9. Концентрационные пределы воспламенения паро - и газовоздушных смесей. Влияние различных факторов на концентрационные пределы воспламенения.
В химическую реакцию окисления могут вступать лишь молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударений превышает энергию активации. Для этого нужно, чтобы молекулы горючего и окислителя встретились в системе и произошло их соударение. При этом возможны три вида соударений молекул:
- окислитель - окислитель; - горючее - горючее; - окислитель - горючее.
Только в третьем случае вид соударений является эффективным, т.к. протекает с выделением тепла. Но для того, чтобы выделившегося тепла было достаточно для дальнейшего развития химической реакции, необходимо и определенное соотношение концентраций горючего и окислителя. Самые благоприятные условия для развития химической реакции будут тогда, когда соотношение горючего и окислителя будет соответствовать стехиометрической концентрации. Будут существовать также и такие концентрации горючего и окислителя (больше или меньше стехиометрической концентрации), когда протекание химической реакции невозможно, т.е. процесс горения не будет развиваться.
Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси (горючее вещество - окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.
Если рассмотрим процесс воспламенения газовоздушной смеси в пределах концентраций горючего от 0 до 100 %, то увидим, что смесь является взрывопожароопасной не при всех концентрациях.
Все смеси горючего с концентрациями от 0 до НКПВ не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания - это область безопасных концентраций. В пределах от НКПВ до ВКПВ смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси – это область воспламенения. Область концентраций выше ВКПВ, вплоть до 100 %, называется пожароопасной.
Значение НКПВ используют при определении категорий производств по пожаровзрывоопасности.
Значение НКПВ и ВКПВ следует применять при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальным источником зажигания.
Существуют экспериментальные и расчетные методы определения КПВ.
Сущность метода экспериментального определения КПВ заключается в зажигании газо-паро-пылевоздушных смесей заданной концентрации исследуемого вещества в объеме реакционного сосуда и установлении факта наличия или отсутствия распространения пламени. Изменяя концентрацию горючего в смеси, устанавливают ее минимальное и максимальное значения, при которых происходит распространение пламени.
НКПВ паро- и газовоздушных смесей рассчитывают по предельной теплоте сгорания. Установлено, что количество тепла, выделяющееся при горении смесей на НКПВ, представляет собой почти для всех горючих веществ, примерно постоянную величину и равную в среднем 1830 кДж/м3.
Из выражения для определения предельной теплоты горения Qпр = (Qн н) /100 можно определить нижний концентрационный предел:
н = (Qпр 100)/Qн , %
НКПВ и ВКПВ можно определить и по аппроксимационной формуле:
н(в) = 100/(an + b),
где n - число молекул кислорода, необходимое для полного окисления молекулы горючего; а, b – константы.
Для вычисления КПВ смеси веществ, состоящей из нескольких горючих компонентов, используют формулу Ле-Шателье:
см =
,
где см - КПВ смеси, % об.;
i - КПВ i-го компонента, % об.;
i (ми) - мольная доля i-го компонента.
Для горючей смеси всегда i = 1.
По давлению насыщенного пара можно также определить концентрационные пределы воспламенения:
н(в) = (Рн(в) 100)/ Ро, %
Влияние различных факторов на КПВ:
а) мощности (температуры) источника воспламенения
б) начальной температуры смеси
в) давления смеси
г) нейтральных газов и ингибиторов
д) объема и диаметра сосуда
При уменьшении объема сосуда уменьшается его диаметр, увеличивается поверхность теплоотдачи, приходящаяся на единицу объема смеси. Для каждой газовой смеси существует минимальный объем и диаметр, ниже которых при любом составе смеси зажигание и распространение пламени невозможно.