Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow БЖД arrow ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Посмотреть оригинал

Взрывы газопаровоздушных и пылевоздушных смесей в закрытом помещении и открытом пространстве

Взрывы газопаровоздушных смесей

Взрывы газопаровоздушных смесей (ГПВС) могут происходить как в замкнутом, гак и открытом пространствах, в то время как взрывы пылевоздушных смесей (ПВС) происходят только в закрытых помещениях.

Замкнутым пространством являются:

  • — помещения (здания). В них взрыв возникает в результате утечки газа из элементов оборудования;
  • — емкости: резервуары, газгольдеры, цистерны, грузовые отсеки танкеров — для хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ;
  • — шахты. В них взрывы смесей горючих газов с воздухом дают тяжелые последствия.

Взрывы ГПВС в открытом пространстве — это взрывы, возникающие в результате разрушений газопроводов, разлива сжиженного горючего газа и его испарения с переходом в детонацию. Известно большое число аварийных взрывов резервуаров с большим количеством сжиженного горючего газа, сопровождавшихся образованием осколочного поля.

В зависимости от давления Р и температуры Т вещество может находиться в различных агрегатных состояниях (рис. 5.12). Для сжижения газов их охлаждают и сжимают до получения параметров, соответствующих жидкой фазе, которые в общем случае отличаются от давления и температуры окружающей среды. Участок кривой ЛВ соответствует условию равновесия двух фаз — жидкости и пара (линия насыщенного пара). Тройная точка А соответствует одновременному равновесию грех фаз. В критической точке В пропадает граница между жидкостью и паром: при Т> Гкр вещество находится в газообразном состоянии независимо от давления. Резкой границы между паром и газом провести нельзя. Поэтому оба эти состояния для краткости обозначаются как ГПВС. Сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны, находящиеся в сосудах, резервуарах и другом технологическом оборудовании под сверхатмосферным давлением при температуре, выше или равной температуре окружающей среды, являются перегретыми жидкостями.

В теплоизолированных («изотермических») сосудах и резервуарах при отрицательных температурах хранят сжиженные газы (метан, азот, кислород), которые называют криогенными веществами. Критическая температура таких

Диаграмма состояния вещества

Рис. 5.12. Диаграмма состояния вещества:

А — тройная точка; В — критическая точка веществ значительно ниже температуры окружающей атмосферы.

Вещества другой характерной группы (пропан, бутан, аммиак, хлор) хранят в жидком состоянии под давлением в однослойных сосудах и резервуарах при температуре окружающей среды

В. Маршал классифицировал вещества по их расположению в зонах диаграммы состояния следующим образом:

  • 1- я категория. Вещества с критической температурой ниже температуры среды — криогенные вещества: сжиженный природный газ (СП Г), содержащий в основном метан, азот, кислород;
  • 2- я категория. Вещества с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем температура окружающей среды — сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан, аммиак, хлор. Их особенностью является «мгновенное» (очень быстрое) испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся части до точки кипения при атмосферном давлении;
  • 3- я категория. Жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и точка кипения выше температуры окружающей среды, — это вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии. К ним относятся также некоторые вещества 2-й категории, например бутан в холодную погоду и этиленоксид в жаркую;
  • 4- я категория. Вещества, содержащиеся при повышенных температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости) под давлением и при температуре, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении.

Скорость испарения разлитых жидкостей 3-й категории зависит от летучести, температуры внешней среды и скорости ветра.

В табл. 5.8 представлены критические параметры некоторых веществ.

