Горением называют химическую реакцию окисления вещества, сопровождающуюся выделением большого количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). Процесс горения возможен при наличии трех факторов: горючего вещества, окислителя и источника загорания (импульса). Окислителями могут быть кислород, хлор, фтор, бром, йод, окислы азота.
Горение может возникнуть в результате вспышки, возгорания, воспламенения, самовозгорания, самовоспламенения или взрыва горючего вещества.
Вспышка представляет собой быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов при внесении в нее источника зажигания. При этом для продолжения горения оказывается недостаточным то количество тепла, которое образуется при кратковременном процессе вспышки.
Возгорание – явление возникновения горения под действием источника зажигания. Источниками зажигания могут быть пламя, лучистая энергия, искра, накаленная поверхность и т.п.
Воспламенение – это возгорание, сопровождающееся появлением пламени. В отличие от вспышки количество тепла при воспламенении, переданное горючему веществу от источника зажигания, достаточно для продолжения горения, т.е. для своевременного образования паров и газов над поверхностью вещества, способных гореть.
При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной.
Самовозгорание – явление резкого увеличения скорости окисления вещества, приводящее к возникновению горения в отсутствие источника зажигания. Окисление проходит вследствие адсорбции кислорода воздуха и постоянного нагрева вещества за счет тепла химической реакции окисления. Самовозгораться могут обтирочные материалы, пропитанные техническим маслом, торф, каменный уголь и др.
Самовоспламенение – это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.
Взрыв (взрывное горение) – это горение вещества, сопровождающееся крайне быстрым выделением большого количества энергии, вызывающего нагрев продуктов сгорания до высоких температур и резкое повышение давление.
Пожаром называют неконтролируемое горение вне специального очага.
Ингибирование – интенсивное замедление скорости химических реакций окисления в пламени.
Все горючие вещества могут находиться в жидком, газообразном и твердом состоянии.
Горючие жидкости. Основными параметрами горючих свойств жидкости являются температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения, а также концентрационные и температурные пределы воспламенения смеси паров жидкости с воздухом.
Температура вспышки – один из основных признаков, определяющих пожароопасность жидкостей.
Жидкости в зависимости от температуры вспышки паров подразделяются на два класса:
1. легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) с температурой вспышки не выше 61*С (в закрытом тигле) или 66*С (в открытом тигле). Такими жидкостями являются, например, бензин, ацетон и др.;
2. горючие жидкости (ГЖ) с температурой вспышки выше 61*С (в закрытом тигле), например, масло, мазут и др.
Температурой воспламенения называют температуру горючего вещества, при которой оно выделяет горючие газы и пары с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.
Температура самовоспламенения имеет большое значение для оценки взрывоопасности процессов, протекающих под давлением в закрытых сосудах. Она характеризует возможность начала пламенного горения вещества при контакте его с кислородом воздуха.
Наиболее опасными являются жидкости с температурой самовоспламенения менее 15*С
Смесь горючих веществ с окислителем способна гореть только при определенном содержании в ней горючего. Нижним (верхним) концентрационнымпределомвоспламенения называют минимальное (максимальное) возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.
Температурные пределы воспламенения – это такие температуры горючего вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему и верхнему концентрационным пределам воспламенения.
Горючие газы. Основными параметрами взрывоопасности горючих газов являются нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения, характеризуемые объемной долей горючих газов в смеси (%).Промежуток между нижним и верхним концентрационными пределами называют областью воспламенения. Только в этой области смесь способна воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением пламени. Например, нижний и верхний пределы воспламенения в смеси с воздухом составляют (в %): для аммиака – 15 и 288, для водорода – 4 и 75, для метана – 5 и 15. При концентрациях меньше нижнего предела смесь бедна горючим и выделившегося при вспышке тепла недостаточно для воспламенения других частиц. При концентрациях больше верхнего предела смесь слишком богата горючим и воспламенения не происходит из-за недостатка окислителя.
Все вещества, способные к воспламенению и загоранию , подразделяют на 8 групп:
1 - Взрывчатые вещества – нитроглицерин, тетрил, тротил, аммониты. динамит; 2– Взрывоопасные вещества – динитрохлор, бензол, эфиры азотной кислоты, аммиачная селитра;
3 - Вещества, способные образовывать взрывчатые смеси с органическими продуктами , - перхлорат калия, перекиси натрия, калия и бария, азотнокислые калий, барий, кальций, натрий;
4 – Сжатые и сжиженные газы :
а) горючие и взрывоопасные газы - водород, метан, пропан, аммиак, сероводород;
б) инертные и негорючие газы - аргон, гелий, неон, углекислый газ, сернистый ангидрид;
в) газы, поддерживающие горение, - сжатый и жидкий кислород и воздух.
5 – Вещества, самовозгорающиеся при контакте с воздухом или водой, - металлический калий, натрий и кальций, карбид кальция, фосфористые кальций и натрий, цинковая пыль, алюминиевая пудра, пирофорные мессалические порошки и соединения.
