Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов - концентрационные пределы распространения пламени

Нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени (НКПРП и ВКПРП) - минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Невозможность воспламенения горючей смеси при концентрации ниже НКПРП объясняется малым количеством горючего вещества и избытком воздуха (смесь воздуха с метаном имеет коэффициент избытка воздуха 2, а с сероуглеродом -6,9).

Смесь, имеющая небольшое количество горючего и избыток воздуха, характеризуется минимальной скоростью распространения пламени в объеме всего сосуда, низкой температурой горения (1250... 1300 °С) и небольшим давлением взрыва (-0,3 МПа). При концентрации горючего в смеси выше НКПРП горение проходит с большой скоростью, давление при взрыве повышается. С увеличением содержания горючего содержание воздуха уменьшается; тепло, выделившееся в результате химической реакции, в меньшей степени расходуется на нагрев не участвующего в реакции избытка воздуха.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха.

Концентрационная область распространения пламени различных газо- и паровоздушных смесей неодинакова. Наибольшую область имеют, например, оксид этилена, водород, а наименьшую - пропан, бутан и др. Чем ниже НКПРП и больше концентрационная область распространения пламени, тем большую пожарную опасность они представляют.

Зная область распространения пламени в процессе применения и хранения газов и горючих жидкостей, можно поддерживать такой режим, при котором концентрации горючего будут выше ВКПРП и ниже НКПРП. При этом ВКПРП углеводородов может существенно возрастать. Такой режим создастся соответствующими давлениями и температурами в аппаратах и хранилищах.

Поскольку НКПРП большинства горючих газов сравнительно невелик, переработка таких газов при концентрациях, меньших НКПРП, малоэффективна. Для взрывоопасных смесей с ВКПРП до 15...30% целесообразно переобогащение смеси горючим и поддержание такой концентрации на заданном уровне в течение всего цикла технологического процесса. Например, для смесей углеводородов от метана до гексана с кислородом при нормальных условиях ВКПРП составляет 61...40% (об.), для смесей с воздухом максимальное взрывоопасное содержание горючего составляет 15...7% (об.).

Однако если процесс осуществляется под вакуумом, то в случае нарушения герметичности аппарата (например, смесителя) возможны подсос воздуха, образование взрывоопасных концентраций и, как следствие, взрыв и разрушение технологического оборудования.

Значения концентрационных пределов применяют при определении категорий помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования, при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования и трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых концентраций взрывоопасных газов, паров и пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.010-76 при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004-85. Значения концентрационных пределов необходимо включать также в стандарты или технические условия на горючие вещества.

При определении пожарной опасности технологических процессов учитывают влияние на изменение пределов распространения пламени различных факторов. Например, в реакторах иногда смесь горючих газов (паров) с воздухом находится под давлением, большим или меньшим нормального. В этом случае пределы будут отличаться от справочных значений, приведенных для комнатной температуры и атмосферного давления.

Давление смеси. Горючие смеси различных веществ при повышении давления ведут себя неодинаково, так как имеют различные физико-химические свойства. Повышение давления до 3...4 МПа практически не влияет на нижние пределы. При этом ВКПРП углеводородов может существенно возрастать.

Для газовых смесей заметное изменение области воспламенения наблюдается при пониженном давлении; при этом происходит ее сокращение. При минимальном или критическом давлении (при данной температуре) достигается смыкание нижней и верхней границ области воспламенения. Ниже этого давления воспламенение смеси любого состава невозможно.

Температура смеси. Повышение начальной температуры горючей смеси вызывает расширение пределов, при этом НКПРП уменьшается, а ВКПРП растет. Это объясняется тем, что при подводе тепла молекулам сообщается дополнительная энергия активации, что способствует более быстрому протеканию цепной реакции.

Изменение концентрационных пределов воспламенения в зависимости от температуры описывается формулами

где СнТ1, CнТ2, СвТ1, СвТ2 - соответственно НКПРП и ВКПРП при температурах Т1 и T2 (температуры выражены в градусах абсолютной шкалы), % (об.).

Для количественного учета влияния начальной температуры на пределы в ряде случаев пользуются правилом: при повышении температуры на каждые 100 °С НКПРП снижается на 10% от первоначальной величины, ВКПРП - увеличивается на 15%.

Негорючие добавки. В тех случаях, когда по технологическим причинам процесс нужно вести при такой концентрации горючего газа с воздухом, которая находится в области распространения пламени, в смесь вводят флегматизаторы, в присутствии которых смесь становится негорючей. В качестве инертных флегматизаторов применяют азот, редко аргон, диоксид углерода, а также продукты сгорания топлива.

Схематически область распространения пламени смеси горючий газ - окислитель - флегматизатор показана на рис. 9.3. Точками А и В обозначены верхний и нижний концентрационные пределы распространения вещества в кислороде (содержание флегматизатора, например азота, равно нулю). При увеличении содержания азота в смеси значения пределов изменяются: нижний предел незначительно повышается, а верхний - резко снижается. Это объясняется тем, что при НКПРП всегда имеется большой избыток кислорода, и введение небольшого количества инертного вещества не влияет на ход реакции. При ВКПРП наблюдается недостаток в окислителе, а при введении инертного газа еще больше снижается его содержание.

Концентрационные пределы рассматриваемого вещества в воздухе обозначены точками С и D. Дальнейшее увеличение содержания флегматизатора в смеси приводит к тому, что нижний и верхний пределы совпадают в точке Е, называемой точкой флегматизации. Все смеси горючее - окислитель - флегматизатор, находящиеся внутри треугольника АЕВ, являются горючими, т. е. способны распространять пламя. Смеси же вне этого треугольника пламя нс распространяют.

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода при флегматизации и ингибировании газовых смесей. При обогащении воздуха кислородом нижний концентрационный предел воспламенения практически не изменяется: значения Сн большинства горючих в воздухе и кислороде равны. Верхний же предел в воздухе, обогащенном кислородом, повышается. В первом приближении он равен квадратному корню из избыточной концентрации кислорода:

где Св - верхний предел воспламенения в среде, концентрация кислорода в которой равна CО2, % (об.); Cво2 , Св,B - верхний предел воспламенения горючего газа в кислороде и воздухе, % (об.).