Таблица 5.8

Критические параметры некоторых веществ

Вещество

ТКШ1 при давлении 0,1 МПа, °С

ТкрГС

Ркр, МПа

Водород

-252,0

-240,0

1,28

Кислород

-183,0

-118,0

5,05

Этилен

-103,0

9,5

5,02

Окончание табл. 5.8

Вещество

Гкип при давлении ' 0,1 МПа, “С

ГКр.“С

Ркр, МПа

Пропан

-42,17

96,8

4,21

Хлор

-34,5

144,0

7,70

Аммиак

-33,35

132,4

11,30

Изобутан

-11,7

133,7

-

Диоксид углерода

-78,52

31,0

Вода

+ 100

374,0

21,8

При полном разрушении емкостей с криогенными жидкостями и веществами 2-й категории происходят их вскипание с быстрым испарением, выброс в атмосферу и образование облака газопаровоздушной смеси.

При аварийном вскрытии емкостей с негорючей или горючей перегретыми жидкостями происходит взрыв, сопровождающийся выбросом осколков, обладающих сильным поражающим действием.

Наличие источника зажигания может вызвать воспламенение облака ГПВС. При этом возможен переход дозвукового дефлаграционного режима с ускоряющимся пламенем к детонационному сверхзвуковому.

Огненный шар без детонации возникает обычно при горении ГПВС, переобогащенной топливом, а также при горении состава, близкого к стехиометрическому.

Переходу к детонации способствуют различные препятствия на пути распространения пламени, вызывающие тур- булизацию (строения, предметы, пересеченная местность).

Сферическая детонационная волна может образоваться в ГПВС от слабого энергетического источника, если размер облака превышает некоторый критический диаметр и при определенных концентрациях смеси. В табл. 5.9 представлены минимальная энергия Етт инициирования некоторых ГПВС, наиболее чувствительных к детонации с объемной концентрацией С топлива, и минимальные диаметры облака dmin, способного детонировать. В табл. 5.10 представлены концентрационные пределы (КП) детонации и воспламенения ГПВС в открытом пространстве и замкнутых объемах.

Таблица 5.9

Объемная концентрация, минимальная энергия инициирования и диаметр облака веществ, способных детонировать

Вещество

С, об.%

Дж

^min» М

Ацетилен

12,5

1.3-102

3,12

Водород

29,6

4,2-106

109,6

Пропан

5,7

2,5-106

85,8

Пропилен

6,6

7,6-105

58,5

Этан

5,7

5,1-10е

109,6

Этилен

9,5

1.2-105

31,2

Метан

12,3

2,3-108

398,0

Детонация смеси водорода с воздухом происходит при инициировании взрывом всего одним граммом тротила, что меньше, чем требуется для инициирования взрывов углеводородов, в том числе и метана.

Статистика 150 аварий в России показывает, что в 42,5% случаев взрывов облаков ГПВС участвовали углеводородные газы; 15,5% — пары легковоспламеняющихся жидкостей; 18,0% — водород; 5,3% — пыль органических продуктов. Аварийные взрывы конденсированных нестабильных веществ составили 12,0%. В 30 случаях при авариях происходили выбросы значительных масс токсичных веществ: хлора — в 17 случаях, аммиака — в 11 случаях, оксидов углерода и азота — в двух случаях.

Из 150 крупных взрывов 84 произошли в технологической аппаратуре, 66 — в атмосфере. В 73 случаях взрывы привели к серьезным разрушения зданий, сооружений и различного оборудования промышленных предприятий.

Таблица 5.10

Концентрационные пределы воспламенения и детонации некоторых веществ

Вещество

(ГПВС)

Концентрационные пределы, %

детонации

воспламенения

в открытом пространстве

в замкнутом объеме

нижний

верхний

нижний

верхний

нижний

верхний

Ацителеи

-

-

4,2

50,0

2,5

80,0

Бутан

2,5

5,2

1,98

6,18

1,8

8,4

Окончание табл. 5.10

Вещество

(ГПВС)