6 – Легковоспламеняющиеся и горючие вещества :
а) жидкости – бензин, бензол, сероуглерод, ацетон, ксилол, скипидар, керосин, толуол, органические масла, амилацетат, этиловый и метиловый спирты;
б) твердые вещества – красный фосфор, нафталин;
7 – Вещества, способные вызывать воспламенение , - бром, азотная, серная и хлорсульфонная кислоты, марганцовокислый калий.
8 – Легкогорючие вещества – хлопок, сера, сажа.
Возникновение пожаров в зданиях и сооружениях, особенности распространения огня зависят от того, из каких материалов выполнены эти здания и сооружения, каковы их размеры.
Способность строительных материалов и конструкций воспламеняться, гореть или тлеть под воздействием огня или высокой температуры называют возгораемостью.
По степени возгораемости строительные материалы и конструкции подразделяют на три группы:
несгораемые – под действием источника возгорания (огня, высокой температуры), не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (например, бетон, железобетон, кирпич и др;)
трудносгораемые – под действием источника возгорания трудно воспламеняются, тлеют или обугливаются и продолжают гореть или тлеть лишь при наличии источника возгорания. После удаления источника огня горение и тление прекращается. К трудносгораемым относятся гипсовые и бетонные изделия с органическими заполнителями, древесина, пропитанная огнестойкими составами, и др.;
сгораемые – под воздействием источника возгорания воспламеняется и продолжает гореть или тлеть после его удаления. Сгораемыми являются лесоматериалы, битум, рубероид, многие пластические материалы.
Возгораемость строительных конструкций определяется, как правило, возгораемостью материалов. Однако в ряде случаев возгораемость конструкций оказывается меньшей, чем возгораемость входящих в ее состав материалов.
Способность конструкций сопротивляться воздействию пожара во времени при сохранении своих эксплуатационных свойств называют огнестойкостью.
Огнестойкость конструкций характеризуется пределом огнестойкости, представляющим собой время, по истечении которого конструкция теряет несущую или ограждающую способность при пожаре.
По огнестойкости здания делят на 5 степеней, при этом с возрастанием степени уменьшается предел огнестойкости. Например, в зданиях 1 и 2 степеней огнестойкости все конструкции (стены, перекрытия, покрытия, перегородки) выполняют из несгораемых материалов с пределами огнестойкости от 0,25 до 4 ч.
В зданиях 3 степени стены выполняют из несгораемых материалов, перекрытия и перегородки – из трудносгораемых, а совмещенные покрытия – из сгораемых материалов. Здания 4 степени огнестойкости имеют стены и перекрытия из трудносгораемых, а совмещенные покрытия и перегородки из сгораемых материалов. В зданиях 5 степени все конструкции выполняют из сгораемых материалов.
Оценка пожарной, взрывной и взрывопожарной опасности производства .
Условия, способствующие возникновению и развитию пожара в производственных помещениях и определяющие возможные его масштабы и последствия, зависят от того, какие вещества используют, перерабатывают или хранят в данном здании или сооружении, а также от особенностей его конструктивно-планировочного решения.
В соответствии со строительными нормами и правилами производственные здания и складыпо взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности подразделяют на 6 категорий: А,Б,В,Г,Д,Е.
Категория А – взрывоопасные производства, связанные с применением горючих газов, нижний предел взрываемости которых 10% и менее объема воздуха; жидкостей стемпературой вспышки паров до 28*С включительно при условии, что указанные газы и жидкости могут образовывать взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5% объема помещения; веществ, способных взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом.
К категории А относятся производства, связанные с применением металлического натрия и калия, ацетона, сероуглерода, эфиров и спиртов (метилового и этилового и др.), а также окрасочные цехи, участки с наличием сжиженных газов. На ж.д. транспорте – это пункты и депо промывки и дегазации цистерн из-под легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), к которым относятся бензин, бензол, сырая нефть и т.п., склады для опасных грузов, малярные цехи, в которых применяют нитрокраски, лаки и растворители из ЛВЖ с температурой вспышки паров 28*С и ниже, и др.
Категория Б – взрывопожароопасные производства, связанные с применением горючих газов, нижний предел взрываемости которых более 10% объема воздуха; жидкостей с температурой вспышки паров от 28 до 61 *С включительно; жидкостей, нагретых в условиях производства до температуры вспышки и выше; горючих пылей и волокон, нижний предел взрываемости которых 65 г/м кубический и менее к объему воздуха при условии, что указанные газы, жидкости и пыли могут образовывать взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5% объема помещения. К этой категории относят цехи, участки, отделения вагонных, локомотивных, моторвагонных депо и цехи заводов с производством малярных работ и применением спиртовых лаков и красок с температурой вспышки поров от 28 до 61 *С включительно, склады и кладовые, указанных лаков и красок, склады дизельного топлива, насосные и сливные эстакады по переливу этого топлива, цехи ремонта тепловозов с промывкой топливных баков и др.
Категория В – пожароопасные производства, связанные с применением жидкостей с температурой вспышки паров выше 61 *С; горючих пылей или волокон, нижний предел взрываемости которых более 65 г/м кубический к объему воздуха; веществ, способных только гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом; твердых сгораемых веществ и материалов. Примерами производства этой категории являются смазочное хозяйство локомотивных и вагонных депо и заводов, масляное хозяйство тяговых подстанций, шпалопропиточные и шпалоремонтные заводы, склады лесоматериалов. тарные базы, билетные кассы, дома связи, библиотеки и т.д.
