Grunderna i teorin om diffusion och kinetisk förbränning. Begreppet kinetisk och diffusionsförbränning
Alla brandfarliga (brännbara) ämnen innehåller kol och väte, huvudkomponenterna i gas-luftblandningen som är involverad i förbränningsreaktionen. Antändningstemperaturen för brandfarliga ämnen och material varierar och överstiger för de flesta inte 300°C.
Den fysikalisk-kemiska grunden för förbränning ligger i den termiska nedbrytningen av ett ämne eller material till kolväteångor och gaser, som under påverkan höga temperaturer gå in i en kemisk reaktion med oxidationsmedlet (syre i luften), förvandlas till koldioxid(koldioxid), kolmonoxid (kolmonoxid), sot (kol) och vatten, och producerar värme och ljus.
Tändning är processen för flamspridning genom en gas-ånga-luftblandning. När flödeshastigheten för brandfarliga ångor och gaser från ytan av ett ämne är lika med hastigheten för flamutbredning längs dem, observeras stabil flammande förbränning. Om flamhastigheten är större än flödet av ångor och gaser, så brinner gas-ånga-luft-blandningen ut och lågan självslocknar, d.v.s. blixt.
Beroende på gasflödets hastighet och flamutbredningshastigheten genom dem kan man observera:
- förbränning på ytan av materialet när frigöringshastigheten brännbar blandning från ytan av materialet är lika med hastigheten för brandutbredning längs den;
- förbränning med separation från materialets yta, när frigöringshastigheten för den brandfarliga blandningen är större än hastigheten för flamutbredning längs den.
Förbränning av en gas-ånga-luftblandning delas in i diffusion eller kinetisk. Den största skillnaden är innehållet eller frånvaron av ett oxidationsmedel (luftsyre) direkt i den brännbara ång-luftblandningen.
Kinetisk förbränning är förbränning av förblandade brännbara gaser och ett oxidationsmedel (luftsyre). Denna typ av förbränning är extremt sällsynt vid bränder. Det finns dock ofta i tekniska processer: vid gassvetsning, skärning, etc.
Vid diffusionsförbränning kommer oxidationsmedlet in i förbränningszonen från utsidan . Det kommer, som regel, underifrån lågan på grund av vakuumet som skapas vid dess bas. I den övre delen av lågan skapar den värme som frigörs under förbränningsprocessen tryck. Den huvudsakliga förbränningsreaktionen (oxidation) sker vid flamgränsen, eftersom gasblandningar som strömmar från ämnets yta hindrar oxidationsmedlet från att tränga djupt in i lågan (tränger undan luft). Det mesta av den brännbara blandningen i mitten av lågan, som inte har ingått i en oxidationsreaktion med syre, är produkter av ofullständig förbränning (CO, CH 4, kol, etc.).
Diffusionsförbränning kan i sin tur vara laminär (diskutabel) och turbulent (ojämn i tid och rum). Laminär förbränning är karakteristisk när flödeshastigheten för den brännbara blandningen från materialets yta är lika med spridningshastigheten för flödet längs den. Turbulent förbränning inträffar när hastigheten för frigöring av den brännbara blandningen avsevärt överstiger hastigheten för flamutbredning. I detta fall blir flamgränsen instabil på grund av den stora diffusionen av luft in i förbränningszonen. Instabilitet uppstår först på toppen av lågan och flyttar sedan till basen. Sådan förbränning sker vid bränder med deras volymetriska utveckling (se nedan).
Förbränning av ämnen och material är möjlig endast med en viss kvalitet av syre i luften. Syrehalten, vid vilken möjligheten till förbränning av olika ämnen och material är utesluten, fastställs experimentellt. Så för kartong och bomull sker självsläckning vid 14% (vol.) syre och för polyesterull - vid 16% (vol.).
Eliminering av oxidationsmedlet (luftsyre) är en av de brandförebyggande åtgärderna. Därför bör lagring av brandfarliga och brännbara vätskor, kalciumkarbid, alkalimetaller, fosfor ske i tätt slutna behållare.
1.2.2. Tändkällor.
Ett nödvändigt villkor antändning av den brännbara blandningen är antändningskällor. Tändkällor är uppdelade i öppen eld, värme värmeelement och anordningar, elektrisk energi, energi från mekaniska gnistor, urladdningar av statisk elektricitet och blixtnedslag, energi från självuppvärmningsprocesser av ämnen och material (spontan förbränning), etc. Särskild uppmärksamhet bör ägnas åt att identifiera antändningskällor som är tillgängliga i produktionen.
De karakteristiska parametrarna för antändningskällor tas enligt:
Blixtkanalens temperatur är 30 000°C med en ström på 200 000 A och en insatstid på cirka 100 μs. Energin från en gnisturladdning från sekundärt blixtnedslag överstiger 250 mJ och är tillräcklig för att antända brännbara material med en minsta antändningsenergi på upp till 0,25 J. Energin från gnistorladdningar när hög potential förs in i en byggnad genom metallkommunikation når värden på 100 J eller mer, vilket är tillräckligt för att antända alla brännbara material.
Polyvinylkloridisolering elektrisk kabel(ledningar) tänds när kortslutningsströmförhållandet är mer än 2,5.
Temperaturen på svetspartiklar och nickelpartiklar i glödlampor når 2100°C. Dropptemperaturen vid skärning av metall är 1500°C. Bågtemperaturen under svetsning och skärning når 4000°C.
Spridningszonen för partiklar under en kortslutning vid en trådhöjd av 10 m sträcker sig från 5 (sannolikhet att träffa 92%) till 9 (sannolikhet att träffa 6%) m; när tråden är placerad på en höjd av 3 m - från 4 (96%) till 8 m (1%); när den ligger på en höjd av 1 m - från 3 (99%) till 6 m (6%).
Högsta temperatur, °C, på kolven glödlampa glödlampa beror på effekt, W: 25 W - 100°C; 40 W - 150°C; 75 W - 250°C; 100 W - 300°C; 150 W - 340°C; 200 W - 320°C; 750 W - 370°C.