Концентрационные пределы, %

детонации

воспламенения

в открытом пространстве

в замкнутом объеме

нижний

верхний

нижний

верхний

нижний

верхний

Водород

-

-

18,3

58,9

4,0

75,0

Пропан

3,0

7,0

2,57

7,37

2,1

9,5

Пропилен

3,5

8,5

3,55

10,40

2,4

11,0

Этан

4,0

9,2

2,87

12,2

3,0

12,4

Этилен

-

-

3,32

14,7

2,7

36,0

Бензол

-

-

1,6

5,55

1,3

7,9

Ксилол

-

-

-

-

1,1

6,4

Циклогексан

-

-

-

-

0,57

7,8

Метан

-

-

-

-

5,0

15,0

Аммиак

-

-

-

-

15,5

27,0

Оксид углерода

-

-

-

-

12,5

74,2

Аналогичные данные имеются в Великобритании. Так, из общего числа аварий с выбросами и образованием облаков ГПВС в 40% случаев облака состояли из углеводородов с тремя или четырьмя атомами углерода. Взрывы пропана, бутана и их смеси, а также сжиженного нефтяного газа были причиной аварий в 3 раза чаще, чем взрывы паров бензина. С учетом объемов выработки этих продуктов промышленностью получается, что вероятность аварий, связанных с углеводородами, примерно в 30 раз больше, чем с бензином (в расчете на 1 т продукта). Что касается метана, широко используемого в промышленности, то этот продукт в открытом пространстве взрывается весьма редко, поскольку он нс образует стабильных облаков вблизи поверхности земли. Его детонация возможна, если он был разлит в ограниченном объеме и воспламененился, а также при инициировании взрывом заряда ВВ.

Детонационная волна в газах является ударной волной, сопровождаемой волной горения. В отличие от дефлаграционного, причиной данного процесса становится разогрев газа ударной волной до температуры, обеспечивающей высокую скорость реакции и распространение пламени со скоростью ударной волны.

Учитывая высокую скорость детонации (тысячи метров в секунду) сформировавшееся при быстром испарении облако ГПВС с целью расчета считают неизменным за весь период распространения фронта волны до внешней границы облака, схематизируемого полусферой радиуса г0 с центром на поверхности грунта (рис. 5.13), совмещенным с источником инициирования. Давление на фронте детонационной волны в газовых смесях может достигать 2 МПа, а в результате многократных отражений от конструкции в помещения доходить до 10 МПа.

Схема взрыва ГПВС и изменение давления АР в зависимости от расстояния г до центра облака

Рис. 5.13. Схема взрыва ГПВС и изменение давления АР в зависимости от расстояния г до центра облака:

  • 1 — область облака ГПВС с радиусом г0; 2 — зона разлета продуктов детонации и воздушной ударной волны
  • (г> г0); 3 — ГПВС; 4 — изменение давления при взрыве конденсированного ВВ

Параметры детонационной волны в процессе распространения в пределах облака существенно не меняются. При выходе за пределы границы облака расширяющиеся продукты детонации (ПД) возбуждают воздушную ударную волну.

Поскольку при выбросах не все количество жидкого продукта переходит в облако, при расчете массы продукта используют коэффициент k < 1.

Для расчета поражающего действия взрывов ГПВС определяют параметры детонационной волны расширяющихся ПД и воздушной ударной волны.

Начальный радиус г0, полусферического облака ГПВС в зависимости от его объема определяют по формуле

Поскольку согласно закону Авогадро 1 моль идеального газа занимает объем Vx = 22,4 м3, то расчет объема облака для газовой смеси стехиометрического состава с объемной концентрацией Сстх и молярной массой рг горючего компонента массы тг можно производить по формуле

где k равен: 1 — для газов при атмосферном давлении; 0,5 — для газов, сжиженных под давлением; 0,02—0,07 — при растекании легковоспламеняющихся жидкостей.

При взрыве детонационная волна распространяется со скоростью

где U — удельная теплота взрыва, Дж/кг; устх — коэффициент, имеющий значения 1,25—1,26 (табл. 5.11).

