Combustão de misturas de gás e vapor-ar. Explosão, detonação. Exame: Teoria da combustão e explosão Método de determinação experimental das condições de combustão espontânea térmica de sólidos e materiais

1 O método consiste em determinar os limites superiores para a taxa máxima e média de aumento da pressão da explosão de misturas de gás e vapor-ar em um vaso de reação esférico de volume constante.

O limite superior para a taxa máxima de aumento de pressão em kPa s -1 é calculado pela fórmula

Onde p eu- pressão inicial, kPa;

S e. eu- velocidade normal de propagação da chama à pressão e temperatura iniciais, m·s -1 ;

uma- raio do vaso de reação esférico, m;

Pressão máxima de explosão adimensional;

R  - pressão máxima absoluta de explosão, kPa;

 e- índice adiabático para a mistura em estudo;

 é um expoente termocinético em função da velocidade normal de propagação da chama em função da pressão e da temperatura. Se o valor  desconhecido, é tomado igual a 0,4.

O limite superior para a taxa média de aumento de pressão em kPa s -1 é calculado pela fórmula

, (98)

onde é uma função dos parâmetros  e ,  e ,  , cujos valores são encontrados usando os nomogramas mostrados na Fig. 26 e 27.

Valores  e e  e são encontrados por cálculo termodinâmico ou, em caso de impossibilidade de cálculo, são tomados iguais a 9,0 e 1,4, respectivamente.

O erro quadrático médio relativo de cálculo pelas fórmulas (97) e (98) não excede 20%.

2. A taxa máxima de aumento na pressão de explosão de misturas de gás e vapor-ar para substâncias consistindo de átomos C, H, O, N, S, F, Cl é calculada pela fórmula

, (99)

Onde V- volume do recipiente de reação, m 3 .

O erro quadrático médio relativo de cálculo pela fórmula (99) não excede 30%.

Método para determinação experimental das condições de combustão espontânea térmica de substâncias e materiais sólidos

1. Hardware.

O equipamento para determinar as condições de combustão espontânea térmica inclui os seguintes elementos.

1.1. Termostato com capacidade da câmara de trabalho de pelo menos 40 dm 3 com termostato que permite manter uma temperatura constante de 60 a 250 ° C com um erro não superior a 3 ° C.

1.2. Cestos de metal resistente à corrosão de formato cúbico ou cilíndrico de 35, 50, 70, 100, 140 e 200 mm de altura (10 peças de cada tamanho) com tampas. O diâmetro do cesto cilíndrico deve ser igual à sua altura. A espessura da parede do cesto é (1,0 ± 0,1) mm.

1.3. Transdutores termoelétricos (não inferiores a 3) com um diâmetro máximo de junção de trabalho não superior a 0,8 mm.

2. Preparação para o teste.

2.1. Realize um teste de calibração para determinar a correção ( t T) às leituras de conversores termoelétricos 2 e 3 . Para fazer isso, uma cesta com uma substância não combustível (por exemplo, areia calcinada) é colocada em um termostato aquecido a uma determinada temperatura. Os conversores termoelétricos (Fig. 2) são instalados de tal forma que a junção de trabalho de um conversor termoelétrico está em contato com a amostra e está localizada em seu centro, o segundo está em contato com o lado externo da cesta, o terceiro um está a uma distância de (30 ± 1) mm da parede do cesto. As junções de trabalho de todos os três conversores termoelétricos devem estar localizadas no mesmo nível horizontal, correspondendo à linha média do termostato.

1 , 2 , 3 - junções de trabalho de conversores termoelétricos.

Uma cesta com uma substância incombustível é mantida em um termostato até que se estabeleça um regime estacionário, no qual as leituras de todas as

transdutores por 10 minutos permanecem inalterados ou flutuam com uma amplitude constante em torno das temperaturas médias t 1 , t 2 , t 3 . Alteração  t T é calculado pela fórmula

, (100)

2.2. As amostras para ensaio devem caracterizar as propriedades médias da substância de ensaio (material). Ao testar o material em folha, ele é coletado em uma pilha correspondente às dimensões internas da cesta. Em amostras de materiais monolíticos, um furo com diâmetro de (7,0 ± 0,5) mm é pré-perfurado ao centro para um conversor termoelétrico.

