Расчёт минимальной флегматизирующей концентрации и минимального взрывоопасного содержания кислорода

Область воспламенения горючей смеси сужается при в ведении в неё негорючих компонентов – так называемых флегматизаторов, чаще всего инертных негорючих газов (диоксида углерода, азота, аргона, гелия, паров воды).

Изменение КПРП при этом зависит от природы и концентрации негорючего вещества, используемого в качестве флегматизатора. Влияние флегматизаторов на КПРП зависит от тепловых характеристик газов – теплоёмкости и теплопроводности. Чем выше теплоёмкость газа при одной и той же теплопроводности, тем выше эффективность его действия.

При увеличении концентрации флегматизатора в горючей смеси ВКПРП уменьшается, а НКПРП, как правило, незначительно увеличивается. При некоторой определённой для каждого флегматизатора концентрации нижний и верхний концентрационные пределы сливаются (рис. 1). Эта точка называется экстремальной точкой области распространения пламени или точкой флегматизации. Концентрация флегматизатора, при которой происходит слияние нижнего и верхнего пределов, называется минимальной флегматизирующей концентрацией (МФК) – наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя. По сути МФК - это минимальное количество флегматизатора, которое необходимо ввести в газовоздушную смесь стехиометрического состава, чтобы сделать её негорючей.

Рис. 1. Зависимость концентрационных пределов распространения пламени от концентрации флегматизатора в газовоздушной смеси.

Максимальную флегматизирующую концентрацию можно рассчитать исходя из того, что адиабатная температура горения смеси стехиометрического состава не может быть меньше 1500 К.

Уравнение для расчёта адиабатной температуры горения стехиометрической смеси, содержащей флегматизатор, имеет вид:

, (41)

где Vпг_i – объём i – го продукта горения, моль/моль;

V_ф – объём флегматизатора, моль/моль.

Тогда объём флегматизатора будет равен:

, (42)

а его минимальная флегматизирующая концентрация в стехиометрической смеси составит:

(43)

Концентрация горючего в смеси, соответствующая точке флегматизации, рассчитывается по уравнению:

(44)

Концентрация кислорода в этой же смеси (в точке флегматизации) называется минимальным взрывоопасным содержанием кислорода (МВСК) - такая концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, меньше которой распространение пламени в горючей смеси становится невозможным при любой концентрации горючего в смеси, разбавленной данным флегматизатором.

МВСК рассчитывается по формуле:

(45)

Значения МВСК для некоторых газовоздушных смесей приведены в табл. III.

Безопасная концентрация кислорода принимается с некоторым запасом и рассчитывается по формуле:

j_О2без = 1,2j_О2ф – 4,2 (46)

Пример: Определить значение МФК и безопасную концентрацию кислорода при разбавлении пропановоздушной смеси водяным паром. Построить зависимость концентрационных пределов распространения пламени от концентрации флегматизатора.

Решение:

Минимальную флегматизирующую концентрацию находим из условия минимальной адиабатной температуры горения стехиометрической пропановоздушной смеси, где Т_г = 1500 К.

Низшая теплота сгорания пропана Q_н = 2049 кДж/моль (см табл. III приложения).

Согласно уравнению материального баланса

С₃Н₈ + 5 (О₂ + 3,76 N₂) = 3СО₂ + 4Н₂О + 5 * 3,76 N₂

VCO₂ = 3 моль/моль; VН₂О = 4 моль/моль; VN₂ = 5*3,76 моль/моль.

Значения теплоёмкостей можно взять в табл. 17. Объем флегматизатора в предельной по горючести стехиометрической смеси составит:

моль/моль

Минимальная флегматизирующая концентрация паров воды составит:

Концентрация горючего в точке флегматизации:

КПРП пропана в воздухе равны 2,37 – 9,5 об. %. По полученным данным строим зависимость КПРП от концентрации флегматизатора (рис.2.).

Рис.2. Зависимость КПРП пропана от концентрации флегматизатора (водяной пар)

МВСК (концентрация кислорода в точке флегматизации):

Значение безопасной концентрации кислорода для пропановоздушной смеси с водяным паром составит:

j_О2без = 1,2j_О2ф – 4,2 = 1,2 9,2 – 4,2 = 6,8 %