Категория Г – производства, связанные с обработкой несгораемых веществ и материалов в горячем, расплавленном или раскаленном состоянии, сопровождающейся выделением лучистого тепла, искр и пламени; твердых. жидких и газообразных веществ, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. К этой категории производств относят тепловозные депо, цехи горячей штамповки, заливочные, бандажные, тележечные, сварочные участки различных цехов, кузнечные цехи и др.
Категория Д – производства, связанные с обработкой несгораемых веществ и материалов в холодном состоянии. Сюда можно отнести цехи холодной обработки металлов, воздуходувные и компрессорные станции, электровозные депо и т.д.
Категория Е – взрывоопасные производства, связанные с применением горючих газов без жидкой фазы и взрывоопасной пыли в таком количестве, когда они могут образовывать взрывоопасные смеси в объеме. превышающем 5% объема помещения, и когда по условиям технологического процесса возможен только взрыв (без последующего горения); веществ, способных взрываться (также без последующего горения) при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом. Производствами категории Е являются аккумуляторные, участки и станции по производству ацетилена, помещения АТС, постов СЦБ и связи и др.
Различные по химическому составу твёрдые материалы и вещества горят неодинаково. Простые (сажа, древесный уголь, кокс, антрацит), представляющие собой химически чистый углерод, накаляются или тлеют без образования искр, пламени и дыма. Это объясняется тем, что они не нуждаются в разложении перед тем, как вступить в соединение с кислородом воздуха. Такое (беспламенное) горение обычно протекает медленно и называется гетерогенным (или поверхностным) горением. Горение сложных по химическому составу твёрдых горючих материалов (древесина, хлопок, каучук, резина, пластмасса и др.) протекает в две стадии: 1) разложение, процессы которого не сопровождаются пламенем и излучением света; 2) собственно горение, характеризующееся наличием пламени или тления. Таким образом, сложные вещества сами не горят, а горят продукты их разложения. Если они сгорают в газообразной фазе, то такое горение называют гомогенным .
Характерной особенностью горения химически сложных материалов и веществ является образование пламени и дыма. Пламя образуют светящиеся газы, пары и твёрдые вещества, в которых протекают обе стадии горения.
Дым представляет собой сложную смесь продуктов горения, содержащих в себе твёрдые частицы. В зависимости от состава горючих веществ, их полного или неполного сгорания дым имеет определённый цвет и запах.
Большинство пластмасс и искусственных волокон сгораемы. Они горят с образованием разжиженных смол, в значительном количестве выделяют окись углерода, хлористый водород, аммиак, синильную кислоту и другие токсичные вещества.
Сгораемые жидкости более пожароопасны, чем твёрдые горючие вещества, так как они легче воспламеняются, интенсивнее горят, образуют взрывчатые паровоздушные смеси. Сгораемые жидкости сами по себе не горят. Горят их пары, находящиеся над поверхностью жидкости. Количество паров и скорость их образования зависят от состава и температуры жидкости. Горение же паров в воздухе возможно только при определённых их концентрациях, зависящих от температуры жидкости.
Для характеристики степени пожарной опасности сгораемых жидкостей принято использовать температуру вспышки. Чем ниже температура вспышки, тем опаснее жидкость в пожарном отношении. Температура вспышки определяется по специальной методике и используется для классификации сгораемых жидкостей по степени их пожарной опасности.
Горючая жидкость (ГЖ) - это жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки более 61 °С. Легковоспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) - это жидкость, имеющая температуру вспышки до 61 °С. Самую низкую температуру вспышки (-50 ?С) имеет сероуглерод, самую высокую – льняное масло (300 ?С). Ацетон имеет температуру вспышки минус 18, этиловый спирт – плюс 13 ?С.
Для ЛВЖ температура воспламенения больше температуры вспышки обычно на несколько градусов, а для ГЖ на - 30…35 ?С.
Температура самовоспламенения значительно выше температуры воспламенения. Например, ацетон может самовоспламеняться при температуре более 500 ?С, бензин – около 300 ?С.
К другим важным свойствам (в пожарном отношении) сгораемых жидкостей следует отнести высокую плотность паров (тяжелее воздуха); малую плотность жидкостей (легче воды) и нерастворимость большинства из них в воде, что не позволяет применять для тушения воду; способность при движении накапливать статическое электричество; большую теплоту и скорость сгорания.