O movimento da chama através da mistura gasosa chamado de propagação da chama. Dependendo da velocidade de propagação da chama, a combustão pode ser deflagração a uma velocidade de vários m/s, explosiva - a uma velocidade da ordem de dezenas e centenas de m/s, e detonação - milhares de m/s.
Para deflagração ou propagação normal de chamas característica é a transferência de calor de camada para camada, e a chama que ocorre na mistura aquecida e diluída com radicais ativos e produtos da reação se move na direção da mistura combustível inicial. Isso se explica pelo fato de que a chama, por assim dizer, torna-se uma fonte que libera um fluxo contínuo de calor e partículas quimicamente ativas. Como resultado, a frente de chama se move em direção à mistura combustível.
combustão deflagração subdividido em laminar e turbulento.
A combustão laminar é caracterizada por uma velocidade normal de propagação da chama.
A velocidade normal de propagação da chama, de acordo com GOST 12.1.044 SSBT, é chamada de velocidade da frente da chama em relação ao gás não queimado, em uma direção perpendicular à sua superfície.
O valor da velocidade normal de propagação da chama, sendo um dos indicadores do risco de incêndio e explosão de substâncias, caracteriza o perigo das indústrias associado ao uso de líquidos e gases, é utilizado no cálculo da taxa de aumento do explosivo pressão do gás, misturas vapor-ar, diâmetro crítico (extintor) e no desenvolvimento de medidas, proporcionando segurança contra incêndio e explosão de processos tecnológicos de acordo com os requisitos do GOST 12.1.004 e GOST 12.1.010 SSBT.
A velocidade normal de propagação da chama - a constante físico-química da mistura - depende da composição da mistura, pressão e temperatura e é determinada pela velocidade da reação química e pela condutividade térmica molecular.
A temperatura aumenta relativamente pouco a velocidade normal de propagação da chama, as impurezas inertes a reduzem e um aumento na pressão leva a um aumento ou diminuição da velocidade.
Em um fluxo de gás laminar as velocidades do gás são baixas e a mistura combustível é formada como resultado da difusão molecular. A taxa de queima neste caso depende da taxa de formação da mistura combustível. chama turbulentaÉ formado com o aumento da velocidade de propagação da chama, quando a laminaridade de seu movimento é perturbada. Em uma chama turbulenta, o turbilhão de jatos de gás melhora a mistura dos gases reagentes, uma vez que a superfície através da qual ocorre a difusão molecular aumenta.
Como resultado da interação de uma substância combustível com um agente oxidante, são formados produtos de combustão, cuja composição depende dos compostos iniciais e das condições da reação de combustão.
Com a combustão completa de compostos orgânicos, CO 2, SO 2, H 2 O, N 2 são formados, e com a combustão de compostos inorgânicos, óxidos são formados. Dependendo da temperatura de fusão, os produtos da reação podem estar na forma de fusão (Al 2 O 3, TiO 2) ou subir no ar na forma de fumaça (P 2 O 5, Na 2 O, MgO) . As partículas sólidas fundidas criam a luminosidade da chama. Durante a combustão de hidrocarbonetos, a forte luminosidade da chama é proporcionada pelo brilho das partículas de negro de fumo, que se formam em grandes quantidades. Uma diminuição do teor de negro de fumo como resultado da sua oxidação reduz a luminosidade da chama e uma diminuição da temperatura dificulta a oxidação do negro de fumo e leva à formação de fuligem na chama.
Para interromper a reação de combustão, é necessário violar as condições para sua ocorrência e manutenção. Normalmente, para extinguir, é usada a violação de duas condições básicas de um estado estacionário - uma diminuição da temperatura e um modo de movimento dos gases.
Queda de temperatura pode ser conseguido pela introdução de substâncias que absorvem muito calor como resultado da evaporação e dissociação (por exemplo, água, pós).
Modo de movimento de gás pode ser alterado reduzindo e eliminando o fornecimento de oxigênio.
Explosão, de acordo com GOST 12.1.010 " A prova de explosão”, - uma rápida transformação da matéria (combustão explosiva), acompanhada da liberação de energia e da formação de gases comprimidos capazes de realizar trabalho.
Uma explosão, como regra, leva a um aumento intenso da pressão. Uma onda de choque é formada e se propaga no ambiente.
onda de choque tem uma capacidade destrutiva se o excesso de pressão nele for superior a 15 kPa. Ela se propaga no gás à frente da frente da chama a uma velocidade do som de 330 m/s. Durante uma explosão, a energia inicial é convertida em energia de gases comprimidos aquecidos, que é convertida em energia de movimento, compressão e aquecimento do meio. Vários tipos de energia de explosão inicial são possíveis - elétrica, térmica, energia de compressão elástica, atômica, química.
Os principais parâmetros que caracterizam o perigo de uma explosão de acordo com GOST 12.1.010 são a pressão na frente da onda de choque, a pressão máxima de explosão, a taxa média e máxima de aumento de pressão durante uma explosão, esmagamento ou propriedades altamente explosivas de um ambiente explosivo.
Ação geral de explosão se manifesta na destruição de equipamentos ou instalações causada por uma onda de choque, bem como na liberação de substâncias nocivas (produtos de explosão ou contidos em equipamentos).
Pressão máxima de ruptura(P max) - a pressão mais alta que ocorre durante uma explosão de deflagração de uma mistura de gás, vapor ou pó-ar em um recipiente fechado a uma pressão inicial de mistura de 101,3 kPa.
Taxa de aumento da pressão de explosão(dР/dt) é a derivada da pressão de explosão em relação ao tempo na seção ascendente da dependência da pressão de explosão de uma mistura de gás, vapor, pó-ar em um recipiente fechado no tempo. Neste caso, as taxas máximas e médias de aumento de pressão durante a explosão são distinguidas. Ao estabelecer a velocidade máxima, o incremento de pressão é usado na seção em linha reta da dependência da pressão de explosão no tempo, e ao determinar a velocidade média, a seção entre a pressão máxima de explosão e a pressão inicial no vaso antes da explosão é usada.
Ambas as características são fatores importantes para a proteção contra explosão. Eles são usados ​​no estabelecimento da categoria de instalações e edifícios em termos de risco de explosão e incêndio, no cálculo de dispositivos de segurança, no desenvolvimento de medidas de segurança contra incêndio e explosão de processos tecnológicos.
Detonação há um processo de transformação química do sistema oxidante-redutor, que é uma combinação de uma onda de choque que se propaga a uma velocidade constante e ultrapassa a velocidade do som, e segue a frente da zona de transformações químicas das substâncias iniciais. energia química, liberado na onda de detonação, alimenta a onda de choque, evitando que ela decaia. A velocidade da onda de detonação é uma característica de cada sistema específico.

A teoria afirma que a explosão de uma mistura de gás ou vapor-ar não é um fenômeno instantâneo. Quando a fonte de ignição é introduzida na mistura combustível, a reação de oxidação do combustível com o oxidante começa na área da fonte de ignição. A taxa da reação de oxidação em algum volume elementar desta zona atinge um máximo - ocorre a combustão. A combustão na fronteira do volume elementar com o meio é chamada de frente de chama. A frente da chama parece uma esfera. A espessura da frente de chama, de acordo com Ya.B. Zeldovich , igual a 1-100 mícrons. Embora a espessura da zona de combustão seja pequena, é suficiente para que a reação de combustão prossiga. A temperatura da frente de chama devido ao calor da reação de combustão é de 1000-3000°C e depende da composição da mistura combustível.

Quando a frente de chama se move, a temperatura da parte não queimada da mistura combustível aumenta, à medida que a pressão da mistura aumenta. Próximo à frente de chama, a temperatura da mistura também aumenta, devido à não
transferência de calor por condução térmica, difusão de moléculas aquecidas e radiação. Na superfície externa da frente de chama, esta temperatura é igual à temperatura de auto-ignição da mistura combustível.

