Biyogaz patlaması sırasında basınç artış hızı. Gaz karışımlarının yanma teorisi

Alevin gaz karışımındaki hareketi alev yayılması denir. Alevin yayılma hızına bağlı olarak, yanma birkaç m/sn hızında parlayıcı, onlarca veya yüzlerce m/sn düzeyinde patlayıcı ve binlerce m/sn hızında patlayıcı olabilir.
Parlama için veya normal dağılım yanan katmandan katmana ısı transferi ile karakterize edilir ve aktif radikaller ve reaksiyon ürünleri ile ısıtılan ve seyreltilen karışımda ortaya çıkan alev, orijinal yanıcı karışım yönünde hareket eder. Bu, alevin sürekli bir ısı akışı ve kimyasal olarak aktif parçacıklar yayan bir kaynak haline gelmesiyle açıklanmaktadır. Bunun sonucunda alev cephesi yanıcı karışıma doğru hareket eder.
Alev alma yanması laminer ve türbülanslı olarak ikiye ayrılır.
Laminer yanma normal bir alev yayılma hızına sahiptir.
GOST 12.1.044 SSBT'ye göre normal alev yayılma hızına denir alev ön hızı yanmamış gaza göre, yüzeyine dik bir yönde.
Maddelerin yangın ve patlama tehlikesinin göstergelerinden biri olan normal alev yayılma hızının değeri, sıvı ve gaz kullanımıyla ilgili endüstrilerin tehlikesini karakterize eder; patlayıcı basıncındaki artış oranının hesaplanmasında kullanılır. gaz, buhar-hava karışımlarının kritik (söndürme) çapı ve önlemlerinin geliştirilmesinde, GOST 12.1.004 ve GOST 12.1.010 SSBT gereklerine uygun teknolojik proseslerin yangın ve patlama güvenliğinin sağlanması.
Alevin normal yayılma hızı - karışımın fizikokimyasal sabiti - karışımın bileşimine, basınca ve sıcaklığa bağlıdır ve kimyasal reaksiyon hızı ve moleküler termal iletkenlik ile belirlenir.
Sıcaklık nispeten hafif artar normal hız alevin yayılması, atıl yabancı maddeler onu azaltır ve basınçtaki bir artış, hızın artmasına veya azalmasına yol açar.
Laminer bir gaz akışında gaz hızları düşüktür ve yanıcı karışım moleküler difüzyon sonucu oluşur. Bu durumda yanma hızı, yanıcı karışımın oluşum hızına bağlıdır. Çalkantılı alev alevin yayılma hızı arttığında, hareketinin laminerliği bozulduğunda oluşur. Türbülanslı bir alevde, gaz jetlerinin girdabı, moleküler difüzyonun meydana geldiği yüzey alanı arttığından reaksiyona giren gazların karışımını iyileştirir.
Yanıcı bir maddenin bir oksitleyici ile etkileşimi sonucunda, bileşimi başlangıç ​​​​bileşiklerine ve yanma reaksiyonunun koşullarına bağlı olan yanma ürünleri oluşur.
Şu tarihte: tam yanma organik bileşikler CO 2, SO 2, H 2 O, N 2 oluşturur ve inorganik bileşikler yandığında oksitler oluşur. Erime noktasına bağlı olarak reaksiyon ürünleri ya eriyik formunda olabilir (Al 2 O 3, TiO 2) ya da duman şeklinde havaya yükselebilir (P 2 O 5, Na 2 O, MgO). Erimiş katılar alevin parlaklığını yaratır. Hidrokarbonları yakarken alevin güçlü parlaklığı, büyük miktarlarda oluşan karbon siyahı parçacıklarının parlamasıyla sağlanır. Oksidasyonun bir sonucu olarak karbon siyahı içeriğindeki bir azalma, alevin parlaklığını azaltır ve sıcaklıktaki bir azalma, karbon siyahının oksidasyonunu zorlaştırır ve alevde kurum oluşumuna yol açar.
Yanma reaksiyonunu kesintiye uğratmak için, oluşma ve devam etme koşullarını bozmak gerekir. Genellikle söndürme için, kararlı durumun iki ana koşulunun ihlali kullanılır - sıcaklıkta bir azalma ve gaz hareketi rejimi.
Sıcaklık düşüşü buharlaşma ve ayrışma sonucu çok fazla ısı emen maddelerin (örneğin su, tozlar) eklenmesiyle elde edilebilir.
Gaz hareket modu Oksijen akışını azaltarak ve ortadan kaldırarak değiştirilebilir.
Patlama, GOST 12.1.010'a göre " Patlama güvenliği“, - enerjinin salınması ve iş üretebilen sıkıştırılmış gazların oluşumu ile birlikte bir maddenin hızlı bir dönüşümü (patlayıcı yanma).
Bir patlama, kural olarak, basınçta yoğun bir artışa yol açar. Çevrede bir şok dalgası oluşur ve yayılır.
Şok dalgası içindeki aşırı basınç 15 kPa'nın üzerindeyse yıkıcı özelliğe sahiptir. Alev cephesinin önündeki gazda 330 m/s ses hızıyla yayılır. Bir patlama sırasında, ilk enerji, ısıtılan sıkıştırılmış gazların enerjisine dönüştürülür ve bu da ortamın hareket, sıkıştırma ve ısınma enerjisine dönüşür. Olası Farklı türde ilk patlama enerjisi - elektriksel, termal, elastik sıkıştırma enerjisi, atomik, kimyasal.
GOST 12.1.010'a göre patlama tehlikesini karakterize eden ana parametreler, şok dalgası cephesindeki basınç, maksimum patlama basıncı, patlama sırasındaki ortalama ve maksimum basınç artış hızı, ezilme veya yüksek patlayıcı özelliklerdir. patlayıcı bir ortam.
Patlamanın genel etkisi bir şok dalgasının neden olduğu ekipmanın veya tesislerin tahrip edilmesinde ve ayrıca zararlı maddelerin (patlama ürünleri veya ekipmanın içinde bulunanlar) salınmasında kendini gösterir.
Maksimum patlama basıncı(P max) – 101,3 kPa karışımın başlangıç ​​basıncında kapalı bir kapta gaz, buhar veya toz-hava karışımının alev alarak patlaması sırasında meydana gelen en yüksek basınç.
Patlama sırasında basınç artış hızı(dР/dt) – kapalı bir kaptaki gaz, buhar, toz-hava karışımının patlama basıncının zamana bağlılığının artan bölümünde patlama basıncının zamana göre türevi. Bu durumda patlama sırasındaki maksimum ve ortalama basınç artış oranları arasında bir ayrım yapılır. Maksimum hızı belirlerken, patlama basıncının zamana bağımlılığının düz çizgi bölümündeki basınç artışı kullanılır ve ortalama hızı belirlerken, maksimum patlama basıncı ile patlamadan önceki kaptaki başlangıç ​​basıncı arasındaki bölüm kullanılır. patlama kullanılır.
Bu özelliklerin her ikisi de önemli faktörler Patlamaya karşı koruma sağlamak için. Patlama ve yangından korunma için bina ve bina kategorisini belirlemek için kullanılırlar ve yangın tehlikesi, güvenlik cihazlarını hesaplarken, teknolojik süreçlerin yangın ve patlama güvenliğine yönelik önlemler geliştirirken.
Patlama sabit bir hızda yayılan ve ses hızını aşan bir şok dalgasının birleşimi olan ve başlangıç ​​​​maddelerinin kimyasal dönüşüm bölgesinin önünü takip eden oksitleyici-indirgeyici sistemin kimyasal dönüşüm sürecidir. Kimyasal enerji Patlama dalgasında salınan şok dalgasını besleyerek sönmesini önler. Patlama dalgasının hızı her sistemin kendine özgü bir özelliğidir.