Горючие газы (ГГ) представляют большую опасность не только потому, что горят, но и потому, что способны образовывать взрывчатые смеси с воздухом или другими газами. Таким образом, все горючие газы являются взрывоопасными. Однако горючий газ способен образовывать взрывчатые смеси с воздухом только при определённой концентрации. Наименьшая концентрация горючего газа в воздухе, при которой уже возможно воспламенение (взрыв), называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ) . Наибольшая концентрация горючего газа в воздухе, при которой еще возможно воспламенение, называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ) . Область концентраций, лежащая внутри этих границ, называется областью воспламенения . НКПВ и ВКПВ измеряются в % к объёму горючей смеси. При концентрации горючего газа меньше, чем НКПВ и больше, чем ВКПВ смесь горючего газа с воздухом не воспламеняется. Горючий газ тем опаснее во взрывопожарном отношении, чем больше область воспламенения и ниже НКПВ. Например, область воспламенения аммиака 16…27 %, водорода 4…76 %, метана 5…16 %, ацетилена 2,8…9З %, окиси углерода 12,8…75 %. Таким образом, наибольшей взрывоопасностью обладает ацетилен, имеющий самую большую область воспламенения и самый низкий НКПВ. К другим опасным свойствам горючих газов относятся большая разрушительная сила взрыва и способность к образованию статического электричества при движении по трубам.
Горючие пыли образуются в процессе производства при обработке некоторых твёрдых и волокнистых материалов и представляют значительную пожарную опасность. Твёрдые вещества в сильно раздробленном и взвешенном состоянии в газообразной среде создают дисперсную систему. Когда дисперсной средой является воздух, такая система называется аэрозолью . Осевшую из воздуха пыль называют аэрогелем . Аэрозоли способны образовывать взрывчатые смеси, а аэрогели могут тлеть и гореть.
Пыли по пожарной опасности во много раз превосходят продукт, из которого они получены, так как пыль имеет большую удельную поверхность. Чем мельче частицы пыли, тем больше развита у неё поверхность и тем пыль опаснее в отношении воспламенения и взрыва, так как химическая реакция между газом и твёрдым веществом, как правило, протекает на поверхности последнего и скорость реакции увеличивается по мере увеличения поверхности. Например, 1 кг каменноугольной пыли может сгореть за доли секунды. Алюминий, магний, цинк в монолитном состоянии обычно не способны гореть, но в виде пыли они способны взрываться в воздухе. Алюминиевая пудра может самовозгораться в состоянии аэрогеля.
Наличие большой поверхности у пыли обусловливает её высокие адсорбционные способности. Кроме того, пыль обладает способностью приобретать заряды статического электричества в процессе её движения, из-за трения и ударов частиц одна о другую. При транспортировке пыли по трубопроводам накопленный ею заряд может возрастать и зависит от вещества, концентрации, размеров частиц, скорости движения, влажности среды и других факторов. Наличие электростатических зарядов может привести к образованию искр, воспламенению пылевоздушных смесей.
Однако пожаро- и взрывоопасные свойства пыли определяются главным образом по температуре её самовоспламенения и нижнему концентрационному пределу взрываемости.
В зависимости от состояния любая пыль имеет две температуры самовоспламенения: для аэрогеля и для аэрозоля. Температура самовоспламенения аэрогеля значительно ниже, чем аэрозоля, т.к. высокая концентрация горючего вещества у аэрогеля благоприятствует аккумуляции тепла, а наличие расстояния между пылинками у аэрозоля увеличивает потери тепла в процессе окисления при самовоспламенении. Температура самовоспламенения зависит также от степени измельчённости вещества.
Нижний концентрационный предел взрываемости (НКПВ) - это наименьшее количество пыли (г/м3) в воздухе, при котором происходит взрыв при наличии источника зажигания. Все пыли делят на две группы. К группе А относятся взрывоопасные пыли с НКПВ до 65 г/м3. В группу Б входят пожароопасные пыли, имеющие НКПВ выше 65 г/м3.
В производственных помещениях концентрация пыли обычно значительно ниже нижних пределов взрываемости. Верхние пределы взрываемости пыли настолько велики, что практически недостижимы. Так, концентрация верхнего предела взрыва сахарной пыли 13500, а торфяной - 2200 г/м3.
Воспламенившаяся мелкодисперсная пыль в состоянии аэрозоля может сгорать со скоростью горения газовоздушной смеси. При этом может повышаться давление в связи с образованием газообразных продуктов горения, объём которых в большинстве случаев превышает объем смеси, и вследствие их нагревания до высокой температуры, что тоже вызывает увеличение их объёма. Способность пыли взрываться и величина давления при взрыве во многом зависят от температуры источника воспламенения, влажности пыли и воздуха, зольности, дисперсности пыли, состава воздуха и температуры пылевоздушной смеси. Чем выше температура источника воспламенения, тем при более низкой концентрации пыль может взорваться. Увеличение влагосодержания воздуха и пыли уменьшает интенсивность взрыва.
О пожароопасных свойствах газов, жидкостей и твёрдых веществ можно судить по коэффициенту горючести К , который определяют по формуле (если вещество имеет химическую формулу или её можно вывести из элементарного состава)
K = 4C + 1H + 4S - 2O - 2CI - 3F - 5 Br ,
где С, Н, S, O, Cl, F, Br – количество атомов соответственно углерода, водорода, серы, кислорода, хлора, фтора и брома в химической формуле вещества.
При К? 0 вещество негорючее, при К > 0 – горючее. Например, коэффициент горючести вещества, имеющего формулу С5НО4, будет равен: К = 4·5+1·1-2·4=13.