Gnistor av statisk elektricitet som genereras när människor arbetar med rörliga dielektriska material når värden från 2,5 till 7,5 mJ.
Lågans temperatur (gylning) och brinntid (gylning), "C (min), för vissa lågkalorivärmekällor: pyrande cigarett - 320-410 (2-2,5); pyrande cigarett - 420-460 (26-30) ); brinnande tändsticka - 620-640 (0,33).
För gnistor från kaminrör, pannrum, rör av ång- och diesellok, samt andra maskiner, bränder, har det konstaterats att en gnista med en diameter på 2 mm är brandfarlig om den har en temperatur på ca 1000 ° C , med en diameter av 3 mm - 800 ° C, med en diameter av 5 mm - 600 ° C .
1.2.3. Spontan förbränning
Självantändning är inneboende i många brandfarliga ämnen och material. Detta särdrag denna grupp av material.
Spontan förbränning kan vara av följande typer: termisk, kemisk, mikrobiologisk.
Termisk självförbränning uttrycks i materialets ackumulering av värme, under vilken självuppvärmning av materialet sker. Självuppvärmningstemperaturen för ett ämne eller material är en indikator på dess brandfara™. För de flesta brandfarliga material sträcker sig denna indikator från 80 till 150°C: papper - 100°C; konstruktionsfilt - 80°C; konstläder - 40°C; trä: tall - 80, ek - 100, gran - 120°C; rå bomull - 60°C.
Långvarig glödning före uppkomsten av flammande förbränning är en utmärkande egenskap hos termiska spontana förbränningsprocesser. Dessa processer upptäcks av den långvariga och ihållande lukten av pyrande material.
Kemisk självantändning visar sig omedelbart i flammande förbränning. För organiska ämnen den här typen spontan förbränning uppstår vid kontakt med syror (salpetersyra, svavelsyra), vegetabiliska och industriella oljor. Oljor och fetter är i sin tur kapabla att självantända i en syremiljö. Oorganiska ämnen kan självantända vid kontakt med vatten (till exempel natriumhydrosulfit). Alkoholer antänds spontant vid kontakt med kaliumpermanganat. Ammoniumnitrat antänds spontant vid kontakt med superfosfat etc.
Mikrobiologisk spontan förbränning är förknippad med frisättning av termisk energi från mikroorganismer under deras livsaktivitet i ett näringsmedium för dem (hö, torv, sågspån och så vidare.).
I praktiken förekommer oftast kombinerade processer av spontan förbränning: termisk och kemisk.
2. Brand- och explosionsriskindikatorer.
Studiet av brand- och explosionsriskegenskaper hos ämnen och material som cirkulerar under produktionsprocessen är en av huvuduppgifterna för brandförebyggande, som syftar till att eliminera den brandfarliga miljön från brandsystemet.
I enlighet med GOST 12.1.044 Enligt deras aggregerade tillstånd delas ämnen och material in i:
GAS - ämnen vars mättade ångtryck vid en temperatur av 25°C och ett tryck på 101,3 kPa (1 atm) överstiger 101,3 kPa (1 atm).
VÄTSKOR - samma, men vid ett tryck mindre än 101,3 kPa (1 atm). Vätskor inkluderar även fasta smältande ämnen vars smält- eller dropppunkt är lägre än 50°C.
FAST - enskilda ämnen och deras blandningar med en smält- eller dropppunkt över 50 °C (till exempel vasilin - 54 °C), samt ämnen som inte har en smältpunkt (till exempel trä, tyger etc.) .
DAMM - dispergerade (krossade) fasta ämnen och material med en partikelstorlek på mindre än 850 mikron (0,85 mm).
Indikatorernas nomenklatur och deras tillämplighet för att karakterisera brand- och explosionsrisken för ämnen och material anges i tabell 1.
Värdena för dessa indikatorer bör inkluderas i standarderna och tekniska specifikationer på ämnen, och även anges i produktpass.
bord 1
| Index | Gaser | Vätskor | Fast | Damm |
| Brandfarlighetsgrupp | + | + | + | + |
| Flampunkt | - | + | - | - |
| Flampunkt | - | + | + | + |
| Självantändningstemperatur | + | + | + | + |
| Brandfarliga koncentrationsgränser | + | + | . - | + |
| Förutsättningar för termisk självantändning | - | - | + | + |
| Syreindex | - | - | + | - |
| Rökkoefficient | - | - | + | - |
| Förmågan att explodera och brinna vid interaktion med vatten, luft syre och andra ämnen | + | + | + | + |
| Indikator för toxicitet för förbränningsprodukter av polymera material och andra | + |
(Tecknet "+" indikerar tillämplighet, "-"-tecknet indikerar att indikatorn inte är tillämplig)
FLAMPUNKT (Tfsp) - endast för vätskor - den lägsta temperaturen hos ett kondenserat ämne vid vilket, under speciella testförhållanden, ångor bildas ovanför dess yta som kan blinka i luften från en antändningskälla; I detta fall uppstår ingen stabil förbränning.
ANTÄNDNINGSTEMPERATUR (Tv,) - förutom gaser - den lägsta temperaturen hos ett ämne vid vilken ämnet avger brandfarliga ångor och gaser med en sådan hastighet att antändning observeras när den utsätts för en antändningskälla.
SJÄLVANTÄNDNINGStemperatur (T sv) - lägsta temperatur miljö, där självantändning av ett ämne observeras.
VILLKOR FÖR TERMISK SPONTAN FÖRBRÄNNING - endast för fasta ämnen och damm - ett experimentellt identifierat samband mellan omgivningstemperaturen, mängden av ett ämne (material) och tiden fram till dess spontana förbränning.
SJÄLVVÄRMNINGStemperaturen är den högsta låg temperatur ett ämne där den spontana uppvärmningsprocessen inte leder till glödande eller flammande förbränning.
En säker temperatur för långvarig uppvärmning av ett ämne anses vara en temperatur som inte överstiger 90 % av självuppvärmningstemperaturen.