1 Yöntem, sabit hacimli küresel bir reaksiyon kabında gaz ve buhar-hava karışımlarının patlama basıncındaki maksimum ve ortalama artış hızının üst sınırlarının belirlenmesinden oluşur.

kPa·s-1 cinsinden maksimum basınç artış hızının üst sınırı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

Nerede P Ben-başlangıç ​​basıncı, kPa;

S Ve. Ben- başlangıç ​​basıncı ve sıcaklıkta normal alev yayılma hızı, m s -1;

A-küresel reaksiyon kabının yarıçapı, m;

Boyutsuz maksimum patlama basıncı;

R  -maksimum mutlak patlama basıncı, kPa;

 Ve-incelenen karışımın adyabatik indeksi;

-termokinetik üs, basınç ve sıcaklığa bağlı olarak alevin normal yayılma hızına bağlıdır. Eğer değer  bilinmiyor, 0,4'e eşit alınıyor.

KPa s -1 cinsinden ortalama basınç artış hızının üst sınırı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır

, (98)

parametrelerin bir fonksiyonu nerede  e ,  Ve ,  değerleri, Şekil 2'de gösterilen nomogramlar kullanılarak bulunur. 26 ve 27.

Değerler  e Ve  Ve termodinamik hesaplamayla bulunur veya hesaplama imkansızsa sırasıyla 9,0 ve 1,4'e eşit alınır.

Formül (97) ve (98) kullanılarak yapılan hesaplamanın göreceli kök ortalama kare hatası %20'yi aşmaz.

2. C, H, O, N, S, F, Cl atomlarından oluşan maddeler için gaz ve buhar-hava karışımlarının patlama basıncındaki maksimum artış oranı formülle hesaplanır.

, (99)

Nerede V-reaksiyon kabının hacmi, m3.

Formül (99) kullanılarak yapılan hesaplamanın bağıl kök ortalama kare hatası %30'u aşmaz.

Katıların ve malzemelerin termal kendiliğinden yanma koşullarının deneysel olarak belirlenmesi için yöntem

1. Ekipman.

Termal kendiliğinden yanma koşullarını belirleyen ekipman aşağıdaki unsurları içerir.

1.1. En az 40 dm3 çalışma odası kapasitesine sahip bir termostat, 3 °C'den fazla olmayan bir hatayla 60 ila 250 °C arasında sabit bir sıcaklık tutmanıza olanak tanıyan bir termostata sahiptir.

1.2. Kapaklı, 35, 50, 70, 100, 140 ve 200 mm (her boyutta 10 adet) yüksekliğinde, kübik veya silindirik şekilli, korozyona dayanıklı metalden yapılmış sepetler. Silindirik sepetin çapı yüksekliğine eşit olmalıdır. Sepetin et kalınlığı (1,0±0,1) mm'dir.

1.3. Maksimum çalışma bağlantı çapı 0,8 mm'yi geçmeyen termoelektrik dönüştürücüler (en az 3).

2. Teste hazırlık.

2.1. Düzeltmeyi belirlemek için bir kalibrasyon testi yapın ( T T) termoelektrik dönüştürücülerin okumalarına 2 Ve 3 . Bunu yapmak için, belirli bir sıcaklığa ısıtılan termostatın içine yanıcı olmayan bir madde (örneğin kalsine kum) içeren bir sepet yerleştirin. Termoelektrik dönüştürücüler (Şekil 2), bir termoelektrik dönüştürücünün çalışma bağlantısı numuneyle temas halinde olacak ve ortasına yerleştirilecek, ikincisi sepetin dış tarafıyla temas edecek ve üçüncüsü - sepetin duvarından (30±1) mm uzaklıkta. Üç termoelektrik dönüştürücünün hepsinin çalışma bağlantıları, termostatın merkez çizgisine karşılık gelen aynı yatay seviyede bulunmalıdır.

1 , 2 , 3 -Termoelektrik dönüştürücülerin çalışma bağlantıları.

Yanıcı olmayan bir madde içeren sepet, tüm termoelektrik değerlerin okunduğu sabit bir mod oluşturulana kadar bir termostatta tutulur.

dönüştürücüler 10 dakika boyunca değişmeden kalır veya ortalama sıcaklıklar civarında sabit bir genlikle dalgalanır T 1 , T 2 , T 3 . Değişiklik  T T aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır

, (100)

2.2. Test numuneleri, test edilen maddenin (malzemenin) ortalama özelliklerini karakterize etmelidir. Sac malzemeyi test ederken sepetin iç boyutlarına karşılık gelen bir istifte toplanır. Monolitik malzeme numunelerinde, termoelektrik dönüştürücü için (7,0 ± 0,5) mm çapında bir delik merkeze önceden delinir.

Yanıcı karışımların yanma süreçlerinin Rus ve yabancı bilim adamları tarafından incelenmesi, alevin yayılma hızı da dahil olmak üzere yanma sürecine eşlik eden birçok olgunun teorik olarak kanıtlanmasını mümkün kılmıştır. Gaz karışımlarında alev yayılma hızının incelenmesi, havalandırma, geri kazanım, aspirasyon boru hatlarında ve gaz ve toz-hava karışımlarının taşındığı diğer tesislerin boru hatlarında güvenli gaz-hava akış hızlarının belirlenmesini mümkün kılar.

1889'da Rus bilim adamı V.A. Michelson, normal veya yavaş yanma ve patlama sırasında alev yayılımının iki sınırlayıcı durumunu değerlendirdi.

Normal alev ve patlama yayılımı teorisi, N.N.'nin çalışmalarında daha da geliştirildi. Semenova, K.I. Shchelkina, D.A. Frank-Kamenetsky, L.N. Khitrina, A.S. Sokolika, V.I. Skobelkin ve diğer bilim adamlarının yanı sıra yabancı bilim adamları B. Lewis, G. Elbe ve diğerleri Sonuç olarak patlayıcı karışımların tutuşması teorisi oluşturuldu. Bununla birlikte, alev yayılımı olayını aktif merkezlerin yayılması olarak yorumlama veya alev yayılımının sınırlarını devre kesme koşullarıyla açıklama çabaları yeterince ikna edici değildir.

1942'de Sovyet bilim adamı Ya.B. Zeldovich, gazların yanma ve patlaması teorisinin ilkelerini formüle etti. Yanma teorisi ana sorulara bir cevap sağlar: belirli bir bileşimin karışımı yanıcı olacak mı, patlayıcı bir karışımın yanma hızı ne olacak, alevin hangi özellikleri ve biçimleri beklenmelidir. Teori, bir gaz veya buhar-hava karışımının patlamasının anlık bir olay olmadığını belirtmektedir. Yanıcı karışıma bir ateşleme kaynağı eklendiğinde, ateşleme kaynağının etki alanında yakıtın oksitleyici ile oksidasyon reaksiyonu başlar. Bu bölgenin bazı temel hacimlerindeki oksidasyon reaksiyonunun hızı maksimuma ulaşır - yanma meydana gelir. Temel hacmin ortamla sınırındaki yanmaya alev cephesi denir. Alev cephesi küre şeklindedir. Ya.B.'nin hesaplamalarına göre alev cephesinin kalınlığı. Zeldovich, 1 – 100 mikrona eşittir. Yanma bölgesinin kalınlığı küçük olmasına rağmen yanma reaksiyonunun gerçekleşmesi için yeterlidir. Yanma reaksiyonunun ısısından dolayı alev cephesinin sıcaklığı 1000 - 3000 0 C'dir ve yanıcı karışımın bileşimine bağlıdır. Alev cephesinin yakınında, karışımın sıcaklığı da artar; bunun nedeni, iletim yoluyla ısı transferi, ısıtılmış moleküllerin difüzyonu ve radyasyondur. Alev cephesinin dış yüzeyinde bu sıcaklık, yanıcı karışımın kendiliğinden tutuşma sıcaklığına eşittir. Karışımın boru ekseni boyunca sıcaklığının zaman anlarındaki değişimi Şekil 2'de grafiksel olarak gösterilmektedir. 4.1. Gaz katmanı CC 1 Karışımın sıcaklığının arttığı alev cephesini temsil eder. Sıcaklık arttıkça alev cephesi genişler (en fazla KK 2) borunun uç duvarlarına doğru A Ve M yanmamış karışımın belirli bir hızla duvara doğru kaydırılması M ve yanmış gaz duvara doğru A. Yanıcı karışımın tutuşmasından sonra alevin küresel şekli çok hızlı bir şekilde bozulur ve henüz tutuşmamış karışıma doğru giderek daha fazla gerilir. Alev cephesinin uzaması ve yüzeyindeki hızlı artışa hareket hızının da artması eşlik etmektedir.

alevin orta kısmı. Bu hızlanma, alev boru duvarlarına temas edene veya her halükarda boru duvarına yaklaşana kadar devam eder. Şu anda alevin boyutu keskin bir şekilde azalır ve borunun tüm kesitini kaplayan alevin yalnızca küçük bir kısmı kalır. Alev henüz borunun duvarlarına ulaşmadığında, bir kıvılcımla tutuşmadan hemen sonra alev cephesinin uzaması ve yoğun hızlanması, yanma ürünlerinin hacmindeki artıştan kaynaklanır. Böylece, alev cephesinin oluşma sürecinin ilk aşamasında, gaz karışımının yanıcılık derecesine bakılmaksızın, alevin hızlanması ve ardından frenlenmesi meydana gelir ve bu frenleme, alev hızı ne kadar yüksek olursa o kadar büyük olacaktır.

