Навігація
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Головна arrow Природознавство arrow ТЕОРІЯ ГОРІННЯ ТА ВИБУХУ
Переглянути оригінал

ВИБУХИ ГАЗОПАРОПОВІТРЯНИХ І ПИЛОПОВІТРЯНИХ СУМІШЕЙ В ЗАКРИТОМУ ПРИМІЩЕННІ І ВІДКРИТОМУ ПРОСТОРІ

Вибухи газопароповітряних сумішей

Вибухи газопароповітряних сумішей (ГПВС) можуть відбуватися як в замкнутому, так і відкритому просторах, в той час як вибухи пилоповітряних сумішей (ПВС) відбуваються тільки в закритих приміщеннях.

Замкненим простором є:

  • - приміщення (будівлі). У них вибух виникає в результаті витоку газу з елементів обладнання;
  • - ємності: резервуари, газгольдери, цистерни, вантажні відсіки танкерів - для зберігання і транспортування вибухо- і пожежонебезпечних речовин;
  • - шахти. У них вибухи сумішей горючих газів з повітрям дають важкі наслідки.

Вибухи ГПВС у відкритому просторі - це вибухи, що виникають в результаті руйнувань газопроводів, розливу зріджений нафтовий газ і його випаровування з переходом в детонацію. Відома велика кількість аварійних вибухів резервуарів з великою кількістю зріджений нафтовий газ, що супроводжувалися утворенням осколкового поля.

Залежно від тиску Р і температури Т речовина може перебувати в різних агрегатних станах (рис. 5.12). Для зрідження газів їх охолоджують і стискають до отримання параметрів, відповідних рідкої фазі, які в загальному випадку відрізняються від тиску і температури навколишнього середовища. Ділянка кривої АВ відповідає умові рівноваги двох фаз - рідини і пара (лінія насиченого пара). Потрійна точка А відповідає одночасному рівноваги гріх фаз. У критичній точці В пропадає межа між рідиною і парою: при Т> Т кр речовина знаходиться в газоподібному стані незалежно від тиску. Різкого розмежування між парою і газом провести не можна. Тому обидва ці стани для стислості позначаються як ГПВС. Зріджені вуглеводневі гази, хлор, аміак, фреони, що знаходяться в судинах, резервуарах і іншому технологічному обладнанні йод сверхатмосферним тиском при температурі, вище або дорівнює температурі навколишнього середовища, є перегрітими рідинами.

В теплоізольованих ( «ізотермічних») судинах і резервуарах при негативних температурах зберігають зріджені гази (метан, азот, кисень), які називають кріогенними речовинами. Критична температура таких

Діаграма стану речовини

Мал. 5.12. Діаграма стану речовини:

А - потрійна точка; В - критична точка речовин значно нижче температури навколишнього атмосфери.

Речовини інший характерною групи (пропан, бутан, аміак, хлор) зберігають в рідкому стані під тиском в одношарових судинах і резервуарах при температурі навколишнього середовища

В. Маршал класифікував речовини по їх розташуванню в зонах діаграми стану наступним чином:

  • 1 я категорія. Речовини з критичною температурою нижче температури середовища - кріогенні речовини: зріджений природний газ (СНД), що містить в основному метан, азот, кисень;
  • 2-а категорія. Речовини з критичною температурою вище, а точкою кипіння нижче, ніж температура навколишнього середовища - зріджений нафтовий газ (СНД), пропан, бутан, аміак, хлор. Їх особливістю є «миттєве» (дуже швидке) випаровування частини рідини при розгерметизації і охолодження решти до точки кипіння при атмосферному тиску;
  • 3-я категорія. Рідини, у яких критичний тиск вище атмосферного і точка кипіння вище температури навколишнього середовища, - це речовини, що знаходяться в звичайних умовах в рідкому стані. До них відносяться також деякі речовини 2-ї категорії, наприклад бутан в холодну погоду і етиленоксид в жарку;
  • 4 я категорія. Речовини, що містяться при підвищених температурах (водяна пара в котлах, циклогексан та інші рідини) під тиском і при температурі, що перевищує їх точку кипіння при атмосферному тиску.

Швидкість випаровування розлитих рідин 3-й категорії залежить від летючості, температури зовнішнього середовища і швидкості вітру.

У табл. 5.8 представлені критичні параметри деяких речовин.

