Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине теория горения и взрыва
1. Уравнения реакции горения веществ в воздухе.
2. Диффузионное и кинетическое горение.
3. Температурные пределы воспламенения жидкости. Температура вспышки
Взрываемость паровоздушных смесей зависит не только от концентрации компонентов этих смесей, но и от температурного режима.
Температура, при которой создается концентрация газов, паровою равная НКПВ, называется нижним температурным пределом воспламенения (НТПВ). НТПВ называют на практике температурой вспышки.
Существует также верхний температурный предел воспламенения (предел всзываемости).
Температура, при которой создается концентрация паров и газов равная ВКПВ, называется верхним температурным пределом воспламенения (ВТПВ).
Температурные пределы воспламенения используются для оценки горючести и пожарной опасности смесей.
Температурные пределы воспламенения паров в воздухе определяются
температурами вещества, при которых его насыщенные пары образуют концентрации,
соответствующие нижнему и верхнему концентрационным пределам воспламенения.
Категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности
Температура вспышки (Твсп) - наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхнуть в воздухе при поднесении к ним внешнего источника зажигания (пламени или нагретого до высокой температуры тела). Устойчивое горение при этом не устанавливается вследствие малой скорости испарения горючей жидкости. Температура вспышки показывает, при какой температуре вещество подготовлено к воспламенению и становится огнеопасным в открытом сосуде.
В зависимости от температуры вспышки горючие жидкости подразделяются на:
· легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) с температурой вспышки не свыше 61 °С (в закрытом тигле) или не свыше 66 °С (в открытом тигле);
· горючее (ГЖ) с температурой вспышки паров выше, соответственно, 61 и 66°С.
ЛВЖ в свою очередь делятся на три разряда:
а) особо опасные ЛВЖ - имеющие температуру вспышки от -18°C и ниже в закрытом тигле или - 13°С и ниже в открытом;
б) постоянно опасные ЛВЖ - имеющие температуру вспышки выше -18°С до +23°С в закрытом тигле или выше -13°С до +27°С - в открытом;
в) опасные при повышенной температуре ЛВЖ. К данному разряду относятся жидкости с температурой вспышки более +23°С до +61°С включительно (в закрытом тигле) или более +27°С до +66°С - в открытом.
Методы определения температуры вспышки
Температуру вспышки экспериментально определяют в приборах закрытого (з.т.) и открытого (о.т.) типов.
Для определения температуры вспышки заданную массу горючего вещества нагревают с заданной скоростью, периодически зажигая выделяющиеся пары и визуально оценивая результаты зажигания.
Температура вспышки (tвсп.), измеренная в приборе открытого типа, как правило выше; для жидкостей с температурой кипения до 1000С на 1-30С, до 2500С на 10-15 0С.
В таблице приведены значения температур вспышки некоторых жидкостей, определенных приборами закрытого и открытого типов
| Жидкость | Температура вспышки, К | |
| Прибор закрытого типа (з.т.) | Прибор открытого типа (о.т.) | |
| Нефть | ||
| Мазут | ||
| Масло цилиндровое |
Низкокипящие горючие жидкости имеют обычно низкую tвсп. Температуру, например: для этилового эфира 430С, для ацетилена 180С. Высококипящие жидкости имеют высокие tвсп., например: глицерин 1980С, дециловый спирт 1070С.
Прибор закрытого типа показан на рисунке 1. В качестве реакционного сосуда используют металлический тигель 5 с внутренним диаметром 51 мм и высотой 56 мм. Тигель закрыт крышкой 4, на которой расположены: зажигательное устройство 1, заслонка 2 с поворотным устройством и мешалка 6. Тигель, крышку и мешалку изготавливают из материалов, не вступающих в химическое взаимодействие с испытуемыми веществами, например из нержавеющей стали.
Перед проведением измерений образцы легколетучих жидкостей с температурой кипения до 1000С охлаждают до 00С, образцы вязких жидкостей нагревают до ползучести. Вначале выполняют предварительное испытание для получения ориентировочного значения температуры вспышки. Затем проводят серию основных испытаний на трех образцах исследуемой жидкости. Образцы жидкостей, имеющих ориентировочную температуру вспышки менее 500С, охлаждают до температуры, которая на 170С меньше ориентировочной температуры вспышки. За 100С до ориентировочной температуры вспышки образец нагревают со скоростью 10С/мин для жидкостей с температурой вспышки до 1040С со скоростью 20С/мин для жидкостей с температурой вспышки более 1040С.
Рисунок 1. Прибор закрытого типа для измерения температуры вспышки: 1 – зажигательное устройство; 2- заслонка; 3- термометр; 4 – крышка, 5 – тигель; 6 – мешалка.
За температуру вспышки принимают среднее арифметическое трех определений серии основных испытаний с поправкой на барометрическое давление, вычисляемое по формуле
, где 
- давление в период проведения опыта, кПа.
Вычисленную поправку следует прибавлять к измеренной величине температуры вспышки.
Схема прибора открытого типа показана на рисунке 2. Прибор состоит из фарфорового тигля низкой формы 3, нагревательной воздушной ванны 1, газовой горелки 8 и термометра 4.
Подготовку образцов и определение ориентировочной температуры вспышки проводят так же, как и в приборе закрытого типа. После этого выполняют серию основных испытаний на трех образцах исследуемого вещества в той же последовательности, что и предварительные испытания. Образцы исследуемого вещества, имеющие ориентировочную температуру вспышки менее 500С, охлаждают до температуры, которая на 170С, ниже ориентировочной температуры вспышки.
За 100С до ориентировочной температуры вспышки образец нагревают со скоростью 10С/мин для вещества с температурой вспышки до 700С и 20С/мин для вещества с температурой вспышки более 700С.
Рисунок 2. Прибор открытого типа для измерения температуры вспышки: 1- нагревательная ванна; 2 – кольцо из паронита; 3 – фарфоровый тигель; 4 – термометр; 5 – держатель термометра; 6- штатив; 7 – подставка для горелки; 8 – газовая горелка; 9 – нагревательное устройство; 10 – асбестовая прокладка
Испытания на вспышку проводят при повышении температуры на каждые 10С/мин для веществ с температурой вспышки до 700С и 20С/мин для веществ с температурой вспышки более 700С. За температуру вспышки каждого определения принимают показания термометра, соответствующее появлению пламени над частью или над всей поверхностью образца.
Обработку результатов проводят так же, как и при определении температуры вспышки в приборе закрытого типа.
Методы расчета температурных пределов воспламенения
Температурные пределы могут быть рассчитаны. Расчетный метод заключается в следующем. Первоначально вычисляют давление Рн и Рв(мм.рт.ст.) насыщенного пара, соответствующее нижнему и верхнему температурным пределам воспламенения:
где n – число атомов кислорода, необходимое для полного сгорания одной молекулы горючего вещества.
Далее по значению давления находят температурные пределы по справочным данным в зависимости от давления насыщенного пара от температуры
Температурные пределы воспламенения (ТПВ) жидкостей рассчитывают по температуре кипения:
где 
- нижний (верхний) температурный предел воспламенения;
- температура кипения, 0С;
- константы для определенных групп (гомологических рядов жидкостей)
| Гомологический ряд | Формула n=1,2,3,4,… | Параметры | |
| К | l | ||
| Нормальные алканы | СН3-СН(СН2)n-СH3 | 
| 
|
| 2 - Метилалканы | СН3-СН(СН2)n-СH3 | 
| 
|
| Нормальные I-алканы | СН2=СН-(СН2)n-СH3 | 
| 
|
| Нормальные жирные спирты | СН3-(СН2)n-ОH 
| 
| 
|
| 2-Метилкарбинолы | (СН3)2СН-(СН2)n-ОH | 
| 
|
| Н- Алкилформиаты | НСОО-(СН2)n-СH3 | 
| 
|
| Н-Алкилацетаты | СН3СОО-(СН2)n-СH3 | 
| 
|
Примечание. Числитель параметра относится к нижнему пределу воспламенения, знаменатель – к верхнему температурному пределу воспламенения
В случае если неизвестна температура кипения исследуемого вещества при нормальном атмосферном давлении, значение нижнего температурного предела распространения пламени 
вычисляют по формуле
где 
- экспериментальное значение температуры вспышки, 0С;
С – константа, равная 20С, если для расчета используют значение в закрытом тигле, и равная 80С, если для расчета используют значение в открытом тигле. Средняя квадратическая погрешность расчета по этой формуле не превышает 120С.
