Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) и факторы, на них влияющие

Ранее отмечалось, что для возникновения и распространения процесса горения необходимо наличие горючего, окислителя и высокотемпературного источника зажигания.

В химическую реакцию окисления могут вступать лишь молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударений превышает энергию активации. Для этого нужно, чтобы молекулы горючего и окислителя встретились в системе, и произошло их соударение. При этом возможны три вида соударений молекул:

- окислитель - окислитель;

- горючее - горючее;

- окислитель - горючее.

Только в третьем случае вид соударений является эффективным, т.к. протекает с выделением тепла. Но для того, чтобы выделившегося тепла было достаточно для дальнейшего развития химической реакции, необходимо и определенное соотношение концентраций горючего и окислителя. Самые благоприятные условия для развития химической реакции будут тогда, когда соотношение горючего и окислителя будет соответствовать стехиометрической концентрации. Будут существовать также и такие концентрации горючего и окислителя (больше или меньше стехиометрической концентрации), когда протекание химической реакции невозможно, т.е. процесс горения не будет развиваться.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси (горючее вещество - окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Если рассмотрим процесс воспламенения газовоздушной смеси в пределах концентраций горючего от 0 до 100 %, то увидим, что смесь является взрывопожароопасной не при всех концентрациях (рис. 18.10).

Рис. 6.1. Зависимость давления в системе горючее – окислитель от концентрации горючего: I – область безопасных концентраций; II – область воспламенения (взрывопожароопасная область); III – область пожароопасных концентраций

Все смеси горючего с концентрациями от 0 до НКПВ не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания - это область безопасных концентраций. В пределах от НКПВ до ВКПВ смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси – это область воспламенения. Область концентраций выше ВКПВ, вплоть до 100 %, называется пожароопасной.

Значение НКПВ используют при определении категорий производств по пожаровзрывоопасности.

Значение НКПВ и ВКПВ следует применять при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальным источником зажигания.

Существуют экспериментальные и расчетные методы определения КПВ.

НКПВ паро- и газовоздушных смесей рассчитывают по предельной теплоте сгорания. Установлено, что количество тепла, выделяющееся при горении смесей на НКПВ, представляет собой почти для всех горючих веществ примерно постоянную величину и равную в среднем 1830 кДж/м³.

Из выражения для определения предельной теплоты горения

Q_пр = (Q_н j_н) /100 можно определить нижний концентрационный предел:

j_н = (Q_пр × 100)/Q_н , % об.

Влияние различных факторов на КПВ:

а) мощность (температура) источника воспламенения

б) начальная температура смеси

в) давление смеси

г) нейтральные газы и ингибиторы

д) объем и диаметр сосуда

При уменьшении объема сосуда уменьшается его диаметр, увеличивается поверхность теплоотдачи, приходящаяся на единицу объема смеси. Для каждой газовой смеси существует минимальный объем и диаметр, ниже которых при любом составе смеси зажигание и распространение пламени невозможно.