому тиглі

Для індивідуальних рідин
1. Формула Еллея:
де Кг - коефіцієнт горючості Еллея:
Кг = 4C + Н + 4S + N - 2O - 2Cl - 3F - 5Br
2. За константами гомологічного ряду:
tсп = а + b tкип
де а і b - константи гомологічного ряду.
3. За структурною формулою речовини:
tсп = а0 + а1tкип + ∑аjlj
де а0 = - 73,14оС, a1 = 0,659
аj - коефіцієнт j-ої структурної групи.
Розрахункові методи

Для сумішей рідин
де А і В - процентний вміст компонентів, %,
tсп.А, tсп.В - температура спалаху компонентів, оС;
А - речовина з більш високою температурою спалаху;
f - коефіцієнт, що залежить від складу суміші.

3.3. Розвиток горіння рідини
Поширення полум'я по поверхні рідини відбувається тільки після утворення пари в концентрації більше, ніж НКМПП, тобто після попереднього нагріву рідини до температури спалаху внаслідок нагріву рідини за рахунок теплопередачі випромінюванням.
Параметром, що характеризує процес поширення горіння по поверхні рідини, є лінійна швидкість поширення полум'я – відстань, пройдена полум’ям по поверхні рідини за одиницю часу:

Під час поширення горіння по поверхні рідини можна умовно виділити 4 зони:
зона стійкого горіння (tрід > tзайм ϕпар = ϕстм).
зона нестійкого горіння (tрід = tсп ϕпар = ϕн);
зона попереднього нагріву (tрід < tсп ϕпар < ϕн);
холодна рідина з температурою, рівною tпоч.