Таблица 5.11

Свойства газопаровоздушных смесей, способных к детонации

Вещество

W

"л»

м/с

Рстх»

кг/м3

Ц. стх»

МДж/кг

стх.

МДж/м3

Устх

Mr

кг/моль

Цгтх»

об.%

ар2,

МПа

Газовоздушные смеси

Аммиак

1630

1,180

2,370

2,791

1,248

17

19,72

1,29

Ацетилен

1990

1,278

3,387

4,329

1,259

26

7,75

2,14

Бутан

1840

1,328

2,776

3,684

1,270

58

3,13

1,88

Бутилен

1840

1,329

2,892

3,843

1,260

56

3,38

1,89

Винилхлорид

1710

1,400

2,483

3,980

1,260

63

7,75

1.71

Водород

1770

0,933

3,425

3,195

1,248

2

29,59

1,20

Дивинил

1870

1,330

2,962

3,967

1,260

54

3,68

1,96

Окончание табл. 5.11

Вещество

"/д.

м/с

Рстх»

кг/м3

ТГ

^ М. СТХ’

МДж/кг

СТХ,

МДж/м3

Устх

Мр

кг/моль

Отх>

об.%

ДР„ МПа

Метан

1750

1,232

2,763

4,404

1,256

16

9,45

1,57

Оксид

углерода

1840

1,280

2,930

3,750

1,256

28

29,59

1,82

Пропан

1850

1,315

2,801

3,676

1,257

44

4,03

1,89

Пропилен

1840

1,314

2,922

3,839

1,259

42

4,46

1,87

Этан

1800

1,250

2,797

3,496

1,257

30

5,66

1,69

Этилен

1880

1,285

3,010

3,869

1,259

28

6,54

1,91

Паровоздушные смеси

Ацетон

1910

1,210

3,112

3,766

1,259

42

4,99

1,85

Бензин

авиационный

1,350

2,793

3,770

94

2,1

Бензол

1860

1,350

2,937

3,966

1,261

78

2,84

1,96

Гексан

1820

1,340

2,797

3,748

1,261

86

2,16

1,86

Дихлорэтан

1610

1,490

2,164

3,224

1,265

99

6,54

1,60

Диэтило- вый эфир

1830

1,360

2,840

3,862

1,261

74

3,38

1,91

Ксилол

1820

1,355

2,830

3,834

1,259

106

1,96

1,89

Метанол

1800

1,300

2,834

3,696

1,253

32

12,30

1.77

Пентан

1810

1,340

2,797

3,748

1,258

72

2,56

1,845

Толуол

1830

1,350

2,843

3,838

1,260

92

2,23

1,90

Циклогексан

1770

1,340

2,797

3,748

1,248

84

2,28

1,77

Время полной детонации облака определяется по формуле

а значение импульса при г < г0 — по формуле

где т.г — тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГПВС:

т = Рстх^О — масса облака горючего; Ur удельная теплота взрыва тротила (4,2-106 Дж/кг).

Максимум избыточного давления на фронте детонационной волны составляет

Через малый промежуток времени т давление в детонационной волне уменьшается в 2 раза (ДР2 = 0,5ДР,). Это время (десятки микросекунд) равно длительности химической реакции в зоне: переход}' от адиабаты исходного вещества к адиабате продуктов реакции.

Зависимость избыточного давления от времени для детонационной волны на расстоянии г < г0 от центра взрыва может быть представлена в виде

где 0 — эффективное время действия, с.

При наличии плоской вертикальной преграды давление нормального отражения при г < г0 составляет ДРотр = 2,5АР2.

Характеристики распространения ГПВС приведены в табл. 5.11.

Параметры ударной волны на расстояниях, превышающих начальный размер облака (г > гн), определяют по формулам, аппроксимирующим численное решение задачи о детонации пропано-воздушной смеси. Существуют универсальные зависимости максимума избыточного давления А/ф1ах и удельного импульса / от расстояния до центра взрыва:

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы