Взрывоопасные парогазовые смеси

В парогазовой среде взрывоопасными могут быть как индивидуальные нестабильные соединения, так и смеси горючих веществ с окислителями. Склонность к взрывному термическому разложению индивидуальных веществ и взаимодействию веществ в смесях определяется химическим строением вещества и количеством тепла, выделяемого при химической реакции.

Типичными нестабильными индивидуальными соединениями, способными взрываться без участия окислителей в условиях технологических процессов, можно считать некоторые непредельные углеводороды алифатического ряда, например ацетилен. При его взрывном разложении в отсутствие кислорода или других окислителей выделяется 8,7 МДж/кг энергии, которой достаточно, чтобы разогреть продукты реакции до 2800^оС.

Основными показателями разрушающей способности взрывных процессов термического разложения неустойчивых соединений в газовой фазе, так же как и в случае конденсированных взрывчатых веществ, могут быть энергетические потенциалы, тротиловый эквивалент, плотность и скорость энерговыделения, избыточное давление взрыва и другие параметры взрывной волны.

На объектах экономики наибольшую опасность представляют взрывы парогазовых смесей горючих веществ с окислителями как в замкнутых объемах (сосудах), так и вне их. Стехиометрическому соотношению компонентов горючей смеси соответствуют наиболее высокие параметры взрывоопасности. Значения температуры пламени, скорости горения и других параметров взрыва тем больше, чем ближе соотношение компонентов к стехиометрическому. Такие смеси характеризуются минимальными температурами самовоспламенения, то есть достигаются условия для перехода дефлаграционного горения в детонационный режим.

Важной особенностью парогазовых смесей является наличие концентрационных пределов воспламенения, то есть интервалов составов горючей смеси от нижнего – НКПВ («бедного») до верхнего – ВКПВ («богатого») предела содержания горючего вещества, при котором возможно самостоятельное распространение пламени.

В производственных условиях технологические процессы в большинстве случаев протекают вне области концентрационных пределов воспламенения. Однако при различных неполадках и аварийных ситуациях возникают условия для образования горючих паровоздушных смесей как в замкнутых объемах, так и в неорганизованных паровых облаках больших масс.

Показатели разрушающей способности взрывов парогазовых сред с учетом их плотности взрывоопасной среды оказываются сопоставимыми с теми же параметрами конденсированных взрывчатых веществ. В таблице 10.1 приведены взрывоопасные характеристики конденсированных взрывчатых веществ и парогазовых сред.

Таблица 10.1

Параметры	Конденсированное ВВ	Парогазовая смесь
Плотность вещества, , кг/м3	1,5∙103-2,0∙103	1,2 -2,2
Плотность энерговы- деления, qv? МДж/м3	0,4∙104-1,1∙104	1,0-1,5
Масса заряда тротила (тротиловый эквива- лент), W, кг	0,3–1,9	0,3 -2,6
Давление взрыва, Рмакс, МПа	0,5∙104-4,0∙104	0,7-1,0

Как видно из таблицы 10.1 уровень разрушающей способности ударных волн существенно зависит от плотности взрывоопасной среды. Если плотность парогазовых смесей на три порядка меньше плотности конденсированных взрывчатых веществ, то примерно на четыре порядка оказываются меньше давление взрыва, удельная плотность энерговыделения и другие параметры, характеризующие разрушающую способность ударных волн при одинаковых значениях тротилового эквивалента.

Аварии, связанные со взрывом парогазовоздушных смесей в большинстве случаев сопровождаются выбросами из сосудов (технологических аппаратов) значительного количества взрывоопасных веществ, разрушениями оборудования или конструкций, пожарами. Авариям, как правило, предшествуют аварийные ситуации, то есть отклонения параметров оборудования и технологического режима от нормальных.

Перегретые жидкости

Нейтральная или горючая перегретая жидкость (сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны, вода в паровых котлах) отличается тем, что давление ее паров превышает атмосферное.