Используя коэффициент горючести, можно достаточно точно определять нижние концентрационные пределы воспламенения горючих газов ряда углеводородов по формуле НКПВ = 44 / К .
Конспект по безопасности жизнедеятельности
Лекция 13
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Потребление жидкого топлива в мировом хозяйстве достигает б настоящее время гигантских масштабов и продолжает неуклонно расти. Это приводит к постоянному развитию нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Жидкое топливо превратилось в настоящее время в важнейшее стратегическое сырье, и это обстоятельство приводит к необходимости создания громадных его запасов. Обеспечение пожарной безопасности при добыче, транспортировке, переработке и хранении жидкого топлива является важнейшей задачей органов пожарной охраны .
Воспламенение жидкости
Важнейшим свойством жидкости является ее способность к испарению. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью ЛВЖ, ГЖ паровоздушную смесь. За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс - конденсация. Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:
где рнп - давление насыщенного пара, Па;
Qисп - теплота испарения - количество тепла, необходимое для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;
Т - температура жидкости, К.
Из (7.1) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально (рис. 7.1). Таким образом, для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором концентрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKJIB <ф п< ВКПВ
https://pandia.ru/text/80/195/images/image003_159.jpg" width="350" height="43 src=">
где Твс - температура вспышки (воспламенения), К;
Рвс - парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па;
п - количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего;
В - константа метода определения.
Распространение пламени по поверхности жидкости.
Анализ влияния условий горения на скорость распространения пламени
Свойство пламени к самопроизвольному распространению имеет место не только в случае горения смесей горючих газов с окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ. При локальном воздействии тепловым источником, например открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет скорость испарения и при достижении поверхностью жидкости температуры воспламенения в месте воздействия источника произойдет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое пламя, которое затем с определенной скоростью будет распространяться по поверхности холодной жидкости.
Что же является движущей силой распространения процесса горения и каков его механизм?
Распространение пламени по поверхности жидкости протекает в результате теплопередачи излучением, конвекцией и молекулярной теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.
Основную роль в этом по современным представлениям играет теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более 1000°С), способно, как известно, излучать тепловую энергию . Согласно закону Стефана-Больцмана, интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением:где ε - степень черноты,
σ - постоянная Стефана - Больцмана, = 2079 ´ 10-7 кдж/(м2 ч К4)
T ф, T ж - t факела и поверхности жидкости, К
Это тепло расходуется на испарение (q1 ) и прогрев (q11 ) жидкости в глубину.
Qф = q1 +q11 = r ´ r ´ W + r ´ U ´ (Tж - T0) ´ c, где
r - теплота испарения, кдж/г
r - плотность, г/см3
W - линейная скорость выгорания, мм/ч
U - скорость прогрева в глубину, мм/ч
T0 - начальная т-ра жидкости, К
с - удельная теплоёмкость жидкости, дж/(г К)
Максимальная температура жидкости равна t её кипения.
В установившемся процессе горения наблюдается равновесие между скоростью испарения и скоростью выгорания.
Верхний слой жидкости нагревается до более высокой температуры, чем нижние. Температура у стенок выше, чем в середине резервуара.
Таким образом, скорость распространения пламени по жидкости, т. е. путь, пройденный пламенем в единицу времени, определяется скоростью прогрева поверхности жидкости, под воздействием лучистого теплового потока от пламени, т. е. скоростью образования горючей паровоздушной смеси над зеркалом жидкости.
Вода резко снижает температуру кипения нефти, мазута. При горении нефти, содержащей воду, происходит вскипание воды, что приводит к переливанию горящей жидкости через борт резервуара (т. наз. вскипание горящей жидкости.
Над поверхностью же открытого резервуара концентрация паров по высоте будет различной: у поверхности она будет максимальной и соответствовать концентрации насыщенного пара при данной температуре, а по мере подъема над поверхностью постепенно снижается вследствие конвективного и молекулярного уноса (рис, 7.3).
Таким образом, над поверхностью зеркала жидкости в открытом резервуаре при любой начальной температуре жидкости выше, чем Тст , будет находиться область, в которой концентрация паров в воздухе будет стехиометрической. При температуре жидкости Т2 эта концентрация будет находиться на высоте Ну от поверхности жидкости, а при температуре Т3, большей Т2, - на расстоянии Н ^Зст. При температуре, близкой к температуре вспышки жидкости ТВ распространение пламени по поверхности жидкости будет равной скорости его распространения по смеси паров в воздухе, на НКПВ, т. е. З-4см/с. При этом фронт пламени будет расположен у поверхности жидкости. При дальнейшем увеличении начальной температуры скорость распространения пламени по жидкости будет возрастать аналогично изменению нормальной скорости распространения пламени по паровоздушной смеси с увеличением ее концентрации.
Лекция 14
Скорость выгорания жидкостей, влияющие факторы.
При определённой температуре, выше tвс, раз подожжённая жидкость продолжает гореть после удаления источника зажигания. Такая минимальная температура называется температурой воспламенения (tвос). Для ЛВЖ она выше tвс на 1-5 оС, для ГЖ - на 30-35 оС.