Pirinç. 4.1. Alev cephesinin önünde ve arkasında sıcaklık değişimi: 1 – bölge

yanma ürünleri; 2 – alev önü; 3 – kendiliğinden tutuşma bölgesi;

4 – ön ısıtma bölgesi; 5 – ilk karışım

Sonraki yanma aşamalarının gelişimi borunun uzunluğundan etkilenir. Borunun uzaması titreşimlerin ortaya çıkmasına ve alev, şok ve patlama dalgalarının hücresel yapısının oluşmasına yol açar.

Alev cephesinin önündeki ısıtma bölgesinin genişliğini ele alalım. Bu bölgede Kimyasal reaksiyon sızıntı yapmaz ve ısı üretmez. Isıtma bölgesi genişliği ben(cm cinsinden) bağımlılıktan belirlenebilir:

Nerede A– termal yayılma katsayısı; v– alev yayılma hızı.

Metan-hava karışımı için ısıtma bölgesinin genişliği 0,0006 m'dir; hidrojen-hava karışımı için ise çok daha küçüktür (3 mikron). Sonraki yanma, termal iletkenlik ve bileşenlerin bitişik katmanlardan difüzyonu sonucu durumu zaten değişmiş olan bir karışımda meydana gelir. Reaksiyon ürünlerinin eklenmesinin alev hareketinin hızı üzerinde herhangi bir spesifik katalitik etkisi yoktur.

Şimdi alev cephesinin gaz karışımındaki hareket hızını ele alalım. Doğrusal hareket hızı v(m/s cinsinden) formülle belirlenebilir

kütle yanma hızı nerede, g/(cm×m2), p, başlangıçtaki yanıcı karışımın yoğunluğu, kg/m3.

Doğrusal hız alev cephesinin hareketi sabit değildir, karışımın bileşimine ve inert (yanıcı olmayan) gazların karışımına, karışımın sıcaklığına, boruların çapına vb. bağlı olarak değişir. Maksimum alev hızı yayılma, karışımın stokiyometrik konsantrasyonunda değil, fazla yakıt içeren bir karışımda gözlenir. Yanıcı bir karışıma inert gazlar eklendiğinde alevin yayılma hızı azalır. Bu, karışımın yanma sıcaklığının azalmasıyla açıklanır, çünkü ısının bir kısmı reaksiyona katılmayan inert yabancı maddelerin ısıtılması için harcanır. Alev yayılma hızı inert gazın ısı kapasitesinden etkilenir. İnert bir gazın ısı kapasitesi ne kadar büyük olursa, yanma sıcaklığını o kadar azaltır ve alevin yayılma hızını da o kadar azaltır. Bu nedenle, karbondioksit ile seyreltilmiş hava ile metan karışımında alevin yayılma hızı, argon ile seyreltilmiş karışıma göre yaklaşık üç kat daha azdır.

Karışım önceden ısıtıldığında alevin yayılma hızı artar. Alev yayılma hızının karışımın başlangıç ​​sıcaklığının karesiyle orantılı olduğu tespit edilmiştir.

Boruların çapı arttıkça alevin yayılma hızı dengesiz bir şekilde artar.

Bu nedenle yanıcı bir karışımda alevin yayılmasını durdurmak için kabı (örneğimizde bir boruyu) dışarıdan soğutarak veya karışımı seyrelterek karışımın sıcaklığının şu veya bu şekilde düşürülmesi gerekir. soğuk inert gazla.

Alevin normal yayılma hızı nispeten düşüktür (saniyede onlarca metreden fazla değil), ancak bazı durumlarda borulardaki alev çok büyük bir hızla (2 ila 5 km/s arasında) yayılır ve ses hızını aşar. verilen ortam. Bu olaya patlama adı verildi. Ayırt edici özellikleri patlamalar şöyle:

1) boru çapından bağımsız olarak sabit yanma hızı;

2) yüksek basınç yanıcı karışımın kimyasal yapısına ve başlangıç ​​basıncına bağlı olarak 50 MPa'yı aşabilen bir patlama dalgasının neden olduğu alev; Ayrıca yüksek yanma hızı nedeniyle oluşan basınç, kabın (veya borunun) şekline, kapasitesine ve sıkılığına bağlı değildir.

Karışım kapalı uçtan ateşlendiğinde sabit kesitli uzun bir boruda hızlı yanmanın patlamaya geçişini düşünelim. Alev cephesinin basıncı altında, yanıcı karışımda sıkıştırma dalgaları (şok dalgaları) ortaya çıkar. Şok dalgasında gaz sıcaklığı, alev cephesinin çok ilerisinde karışımın kendiliğinden tutuşmasının meydana geldiği değerlere yükselir. Bu yanma moduna patlama denir. Alev cephesi hareket ettikçe duvara bitişik katmanların hareketi yavaşlar ve buna bağlı olarak borunun merkezindeki karışımın hareketi hızlanır; dağıtım

Kesit boyunca büyüme eşitsiz hale gelir. Normal yanma sırasında hızı gaz karışımının ortalama hızından daha az olan ve jetler daha hızlı hareket eden gaz karışımları jetleri ortaya çıkar. Bu koşullar altında alevin karışıma göre hızı artar, birim zamanda yakılan gaz miktarı artar ve alev cephesinin hareketi belirlenir. azami hız gaz jeti.

Alev hızlandıkça şok dalgasının genliği de artar ve sıkıştırma sıcaklığı, karışımın kendiliğinden tutuşma sıcaklığına ulaşır.

Birim zamanda yakılan toplam gaz miktarındaki artış, değişken kesit hızına sahip bir jette alev ön kısmının bükülmesi; bunun sonucunda yüzeyi artar ve orantılı olarak yanıcı madde miktarı da artar.

Yanıcı karışımların yanma hızını azaltmanın yollarından biri, aleve inert gazlarla etki etmektir, ancak verimlerinin düşük olması nedeniyle, şu anda karışıma halojenli hidrokarbonlar eklenerek kimyasal yanma inhibisyonu kullanılmaktadır.

Yanıcı gaz karışımlarının iki teorik yanma sıcaklığı vardır - sabit hacimde ve sabit basınçta ve birincisi her zaman ikincisinden daha yüksektir.

Sabit basınçta kalorimetrik yanma sıcaklığını hesaplama yöntemi Bölüm 1'de tartışılmaktadır. Kapalı bir kaptaki patlamaya karşılık gelen, sabit hacimdeki gaz karışımlarının teorik yanma sıcaklığını hesaplama yöntemini ele alalım. Sabit hacimde teorik yanma sıcaklığının hesaplanmasının temeli, alt bölümde belirtilen koşulların aynısıdır. 1.7.

Gaz karışımları kapalı bir hacimde yandığında yanma ürünleri iş yapmaz; Patlama enerjisi yalnızca patlama ürünlerini ısıtmak için harcanır. Bu durumda toplam enerji, patlayıcı karışımın Q ext.en.cm iç enerjisi ile yanma ısısının toplamı olarak belirlenir. bu maddenin. Q int.en.cm değeri, patlayıcı karışımın bileşenlerinin sabit hacimdeki ısı kapasiteleri ile karışımın başlangıç ​​sıcaklığının çarpımlarının toplamına eşittir.