Förmågan att EXPLODERA OCH BRÄNNA VID SAMVERKAN MED VATTEN, SYRE I LUFT OCH ANDRA ÄMNEN (ömsesidig kontakt mellan ämnen) är en kvalitativ indikator som kännetecknar en speciell brandfara vissa ämnen.
RÖKBILDNINGKOEFFICIENT - endast för fasta ämnen - en indikator som kännetecknar den optiska densiteten hos rök som genereras under flammande förbränning eller termisk-oxidativ destruktion (glödning) ett visst belopp fast(material) under speciella testförhållanden.
Det finns 3 materialgrupper:
För material med måttlig rökgenererande förmåga är mängden rök när en person förlorar förmågan att navigera mindre
eller lika med mängden förbränningsprodukter som kan orsaka dödlig förgiftning. Därför är sannolikheten för förlust av synlighet i rök högre än sannolikheten för förgiftning.
Exempel på rökgenererande förmåga hos byggmaterial vid glödning (bränning), m 3 /kg:
Träfiber (björk, asp) - 62 (20)
Dekorativt laminat - 75 (6)
FSF-plywood - 140 (30)
Träfiberskiva, fodrad med plast - 170 (25)
TOXICITETSINDIKATOR FÖR FÖRBRÄNNINGSPRODUKTER AV POLYMERMATERIAL - förhållandet mellan mängden material per volymenhet i ett slutet utrymme där gasformiga produkter som bildas under förbränningen av materialet orsakar döden för 50% av försöksdjuren.
Kärnan i metoden är att bränna materialet som studeras i en förbränningskammare och identifiera beroendet av den dödliga effekten av gasformiga förbränningsprodukter på materialets massa (i gram) per volymenhet (1 m 3) av exponeringskammaren .
Klassificeringen av material anges i tabellen:
* För extremt giftiga material överstiger inte massan 25 gram för att skapa en dödlig koncentration i en volym av 1 m 3 på 5 minuter. Följaktligen, på en tid av 15 minuter - upp till 17; 30 min - upp till 13; 60 minuter - upp till 10 gram.
Till exempel: Douglas tall - 21; vinyltyg - 19; polyvinylklorid - 16; elastiskt polyuretanskum - 18 (hårt - 14) g/m 3 med en exponeringstid på 15 minuter.
KONCENTRATIONSGRÄNSER FÖR FLAMUTBREDNING (ANTÄNDNING) - förutom fasta ämnen.
Nedre (övre) koncentrationsgränser för flamutbredning (antändning) - det lägsta (maximala) innehållet av ett brandfarligt ämne i en homogen blandning med en oxiderande miljö, vid vilken det är möjligt för en låga att spridas genom blandningen till vilket avstånd som helst från antändningskälla.
Exempel på undre övre koncentrationsgränser, %: acetylen - 2,2-81; väte - 3,3-81,5; naturgas- 3,8-24,6; metan - 4,8-16,7; propan - 2-9,5; butan - 1,5-8,5; bensinångor - 0,7-6; fotogenånga - 1-1,3.
Smolderingstemperatur - för fasta ämnen och damm - temperaturen hos ett ämne vid vilken en kraftig ökning av hastigheten för exoterma oxidationsreaktioner inträffar, som slutar med glödning.
BRANDBARHETSGRUPP - en klassificering som är karakteristisk för förmågan hos alla ämnen och material att brinna.
Baserat på brandfarlighet delas ämnen och material in i tre grupper: icke brandfarligt, långsamt brinnande och brandfarligt.
ICKE-BRÄNNBAR (icke brännbart) - ämnen och material som inte kan brinna i luft. Icke brandfarliga ämnen kan vara brandexplosiva (till exempel oxidationsmedel eller ämnen som frigör produkter när de interagerar med vatten, atmosfäriskt syre eller med varandra).
MYCKET brandfarligt (svårt att bränna) - ämnen och material som kan brinna i luften när de utsätts för en antändningskälla, men som inte kan brinna självständigt efter att de tagits bort.
BRÄNNBAR (brännbar) - ämnen och material som kan självantända, samt antändas när de utsätts för en antändningskälla och brinner självständigt efter att de har avlägsnats.
Brandfarliga vätskor (FL) med TVsp<61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле относят к легковоспламеняющимся (ЛВЖ).
Särskilt farliga brandfarliga vätskor kallas brandfarliga vätskor med TVSP< 28°С.
GASER anses brandfarliga om de har gränsvärden för brandfarlig koncentration (FLCL); låg brandfarlighet - i frånvaro av CPV och närvaro av TSV; ej brandfarligt - i frånvaro av CPV och TSV.
VÄTSKOR anses brandfarliga i närvaro av TV; låg brandfarlighet - i frånvaro av TV och närvaro av TV; ej brandfarlig - i frånvaro av Тв, Тсв, Твсп, temperatur- och koncentrationsgränser för flamutbredning (antändning).
3. Kategorier av lokaler enligt explosions- och brandrisk.
Enligt bestämmelserna i brandsäkerhetsnormerna NPB 105-03 fastställs kategorier av lokaler och byggnader (eller delar av byggnader mellan brandväggar - brandcellar) enligt explosions- och brandrisker, beroende på mängden och brandexplosiva egenskaper hos ämnen och material som finns (cirkulerar) i dem, med hänsyn till egenskaperna tekniska processer för produktionsanläggningar som finns i dem.
Rum, fack, delar av en byggnad, klassbyggnader är föremål för kategorisering beroende på att de tillhör en viss klass vad gäller funktionell brandrisk. Byggnader och delar av byggnader - lokaler eller grupper av lokaler som är funktionellt sammanlänkade delas in i klasser efter funktionell brandrisk beroende på hur de används och i vilken utsträckning säkerheten för människor i dem i händelse av brand är i fara, med hänsyn till deras ålder, fysiska kondition, förmåga att sova, typ av huvudsaklig funktionell kontingent och dess kvantitet.