Линейная скорость выгорания - высота столба жидкости, выгорающая в единицу времени:
Массовая скорость выгорания - масса жидкости, выгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности:
Между линейной и массовой скоростями горения существует зависимость:(следует следить за размерностями величин и при необходимости вводить поправочный коэффициент).
Прогрев жидкости по глубине. Нагрев поверхности жидкости лучистым потоком от пламени сопровождается передачей тепла вглубь ее. Этот теплоперенос осуществляется в основном теплопроводностью и ламинарной конвекцией за счет движения нагретых и холодных слоев жидкости. Прогрев жидкости теплопроводностью осуществляется на небольшую глубину (2-5 см) и может быть описан уравнением вида
где Тх - температура слоя жидкости на глубине х, К;
Тк - температура поверхности (температура кипения), К; к - коэффициент пропорциональности, м-К
Этот тип температурного поля называется распределением температуры первого рода.
Ламинарная конвекция возникает в результате различной температуры жидкости у стенок резервуара и в его центре, а также вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении смесей. Дополнительная передача тепла от нагретых стенок резервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до более высокой температуры, чем в центре. Более нагретая у стенок жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее перегрева у стенок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способствует интенсивному перемешиванию и быстрому прогреву слоя жидкости на большую глубину. Образуется так называемый гомотермический слой, т. е. слой с практически постоянной температурой, толщина которого растет во времени горения. Такое температурное поле называют распределением температуры второго рода (рис. 7.7). Образование гомотермического слоя возможно также и в результате фракционной перегонки приповерхностных слоев смесей жидкостей, имеющих различную температуру кипения. По мере выгорания таких жидкостей приповерхностный слой обогащается более плотными высококипящими фракциями, которые опускаются вниз, способствуя тем самым конвективному прогреву жидкости.
Определяющее влияние перегрева жидкости у стенок резервуара на формирование гомотермического слоя подтверждают следующие экспериментальные данные. При горении бензина в резервуаре диаметром 2,64 мм без охлаждения стенок приводило к достаточно быстрому образованию гомотермического слоя. При интенсивном охлаждении стенок прогрев жидкости на глубину осуществлялся главным образом теплопроводностью и в процессе всего времени горения имело место распределение температуры первого рода. Установлено, что чем выше температура кипения жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло), тем труднее образуется гомотермический слой. При их горении температура стенок резервуара редко превышает температуру кипения. Однако при горении влажных высококипящих нефтепродуктов вероятность образования гомотермического слоя также высока. При прогреве стенок резервуара до 100°С и выше образуются пузырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают интенсивное перемешивание всей жидкости и быстрый прогрев вглубину. Возможность образования достаточно толстого гомотермического слоя при горении влажных нефтепродуктов чревата явлениями вскипания и выброса жидкости.
Исходя из рассмотренных выше представлений о механизме выгорания жидкости, проанализируем влияние некоторых факторов на массовую скорость.
Скорость выгорания зависит от: рода жидкости, температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости, скорости ветра.
Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. При увеличении диаметра скорость сначала снижается из-за нагрева от стенок, затем возрастает, т. к. ламинарное горение переходит в турбулентное и остаётся постоянным при диаметрах ³ 2 м.
При турбулентном горении ниже полнота горения (появляется копоть), увеличивается тепловой поток от пламени, быстрее отводятся пары, увеличивается скорость испарения.
При снижении уровня жидкости затрудняются процессы тепломассопереноса (отток продуктов горения, приток окислителя, пламя удаляется от поверхности жидкости), поэтому скорость горения падает и при определённом расстоянии жидкости от верхнего борта резервуара (критическая высота самотушения) горение становится невозможным. Критическая высота самотушения при Æ = 23 м равна 1 км (реальная высота резервуара= 12 м).
Оценив доли тепла от общего тепловыделения при горении жидкости, которая затрачивается на ее подготовку следует, что менее 2% от общего тепловыделения при горении жидкости затрачивается на поставку ее паров в зону горения. В момент установления процесса выгорания температура поверхности жидкости резко возрастает от температуры воспламенения до температуры кипения, которая в дальнейшем по мере выгорания остается неизменной. Однако это справедливо только для индивидуальных жидкостей. В процессе горения смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения (бензины, нефть и т. д.), происходит как бы их фракционная перегонка. Вначале происходит выход легкокипящих фракций, затем всех более высококипящих. Этот процесс сопровождается постепенным (квазистациоиарным) повышением температуры на поверхности жидкости. Влажное горючее может быть представлено как смесь двух жидкостей (горючее + вода), в процессе горения которых происходит их фракционная разгонка. Если температура кипения горючей жидкости меньше температуры кипения воды (100°С), то происходит преимущественное выгорание горючего, смесь обогащается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение прекращается. Если температура кипения жидкости больше 100°С, напротив, вначале преимущественно испаряется влага, концентрация ее снижается: скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до скорости горения чистого продукта (рис. 7.11).
Влияние скорости ветра. Как правило, с повышением скорости ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенсифицирует процесс смешения горючего с окислителем, повышая температуру пламени и приближая пламя к поверхности горения.
Все это повышает интенсивность теплового потока, поступающего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит к росту скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя может срываться, что приведет к прекращению горения. Так,- например, при горении тракторного керосина в резервуаре диаметром З"М наступал срыв пламени при достижении скорости ветра 22 м-с-1.
Влияние концентрации кислорода в атмосфере. Большинство жидкостей не способны к горению в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С повышением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания возрастает (рис. 7.12). В атмосфере, обогащенной кислородом, горение жидкости протекает с выделением большого количества сажи в пламени и наблюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпонентных жидкостей (бензин, керосин и т. п.) температура поверхности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде возрастает (рис. 7.13).
Повышение скорости выгорания и температуры поверхности жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем.
За последнее десятилетие возрос резервуарный парк хранения нефти и нефтепродуктов, построено значительное количество подземных железобетонных резервуаров объемом 10, 30 и 50 тыс. м 3 , металлических наземных резервуаров объемом 10 и 20 тыс. м 3 , появились конструкции резервуаров с понтонами и плавающими крышами объемом 50 тыс. м 3 , в Тюменской области построены резервуары объемом 50 тыс. м на свайном основании.
Развиваются и совершенствуются средства и тактика тушения пожаров нефти и нефтепродуктов.
Резервуарные парки разделяются на 2 группы.
Первая - сырьевые парки нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов; базы нефти и нефтепродуктов. Эта группа разделяется на 3 категории в зависимости от вместимости парка, тыс. м 3 .
Св. 100............................................ 1
20-100.................................... 2
До 20............................................... 3
Вторая группа - это резервуарные парки, которые входят в состав промышленных предприятий, объем которых составляет для подземных резервуаров с ЛВЖ 4000 (2000), для ГЖ 20 000 (10 000) м 3 . В скобках приведены цифры для наземных резервуаров.
Классификация резервуаров. По материалу: металлические, железобетонные. По расположению: наземные и подземные. По форме: цилиндрические, вертикальные, цилиндрические горизонтальные, шаровые, прямоугольные. По давлению в резервуаре: при давлении, равном атмосферному, резервуары оборудуют дыхательной аппаратурой, при давлении, выше атмосферного, т. е. 0,5 МПа,- предохранительными клапанами.
Резервуары в парках могут размещаться группами или отдельно.
Для ДВЖ общая вместимость
группы резервуаров с плавающей крышей или понтонами составляет не более 120, а со стационарными крышами - до 80 тыс. м 3 .
Для ГЖ вместимость группы резервуаров не превышает 120 000 м 3 .
Разрывы между наземными группами - 40 м, подземными - 15 м. Проезды шириной 3,5 м с твердым покрытием.
Противопожарное водоснабжение должно обеспечивать расход воды на охлаждение наземных резервуаров (кроме резервуаров с плавающей крышей) на весь периметр согласно СНиПу.
Запас воды на тушение должен быть на 6 ч для наземных резервуаров и 3 ч для подземных.
Канализация в обваловании рассчитывается на суммарный расход: подтоварной воды, атмосферной воды и 50 % расчетного расхода на охлаждение резервуаров.
Особенности развития пожаров. Пожары в резервуарах обычно начинаются со взрыва паровоздушной смеси в газовом пространстве резервуара и срыва крыши или вспышки «богатой» смеси без срыва крыши, но с нарушением целостности ее отдельных мест.
Сила взрыва, как правило, большая у тех резервуаров, где имеется большое газовое пространство, заполненное смесью паров нефтепродукта с воздухом (низкий уровень жидкости).
В зависимости от силы взрыва в вертикальном металлическом резервуаре может наблюдаться обстановка:
крыша срывается полностью, ее отбрасывает в сторону на расстояние 20-30 м. Жидкость горит на всей площади резервуара;
крыша несколько приподнимается, отрывается полностью или частично, затем задерживается в полупогруженном состоянии в горящей жидкости (рис. 12.11);
крыша деформируется и образует небольшие щели в местах крепления к стенке резервуара, а также в свар-
ных швах самой крыши. В этом случае горят пары ЛВЖ над образованными щелями. При пожаре в железобетонных заглубленных (подземных) резервуарах от взрыва происходит разрушение кровли, в которой образуются отверстия больших размеров, затем в процессе пожара может произойти обрушение покрытия по всей площади резервуара из-за высокой температуры и невозможности охлаждения их несущих конструкций.
У цилиндрических горизонтальных, сферических резервуаров при взрыве чаще всего разрушается днище, в результате чего жидкость разливается на значительную площадь, создается угроза соседним резервуарам и сооружениям.
Состояние резервуара и его оборудования после возникновения пожара определяет способ тушения и
Взрыво- и пожароопасность веществ зависит от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые), физико-химических свойств, условий хранения и применения.
Основными показателями, характеризующими пожарную опасность горючих газов являются концентрационные пределы воспламенения, энергия зажигания, температура горения, нормальная скорость распространения пламени и др.
Горение смеси газа с воздухом возможно в определенных пределах, называемых концентрационными пределами воспламенения. Минимальные и максимальные концентрации горючих газов в воздухе, способные воспламеняться, называются соответственно нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения.