Após a ignição da mistura combustível, a forma esférica da chama é muito rapidamente distorcida e cada vez mais atraída para a mistura ainda não inflamada. A extensão da frente de chama e o rápido aumento de sua superfície são acompanhados por um aumento na velocidade da parte central da chama. Esta aceleração dura até que a chama toque as paredes dos tubos ou, em qualquer caso, não se aproxime da parede do tubo. Neste momento, o tamanho da chama diminui drasticamente, e apenas uma pequena parte dela permanece da chama, cobrindo toda a seção do tubo. Puxando a frente da chama,
e sua intensa aceleração imediatamente após a ignição por faísca, quando a chama ainda não atingiu as paredes da tubulação, são causadas pelo aumento do volume dos produtos da combustão. Assim, no estágio inicial de formação da frente de chama, independente do grau de combustibilidade da mistura gasosa, ocorre aceleração e posterior desaceleração da chama, sendo que esta desaceleração será tanto maior quanto maior for a velocidade da chama.

O processo de desenvolvimento dos estágios subsequentes de combustão é influenciado pelo comprimento do tubo. O alongamento do tubo leva ao aparecimento de vibrações e à formação de uma estrutura celular das ondas de chama, choque e detonação.

A largura da zona de aquecimento (em cm) pode ser determinada a partir da dependência

1 = a / v

Onde uma- coeficiente de difusividade térmica; v- velocidade de propagação da chama.

Velocidade de deslocamento linear v(em m/s) pode ser determinado pela fórmula

V = Vt/

Onde Vt- taxa de queima de massa, g / (s m 3); - densidade da mistura combustível inicial, kg/m 3 .

A velocidade linear da frente de chama não é constante, varia de acordo com as composições. Misturas e impurezas de gases inertes (não combustíveis), temperatura da mistura, diâmetro da tubulação, etc. A velocidade máxima de propagação da chama é observada não em uma concentração de mistura estequiométrica, mas em uma mistura com excesso de combustível. Quando gases inertes são introduzidos na mistura combustível, a velocidade de propagação da chama diminui. Isso se explica pela diminuição da temperatura de combustão da mistura, uma vez que parte do calor é gasto no aquecimento das impurezas inertes que não participam da reação.

Com o aumento do diâmetro dos tubos, a velocidade de propagação da chama aumenta de forma desigual. Com um aumento no diâmetro dos tubos para 0,1-0,15 m, a velocidade aumenta rapidamente. A temperatura aumenta até que o diâmetro atinja um certo diâmetro limite,
acima do qual não há aumento de velocidade. Com a diminuição do diâmetro do tubo, a velocidade de propagação da chama diminui e, em um determinado diâmetro pequeno, a chama não se propaga no tubo. Este fenômeno pode ser explicado por um aumento nas perdas de calor através das paredes
tubos.

Portanto, para impedir a propagação da chama em uma mistura combustível, é necessário, de uma forma ou de outra, diminuir a temperatura da mistura resfriando o recipiente (no nosso exemplo, um tubo) do lado de fora ou diluindo a mistura com gás inerte frio.

A velocidade normal de propagação da chama é relativamente pequena (não mais do que dezenas de metros por segundo), mas sob certas condições, a chama nos tubos se propaga a uma velocidade tremenda (de 2 a 5 km / s), excedendo a velocidade do som em um determinado ambiente. Esse fenômeno tem sido chamado detonação. As características distintivas da detonação são as seguintes:

1) taxa de queima constante independente do diâmetro do tubo;

2) alta pressão de chama causada pela onda de detonação, que pode ultrapassar 50 MPa, dependendo da natureza química da mistura combustível e da pressão inicial; além disso, devido à alta taxa de queima, a pressão desenvolvida não depende da forma, capacidade e estanqueidade do vaso (ou tubo).

À medida que a chama acelera, a amplitude da onda de choque também aumenta e a temperatura de compressão atinge a temperatura de auto-ignição da mistura.

O aumento da quantidade total de queima de gás por unidade de tempo é explicado pelo fato de que em um jato com velocidade variável em seção transversal, a frente de chama se dobra, fazendo com que sua superfície aumente e a quantidade de substância em chamas aumente proporcionalmente.

Quando as misturas gasosas são queimadas em volume fechado, os produtos da combustão não realizam trabalho; a energia da explosão é gasta apenas no aquecimento dos produtos da explosão. Neste caso, a energia total é definida como a soma da energia interna da mistura explosiva Q ex.en.cm. e o calor de combustão de uma dada substância ΔQ g. O valor de Q vn.en.sm. é igual à soma dos produtos das capacidades caloríficas dos componentes da mistura explosiva a volume constante e a temperatura inicial
temperatura da mistura

Q ext.en.cm \u003d C 1 T + C 2 T + ... + C p T

onde C 1, C 2, C p - capacidades caloríficas específicas dos componentes que compõem
mistura explosiva, kJ/(kg K); T- temperatura inicial da mistura, K.

A temperatura de explosão de misturas de gases a volume constante é calculada pelo mesmo método que a temperatura de combustão de uma mistura a pressão constante.

A pressão de explosão é encontrada a partir da temperatura de explosão. A pressão durante a explosão de uma mistura gás-ar em um volume fechado depende da temperatura da explosão e da razão entre o número de moléculas de produtos de combustão e o número de moléculas na mistura explosiva. Durante a explosão de misturas gás-ar, a pressão geralmente não excede 1,0 MPa, se a pressão inicial da mistura for normal. Quando o ar na mistura explosiva é substituído por oxigênio, a pressão da explosão aumenta acentuadamente, pois a temperatura de combustão aumenta.

Pressão de explosão de misturas estequiométricas de metano, etileno, acetona e
éter metílico com oxigênio é 1,5 - 1,9 MPa, e suas misturas estequiométricas com ar é 1,0 MPa.

A pressão máxima de explosão é usada nos cálculos da resistência à explosão de equipamentos, bem como nos cálculos de válvulas de segurança, membranas explosivas e invólucros de equipamentos elétricos à prova de explosão. Pressão de explosão R vzr (em MPa) de misturas gás-ar é calculado pela fórmula

R vzr =

Onde p 0- pressão inicial da mistura explosiva, MPa; T 0 e Tvzr- a temperatura inicial da mistura explosiva e a temperatura da explosão, K;

O número de moléculas de gases de produtos de combustão após a explosão;
é o número de moléculas de gás da mistura antes da explosão.

Agência Federal de Educação da Federação Russa

Instituição estadual de ensino superior profissionalizante

"Universidade Técnica de Petróleo do Estado de Ufa"

Departamento de "Segurança industrial e proteção do trabalho"

Trabalho de controle sobre o assunto:

Teoria da combustão e explosão

1. Questões teóricas sobre explosão

Nos processos tecnológicos associados à extração, transporte, processamento, produção, armazenamento e utilização de gases combustíveis (GH) e líquidos inflamáveis ​​(líquidos inflamáveis), existe sempre o perigo de formação de misturas explosivas de gases e vapores.

Um ambiente explosivo pode ser formado por misturas de substâncias (gases, vapores, poeiras) com ar e outros agentes oxidantes (oxigênio, ozônio, cloro, óxidos de nitrogênio, etc.) .).

As causas mais comuns de explosões são violação das regras para a operação segura dos equipamentos, vazamento de gás por vazamentos nas conexões, superaquecimento dos aparelhos, aumento excessivo de pressão, falta de controle adequado sobre o processo tecnológico, ruptura ou quebra de peças do equipamento, etc. .

A fonte de iniciação da explosão são:

chamas abertas, corpos em chamas e em brasa;

descargas elétricas;

Manifestações térmicas de reações químicas e efeitos mecânicos;

faíscas de impacto e atrito:

ondas de choque;

Radiação eletromagnética e outras.

De acordo com PB 09-540-03 Explosão é:

I. O processo de liberação transitória de energia potencial associada a uma mudança repentina no estado da matéria e acompanhada por um salto de pressão ou onda de choque.

2. Liberação de curto prazo de energia interna, criando excesso de pressão

Uma explosão pode ocorrer com ou sem combustão (oxidação).

Parâmetros e propriedades que caracterizam o ambiente explosivo:

Ponto de inflamação;

Limites de concentração e temperatura de ignição;

Temperatura de auto-ignição;

Velocidade normal de propagação da chama;

Conteúdo explosivo mínimo de oxigênio (oxidante);

Energia mínima de ignição;

Sensibilidade à ação mecânica (impacto e fricção). Fatores perigosos e prejudiciais que afetam os trabalhadores

da explosão são:

Uma onda de choque na frente da qual a pressão excede o valor permitido;

Colapso de estruturas, equipamentos, comunicações, edifícios e estruturas e suas partes voadoras;

Substâncias nocivas formadas durante a explosão e (ou) liberadas de equipamentos danificados, cujo conteúdo no ar da área de trabalho excede as concentrações máximas permitidas.

Os principais fatores que caracterizam o perigo de uma explosão:

Pressão máxima e temperatura de explosão;

A taxa de aumento de pressão durante a explosão;

Pressão na frente da onda de choque;

Esmagamento e propriedades altamente explosivas de um ambiente explosivo.

Durante uma explosão, a energia potencial inicial de uma substância é convertida, via de regra, em energia de gases comprimidos aquecidos, que, por sua vez, quando se expandem, é convertido em energia de movimento, compressão e aquecimento do meio. . Parte da energia permanece na forma de energia interna (térmica) dos gases expandidos.

A quantidade total de energia liberada durante a explosão determina os parâmetros gerais (volume, área) de destruição. A concentração de energia (energia por unidade de volume) determina a intensidade da destruição no local da explosão. Essas características, por sua vez, dependem da taxa de liberação de energia pelo sistema explosivo causador da onda de choque.

As explosões mais frequentemente encontradas na prática investigativa podem ser divididas em dois grupos principais: explosões químicas e físicas.

As explosões químicas incluem os processos de transformação química da matéria, manifestados pela combustão e caracterizados pela liberação de energia térmica em um curto período de tempo e em tal volume que se formam ondas de pressão que se propagam a partir da fonte da explosão.

Explosões físicas incluem processos que levam a uma explosão e não estão associados a transformações químicas da matéria.

A causa mais comum de explosões acidentais são os processos de combustão. Explosões deste tipo ocorrem mais frequentemente durante o armazenamento, transporte e fabricação de explosivos. Eles acontecem:

Ao manusear explosivos e substâncias explosivas das indústrias química e petroquímica;

Com vazamentos de gás natural em prédios residenciais;

na fabricação, transporte e armazenamento de substâncias combustíveis voláteis ou liquefeitas;

ao lavar tanques de armazenamento de combustíveis líquidos;

na fabricação, armazenamento e uso de sistemas de pó combustível e algumas substâncias sólidas e líquidas de combustão espontânea.

Características de uma explosão química

Existem dois tipos principais de explosões: uma explosão de explosivos condensados ​​e uma explosão volumétrica (explosão de vapores de misturas pó-gás). Explosões de explosivos condensados ​​são causadas por todos os explosivos sólidos e um número relativamente pequeno de explosivos líquidos, incluindo nitroglicerina. Esses explosivos geralmente têm uma densidade de 1300-1800 kg/m3, no entanto, explosivos primários contendo chumbo ou mercúrio têm densidades muito mais altas.

Reações de decomposição:

O caso mais simples de explosão é o processo de decomposição com a formação de produtos gasosos. Por exemplo, a decomposição do peróxido de hidrogênio com grande efeito térmico e a formação de vapor de água e oxigênio:

2H2O2 → 2H2O2 + O2 + 106 kJ/mol

O peróxido de hidrogênio é perigoso a partir de uma concentração de 60%.

Decomposição por fricção ou impacto da azida de chumbo:

Pb (N3) 2 → Pb - 3N2 + 474 kJ/mol.

O trinitrotolueno (TNT) é uma substância "deficiente em oxigênio" e, portanto, um de seus principais produtos de degradação é o carbono, que contribui para a formação de fumaça durante as explosões de TNT.

Substâncias propensas à decomposição explosiva quase sempre contêm uma ou mais estruturas químicas características responsáveis ​​pelo súbito desenvolvimento do processo com liberação de grande quantidade de energia. Essas estruturas incluem os seguintes grupos:

NO2 e NO3 - em substâncias orgânicas e inorgânicas;

N=N-N - em azidas orgânicas e inorgânicas;

NX3, onde X é um halogênio,

N=C em fulminantes.

Com base nas leis da termoquímica, parece possível identificar compostos cujo processo de decomposição pode ser explosivo. Um dos fatores decisivos que determinam o perigo potencial de um sistema é a prevalência de sua energia interna no estado inicial em relação ao estado final. Esta condição é satisfeita quando o calor é absorvido (reação endotérmica) no processo de formação de uma substância. Um exemplo de um processo relevante é a formação de acetileno a partir dos elementos:

2C + H2 → CH=CH - 242 kJ/mol.

Substâncias não explosivas que perdem calor durante a formação (reação exotérmica) incluem, por exemplo, dióxido de carbono

C + O2 → CO2 + 394 kJ/mol.

Deve-se levar em consideração que a aplicação das leis da termoquímica apenas permite revelar a possibilidade de um processo explosivo. Sua implementação depende da velocidade da reação e da formação de produtos voláteis. Assim, por exemplo, a reação da parafina da vela com o oxigênio, apesar da alta exotermicidade, não leva a uma explosão devido à sua baixa velocidade.

A reação 2Al+ 4AC2O2 → Al2O3 + 2Fe por si só, apesar da alta exotermicidade, também não leva a uma explosão, pois não se formam produtos gasosos.

As reações redox, que formam a base das reações de combustão, por esta razão, podem levar a uma explosão apenas sob condições que conduzam a altas taxas de reação e crescimento de pressão. A combustão de sólidos e líquidos altamente dispersos pode levar a uma sobrepressão de até 8 bar em condições de volume fechado.Relativamente raro, por exemplo, em sistemas de ar líquido, onde o aerossol é uma névoa de gotículas de óleo.

Nas reações de polimerização acompanhadas por um efeito exotérmico e a presença de um monômero volátil, muitas vezes é atingido um estágio em que pode ocorrer um aumento perigoso da pressão, para algumas substâncias como o óxido de etileno, a polimerização pode começar à temperatura ambiente, especialmente quando a compostos estão contaminados com substâncias aceleradoras de polimerização. O óxido de etileno também pode isomerizar em acetaldeído por uma via exotérmica:

CH2CH2O - CH3HC \u003d O + 113,46 kJ/mol

As reações de condensação são amplamente utilizadas na produção de tintas, vernizes e resinas e, devido ao processo exotérmico e à presença de componentes voláteis, às vezes levam a explosões.

Para descobrir as condições gerais que favorecem o início da combustão e sua transição para uma explosão, considere o gráfico (Figura 1) da dependência da temperatura desenvolvida em um sistema combustível no tempo na presença de liberação volumétrica de calor devido a um produto químico. reação e perda de calor.

Se representarmos a temperatura T1 no gráfico como um ponto crítico no qual ocorre a combustão no sistema, fica óbvio que em condições onde há excesso de perda de calor sobre ganho de calor, tal combustão não pode ocorrer. Este processo começa apenas quando é alcançada a igualdade entre as taxas de liberação e perda de calor (no ponto de contato das curvas correspondentes) e pode acelerar ainda mais com o aumento da temperatura u. assim, a pressão antes da explosão.

Assim, na presença de condições favoráveis ​​ao isolamento térmico, a ocorrência de uma reação exotérmica em um sistema combustível pode levar não apenas à combustão, mas também à explosão.

As reações descontroladas resultantes que favorecem a explosão se devem ao fato de que a taxa de transferência de calor, por exemplo, em vasos é uma função linear da diferença de temperatura entre a massa de reação e o refrigerante, enquanto a taxa de reação exotérmica e, portanto, o influxo de calor dele cresce de acordo com uma lei de potência com um aumento nas concentrações iniciais de reagentes e aumenta rapidamente com o aumento da temperatura como resultado da dependência exponencial da velocidade de uma reação química em relação à temperatura (lei de Arrhenius) . Essas regularidades determinam as menores taxas de queima da mistura e a temperatura no limite de ignição de concentração mais baixa. À medida que a concentração do combustível e do oxidante se aproxima da estequiometria, a taxa de queima e a temperatura aumentam para seus valores máximos.

A concentração de gás de composição estequiométrica é a concentração de gás combustível em uma mistura com um meio oxidante, na qual a interação química completa do combustível e oxidante da mistura é assegurada sem resíduo.

3. Características de uma explosão física

Explosões físicas, como regra, estão associadas a explosões de vasos de pressão de vapor e ranhuras. Além disso, a principal razão para sua formação não é uma reação química, mas um processo físico devido à liberação da energia interna de um gás comprimido ou liquefeito. A força de tais explosões depende da pressão interna e a destruição é causada por uma onda de choque de um gás em expansão ou fragmentos de um vaso rompido. Uma explosão física pode ocorrer se, por exemplo, um cilindro portátil de gás pressurizado cair e uma válvula redutora de pressão for expelida. A pressão do GLP raramente excede 40 bar (a pressão crítica da maioria dos GLP convencionais).

As explosões físicas também incluem o fenômeno da chamada detonação física. Esse fenômeno ocorre quando líquidos quentes e frios são misturados, quando a temperatura de um deles excede significativamente o ponto de ebulição do outro (por exemplo, derramando metal fundido na água). Na mistura vapor-líquido resultante, a evaporação pode ocorrer de forma explosiva devido ao desenvolvimento de processos de fleumatização fina de gotículas de fusão, rápida remoção de calor delas e superaquecimento do líquido frio com sua forte vaporização.

A detonação física é acompanhada pelo aparecimento de uma onda de choque com excesso de pressão na fase líquida, chegando em alguns casos a mais de mil atmosferas. Muitos líquidos são armazenados ou usados ​​em condições em que sua pressão de vapor é muito maior que a pressão atmosférica. Esses líquidos incluem: gases combustíveis liquefeitos (por exemplo, propano, butano) refrigerantes liquefeitos amônia ou freon armazenados em temperatura ambiente metano que deve ser armazenado em baixa temperatura água superaquecida em caldeiras a vapor. Se o recipiente com o líquido superaquecido estiver danificado, haverá uma saída de vapor para o espaço circundante e uma rápida evaporação parcial do líquido. Com uma saída suficientemente rápida e expansão do vapor no ambiente, são geradas ondas explosivas. As causas de explosões de vasos com gases e vapores sob pressão são:

Violações da integridade do corpo devido à quebra de qualquer nó, dano ou corrosão devido a operação inadequada;

Superaquecimento do recipiente devido a violações no aquecimento elétrico ou no modo de operação do dispositivo de combustão (neste caso, a pressão dentro do recipiente aumenta e a força do corpo diminui para um estado em que é danificado);

A explosão do recipiente quando a pressão permitida é excedida.

Explosões de recipientes de gás com posterior combustão na atmosfera contêm basicamente as mesmas causas descritas acima e são características das explosões físicas. A principal diferença está na formação, neste caso, de uma bola de fogo, cujo tamanho depende da quantidade de combustível gasoso liberado na atmosfera. Essa quantidade depende, por sua vez, do estado físico em que o gás se encontra no recipiente. Quando o conteúdo do combustível estiver no estado gasoso, sua quantidade será muito menor do que se estivesse armazenado no mesmo recipiente na forma líquida. Os parâmetros da explosão, que determinam suas consequências, são determinados principalmente pela natureza da distribuição de energia na área da explosão e sua distribuição à medida que a onda de choque se propaga a partir da fonte da explosão.

4. Potencial energético

A explosão tem grande poder destrutivo. A característica mais importante de uma explosão é a energia total da matéria. Este indicador é chamado de potencial energético de explosividade, está incluído em todos os parâmetros que caracterizam a escala e as consequências de uma explosão.

Em caso de despressurização emergencial do aparelho, ocorre sua total divulgação (destruição);

A área do derramamento de líquido é determinada com base nas soluções de design de edifícios ou locais de instalação ao ar livre;

O tempo de evaporação não é superior a 1 hora:

E \u003d EII1 + EII2 + EII1 + EII2 + EII3 + EII4,

explosão bombeiro quarto perigo

onde EI1 é a soma das energias de expansão adiabática e combustão da fase vapor-gás (PGPC localizada diretamente no bloco, kJ;

ЕI2 é a energia de combustão do HPF fornecido à seção despressurizada de objetos adjacentes (blocos), kJ;

EII1 - a energia de combustão do GTHF, formada devido à energia da fase líquida superaquecida do bloco em consideração e recebida de objetos adjacentes kJ;

EII2 é a energia de combustão do PHF formado a partir da fase líquida (LP) devido ao calor das reações exotérmicas que não param durante a despressurização, kJ;

EII3 é a energia de combustão do PHF. formado a partir de LF devido ao influxo de calor de transportadores de calor externos, kJ;

EII4 é a energia de combustão do PHF, que é formado a partir do LF derramado em uma superfície sólida (piso, palete, solo, etc.) devido à transferência de calor do ambiente (da superfície sólida e ar para o líquido sobre sua superfície ), kJ.

Os valores dos potenciais energéticos totais de explosividade e são usados ​​para determinar os valores da massa reduzida e o potencial energético relativo que caracterizam a explosividade dos blocos tecnológicos.

A massa reduzida é a massa total de vapores combustíveis (gases) de uma nuvem explosiva de vapor-gás, reduzida a uma única energia de combustão específica igual a 46.000 kJ/kg:

Potencial energético relativo de explosão Qv da unidade tecnológica, que caracteriza a energia total de combustão e pode ser calculado pela fórmula:

onde E é o potencial energético total do risco de explosão da unidade tecnológica.

De acordo com os valores dos potenciais de energia relativos Rv à massa reduzida do meio vapor-gás m, é realizada a categorização de blocos tecnológicos. Os indicadores da categoria de risco de explosão dos blocos tecnológicos são apresentados na Tabela 1.

Tabela nº

5. equivalente a TNT. Excesso de pressão na frente da onda de choque

Para avaliar o nível de exposição a quebras acidentais e deliberadas, o método de avaliação por meio do equivalente TNT é amplamente utilizado. De acordo com este método, o grau de destruição é caracterizado pelo equivalente de TNT, onde é determinada a massa de TNT, que é necessária para causar esse nível de destruição. compostos quimicamente instáveis, é calculado pelas fórmulas:

1 Para ambientes de vapor-gás

q/ - valor calorífico específico do meio vapor-gás, kJ kg,

qT é a energia de explosão específica de TNT kJ/kg.

2 Para compostos quimicamente instáveis ​​sólidos e líquidos

onde Wk é a massa de compostos quimicamente instáveis ​​sólidos e líquidos; qk é a energia de explosão específica de compostos quimicamente instáveis ​​sólidos e líquidos. Na produção, uma explosão de uma mistura de gás-ar, vapor-ar ou poeira produz uma onda de choque. O grau de resolução das estruturas do edifício, equipamentos, máquinas e comunicações, bem como os danos às pessoas, depende do excesso de pressão na frente da onda de choque ΔРФ (a diferença entre a pressão máxima na frente da onda de choque e a pressão atmosférica normal frente a esta frente).

Os cálculos para avaliar a ação de gases e líquidos químicos combustíveis são reduzidos para determinar o excesso de pressão na frente da onda de choque (ΔРФ) durante a explosão de uma mistura gás-ar a uma certa distância de um recipiente no qual uma certa quantidade de explosivo mistura é armazenada.

6. Cálculo para determinar o excesso de pressão da explosão

O cálculo da sobrepressão de uma explosão para gases inflamáveis, vapores de líquidos inflamáveis ​​e combustíveis é realizado de acordo com a metodologia estabelecida na NPB 105-03 "Determinação das categorias de instalações, edifícios e instalações externas em termos de explosão e incêndio perigo."

Tarefa: determinar o excesso de pressão da explosão de sulfeto de hidrogênio na sala.

Condições iniciais

O hidrogênio está constantemente no aparelho com um volume de 20 m3. O dispositivo está localizado no chão. O comprimento total das tubulações com diâmetro de 50 mm, limitado por válvulas de gaveta (manuais) instaladas nas seções de entrada e saída das tubulações, é de 15 m. A vazão de sulfeto de hidrogênio nas tubulações é de 4,10-3 m3/ s. As dimensões da sala são 10x10x4 m.

A sala possui ventilação de emergência com taxa de troca de ar de 8 h-1. A ventilação de emergência é fornecida por ventiladores de backup, partida automática quando a concentração explosiva máxima permitida é excedida e alimentação de acordo com a primeira categoria de confiabilidade (PUE). Dispositivos para remover o ar da sala estão localizados próximos ao local de um possível acidente.

As principais estruturas de construção do edifício são de concreto armado.

Justificativa da opção de projeto

De acordo com a NPB 105-03, o cenário de acidente mais desfavorável, no qual está envolvido o maior número de substâncias mais perigosas em relação às consequências de uma explosão, deve ser tomado como a versão de projeto de um acidente.

E como opção de projeto, foi adotada a opção de despressurização do tanque com sulfeto de hidrogênio e a saída dele e as tubulações de entrada e saída de sulfeto de hidrogênio no volume da sala.

1) O excesso de pressão de explosão para substâncias combustíveis individuais, consistindo de átomos C, H, O, N, Cl, Br, I, F, é determinado pela fórmula

(1)

onde é a pressão máxima de explosão de uma mistura estequiométrica gás-ar ou vapor-ar em um volume fechado, determinada experimentalmente ou a partir de dados de referência de acordo com os requisitos da cláusula 3 da NPB-105-03. Na ausência de dados, é permitido tomar igual a 900 kPa;

Pressão inicial, kPa (pode ser tomada igual a 101 kPa);

A massa de gás combustível (GG) ou vapores de líquidos inflamáveis ​​(FL) e líquidos combustíveis (GL) liberados na sala como resultado de um acidente, kg;

O coeficiente de participação do combustível na explosão, que pode ser calculado com base na natureza da distribuição de gases e vapores no volume da sala de acordo com a aplicação. É permitido tirar o valor de acordo com a tabela. 2 NPB 105-03. Aceito igual a 0,5;

Volume livre da sala;

A temperatura máxima absoluta do ar para a cidade de Ufa igual a 39°C é considerada a temperatura de projeto (de acordo com o SNiP 23-01-99 "Construção climatológica").

Abaixo está um cálculo das quantidades necessárias para determinar a sobrepressão de uma explosão de sulfeto de hidrogênio em uma sala.

Densidade de sulfeto de hidrogênio na temperatura de projeto:

onde M é a massa molar de sulfureto de hidrogénio, 34,08 kg/kmol;

v0 é o volume molar igual a 22,413 m3/kmol;

0,00367 − coeficiente de dilatação térmica, grau -1;

tp é a temperatura de projeto, 390C (temperatura máxima absoluta do ar para Ufa).

A concentração estequiométrica de sulfeto de hidrogênio é calculada pela fórmula:

;

onde β é o coeficiente estequiométrico do oxigênio na reação de combustão;

nc, nn, n0, nx, é o número de átomos de C, H, O e haletos na molécula de combustível;

Para sulfeto de hidrogênio (Н2S) nc= 1, nн = 4, n0 = 0, nх = 0, portanto,

Substituindo o valor encontrado de β, obtemos o valor da concentração estequiométrica de sulfeto de hidrogênio:

O volume de sulfeto de hidrogênio que entrou na sala durante um acidente de projeto consiste no volume de gás liberado do aparelho e no volume de gás liberado da tubulação antes de fechar as válvulas e depois de fechar as válvulas:

onde Va é o volume de gás liberado do aparelho, m3;

V1T - volume de gás liberado do gasoduto antes de seu desligamento, m3;

V2T é o volume de gás liberado do gasoduto após seu desligamento, m3;

onde q é a vazão do líquido, determinada de acordo com as normas tecnológicas, m3/s;

T é a duração da entrada de gás no volume da sala, determinada de acordo com a cláusula 38 da NPB 105-03 s;

onde d é o diâmetro interno das tubulações, m;

Ln é o comprimento das tubulações do aparelho de emergência até as válvulas de gaveta, m;

Assim, o volume de sulfeto de hidrogênio que entrou na sala durante a variante considerada do acidente:

Massa de sulfeto de hidrogênio na sala:

Se gases inflamáveis, gases inflamáveis ​​ou combustíveis, líquidos inflamáveis ​​ou combustíveis forem utilizados na sala, ao determinar o valor da massa, é permitido levar em consideração a operação da ventilação de emergência, se for fornecida com ventiladores de backup, partida automática quando o é excedida a concentração máxima à prova de explosão permitida e alimentação de acordo com a primeira categoria de confiabilidade (PUE ), desde que os dispositivos para remover o ar da sala estejam localizados nas proximidades imediatas do local de um possível acidente.

Nesse caso, a massa de gases combustíveis ou vapores de líquidos inflamáveis ​​ou combustíveis aquecidos a um ponto de fulgor e acima, que entraram no volume da sala, deve ser dividida pelo coeficiente determinado pela fórmula

onde - a multiplicidade de troca de ar criada pela ventilação de emergência, 1 / s. Esta sala possui ventilação com taxa de troca de ar de 8 (0,0022s);

A duração da entrada de gases inflamáveis ​​e vapores de líquidos inflamáveis ​​e combustíveis no volume da sala, s, é considerada de 300 s. (cláusula 7 da NPB 105-03)

A massa de sulfeto de hidrogênio na sala durante a variante considerada do acidente:

Resultados do cálculo de explosão

Mesa. Sobrepressão máxima admissível durante a combustão de misturas de gás, vapor ou pó-ar em salas ou em espaço aberto

Os dados iniciais e calculados estão resumidos na Tabela 2.

Tabela 2 - Dados iniciais e calculados

De acordo com a NPB 105-2003, as categorias de instalações para risco de explosão e incêndio são aceitas de acordo com a Tabela 4.

Conclusão: A sala pertence à categoria A, pois é possível liberar gás combustível (sulfeto de hidrogênio) em tal quantidade que pode formar misturas explosivas de vapor-gás-ar, na ignição das quais uma sobrepressão estimada da explosão na sala desenvolve, excedendo 5 kPa.

8. Determinação dos valores dos indicadores de energia do risco de explosão da unidade tecnológica durante uma explosão

O potencial de energia explosiva E (kJ) de um bloco é determinado pela energia total de combustão da fase gás-vapor localizada no bloco, levando em consideração o valor do trabalho de sua expansão adiabática, bem como o valor da energia de combustão completa do líquido evaporado da área máxima possível de seu estreito, considerando-se:

1) em caso de despressurização emergencial do aparelho, ocorre sua total divulgação (destruição);

2) a área de derramamento de líquido é determinada com base nas soluções de projeto de edifícios ou local de instalação ao ar livre;

3) assume-se que o tempo de evaporação não é superior a 1 hora:

A soma das energias de expansão adiabática A (kJ) e a combustão do PHF localizado no bloco, kJ:

q" = 23380 kJ/kg - calor específico de combustão de PHF (sulfeto de hidrogênio);

26,9 - massa de gás combustível

.

Para uma determinação prática da energia de expansão adiabática de PGF, pode-se usar a fórmula

onde b1 - pode ser obtido da Tabela. 5. Com índice adiabático k=1,2 e pressão de 0,1 MPa, é igual a 1,40.

Tabela 5. O valor do coeficiente b1 dependendo do índice adiabático do meio e da pressão na unidade de processo

0 kJ é a energia de combustão do PHF, que chegou à seção despressurizada de objetos adjacentes (blocos), kJ. Não há blocos adjacentes, então este componente é zero.

0 kJ é a energia de combustão do PHF, que é formado devido à energia do LF superaquecido do bloco em consideração e recebido de objetos adjacentes durante o tempo ti.

0 kJ é a energia de combustão do PHF, que é formado a partir do LF devido ao calor das reações exotérmicas que não param durante a despressurização.

0 kJ é a energia de combustão do PHF, que é formado a partir da fase líquida devido ao influxo de calor dos transportadores de calor externos.

0 kJ é a energia de combustão do PHF, que é formado a partir de um líquido derramado em uma superfície sólida (piso, palete, solo, etc.) devido à transferência de calor do ambiente (de uma superfície sólida e ar para um líquido sobre sua superfície .

O potencial energético do risco de explosão do bloco é:

E=628923,51 kJ.

Os valores dos potenciais energéticos totais de explosividade E são usados ​​para determinar os valores da massa reduzida e o potencial energético relativo que caracterizam a explosividade dos blocos tecnológicos.

A massa total de vapores combustíveis (gases) de uma nuvem explosiva de vapor-gás m, reduzida a uma única energia de combustão específica igual a 46.000 kJ/kg:

O potencial energético relativo de explosividade Qv da unidade tecnológica é calculado pela fórmula

De acordo com os valores dos potenciais de energia relativos Qb e a massa reduzida do meio vapor-gás m, é realizada a categorização dos blocos tecnológicos. Os indicadores das categorias são apresentados na Tabela. 5.

Tabela 4. Indicadores de categorias de risco de explosão de blocos tecnológicos

Conclusão: A sala pertence à categoria III de risco de explosão, uma vez que a massa total da nuvem explosiva de vapor-gás de sulfeto de hidrogênio reduzida a uma única energia de combustão específica é de 16,67 kg, o potencial energético relativo da explosão é de 5,18.

9. Cálculo da concentração explosiva da mistura gás-ar na sala. Determinação da classe das instalações para risco de explosão e incêndio de acordo com PUE

Vamos determinar o volume de concentração explosiva de sulfeto de hidrogênio na sala:

onde m é a massa da mistura vapor-ar na sala, kg,

NKPV - limite inferior de concentração de ignição, g/m3.

A concentração da mistura vapor-ar na sala será:

onde VCM é o volume de concentração explosiva de sulfeto de hidrogênio na sala, m3, VC6 é o volume livre da sala, m3.

Os resultados do cálculo são apresentados na Tabela 6.

Tabela 6. Resultados do cálculo da concentração da mistura gás-ar

De acordo com a PUE, a sala em questão pertence à classe B-Ia - zonas localizadas em salas nas quais, durante a operação normal, não se formam misturas explosivas de gases combustíveis (independentemente do limite inferior de ignição) ou vapores líquidos inflamáveis ​​com ar, mas só são possíveis devido a acidentes e avarias.

10. Determinação de zonas de destruição durante a explosão. Classificação das zonas de destruição

Os raios das zonas de destruição durante a explosão da mistura gás-ar foram determinados de acordo com o método descrito no Anexo 2 PB 09-540-03.

A massa de substâncias de vapor de gás (kg) envolvidas na explosão é determinada pelo produto

onde z é a proporção da massa reduzida de sulfeto de hidrogênio envolvida na explosão (para GG é 0,5),

t é a massa de sulfeto de hidrogênio na sala, kg.

O equivalente de TNT pode ser usado para avaliar o nível de exposição à explosão. O equivalente TNT de uma explosão de um meio vapor-gás WT (kg) é determinado de acordo com as condições para a adequação da natureza e grau de destruição durante explosões de nuvens vapor-gás, bem como compostos quimicamente instáveis ​​sólidos e líquidos.

Para ambientes de vapor de gás, o equivalente TNT de uma explosão é calculado:

onde 0,4 é a fração da energia de explosão do meio gás-vapor gasto diretamente na formação de uma onda de choque;

0,9 é a fração da energia de explosão do trinitrotolueno (TNT) gasta diretamente na formação de uma onda de choque;

q" - poder calorífico específico do meio vapor-gás, kJ/kg;

qT - energia de explosão específica do TNT, kJ/kg.

A zona de destruição é a área com limites determinados pelos raios R, cujo centro é o bloco tecnológico considerado ou o local mais provável de despressurização do sistema tecnológico. Os limites de cada zona são caracterizados pelos valores de excesso de pressão ao longo da frente da onda de choque AR e, consequentemente, o coeficiente adimensional K. A classificação das zonas de fratura é dada na Tabela 6.

Tabela 7. O nível de destruição possível durante a transformação explosiva de nuvens de misturas ar-combustível

O raio da zona de destruição (m) em termos gerais é determinado pela expressão:

onde K é um coeficiente adimensional que caracteriza o impacto de uma explosão em um objeto.

Os resultados do cálculo dos raios das zonas de destruição durante a explosão da mistura ar-combustível na sala são apresentados na Tabela 7.

Tabela 7 - Resultados do cálculo dos raios das zonas de destruição

Lista de fontes usadas

1. Beschastnov M.V. explosões industriais. Avaliação e aviso. - M. Química, 1991.

2. Segurança da vida, Segurança de processos tecnológicos e de produção (Proteção do trabalho): Livro didático, Manual para universidades / P.P. Kukin, V.L. Lapin, N, L. Ponomarev e outros, - M.,: Superior. escola 2001,

3. PB 09-540-03 "Regras gerais de segurança contra explosão para indústrias químicas, petroquímicas e de refino de petróleo perigosas contra incêndio e explosão".

4. GOST 12.1.010-76* Segurança contra explosão

5. NPB 105-03 "Definição das categorias de instalações e edifícios, instalações externas em termos de explosão e risco de incêndio".

6. SNiP 23-01-99 Climatologia de edifícios.

7. Perigo de incêndio e explosão de substâncias e materiais e meios de extinção. Ed. A. N. Baratova e A. Ya. Korolchenko. M., Química, 1990. 8. Regras para a instalação de instalações elétricas. Ed. 7º.