Lokaler, byggnadsdelar, byggnader av klasserna F3.5., F4.3., F5.1., F5.2., F5.3., inklusive produktions- och lagerlokaler inklusive laboratorier, omfattas av obligatorisk kategorisering enl. explosions- och brandrisk och verkstäder i byggnader av klasserna F1, F2, F3 och F4, enligt bestämmelserna i punkt 5.21* i SNiP 21-01-97* tillhör klass F5.
Metodiken som ges i NPB 105-03 bör användas vid utvecklingen av avdelningstekniska designstandarder för kategorisering av lokaler och byggnader.
NPB 105-03 gäller inte för lokaler och byggnader för tillverkning och förvaring av sprängämnen, medel för att initiera sprängämnen, byggnader och konstruktioner utformade enligt särskilda normer och regler godkända på föreskrivet sätt.
Kategorierna av lokaler och byggnader, definierade i enlighet med PNB 105-03, bör användas för att fastställa myndighetskrav för att säkerställa explosions- och brandsäkerhet för de angivna lokalerna och byggnaderna i förhållande till planering och konstruktion, antal våningar, ytor, placering av lokaler, designlösningar, ingenjörsutrustning. Åtgärder för att säkerställa människors säkerhet bör föreskrivas beroende på brandfarliga egenskaper och mängder av ämnen och material i enlighet med GOST 12.1.004-91 och GOST 12.3.047-98.
Kategorier av lokaler och byggnader för företag och institutioner bestäms i designstadiet av byggnader och strukturer i enlighet med dessa standarder, tekniska designstandarder för avdelningar eller speciallistor som godkänts på föreskrivet sätt.
Enligt explosions- och brandrisk delas lokaler och byggnader in i kategorierna A, B, B1-B4, D och D. Explosions- och brandriskkategorier för lokaler och byggnader bestäms för den mest ogynnsamma perioden i förhållande till brand eller explosion. baserat på typen av utrustning och lokaler som finns i brandfarliga ämnen och material, deras kvantitet och brandfarliga egenskaper, egenskaper hos tekniska processer.
De brandfarliga egenskaperna hos ämnen och material bestäms utifrån testresultat eller beräkningar med standardmetoder, med hänsyn till tillståndsparametrar (tryck, temperatur, etc.).
Det är tillåtet att använda referensdata publicerade av ledande forskningsorganisationer inom brandsäkerhetsområdet eller utfärdade av State Standard Reference Data Service. Det är tillåtet att använda brandriskindikatorer för blandningar av ämnen och material baserade på den farligaste komponenten.
| K-ja | Egenskaper för ämnen och material som finns (cirkulerar) i lokalerna |
| A | Brännbara gaser (GG), brandfarliga explosiva vätskor (FLH) med en flampunkt på högst 28 o C i sådana mängder att de kan bilda explosiva ång-, gas- och luftblandningar, vid antändning av vilka ett beräknat överexplosionstryck i rummet utvecklas och överstiger 5 kPa. Ämnen och material som kan explodera och brinna när de interagerar med vatten, luft syre eller med varandra i sådana mängder att det beräknade överskottsexplosionstrycket i rummet överstiger 5 kPa |
| B | Brännbart damm eller fibrer, brandfarliga brandfarliga vätskor med en flampunkt över 28 o C, brandfarliga vätskor (FL) i sådana mängder att de kan bilda explosiva damm-luft- eller ånga-luftblandningar, vid antändning av vilka ett beräknat överexplosionstryck i rummet utvecklas över 5 kPa |
| B1-B4 | Gasvätskor och lågantändliga vätskor, fasta brandfarliga brännbara och lågantändliga ämnen och material (inklusive damm och fibrer), ämnen och material som endast kan brinna när de interagerar med vatten, luft syre eller med varandra, förutsatt att rummen där de är tillgängliga eller i omlopp, inte klassificerade som A eller B |
| G | Icke brännbara ämnen och material i varmt, glödande eller smält tillstånd, vars bearbetning åtföljs av frigöring av strålningsvärme, gnistor och lågor; GG, GL och fasta ämnen som förbränns eller omhändertas som bränsle |
| D | Icke brännbara ämnen och material i kallt tillstånd |
| 2 | | |
Brännbara system kan vara kemiskt homogena eller heterogena. Kemiskt homogena system inkluderar system där brandfarligt material och luft blandas enhetligt: blandningar av brandfarliga gaser, ångor eller damm med luft. K kemiskt
Heterogena system inkluderar system där det brandfarliga ämnet och luften inte blandas och har gränssnitt: fasta brännbara material och vätskor i luften, strålar av brandfarliga gaser och ångor som kommer in i luften, etc.
Ett exempel på förbränning av gaser och ångor (homogen förbränning) är förbränning av ångor som stiger upp från den fria ytan av en vätska (Fig. 1.1) eller förbränning av gas som lämnar ett rör. Eftersom partialtrycket av syre i luften är 21,2 kPa och trycket i förbränningszonen är noll, diffunderar syre från luften genom lagret av förbränningsprodukter till förbränningszonen. Följaktligen beror hastigheten för förbränningsreaktionen på hastigheten för syrediffusion.
Ett exempel på förbränning på ytan av ett fast ämne (heterogen förbränning) är förbränning av antracit, koks och träkol. I detta fall hämmas diffusionen av syre till förbränningszonen också av förbränningsprodukter, vilket framgår av diagrammet som visas i fig. 1.2. Syrekoncentrationen i luftvolymen (C 1) är betydligt större än dess koncentration nära förbränningszonen (C 0). I frånvaro av tillräckligt med syre i förbränningszonen hämmas den kemiska reaktionen.
Ris. 1.2. Schema för syrediffusion in i förbränningszonen av ett fast ämne
(heterogen förbränning)
Således är den totala förbränningstiden för ett kemiskt inhomogent brännbart system summan av den tid som krävs för uppkomsten av fysisk kontakt
mellan det brandfarliga ämnet och syret i luften, och tiden som ägnas åt själva den kemiska reaktionen:
Vid homogen förbränning kallas värdet för tiden för blandningsbildning och vid heterogen förbränning tiden för transport av syre från luften till den fasta förbränningsytan.
Beroende på förhållandet kallas förbränning diffusion eller kinetisk. Vid förbränning av kemiskt inhomogena brännbara system är tiden för diffusion av syre till det brännbara ämnet oproportionerligt längre än den tid som krävs för att den kemiska reaktionen ska inträffa, d.v.s. >> och praktiskt taget.
Detta innebär att förbränningshastigheten bestäms av hastigheten för syrediffusion till det brännbara ämnet. I detta fall sägs processen ske i diffusionsområdet. Denna typ av förbränning kallas diffusion. Alla bränder är diffusionsförbränning.
Om tiden för det fysikaliska steget i processen visar sig vara oproportionerligt kortare än den tid som krävs för att den kemiska reaktionen ska inträffa, d.v.s.<< , то можно принять . Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеприготовление. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва. Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.
I fig. Figur 1.3 visar hur förbränningsreaktionshastigheten är beroende av temperaturen i olika områden. Kurva 1 visar förändringen i reaktionshastigheten under kinetisk förbränning. Vid låga temperaturer beror hastigheten på oxidationsreaktionen i blandningen svagt på temperaturförändringen och kurvan 1 i detta område stiger den långsamt. Vid högre temperaturer börjar oxidationsreaktionens hastighet att accelerera kraftigt med ökande temperatur, och kurvan 1 stiger brant. Således beror reaktionshastigheten i den kinetiska regionen endast på temperaturen hos reaktanterna.
Ris. 1.3. Beroende av kinetiska (1) och diffusionshastigheter (2).
förbränning genom temperatur
Kurva 2 visar förändringen i reaktionshastigheten under diffus förbränning. Vid låga temperaturer kurvans förlopp 2 samma som kurvan 1 så hastigheten för oxidationsreaktionen är mindre än hastigheten för syrediffusion in i förbränningszonen och därför sker reaktionen i det kinetiska området. När temperaturen hos de reagerande ämnena ökar, blir reaktionshastigheten lika med hastigheten för syrediffusion in i förbränningszonen och överskrider den sedan betydligt. Under dessa förhållanden bestäms hastigheten för hela processen av hastigheten för syrediffusion. Kurva 2 vid punkt A ändrar riktning, avviker till höger om kurvan 1 . Kurvans vidare förlopp 2 visar att förbränningshastigheten i diffusionsområdet, bestämd av diffusionshastigheten, beror mycket lite på temperaturen.
Strukturen hos en diffusionslåga ovanför ytan av en brandfarlig vätska, mekanismen och hastigheten för dess utbredning.
Strukturen på diffusionsflamman ovanför den brandfarliga vätskespegeln är ungefär densamma. Den enda skillnaden är att de brandfarliga ångorna som kommer från vätskans yta inte har en sådan initial reserv av kinetisk energi som en gasström, och före antändning blandas de med det omgivande gasformiga mediet inte på grund av den inkommande gasens kinetiska energi flöde, men långsammare genom mekanismen för konvektiv och molekylär diffusion. Men om en antändningskälla är ansluten till den resulterande ång-luftblandningen, kommer en flamfackla att dyka upp, som kommer att ändra förhållandet mellan gas och värmeflöden ovanför vätskeytan: heta förbränningsprodukter, som lättare, kommer att rusa uppåt, och i deras plats frisk kall luft kommer från det omgivande utrymmet, vilket kommer att leda till utspädning av brandfarliga vätskeångor. Ett strålande flöde av termisk energi kommer att flöda från lågan till vätskespegeln, som kommer att värma vätskans ytskikt och, när de värms upp, intensifiera processen för dess avdunstning.
Om vätskan före antändningen hade en temperatur som var betydligt högre än antändningstemperaturen, kommer förbränningen av vätskan ovanför tanken eller utspilld vätska att intensifieras och fortskrida, och lågans storlek kommer att växa. Följaktligen ökar intensiteten av strålningsvärmeflödet till vätskans yta, förångningsprocessen intensifieras, intensiteten hos det konvektiva gasflödet runt lågan ökar, det kommer att pressas kraftigare från sidorna och ta formen av en kon , ökar i storlek. Med ytterligare förbränning går lågan in i ett turbulent förbränningsläge och kommer att växa tills en termisk och gasdynamisk jämviktsregim har etablerats. Den maximala temperaturen för den turbulenta diffusionslågan för de flesta brandfarliga vätskor överstiger inte 1250-1350°C.
Utbredningen av förbränning över ytan av vätskeytan beror på bildningshastigheten för den brännbara blandningen genom mekanismerna för molekylär och konvektiv diffusion. Därför, för vätskor med en temperatur under antändningstemperaturen, är denna hastighet mindre än 0,05 m/s, och för vätskor som värms över antändningstemperaturen når den 0,5 m/s eller mer.
Sålunda beror hastigheten för flamutbredning över ytan av en brandfarlig vätska huvudsakligen på dess temperatur.
Om vätsketemperaturen är lika med eller högre än antändningstemperaturen kan förbränning uppstå. Inledningsvis etableras en liten låga ovanför vätskans yta, som sedan snabbt ökar i höjd och efter en kort tid når sitt maximala värde. Detta tyder på att en viss värme- och massöverföring har etablerats mellan förbränningszonen och vätskans yta. Värme överförs från förbränningszonen till ytskiktet av vätska genom strålning och värmeledning genom behållarens väggar. Det finns inget konvektivt flöde, eftersom ångflödet i plymen är riktat uppåt, d.v.s. från en mindre uppvärmd yta till en mer uppvärmd yta. Mängden värme som överförs till vätskan från förbränningszonen är inte konstant och beror på facklans temperatur, flammans genomskinlighet, dess form etc.
Vätskan tar emot en del av värmen från tankväggen. Denna del av värmen kan vara betydande när vätskenivån i tanken är låg och även när lågor strömmar runt tankens yttervägg. Värmen som uppfattas av vätskan spenderas mestadels på avdunstning och uppvärmning, och en del värme går förlorad av vätskan till miljön:
Q = q 1 + q 2 + q 3
där Q är mängden värme som tas emot av vätskan från lågan, kJ/ (m 2 -s);
q 1 - mängden värme som förloras av vätskan till miljön, kJ/ (m 2 -s);
q 2 - mängd värme som spenderas på vätskeförångning, kJ/ (m 2 s);
qз - mängd värme som används för att värma vätskan, kJ/ (m 2 -s).