Энергия зажигания определяется минимальной энергией искры электрического разряда, воспламеняющей данную газовоздушную смесь. Величина энергии зажигания зависит от природы газа и концентрации. Энергия зажигания является одной из основных характеристик взрывоопасных сред при решении вопросов обеспечения взрывобезопасности электрооборудования и разработке мероприятий по предупреждению образования статического электричества.
Температура горения - это температура продукта химической реакции при горении смеси без тепловых потерь. Она зависит от природы горючего газа и концентрации его смеси. Наибольшая температура горения для большинства горючих газов составляет 1600-2000 °С.
Нормальной скоростью распространения пламени называется скорость, с которой движется граничная поверхность между сгоревшей и несгоревшей частями смеси относительно несгоревшей. Численно нормальная скорость пламени равна количеству (объему) горючей смеси, выгорающей на единице площади пламени в единицу времени. Нормальная скорость пламени зависит от природы газа и концентрации его смеси. Для большинства горючих газов нормальная скорость пламени находится в пределах 0,3-0,8 м/с.
Нормальная скорость пламени является одной из основных физико-химических характеристик, определяющих свойства смеси, и определяющих скорость сгорания и соответственно время взрыва. Чем больше нормальная скорость пламени, тем меньше время взрыва и тем более жесткие его параметры.
Горение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей происходит только в паровой фазе . Горение паров в воздухе, также как и газов, возможно и в определенном диапазоне концентраций. Так как Максимально возможное содержание пара в воздухе не может быть больше, чем в состоянии насыщения, то концентрационные пределы воспламенения могут быть выражены через температуру. Значения температуры жидкости, при которых концентрация насыщенных паров в воздухе над жидкостью равна концентрационным пределам воспламенения, называется температурными пределами воспламенения (нижним и верхним соответственно).
Таким образом, для воспламенения и горения жидкости необходимо, чтобы жидкость была нагрета до температуры, не меньшей, чем нижний температурный предел воспламенения. После воспламенения скорость испарения должна быть достаточной для поддержания постоянного горения. Эти особенности горения жидкостей характеризуются температурами вспышки и воспламенения.
Температурой вспышки называется наименьшее значение температуры жидкости, при которой над ее поверхностью образуется паровоздушная смесь, способная вспыхивать от постороннего источника зажигания. При этом устойчивого горения жидкости не возникает.
По температуре вспышки жидкости делятся на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ),. температура вспышки которых не превышает 45 °С (спирты, ацетон, бензин и др.) и горючие (ГЖ), температура вспышки которых более 45 °С (масла, мазуты, глицерин и др.).
Температурой воспламенения называется наименьшее значение температуры жидкости, при которой интенсивность испарения ее такова, что после зажигания внешним источником возникает самостоятельное пламенное горение. Для ЛВЖ температура воспламенения обычно на 1-5 °С выше температуры вспышки, а для ГЖ эта разница может достигать 30-35 °С.
Паровоздушные смеси, также как и газовоздушные, являются взрывоопасными. Их взрывоопасность характеризуется параметрами, определяющими взрывоопасность газовоздушных смесей, - энергией зажигания, температурой горения, нормальной скоростью распространения пламени и др.
Пожарная опасность твердых горючих веществ и материалов характеризуется теплотворной способностью 1 кг вещества, температурами горения, самовоспламенения и воспламенения, скоростью выгорания и распространения горения по поверхности материалов.
Пожаро- и взрывоопасные свойства пылей определяются концентрациями пылевоздушной смеси, наличия источника зажигания с достаточной тепловой энергией, размера пылинок и др.
Мелкие частицы твердых горючих веществ размеров 10~5-10~7 см могут долгое время находиться в воздухе во взвешенном состоянии, образуя дисперсную систему - аэровзвесь. Для воспламенения аэровзвеси необходимо, чтобы концентрация пыли в воздухе была не менее нижнего концентрационного предела воспламенения. Верхний концентрационный предел воспламенения пылевоздушной смеси в большинстве случаев является очень высоким и трудно достижимым (для торфяной пыли - 2200 г/м3, сахарной пудры - 1350 г/м3).
Тепловая энергия источника зажигания для воспламенения пылевоздушной смеси должна быть порядка нескольких МДж и более.
В зависимости от значения нижнего концентрационного предела воспламенения пыли подразделяются на взрывоопасные и пожароопасные. К взрывоопасным относятся пыли с нижним концентрационным пределом воспламенения до 65 г/м3 (пыль серы, сахара, муки), а пожароопасным - пыли с нижним пределом воспламенения выше 65 г/м3 (табачная и древесная пыль).
Пожарную опасность веществ и материалов характеризуют; и такие свойства как склонность некоторых веществ и материалов к электризации и самовозгоранию при соприкосновении с воздухом (фосфор, сернистые металлы и др.). водой (натрий, калий, карбид кальция и др.) и друг с другом (метан + хлор, азотная кислота + древесные опилки и т.д.).
Пожарная опасность негорючих веществ и материалов определяется температурой, при которой они обрабатываются, возможностью выделения искр, пламени, лучистого тепла, а также потерей несущей способности и разрушением.