Q int.en.cm = s 1 T + s 2 T +… + s n T,

burada с 1, с 2, с n – spesifik ısı kapasiteleri patlayıcı karışımı oluşturan bileşenler, kJ/(kg × K); T, karışımın başlangıç ​​sıcaklığıdır, K.

Q ext.en.cm değeri referans tablolarında bulunabilir. Sabit hacimdeki gaz karışımlarının patlama sıcaklığı, karışımın sabit basınçtaki yanma sıcaklığıyla aynı yöntem kullanılarak hesaplanır.

Patlama sıcaklığı patlama basıncını belirlemek için kullanılır. Kapalı bir hacimde bir gaz-hava karışımının patlaması sırasındaki basınç, patlamanın sıcaklığına ve yanma ürünleri molekül sayısının patlayıcı karışımdaki molekül sayısına oranına bağlıdır. Bir gaz-hava karışımı patladığında, karışımın başlangıç ​​basıncı normalse basınç genellikle 1,0 MPa'yı aşmaz. Patlayıcı bir karışımdaki havayı oksijenle değiştirirken, yanma sıcaklığı arttıkça patlama basıncı keskin bir şekilde artar.

Stokiyometrik gaz-hava karışımının bile patlaması durumunda önemli miktar karışımdaki nitrojenin ısıtılması için ısı harcanır, dolayısıyla bu tür karışımların patlama sıcaklığı, oksijenli karışımların patlama sıcaklığından çok daha düşüktür. Böylece metan, etilen, aseton ve metil eterden oluşan stokiyometrik bir karışımın patlama basıncı

ra'nın oksijenle birlikte değeri 1,5 – 1,9 MPa, havayla stokiyometrik karışımları ise 1,0 MPa'dır.

Maksimum patlama basıncı, ekipmanın patlama direncinin hesaplanmasında ve hesaplamalarda kullanılır. emniyet valfleri, patlayıcı membranlar ve patlamaya dayanıklı elektrikli ekipmanların muhafazaları.

Patlama basıncı P yetişkin (MPa cinsinden) gaz-hava karışımları formülle hesaplanır

,

burada P 0 – patlayıcı karışımın başlangıç ​​basıncı, MPa; T0 ve Texp – patlayıcı karışımın başlangıç ​​sıcaklığı ve patlama sıcaklığı, K; - patlamadan sonra yanma ürünü gazların molekül sayısı; – patlamadan önce karışımdaki gaz moleküllerinin sayısı.

Örnek 4.1 . Etil alkol buharı ve hava karışımının patlaması sırasındaki basıncı hesaplayın.

.

P 0 = 0,1 MPa; T yetişkin = 2933 K; T 0 = 273 + 27 = 300 K; = 2 + 3 + 11,28 = 16,28 mol; = 1 + 3 + 11,28 = 15,28 mol.

Rusya Federasyonu Federal Eğitim Ajansı

Durum Eğitim kurumu yüksek mesleki eğitim

"Ufa Devlet Petrol Teknik Üniversitesi"

Endüstriyel Güvenlik ve İşgücünün Korunması Dairesi Başkanlığı

Konuyla ilgili test:

Yanma ve patlama teorisi

1. Patlama ile ilgili teorik sorular

Yanıcı gazların (GG) ve yanıcı sıvıların (FLL) çıkarılması, taşınması, işlenmesi, üretimi, depolanması ve kullanılmasıyla ilgili teknolojik süreçlerde, patlayıcı gaz ve buhar-hava karışımlarının oluşma tehlikesi her zaman vardır.

Patlayıcı bir ortam, maddelerin (gazlar, buharlar, tozlar) hava ve diğer oksitleyici maddelerle (oksijen, ozon, klor, nitrojen oksitler vb.) ve patlayıcı dönüşüme yatkın maddelerin (asetilen, ozon, hidrazin vb.) karışımıyla oluşturulabilir. .).

Patlamalara çoğunlukla kuralların ihlali neden oluyor Güvenli operasyon Ekipmanlarda meydana gelen sızıntılar, bağlantılardaki sızıntılardan dolayı gaz sızıntısı, cihazların aşırı ısınması, aşırı basınç artışları, uygun kontrol eksikliği teknolojik süreç ekipman parçalarının yırtılması veya bozulması vb.

Patlamanın kaynağı:

açık alev, yanan ve sıcak cisimler;

elektrik deşarjları;

Kimyasal reaksiyonların termal belirtileri ve mekanik etkileri;

Çarpma ve sürtünmeden kaynaklanan kıvılcımlar:

şok dalgaları;

Elektromanyetik ve diğer radyasyon.

PB 09-540-03'e göre patlama:

I. Bir maddenin durumundaki ani bir değişiklikle ilişkili ve basınç dalgalanması veya şok dalgasının eşlik ettiği potansiyel enerjinin hızlı salınımı süreci.

2. Aşırı basınç yaratan iç enerjinin kısa süreli serbest bırakılması

Yanma olsun ya da olmasın (oksidasyon süreci) bir patlama meydana gelebilir.

Ortamın patlayıcılığını karakterize eden parametreler ve özellikler:

Alevlenme noktası;

Tutuşmanın konsantrasyonu ve sıcaklık sınırları;

Kendiliğinden tutuşma sıcaklığı;

Normal alev yayılma hızı;

Minimum patlayıcı oksijen içeriği (oksitleyici madde);

Minimum ateşleme enerjisi;

Mekanik strese karşı hassasiyet (şok ve sürtünme). Tehlikeli ve zararlı faktörler işçileri etkileyen

patlamanın sonucu olarak:

Önünde basıncın izin verilen değeri aştığı bir şok dalgası;

Çöken yapılar, ekipmanlar, iletişimler, binalar ve yapılar ile bunların uçan parçaları;

Bir patlama sırasında oluşmuş ve/veya hasarlı ekipmandan salınmış zararlı maddeler içeriği havada olan çalışma alanı izin verilen maksimum konsantrasyonları aşıyor.

Patlama tehlikesini karakterize eden ana faktörler:

Maksimum basınç ve patlama sıcaklığı;

Patlama sırasında basınç artış hızı;

Şok dalgasının önündeki basınç;

Patlayıcı ortamların kırma ve yüksek patlayıcılık özellikleri.

Patlamanın ardından orijinal potansiyel enerji maddeler kural olarak ısıtılmış sıkıştırılmış gazların enerjisine dönüştürülür ve bu da genleştiklerinde ortamın hareket, sıkıştırma ve ısınma enerjisine dönüşür. Enerjinin bir kısmı genleşmiş gazların iç (termal) enerjisi formunda kalır.

Patlama sırasında açığa çıkan toplam enerji miktarı, yıkımın genel parametrelerini (hacim, alan) belirler. Enerji konsantrasyonu (birim hacim başına enerji), patlamanın kaynağındaki yıkımın yoğunluğunu belirler. Bu özellikler ise patlama dalgasına neden olan patlayıcı sistem tarafından salınan enerjinin hızına bağlıdır.

Soruşturma uygulamalarında en sık karşılaşılan patlamalar iki ana gruba ayrılabilir: kimyasal ve fiziksel patlamalar.

Kimyasal patlamalar, yanma ile ortaya çıkan ve termal enerjinin kısa sürede ve patlama kaynağından yayılan basınç dalgalarının oluştuğu bir hacimde salınması ile karakterize edilen bir maddenin kimyasal dönüşüm süreçlerini içerir.

Fiziksel patlamalar, patlamaya yol açan ve maddenin kimyasal dönüşümleriyle ilişkili olmayan süreçleri içerir.

Kazara patlamalar çoğunlukla yanma süreçlerinden kaynaklanır. Bu tür patlamalar çoğunlukla patlayıcıların depolanması, taşınması ve üretimi sırasında meydana gelir. Bunlar gerçekleşir:

Kimya ve petrokimya endüstrisinin patlayıcıları ve patlayıcı maddelerini kullanırken;

Sızıntılar için doğal gaz konut binalarında;

yüksek derecede uçucu veya sıvılaştırılmış yanıcı maddelerin üretimi, taşınması ve depolanması sırasında;

sıvı yakıt depolama tanklarını yıkarken;

yanıcı toz sistemleri ve bazı kendiliğinden tutuşabilen katı ve sıvı maddelerin imalatı, depolanması ve kullanımında.

Kimyasal patlamanın özellikleri

İki ana patlama türü vardır: yoğunlaştırılmış patlayıcıların patlaması ve hacimsel bir patlama (toz ve gaz karışımlarının buharlarının patlaması). Yoğunlaştırılmış patlayıcıların patlamasına tüm katı patlayıcılar ve nitrogliserin de dahil olmak üzere nispeten az sayıda sıvı patlayıcı neden olur. Bu tür patlayıcıların yoğunluğu genellikle 1300-1800 kg/m3 arasındadır ancak kurşun veya cıva içeren birincil patlayıcıların yoğunluğu çok daha yüksektir.

Ayrışma reaksiyonları:

Patlamanın en basit durumu, gazlı ürünlerin oluşumuyla birlikte ayrışma sürecidir. Örneğin, hidrojen peroksitin büyük bir termal etkiyle ayrışması ve su buharı ve oksijen oluşumu:

2H2O2 → 2H2O2 + O2 + 106 kJ/mol

Hidrojen peroksit %60'lık bir konsantrasyondan itibaren tehlikelidir.

Kurşun azidin sürtünmesi veya darbesiyle ayrışması:

Pb(N3)2 → Pb -ü 3N2 + 474 kJ/mol.

Trinitrotoluen (TNT), "oksijeni eksik" bir maddedir ve bu nedenle ana parçalanma ürünlerinden biri, TNT patlamaları sırasında duman oluşumuna katkıda bulunan karbondur.

Patlayıcı bozunmaya eğilimli maddeler neredeyse her zaman salınımla sürecin ani gelişmesinden sorumlu bir veya daha fazla karakteristik kimyasal yapı içerir. büyük miktar enerji. Bu yapılar aşağıdaki grupları içerir:

NO2 ve NO3 - organik ve inorganik maddelerde;

N=N-N - organik ve inorganik azidlerde;

NX3, burada X bir halojendir,

Fülminatlarda N=C.

Termokimya kanunlarına dayanarak, ayrışma süreci patlayıcı olabilecek bileşikleri tespit etmek mümkün görünmektedir. Bir sistemin potansiyel tehlikesini belirleyen belirleyici faktörlerden biri, sistemin başlangıç ​​durumundaki iç enerjisinin son durumuna göre yaygınlığıdır. Bu koşul, bir maddenin oluşumu sırasında ısı emildiğinde (endotermik reaksiyon) karşılanır. İlgili prosesin bir örneği elementlerden asetilen oluşumudur:

2C + H2 → CH=CH - 242 kJ/mol.

Oluşum sırasında ısı kaybeden (ekzotermik reaksiyon) patlayıcı olmayan maddeler arasında örneğin karbondioksit yer alır.

C + O2 → CO2 + 394 kJ/mol.

Termokimya yasalarının uygulanmasının yalnızca patlayıcı bir süreç olasılığını belirlememize izin verdiği dikkate alınmalıdır. Uygulanması reaksiyon hızına ve uçucu ürünlerin oluşumuna bağlıdır. Örneğin mum parafininin oksijenle reaksiyonu yüksek ekzotermikliğine rağmen düşük hızı nedeniyle patlamaya yol açmaz.

2Al + 4AC2O2 → Al2O3 + 2Fe reaksiyonu, yüksek ekzotermikliğine rağmen, gaz halinde ürünler oluşmadığından patlamaya da yol açmaz.

Yanma reaksiyonlarının temelini oluşturan redoks reaksiyonları bu nedenle ancak yüksek reaksiyon hızlarına ve basınç artışına ulaşılabilecek uygun koşullar altında patlamaya yol açabilir. Yüksek derecede dağılmış maddelerin yanması katılar ve sıvılar, kapalı hacim koşulları altında aşırı basınçta 8 bar'a kadar bir artışa neden olabilir.Bu nispeten nadirdir, örneğin aerosolün yağ damlacıklarından oluşan bir sis olduğu sıvı hava sistemlerinde.

Ekzotermik polimerizasyon reaksiyonlarında ve uçucu bir monomerin varlığında, genellikle basınçta tehlikeli bir artışın meydana gelebileceği bir aşamaya ulaşılır; etilen oksit gibi bazı maddeler için polimerizasyon şu aşamada başlayabilir: oda sıcaklığıözellikle başlangıç ​​bileşikleri polimerizasyonu hızlandıran maddelerle kirlendiğinde. Etilen oksit ayrıca ekzotermik olarak asetaldehite izomerleşebilir:

CH2CH2O - CH3HC = O + 113,46 kJ/mol

Yoğuşma reaksiyonları boya, vernik ve reçine üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır ve prosesin ekzotermik doğası ve uçucu bileşenlerin varlığı nedeniyle bazen patlamalara yol açmaktadır.

Öğrenmek için Genel Şartlar yanmanın oluşması ve patlamaya geçişi için uygun, kimyasal reaksiyon ve ısı nedeniyle hacimsel ısı salınımının varlığında yanıcı bir sistemde geliştirilen sıcaklığın zamana bağımlılığının grafiğini (Şekil 1) düşünün. kayıp.

Grafikte T1 sıcaklığını sistemde yanmanın meydana geldiği kritik nokta olarak düşünürsek, ısı kaybının ısı kazancını aştığı durumlarda böyle bir yanmanın gerçekleşemeyeceği açıkça ortaya çıkar. Bu süreç yalnızca ısı salınımı ve ısı kaybı oranları arasında eşitliğe ulaşıldığında başlar (karşılık gelen eğrilerin teğetlik noktasında) ve daha sonra artan sıcaklıkla hızlanabilir. dolayısıyla patlamadan önceki basınç.

Bu nedenle, ısı yalıtımı için uygun koşulların varlığında, yanıcı bir sistemde ekzotermik reaksiyonun meydana gelmesi, yalnızca yanmaya değil aynı zamanda patlamaya da yol açabilir.

Patlamayı destekleyen kontrolsüz reaksiyonlar, örneğin kaplarda ısı transfer hızının düşük olmasından kaynaklanmaktadır. doğrusal fonksiyon Reaksiyon kütlesi ile soğutucu arasındaki sıcaklık farkı, ekzotermik reaksiyonun hızı ve dolayısıyla buradan gelen ısı akışı, reaktanların başlangıç ​​konsantrasyonlarının artmasıyla bir güç yasasına göre büyür ve artan sıcaklıkla birlikte hızlı bir şekilde artar. Kimyasal reaksiyon hızının sıcaklığa üstel bağımlılığı (Arrhenius yasası). Bu modeller, karışımın en düşük yanma oranlarını ve alt kısımdaki sıcaklığı belirler. konsantrasyon sınırı ateşleme. Yakıt ve oksitleyici konsantrasyonu stokiyometrik seviyelere yaklaştıkça yanma hızı ve sıcaklık maksimum seviyelere çıkar.

Stokiyometrik bileşimli bir gazın konsantrasyonu, yakıt ile karışımın oksitleyici maddesi arasındaki tam kimyasal etkileşimin herhangi bir kalıntı olmadan sağlandığı, oksitleyici bir ortamla bir karışımdaki yanıcı bir gazın konsantrasyonudur.

3. Fiziksel patlamanın özellikleri

Fiziksel patlamalar genellikle kapların buhar basıncından ve oluklardan kaynaklanan patlamalarıyla ilişkilidir. Üstelik oluşumlarının ana nedeni kimyasal bir reaksiyon değil, sıkıştırılmış veya iç enerjinin açığa çıkmasından kaynaklanan fiziksel bir süreçtir. sıvılaştırılmış gaz. Bu tür patlamaların gücü iç basınca bağlıdır ve yıkım, genişleyen gazdan veya parçalanmış bir kabın parçalarından kaynaklanan bir şok dalgası nedeniyle meydana gelir. Örneğin basınç altındaki portatif bir gaz silindirinin düşmesi ve basınç düşürücü vananın kırılması durumunda fiziksel bir patlama meydana gelebilir. Sıvılaştırılmış gazın basıncı nadiren 40 bar'ı aşar (geleneksel sıvılaştırılmış gazların çoğunun kritik basıncı).

Fiziksel patlamalar aynı zamanda fiziksel patlama olarak adlandırılan olguyu da içerir. Bu fenomen, sıcak ve soğuk sıvılar karıştırıldığında, birinin sıcaklığı diğerinin kaynama noktasından önemli ölçüde yüksek olduğunda (örneğin, erimiş metalin suya dökülmesi) meydana gelir. Ortaya çıkan buhar-sıvı karışımında, eriyik damlacıklarının ince flegmatizasyonu, bunlardan hızlı ısı uzaklaştırılması ve güçlü buharlaşmasıyla soğuk sıvının aşırı ısınması süreçlerinin gelişmesi nedeniyle buharlaşma patlayıcı bir şekilde meydana gelebilir.

Fiziksel patlamaya, sıvı fazda aşırı basınçla birlikte bazı durumlarda binden fazla atmosfere ulaşan bir şok dalgasının ortaya çıkması eşlik eder. Birçok sıvı, buhar basınçlarının atmosfer basıncını önemli ölçüde aştığı koşullarda depolanır veya kullanılır. Bu sıvılar şunları içerir: sıvılaştırılmış yanıcı gazlar (örneğin propan, bütan), sıvılaştırılmış soğutucular, oda sıcaklığında saklanan amonyak veya freon, düşük sıcaklık, aşırı ısıtılmış su buhar kazanları. Konteyner ise aşırı ısıtılmış sıvı hasar görürse, buhar çevredeki boşluğa akar ve sıvının hızlı bir şekilde kısmi buharlaşması meydana gelir. Buhar yeterince hızlı bir şekilde dışarı akıp genişlerse ortamda patlama dalgaları oluşur. Basınç altında gaz ve buhar içeren kapların patlama nedenleri şunlardır:

Herhangi bir bileşenin bozulması, uygunsuz kullanım nedeniyle hasar veya korozyon nedeniyle mahfazanın bütünlüğünün ihlali;

Elektrikli ısıtmadaki veya yanma cihazının çalışma modundaki arızalar nedeniyle kabın aşırı ısınması (bu durumda, kabın içindeki basınç artar ve gövdenin gücü, hasarın meydana geldiği bir duruma düşer);

İzin verilen basınç aşıldığında kabın patlaması.

Gaz kaplarının patlamaları ve ardından atmosferde yanmalar temelde yukarıda anlatılanlarla aynı nedenleri içerir ve fiziksel patlamaların karakteristiğidir. Temel fark, bu durumda, boyutu atmosfere salınan gazlı yakıt miktarına bağlı olan bir ateş topunun oluşmasıdır. Bu miktar, gazın kapta bulunduğu fiziksel duruma bağlıdır. Yakıt gaz halinde tutulduğunda miktarı, aynı kapta sıvı halde saklanmasına göre çok daha az olacaktır. Bir patlamanın sonuçlarını belirleyen parametreler, esas olarak patlama alanındaki enerji dağılımının niteliğine ve patlama dalgası patlama kaynağından yayılırkenki dağılımına göre belirlenir.

4. Enerji potansiyeli

Patlamanın büyük bir yıkıcı gücü var. En önemli karakteristik patlama maddenin toplam enerjisidir. Bu göstergeye patlama tehlikesinin enerji potansiyeli denir; patlamanın ölçeğini ve sonuçlarını karakterize eden tüm parametrelere dahil edilir.

Cihazın acil bir şekilde basınçsız hale getirilmesi durumunda, tamamen açılması (tahribatı) meydana gelir;

Sıvının döküldüğü alan aşağıdakilere göre belirlenir: yapıcı çözümler binalar veya dış mekan kurulum alanları;

Buharlaşma süresinin 1 saatten fazla olmadığı varsayılmaktadır:

E= EII1+ EII2+ EII1+ EII2+ EII3+ EII4,

patlama itfaiyeci odası tehlike

burada EI1, adyabatik genleşme ve buhar-gaz fazının yanma enerjilerinin toplamıdır (doğrudan blokta bulunan PGPC, kJ;

EI2, basınçsız alana bitişik nesnelerden (bloklar) sağlanan GPF'nin yanma enerjisidir, kJ;

EII1, söz konusu bloğun aşırı ısıtılmış sıvı akışkanının enerjisinden dolayı üretilen ve bitişik nesnelerden kJ alınan GTHF'nin yanma enerjisidir;

EII2, basınçsızlaştırma sırasında durmayan ekzotermik reaksiyonların ısısı nedeniyle sıvı fazdan (LP) oluşan PHF'nin yanma enerjisidir, kJ;

EII3 PHF'nin yanma enerjisidir. harici soğutuculardan gelen ısı akışı nedeniyle sıvı akışkandan oluşur, kJ;

EII4, katı bir yüzeye (zemin, palet, toprak vb.) dökülen sıvı akışkandan ısı transferi nedeniyle oluşan PHF'nin yanma enerjisidir. çevre(katı yüzey ve havadan yüzeyi boyunca sıvıya), kJ.

Patlama tehlikesinin genel enerji potansiyelleri değerleri esas alınarak teknolojik birimlerin patlama tehlikesini karakterize eden azaltılmış kütle ve bağıl enerji potansiyeli değerleri belirlenir.

Azaltılmış kütle, patlayıcı bir buhar-gaz bulutunun yanıcı buharlarının (gazlarının) tek bir kütleye indirgenmiş toplam kütlesidir. spesifik enerji 46000 kJ/kg'a eşit yanma:

Patlama tehlikesinin bağıl enerji potansiyeli Qв teknolojik blok Toplam yanma enerjisini karakterize eden ve aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanarak bulunabilir:

burada E, teknolojik ünitenin patlama tehlikesinin toplam enerji potansiyelidir.

Göreli enerji potansiyelleri Ov'nin buhar-gaz ortamının azaltılmış kütlesi m'ye olan değerlerine dayanarak, teknolojik bloklar kategorize edilir. Proses birimleri için patlama tehlikesi kategorisi göstergeleri Tablo 1'de verilmiştir.

Tablo No.

5. TNT'ye eşdeğer. Şok dalgası cephesinde aşırı basınç

Kazara ve kasıtlı kesintilerin etki düzeyini değerlendirmek için TNT'ye eşdeğer değerlendirme yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yönteme göre, yıkım derecesi, belirli bir düzeyde yıkıma neden olmak için gereken TNT kütlesinin belirlendiği bir TNT eşdeğeri ile karakterize edilir.Bir buhar-gaz ortamındaki patlamanın TNT eşdeğeri Wτ(kg) aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanan, buhar-gaz bulutlarının patlamalarındaki doğanın yeterliliği ve çözünürlük derecesinin yanı sıra katı ve sıvı kimyasal olarak kararsız bileşiklerin koşullarına göre belirlenir:

1 Buhar-gaz ortamı için

q/ − buhar-gaz ortamının özgül yanma ısısı, kJ kg,

qT, TNT kJ/kg'ın spesifik patlama enerjisidir.

2 Katı ve sıvı kimyasal açıdan kararsız bileşikler için

burada Wk katı ve sıvı kimyasal açıdan kararsız bileşiklerin kütlesidir; qk, katı ve sıvı kimyasal olarak kararsız bileşiklerin spesifik patlama enerjisidir. Üretimde gaz-hava, buhar-hava karışımı veya toz patladığında şok dalgası oluşur. Bina yapılarının, ekipmanın, makinelerin ve iletişimin çözülme derecesi ve ayrıca insanlara verilen zarar, şok dalgası cephesindeki ΔRF aşırı basıncına (şok dalgası önündeki maksimum basınç ile öndeki normal atmosferik basınç arasındaki fark) bağlıdır. bu ön).

Yanıcı kimyasal gazların ve sıvıların etkisinin değerlendirilmesine yönelik hesaplamalar, belirli bir miktarda patlayıcının bulunduğu kaptan belirli bir mesafede bir gaz-hava karışımının patlaması sırasında şok dalgası cephesindeki (ΔRF) aşırı basıncın belirlenmesine indirgenir. karışım saklanır.

6. Aşırı patlama basıncını belirlemek için hesaplama

Yanıcı gazlar, yanıcı buharlar ve yanıcı sıvılar için aşırı patlama basıncının hesaplanması, NPB 105-03 “Patlama ve yangın tehlikeleri için bina, bina ve dış mekan kurulumlarının kategorilerinin belirlenmesi”nde belirtilen metodolojiye göre gerçekleştirilir.