Om diametern på tanken är tillräckligt stor, kan värdet av q1 jämfört med q 2 och q 3 försummas:
Q = q 2 + q 3 = rlс + cpс (T-T 0) u.
Där r är vätskans avdunstning, kJ/kg;
Ср - vätskans värmekapacitet, kJ/ (kg K);
p - vätskedensitet, mg/m3;
T är temperaturen vid vätskans yta, K;
To - initial vätsketemperatur K;
u är tillväxthastigheten för det uppvärmda vätskeskiktet, m/s;
l - linjär hastighet för vätskeutbränning, m/s.
Om en enskild vätska brinner, skiljer sig inte sammansättningen av dess ångfas från sammansättningen av den flytande fasen. Om en vätska av komplex sammansättning (blandning) brinner, sker fraktionerad destillation i dess övre skikt och sammansättningen av den sfäriska fasen skiljer sig från sammansättningen av den flytande fasen. Sådana blandningar inkluderar olja och alla petroleumprodukter. När de brinner förångas mestadels lågkokande fraktioner, vilket resulterar i att vätskefasen ändrar sin sammansättning och samtidigt ångtryck, specifik vikt, viskositet och andra egenskaper. Tabell 3.1 visar förändringen i egenskaperna hos Karachukhur-olja i ytskiktet när den brinner i en reservoar med en diameter på 1,4 m.
Tabell 1.11.1
Förändringar i egenskaperna hos Karachukhur-olja under förbränning
|
Fysikalisk-kemiska egenskaper |
Prov före experiment |
Prover efter förbränning, h |
|||
|
Densitet tre 293 K, kg/m 3 |
|||||
|
Kinematisk viskositet vid 373. K, m 2 / s |
|||||
|
Flampunkt enligt Brenken, K |
|||||
|
Börja koka, K |
Enligt tabell 1.11.1, på grund av utbränningen av lågkokande fraktioner, ökar densiteten av den återstående produkten. Samma sak händer med viskositet, flampunkt, hartsinnehåll och kokpunkt. Endast fukthalten minskar när oljan brinner ut. Intensiteten av förändringar i dessa egenskaper under förbränning i tankar med olika diametrar är inte densamma. I tankar med stor diameter, på grund av en ökning av konvektion och tjockleken på vätskeskiktet som är involverat i blandningen, minskar förändringshastigheten i dessa egenskaper. Den förändring i fraktionssammansättningen av petroleumprodukter som sker i det övre lagret leder gradvis till en förändring av lagret i tjockleken på den uppvärmda petroleumprodukten.
Om du använder den första lagen i D.P. Konovalov, slutsatsen om förbränning av blandningar kan formuleras enligt följande: en blandning av två vätskor berikas under förbränning med dessa komponenter, vars tillsats till vätskan sänker ångtrycket ovanför den (eller ökar kokpunkten). Denna slutsats gäller även för blandningar där antalet komponenter är fler än två.
Vid förbränning av blandningar av brandfarliga och vissa brännbara vätskor med vatten till följd av fraktionerad destillation ökar andelen vatten i vätskefasen hela tiden, vilket leder till en ökning av den brinnande blandningens specifika vikt. Detta fenomen är typiskt för blandningar där den brandfarliga komponenten har en kokpunkt under kokpunkten för vatten (metyl, etylalkohol, dietyleter, aceton, etc.). När sådana flytande blandningar brinner under lång tid, på grund av ökningen av vatten i dem, kommer ett ögonblick då förbränningen stannar, även om inte all blandning ännu har brunnit ut.
En blandning av brandfarliga vätskor med vatten, när vätskans kokpunkt är högre än vattnets kokpunkt, beter sig något annorlunda under förbränningsprocessen. Andelen vatten i vätskefasen ökar inte, utan minskar. Som ett resultat brinner blandningen ut helt. Det är så en blandning av ättiksyra och vatten brinner.
När petroleumprodukter brinner ökar deras kokpunkt (se tabell 1.11.1) gradvis på grund av den fraktionerade destillationen som uppstår, och därför ökar även temperaturen i det övre lagret. Figur 1.11.1 visar temperaturförändringen på ytan
Fig.1.11.1
Vid låga vätsketemperaturer spelar värmeöverföringen från lågan till vätskan en betydande roll för lågans utbredning. Lågan värmer ytan på vätskan intill den, ångtrycket över den ökar, en brandfarlig blandning bildas, som brinner när den antänds.
Den rörliga lågan värmer nästa sektion av vätskeytan, och så vidare.
Beroendet av flamrörelsens hastighet på vätskans yta på temperaturen visas i fig. 1.11.2.
När vätsketemperaturen är under flampunkten är lågans färdhastighet låg.
Den ökar när temperaturen på vätskan ökar och blir densamma som hastigheten för flamutbredning genom ång-luftblandningen vid en vätsketemperatur över flampunkten.
Fig.1.11.2 Förändring i lågans hastighet längs vätskeytan beroende på temperatur: 1-isoamylalkohol, 2 - butylalkohol, 3 - etylalkohol, 4 - toluen
Mer än 90 % av all energi som används av mänskligheten idag genereras genom förbränning. Vetenskaplig forskning om teorin om förbränning började med den ryske vetenskapsmannen V.A.
Förbränning– En komplex fysikalisk-kemisk process för att omvandla initiala brännbara ämnen och material till förbränningsprodukter, åtföljd av intensiv utsläpp av värme, rök och ljus från en låga.
För att en sådan fysikalisk och kemisk reaktion, som ligger bakom varje brand, ska inträffa, är närvaron av tre väsentliga komponenter nödvändig: ett brandfarligt medium, en antändningskälla och ett oxidationsmedel.
Brännbar miljö– ett medium som kan brinna självständigt efter avlägsnande av antändningskällan.