Уровень перегрева жидкости характеризуется разностью между температурой, при которой жидкость находится в технологической системе, и температурой ее кипения при атмосферном давлении. Если происходит внезапное разрушение сосуда (системы) с перегретой жидкостью, она быстро испаряется с образованием паров в окружающей среде и формированием ударных волн. Взрывы технологических систем с высокими параметрами перегрева жидкости по разрушающему эффекту часто бывают подобны взрывам сосудов со сжатыми газами. Оценка уровня опасности таких систем может определяться тротиловым эквивалентом

W =E/4520 кг.

Уровень опасности может характеризоваться работой, совершаемой расширяющимся газом (паром) от начального давления перегретой жидкости до атмосферного.

Энергия перегрева жидкости может быть источником чисто физических взрывов, например при интенсивном перемешивании жидкостей с различными температурами, при контакте жидкости с расплавами металла и нагретыми твердыми телами. При этом не происходит химических превращений, а энергия перегрева расходуется

на парообразование, которое может протекать с такой скоростью, что возникает ударная волна. При смешивании двух жидкостей с существенно разными температурами возможны явления физической детонации с образованием облака жидких капель одного из компонентов.

Пылевоздушные смеси

Взрыв пыли (серы, фосфора, каменного угля и других твердых горючих веществ) происходит при мгновенном соединении горючей части пыли с кислородом воздуха с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов, которые нагреваясь, расширяются и образуют взрывную волну. Сила и интенсивность взрыва пыли зависят от многих факторов и достигают максимальных значений при соответствующем соотношении горючей массы и кислорода. Процесс окисления кислородом протекает на поверхности твердых частиц пыли. В зависимости от структуры и свойств исходного вещества и условий образования пыли ее частицы могут иметь различную форму, быть волокнистыми, гладкими, шероховатыми, иметь различные размеры, что обусловливает воспламеняемость и взрываемость пыли.

Скорость образования взрывоопасной смеси возрастает по мере увеличения поверхности контакта воздуха и твердых частиц пыли.

Поэтому опасность взрыва зависит от размера частиц пыли и содержания кислорода в системе. Мелкодисперсная пыль с сильно развитой поверхностью характеризуется большей активностью, более низкой температурой самовоспламенения и широким интервалом между нижним и верхним концентрационными пределами взрываемости.

При низких концентрациях пыли расстояние между частицами, находящимися во взвешенном состоянии, велико, переноса пламени от частицы к частице не происходит, следовательно, взрыв не распространяется на весь объем. Чрезмерно большое количество пыли также препятствует возникновению и распространеню взрывов, так как в этом случае в смеси содержится слишком мало кислорода для сгорания пыли.

В отличие от газовых смесей образование взрывоопасного облака аэрозоля в помещении может происходить в процессе самого взрыва. Взрыву в большинстве случаев предшествуют локальные хлопки в оборудовании и воспламенение в отдельных участках здания, что вызывает встряхивание пыли, осевшей на полу, стенах и других строительных конструкциях и оборудовании. Это приводит к образованию взрывоопасных концентраций пыли во всем объеме, взрыв которой вызывает сильные разрушения. Установлено, что с увеличением объема помещения (сосуда) максимальное давление взрыва возрастает, а скорость нарастания давления снижается.

Уровень опасности взрыва пыли, так же как и парогазовых смесей, характеризуется концентрационными пределами воспламенения, объемной плотностью энерговыделения, максимальным давлением, возникающим при воспламенении, скоростью распространения пламени и нарастания давления при взрыве, максимально допустимым содержанием кислорода в смеси пыли с воздухом, при котором пыль не воспламенится.

Пылевзвеси характеризуются весьма широким интервалом концентрационных пределов распространения пламени – от десятков граммов до килограммов в 1 м³ воздуха. Верхние концентрационные пределы распространения пламени пыли обычно достаточно велики и достичь их в производственных помещениях даже при аварийных ситуациях практически невозможно. Поэтому наиболее важен нижний предел, а также более высокие концентрации, при которых достигается максимальная объемная плотность энерговыделения. Нижний концентрационный предел распространения пламени аэрозолей органических веществ с увеличением влажности твердой фазы пыли всегда повышается. и при содержании влаги ≈20-25% по массе аэрозоли становятся невзрывоопасными. Присутствие в горючих пылевзвесях других инертных компонентов также повышает нижний концентрационный предел.

При взрывах аэрозолей со стехиометрическим соотношением твердого вещества и воздуха, в отличие от взрывов парогазовых смесей, не достигается максимальное избыточное давление. Максимальные параметры ударных волн наблюдаются при значительном избытке воздуха и концентрации твердой фазы, в 3-4 раза превышающей нижний концентрационный предел распространения пламени, что обусловлено неполнотой сгорания пыли. Однако при этом объемная плотность энерговыделения во многих случаях близка к значениям показателя для парогазовых смесей стехиометрического состава.

Для данного твердого горючего вещества всегда могут создаться оптимальные условия взрыва аэрозоля в воздухе, при которых достигаются максимальные значения параметров ударной волны (давления и скорости его нарастания). При прочих равных условиях этому соответствует оптимальное соотношение твердой фазы и кислорода, при которых достигается максимальное удельное объемное тепловыделение. Отклонения от этого оптимального состава, так же как и отклонения от стехиометрического соотношения газовых смесей, приводят к снижению объемной плотности энерговыделения и соответственно к снижению параметров ударных волн.

Для оценки уровня взрывоопасности аэрозоля в помещении (сосуде) определяют энергетический потенциал взрыва по формуле:

Е = q_vV,

где q_v – объемная плотность энерговыделения, кДж/м³;

V – объем пылевоздушного облака, м³.

При положительном балансе кислорода в аэрозоле значения q_v рассчитывают как теплоту сгорания всего вещества в 1 м³ смеси. При отрицательном балансе, когда часть твердой горючей массы в смеси при взрыве останется несгоревшей, объемную плотность энерговыделения рассчитывают по наличию имеющегося кислорода с учетом его минимального взрывоопасного содержания.

В общем случае для технологического блока со взрывоопасными аэрозолями по аналогии с парогазовыми смесями можно определить тротиловый эквивалент W, используя для этого энергетический баланс ударной волны:

Vcqzz′ = 0,9q_тW,

где V – объем аэрозоля, м³;

с – концентрация дисперсной горючей среды в смеси, кг/м³;

q – теплотворная способность твердой фазы, кДж/кг;

q_т – удельная энергия сгорания тротила, кДж/кг;

z – доля участия взвешенного дисперсного продукта во взрыве;

z′ - доля энергии взрыва пыли, расходуемой на образование ударной волны (принимается по аналогии с парогазовыми смесями);

Для определения радиусов R_i зон интенсивности воздействия ударной волны при взрыве пылевоздушной смеси пользуются формулой:

R_i = К_i ³ W/ [1 + (3180/W)²]^1/6,

где W – тротиловый эквивалент, кг;

К_i – коэффициент пропорциональности, соответствующий определенной зоне интенсивности ударной волны (см. таблицу 8.3).

Избыточное давление взрыва ∆Р (кПа) пылевоздушной смеси в объеме помещения рассчитывают по формуле:

∆Р = GgP_oz / V_свρ_вс_рТ_оК_н,

где G – масса взвешенной пыли, кг;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;

Р_о - начальное (атмосферное) давление в помещении (101 кПа);

z – доля участия взвешенного дисперсного продукта во взрыве;

V_св – свободный объем помещения, м³;

ρ_в – плотность воздуха (1,29 кг/м³);

с_р - теплоемкость воздуха [1,01 кДж/(кг∙К)];

Т_о – начальная температура воздуха в помещении, К;

К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (допускается принимать К_н = 3).

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте каждую из четырех групп конденсированных

взрывчатых веществ по степени взрывоопасности.

2. Охарактеризуйте физические взрывы сосудов со сжатыми газами (парами).

3. При каких условиях возможны взрывы горючих парогазовых смесей?

4. Почему возможен взрыв приналичии перегретых жидкостей?

5. Какими факторами характеризуется уровень опасности взрыва пыли?

6. Приведите формулу для оценки уровня взрывоопасности аэрозоля в помещении (сосуде).

7. Приведите формулу для определения избыточного давления взрыва пылевоздушной смеси в помещении.