Ödev: Bir odadaki hidrojen sülfür patlamasının aşırı basıncını belirleyin.

Başlangıç ​​koşulları

Hidrojen dioksit 20 m3'lük bir aparatta sürekli olarak mevcuttur. Cihaz yerde bulunur. Boru hatlarının giriş ve çıkış kısımlarına takılan vanalarla (manuel) sınırlandırılan 50 mm çapındaki boru hatlarının toplam uzunluğu 15 m'dir.Boru hatlarında hidrojen sülfit tüketimi 4·10-3 m3/s'dir. . Odanın boyutları 10x10x4 m'dir.

Odada 8 saat-1 hava değişim oranına sahip acil havalandırma mevcuttur. Acil durum havalandırması, yedek fanlar, izin verilen maksimum patlayıcı konsantrasyonu aşıldığında otomatik başlatma ve birinci güvenilirlik kategorisine (PUE) göre güç kaynağı ile sağlanır. Odadaki havayı tahliye etmeye yönelik cihazlar olası bir kaza mahalline yakın bir yerde bulunmaktadır.

Binanın ana bina yapıları betonarmedir.

Tasarım seçeneğinin gerekçesi

NPB 105-03'e göre, kazanın tasarım versiyonu olarak, patlamanın sonuçları açısından en tehlikeli olan en fazla sayıda maddenin yer aldığı kazanın en elverişsiz versiyonu alınmalıdır.

Ve bir tasarım seçeneği olarak, kabın hidrojen sülfür ile basıncının düşürülmesi ve hidrojen sülfürün hem giriş hem de çıkış boru hatlarının odanın hacmine çıkışının sağlanması seçeneği benimsenmiştir.

1) C, H, O, N, Cl, Br, I, F atomlarından oluşan bireysel yanıcı maddeler için aşırı patlama basıncı formülle belirlenir.

(1)

kapalı bir hacimde stokiyometrik bir gaz-hava veya buhar-hava karışımının maksimum patlama basıncı, NPB -105-03'ün 3. maddesinin gereklerine uygun olarak deneysel olarak veya referans verilerden belirlenir. Veri yokluğunda 900 kPa'ya eşit olmasına izin verilir;

Başlangıç ​​basıncı, kPa (101 kPa'ya eşit olmasına izin verilir);

Kaza sonucu odaya salınan yanıcı gaz (GG) veya yanıcı buhar (FLV) ve yanıcı sıvıların (FL) kütlesi, kg;

Uygulamaya göre oda hacmindeki gaz ve buharların dağılımının niteliğine göre hesaplanabilen yakıtın patlamaya katılım katsayısı. Tabloya göre değer alınmasına izin verilir. 2 NPB 105-03. 0,5'e eşit alıyorum;

Boş alan hacmi, ;

Ufa şehri için maksimum mutlak hava sıcaklığı, 39°C'ye eşit olan tasarım sıcaklığı olarak alınır (SNiP 23-01-99 “Bina klimatolojisi”ne göre).

Aşağıda, bir odadaki hidrojen sülfit patlamasının aşırı basıncını belirlemek için gereken değerlerin bir hesaplaması bulunmaktadır.

Tasarım sıcaklığında hidrojen sülfürün yoğunluğu:

burada M, hidrojen sülfürün molar kütlesidir, 34,08 kg/kmol;

v0 – 22,413 m3/kmol'e eşit molar hacim;

0,00367− termal genleşme katsayısı, derece -1;

tp – tasarım sıcaklığı, 390С (Ufa şehri için mutlak maksimum hava sıcaklığı).

Hidrojen sülfürün stokiyometrik konsantrasyonu aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

;

burada β, yanma reaksiyonundaki oksijenin stokiyometrik katsayısıdır;

nc, nn, n0, nх, bir yakıt molekülündeki C, H, O atomlarının ve halojenlerin sayısıdır;

Hidrojen sülfür (H2S) için nc= 1, nн = 4, n0 = 0, nх = 0, dolayısıyla,

Bulunan β değerini değiştirerek, hidrojen sülfürün stokiyometrik konsantrasyonunun değerini elde ederiz:

Bir tasarım kazası sırasında odaya giren hidrojen sülfürün hacmi, aparattan çıkan gazın hacminden ve vanaları kapatmadan önce ve vanaları kapattıktan sonra boru hattından çıkan gazın hacminden oluşur:

burada Va aparattan çıkan gazın hacmidir, m3;

V1T kapatılmadan önce boru hattından ayrılan gazın hacmidir, m3;

V2T, kapatıldıktan sonra boru hattından çıkan gazın hacmidir, m3;

burada q, teknolojik düzenlemelere uygun olarak belirlenen sıvı akış hızıdır, m3/s;

T, NPB 105-03 s'nin 38. maddesine göre belirlenen, odanın hacmine gaz akış süresidir;

burada d boru hatlarının iç çapıdır, m;

Ln, acil durum aparatından vanalara kadar olan boru hatlarının uzunluğudur, m;

Dolayısıyla, dikkate alınan kaza senaryosu sırasında binaya giren hidrojen sülfürün hacmi:

Odadaki hidrojen sülfit kütlesi:

Kütle değerini belirlerken odada yanıcı gazların, yanıcı veya yanıcı gazların, yanıcı veya yanıcı sıvıların sirkülasyonu durumunda, yedek fanlar, otomatik başlatma ile sağlanmışsa acil durum havalandırmasının çalışmasının dikkate alınmasına izin verilir. - izin verilen maksimum patlamaya dayanıklı konsantrasyon aşıldığında ve birinci güvenilirlik kategorisine (PUE) göre güç kaynağı ), odadan havayı tahliye eden cihazların olası bir kaza mahallinin yakınına yerleştirilmesi şartıyla.

Bu durumda, odanın hacmine giren, parlama noktasına ve daha fazla ısıtılan yanıcı gazların veya yanıcı veya yanıcı sıvıların buharlarının kütlesi, formülle belirlenen katsayıya bölünmelidir.

acil havalandırmanın yarattığı hava değişim oranı nerede, 1/s. Bu odada 8 (0,0022s) hava değişim oranına sahip havalandırma vardır;

Yanıcı gazların ve yanıcı ve yanıcı sıvı buharlarının oda hacmine giriş süresi s, 300 s olarak alınmıştır. (madde 7 NPB 105-03)

Dikkate alınan kaza senaryosu sırasında odada bulunan hidrojen sülfür kütlesi:

Patlama hesaplama sonuçları

Masa. Gaz, buhar veya toz-hava karışımlarının kapalı alanda veya açık alanda yanması sırasında izin verilen maksimum aşırı basınç

İlk ve hesaplanan veriler Tablo 2'de özetlenmiştir.

Tablo 2 - Başlangıç ​​ve hesaplanan veriler

NPB 105-2003'e göre, patlama ve yangın tehlikelerine ilişkin bina kategorileri Tablo 4'e göre kabul edilmektedir.

Sonuç: Oda A kategorisine aittir, çünkü yanıcı gazın (hidrojen sülfür) patlayıcı buhar-gaz-hava karışımları oluşturabilecek miktarlarda kaçması mümkündür ve bu karışımların tutuşması üzerine odada hesaplanan aşırı patlama basıncı oluşur. 5 kPa'yı aşan.

8. Bir teknolojik ünitenin patlama sırasında patlama tehlikesine ilişkin enerji göstergelerinin değerlerinin belirlenmesi

Bir bloğun patlayıcı enerji potansiyeli E (kJ), adyabatik genleşme işinin büyüklüğü ve enerjinin büyüklüğü dikkate alınarak blokta bulunan buhar-gaz fazının toplam yanma enerjisi ile belirlenir. buharlaşan sıvının mümkün olan maksimum dökülme alanından tamamen yanması ve dikkate alınması:

1) cihazın acil bir şekilde basınçsız hale getirilmesi durumunda, tamamen açılması (tahribatı) meydana gelir;

2) sıvı dökülme alanı, binaların veya dış mekan kurulum alanının tasarım çözümlerine göre belirlenir;

3) buharlaşma süresinin 1 saatten fazla olmadığı varsayılmaktadır:

Adyabatik genleşme A (kJ) ve blokta bulunan PHF'nin yanması enerjilerinin toplamı, kJ:

q" =23380 kJ/kg - HHF'nin (hidrojen sülfür) özgül yanma ısısı;

26.9 - yanıcı gaz kütlesi

.

PHF'nin adyabatik genişlemesinin enerjisini pratik olarak belirlemek için formülü kullanabilirsiniz.

burada b1 - tablodan alınabilir. 5. Adyabatik indeks k=1,2 ve basınç 0,1 MPa ile 1,40'a eşittir.

Tablo 5. Ortamın adyabatik indeksine ve proses ünitesindeki basınca bağlı olarak b1 katsayısının değeri

0 kJ, basınçsız alana bitişik nesnelerden (bloklar) sağlanan PHF'nin yanma enerjisidir, kJ. Bitişik blok olmadığından bu bileşen sıfırdır.

0 kJ, söz konusu bloğun aşırı ısıtılmış sıvı akışkanının enerjisi nedeniyle üretilen ve ti süresi boyunca bitişik nesnelerden alınan PHF'nin yanma enerjisidir.

0 kJ, basınçsızlaştırma sırasında durmayan ekzotermik reaksiyonların ısısından dolayı sıvı akışkandan oluşan PHF'nin yanma enerjisidir.

0 kJ, harici soğutuculardan gelen ısı akışı nedeniyle sıvı akışkandan oluşan PHF'nin yanma enerjisidir.

0 kJ, ortamdan (katı yüzey ve havadan yüzeyi boyunca sıvıya) ısı transferi nedeniyle katı bir yüzeye (zemin, palet, toprak vb.) dökülen sıvı akışkandan üretilen PHF'nin yanma enerjisidir.

Bloğun patlama potansiyeli şuna eşittir:

E=628923,51kJ.

Patlama tehlikesi E'nin genel enerji potansiyellerinin değerlerine dayanarak, teknolojik birimlerin patlama tehlikesini karakterize eden azaltılmış kütle ve bağıl enerji potansiyeli değerleri belirlenir.

Patlayıcı bir buhar-gaz bulutunun t toplam yanıcı buhar (gaz) kütlesi, 46.000 kJ/kg'a eşit tek bir spesifik yanma enerjisine indirgenmiştir:

Bir teknolojik birimin patlama tehlikesi Qv'nin bağıl enerji potansiyeli, aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanarak bulunur:

Göreceli enerji potansiyelleri Qв ve buhar-gaz ortamının m azaltılmış kütlesinin değerlerine dayanarak, teknolojik bloklar kategorize edilir. Kategori göstergeleri tabloda verilmiştir. 5.

Tablo 4. Teknolojik birimlerin patlama tehlikesi kategorilerine ilişkin göstergeler

Sonuç: Oda, patlama tehlikesi III kategorisine aittir, hidrojen sülfürün patlayıcı buhar-gaz bulutunun tek bir spesifik yanma enerjisine indirgenmiş toplam kütlesi 16,67 kg olduğundan, patlama tehlikesinin göreceli enerji potansiyeli 5,18'dir.

9. Odadaki gaz-hava karışımının patlayıcı konsantrasyonunun hesaplanması. Elektrik Elektrik Yönetmeliğine göre patlama ve yangın tehlikesine göre bina sınıfının belirlenmesi

Odadaki patlayıcı hidrojen sülfür konsantrasyonunun hacmini belirleyelim:

t odadaki buhar-hava karışımının kütlesi, kg,

LKPV - tutuşmanın alt konsantrasyonu sınırı, g/m3.

Odadaki buhar-hava karışımının konsantrasyonu şöyle olacaktır:

burada VCM odadaki patlayıcı hidrojen sülfür konsantrasyonunun hacmidir, m3, VC6 odanın serbest hacmidir, m3.

Hesaplama sonuçları Tablo 6'da sunulmaktadır.

Tablo 6. Gaz-hava karışımının konsantrasyonunun hesaplanmasının sonuçları

PUE'ye göre, söz konusu tesisler, normal çalışma sırasında yanıcı gazların patlayıcı karışımlarının (alt yanıcılık sınırına bakılmaksızın) veya yanıcı sıvı buharlarının hava ile oluşmadığı binalarda bulunan B-Ia sınıfı bölgelere aittir; ancak kazalar ve arızalar sonucunda mümkündür.

10. Patlama sırasında imha bölgelerinin belirlenmesi. Hasar bölgelerinin sınıflandırılması

Bir gaz-hava karışımının patlaması sırasında imha bölgelerinin yarıçapları, PB 09-540-03'ün Ek 2'sinde belirtilen metodolojiye göre belirlendi.

Patlamaya karışan buhar-gaz maddelerinin kütlesi (kg) ürüne göre belirlenir.

burada z, patlamaya dahil olan indirgenmiş hidrojen sülfür kütlesinin fraksiyonudur (GG için 0,5'e eşittir),

t – odadaki hidrojen sülfürün kütlesi, kg.

Patlamaya maruz kalma düzeyini değerlendirmek için TNT eşdeğeri kullanılabilir. Buhar-gaz ortamının patlamasının TNT eşdeğeri WT (kg), buhar-gaz bulutlarının yanı sıra katı ve sıvı kimyasal olarak kararsız bileşiklerin patlaması sırasında doğanın yeterliliği ve tahribat derecesi koşullarına göre belirlenir.

Buhar-gaz ortamları için bir patlamanın TNT eşdeğeri hesaplanır:

burada 0,4, doğrudan şok dalgasının oluşumu için harcanan buhar-gaz ortamının patlama enerjisinin fraksiyonudur;

0,9 - doğrudan bir şok dalgasının oluşumuna harcanan trinitrotoluenin (TNT) patlama enerjisinin kesri;

q" - buhar-gaz ortamının özgül yanma ısısı, kJ/kg;

qT, TNT'nin spesifik patlama enerjisidir, kJ/kg.

İmha bölgesi, merkezi söz konusu teknolojik birim veya teknolojik sistemin basınçsızlaştırılmasının en muhtemel yeri olan R yarıçapı ile tanımlanan sınırları olan bir alan olarak kabul edilir. Her bölgenin sınırları, AR şok dalgasının önü boyunca aşırı basınç değerleri ve buna göre boyutsuz K katsayısı ile karakterize edilir. Yıkım bölgelerinin sınıflandırması Tablo 6'da verilmiştir.

Tablo 7. Yakıt-hava karışımı bulutlarının patlayıcı dönüşümü sırasında olası tahribat düzeyi

İmha bölgesinin yarıçapı (m) genellikle şu ifadeyle belirlenir:

burada K, bir patlamanın bir nesne üzerindeki etkisini karakterize eden boyutsuz bir katsayıdır.

Bir odadaki yakıt-hava karışımının patlaması sırasında hasar bölgelerinin yarıçaplarını hesaplamanın sonuçları Tablo 7'de sunulmaktadır.

Tablo 7 - Hasar bölgelerinin yarıçaplarının hesaplanmasının sonuçları

Kullanılan kaynakların listesi

1. Beschastnov M.V. Endüstriyel patlamalar. Değerlendirme ve önleme. - M. Kimya, 1991.

2. Can güvenliği, Teknolojik süreçlerin ve üretimin güvenliği (İş güvenliği): Ders Kitabı, Üniversiteler için El Kitabı / P.P. Kukin, V.L. Lapin, N, L. Ponomarev ve diğerleri, - M.,: Daha yüksek. okul t 2001,

3. PB 09-540-03 “Yangın ve patlama tehlikesi olan kimyasal, petrokimya ve petrol rafineri endüstrileri için genel patlama güvenliği kuralları.”

4. GOST 12.1,010-76* Patlama güvenliği

5. NPB 105-03 “Bina ve bina kategorilerinin tanımı, patlama ve yangın tehlikelerine karşı dış mekan kurulumları.”

6. SNiP 23 -01-99 İnşaat klimatolojisi.

7. Madde ve malzemelerin yangın ve patlama tehlikesi ve bunları söndürme yolları. Ed. A' N. Baratova ve A.Ya.Korolchenko. M., Kimya, 1990. 8. Elektrik tesisatlarının tasarım kuralları. Ed. 7..