Antändningskällaär en värmekälla med tillräcklig temperatur, energi och verkanstid för antändning.
Det finns kinetisk och diffusionsförbränning.
Kinetisk förbränning representerar förbränning av förblandade brännbara gaser och ett oxidationsmedel.
Diffusionsförbränning– detta är förbränning där oxidationsmedlet kommer in i förbränningszonen från utsidan. Diffusionsförbränning kan i sin tur vara laminär (lugn) och turbulent (ojämn) i tid och rum.
Beroende på tillståndet för aggregering av det ursprungliga brännbara ämnet särskiljs de homogen, heterogen förbränning Och förbränning av kondenserade system.
På homogen förbränning oxidationsmedlet och bränslet är i samma aggregationstillstånd. Denna typ inkluderar förbränning av gasblandningar (naturgas, väte, propan, etc. med ett oxidationsmedel - vanligtvis luftsyre).
På heterogen förbränning utgångsämnena (till exempel fast eller flytande bränsle och gasoxidationsmedel) befinner sig i olika aggregationstillstånd. Fasta ämnen förvandlas till damm (kol, textil, växter, metall), när de blandas med luft, bildar brandexplosiva damm-luftblandningar.
Förbränning kondenserade system i samband med övergången av ett ämne från ett kondenserat tillstånd till en gas.
Beroende på lågans utbredningshastighet kan förbränning vara deflagration- med en hastighet av flera m/s, explosiv− hastighet i storleksordningen tiotals och hundratals m/s och detonation− hundratals och tusentals m/s.
För deflagration eller normal förbränningsutbredning kännetecknas av värmeöverföring från lager till lager. Som ett resultat rör sig flamfronten mot den brännbara blandningen.
Explosiv Förbränning är en förbränningsprocess med snabb frigöring av energi och bildandet av övertryck (mer än 5 kPa).
På detonation Vid förbränning (detonation) sprider sig lågan med en hastighet nära eller över ljudets hastighet.
Detonationär en process för kemisk omvandling av oxidator-reducersystemet, vilket är en kombination av en stötvåg som fortplantar sig med konstant hastighet och följer fronten av zonen för kemiska omvandlingar av utgångsämnena. Den kemiska energin som frigörs i detonationsvågen ger bränsle till stötvågen, vilket förhindrar att den dör ut.
Hastigheten på detonationsvågen är en egenskap hos varje specifikt system. Heterogena system kännetecknas av låghastighetsdetonation, på grund av gas-fast-reaktionens specifika karaktär. Under detonation av gasblandningar är flamutbredningshastigheten (1-3)∙10 3 m/s eller mer, och trycket i stötvågsfronten är (1-5) MPa eller mer.
Förbränning kännetecknas av farliga faktorer som kallas brandrisker.
Under brand avser okontrollerad förbränning som orsakar materiella skador, skada på medborgarnas liv och hälsa samt samhällets och statens intressen.
TILL brandrisker(enligt GOST 12.1.004-91) inkluderar:
Lågor och gnistor;
Ökad omgivningstemperatur;
Minskad syrekoncentration;
Giftiga förbränningsprodukter
Termisk nedbrytning.
Flamma− detta är den synliga delen av utrymmet (flamzon), inom vilken processerna för oxidation, rökbildning och värmeutveckling sker, liksom giftiga gasformiga produkter genereras och syre absorberas från det omgivande utrymmet.
Flame kännetecknas kvantitativt av följande kvantiteter:
Brinnande område ( F 0 , m 2), - utbrändhetsfrekvens ( Ψ , kg/s), - värmeavgivningseffekt ( F berg, W) - optisk mängd rök ( ΨD, Neper∙m 2 ∙kg -1).
Funktioner av förbränning i en brand, till skillnad från andra typer av förbränning, är: tendensen till spontan spridning av brand; en relativt låg grad av fullständig förbränning och intensiv utsläpp av rök innehållande produkter av fullständig och ofullständig oxidation.
Tre zoner bildas under bränder:
- Brinnande zon Jag är en del av det utrymme där beredning av ämnen för förbränning sker (uppvärmning, förångning, nedbrytning) och själva förbränningen.
- Värmepåverkad zon- del av utrymmet som gränsar till förbränningszonen, där den termiska effekten leder till en märkbar förändring av tillståndet hos material och strukturer, och där det är omöjligt för människor att vistas utan särskilt termiskt skydd.
- Rökzon− del av utrymmet som gränsar till förbränningszonen och beläget både i den värmepåverkade zonen och utanför denna och fylld med rökgaser i koncentrationer som hotar människors liv och hälsa.
Förbränning kan utföras i två lägen: spontan förbränning Och distribution främre flamma.
Flamspridning− processen för förbränningsutbredning över ytan av ett ämne och material på grund av värmeledningsförmåga, värmestrålning (strålning) och konvektion.
Utvärderar brandutvecklingens dynamik Flera av dess huvudfaser kan särskiljas:
- 1 fas(upp till 10 minuter) - det inledande skedet, inklusive övergången från en brand till en brand på cirka 1-3 minuter och tillväxten av förbränningszonen inom 5-6 minuter. I detta fall sker en övervägande linjär spridning av brand längs brandfarliga ämnen och material, vilket åtföljs av riklig rökutsläpp.
- 2 fas− Stadiet av volymetrisk brandutveckling, som tar 30-40 minuter, kännetecknas av en snabb förbränningsprocess med övergång till volymetrisk förbränning. Processen för flamutbredning sker på distans på grund av överföringen av förbränningsenergi till andra material. Temperatur (upp till 800-900 o C) och utbrändhet når maximala värden.
Stabilisering av branden vid dess maximala värden sker inom 20-25 minuter och fortsätter i ytterligare 20-30 minuter, medan huvuddelen av brännbart material brinner ut.
- 3-fas− sönderfallsfaser, d.v.s. efterförbränning i form av långsam glödning. Därefter upphör elden.
Enligt ISO nr 3941-77 är bränder indelade i följande klasser:
- klass A− Bränder av fasta ämnen, huvudsakligen av organiskt ursprung, vars förbränning åtföljs av glödning (trä, textilier, papper).