Таблиця 5.8

Критичні параметри деяких речовин

речовина

Г ки | 1 при тиску '0,1 МПа, ° С

Т'крСС

Р кр , МПа

водень

-252,0

-240,0

1,28

кисень

-183,0

-118,0

5,05

етилен

-103,0

9,5

5,02

Закінчення табл. 5.8

речовина

Г впп при тиску '0,1 МПа, ° С

ГКР / С

Р кр , МПа

пропан

-42,17

96,8

4,21

хлор

-34,5

144,0

7,70

аміак

-33,35

132,4

11,30

ізобутан

-11,7

133,7

-

Диоксид вуглецю

-78,52

31,0

-

вода

+ 100

374,0

21,8

При повному руйнуванні ємностей з кріогенними рідинами і речовинами 2-ї категорії відбуваються їх закипання з швидким випаровуванням, викид в атмосферу і утворення хмари газопаровоздушних суміші.

При аварійному розтині ємностей з негорючим або горючій перегрітими рідинами відбувається вибух, що супроводжується викидом осколків, що володіють сильним вражаючою дією.

Наявність джерела запалювання може спричинити займання хмари ГПВС. При цьому можливий перехід дозвукового дефлаграціонним режиму з прискореним полум'ям до детонаційного надзвуковому.

Вогненна куля без детонації виникає зазвичай при горінні ГПВС, нереобогащенной паливом, а також при горінні складу, близького до стехіометричної.

Переходу до детонації сприяють різні перешкоди на шляху поширення полум'я, викликають тур-булізацію (будови, предмети, пересічена місцевість).

Сферична детонаційна хвиля може утворитися в ГПВС від слабкого енергетичного джерела, якщо розмір хмари перевищує деякий критичний діаметр і при певних концентраціях суміші. У табл. 5.9 представлені мінімальна енергія E min ініціювання деяких ГПВС, найбільш чутливих до детонації з об'ємною концентрацією С палива, і мінімальні діаметри хмари d min , здатного детонувати. У табл. 5.10 представлені концентраційні межі (КП) детонації і займання ГПВС у відкритому просторі і замкнутих обсягах.

Таблиця 5.9

Об'ємна концентрація, мінімальна енергія ініціювання і діаметр хмари речовин, здатних детонувати

речовина

З, об.%

E mw Д ж

^ Min> М

ацетилен

12,5

1,3 102

3,12

водень

29,6

4,2-10 6

109,6

пропан

5,7

2,5-10 °

85,8

пропілен

6,6

7,6-10 5

58,5

Етан

5,7

5,1 10 «

109,6

етилен

9,5

1,2 105

31,2

метан

12,3

2,3-10 8

398,0

Детонація суміші водню з повітрям відбувається при ініціюванні вибухом всього одним грамом тротилу, що менше, ніж потрібно для ініціювання вибухів вуглеводнів, в тому числі і метану.

Статистика 150 аварій в Росії показує, що в 42,5% випадків вибухів хмар Г11ВС брали участь вуглеводневі гази; 15,5% - пари легкозаймистих рідин; 18,0% - водень; 5,3% - пил органічних продуктів. Аварійні вибухи конденсованих нестабільних речовин склали 12,0%. У 30 випадках при аваріях відбувалися викиди значних мас токсичних речовин: хлору - в 17 випадках, аміаку - в 11 випадках, оксидів вуглецю та азоту - в двох випадках.

З 150 великих вибухів 84 відбулися в технологічній апаратурі, 66 - в атмосфері. У 73 випадках вибухи привели до серйозних руйнування будівель, споруд і різного устаткування промислових підприємств.

Таблиця 5.10

Концентраційні межі запалення і детонації деяких речовин

речовина

(ГПВС)

Концентраційні межі,%

детонації

займання

у відкритому просторі

в замкнутому просторі

нижній

верхній

нижній

верхній

нижній

верхній

Ацітелен

-

-

4,2

50,0

2,5

80,0

Бутан

2,5

5,2

1,98

6,18

1,8

8,4

Закінчення табл. 5.10

речовина

(ГПВС)

