Давление при взрывах газо-воздушных смесей
Воспламенение взрывоопасной газовой смеси приводит к взрыву, в результате которого в среде возникает высокое давление, которое пропорционально температуре горения смеси и количеству образовавшихся продуктов (газов).
Давление в момент взрыва определяется по формуле
, (2)
где Рвзр и Р0 — давление при взрыве и начальное, кГ/см2;
Твзр и То — температуры горения газов в смеси и начальная температура смеси в градусах Кельвина, °К**.
m и п — количество киломолей образовавшихся продуктов горения при взрыве и начальное количество киломолей смеси.
Киломолем называется количество вещества в кг, равное молекулярному весу вещества.
Пример. В закрытом сосуде находится метан (СН4) в количестве 16 м3 и воздух в количестве 276 м3. Температура смеси 20° С и давление атмосферное. При воспламенении такой смеси произойдет взрыв, так как больше нижнего предела взрываемости, равного 5,3% (см. табл. 1).
а =(16*100)/(16+276)= 5,5%
Определим давление в сосуде при взрыве смеси, пользуясь ф-лой (2)
Р0 = 1 кГ/см2 и Т0 = 20 + 273 =293° К.
Теоретическая температура горения метана равна 2040° С, или по шкале Кельвина
Твзр = 2040 + 273 = 2313° К.
Количество киломолей метана и воздуха до взрыва (n) и продуктов горения после взрыва (т) найдем из формулы горения метана:
СН4 + 202 + 2*3,27*N2 = 2Н20 + С02 + 6,54N2.
Число киломолей смеси до взрыва
n = 1*СН4 + 202 + 2*3,27*N2 = 9,54.
Число киломолей продуктов горения после взрыва n = 2Н20 +1*С02 + 6,54*N2 = 9,54,
где 3,27 — отношение азота к кислороду в окружающей воздушной атмосфере (на 1 кг кислорода приходится 3,27 кг азота). Подставляя полученные значения в ф-лу (2), получим
Наиболее взрывоопасными являются такие газо-воздушные смеси, в которых нижний предел имеет малые значения (меньше 10%), или смеси, имеющие низкую температуру самовоспламенения.
На свойства взрываемости газов сильное влияние оказывают содержание в смеси инертных газов С02 и N2, паров воды и процентное содержание кислорода в воздухе. Лабораторными опытами установлено, что при нормальных условиях большинство горючих веществ не воспламеняется, если кислорода в воздухе меньше 14— 18% по объему.
Воспламенение газо-воздушных смесей
Выше было указано, что воспламенение газо-воздушной смеси может произойти от открытого огня, от искр, выбросов раскаленных металлов и шлаков и от других источников огня. Газо-воздушная смесь может воспламениться от нагревания ее теплом химических реакций, протекающих в самой среде газо-воздушной смеси.
Температура, до которой нужно нагреть горючее вещество, чтобы произошло его воспламенение, называется температурой самовоспламенения.
Горючие вещества, температура самовоспламенения которых ниже температуры окружающей атмосферы, называются самовозгорающимися. К таким веществам относятся некоторые виды масел и жиров, пары горючих веществ, ископаемые угли, как например бурый, коксовый (марки К), газовый (марки Г), длиннопламенный (марки Д) и др.
Самовозгорание и самовоспламенение представляют собой одно и то же явление, они различаются лишь тем, что вещества самовозгорающиеся нужно длительное время нагревать, чтобы они воспламенились, тогда как вещества самовоспламеняющиеся могут воспламениться через несколько секунд, причем обычно это воспламенение сопровождается хлопками и даже взрывами.
Время от начала нагрева горючего вещества до появления пламени горения называется периодом индукции.
Период индукции у самовозгорающихся веществ длится часами, сутками и более, а у самовоспламеняющихся веществ — всего несколько секунд.
Физико-химические свойства воды и водяного пара
Молекула воды состоит из водорода—11,11% и кислорода — 88,89% по весу. В воде кислорода содержится больше, чем в любом известном веществе.
При нормальных условиях смешанные в газообразном виде водород и. кислород почти не реагируют между собой; при 400° С реакция взаимодействия протекает медленно и завершается в течение двух часов, а при 600° С процесс соединения протекает мгновенно — со взрывом.
При нагревании воды разложение (диссоциация) ее на газообразные составляющие — водород и кислород — начинается при очень высоких температурах. Обычно диссоциация воды не учитывается, если вода нагревается до 2000° С, так как при этих температурах разлагается лишь ничтожное количество воды.
В табл. 2 приводятся данные диссоциации при нагревании воды до высоких температур.
Таблица 2. Диссоциация воды на водород и кислород при нагревании
Как видно из таблицы, вода весьма стойкое вещество, почти не разлагающееся при нагревании до температуры 2000° С; но при температурах около 4000—5000° С вода разлагается со взрывом на газообразные водород и кислород.
Температура кипения воды зависит от давления над ее поверхностью: чем выше давление, тем температура кипения воды выше (табл. 3).
Таблица 3. Зависимость температуры кипения воды °С от давления (кГ/ см2)
Из табл. 3 следует, например, что вода под давлением 10 кГ/см2 начинает кипеть при температуре 179° С.
Если внезапно произойдет снижение давления над водой до атмосферного, то она окажется перегретой на 79° С и мгновенно вся превратится в пар, который займет объем примерно в 1600 раз больше объема воды, и произойдет взрыв.
При нормальных условиях вода закипает при 100° С и в этих условиях даже небольшой ее объем невозможно превратить мгновенно в пар; пока не испарится последняя капля, вода будет иметь температуру около 100° С.
Если сосуд с водой нагревать до 1000° С и выше, то интенсивность испарения воды, без принятия специальных мер, не повысится, а наоборот, может даже понизиться. Это объясняется свойством воды при высоких температурах изменять режим кипения.
При температурах 100—300° С режим кипения воды пузырчатый, т. е. на шероховатых выступах обогреваемой поверхности сосуда образуются маленькие пузырьки пара, которые время от времени открываются, поднимаются на поверхность воды и здесь пар переходит в атмосферу.
При высокой температуре нагреваемой поверхности сосуда паровые пузырьки образуются в таком большом количестве, что они сливаются в сплошную паровую прослойку, располагающуюся между поверхностью нагрева и водой и препятствующую передаче тепла вышележащим слоям ее.
Режим кипения воды с образованием сплошной паровой пленки между водой и поверхностью нагрева называется «пленочным».
По сравнению с многими известными жидкостями, вода обладает более высокой теплоемкостью: для нагрева 1 кг жидкой стали на 1° С необходимо затратить тепла 0,12—0,15 ккал, а для нагрева 1 кг воды на ГС потребуется тепла 1 ккал, или в 7,4 раза больше, чем на нагрев стали. Особенно много тепла расходуется на переход воды в пар. Для испарения 1 кГ воды, нагретой до температуры кипения, затрачивается 539 ккал тепла.
Этими свойствами воды широко пользуются в технике.
Вода используется как теплоноситель в отопительных системах и как охладитель в различных холодильниках, устанавливаемых для защиты конструкций от воздействия высоких температур.
Водяной пар при встречах с нагретым железом вступает с ним в химическое взаимодействие:
Fe + Н20 = FeO + Н2.
Эта реакция энергично протекает уже при температуре железа 400° С, а с повышением температуры пар более энергично взаимодействует с железом и окисляет его.
Как уже указывалось выше, вода содержит много кислорода (~89%), и этим иногда пользуются в технике: пар применяется, например, как носитель кислорода при паро-воздушных продувках металла в бессемеровских конвертерах.
Если железо и водяной пар поместить в закрытый со всех сторон (изолированный) сосуд и вместе нагревать их до высокой температуры, то состав газообразной фазы в сосуде будет изменяться: пар начнет разлагаться с выделением водорода, причем сначала содержание его резко повысится за счет уменьшения количества водяного пара, а затем, с повышением температуры, содержание водорода несколько понизится, но останется высоким даже при 1200° С (табл. 4).
Таблица 4. Изменение состава водяного пара в изолированном сосуде в присутствии железа в зависимости от температуры
Из табл. 4 следует, что вода при встрече с раскаленным железом вследствие химического взаимодействия разлагается с выделением в свободном виде водорода (Н2). При известных условиях водород с воздухом образует взрывоопасную смесь, которая при воспламенении взрывается.
Из указанных выше физико-химических свойств воды вытекает, что она обладает следующими особенностями:
1. Вода весьма прочное химическое соединение, почти не разлагающееся на газообразные составляющие — водород и кислород — при нагревании ее до температуры 2000° С;
2. При атмосферном давлении вода кипит и переходит в пар постепенно и сравнительно медленно. При таких условиях невозможно нагреванием извне добиться мгновенного перехода в пар даже небольшого объема воды. Если же кипение воды происходит под значительным давлением и по каким-либо причинам давление внезапно (очень быстро) понижается до атмосферного, то вода оказывается перегретой и мгновенно, со взрывом, вся переходит в парообразное состояние.
3. Вода обладает высокой теплоемкостью, а водяной пар низкой теплопроводностью.
4. При нагревании воды до температуры 4000— 5000° С молекулы воды со взрывом разлагаются на газообразные составляющие — водород и кислород.
5. Взрыв может произойти при воспламенении взрывоопасной смеси, состоящей из водорода, образующегося при реакции: Fe + Н20 = FeO + Н2 и воздуха (или кислорода) окружающей атмосферы.
6. Взрыв может произойти, если в замкнутом сосуде (котле) повышать давление пара до величины, превосходящей прочность стенок сосуда (котла).