Температурные пределы воспламенения могут быть определены по известным значениям концентрационных пределов воспламенения
,
где 
- давление насыщенного пара, соответствующее нижнему (верхнему) концентрационному пределу воспламенения;
- нижний (верхний) концентрационный предел воспламенения;
- атмосферное давление.
Определяют температуру вещества, при которой достигается данное давление по уравнению Антуана
,
где А, В, С – константы уравнения Антуана.
Значение может быть рассчитано по методам расчета концентрационных пределов воспламенения или принято по таблицам 11-13 приложения III.
В случае если неизвестна зависимость давления насыщенного пара от температуры, для веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, значение нижнего или верхнего температурных пределов вычисляются по формуле
,
где 
- размерный коэффициент, равный -62,460С для нижнего и -41,430С для верхнего пределов;
- безразмерный коэффициент, равный 0,655 для нижнего и 723 для верхнего пределов;
- эмпирические коэффициенты, характеризующие вклад 
х структурных групп, приведены в таблице
Таблица – Коэффициенты 
| Вид структурной группы | 
| |
| tн | tв | |
| С-С | 0,909 | -1,158 |
| С=С | 2,66 | -4,64 |
| С-Н | 0,009 | 0,570 |
| С-О | 0,110 | 1,267 |
| С=О | 5,57 | 5,86 |
| 0-Н | 19,57 | 17,80 |
| -4,40 | -4,60 |
4. Современная теория окисления-восстановления.
5. Скорость выгорания жидкостей.
6. Диффузионное пламя, его строение.
7. Прогрев жидкостей при горении. Вскипание. Выброс.
Тема 5. Горение жидкостей.
Учебные вопросы:
Введение.
1. Испарение жидкостей. Насыщенный пар.
2. Температурные пределы воспламенения.
3. Процесс горения жидкостей.
4. Прогрев жидкостей при горении. Вскипание. Выброс.
Заключение.
1. Испарение жидкостей. Насыщенный пар
Процесс горения жидкостей начинается, с воспламенения паро-воздушной смеси. Однако не все жидкости при обычных условиях имеют над своей поверхностью достаточную концентрацию паров и такую скорость их образования, чтобы после воспламенения установился процесс горения. Стационарный процесс горения устанавливается только при определенной температуре жидкости, однако при более низких температурах жидкости уже могут представлять пожарную опасность, так как над поверхностью их может создаться взрывоопасная концентрация паров.
Горение жидкостей характеризуется двумя взаимосвязанными явлениями — испарением и сгоранием паровоздушной смеси над поверхностью жидкости. Испарению принадлежит исключительно важная роль, поскольку в конечном итоге оно определяет скорость сгорания жидкости. Испарение — это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температурах ниже точки кипения жидкости. Испарение происходит в результате теплового движении молекул жидкости. Скорость движения молекул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения.
Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую воздушную среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаимодействия между молекулами и работу расширения увеличения объема при переходе жидкости в пар.
Испарение является эндотермическим процессом. Если к жидкости не подводится извне тепло, то в результате испарения она охлаждается. Скорость испарения определяется количеством пара, образующегося за единицу времени на единице поверхности жидкости. Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Это необходимо учитывать в производствах, связанных с применением, получением или переработкой легковоспламеняющихся жидкостей. Увеличение скорости испарения при повышении температуры приводит к более быстрому образованию взрывоопасных концентраций паров. Максимальная скорость испарения наблюдается при испарении в вакуум и в неограниченный объем. Это можно объяснить следующим образом. Наблюдаемая скорость процесса испарения является суммарной скоростью процесса перехода молекул из жидкой фазы V1 и скоростью конденсации V2. Суммарный процесс равен разности этих двух скоростей: V=V1-V2. При постоянной температуре V1 не изменяется, а V2
пропорциональна концентрации пара. При испарении в вакуум в пределе V2= О, т. е. суммарная скорость процесса максимальная.
Чем больше концентрации пара, тем выше скорость конденсации, следовательно, ниже суммарная скорость испарения. На поверхности раздела между жидкостью и ее насыщенным паром скорость испарения суммарная близка нулю. Жидкость, находящаяся в закрытом сосуде, испаряясь, образует насыщенный пар. Насыщенным называется пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Динамическое равновесие при данной температуре наступает тогда, когда число испаряющихся молекул жидкости равно числу конденсирующихся молекул. Насыщенный пар, выходя из открытого сосуда в воздух, разбавляется им и становится ненасыщенным. Следовательно, в воздухе помещений, где находятся емкости с горячими жидкостями, имеется ненасыщенный пар этих жидкостей.
Насыщенные и ненасыщенные пары оказывают давление на стенки сосудов. Давлением насыщенного пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Давление насыщенного пара всегда выше, чем насыщенного. Оно не зависит от количества жидкости, формы сосуда, а зависит только от
температуры и природы жидкости. С повышением температуры давление насыщенного пара жидкости увеличивается; при температуре кипения давление пара равно атмосферному. Для каждого значения температуры давление насыщенного пара индивидуальной чистой жидкости постоянно. Давление насыщенного пара смесей жидкостей нефти, бензина, керосина и др. при одной и той же температуре зависит от состава смеси. Оно увеличивается с увеличением содержания в жидкости низкокипящих продуктов.
Для большинства жидкостей давление насыщенного пара при различной температуре известно. Эти данные сведены в справочные таблицы и номограммы. Давление насыщенных паров некоторых жидкостей при различных температурах приведены в табл. 4.
В середине номограммы находится шкала давления насыщенного пара жидкостей, а по бокам — шкалы температур. По обеим сторонам шкалы давления расположены точки, соответствующие определенным жидкостям.
Рис.33. Номограмма для определения давления насыщенного пара жидкостей:
1- изопрен; 2 — диэтиловый эфир; 3 — сероуглерод; 4 — бакинский авиабензин;
5 — этилформиат; 6 — метилацетат; 7 — н-гексан;
8 — четыреххлористый углерод;
9 — грозненский авиабензин; 10 — бензол;
11 — этилацетат; 12 — бутилацетат;
13 — толуол; 14 — керосин; 15 — скипидар;
16 — ацетон; 17 — метиловый спирт;
18 — этиловый спирт; 19 — вода;
20 — н-пропиловый спирт; 21 — уксусная кислота; 22 — н-бутиловый спирт;
23 — н-амиловый спирт; 24 — бензальдегид; 25 — аналин.
Для нахождения давления насыщенного пара жидкостей при заданной температуре необходимо положить линейку так, чтобы соединить показание температуры на шкале с центром кружка, соответствующего искомой жидкости.
Точка пересечения со
давлению Робщ. Тогда объемы, занимаемые паром и воздухом, соответственно уменьшились бы. Согласно закону Бойля -Мариотта, произведение давления газа на его объем при постоянной температуре есть величина постоянная, т. е. для нашего гипотетического случая получим
VPобщ=VобщРпар
v= Vобщ Рпар/Pобщ
Если объем смеси принять за 100%, то содержание пара С, % об. можно найти из пропорции
V — 100%
VРпар/Pобщ — C
откуда
C=VРпар100/VPобщ = Рпар100/Pобщ
По этой формуле можно определить концентрацию паров жидкости в резервуарах, бочках, цистернах и других емкостях.
Пример.
Определить концентрацию насыщенных паров в бочке с этиловым спиртом, если температура его 293 К, атмосферное давление 101080 Па.
По таблице или номограмме находим давление насыщенных паров спирта при 293 К Оно равно 5852,0 Па. Определяем концентрацию
С=5852,0·100/101080=5,8%
Перевести объемную концентрацию в массовую гл можно по следующей формуле:
C=CMVt100
где М — количество вещества, численно равное молекулярной массе пара, г; VT — объем 1 моль пара при данных условиях.
2. Температурные пределы воспламенения. Температура вспышки. Температурные пределы воспламенения.
Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная нижнему концентрационному пределу воспламенения, называется нижним температурным пределом воспламенения НТПВ.
Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная верхнему концентрационному пределу воспламенения, называется верхним температурным пределом воспламенения ВТПВ.
Например, для ацетона температурные пределы равны: НТПВ 253 К, ВТПВ 279 К. При этих температурах образуются концентрации паров соответственно 2,6 и 12,6% об..
Температурные пределы воспламенения используют для оценки пожарной опасности жидкостей, при расчете безопасных режимов работы закрытых технологических аппаратов и складских емкостей с жидкостями и летучими твердыми веществами. Для пожаробезопасности технологического процесса, связанного с применением жидкостей, последний ведут при температурах ниже НТПВ на 10 К или выше ВТПВ на 15 К. Для многих жидкостей температурные пределы определены и результаты сведены в справочные таблицы.
Температурные пределы воспламенения определяют на стандартном приборе ТП, разработанном во ВНИИПО ГОСТ 13922-68. Сущность метода заключается в определении минимальной и максимальной температур жидкости, при которых образуются концентрации насыщенных паров, равные нижнему и верхнему концентрационным пределам.
Рис.34. Прибор ТП для определения температурных пределов воспламенения:
1 — реакционный сосуд; 2 — двухзонная термопара; 3 — пробка; 4 — электроды искрового зажигания; 5 — электрод спирального зажигания.
Прибор ТП рис. 34 состоит из
стеклянного цилиндрического реакционного, сосуда диаметром 65±2 мм, высотой 125±5 мм, электродов спирального 5 и искрового 4 зажигания, двухзонной термопары 2 в стеклянном чехле расстояние между зонами измерения 60±2 мм, термостата или криостата на рис. 34 не показан, в который помещают сосуд. Они обеспечивают поддержание постоянной температуры в реакционном сосуде и течение 15 мни с точностью ± 1 °С. Количество наливаемой жидкости составляет 10% от всей емкости реакционного сосуда.
Жидкость в реакционном сосуде нагревают или охлаждают до предполагаемого температурного предела и выдерживают при этой температуре 15 мин для установления равновесия между паровой и конденсированной фазами. Причем разность температур между фазами не должна превышать 1 °С. После окончания термостатирования паро-воздушную смесь воспламеняют. Распространение пламени по всему объему паро-воздушного пространства пли вертикально вверх до горловины сосуда считают воспламенением. Горение и вспышка, происходящие на спирали, появление факела пламени около электродов или выброс пробки без видимого пламени считают отказом.
Температурные, пределы могут быть рассчитаны. Расчетный метод применяют для ориентировочного определения температурных пределов воспламенения в целях нахождения предполагаемых температурных пределов перед началом экспериментального определения их, а также для ориентировочного расчета безопасных режимов работы технологической аппаратуры на стадии предпроектной проработки технологического процесса в отсутствие экспериментальных данных. Температурные пределы воспламенения можно вычислить, используя данные о давлении насыщенного пара при различных температурах, по формуле:
где Р1, Р2 — ближайшие к Рп меньшее и большее табличные значения давления пара, соответствующие температурам Т1 и Т2.
Температурные пределы воспламенения можно рассчитать по экспериментально определенным концентрационным пределам. Если вычисленная величина не совпадает с экспериментальной, то в качестве действительной принимают более низкое значение для НТПВ и более высокое для ВТПВ. Вычисляют температурные пределы следующим образом.
Определяют давление паров Рн и Рв вещества, соответствующего нижнему и верхнему концентрационным пределам паров в воздухе Рпар = Pобщ C100
Если Робщ = 101080 Па, то Рв = 1010Св и Рн = 1010Сн,где
Рв и Рн — экспериментальные значения верхних и нижних концентрационных пределов воспламенения паров, %.
По найденным значениям Рн и Рв вычисляют температурные пределы воспламенения, используя приведённые выше формулы и табличные данные зависимости давления пара от температуры.
Температура вспышки.
Температура вспышки самая низкая температура в условиях специальных испытаний