- klass B- bränder av brandfarliga vätskor eller smältande fasta ämnen;
- klass C− Gasbränder.
- klass D− Bränder av metaller och deras legeringar.
- klass E− bränder i samband med brinnande elektriska installationer.
Egenskaper brännbar blandning vad gäller brand- och explosionsrisk är:
Brandfarlighetsgrupper,
Koncentrationsgränser för flamutbredning (antändning),
Flampunkt är temperaturen för antändning och självantändning.
Brandfarlighetsgrupp– Indikator som är tillämplig på följande aggregerade tillstånd av ämnen:
- gaser− Ämnen vars absoluta ångtryck vid en temperatur av 50 o C är lika med eller mer än 300 kPa eller vars kritiska temperatur är lägre än 50 o C.
- vätskor− Ämnen med en smältpunkt (dropppunkt) lägre än 50 o C.
- fasta ämnen och material med en smältpunkt (dropppunkt) över 50 o C;
- damm− dispergerade ämnen och material med en partikelstorlek mindre än 850 mikron.
Brandfarlighet− förmågan hos ett ämne eller material att brinna. Baserat på brandfarlighet delas de in i tre grupper.
Ej brandfarlig (eldfast) - ämnen och material som inte kan förbrännas i luft. Icke brandfarliga ämnen kan vara brandfarliga (till exempel oxidationsmedel, samt ämnen som frigör brandfarliga produkter när de interagerar med vatten, luft syre eller med varandra).
Låg brandfarlighet (brandsäker) - ämnen och material som kan antändas i luft från en antändningskälla, men som inte kan brinna självständigt efter att de tagits bort.
Brandfarlig(brännbar) - ämnen och material som kan självantända, samt antändas i luften från en antändningskälla och brinna självständigt efter att de tagits bort.
Från denna grupp finns det mycket brandfarliga ämnen och material− kan antändas från kortvarig (upp till 30 s) exponering för en lågenergiantändningskälla (tändstickslåga, gnista, pyrande cigarett, etc.).
Brandfarliga koncentrationsgränser− lägsta och högsta koncentration (massa eller volymfraktion av bränsle i en blandning med ett oxiderande medium), uttryckt i %, g/m3 eller l/m3, under (ovanför) vilken blandningen blir oförmögen att sprida låga.
Det finns lägre och övre koncentrationsgränser för flamspridning (respektive NCPRP och VKPRP).
NCPRP (VKPRP)− minsta (högsta) innehåll av bränsle i blandningen (brännbart ämne - oxiderande medium), vid vilken lågan kan spridas genom blandningen till valfritt avstånd från antändningskällan. Till exempel, för en blandning av naturgas som huvudsakligen består av metan, är koncentrationsgränsen för antändning (detonationsförbränning) 5-16 %, och en propanexplosion är möjlig när det finns 21 liter gas i 1 m 3 luft, och förbränning är möjlig vid 95 liter.
Flampunkt (t vsp) - den lägsta temperaturen för ett brännbart ämne vid vilken gaser och ångor bildas på dess yta som kan blossa upp i luften från en antändningskälla, men hastigheten för deras bildning är fortfarande otillräcklig för en stabil förbränning.
Beroende på det numeriska värdet t vsp deras vätskor klassificeras som brandfarlig (brandfarlig) Och brandfarligt (GZh). I sin tur LVZHär indelade i tre kategorier i enlighet med GOST 12.1.017-80.
Särskilt farliga brandfarliga vätskor− dessa är brandfarliga vätskor med t vsp från −18 o C och lägre i ett slutet utrymme eller från −13 o C i ett öppet utrymme. Dessa inkluderar aceton, dietyleter, isopentan, etc.
Ständigt farliga brandfarliga vätskor− dessa är brandfarliga vätskor med t vsp från −18 o C till +23 o C i ett slutet utrymme eller från −13 o C till 27 o C i ett öppet utrymme. Dessa inkluderar bensen, toluen, etylalkohol, etylacetat, etc.
Farligt vid förhöjda temperaturer brandfarliga vätskor− dessa är brandfarliga vätskor med t vsp från 23 o C till 61 o C i ett slutet utrymme eller över 27 o C till 66 o C i ett öppet utrymme. Dessa inkluderar terpentin, lacknafta, klorbensen, etc.
Flampunkten används för att bestämma kategorierna av lokaler för byggnader och externa installationer för explosions- och brandrisker i enlighet med NPB 105-03, samt vid utveckling av åtgärder för att säkerställa brand- och explosionssäkerhet för processer
Självantändningstemperatur− den lägsta temperaturen hos ett ämne vid vilken en kraftig ökning av energihastigheten sker.
Konceptet " explosion» används i alla processer som kan orsaka en betydande ökning av trycket i miljön.
Baserat på GOST R 22.08-96 explosion- är en process för energifrigöring under en kort tidsperiod förknippad med en omedelbar fysisk och kemisk förändring av ett ämnes tillstånd, vilket leder till en tryckstöt eller stötvåg, åtföljd av bildning av komprimerade gaser eller ångor som kan producera arbete .
Följande typer av explosioner är möjliga vid explosiva föremål:
- explosiva processer− okontrollerat plötsligt frisläppande av energi i ett begränsat utrymme;
- volymetrisk explosion− Bildande av moln av bränsle-luft eller andra gasformiga, damm-luftblandningar och deras snabba explosiva omvandlingar.
- fysiska explosioner− explosioner av rörledningar, kärl under högt tryck eller överhettad vätska.
Nödexplosion– en nödsituation som inträffar vid en potentiellt farlig anläggning när som helst i ett begränsat utrymme spontant, av en slump eller som ett resultat av felaktiga handlingar av personal som arbetar på den
Orsakerna till explosioner är främst:
Brott mot tekniska bestämmelser;
Extern mekanisk påverkan;
Åldring av utrustning och installationer;
Designfel;
Förändringar i tillståndet för den förseglade miljön;
Fel hos servicepersonal;
Fel i instrumentering, kontroll och säkerhetsanordningar.