Концентраційні межі,%

детонації

займання

у відкритому просторі

в замкнутому просторі

нижній

верхній

нижній

верхній

нижній

верхній

водень

-

-

18,3

58,9

4,0

75,0

пропан

3,0

7,0

2,57

7,37

2,1

9,5

пропілен

3,5

8,5

3,55

10,40

2,4

11,0

Етан

4,0

9,2

2,87

12,2

3,0

12,4

етилен

-

-

3,32

14,7

2,7

36,0

бензол

-

-

1,6

5,55

1,3

7,9

ксилол

-

-

-

-

1,1

6,4

циклогексан

-

-

-

-

0,57

7,8

метан

-

-

-

-

5,0

15,0

аміак

-

-

-

-

15,5

27,0

Оксид вуглецю

-

-

-

-

12,5

74,2

Аналогічні дані є в Великобританії. Так, із загального числа аварій з викидами і освітою хмар ГПВС в 40% випадків хмари складалися з вуглеводнів з трьома або чотирма атомами вуглецю. Вибухи пропану, бутану і їх суміші, а також зрідженого нафтового газу були причиною аварій в 3 рази частіше, ніж вибухи пари бензину. З урахуванням обсягів вироблення цих продуктів промисловістю виходить, що ймовірність аварій, пов'язаних з вуглеводнями, приблизно в 30 разів більше, ніж з бензином (в розрахунку на 1 т продукту). Що стосується метану, широко використовуваного в промисловості, то цей продукт у відкритому просторі вибухає дуже рідко, оскільки він не утворює стабільних хмар поблизу поверхні землі. Його детонація можлива, якщо він був розлитий в обмеженому обсязі і займання, а також при ініціюванні вибухом заряду вибухової речовини.

Детонационная хвиля в газах є ударною хвилею, що супроводжується хвилею горіння. На відміну від дефлаграціонним, причиною даного процесу стає розігрів газу ударною хвилею до температури, що забезпечує високу швидкість реакції і поширення полум'я зі швидкістю ударної хвилі.

З огляду на високу швидкість детонації (тисячі метрів в секунду) сформувалося при швидкому випаровуванні хмара ГПВС з метою розрахунку вважають незмінним за весь період поширення фронту хвилі до зовнішнього кордону хмари, схематизовані півсферою радіуса г 0 з центром на поверхні грунту (рис. 5.13), поєднаним з джерелом ініціювання. Тиск на фронті детонаційної хвилі в газових сумішах може досягати 2 МПа, а в результаті багаторазових відображень від конструкції в приміщення доходити до 10 МПа.

Схема вибуху ГПВС і зміна тиску Д Р в залежності від відстані г до центру хмари

Мал. 5. 13. Схема вибуху ГПВС і зміна тиску Д Р в залежності від відстані г до центру хмари:

  • 1 - область хмари ГПВС з радіусом г 0 ; 2 - зона розльоту продуктів детонації і повітряної ударної хвилі
  • ( Г> г 0 ); 3 - ГПВС; 4 - зміна тиску при вибуху конденсованого ВВ

Параметри детонаційної хвилі в процесі поширення в межах хмари істотно нс змінюються. При виході за межі кордону хмари розширюються продукти детонації (ПД) збуджують повітряну ударну хвилю.

Оскільки при викидах не всі кількість рідкого продукту переходить в хмару, при розрахунку маси продукту використовують коефіцієнт k < 1.

Для розрахунку вражаючої дії вибухів ГПВС визначають параметри детонаційної хвилі розширення ПД і повітряної ударної хвилі.

Початковий радіус г 0 , полусферического хмари ГПВС в залежності від його обсягу визначають за формулою

Оскільки відповідно до закону Лвогадро 1 моль ідеального газу займає об'єм Vx - 22,4 м 3 , то розрахунок обсягу хмари для газової суміші стехіометричного складу з об'ємною концентрацією С СТХ і молярною масою р, пального компонента маси т г можна проводити за формулою

де до дорівнює: 1 - для газів при атмосферному тиску; 0,5 для газів, зріджених під тиском; 0,02-0,07 - при растекании легкозаймистих рідин.

Під час вибуху детонационная хвиля поширюється зі швидкістю

де U - питома теплота вибуху, Дж / кг; у СТХ - коефіцієнт, який має значення 1,25-1,26 (табл. 5.11).

Таблиця 5.11

Властивості газопароповітряних сумішей, здатних до детонації

речовина

м / с

Рстх »

кг / м 3

U ". СТХ»

МДж / кг

Ч ' СТХ. МДж / м 3

Устх

Mr.

кг / моль

Цггх »

про.%

АЯ 2 , МПа

повітряні суміші

аміак

1630

1,180

2,370

2,791

1,248

17

19,72

1,29

ацетилен

1990

1,278

3,387

4,329

1,259

26

7,75

2,14

Бутан

1840

1,328

2,776

3,684

1,270

58

3,13

1,88

бутилен

1840

1,329

2,892

3,843

1,260

56

3,38

1,89

вінілхлорид

1710

1,400

2,483

3,980

1,260

63

7,75

1,71

водень

1770

0,933

3,425

3,195

1,248

2

29,59

1,20

Дивина

1870

1,330

2,962

3,967

1,260

54

3,68

1,96

Закінчення табл. 5.11

речовина

IV. ,,

м / с

Рстх »

кг / м 3

ТГ

^ М.СТХ '

МДж / кг

СТХ,

МДж / м 3

Устх

Іг »

кг / моль

отх>

про.%

ДР "МПа

метан

1750

1,232

2,763

4,404

1,256

16

9,45

1,57

оксид

вуглецю

1840

1,280

2,930

3,750

1,256

28

29,59

1,82

пропан

1850

1,315

2,801

3,676

1,257

44

4,03

1,89

пропілен

1840

1,314

2,922

3,839

1,259

42

4,46

1,87

Етан

1800

1,250

2,797

3,496

1,257

30

5,66

1,69

етилен

1880

1,285

3,010

3,869

1,259

28

6,54

1,91

пароповітряні суміші

ацетон

1910

1,210

3,112

3,766

1,259

42

4,99

1,85

бензин

авіаційний

1,350

2,793

3,770

94

2,1

-

бензол

1860

1,350

2,937

3,966

1,261

78

2,84

1,96

гексан

1820

1,340

2,797

3,748

1,261

86

2,16

1,86

дихлоретан

1 610

1,490

2,164

3,224

1,265

99

6,54

1,60

Діетіло- вий ефір

1 830

1,360

2,840

3,862

1,261

74

3,38

1,91

ксилол

1820

1,355

2,830

3,834

1,259

106

1,96

1,89

метанол

1800

1,300

2,834

3,696

1,253

32

12,30

1,77

пентан

1810

1,340

2,797

3,748

1,258

72

2,56

1,845

толуол

1 830

1,350

2,843

3,838

1,260

92

2,23

1,90

циклогексан

1770

1,340

2,797

3,748

1,248

84

2,28

1,77

Час повної детонації хмари визначається за формулою а значення імпульсу при г < г 0 - за формулою

де т т - тротиловий еквівалент наземного вибуху полусферического хмари ГПВС:

m = р СТХ У 0 - маса хмари пального; - питома теплота вибуху тротилу (4,2-10 6 Дж / кг).

Максимум надлишкового тиску на фронті детонаційної хвилі становить

Через малий проміжок часу т тиск в детонаційної хвилі зменшується в 2 рази (ДР 2 = 0,5ДР,). Це час (десятки мікросекунд) дорівнює тривалості хімічної реакції в зоні: переходу від адіабати вихідної речовини до адіабати продуктів реакції.

Залежність надлишкового тиску від часу для детонаційної хвилі на відстані г <г 0 від центру вибуху може бути представлена у вигляді

де 0 - ефективний час дії, с.

При наявності плоскої вертикальної перешкоди тиск нормального відображення при г <г 0 становить ДР = 2,5ДР 2 .

Характеристики поширення ГПВС наведені в табл. 5.11.

Параметри ударної хвилі на відстанях, що перевищують початковий розмір хмари (г> г н ), визначають за формулами, апроксимується чисельне рішення задачі про детонації пропано-повітряної суміші. Існують універсальні залежності максимуму надлишкового тиску ДР шах і питомої імпульсу I від відстані до центру вибуху:

218 Глава 5. Механічна дія вибуху

Ефективне час дії фази стиснення ударної хвилі з тиском, що апроксимується трикутником

визначається за формулою

Приклад. Стався вибух хмари ГПВС, що утворився при руйнуванні резервуара з 6 10 4 кг зрідженого пропілену (С 3 Н 6 ). Визначити V. v А Р 2 , / () , ДР тах і / на відстані 200 м від центру вибуху.

Рішення

Обсяг ГПВС розраховуємо за формулою де до = 0,5; р г = 42 г / моль.

Для визначення відсоткової концентрації горючої речовини С СТХ згадаємо рівняння горіння пропілену:

Г.Є. стехіометричний склад містить один обсяг нроіілена і 4 ( 76.- обсягів повітря. Значить

Щільність стехіометричного складу суміші обчислимо але формулою

де N ma - число молей повітря; - чоло молей газу, а значення у = 1,259 візьмемо з табл. 5.1 Г.

Підрахуємо обсяг газу:

Визначимо теплоту вибуху суміші, використовуючи наслідок із закону Гесса:

Визначимо значення імпульсу при г0 :

Тепер визначимо параметри ударної хвилі на відстані г = 200 м від центру вибуху:

 
Переглянути оригінал
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук