Ìåòîäè÷_ÒÐÏÃ_RU - Webmail.nuczu.edu.ua
реклама
НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ ЗАЩИТЫ УКРАИНЫ Кафедра специальной химии и химической технологии ТАРАХНО Е.В., ЖЕРНОКЛЁВ К.В., ТРЕГУБОВ Д.Г., КОВРЕГИН В.В. ТЕОРИЯ РАЗВИТИЯ И ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ КУРСА КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ для курсантов, слушателей дневной и заочной форм обучения ХАРЬКОВ, 2013 1 Тарахно Е. В. Теория развития и прекращения горения. Методические указания к изучению курса, контрольные задачи для курсантов, слушателей дневной и заочной форм обучения / Тарахно Е.В., Жерноклёв К.В., Трегубов Д.Г., Коврегин В.В. - Харьков: Национальный университет гражданской защиты Украины, 2013 - 190 с. Учебное издание Рецензенты: Святская Т. Н. - заведующая кафедрой химии, к.х.н., доцент, ХНПУ им. Г.С. Сковороди Луценко Ю.В. - заместитель начальника кафедры пожарной профилактики в населенных пунктах факультета пожарной безопасности, к.т.н., доцент, НУЦЗУ Данное учебное издание содержат методические материалы по изучению учебных курсов “Теория развития и прекращения горения”, “Теория горения и взрыва”, вопросы для самопроверки, перечень ориентировочных вопросов для подготовки к экзамену, методики расчета параметров пожарной опасности веществ и материалов, параметров развития пожара и его тушения. Учебное издание предназначено для курсантов и слушателей, обучающихся по направлениям “Пожарная безопасность”, “Химические технологии”, “Гражданская защита” и “Охрана Труда”. Тарахно Е.В., Жерноклёв К.В., Трегубов Д.Г., Коврегин В.В. 2 СОДЕРЖАНИЕ ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ................................ 6 ОРГАНИЗАЦИОННО - МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ .... 10 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ................................................................ 11 РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ...................................... 11 Тема 1. Общие сведения о природе процессов горения ................................. 11 Тема 2. Материальный и тепловой баланс процесса горения ....................... 12 РАЗДЕЛ 2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ................... 13 Тема 3. Горючие системы. Концентрационные пределы распространения пламени ..................................................................................................... 13 Тема 4. Самовоспламенение горючих систем ................................................. 13 Тема 5. Самовозгорание веществ и материалов .............................................. 14 Тема 6. Вынужденное зажигание горючих систем ......................................... 15 РАЗДЕЛ 3. РАЗВИТИЕ ГОРЕНИЯ ............................................................... 16 Тема 7. Горение газо-паровоздушных смесей ................................................. 16 Тема 8. Горение жидкостей ................................................................................ 17 Тема 9. Горение твердых веществ ..................................................................... 18 Тема 10. Горение пылевоздушных смесей ....................................................... 19 Тема 11. Оценка горючести веществ и материалов ........................................ 20 РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ.......................................................................................................... 20 Тема 12. Пожар и его развитие. Параметры развития открытых пожаров .. 20 Тема 13. Тепломассообмен пожара в помещении ........................................... 22 РАЗДЕЛ 5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ И ПРЕКРАЩЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ............................................................................................................ 23 Тема 14. Граничные условия. тепловая теория прекращения горения......... 23 Тема 15. Способы прекращения процессов горения. Огнетушащие вещества23 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ РАСЧЕТНЫХ ЗАДАНИЙ....... 32 Индивидуальное расчетное задание № 1 ................................ 32 1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ....................... 34 1.1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦВЕТА ДИФФУЗИОННОГО ПЛАМЕНИ.......... 34 Пример решения задачи...................................................................................... 36 1.2. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ................. 37 Методика составления уравнения реакции горения ....................................... 37 Пример решения задачи...................................................................................... 39 1.3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 39 1.3.1. Определение стехиометрической концентрации горючего вещества41 Пример решения задачи...................................................................................... 42 3 1.3.2. Расчет материального баланса процесса горения 42 Методика расчета материального баланса процесса горения вещества индивидуального химического состава ................................................ 49 Пример решения задачи ..................................................................................... 50 1.4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 51 1.4.1 Расчет теплоты сгорания горючих веществ ........................................... 53 Пример решения задачи ..................................................................................... 55 1.4.2 Расчет температуры горения индивидуального вещества......................... 58 Методика определения адиабатической температуры горения с использованием энтальпии продуктов горения .................................. 60 Пример решения задачи ..................................................................................... 61 1.4.3 Расчет максимального давления взрыва ................................................. 62 Методика определения температуры и максимального давления взрыва... 63 Пример решения задачи ..................................................................................... 64 2.1 РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ ............................................................ 68 Расчетные методы определения КПРП ............................................................ 70 Примеры решения задач ...................................................................................... 73 2.2. ВИНИКНЕННЯ ГОРІННЯ ШЛЯХОМ САМОЗАЙМАННЯ 77 2.3.РОЗРАХУНОК ТЕМПЕРАТУРИ САМОСПАЛАХУВАННЯ 7Error! Bookmark not defined. 2.4. РОЗРАХУНОК МОЖЛИВОСТІ ВИМУШЕНОГО ЗАПАЛЮВАННЯ 87 3.1. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ЖИДКОСТИ ПРИ ЗАДАННЫХ УСЛОВИЯХ ....................................................................................................... 91 Расчетные методы определения давления насыщенного пара. ....................... 92 Примеры решения задач..................................................................................... 93 3.2. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ ............................................................ 95 Расчетные методы определения ТПРП ............................................................ 97 Примеры решения задач..................................................................................... 99 3.3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ ........................................... 104 Расчетные методы определения температуры вспышки ............................. 104 Примеры решения задач................................................................................... 106 РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ ....................................................................................................... 108 4.1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ КЛАССОВ "В" И "С" НА ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ .................................................. 110 4 4.1.1. ВЗРЫВ ПАРОВОЗДУШНОГО ОБЛАКА 108 Индивидуальное расчетное задание №2.....................................................115 Пример решения задачи.................................................................................... 117 4.1.2. РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКОГО РАССТОЯНИЯ ОТ ФАКЕЛА ГАЗОВОГО ФОНТАНА................................................................................120 Индивидуальное расчетное задание №3.....................................................123 Методика расчета безопасных расстояний от горящего фонтана .............. 124 Пример решения задачи.................................................................................... 125 4.2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА В ОГРАЖДЕНИИ ........................................ 128 Индивидуальное расчетное задание №4.....................................................129 4.2.1. РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКОГО ВРЕМЕНИ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА ПО ТЕМПЕРАТУРЕ И СОДЕРЖАНИЮ КИСЛОРОДА .....................132 Методика расчета критического времени развития пожара ........................ 134 Пример решения задачи.................................................................................... 136 4.2.2. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ, ПЕРИМЕТРА И ФРОНТА ПОЖАРА КЛАССА А НА ЗАДАННЫЕ МОМЕНТЫ ВРЕМЕНИ ........................137 Методика расчета площади, периметра и фронта пожара ........................... 138 Пример решения задачи.................................................................................... 138 4.2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЖАРА И ВЫСОТЫ НЕЙТРАЛЬНОЙ ЗОНЫ НА ЗАДАННОЕ ВРЕМЯ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА...........................................................................................................140 Методика расчета температуры пожара и высоты нейтральной зоны ...... 144 Пример решения задачи.................................................................................... 147 РАЗДЕЛ 5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ И ПРЕКРАЩЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ .............................................. 152 5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЖАРОТУШЕНИИ ...............................152 5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА С ПОМОЩЬЮ НЕГОРЮЧИХ ГАЗОВ ............................................................................. 155 Индивидуальное расчетное задание №5.....................................................156 Методика определения основных параметров тушения пожара с помощью негорючих газов ..................................................................................... 157 Пример решения задачи.................................................................................... 160 ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................... 167 5 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Горение - основной процесс на пожаре. Знание основных закономерностей возникновения, развития и прекращение процессов горения позволяет специалистам в области гражданской защиты эффективно решать задачи предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Основой учебной дисциплины “Теория развития и прекращение горения” является изучение основных положений теории возникновения и развития процессов горения, условий, при которых горение может привести к взрыву, методикам расчетного и экспериментального определения основных параметров пожаровзрывоопасности веществ и материалов, основных положений теории прекращения горения, физико-химических основ развития пожара и механизма действия разнообразных огнетушащих средств. Теоретический материал базируется на основе таких дисциплин как “Физика”, “Химия”, “Термодинамика и теплопередача”. Как дисциплина профессионального направления “Теория развития и прекращение горения” обобщает и использует теоретические исследования в области пожаровзрывоопасности, практический опыт работников системы МЧС. Как научная дисциплина “Теория развития и прекращение горения” является теоретической основой для изучения таких дисциплин как "Пожарная тактика", "Пожарная профилактика в населенных пунктах", "Пожарная профилактика технологических процессов", "Пожарная техника", "Пожарная и производственная автоматика". Цель дисциплины состоит в том, чтобы заложить фундамент научных представлений о процессе горения, условиях, которые могут привести к возникновению и прекращению горения, пожаровзрывоопасных свойствах разных веществ и материалов, физико-химических основах развития пожаров, механизме действия основных огнетушащих средств. Знание этих теоретических положений позволяет не только глубоко осознать взаимосвязь показателей пожарной опасности веществ с 6 параметрами горения, но и научиться управлять процессом горения, обеспечивать безопасные условия использования веществ и материалов, определять условия, при которых возможно возникновение пожара, основные параметры, характеризующие развитие пожаров разных классов, а также основные параметры процесса пожаротушения. Задачи дисциплины: - ознакомление с понятиями и показателями пожаровзрывоопасности веществ и материалов; - овладение методиками расчетного и экспериментального определения основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов; - изучение механизмов возникновения и протекания процессов горения газообразных, жидких, твердых и взрывчатых веществ и материалов в дисперсном состоянии с целью предотвращения возникновения пожаров или снижения интенсивности горения на пожаре; - ознакомление с закономерностями влияния внешних условий на состояние пожарной опасности горючих систем и изменением параметров, характеризующих возникновение и развитие горения; - ознакомление с общими закономерностями динамики пожара; - ознакомление с особенностями развития пожаров в ограждении и на открытом пространстве; - овладение методиками расчета основных параметров развития пожаров разных классов; - ознакомление с механизмом прекращения горения и предотвращения возникновения горения с помощью огнетушащих веществ разных классов; - овладение методиками расчетного определения основных параметров пожаротушения с помощью огнетушащих веществ разных классов; - обучение основам анализа относительно возникновения и развития чрезвычайных ситуаций при хранении и эксплуатации горючих веществ и материалов. 7 - - - - - - 8 В результате изучения дисциплины слушатели должны: Знать: виды процессов горения, основные параметры, характеризующие процесс горения; строение пламени и процессы, происходящие в зонах пламени; условия, необходимые для возникновения горения, и виды возникновения горения: самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание; основы тепловой теории распространения кинетического горения; условия перехода дефлаграционного горения в детонацию; условия возникновения взрыва, понятие взрывоопасности веществ, факторы, влияющие на взрывоопасность горючих систем; основные показатели пожарной опасности веществ и материалов в разных агрегатных состояниях; методики расчетного и экспериментального определения основных параметров пожарной опасности веществ и материалов; механизм возникновения и распространение горения по поверхности жидких и твердых веществ, общие закономерности процесса выгорания конденсированных горючих веществ; особенности горения материалов в дисперсном состоянии, факторы, влияющие на взрывоопасность аэрозолей; общие понятия пожара, параметры, характеризующие развитие пожара, классификация пожаров; методики расчета основных параметров пожаров разных классов; основные методы прекращения горения на пожаре и предотвращение возникновения горения в технологических процессах производств; классификацию и основные требования к огнетушащим средствам, основные параметры пожаротушения, их взаимосвязь; механизм прекращения горения способами охлаждения, изоляции, разбавления и химического торможения реакции горения, комбинированные средства и способы пожаротушения. Уметь: - проводить расчет параметров горения: материального и теплового баланса процесса горения, температуры горения, температуры и давления взрыва; - проводить расчет параметров возникновения горения горючих систем: безопасной температуры нагрева поверхности технологического оборудования, температуры самонагревания и периода индукции при тепловом самовозгорании, зажигающей способности искры; - рассчитывать параметры, характеризующие пожароопасность и взрывоопасность горючих веществ: йодное число жиров и масел, концентрационные пределы распространения пламени, температурные пределы распространения пламени, давление насыщенного пара, температуру вспышки, нижний концентрационный предел распространения пламени аэрозоля; - определять степень пожарной опасности веществ и материалов при заданных условиях, безопасные параметры хранения и переработки; - рассчитывать основные параметры развития пожаров в ограждении и на открытом пространстве: площадь, периметр, фронт пожара, критическое время развития пожара, температурный режим пожара, высоту нейтральной зоны, расстояние разлета искр, безопасное расстояние от газовых фонтанов и горящих резервуаров, время возможного выброса при пожаре резервуаров, параметры взрыва паро- или газовоздушного облака; - проводить выбор огнетушащих веществ, наиболее эффективно прекращающих горение, и оптимальные методы подачи огнетушащих веществ в зависимости от условий протекания процесса горения; - проводить анализ условий возникновения и развития чрезвычайных ситуаций при хранении и эксплуатации горючих веществ и материалов. Иметь практические навыки: - проведения лабораторных исследований по определению основных параметров пожарной опасности веществ и материалов, влиянию различных факторов на эти параметры. 9 ОРГАНИЗАЦИОННО - МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Основными формами проведения занятий по дисциплине "Теория развития и прекращения горения" являются лекции, лабораторные работы, практические и семинарские занятия, самостоятельная работа слушателей. Для систематизации и обобщения полученных знаний предполагается выполнение расчетных работ. Первая расчетная работа проводится по темам 2, 3, 7, 8 “Расчет параметров процесса горения и показателей, характеризующих пожаровзрывоопасность горючей жидкости при заданных условиях”. Вторая расчетная работа проводится по темам 12, 13, 15 -“Расчет параметров взрыва паров, образовавшихся при испарении в воздух жидкости, расчет безопасных расстояний от горящего газового фонтана, расчет температурного режима при пожаре в ограждении и основных параметров пожаротушения в помещении с помощью негорючих газов”. Расчетные работы выполняются слушателями при самостоятельном изучении учебного материала и имеют цель углубить навыки проведения расчетов основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов, параметров развития пожара в ограждении и на открытом пространстве, основных параметров пожаротушения. При изучении дисциплины по наиболее важным темам проводятся лабораторные работы, на которых слушатели отрабатывают вопросы, связанные с определением параметров пожаровзрывоопасности веществ, основными закономерностями развития пожара в ограждении и исследованием основных способов тушения веществ. Изучение дисциплины завершается проведением экзамена. 10 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Тема 1. Общие сведения о природе процессов горения Горение как основной процесс на пожаре. Значение законов возникновения, развития и прекращения горения в обеспечении безопасного функционирования объектов промышленности и сельского хозяйства. Место дисциплины в системе подготовки специалистов системы МЧС, содержание и структура курса. Классификация процессов горения: кинетическое и диффузионное, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, дефлаграционное и детонационное горение, особенности каждого вида горения. Составление стехиометрических уравнений процесса горения веществ в воздухе. Строение пламени, процессы, происходящие в разных зонах пламени. Температурный режим пламени. Основные теории, объясняющие протекание процесса горения. Перекисная теория окисления и теория цепных реакций. Активные центры пламени, разветвленные и неразветвленные цепные реакции. Вопросы для самопроверки: 1. Сущность процесса горения как окислительновосстановительного процесса. Воздух и его состав. Методика составления уравнений реакции горения веществ с воздухом. 2. Условия возникновения и прекращения процесса горения. Классификация процессов горения: гомогенное и гетерогенное, диффузное и кинетическое, дефлаграционное и детонационное, ламинарное и турбулентное. 3. Пламя, структура, цвет, температурный режим пламени. 4. Зоны пламени, процессы, происходящие в разных зонах. Перекисная теория Баха. Виды перекисей, их опасность. 5. Процессы, протекающие в зоне горения с точки зрения теории цепных реакций Семенова. Разветвленные и неразветвленные цепные реакции, скорость протекания цепной реакции. Рекомендованная литература [1, 2, 4, 5, 22, 23, 25]. 11 Тема 2. Материальный и тепловой баланс процесса горения Материальный баланс процесса горения. Особенности расчета объема воздуха, необходимого для полного сгорания индивидуальных веществ, газовых смесей и веществ сложного состава, находящихся в разных агрегатных состояниях. Коэффициент избытка воздуха. Продукты горения и их состав, расчет объема продуктов горения при полном и неполном сгорании веществ. Дым, опасность дыма, токсичность продуктов горения на пожаре. Тепловые эффекты реакции горения. Расчет теплотворной способности горючего материала, низшая и высшая теплота сгорания. Тепловой баланс процесса горения. Теплота и температура горения, особенности определения температуры горения веществ. Температура горения и ее виды. Расчет температуры горения. Вопросы для самопроверки: 1. Материальный баланс процесса горения, полное и неполное сгорание. Продукты горения, их состав, классификация. Дым и его опасность на пожаре. Методы расчета объема продуктов горения. 2. Экзотермические и эндотермические реакции. Составление термохимических уравнений реакции горения. Теплота образования химических веществ, закон Г.И. Гесса. 3. Энергетический баланс процесса горения. Виды теплоты сгорания (низшая, высшая, молярная, массовая, объемная), расчет теплоты сгорания сложных веществ. 4. Пожарная нагрузка. Практическое значение теплоты сгорания для оценки горючести веществ и материалов. 5. Температура горения вещества. Виды температур горения: калориметрическая, теоретическая, адиабатическая и практическая температура горения. 6. Способы определения температуры горения. Факторы, влияющие на температуру горения. Практическое значение величины температуры горения. Рекомендованная литература [2, 4, 5, 20, 25, 30]. 12 РАЗДЕЛ 2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Тема 3. Горючие системы. Концентрационные пределы распространения пламени Условия возникновения горения. Область кинетического горения газовых смесей. Предельные параметры процесса горения, зависимость параметров горения от концентрации горючего вещества и окислителя в газовоздушной смеси. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП), их значение для оценки опасности газовоздушных смесей. Зависимость КПРП от начальной температуры, давления, мощности источника зажигания, наличия флегматизаторов. Способы расчетного и экспериментального определения КПРП и установление степени опасности фактической концентрации газовоздушных смесей. Способы практического определения фактической концентрации паров и газов в воздухе. Вопросы для самопроверки: 1. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) газов. Факторы, влияющие на КПРП. 2. Практическое значение КПРП, методы расчета. Рекомендованная литература [1, 2, 3, 4, 5, 7, 22, 24, 26]. Тема 4. Самовоспламенение горючих систем Условия, необходимые для возникновения горения, виды возникновения горения. Элементы тепловой теории самовоспламенения. Соотношение между тепловыделением и теплоотдачей при самовоспламенении. Графическое и математическое отображение критических условий самовоспламенения, период индукции. Температура самовоспламенения. Факторы, влияющие на температуру самовоспламенения: природа горючего вещества (состав и строение молекулы), состав горючей смеси (содержание горючего вещества, окислителя, негорючих газов, катализаторов, ингибиторов), условия, в которых находится горючая смесь (объем и форма реакционного сосуда, давление, начальная температура). Минимальная и стандартная температуры самовоспламенения. Расчетное и экспериментальное определение температуры самовоспламенения веществ в воздухе. 13 Вопросы для самопроверки: 1. Особенности процесса возникновения горения. Виды возникновения горения. 2. Самовоспламенение веществ и материалов. Период индукции, факторы, влияющие на период индукции. 3. Тепловая теория самовоспламенения. Графическое и математическое отображение критических условий самовоспламенения. 4. Факторы, влияющие на температуру самовоспламенения. Зависимость температуры самовоспламенения от состава горючей смеси. Стехиометрическое соотношение горючего вещества и окислителя. 5. Расчет допустимой температуры нагревания поверхности технологического оборудования. Способы снижения пожарной опасности технологического процесса. Принцип работы огнепреградителей. Рекомендованная литература [3, 4, 5, 7, 11, 20, 27, 31]. Тема 5. Самовозгорание веществ и материалов Самовозгорание. Виды самовозгорания - химическое, физическое, тепловое и микробиологическое. Условия, приводящие к возникновению самовозгорания. Температура самонагревания, расчет критических условий теплового самовозгорания. Самовозгорание угля и растительных материалов. Особенности химического самовозгорания при контакте веществ с водой, кислородом воздуха, с газообразными, жидкими и твердыми окислителями. Особенности самовозгорания жиров и масел, экспериментальное определение склонности жиров и масел к самовозгоранию. Вопросы для самопроверки: 1. Сущность процесса самовозгорания. Отличительные особенности процесса самовозгорания от самовоспламенения. Классификация процессов самонагревания при самовозгорании. Условия возникновения процесса самовозгорания. 2. Микробиологическое самовозгорание. Механизм самовозгорания растительных материалов: причины, условия, меры 14 профилактики. 3. Химическое самовозгорание. Особенности самовозгорания веществ при контакте с кислородом воздуха, пирофорные вещества и соединения. Причины и условия самовозгорания, меры профилактики. 4. Особенности самовозгорания веществ при контакте с водой, причины, условия и меры профилактики. 5. Физическое самовозгорание веществ. Особенности самовозгорания угля, причины самонагревания, условия и меры профилактики. 6. Самовозгорание жиров и масел. Причины и условия самовозгорания жиров и масел. Йодное число и его практическое значение как показателя склонности к самовозгоранию. Меры профилактики. 7. Механизм теплового самовозгорания материалов: причины, условия, меры профилактики. Рекомендованная литература [3, 4, 5, 7, 10, 23, 30]. Тема 6. Вынужденное зажигание горючих систем Общие и отличительные особенности процессов самовоспламенения и зажигания. Виды источников зажигания. Механизм вынужденного зажигания. Критические условия вынужденного зажигания. Элементы тепловой теории зажигания нагретым телом. Факторы, влияющие на температуру зажигания. Сведения о тепловой и ионной теории зажигания электрическим разрядом. Минимальная энергия зажигания. Факторы, влияющие на минимальную энергию зажигания. Зажигательная способность фрикционных искр. Расчетное определение способности фрикционной искры к зажиганию горючей системы. Значение достоверной оценки критических параметров источников зажигания для обеспечения пожаро- и взрывобезопасных условий работы, установление причин загорания горючих веществ при экспертизе пожаров. Вопросы для самопроверки: 1. Вынужденное зажигание горючей смеси. Отличие вынуж15 денного зажигания от самовоспламенения. Зажигание нагретым телом. 2. Виды источников зажигания. Период индукции, процессы, протекающие в горючей смеси за период индукции. Факторы, влияющие на период индукции. 3. Зажигание горючих смесей электрическими разрядами. Тепловая теория вынужденного зажигания электрическими разрядами. Влияние мощности разряда на процесс зажигания. 4. Зажигание горючих смесей фрикционными искрами. 5. Сходство и отличие самовоспламенения, самовозгорания и вынужденного зажигания. Рекомендованная литература [4, 5, 18, 20, 23, 25]. РАЗДЕЛ 3. РАЗВИТИЕ ГОРЕНИЯ Тема 7. Горение газо-паровоздушных смесей Кинетическое горение газовых смесей. Элементы диффузной и тепловой теории распространения пламени. Фронт пламени, зоны фронта пламени, процессы, происходящие в подготовительной зоне и зоне горения. Нормальная скорость распространения пламени. Факторы, влияющие на нормальную скорость распространения горения: начальная температура, давление, состав горючей смеси, вид горючего вещества. Взрыв, переход кинетического дефлаграционного горения в детонацию, определение максимального давления при взрыве. Вопросы для самопроверки: 1. Кинетическое горение газов. Характеристика фронта пламени. 2. Тепловая и диффузионная теории распространения кинетического горения. Скорость распространения фронта пламени. Основные факторы, влияющие на скорость распространения горения. 3. Виды кинетического горения газов. Дефлаграционное горение газов, процессы, происходящие во фронте пламени. 4. Взрыв, расчетное определение давления взрыва. Практическое значение максимального давления взрыва. 5. Переход дефлаграционного горения к детонации. Рекомендованная литература [2, 3, 4, 7, 11, 18, 22, 24, 25, 26, 16 27, 28, 31]. Тема 8. Горение жидкостей Испарение жидкостей. Насыщенный пар и его свойства, зависимость давления насыщенного пара от температуры жидкости. Расчетное определение давления насыщенного пара. Температурные пределы распространения пламени (ТПРП), способы расчетного и экспериментального определения ТПРП для жидкостей различного состава. Практическое значение ТПРП для обеспечения безопасных условий при работе, хранении и транспортировании горючих жидкостей. Физико-химические процессы, протекающие при зажигании жидкостей. Температура вспышки и температура воспламенения жидкости, расчетные и экспериментальные способы их определения. Факторы, влияющие на температуру вспышки жидкости. Механизм распространения пламени по поверхности жидкости. Линейная скорость распространения горения по поверхности жидкости. Анализ влияния природы горючей жидкости, содержания негорючих компонентов, начальной температуры, давления, скорости ветра и других факторов на величину скорости распространения пламени. Механизм выгорания жидкостей. Тепло- и массообмен при горении жидкости. Факторы, влияющие на массовую скорость выгорания жидкостей. Прогрев жидкости вглубь при установившемся горении, жидкости первого и второго рода. Механизм образования гомотермического слоя. Вскипание и выброс жидкостей при горении в резервуаре, причины, условия и механизм этих процессов. Вопросы для самопроверки: 1. Насыщенный пар и его свойства. Давление насыщенного пара, его характеристика определение степени опасности. Расчет фактической концентрации насыщенного пара жидкости при заданной температуре. 2. Испарение жидкостей в открытое и закрытое пространство. Факторы, влияющие на скорость испарения. Основные параметры, характеризующие пожарную опасность жидкостей 17 в открытом и закрытом пространстве. 3. Температурные пределы распространения пламени жидкостей (ТПРП). Связь концентрационных и температурных пределов распространения пламени. Методы определения ТПРП. 4. Факторы, влияющие на ТПРП. Практическое значение ТПРП. 5. Определение степени опасности горючих жидкостей при данных условиях. Рабочие температуры при хранении, переработке и транспортировании горючих жидкостей. 6. Температура вспышки жидкостей. Методы расчетного и экспериментального определения температуры вспышки. Отличие температуры вспышки от температуры воспламенения. Практическое значение температуры вспышки. 7. Механизм распространения пламени по поверхности горючих жидкостей. Факторы, влияющие на скорость распространения горения. 8. Процессы, протекающие при установившемся горении жидкостей. Распределение температур первого и второго рода. Рекомендованная литература [1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 14, 16, 19, 25]. Тема 9. Горение твердых веществ Классификация твердых горючих материалов по химическому составу и поведению при нагревании. Общие закономерности возникновения горения твердых материалов, распределение поля температур в зоне горения и в твердом материале. Механизм распространения горения по поверхности твердых горючих материалов. Линейная скорость распространения горения по поверхности твердых материалов. Факторы, влияющие на скорость распространения горения: природа горючего вещества, содержание негорючих компонентов, начальная температура, ориентация образца в пространстве, влажность, геометрические размеры образца, скорость ветра и прочие. Термически тонкие и термически толстые образцы. Распределение температуры в материале при выгорании. Горение целлюлозосодержащих материалов. Приблизительный состав дерева, термическое разложение дерева при нагревании. Гомогенно-гетерогенный режим горения целлюло18 зосодержащих материалов на пожаре, реакции переугливания. Тление, особенности тления. Зоны, образующиеся в процессе тления. Переход тления в гомогенное горение. Опасность тления в закрытом пространстве при тушении пожаров. Сравнение процессов горения газообразных, жидких и твердых веществ. Горение полимеров. Классификация полимеров по происхождению, строению, способу получения, поведению при нагревании. Общие закономерности и особенности горения термопластичных и термореактивных полимеров. Основные методы снижения горючести пластмасс. Горючие металлы, летучие и нелетучие металлы. Особенности горения металлов. Вопросы для самопроверки: 1. Горение твердых горючих материалов (ТГМ). Классификация по поведению при нагревании и химическому составу. ТГМ первого и второго рода. 2. Распространение пламени по поверхности ТГМ. Факторы, влияющие на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ. 3. Особенности горения целлюлозных материалов. Две фазы горения дерева на пожаре. Процесс переугливания. 4. Сущность и особенности процесса тления. Переход тления в пламенное горение. 5. Особенности горения металлов. Классификация металлов, явления и процессы, сопровождающие горение металлов. 6. Полимерные материалы, классификация, пожарная опасность. 7. Особенности горения термопластичных и термореактивных пластмасс. Рекомендованная литература [2, 3, 4, 5, 7, 8, 12, 20, 28]. Тема 10. Горение пылевоздушных смесей Горение пылевоздушных смесей, свойства пыли. Механизм возникновения и распространения горения по пылевоздушным смесям. Особенности горения аэрозолей и аэрогелей, параметры, характеризующие пожарную опасность пыли в различных состояниях. Факторы, влияющие на нижний концентрацион19 ный предел распространения пламени по пылевоздушной смеси. Способы расчетного и экспериментального определения нижнего концентрационного предела пыли в воздухе. Вопросы для самопроверки: 1. Пыль как дисперсная система. Классификация пыли. Свойства пыли, определяющие ее пожаровзрывоопасность. 2. Горение пыли. Отличие горения пыли в осевшем и зависшем состоянии. 3. Элементы теории кинетического горения пылевоздушных систем. Отличие горения пылевоздушных систем от кинетического горения газов. 4. Факторы, влияющие на взрывоопасность пыли. Рекомендованная литература [1, 3, 4, 5, 7, 11, 15, 18, 19, 21, 25, 29]. Тема 11. Оценка горючести веществ и материалов Понятие горючести и пожаровзрывоопасности веществ и материалов. Важнейшие показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов. Классификация веществ по группам горючести. Расчетные способы определения групп горючести по теплоте сгорания и энергии Гиббса. Экспериментальные способы оценки горючести: керамическая труба, распространение пламени, тигельная печь и т.д. Вопросы для самопроверки: 1. Оценка пожаровзрывоопасности веществ и материалов. Параметры, характеризующие пожарную опасность веществ в различных агрегатных состояниях. 2. Предотвращение зажигания горючих веществ в условиях технологических процессов. Рекомендованная литература [3, 4, 5, 7, 11, 23]. РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ Тема 12. Пожар и его развитие. Параметры развития открытых пожаров 20 Определение пожара. Общие и частные явления на пожаре. Зоны на пожаре: зона горения, зона теплового воздействия, зона задымления. Параметры и границы зон, условия, влияющие на величину и параметры зон. Периоды и фазы развития пожара. Опасные факторы пожара. Основные параметры пожара: площадь пожара, периметр пожара, фронт пожара, коэффициент поверхности горения, линейная скорость распространения пожара, массовая скорость выгорания на пожаре, теплота и температура пожара, интенсивность газообмена. Формы развития пожара и расчетные схемы площади пожара. Классификация пожаров по условиям газообмена, виду горючего вещества, изменению площади пожара. Понятия о тепломассообмене на пожаре, открытые пожары и пожары в ограждении. Общие закономерности развития пожаров на открытом пространстве. Особенности развития пожара класса А на отрытом пространстве. Разлет искр. Скорость распространения пожара в зависимости от силы и направления ветра. Особенности развития пожаров класса В. Опасные факторы пожаров класса В. Основные параметры взрыва паровоздушного облака. Тротиловый эквивалент. Модель развития пожара в резервуарном парке. Особенности развития пожаров класса С. Зона загазованности при аварийном вытекании горючих газов из технологического оборудования. Пожар газовых фонтанов. Классификация пожаров газовых фонтанов. Опасные факторы пожаров класса С. Зона теплового влияния и безопасные расстояния от горящего фонтана при тушении пожаров. Вопросы для самопроверки: 1. Понятие о пожаре. Классификация, фазы развития, краткая характеристика процессов, протекающих на определенной фазе развития пожара. 2. Общие и частные явления на пожаре, их краткая характеристика. Зоны на пожаре, границы зон. Параметры пожара. 3. Особенности развития пожара класса А. Пожар на открытом пространстве и в ограждении. Характеристика зон. От21 личительные особенности пожаров класса А на открытом пространстве и в ограждении. 4. Особенности возникновения и развития пожара класса В. 5. Модель развития пожара в резервуарном парке. Явления вскипания и выброса жидкостей при горении резервуаров, условия их возникновения и меры предупреждения. 6. Особенности развития пожара класса С. Опасные факторы пожара. Фактор теплового влияния на человека. Методика определения безопасного расстояния от факела горящего фонтана. Рекомендованная литература [2, 6, 7, 9, 14, 19, 33] Тема 13. Тепломассообмен пожара в помещении Общие закономерности развития пожаров в ограждении. Критическое время развития пожара в ограждении. Пожары, регулируемые пожарной нагрузкой и газообменом. Особенности теплопередачи при пожарах в помещениях. Температурный режим внутреннего пожара, факторы, влияющие на температуру пожара в ограждении. Модели, описывающие температурный режим развития пожара в помещении, основные положения интегральной и зонной модели. Прогнозирование температурного режима в зависимости от условий протекания процесса горения на пожаре, расчет температуры пожара в помещении. Механизм газообмена при пожаре в закрытом помещении. Перепад давления в помещении при пожаре, его зависимость от различных параметров. Понятие нейтральной зоны, зависимость положения нейтральной зоны от условий газообмена. Расчет высоты нейтральной зоны на пожаре. Способы регулирования газообмена и высоты нейтральной зоны на пожаре. Вопросы для самопроверки: 1. Развитие пожара в ограждении. Температурный режим пожара в ограждении. 2. Характеристика пожаров, регулируемых газообменом и пожарной нагрузкой. 3. Основные модели температурного режима пожара. 4. Интегральная модель температурного режима пожара в ограждении. Факторы, влияющие на температуру пожара. 22 5. Методика определения температуры пожара по номограммам. 6. Газообмен при пожаре, причины возникновения газообмена. Основные закономерности газообмена на пожаре. 7. Нейтральная зона, факторы, определяющие на высоту нейтральной зоны. Рекомендованная литература [2, 6, 7, 9, 13, 14, 17, 19, 28]. РАЗДЕЛ 5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ И ПРЕКРАЩЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Тема 14. Граничные условия. тепловая теория прекращения горения Сущность граничных условий горения. Область горения по концентрации горючего вещества, окислителя и негорючих примесей в зоне горения. Природа тепловыделения и теплоотдачи при диффузионном горении. Элементы тепловой теории прекращения горения. Взаимосвязь температуры горения с температурой погасания. Пути и способы прекращения горения на пожаре: снижение интенсивности тепловыделения в зоне реакции и повышение интенсивности теплоотдачи из зоны реакции. Вопросы для самопроверки: 1. Основы тепловой теории прекращения горения. 2. Температура погасания, критические параметры процесса горения. 3. Методы, способы и приемы прекращения горения на пожаре и предотвращение возникновения горения в условиях технологических процессов. Рекомендованная литература [3, 4, 5, 7, 10, 23, 30]. Тема 15. Способы прекращения процессов горения. Огнетушащие вещества Основные средства и способы прекращения горения на пожаре. Характеристика основных огнетушащих веществ, общие требования, классификация по доминирующему влиянию на зону горения. Принципы выбора и использования огнетушащего вещества в зависимости от класса пожара. Основные параметры тушения пожара: критическая и оптимальная интенсивность подачи огнету23 шащего вещества в зону горения, удельный и общий расход огнетушащего вещества, показатель эффективности тушения, коэффициент использования огнетушащего вещества. Практическое использование параметров пожаротушения для организации боевых действий при тушении пожара. Охлаждающие огнетушащие вещества, механизм действия охлаждающих огнетушащих веществ на зону горения. Вода, основные химические и физико-химические свойства воды как огнетушащего вещества. Расчет теоретически необходимого удельного расхода воды при тушении пожара. Методы повышения эффективности использования воды: введение смачивателей, загустителей, антипиренов, ингибиторов. Изолирующие огнетушащие вещества. Виды огнетушащих пен, способы их получения. Пенообразователи, общие требования. Параметры, характеризующие свойства воздушномеханической пены. Механизм прекращения горения при действии воздушно-механической пены на зону горения, подслойный способ подачи огнетушащих пен. Разбавление реагирующих компонентов, флегматизация горючих смесей. Разбавляющие огнетушащие вещества. Механизм прекращения горения с помощью негорючих газов. Показатель огнетушащей эффективности негорючих газов. Методы повышения эффективности разбавляющих огнетушащих веществ. Минимальная флегматизирующая концентрация. Расчет интенсивности подачи, удельного расхода и времени тушения с помощью негорючих газов. Химическое торможение реакции горения как способ прекращения горения на пожаре. Ингибирующие огнетушащие вещества: хладоны, огнетушащие порошки общего назначения, аэрозолеобразующие составы. Механизм их влияния при тушении пожаров. Преимущества и недостатки ингибирующих огнетушащих веществ. Комбинированные средства и способы прекращения горения. Принципы разработки комбинированных способов тушения пожара и использования их в практике пожаротушения. Комбинация газов, жидкостей и порошковых составов, введение инги24 биторов и негорючих газов в пену. Вопросы для самопроверки: 1. Огнетушащие вещества. Общие требования к огнетушащим веществам, классификация и основы выбора огнетушащих веществ. 2. Основные параметры пожаротушения, их взаимосвязь. 3. Охлаждающие огнетушащие вещества и их краткая характеристика. Прекращение горения методом охлаждения. Условия и процессы, сопровождающие прекращение горения. 4. Прекращение горения с использованием воды. Механизм и процессы, приводящие к прекращению горения. Методы повышения эффективности использования воды как огнетушащего средства. 5. Прекращение горения методом изоляции. Изолирующие огнетушащие вещества. 6. Процессы, происходящие при прекращении горения воздушно-механическими пенами. Свойства огнетушащих пен. 7. Механизм прекращения горения инертными газами. Показатель эффективности огнетушащего действия разных флегматизаторов. 8. Механизм прекращения горения разбавляющими огнетушащими веществами. Предотвращение возникновения горения флегматизацией, методика расчета флегматизирующей концентрации. 9. Ингибирование процесса горения. Принцип прекращения горения ингибиторами, исходя из тепловой теории прекращения горения и теории цепных реакций. Виды ингибирующих огнетушащих веществ. 10. Огнетушащие порошковые смеси, их характеристика. Виды огнетушащих порошков. Механизм прекращения горения огнетушащими порошками. Рекомендованная литература [2, 6, 7, 9, 11, 14, 18, 23, 26, 32]. 25 ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ 1. Сущность горения как окислительно-восстановительного процесса. Воздух и его состав. Методика составления уравнений реакции горения веществ с воздухом. 2. Условия возникновения и прекращения процесса горения. Классификация процессов горения: гомогенное и гетерогенное, диффузионное и кинетическое, дефлаграционное и детонационное, ламинарное и турбулентное. 3. Пламя, структура и цвет пламени. Температурный режим пламени, процессы, происходящие в разных зонах пламени. 4. Перекисная теория Баха. Виды перекисей, их опасность. 5. Процессы, происходящие в зоне горения с точки зрения теории цепных реакций Семенова. Разветвленные и неразветвленные цепные реакции, скорость протекания цепной реакции. 6. Материальный баланс процесса горения, полное и неполное сгорание. Продукты горения, их состав, классификация. Дым и его опасность на пожаре. Методы определения объема продуктов горения. 7. Экзотермические и эндотермические реакции. Составление термохимических уравнений реакций горения. Теплота образования химических веществ, закон Г.И.Гесса. 8. Энергетический баланс процесса горения. Виды теплот сгорания (низшая, высшая, молярная, массовая, объемная), методы определения теплоты сгорания индивидуальных веществ. 9. Пожарная нагрузка. Методы определения теплоты сгорания сложных веществ. Практическое значение теплоты сгорания для оценки горючести веществ. 10. Температура горения вещества и ее виды: калориметрическая, теоретическая, адиабатическая и практическая.. 11. Способы определения температуры горения. Факторы, влияющие на температуру горения. Практическое значение температуры горения в условиях пожара. 12. Особенности процесса возникновения горения. Виды возникновения горения, сходство и отличие самовоспламенения, самовозгорания и вынужденного зажигания. 13. Самовоспламенение веществ и материалов. Период индук26 ции, факторы, влияющие на период индукции. 14. Тепловая теория самовоспламенения: графическое и математическое отображение критических условий. 15. Факторы, влияющие на температуру самовоспламенения. Зависимость температуры самовоспламенения от вида горючего вещества, состава горючей смеси, условий окружающей среды. 16. Расчет допустимой температуры нагрева поверхности технологического оборудования. Способы снижения пожарной опасности технологического процесса. Принцип работы огнепреградителей. 17. Сущность процесса самовозгорания. Отличительные особенности процесса самовозгорания от самовоспламенения. Классификация процессов самонагревания при самовозгорании. Условия, содействующие процессу самовозгорания. 18. Микробиологическое самовозгорание. Механизм самовозгорания растительных материалов: причины, условия, меры профилактики. 19. Химическое самовозгорание. Особенности самовозгорания веществ при контакте с кислородом воздуха, пирофорные вещества. Причины самовозгорания, меры профилактики. 20. Химическое самовозгорание веществ при контакте с водой, причины, условия и меры профилактики. 21. Физическое самовозгорание. Особенности самовозгорания угля, причины самонагревания, условия и меры профилактики. 22. Самовозгорание жиров и масел, причины, условия, меры профилактики. Йодное число, его значение как показателя склонности жира к самовозгоранию. 23. Механизм теплового самовозгорания материалов: причины, условия, меры профилактики. 24. Вынужденное зажигание горючей смеси. Отличие вынужденного зажигания от самовоспламенения. Зажигание нагретым телом. 25. Виды источников зажигания. Период индукции, процессы, протекающие в горючей смеси за период индукции. Факторы, влияющие на период индукции. 26. Зажигание горючих смесей электрическими разрядами. Теп27 ловая теория вынужденного зажигания электрическими разрядами. Влияние мощности разряда на процесс зажигания. 27. Зажигание горючих смесей фрикционными искрами. 28. Кинетическое горение газов. Скорость распространения фронта пламени, характеристика фронта пламени и факторы, влияющие на скорость распространения горения. 29. Виды кинетического горения газов. Дефлаграционное горение газов. Характеристика фронта пламени. Тепловая и диффузионная теории распространения кинетического горения. 30. Переход дефлаграционного горения в детонацию. Взрыв, расчетное определение давления взрыва. Практическое значение максимального давления взрыва. 31. Концентрационные пределы распространения пламени газов (КПРП). Факторы, влияющие на КПРП. 32. Практическое значение КПРП, методика расчета. 33. Насыщенный пар и его свойства. Давление насыщенного пара, его характеристика и опасность. Расчет фактической концентрации насыщенного пара жидкости при заданной температуре. 34. Испарение жидкостей в открытое и закрытое пространство. Факторы, влияющие на скорость испарения. Параметры пожарной опасности жидкостей в открытом и закрытом пространстве. 35. Температурные пределы распространения пламени жидкостей (ТПРП), методы определения, связь с концентрационными пределами распространения пламени. 36. Факторы, влияющие на ТПРП. Практическое значение ТПРП. 37. Температура вспышки жидкостей и ее практическое значение. Методы экспериментального и расчетного определения температуры вспышки. Отличие температуры вспышки от температуры воспламенения. 38. Механизм распространения пламени по поверхности горючих жидкостей. Факторы, влияющие на скорость распространения горения. 39. Процессы, протекающие при установившемся горении жидкостей. Распределение температур первого и второго рода. 40. Определение степени опасности горючих жидкостей при данных условиях. Рабочие температуры при хранении, переработ28 ке и транспортировании горючих жидкостей. 41. Горение твердых горючих материалов (ТГМ). Классификация, ТГМ первого и второго рода. Факторы, влияющие на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ. 42. Особенности горения целлюлозосодержащих материалов. Две фазы горения дерева на пожаре. Процесс переугливания. 43. Сущность и особенности процесса тления. Переход тления в пламенное горение. 44. Особенности горения металлов. Классификация металлов, явления и процессы, сопровождающие горение металлов. 45. Полимерные материалы, классификация, пожарная опасность. Особенности горения термопластов и реапластов. 46. Пыль как дисперсная система. Классификация пылей. Свойства пылей, определяющие их пожаровзрывоопасность. 47. Отличие горения пылей в осевшем и зависшем состоянии. 48. Элементы теории горения пылевоздушных систем. Отличие горения пылевоздушных систем от кинетического горения газов. Факторы, влияющие на взрывоопасность пылей. 49. Оценка пожаровзрывоопасности и условия предотвращения зажигания веществ и материалов в технологических процессах. Параметры, характеризующие пожарную опасность веществ. 50. Понятие о пожаре. Классификация, фазы развития и краткая характеристика процессов, протекающих на фазах пожара. 51. Общие и частные явления на пожаре. Зоны на пожаре, их характеристика и границы. Параметры пожара. 52. Особенности развития пожара класса А. Пожар на открытом пространстве и в ограждении, отличительные особенности. Характеристика зон пожара. 53. Особенности развития пожара класса В. Явления вскипания и выброса жидкостей при горении резервуаров, их причины, условия и меры предупреждения. 54. Условия возникновения пожаров класса В. Модель развития пожара в резервуарном парке. 55. Развитие пожара класса С, опасные факторы. Методика определения безопасного расстояния от факела горящего фонтана. 56. Особенности развития пожара в ограждении. Температур29 ный режим пожара и его расчетные модели. 57. Интегральная модель температурного режима пожара в ограждении. Факторы, влияющие на температуру пожара в ограждении. Определение температуры пожара по номограмме. 58. Основные закономерности газообмена на пожаре. Причины возникновения газообмена при пожаре в ограждении. 59. Понятие о нейтральной зоне. Факторы, влияющие на высоту нейтральной зоны. Краткая характеристика пожаров, регулируемых газообменом и пожарной нагрузкой. 60. Основы тепловой теории прекращения горения. Температура погасания, критические параметры процесса горения. 61. Огнетушащие средства. Общие требования, классификация, основы выбора огнетушащих средств. 62. Основные параметры пожаротушения, их взаимосвязь. 63. Прекращение горения методом охлаждения. Условия и процессы, сопровождающие прекращение горения. Охлаждающие огнетушащие вещества и их краткая характеристика. 64. Прекращение горения с использованием воды. Механизмы и процессы, приводящие к прекращению горения. Методы повышения эффективности использования воды как огнетушащего средства. 65. Прекращение горения методом изоляции. Изолирующие огнетушащие вещества. 66. Процессы, происходящие при прекращении горения воздушно-механическими пенами. Свойства огнетушащих пен. 67. Механизм прекращения горения негорючими газами. Показатель эффективности огнетушащего действия флегматизатора. 68. Предотвращение и прекращение горения разбавляющими огнетушащими веществами. Методика расчета флегматизирующей концентрации. 69. Ингибирование процесса горения. Принцип прекращения горения ингибиторами, исходя из тепловой теории прекращения горения и теории цепных реакций. Виды ингибирующих огнетушащих веществ. 70. Огнетушащие порошковые средства, их характеристика, виды. 30 Механизм прекращения горения огнетушащими порошками. 31 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ РАСЧЕТНЫХ ЗАДАНИЙ ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 1 Рассчитать параметры материального и энергетического баланса процесса горения, показатели пожаровзрывоопасности горючей жидкости, фактическую концентрацию паровоздушной смеси при заданных условиях и степень ее опасности. Для вещества, определяемого по номеру зачетной книжки, рассчитать по всем возможным из предложенных методик следующие параметры: 1. Цвет диффузионного пламени. 2. Объемную и массовую стехиометрическую концентрацию. 3. Объем воздуха и продуктов сгорания. 4. Состав продуктов сгорания. 5. Молярную, массовую и объемную теплоту сгорания вещества. 6. Температуру горения вещества при заданных условиях. 7. Температуру взрыва стехиометрической горючей смеси и максимальное давление взрыва паровоздушного облака. 8. Концентрационные пределы распространения пламени. 9. Температуру самовоспламенения. 10. Минимальную энергию зажигания. 11. Давление насыщенного пара при заданных условиях. 12. Температурные пределы распространения пламени. 13. Температуру вспышки и класс жидкости. Исходные условия, в которых находится вещество, определяются по таблице № 1.1 по первой цифре зачетной книжки, или по указаниям преподавателя. Вещество, параметры пожарной опасности которого нужно рассчитать, определяется по таблице №1.2 по двум последним цифрам зачетной книжки. Таблица № 1.1 Исходные условия Первая цифра зачетной книжки 0 1,7 Коэффициент избытка воздуха Начальное давление Р0, кПа 110 о Начальная температура t0, С 22 32 1 1,3 99 11 2 1,9 103 30 Таблица № 1.2. Вещество, горючая жидкость № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. Вещество Акриловая кислота Акролеин Аллиловый спирт Амилбензол Амилметилкетон Амиловый спирт Амилциклогексан Анилин Ацетон Ацетонитрил Бензиловый спирт Бензол Бутаналь Бутандиол-2,3 Бутановая кислота Бутанол Бутанон Бутилбензол Бутилметилкетон Бутилфенол Бутилформиат Валериановая кислота Валериановый альдегид Валеролактон Гексадиен Гексан Гексилметилкетон Гексиловый спирт Гептан Декан Диацетоновый спирт Дибутиловый эфир Дипропиловый эфир Диэтиламин Диэтиленгликоль Диэтилизопропилметан Диэтилкетон Диэтиловый эфир Диизопропилкетон Диоксан Додекан Этилацетат Этилбензол Этиленгликоль о-Этилтолуол Этилформиат Этилциклогексан Изоамиловый спирт Изобутилацетат Изопропенилбензол Формула С3Н4О2 С3Н4О С3Н6О С11Н16 С7Н14О С5Н12О С11Н22 С6Н7N С3Н6О С2Н3N С7Н8О С6H6 C4H8O C4H10O2 C4H8O2 C4H10O C4H8O C10H14 C6H12O C10H14O C5H10O2 C5H10O2 C5H10O C5H8O2 C6H10 C6H14 C8H16O C6H14O C7H16 C10H22 C6H12O2 C8H18O C6H14O C4H11N C4H10O3 C8H18 C5H10O C4H10O C7H14O C4H8O2 C12H26 C4H8O2 C8H10 C2H6O2 C9H12 C3H6O2 C8H16 C5H12O C6H12O2 C9H10 № 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. 76. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 91. 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 00 Вещество м-Крезол Ксилидин м-Ксилол Кумол Метанол Метилацетат Метилбутират 2-2-Метилгексан Метилпентальдегид Метилпропионат Метилпропилкетон Метилформиат Метилциклогексан Метилциклопентан Метоксиэтилацетат Муравьиная кислота Нонан Нониловый спирт Октан Октаналь Октановая кислота Октиловый спирт Октилциклогексан Уксусная кислота Уксусный ангидрид Пентан Пентанол-2 Пиридин Пиррол Пропаналь Пропанол Пропиламин Пропилбензол Пропилбутират Пропиленгликоль Пропилэтилкетон Пропилформиат Пропилциклогексан Пропилциклопентан Пропионовая кислота Пропионовый ангидрид Стирол Тетрагидрофуран Тетраметилпентан Толуол Триметилбензол Триметилгексан Ундеканол Фенилэтиловый эфир Цимол Формула C7H8O C8H11N C8H10 C9H12 CH4O C3H6O2 C5H10O2 C7H16 C6H12O C4H8O2 C5H10O C2H4O2 C7H14 C6H12 C5H10O3 CH2O2 C9H20 C9H20O C8H18 C8H16O C8H16O2 C8H18O C14H28 C2H4O2 C4H6O3 C5H12 C5H12O C5H5N C4H5N C3H6O C3H8O C3H9N C9H12 C7H14O2 C3H8O2 C6H12O C4H8O2 C9H18 C8H16 C3H6O2 C6H10O3 C8H8 C4H8O C9H20 C7H8 C9H12 C9H20 C11H24O C8H10O C10H14 33 1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦВЕТА ДИФФУЗИОННОГО ПЛАМЕНИ В структуре пламени можно выделить несколько зон - подготовительную, зону горения и зону продуктов сгорания. В подготовительной зоне происходит процесс термического разложения вещества на химические элементы, радикалы и функциональные группы. Например, ацетилен С2Н2 при горении разлагается по следующей схеме: С2Н2 = 2С + 2Н. Если в подготовительной зоне есть кислород, то происходит предварительное окисление углерода, и в зону горения попадают не атомы углерода, а молекулы СО. В зоне горения происходят реакции сгорания продуктов предварительного окисления, углерода и водорода до конечных продуктов: СО + О = СО2; С + 2О = СО2; 2Н + О = Н2О. Спектры излучения двухатомных (СО) и трехатомных газов (СО2, Н2О) лежат за пределами световосприятия человека, поэтому их вкладом в цвет пламени можно пренебречь. Если в зону горения попадает углерод, то он раскаляется, и это обуславливает свечение зоны горения. Если в составе горючего вещества много углерода, то он не успевает окислиться в зоне горения и попадает в зону продуктов сгорания в виде сажи. По способу образования смеси горючего вещества и окислителя, различают кинетическое и диффузионное пламя. При кинетическом горении в подготовительную зону поступает уже готовая смесь в концентрации, близкой к стехиометрической; здесь же происходит разложение компонентов смеси и предварительное окисление. В зоне горения образуются конечные про34 дукты реакции - диоксид углерода, азот и вода, которые в видимом спектре практически не излучают. Поэтому, зона горения имеет слабоголубой цвет независимо от его температуры. Если в смеси, которая поступает для горения, недостаточно окислителя, то в подготовительной зоне не успевают образоваться продукты предварительного окисления, поэтому в зону горения попадают частицы углерода, и пламя приобретает желтый цвет. В случае диффузионного горения, горючая смесь образуется непосредственно в зоне горения за счет диффузии горючего вещества из подготовительной зоны, а окислителя - из окружающей среды. Цвет диффузионного пламени зависит от химического состава горючего вещества. Если в составе горючей смеси достаточно кислорода, то углерод, который образуется при термическом разложении в подготовительной зоне, успевает предварительно окислиться до монооксида углерода (СО), который сгорает в зоне горения с образованием диоксида углерода (СО2). Поэтому, такое вещество горит бесцветным или голубым пламенем. Например, горение метановой (муравьиной) кислоты СН2О2 можно представить как процесс последовательных реакций: СН2О2 = СО+ ОН*+ Н*; СО + 0,5 О2 = СО2 ; 2Н* + 0,5 О2 = Н2О. Из приведенных реакций видно, что диффузионное пламя метановой кислоты должно быть бесцветным. При термическом разложении ацетона, кроме оксида углерода и водорода, будет выделяться и углерод С3Н6О = СО +2С + 6Н*. Частицы углерода, которые находятся в пламени, накаляются и светятся, поэтому пламя приобретает яркость. Но углерод, который образовался, при нормальном доступе воздуха успевает окислиться до диоксида углерода, и сажа при этом не выделяется. Пламя будет ярким, но без копоти. При горении октана С8Н18 за счет его разложения в подготовительной зоне С8Н18 = 8С + 18Н* образуется настолько много углерода, что кислорода, поступающего путем диффузии в 35 зону горения, не хватает для окисления всего углерода до его диоксида. Поэтому не прореагировавший в пламени углерод, выделяется в виде сажи и пламя будет ярким, коптящим. Характер свечения диффузионного пламени можно прогнозировать по процентному содержанию кислорода и углерода в горючем веществе. Данные о характере свечения пламени от процентного содержания этих химических элементов приведены в таблице №1.3. Таблица № 1.3. Зависимость цвета пламени от содержания элементов Характер све- Содержание элементов в горючем веществе, % чения пламени кислород углерод бесцветное больше 50 до 50 яркое, без копоти от 25 до 50 от 50 до 75 яркое, коптящее меньше 25 больше 75 Пример решения задачи Определить цвет диффузионного пламени пропионового ангидрида C6H10O3. Решение 1. Рассчитываем молярную массу горючего вещества : = 612 +10 + 163 = 130 кгкмоль–1. 2. Рассчитываем процентное содержание кислорода и углерода в составе горючего вещества: содержание О: содержание C: 3 16 100 36,9 % , 130 6 12 100 %C 55,4 % . 130 %O 3. Согласно таблице 1.3 содержание О - от 25 до 50 %, содержание C - от 50 до 75 %, т.е. пламя яркое, без копоти. Вывод: диффузионное пламя пропионового ангидрида будет яркое не коптящее, поскольку массовое содержание атомов кислорода в составе молекулы составляет от 25 до 50 %, а углерода - от 50 до 75 %. 36 1.2. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ Для определения основных параметров процесса горения и параметров пожарной опасности веществ и материалов (определение объема воздуха, необходимого для полного сгорания вещества, определение объема продуктов сгорания, температуры горения, максимального давления при взрыве, температурного режима пожара и т.п.) необходимо уметь составлять уравнения реакции горения, на основе которых решаются задачи материального и энергетического баланса. На пожаре окислителем выступает кислород воздуха, который и принимает непосредственное участие в процессе окисления горючих материалов. Но кислород к зоне горения поступает не в чистом виде, а вместе с другими компонентами воздуха, главным из которых является азот. Учитывая, что другие инертные газы содержатся в воздухе в количестве не больше 1%, их объединяют с азотом и состав воздуха условно записывают по объему так: азот – 79%, кислород – 21%. То есть, при горении на один моль кислорода, который принимает участие в реакции горения, приходится 79:21 = 3,76 молей азота. Методика составления уравнений реакции горения несколько отличается от методики составления уравнений химических реакций и требует учета ряда особенностей. Методика составления уравнения реакции горения 1. Уравнение составляется на 1 моль горючего вещества. В отличие от уравнений химических реакций, в уравнении реакции горения могут быть и дробные стехиометрические коэффициенты. 2. Горение на пожаре протекает в среде воздуха. Состав воздуха записывается в молях как (О2 + 3,76 N2). 3. Считается, что образуются только продукты полного сгорания, а воздух поступает в стехиометрическом соотношении. Число молей воздуха, необходимого для полного сгорания горючего вещества, определяется стехиометрическим коэффициентом . В общем виде уравнение реакции горения можно записать: 37 Горючее вещество + (О2 + 3,76 N2) = Продукты горения, где - стехиометрический коэффициент в уравнении реакции. 4. Исходя из элементного состава горючего вещества, определяют качественный состав продуктов горения. Вещество углерод С водород Н сера S фосфор Р кремний Si металл азот N галогены (F, Cl, Br, J) Продукт полного окисления диоксид углерода СО2; вода Н2О; диоксид сера SO2; фосфорный ангидрид Р2О5; диоксид кремния Si2; оксид металла; молекулярный азот N2; галогеноводороды (HF, HCl,HBr,HJ) Галогеноводороды образовываются вследствие взаимодействия галогенов с атомами водорода, которые входят в состав горючего вещества: C2H4Cl2 + 2,5 (O2+ 3,76 N2) = 2CO2 + H2O + 2HCl + 2,53,76N2. 5. Кислород горючего вещества вступает в реакции окисления подобно кислороду воздуха и количество необходимого для полного сгорания горючего вещества воздуха уменьшается. Примером может служить горение взрывчатых и пиротехнических веществ, в частности, нитроглицерина: С3Н5(NО3)3 = 3СО2 + 2,5Н2О + 0,25О2 + 1,5N2. 6. Для правильного составления уравнения реакции горения сначала уравнивают количество атомов углерода, потом серы, фосфора и кремния, галогенов, после этого - число атомов водорода. Последними уравнивают число атомов кислорода и азота в правой и левой частях уравнения. Число молей воздуха, необходимого для полного сгорания 38 1 моля горючего вещества, определяется стехиометрическим коэффициентом β, который можно рассчитать по формуле: β CS H Наlogen O 5P , 4 2 4 (1) где - C, S, H, Halogen, O, P - число атомов, соответственно, углерода, серы, водорода, галогена, кислорода и фосфора в молекуле горючего вещества. Пример решения задачи Составить уравнение реакции горения основных классов органических веществ в воздухе. Решение Углеводороды: горение пропана в воздухе: C3H8 + 5(O2 + 3,76N2) 3CO2 + 4H2O + 5·3,76N2 β = 5. Кислородосодержащие вещества: горение ацетона: C3H6O + 4(O2 + 3,76N2) 3CO2 + 3H2O + 4·3,76N2 β = 4. Азотосодержащие вещества: горение диэтиламина: C4H11N+ 6,75(O2+ 3,76N2) 4CO2+ 5,5H2O + 0,5N2+ 6,75·3,76N2 β = 6,75. Серосодержащие вещества: горение тиофена: C4H4S+ 6(O2 + 3,76N2) 4CO2 + 2H2O + SO2+ 6·3,76N2 β = 6. 39 Фосфорсодержащие вещества: горение фосфористого водорода (фосфина) в воздухе: РН3 + 2(О2 + 3,76N2) 0,5Р2О5 + 1,5Н2О + 2·3,76N2 β = 2. Галогенсодержащие вещества: горение дихлорэтана: C2H4Cl2+2.5(O2+ 3,76N2)2CO2+ H2O+2HCl+2,5·3,76N2 β = 2,5; горение трихлорэтана в воздухе: C2H3Cl3 + 2(O2 + 3,76N2) 2CO2 + 3HCl + 2·3,76N2 β = 2; горение хлорбромэтана в воздухе: C2H4ClBr +2,5(O2+3,76N2) 2CO2 +HCl +HBr+ H2O +2,5·3,76N2 β = 2,5. Элементоорганические вещества: горение триэтилтиофосфата в воздухе: С6Н15О3РS + 10,5(О2 + 3,76N2) 6CO2 + 7,5H2O + 0,5P2O5 + SO2 +10,5·3,76N2 β = 10,5; горение фосфамида в воздухе: С5Н12О2РS2N + 10,25(О2 + 3,76N2) 5CO2 + 6H2O + 0,5P2O5 +2SO2 + 0,5N2 + +10,25·3,76N2 β = 10,25. 40 1.3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ При рассмотрении разных аспектов процесса горения важную роль играет наличие материального баланса между исходными веществами реакции горения и продуктами, образующимися в ходе этой реакции. Поэтому расчетным путем можно определить количество воздуха, необходимое для горения, объем и состав продуктов полного сгорания, температуру горения и другие параметры, которые будут определять характер развития пожара в тех или иных условиях. 1.3.1. Определение стехиометрической концентрации горючего вещества Горючая смесь, состав которой отвечает уравнению реакции горения, называется смесью стехиометрического состава. Такие смеси наиболее реакционноспособные, а потому и наиболее пожароопасными, так как они легче воспламеняются, в них быстрее распространяется процесс горения и выделяется максимальное количество тепла. Поэтому необходимо уметь предусматривать и рассчитывать условия, в которых данное горючее вещество будет образовывать с воздухом наиболее опасные в пожарном отношении системы. Концентрацию горючего вещества, взятого в стехиометрическом соотношении, называют стехиометрической. Для определения объемной стехиометрической концентрации горючего вещества используют расчетные формулы: в смеси с воздухом в смеси с кислородом 100 ,% 1 4,76β 100 , %. 0 стм 1 0 стм (2) (3) Массовую концентрацию рассчитывают, зная объемную: / стм 0 10 стм μ , гм–3, V (4) где μ – молярная масса вещества, кгкмоль-1; Vμ – молярный объем газа при данной температуре, м3·кмоль-1. 41 Пример решения задачи Определить объемную и массовую стехиометрическую концентрацию диоксана в смеси с воздухом при температуре окружающей среды 30oС и атмосферном давлении 105,0 кПа. Решение 1. Составляем уравнение реакции горения: C4H8O2+ 5 (O2+3,76 N2) = 4CO2 + 4H2O + 5 3,76 N2. β = 5. 2. Рассчитываем объемную стехиометрическую концентрацию горючего вещества в смеси с воздухом: 0 стм 100 4,03 %. 1 4,76 5 3. Рассчитываем молярную массу горючего вещества и молярный объем газа при данных условиях V: = 412 + 8 + 162 = 88 кгкмоль–1, 101,3 22,4 273 30 V 23,98 м3кмоль–1. 105,0 273 4. Рассчитываем массовую стехиометрическую концентрацию горючего вещества в смеси с воздухом: / стм 4,03 10 88 140,84 , гм–3. 23,98 Вывод: наиболее пожароопасной концентрацией диоксана в смеси с воздухом есть 4,03% или 140,8 гм–3. 42 1.3.2. Расчет материального баланса процесса горения Расчет материального баланса процесса горения состоит в определении объема воздуха, необходимого для полного сгорания горючего вещества, и объема продуктов горения, образующихся при этом. Различают удельное и полное, теоретическое и действительное количество воздуха, которое расходуется на сгорание горючего вещества. Удельное количество воздуха – это количество воздуха, необходимое для сгорания единицы количества горючего вещества (1моль, 1 м3, 1 кг). Полное количество воздуха – это то, которое необходимо для сгорания произвольного количества горючего вещества. Теоретическое количество воздуха - минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания горючего вещества. Действительное количество воздуха – это то, которое поступает на сгорание горючего вещества при данных условиях. Минимальный объем воздуха, необходимый для полного сгорания единицы количества горючего вещества (1 моль, 1 м3, 1 кг), называется удельным теоретическим объемом воздуха и обозначается v0в. Действительный объем воздуха, который приходится на единицу количества горючего вещества, называют удельным действительным объемом и обозначают vв. Разность между действительным количеством воздуха, который идет на горение, и теоретически необходимым называется избытком воздуха. Степень обеспеченности реакции горения воздухом характеризует коэффициент избытка воздуха (), который показывает, во сколько раз количество воздуха, поступившее в зону горения, отличается от теоретически необходимого для полного сгорания горючего вещества: vв , v в0 (5) где vов – удельный теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания горючего вещества, м3кг-1; 43 vв - удельный действительный объем воздуха, который поступает в зону реакции при сгорании горючего вещества, м3кг-1. То есть, действительный удельный объем воздуха равняется: v в v oв . Часть воздуха, который не расходуется на процесс горения, - избыток воздуха, переходит в продукты сгорания: vв = vв - vов = vов( -1). (6) Продукты горения – это газообразные, твердые и жидкие вещества, образующиеся в процессе сгорания горючего вещества при его взаимодействии с окислителем. Состав продуктов горения зависит от состава горючего вещества и условий протекания реакции горения. В продукты горения переходят нейтральные примеси исходной смеси и часть горючего вещества или окислителя, которая не приняла участия в реакции. Продукты сгорания образовывают систему, которую называют дымом. Дым - это дисперсная система, состоящая из твердых и жидких частиц дисперсной фазы, зависших в газовой дисперсионной среде. Теоретическое число молей воздуха и продуктов горения при сгорании одного моля индивидуального горючего вещества можно определить из уравнения реакции горения. Уравнение реакции горения индивидуальных веществ имеет вид: 1 ГВ + (О2 + 3,76 N2) = niПГi . Соответственно удельное теоретическое число молей воздуха, который необходимо для полного сгорания 1 моля горючего вещества, можно определить как: nов = (1 + 3,76) = 4,76, мольмоль-1. (7) Удельное теоретическое число молей продуктов горения равно сумме молей всех продуктов горения в уравнении реакции: 44 nопг = n ПГi, мольмоль-1. (8) При горении вещества с избытком воздуха определяют удельное действительное число молей воздуха и продуктов горения: nв = nов , мольмоль-1. nпг = nопг + ( - 1) nов , мольмоль-1. (9) (10) Тогда процентный состав продуктов горения можно определить по формуле: %ПГi 100 nПГi ,%. nПГ (11) Если горение протекает с избытком воздуха, в продуктах горения будет избыточный кислород и при расчете содержания азота необходимо учесть азот, который перешел с избытком воздуха: %O 2 100 (α 1) β , %; n пг α 3,76 β %N 2 100 , %. n пг (12) (13) Вид формулы для расчета количества воздуха и продуктов горения зависит от агрегатного состояния горючего вещества. На практике количество вещества измеряют не в молях, а в м3, если это газ, или в кг для конденсированных веществ (жидкость или твердый материал). Тогда в предыдущих формулах нужно учесть объем, который 1 кмоля газа и массу 1 кмоля вещества. 1 кмоль газа при данной температуре Т (К) и давлении Р (кПа) занимает объем V (м3), который можно рассчитать по формуле: V 22,4 101,3T 3 , м ·кмоль-1. 273P (14) Если горит газ, то на 1 кмоль (VГВ м3) горючего вещества 45 расходуется теоретический объем (nов Vв) м3 или действительный объем (nв Vв) м3 воздуха. 1 кмоль ГГ VГВ м3 ГГ 1 м3 ГГ — — — nов = 4,76, кмолей воздуха nов Vв = 4,76Vв, м3 воздуха vов м3 воздуха Из этой пропорции удельный теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания одного м3 горючего газа: v oпов 4,76 Vв Vгв , м3. (15) Если горючий газ находится при тех же условиях, что и воздух, то VГВ = Vг.г. Поэтому на сгорание 1 м3 горючего газа будет расходоваться следующий удельный объем воздуха: теоретический: vов = 4,76·, м3м–3 ; действительный: vв = 4,76··, м3м–3. (16) (17) Аналогично можно получить и объемы продуктов горения, образующиеся при сгорании газообразного горючего вещества. Если продукты горения и горючий газ находятся при одинаковых условиях, то Vгв = Vпг, а их удельный объем составит: теоретический: vопг = n ПГi, м3м–3; (18) 3 –3 о действительный: vпг = v пг+ ( - 1)·4,76·, м м . (19) Для сгорания заданного количества газа можно определить полные объемы воздуха и продуктов горения: Vв = vвVг.г , м3, Vпг = vпгVг.г , м3, где Vг.г. – заданный объем горючего газа, м3. При горении продукты реакции нагреваются до высокой температуры горения и происходит их температурное расширение. 46 Объем продуктов горения при данных условиях можно определить согласно универсальному газовому закону: Тгор VПГ То VПГ Tгор Р 0 Tо Р ПГ , м3, (20) где То, Ро - начальные температура, К и давление, кПа; Тгор, Рпг – температура, К, давление продуктов горения, кПа; Т 3 V о - объем продуктов горения при То, м . ПГ Для горючих веществ в жидком или твердом агрегатном состоянии необходимо учитывать, что 1 кмоль весит кг ( – молярная масса горючего вещества, кгкмоль–1). Тогда на 1 кг горючего вещества удельные объемы воздуха и продуктов горения: воздуха: теоретический: v о в действительный: v в Vв μ 4,76 , м3кг-1; Vв (21) 4,76 , м3кг-1; (22) n ПГі , м3кг-1; (23) μ продуктов горения: теоретический: v опг действительный: v пг Vпг μ v опг 1 Vво , м3кг-1 .(24) При горении произвольного количества горючего вещества: полный теоретический объем воздуха Vов=vов mг.в., м3; полный действительный объем воздуха Vв=vв mг.в., м3; полный теоретический объем ПГ Vопг = vопг mг.в., м3; полный действительный объем ПГ Vпг = vпг mг.в., м3, где mг.в. - масса горючего вещества, кг. Строение сложных веществ нельзя выразить одной химиче47 ской формулой - дерево, торф, сланцы, нефть, нефтепродукты и т.п. Поэтому их состав выражают массовыми долями или процентным содержанием химических элементов и составляют уравнения сгорания отдельных элементов. Если в состав горючего вещества входят углерод водород, кислород и сера, удельный теоретический объем воздуха находят по формуле: v пов 4,76Vμ С Н О S 0,29 С Н О S , м 3 кг -1 . (25) 4 100 3 8 8 3 Расчет объема продуктов горения сложного вещества проводят определением объемов продуктов сгорания каждого из химических элементов, которые входят в его состав, с учетом содержания каждого химического элемента в веществе: v пг n v oпг і g і , м ·кг 3 -1 , (26) i 1 і – массовая доля і-го элемента в веществе; 100 v пгі – удельный теоретический объем продуктов горения іго горючого химического элемента в составе вещества. Для упрощения расчетов материального баланса сложных веществ в таблице 1.5 приведены рассчетные значения удельных объемов продуктов горения отдельных химических элементов. где gі Таблиця 1.5 – Удельный объем продуктов сгорания некоторых элементов при нормальных условиях Химические элементы Объем продуктов сгорания, м3·кг-1 горючего материала СО2 Н2О N2 SO2 Р2О5 углерод С 1,87 7,0 водород Н 11,2 21,1 сера S 2,63 0,7 фосфор Р 3,4 0,36 азот N 0,8 кислород О -2,63 влага W 1,24 48 Методика расчета материального баланса процесса горения вещества индивидуального химического состава 1. Составить уравнение реакции горения. 2. Определить удельное теоретическое число молей воздуха и продуктов горения по формулам (7) и (8). 3. Определить удельное действительное число молей воздуха и продуктов горения с учетом избытка воздуха по формулам (9),(10). 4. Определить состав продуктов горения по формулам (9), (10), (13). 5. Рассчитать молярную массу горючего вещества и молярный объем газа при данных условиях V по формуле (14). 6. Определить теоретические объемы воздуха и продуктов горения по формулам (21) и (23). 7. Определить действительные объемы воздуха и продуктов горения при данных условиях по формулам (22) и.(24). Методика расчета материального баланса процесса горения сложного вещества 1. Рассчитать удельный теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания материала данного элементного состава, по формуле (25). 2. Рассчитать удельный действительный объем воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха по формуле (22). 3. Для облегчения расчетов удельных объемов продуктов горения составить таблицу, исходя из элементного состава горючего материала согласно коэффициентам таблицы 1.5. 4. Рассчитать удельный теоретический объем продуктов горения материала данного элементного состава по формуле (26). 5. Рассчитать полный действительный объем продуктов горения учетом коэффициента избытка воздуха по формуле (24). 6. Рассчитать объем продуктов горения при данных условиях по формуле (15). 49 Пример решения задачи Рассчитать материальный баланс сгорания этиленгликоля C2H6O2. Температура окружающей среды 10oС, давление воздуха 100,0 кПа, коэффициент избытка воздуха =1,8. Решение 1. Составляем уравнение реакции горения: C2H6O2 + 2,5 (O2 + 3,76 N2) = 2CO2 + 3H2O + 2,53,76 N2 β=2,5. 2. Определяем удельное теоретическое число молей воздуха и продуктов горения: nов = 4,76 2,5 = 11,9 мольмоль-1; nопг = 2 + 3+ 2,5 3,76 = 14,4 мольмоль-1. 3. Определяем удельное действительное число молей воздуха и продуктов горения с учетом избытка воздуха: nв = 11,91,8 = 21,4 мольмоль-1; nпг = 14,4 + (1,8-1) 11,9 = 23,9 мольмоль-1. 4. Определяем состав продуктов горения: 4.1. содержание CO2: %CO 2 2 100 8,4 %; 23,9 4.2. содержание Н2О: %Н 2О 3 100 12,5 %; 23,9 1,8 1 2,5 100 4.3. содержание О2: %O 2 8,3 %; 23,9 4.4. содержание N2: %N 2 1,8 2,5 3,76 100 70,8 %. 23,9 5. Рассчитываем молярную массу горючего вещества и молярный объем газа при данных условиях Vμ: = 212 + 61 + 216 = 62 кгкмоль–1; 50 Vμ 101,3 22,4 273 10 3 –1 23,53, м кмоль . 100,0 273 6. Определяем удельные теоретические объемы воздуха и продуктов горения: 4,76 2,5 23,53 3 –1 4,52 м кг ; 62 2 3 2,5 3,76 23,53 5,47 м3кг–1. 62 v ов v опг 7. Определяем удельный действительный объем воздуха vв и продуктов горения vпг при данных условиях: vв = 4,52 1,8=8,14 м3кг–1; vпг = 5,47+(1,8-1) 4,52 = 9,09 м3кг–1. Вывод: для полного сгорания 1 кг этиленгликоля теоретически необходимо vов=4,52 м3 воздуха, при этом выделится vопг=5,47 м3 продуктов горения. С учетом избытка воздуха =1,8 будет использовано vв=8,14 м3 воздуха и выделится vпг = 9,09 м3 продуктов горения. Продукты горения будут содержать CO2 8,4 %, Н2О - 12,5 %, О2 – 8,3 %, N2 – 70,8 %. Пример решения задачи Рассчитать удельные и полные объемы воздуха, продуктов горения и содержание в них пара воды при сгорании 5 кг торфа. Состав торфа в мас.%: C – 57,9 %; H – 5,3 %; O – 29,7 %; S – 1,1 %, влага W - 6 %. То = 15 оC, Ро = 98,6 кПа, = 1,5, Тгор = 950 оC. Решение 1. Рассчитываем удельный теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания торфа по формуле (25): v опов 4,76 22,4 57,9 29,7 1,1 3 -1 5,3 5,6 м кг . 4 100 3 8 2. Рассчитываем удельный действительный объем воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха: 51 v пов 1,5 5,6 8,4 м3·кг-1. 3. Определяем полный действительный объем воздуха, необходимый для сгорания 5 кг торфа: Vпов = 8,4·5 = 42,0 м3. 4. Определяем удельный теоретический объем продуктов горения с учетом массовых долей элементного состава материала. Химические элементы горючего Объем продуктов сгорания, м3·кг-1 вещества и их массовая доля СО2 Н2О SО2 N2 углерод С 0,579 0,579·1,87 0,579·7,0 водород Н 0,053 0,053·11,2 0,053·21,1 сера S 0,011 0,011·0,7 0,011·2,63 кислород О 0,297 -0,297·2,63 влага W 0,06 0,06·1,24 Всего 1,0 1,08 0,67 7,7·10-3 4,42 5. Рассчитываем удельный теоретический объем продуктов горения: vопг 1,08 0,67 7,7 103 4,42 6,17 м3·кг-1. 6. Рассчитываем удельный и полный действительный объемы продуктов горения с учетом избытка воздуха при сгорании 5 кг торфа: vпг 6,17 (1,5 1) 5,6 8,97 м3 кг -1 , Vпг 8,97 5 44,85 м3. 7. Рассчитываем объем продуктов горения при температуре горения: Тгор Vпг 44,85 101,3 950 273 3 200,9 м . 273 101,3 8. Рассчитываем содержание пара воды в продуктах горения: H 2O 0,67 100 7,5 %. 8,97 Вывод: на сгорание 5 кг торфа с коэффициентом избытка воздуха = 1,5 расходуется 42,0 м3 воздуха и выделяется 200,9 м3 горячих продуктов горения, содержащих 7,5 % пара воды. 52 1.4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 1.4.1 Расчет теплоты сгорания горючих веществ Химические реакции могут проходить с поглощением или выделением энергии. Реакции, протекающие при поглощении энергии, называются эндотермическими. Реакции горения являются экзотермическими, а тепловой эффект, который сопровождает реакции горения, называют теплотой сгорания. Теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при сгорании единицы количества вещества с образованием продуктов полного сгорания. В зависимости от способа выражения количества вещества, различают молярную (Q, кДж·моль–1), массовую (Q/, кДж·кг– 1 ) и объемную (Q//, кДж·м–3) теплоту сгорания вещества. Различают высшую и низшую теплоту сгорания вещества. Высшая теплота сгорания Qв определяется при условии, что вода в продуктах сгорания находится в жидком состоянии (с учетом теплоты конденсации). Низшая теплота сгорания Qн определяется при условии, что вода в продуктах горения находится в виде пара. Молярную теплоту сгорания рассчитывают согласно закону Гесса. Тепловой эффект реакции определяется как разность между теплотой образования конечных продуктов горения и теплотой образования исходных компонентов системы. Учитывая, что теплота образования простых веществ (азота и кислорода) равняется нулю, математическое выражение закона Гесса для реакции горения можно записать в следующем виде: ΔН oгор g –1 ΔН ofПГi n ПГi ΔHofГР , кДж·моль , i 1 где Ноrор - стандартная теплота реакции горения, кДж·моль–1; НоfГВ - стандартная теплота образования горючего вещества в газообразном состоянии, кДж·моль–1; Ноf ПГi - стандартная теплота образования i-го компонента 53 продуктов горения, кДж·моль–1; ni - число молей i-го продукта горения в уравнении реакции горения. Поскольку реакции горения идут с выделением тепла, поэтому знак "-" опускается, и формула для определения молярной теплоты сгорания принимает вид: Q гор ΔН огор , кДж·моль–1, Q гор g ΔН of ПГi n ПГi i 1 ΔHof ГВ , кДж·моль–1. (27) Для пересчета молярной теплоты сгорания Qгор в массовую Qгор/ можно использовать формулу: / Q гор Q гор 1000 μ , кДж·кг–1, (28) где μ – молярная масса горючего вещества, кгкмоль-1. Пересчет молярной теплоты сгорания Qгор в объемную Qгор// для веществ в газообразном состоянии производят по формуле: // Q гор Q гор 1000 V , кДж·м–3. (29) Теплоты образования горючего вещества и некоторых веществ, которые могут находится в продуктах горения, приведены в таблице № 3 и 11 приложений. Для сложных веществ можно определить молярные теплоты сгорания отдельных химических элементов по закону Гесса (27) и пересчитать по формуле (28) в массовые теплоты сгорания. Тогда с учетом процентного содержания в веществе отдельных элементов можно составить общую расчетную формулу для теплоты сгорания. Таким образом, расчет массовой низшей теплоты сгорания сложных веществ проводят по фор54 муле Менделеева, которая учитывает еще и отличие высшей теплоты сгорания Q/в от низшей на значение теплоты конденсации Q/конд пара воды в составе продуктов горения: Q/н Q/н = Q/в - Q/конд, кДж/кг; (30) = 339,4С + 1257Н + 108,9(S – О - N) – 25,1(9Н + W), кДж/кг; где С, Н, О, N, S, W - процентное содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги в веществе. Пример решения задачи Определить высшую и низшую молярную, массовую и объемную теплоту сгорания этилформиата C3H6O2 при стандартных условиях, если стандартная теплота его образования составляет Нof = – 371,2 кДж·моль–1. Решение 1. Составляем уравнение реакции горения этилформиата: C3H6O2 + 3,5O2 = 3CO2 + 3H2O - Нorор. 2. По закону Гесса определяем молярную высшую на низшую теплоту сгорания этилформиата, формула (27). Значение теплоты образования продуктов горения (воды в состоянии «жидкость» и «пар», а также диоксида углерода) принимаем по таблице 3 приложений: Qв=3(-393,8)+3(-285,8) -(-371,2) =1667,7 кДж·моль–1; Qн=3(-393,8)+3(-241,8)-(-371,2) =1535,7 кДж·моль–1. 3. Определяем молярную массу этилформиата и молярный объем газа при данных условиях: = 3·12 + 6·1 + 2·16 = 74 кг·кмоль–1; V 22,4 101,3T 101,3 298 22,4 24,4 м3кмоль–1. 273P 273 101,3 4. Пересчитаем молярную теплоту сгорания в массовую по 55 формуле (28): 1667,7 1000 22536,3 , кДж·кг–1; 74 1535,7 1000 Q н/ 20752,6 кДж·кг–1. 74 Q в/ 5. Пересчитаем молярную теплоту сгорания в объемную по формуле (29): 1667,7 1000 67486,8 кДжм–3; 24,4 1535,7 1000 Q н// 63987,1 кДжм–3. 24,4 Q в// Вывод: этилформиат имеет такие теплоты сгорания: молярную Qв=1667,7 кДж·моль–1, Qн=1535,7 кДж·моль–1, массовую Q/в = 22536,3 кДж·кг–1, Q/н = 20752,6 кДжкг–1, объемную Q//в = 67486,8 кДж·м–3, Q//н = 63987,1 кДжм–3. Пример решения задачи Рассчитать количество тепла, которое выделится при сгорании 5 кг торфа следующего состава: C – 57,9 мас. %; H – 5,3 мас. %; O – 29,7 мас. %; S – 1,1 мас. %, влаги W = 6 мас. %. Решение 1. Определяем низшую массовую теплоту сгорания торфа по формуле Менделеева (30): Q/н = 339,4·57,9 + 1257·5,3 + 108,9(1,1 – 29,7) – 25,1(9·5,3 + 6) = = 21851 кДж/кг. 2. Определяем количество тепла, которое выделится при сгорании 5 кг торфа: Q = 21851·5 = 109255 кДж. Вывод: при сгорании 5 кг торфа данного состава выделится 109255 кДж тепла. 56 Пример решения задачи Рассчитать массовую теплоту сгорания этилового спирта C2H6O по формуле Менделеева. Решение 1. Определяем массовое содержание элементов в молекуле этанола: = 212 +61 + 116 = 46 кгкмоль–1; 1 16 100 %O 34,8 % ; 46 2 12 100 %C 52,2 % ; 46 6 1 100 %Н 13,0 % . 46 2. Определяем низшую массовую теплоту сгорания этанола по формуле Менделеева (30): Q/н = 339,4·52,2 + 1257·13 + 108,9(0 – 34,8) – 25,1·9·13 = = 27231,7 кДж/кг. Вывод: при полном сгорании 1 кг этанола при условии горячих продуктов горения и парообразного состояния воды выделяется низшая теплота сгорания в количестве 27231,7 кДж. 57 1.4.2 Расчет температуры горения индивидуального вещества Энергия, которая выделяется в зоне горения, расходуется на предварительный нагрев горючего вещества и продуктов горения, а также на тепловые потери из зоны горения в окружающую среду за счет теплового излучения. Температура, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения. На разогрев продуктов горения расходуется тепло Qпг, которое можно представить как: Qпг= vпг ср (Тгор – То), кДж·м-3, (31) где vпг - объем продуктов горения, м3; ср – удельная объемная теплоемкость продуктов горения, кДж·м-3·К-1; То – начальная температура системы, К; Тгор - температура горения, К. Поэтому температуру горения можно определить как: Тгор Q пг Т 0 , К. сp v пг (32) В зависимости от условий, в которых протекает процесс горения, различают калориметрическую, теоретическую, адиабатическую и действительную температуры горения. Под калориметрической температурой горения понимают температуру, до которой нагреваются продукты горения с учетом следующих допущений: 1) все тепло, которое выделилось в процессе реакции, идет на нагревание продуктов горения (Qпг = Qн); 2) происходит полное сгорание горючей смеси стехиометрического состава ( =1); 3) в процессе образования продуктов горения не происходит их термической диссоциации; 4) горючая смесь находится при нормальных условиях (начальной температуре 273К и давлении 101,3 кПа). Если температура горения достаточно высокая, то продук58 ты горения, образующиеся в процессе реакции, могут раскладываться на элементы, из которых они образованы. Например: 2СО2 = 2СО + О2 – 566 кДж, 2Н2О = 2Н2 + О2 – 478 кДж. Диссоциацию продуктов горения учитывают при температурах, больших 1700оС. Если теплопотерь в окружающую среду нет и с учетом доли тепла, которая расходуется на разложение продуктов горения, то степень нагрева продуктов горения будет представлять собой теоретическую температуру горения. При определении адиабатической температуры горения необходимо учитывать состав горючей смеси, т.е. горение может проходить с избытком или недостатком воздуха. Но теплопотерь в окружающую среду не учитывают, принимают, что на нагрев продуктов горения (с учетом избытка воздуха) расходуется вся теплота сгорания. Начальные условия принимаются нормальными (273 К, 101,3 кПа). Действительная температура горения - это температура, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях. Принимают, что горение может проходить с избытком или недостатком воздуха и значительными теплопотерями в окружающую среду. Начальные условия, в которых находится горючая смесь, могут отличаться от нормальных. Действительная температура горения всегда меньше адиабатической, но она определяется калориметрической температурой горения. Температуру горения большинства веществ экспериментально определить сложно из-за необходимости проведения испытаний при повышенных температурах и необходимости измерять температуру газа, который находится в состоянии химического преобразования. Однако, теория позволяет с достаточной точностью рассчитать адиабатическую температуру горения, исходя из закона сохранения энергии и химического состава вещества. Используют два метода определения адиабатической температуры горения: по энтальпии продуктов горения и с использованием зависимости теплоемкости продуктов горения от их температуры. 59 Методика определения адиабатической температуры горения с использованием энтальпии продуктов горения 1. Составить уравнение реакции горения. 2. Определить удельное действительное число молей продуктов горения nПГ с учетом избытка воздуха по формуле (10). 3. Определить низшую теплоту сгорания вещества Qн, по закону Гесса (формула (27)) или по справочнику [11]. 4. Определить среднюю энтальпию продуктов сгорания Δср: H cр Qн , кДж·моль–1. n ПГ (33) 5. Ориентируясь на энтальпию азота, определить температуру горения в первом приближении Т1 (таблица № 1 приложений). 6. Определить энтальпию продуктов горения QпгТ1 при температуре горения Т1 с использованием значений энтальпии продуктов горения при разных температурах: QпгТ1 = ( ΔПГiТ1 nПГi ), кДж·моль–1. (34) 7. Определить температуру горения во втором приближении Т2, исходя из того, что Т2 > T1, если QпгТ1< Qн, или Т2 < T1, если QпгТ1 > Qн. 8. Определить энтальпию продуктов горения QпгТ2 при температуре Т2: QпгТ2 = ( ΔПГiТ2 nПГi ), кДж·моль–1. (35) 9. Определить температуру горения методом линейной интерполяции: Т ад Т 1 60 T2 T1 Q н Q ТПГ1 , К. Q Т2 ПГ Q ТПГ1 (36) Пример решения задачи Определить адиабатическую температуру горения этиленгликоля C2H6O2 (теплота образования Нof = - 453,8 кДж·моль–1), горение происходило с избытком воздуха = 1,8. Решение 1. Составляем уравнение реакции горения: C2H6O2 + 2,5 (O2 + 3,76N2) = 2 CO2 + 3 H2O + 2,53,76N2. 2. Определяем удельное действительное число молей продуктов горения: nпг =2 +3 + 2,53,76 + (1,8-1)4,762,5 = 23,9, моль·моль–1. 3. Определяем низшую молярную теплоту сгорания вещества по закону Гесса: Qн=2(-393,79)+3(-241,84)-(-453,8)=1059,3, кДж·моль–1. 4. Определяем среднюю энтальпию продуктов горения по формуле (33): H cр 1059,3 44,32 , кДж·моль–1. 23,9 5. Ориентируясь на энтальпию азота, определяем температуру горения в первом приближении: Т1 = 1400 К. 6. Определяем энтальпию продуктов горения при температуре горения Т1 по формуле (34): QпгТ1 = 2·65,19 + 3·53,8 + 2,5·3,76·43,6 + + (1,8 - 1)·2,5·4,76·44,00 = 858,7, кДж·моль–1. 7. Определяем температуру горения во втором приближении. Исходя из того, что энтальпия продуктов горения при температуре Т1 = 1400 К оказалась меньше низшей теплоты 61 сгорания, принимаем Т2 = 1600 К. 8. Определяем энтальпию продуктов горения при температуре горения Т2 по формуле (35): QпгТ2 = 2·76,9 + 3·62,97 + 2,5·3,76·50,6 + + (1,8 - 1)·2,5·4,76·51,1 = 1000,4, кДж·моль–1. 9. Определяем температуру горения по формуле (36): Тад 1400 (1600 1400) (1059,3 858,7) 1683,3, К. 1000,35 858,7 Вывод: адиабатическая температура горения этиленгликоля при данных условиях составляет 1683,3 К. 1.4.3 Расчет максимального давления взрыва Кинетическое горение газовоздушной или паровоздушной смеси протекает с такой скоростью, что горючая смесь успевает сгореть еще до теплового расширения продуктов реакции. То есть, процесс горения при взрыве протекает при постоянном объеме. Продукты горения нагреваются в две стадии: вследствие химической реакции и адиабатического сжатия. Максимальное давление взрыва определяется по формуле: Р взр Po n опг Твзр n гс То , кПа, (37) где Рвзр - максимальное давление взрыва, кПа; Ро - начальное давление горючей смеси, кПа; Твзр - максимальная температура взрыва горючей смеси, К; То - начальная температура исходной смеси, К; nпг - число молей продуктов горения, моль·моль–1; nгс – число молей исходной горючей смеси, моль·моль–1. При расчете максимальной температуры взрыва принимаются следующие предположения: - горение проходит при стехиометрическом соотношение 62 горючего вещества и окислителя ( = 1); - происходит адиабатическое горение смеси при постоянном объеме; - происходит полное сгорание вещества без температурной диссоциации продуктов горения. Методика определения температуры и максимального давления взрыва 1. Составить уравнение реакции горения. 2. Определить теоретическое число молей продуктов горения nпг. 3. Определить теоретическое число молей исходной горючей смеси nисх и n - разность между числом молей продуктов горения и исходной горючей смеси. 4. Определить низшую теплоту сгорания вещества по закону Гесса, формула (27), или по справочным данным [11]. 5. Определить энергию взрыва смеси: Q взр Q н RTо n кДж·моль–1, (38) где То - начальная температура исходной смеси, К; R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31410-3 кДж·моль–1К-1·; 6. Определить среднюю энергию продуктов взрыва: Q ср Q взр 0 n пг , кДж·моль–1. (39) 7. Ориентируясь на внутреннюю энергию азота, определить температуру взрыва Т1 в первом приближении (значения внутренней энергии продуктов горения при постоянном объеме приведены в таблице №2 приложений). 8. Определить энергию продуктов взрыва QпгТ1 при температуре Т1: QпгТ1 =(Q пг iТ1 nпгi ), кДж·моль–1. (40) 63 9. Определить температуру взрыва во втором приближении, исходя из того, что Т2 < Т1, если QпгТ1 > Qвзр или Т2 > Т1, если QпгТ1 < Qвзр. 10. Определить энергию продуктов взрыва QПГТ2 при температуре Т2: QПГТ2 =(Q ПГiТ2 nПГi ), кДж·моль–1. (41) 11. Определить температуру взрыва методом линейной интерполяции по формуле (36). 12. Определить максимальное давление взрыва по формуле (37). Пример решения задачи Определить максимальное давление взрыва паров этилацетата C4H8O2, если его теплота образования Ноf = - 442,9 кДж·моль–1, начальная температура смеси 25 оС, а давление 110 кПа. Решение 1. Составляем уравнение реакции горения: C4H8O2 + 5(О2 + 3,76N2) = 4CO2 + 4H2O + 53,76 N2. 2. Определяем теоретическое число молей продуктов горения: nопг= 4 + 4 + 53,76 = 26,8 моль·моль–1. 3. Определяем теоретическое число молей исходной смеси: nисх = 1 + 54,76 = 24,8 моль·моль–1. n = 26,8-24,8 = 2, моль·моль–1; 4. Определяем низшую теплоту сгорания этилацетата: Qн=4(-393,78)+4(-241,84)-(-442,9)=2099,6 кДж·моль–1. 5. Определяем энергию взрыва горючей смеси: 64 Qвзр = 2099,58 + 28,31410-3 298 = 2104,45, кДж·моль–1. 6. Определяем среднюю энтальпию продуктов взрыва Qср: Qср 2104,45 –1 78,52 , кДж·моль . 26,8 7. Ориентируясь на внутреннюю энергию азота, определяем температуру взрыва в первом приближении Т1 = 3000 К. 8. Определяем внутреннюю энергию продуктов взрыва при температуре взрыва Т1: QпгТ1=137,724+113,184+76,9253,76=2449,7,кДж·моль–1. 9. Определяем температуру взрыва во втором приближении: поскольку 2449,7 кДж > 2099,6 кДж, то второе значение Т2 = 2600 К. 10. Определяем внутреннюю энергию продуктов взрыва при температуре взрыва Т2: QпгТ2=116,194+93,954+65,4453,76=2070,8, кДж·моль–1. 11. Определяем температуру взрыва методом линейной интерполяции: Т взр 3000 2600 30002104,45 2449,7 2635,5 , К. 2070,8 2449,7 12. Определяем максимальное давление взрыва: Р взр 110 26,8 2635,5 955,2 кПа . 24,8 298 Вывод: при взрыве паров этилацетата температура горения составляет 2635,5 К, а давление продуктов горения 955,2 кПа. 65 РАЗДЕЛ 2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Возникновение горения - это быстрый переход от медленной реакции к мгновенной, взрывоподобной, путем самоускорения. Горение возникает при наличии горючей смеси (горючего вещества и окислителя в достаточной концентрации) после действия теплового импульса достаточной мощности (искра, горячие стенки, адиабатическое сжатие или внутренние экзотермические процессы). Согласно тепловой теории возникновения горения, при высоких температурах в горючей смеси скорость движения молекул возрастает, скорость химической реакции увеличивается, выделяется тепло реакции и температура системы возрастает. Возникает разница температур и теплоотдача от горючей системы в окружающую среду за счет конвекции. Существует температура самонагревания при которой интенсивности тепловыделения и теплоотдачи уже равны, поэтому возникает самонагревание - повышение температуры за счет внутренних экзотермических реакций при наличии благоприятных условий для накопления тепла. При таких условиях реакция самоускоряется и может начаться горение. Если при данной температуре хранения твердого вещества есть тепловыделение в системе и условия для накопления тепла, то возникнет самонагревание твердого вещества, что может привести через время индукции к возникновению самовозгорания. Если воздушная горючая система контактирует с горячей стенкой и нагревается до критической температуре, то возникает быстрое самонагревание этой горючей системы и через время индукции происходит ее самовоспламенение во всем объеме одновременно. Если на горючую систему действует мощный источник зажигания с температурой, которая значительно больше, чем температура самонагревания, то температура горючей системы возрастает очень интенсивно и происходит вынужденное зажигание. Таким образом существует три вида возникновения горения: 1. Самовоспламенение - нагревается вся горючая система 66 и при критической температуре сама зажигается. 2. Самовозгорание - тепло накапливается в части твердой горючей системы за счет внутренних экзотермических процессов, что вызывает появление горения. 3. Вынужденное зажигание - горение возникает в любой точке горючей смеси вследствие действия высокотемпературного малого источника зажигания и распространяется с определенной скоростью на всю систему. Общие черты видов возникновения горения: 1. Необходима температура больше, чем критическая. 2. Интенсивность тепловыделения в системе должна быть большей чем интенсивность теплопотерь в окружающую среду. 3. Существует период индукции - задержка времени перед возникновением горения, втечении которого происходят самонагревание и подготовительные процессы: нагрев горючей смеси; разложение или испарение твердых и жидких горючих веществ; окисление газообразных продуктов с выделением тепла; самонагревание горючей системы от начальной температуры до температуры горения; возникновение горения. 67 2.1 РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ Во многих технологических процессах используются горючие вещества и материалы, которые могут образовывать смеси с окислителем (воздухом). Концентрация горючего компонента в этих смесях может колебаться от 0 % до 100 %, но не все из этих концентраций представляют опасность для возникновения горения. Горючей является среда, которая способна самостоятельно гореть после устранения источника зажигания. Важнейшим принципом, который лежит в основе радикального решения задачи обеспечения безопасности от взрывов, есть исключение возможности образования горючих систем за счет регулирования состава газовоздушной смеси. Опыт показывает, что возникновение и распространение горения в смесях горючего вещества и окислителя возможно лишь в ограниченном диапазоне их концентраций. При попытке произвести зажигание смеси, состав которой выходит за эти пределы, стойкое горение не образуется. Пламя или не возникает, или затухает на некотором расстоянии от места зажигания. То есть, для газовых смесей можно определить как минимальную, так и максимальную концентрацию горючего вещества, при которых условия возникновения и распространения пламени являются критическими. Поэтому, в зависимости от соотношения в смеси горючего вещества и окислителя, различают нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени. Нижний концентрационный предел распространения пламени (н) - наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при которой уже возможно возникновение и распространение горения. Верхний концентрационный предел распространения пламени (в) - наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при которой еще возможно возникновение и распространение горения. Область концентраций горючего вещества от нижнего до верхнего КПРП, характеризуется возможностью зажигания и стойкого горения смеси и называется областью взрывоопасных 68 концентраций. Вне концентрационных пределов смеси являются взрывобезопасными. Но если при концентрации горючего вещества меньше нижнего КПРП не возможно возникновение никакого горения, то при концентрациях горючего вещества больше верхнего КПРП возможно возникновение диффузионного горения при выходе смеси в окружающее пространство и наличии источника зажигания (смесеобразование до необходимых горючих концентраций будет происходить в зоне горения за счет диффузии окислителя из окружающей среды). Учитывая, что концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться при изменении внешних условий, для обеспечения пожарной безопасности при работе с горючими веществами определяют не только сами концентрационные пределы, но и безопасные концентрации (нб, вб), ниже или выше которых смесь гарантировано не будет зажигаться. где БК – область безопасных концентраций; ОК – область опасных концентраций; ВОК – область взрывоопасных концентраций; ПОК – область пожароопасных концентраций. Концентрационные пределы являются важнейшим показателем пожарной опасности веществ в любом агрегатном состоянии. Концентрационные пределы распространения пламени используют: 1) для сравнения пожарной опасности нескольких веществ. 2) для оценки опасности фактической концентрации парогазовых систем. 3) для определения взрывобезопасных концентраций паров и газов в технологическом оборудовании (офакт < онб; офакт > овб). 4) для расчета предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов (обез<онб) в вентиляционных системах. 69 Расчетные методы определения КПРП Концентрационные пределы могут выражаться как в объемных процентах (%) - объемная концентрация, так и в граммах на кубический метр (гм–3) - массовая концентрация. НКПРП можно определить с учетом минимальной энергии, необходимой для поддержания процесса горения согласно пропорции: Qн - Q кр 100% он, %. - Учитывая, что критическое количество тепла, которое выделяется при горении бедных смесей, для большинства углеводородов приблизительно равняется 1830 кДж·м-3, из пропорции можно определить НКПРП как: он 100 // Q кр Q н// 183000 %. (42) Q н// По следующей формуле можно определить НКПРП, исходя из состава горючего вещества: он 100 n q j1 s 1 ,% (43) 1 h f H of h jm j h r l r где hf - параметр теплоты образования газа, моль·кДж-1; Hof - стандартная теплота образования вещества, кДж·моль-1; hj - параметр j-го элемента в молекуле горючего вещества, моль·кДж-1; mj- число атомов j-го элемента в молекуле горючего вещества. Параметры hf и hj рассчитываются для веществ данного класса в данной окислительной среде исходя из предположения, что 70 адиабатическая температура горения бедных предельных смесей является для веществ одного класса величиной приблизительно одинаковой и равняется 1500 К. Значение этих параметров приведены в таблице 4 приложений и в справочнике [3]. Более простым методом расчета концентрационных пределов является эмпирический метод по формуле: o 100 ,% , a b (44) - стехиометрический коэффициент реакции горения; а, b - константы, определяющиеся для нижнего и верхнего КПРП из таблицы 5 приложений. Для более точного определения концентрационных пределов распространения пламени необходимо учитывать влияние химического строения горючего вещества на его склонность к окислению. Для расчета концентрационных пределов, исходя из структуры вещества, можно использовать следующую формулу: где ом 100 s ,%, (45) hsls µ 1 где 0г – концентрационная граница распространения пламени (нижняя или верхняя); hs - вклад s-той структурной группы, таблица 6 приложений; ls - число s-х структурных групп в химической формуле вещества. Для пересчета объемной концентрации в массовую и назад можно пользоваться формулой: / 10 о гм–3, , V (46) 71 где μ - молярная масса горючего вещества, кг·кмоль-1; Vμ – молярный объем газа при данных условиях, м3·кмоль-1. При изменении внешних условий концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться. Для обеспечения пожарной безопасности при обращении с горючими веществами определяют запас для значений концентрационных пределов и рассчитывают безопасные концентрации, ниже или выше которых смесь гарантировано не будет зажигаться. Безопасные концентрации можно рассчитать по формулам: онб = 0,9( он – 0,21), % овб = 1,1(ов + 0,42), % (45) (48) где он, ов - НКПРП и ВКПРП, %. Все приведенные выше методы расчета концентрационных пределов используются при нормальных значениях атмосферного давления и температуры, при условии, что окислителем является воздух. Однако на практике встречаются случаи, когда взрывоопасные смеси могут образовываться при повышенных температурах и давлении, а также в среде, обогащенной кислородом или негорючими газами. Существуют методы перерасчета КПРП, которые используют значение КПРП, полученные для стандартных условий. В тех случаях, когда в производстве используется несколько разных горючих веществ, они образовывают сложную горючую смесь, а концентрационные пределы рассчитывают по правилу Ле-Шателье: он(в ) сум і , %, (49) і н( в ) і где н(в) i – нижняя или верхняя КПРП i-го компонента смеси, %; i – содержание i-го компонента в смеси, %. 72 Примеры решения задач а) с использованием низшей объемной теплоты сгорания Определить нижний концентрационный предел распространения пламени (КПРП) этиленгликоля (C2H6O2), если низшая молярная теплота сгорания составляет 1059,3 кДж·моль–1. Решение 1. Определяем низшую объемную теплоту сгорания паров этиленгликоля при стандартных условиях по формуле (29): Q н// Q н 1000 1059,3 1000 –3 43236,7 , кДжм . V 24,5 2. Определяем нижний КПРП по формуле (42): он 100 Q кр Q н// 100 1830 4,15 % . 43236,7 Вывод: нижний объемный КПРП этиленгликоля, при котором теплоты сгорания достаточно для прогрева холодной смеси до зажигания, составляет 4,15 %. б) в зависимости от химического состава горючего вещества Определить область безопасных концентраций уксусной кислоты C2H4O2 (теплота образования Нof = -437,3 кДж·моль–1). Решение 1. Определяем тип и число атомов в горючем веществе. Выписываем значение hj из таблицы 4 приложений. Тип j–го атома С Н О Число атомов, mj 2 4 2 hj 9,134 2,612 – 0,522 2. Рассчитываем нижний концентрационный предел распространения пламени для C2H4O2 по формуле (43): он 100 5,6 % . 1 0,0246 437,3 9,13 2 + 2,612 4 - 0,52 2 73 3. Определяем нижний безопасный КПРП по формуле (45): онб = 0,9(5,6 - 0,21) = 4,8 %. Вывод: область безопасных концентраций паров уксусной кислоты лежит в пределах оф < 4,8%. в) по апроксимационной формуле Рассчитать объемные и массовые концентрационные пределы распространения пламени и область взрывобезопасных концентраций паров этилформиата C3H6O2 при стандартных условиях. Решение 1. Составляем уравнение реакции горения этилформиата: C3H6O2 + 3,5 (О2 + 3,76 N2) = 3CO2 + 3H2O + 3,53,76 N2. β = 3,5. 2. Определяем молярную массу этилформиата. = nС12+ nН1+ nО16 =312+ 6 +216 =74 кгкмоль–1. 3. Рассчитываем КПРП по формуле (44), коэффициенты a и b для нижнего и верхнего КПРП определяем по табл. 5 приложений: 100 2,85 % , 8,684 3,5 4,769 100 ов 16,71 % . 1,55 3,5 0,56 он 4. Определяем массовые КПРП по формуле (46): 74 10 2,85 86,08 г м- 3 ; V 24,5 74 в/ 10 ов 10 16,71 504,7 г м - 3 . V 24,5 н/ 10он 5. Определяем безопасные КПРП по формулам (45), (48): 74 н. б = 0,9(2,85 - 0,21) = 2,38 % в. б = 1,1(16,71 + 0,42) = 18,84 % Вывод: концентрационные пределы распространения пламени этилформиата составляют 2,85-16,71 %, или 86,08 – 504,7 гм–3. Пары этилформиата в смеси с воздухом будут взрывобезопасными при концентрациях меньше 2,38 % и больше 18,84 %. г) с учетом структуры горючего вещества Определить условия образования взрывоопасных концентраций паров этилформиата C3H6O2. Решение 1. Записываем структурную формулу этилформиата: 2. Определяем вид и число структурных групп m в строении вещества; выписываем значение hs из таблицы 6 приложений: Вид структурной группы Число групп, m C-C C-H C-O C=O 1 6 2 1 hs НКПРП 3,75 4,47 0,90 3,12 ВКПРП -0,84 1,39 -1,40 1,31 3. Определяем нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени по формуле (45): 100 2,82 % ; 3,75 1 4,47 6 0,90 2 3,12 1 100 ов 16,64 % . 0,84 1 1,39 6 1,40 2 1,31 1 он Вывод: пары этилформиата образовывают взрывоопасную среду в пределах от 2,82 до 16,64 %. 75 д) по формуле Ле-Шателье для смеси паров жидкостей Рассчитать область взрывоопасных концентраций смеси паров пропанола C3H8О - 20 % и этанола C2H6О - 80 %. Решение 1. Определяем верхний и нижний концентрационный предел каждого горючего компонента газовой смеси. 1.1. Составляем уравнение реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси: C3H8О + 4,5(О2 + 3,76N2) = 3CO2 + 4H2O + 4,53,76N2 = 4,5; C2H6О + 3(О2 + 3,76N2) = 2CO2 + 3H2O + 33,76N2 = 3. 1.2. Рассчитываем КПРП компонентов смеси по формуле (44): 100 2,29 %, С 3 Н 8О 8,684 4,5 4,679 100 в 13,27 %, С 3 Н 8О 1,55 4,5 0,56 100 нС Н О 3,25 %, 2 6 8,684 3 4,679 100 в 19,19 %. С 2 Н 6О 1,55 3 0,56 н 2. Рассчитываем КПРП смеси паров пропанола и этанола по процентному составу и КПРП компонентов по формуле (49): 20 80 3,0 %, 20 80 2,29 3,25 20 80 17,62 % . 20 80 13,27 19,19 нсум. всум. Вывод: область взрывоопасных концентраций данной смеси паров пропанола и этанола составляет от 3,0 % до 17,62 %. 76 2.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОРЕНИЯ ПУТЕМ САМОВОЗГОРАНИЯ Самовозгорание возникает в скоплении твердого материала, в зоне с малой теплоотдачей, поэтому даже при условии не очень большого выделения тепла в середине системы может начаться накопление тепла. Наименьшая температура вещества, при которой возникает ее самонагревание, называется температурой самонагревания Тсн. Возникновение горения веществ за счет их самонагревання под влиянием внутренних экзотермических процессов (физических, химических, микробиологических) и отсутствия источника зажигания называется самовозгоранием. К самовозгоранию склонны твердые вещества: некоторые металлы, угли, торф, растительные материалы. Так, алюминиевая пудра самонагревается уже при 10оС. К самовозгоранию более склонны пористые, волокнистые, сыпучие твердые вещества, в середину которых может проникать кислород. Вещества у которых: 1) Тсн > 50 оС склонны к возгоранию только при их нагреве. 2) Тсн < 50оС это пирофорные вещества, которые склонны к самовозгоранию без дополнительного нагрева, так как температура хранения может быть больше чем Тсн. При самовозгорании для возникновения горения необходимы первичный тепловой импульс внутри системы, который вызывает окисление горючего вещества, и накопление тепла внутри системы. После этого, горение возникает в той части горючей системы, которая имеет наименьшую теплоотдачу, и потому максимальную температуру. Период индукции перед возникновением самовозгорания наибольший и может достигать нескольких месяцев, так как нужно накопление достаточного количества тепла. На производстве самовозгорание наблюдается как пожары на элеваторах, угольных складах, комбикормовых заводах, при хранении химических веществ. По первичному фактору, который вызывает самонагревание твердого вещества, различают следующие виды самовозгорания: - микробиологическое, - химическое, - физическое; 77 тепловое. Химическое самовозгорание возникает в месте контакта веществ, которые реагируют с выделением тепла. Различают химическое самовозгорание при контакте: 1. с кислородом воздуха; 2) с водой; 3) с другими окислителями. Склонность жиров и масел (обмасленных материалов) к химическому самовозгоранию на воздухе определяют йодометрическим методом. Если к 100 граммам масла в ходе химической реакции присоединяется больше чем 50 граммов йода, то данное масло склонно к химическому самовозгоранию. Физическое самовозгорание является следствием тепловыделения физических процессов: 1) адсорбция - поглощение газов на поверхности твердых веществ, 2) абсорбция - растворение паров и газов в жидкостях; 3) Тепловыделение при трении. Микробиологическое самовозгорание характерное для растительных материалов, в которых возможная жизнедеятельность микроорганизмов. Такое самовозгорание происходит в толще скопления материала, который длительно хранится в условиях влажности. Тепловое самовозгорание возникает при нагревании вещества до температуры термического разложения. При окислении продуктов разложения горючего вечества выделяется тепло реакции, которая вызывает самонагревание. Процесс протекает в глубине материала в форме тления, которое потом может перейти в пламенное горение на поверхности. Склонность веществ к тепловому самовозгоранию можно определить расчетным путем по показателями: 1. Минимальная температура самонагревания Тсн материала. 2. Период индукции τинд. 3. Удельная поверхность теплоотдачи материала S уд = Sполн/V. 78 2.3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ Самовоспламенение возникает в объеме воздушной горючей системы при нагреве от горячих стенок, когда тепловыделение реакции больше, чем теплоотдача в окружающее пространство. Чем меньше температура стенок, тем большее время индукции до появления вспышки смеси. Существует наименьшая температура, при которой возникает самовоспламенение. Поэтому температура самовоспламенения это такая наименьшая температура стенок сосуда, при которой время индукции максимально. Таким образом, температура самовоспламенения tсв - это наименьшая температура системы, при которой резко увеличивается скорость экзотермической реакции и повышается тепловое равновесие. При этом возникает скачкообразный подъем температуры за счет самонагревания горючей системы. Выделяют три группы факторов, которые влияют на температуру самовоспламенения: 1) Факторы, которые зависят от химического строения горючего вещества: теплота сгорания; средняя длина углеродной цепочки молекулы, которая определяется по пространственной структуры горючего вещества. 2) Факторы состава горючей системы: наличие и концентрация горючего вещества, окислителя; негорючих газов; катализаторов или ингибиторов. 3) Факторы, которые определяются условиями, в которых находится горючая система: общее давление, температура стенок; объем горючей системы, диаметр сосуда; площадь теплоотвода; коэффициент теплоотдачи. Химическая реакция окисления происходит быстрее, с большей полнотой протекания и большим выделением тепла при стехиометрической концентрации горючего вещества в смеси с воздухом. Поскольку тепловыделение наблюдается максимальное температура самовоспламенения приобретает минимальное значение, а пожарная опасность создается наибольшая. При стехиометрической концентрации горючего вещества, при прочих равных условиях, главным фактором, который влияет на температуру самовоспламенения, является средняя длина 79 углеродной цепочки молекулы. В общем случае - чем длиннее углеродная цепь молекулы, тем меньше ее температура самовоспламенения. Значение температуры самовоспламенения используют для сравнения пожарной опасности веществ, для определения группы взрывоопасных смесей горючих веществ с воздухом (табл.2.1), при выборе взрывозащищенного электрооборудования и для определения допустимой температуры нагрева рабочих поверхностей технологического оборудования. Таблица 2.1. Группы взрывоопасных смесей по температуре самовоспламенения Группа взрывоопасных смесей tсв, оС Т1 больше 450 Т2 300-450 Т3 200-300 Т4 135-200 Т5 100-135 Т6 85-100 Нагретая поверхность при использовании данного вещества безопасна, т.е. не может вызвать самовоспламенения, если ее температура меньше чем безопасная: tбез = 0,8 tсв, оС. (50) Поэтому, при возможности попадания в объем помещения сероуглерода с tсв = 102оС, запрещается использование систем парового отопления, которое имеет t = 95оС. Как было сказано, температура самовоспламенения зависит от длины углеродной цепи молекулы. Поскольку молекула может иметь разветвленное строение, определяют ее среднюю длину lcp. Зависимость температуры самовоспламенения от lcp приблизительно характеризуют формулы Монахова: tcв 300 116 5 lcp при lcp 5, 80 (51) tcв 300 38 lcp 5 при lcp 5, (52) где lcp - условная средняя длина углеродной цепи молекулы. Условная средняя длина lcp молекулы химического соединения равняется среднему арифметическому всех возможных длин li цепей молекулы и определяется по формуле: li lср і , nцеп (53) где lі – длина і-й цепи молекулы; nцеп – число цепей молекулы. Число цепей nцеп молекулы равняется числу возможных соединений между концевыми группами: nц = 0,5·m(m - 1), (54) где m – число концевых групп в молекуле. Концевыми группами считаются –СН3, =СН2, функциональные группы (ОН, СООН и др.) и циклы. Если функциональная группа или цикл расположены в середине цепи, их следует считать одновременно и конечной, и промежуточной группой. Расчетное число атомов углерода в алифатическом углеводороде равняется фактическому числу атомов углерода в данной цепи. Двойная связь С=С длину цепи не изменяет. Тройная связь С≡С увеличивает длину цепи на 6/(mС!) атомов карбона. Эквивалентная длина функциональных групп -О-С6Н5 и СОО- равняется единице, групп -NH- и N равняется 2,5, а для -О- в соединениях, где атом кислорода не соединен с первичным или вторичным атомом углерода, составляет 3,5. Если к молекуле присоединено несколько функциональных групп, то длина каждой цепочки уменьшается соответственно. Эквивалентная длина неароматического моноядерного 81 конденсированного цикла равняется числу атомов углерода в цикле, которое уменьшено на 0,5. Ароматическое кольцо с функциональными группами в мета- и пара- положении в длине углеродной цепи учитывается, как «1». Длина цепи молекулы lі возрастает на 2, если в состав входят две группы или цепи, которые присоединены к ароматическому циклу в орто-положении. С большей точностью, чем за формулами (51), (52), стандартную температуру самовоспламенения отдельных классов органических соединений можно определить по специальным таблицам, которые приведены в приложениях: для парафиновых углеводородов - № 15, для насыщенных алифатических одноатомных спиртов - № 16. Расчетное число атомов углерода в цепи алифатического спирта равняется фактическому числу атомов углерода плюс единица. Температуру самовоспламенения отдельных классов органических соединений можно определить методом сравнительного расчета: t cв at алк cв b , (55) где а, b – коэффициенты гомологического ряда данного вещества (см. табл. № 17 приложений); t алк cв – температура самовоспламенения алкана, которая соответствует условной средней длине цепи lcp алкильного радикала молекулы. Если среднюю длину цепи молекулы можно рассчитать разными способами, то принимают среднее значение из всех рассчитанных методов. Если необходимо определить температуру самовоспламенения смеси горючих жидкостей, то можно использовать формулу (51) или (52). При этом среднюю длину цепи условной молекулы газовой смеси определяют с учетом мольных частиц компонентов смеси. 82 Методика расчета стандартной температуры самовоспламенения вещества за средней длиной цепи 1. Составить структурную формулу вещества с использованием таблицы приложений № 20. 2. Пронумеровать звена в структурной формуле. 3. Определить число конечных групп m в молекуле вещества. 4. Определить число углеродных цепочек nцеп в молекуле горючего вещества по формуле (54). 5. По структуре молекулы определить длину каждой цепочки li. 6. Провести расчет условной средней длины цепочки lcеp молекулы по формуле (53). 7. Определить стандартную температуру самовоспламенения по формулам (51), (52) или по таблицам приложений (№ 15 для алканов, №16 для спиртов). 8. Для алкан-производных определить стандартную температуру самовоспламенения по формуле (55) с использованием данных таблицы приложений № 17. 9. Рассчитать максимальную безопасную температуру нагрева рабочих поверхностей по формуле (50). 10. Определить группу взрывоопасных смесей горючих веществ с воздухом за таблицей № 2.1. Пример решения задачи Рассчитать стандартную температуру самовоспламенения 2,2,3,3-тетраметилбутана, сравнить расчетное значение с экспериментальным, равным 430 С. Определить безопасную температуру нагрева поверхностей и группу взрывоопасных смесей паров 2,2,3,3-тетраметилбутана с воздухом. Решение 1. Записываем структурную формулу 2,2,3,3-тетраметилбутана: 2. Нумеруем атомы углерода в цепочках: 83 3. Определяем число концевых групп m в молекуле: С1, С ,С6, С7, С8, С9. Таким образом, число концевых групп m = 6. 4. Определяем число цепей nцеп в молекуле вещества: 5 nцеп = 0,5m(m – 1) = 0,5·6·(6 – 1) = 15. 5. Определяем длину каждой цепи li, составляем таблицу. № цепи 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Состав цепи 1- 2- 6 1- 2- 8 1- 2- 3- 7 1- 2- 3- 5 1- 2- 3- 4 8- 2- 6 8- 2- 3- 7 8- 2- 3 8- 2- 3- 4 6- 2- 3- 7 6- 2- 3- 5 6- 2- 3- 4 5- 3- 7 5- 3- 4 7- 3- 4 Длина цепи li. 3 3 4 4 4 3 4 3 4 4 4 4 3 3 3 6. Рассчитываем условную среднюю длину lcеp молекулы 2,2,3,3-тетраметилбутана за формулой (53): lср 37 48 3,53 . 15 7. Определяем стандартную температуру самовоспламенения: а) по формуле (51), поскольку lcp 5: tcв 300 116 5 lср 300 116 5 3,53 440,6 ºС; б) по таблице № 16 приложений для парафиновых углеводородов: средней условной длине углеродной цепочки lcp = 3,5 соответствует температура самовоспламенения tcв= 444 °С. 8. Рассчитываем максимальную безопасную температуру 84 нагрева рабочих поверхностей по формуле (50): tроббез. 0,8·tcв = 0,8·440,6 = 352,5 °С. 9. Определяем группу взрывоопасных смесей 2,2,3, 3тетраметилбутана по таблице № 2.1: поскольку tcв = 440 °С лежит в пределах от 300 до 450 °С 2,2,3, 3-тетраметилбутан относится к группе взрывоопасных смесей Т2. Вывод: расчетная стандартная температура самовоспламенение 2,2,3,3-тетраметилбутану равняется 440 С. Температура нагрева поверхностей технологического оборудования не должна превышать 352 °С. Паровоздушная смесь 2,2,3,3тетраметилбутана относится к группе взрывоопасных смесей Т2. Пример решения задачи Рассчитать стандартную температуру самовоспламенения метилизопропилбензола. Решение 1. метилизопропилбензол принадлежит к ароматическим соединениям; составляем структурную формулу молекулы: 2. Нумеруем атомы углерода в цепочках, не учитывая при этом атомы водорода: 3. Определяем число конечных групп m в молекуле метилизопропилбензола. Концевыми группами в данном случае будут три метильные группы С1, С3, С4 и ароматическое кольцо Ar (как было отмечено раньше, цикл, расположенный в сере85 дине цепи, считается одновременно и конечной и промежуточной группой). Итак, число конечных групп m = 4. 4. Определяем число цепей nц в молекуле вещества: nцеп = 0,5m(m – 1) = 0,5·4·(4 – 1) = 6. 5. Определяем длину углеродных цепочек li, учитывая, что расчетное число атомов углерода в цепи с ароматическим кольцом равно фактическому числу атомов углерода плюс единица. Атомы углерода в ароматическом кольце в расчет не берутся. № цепи 1 2 3 4 5 6 Состав цепи 1 - Ar 1 - Ar - 2-4 1 - Ar - 2-3 Ar - 2-3 Ar - 2-4 4-2 - 3 Длина цепи li. 2 4 4 3 3 3 6. Рассчитываем условную среднюю длину цепи lср: l ср 244 3 3 3 3, 2 . 6 7. По таблицей приложений № 15 определяем температуру самовоспламенения метилизопропилбензола. Поскольку условная средняя длина углеродной цепи составила lcp = 3,2, то температура самовоспламенения равняется tcв = 460 С. Вывод: температура самовоспламенения метилизопропилбензола равняется tcв = 460 С. Пример решения задачи Рассчитать стандартную температуру самовоспламенения этилацетата и безопасную температуру нагрева поверхностей технологического оборудования. Решение 1. Составляем структурную формулу этилацетата, прило86 жение 20: 2. Нумеруем атомы углерода в цепи этил-радикала молекулы, не записывая при этом атомы водорода углеродной цепи: 1 2 С - С – О – СО -С 3. Определяем число концевых групп в молекуле этилрадикала: m = 2. 4. Определяем число цепей nцеп в молекуле вещества: nц = 0,5m(m – 1) = 0,5·2·(2 – 1) = 1. 5. Определяем длину цепи li по звеньям: “1-2”: lсер 2 . 6. Определяем температуру самовоспламенения алканрадикала; длине цепи “2” отвечает этан, который имеет tсс = 515 оС. 7. Определяем стандартную температуру самовоспламенения по формуле (55) с использованием таблицы приложений № 17 по константами для ацетатов: а = 0,7909, b = 52; t cв 0,7909 515 52 459,3 ºС. 8. Рассчитываем максимальную безопасную температуру нагрева рабочих поверхностей: tр. без = 0,8·459,3 = 367,5 ºС. Вывод: расчетная стандартная температура самовоспламенения этилацетата - 459,3 ºС. Температура нагрева поверхностей технологического оборудования не должна превышать 367,5 ºС. 87 2.4. РАСЧЕТ ВОЗМОЖНОСТИ ВЫНУЖДЕННОГО ЗАЖИГАНИЯ Вынужденное зажигание возникает вследствие прогрева малой части холодной горючей системы от источника зажигания. Источником зажигания может быть открытое пламя, раскаленное тело, электрический разряд, которые имеют энергию и температуру, достаточные для зажигания других веществ. Выделяют безусловные источники зажигания: прямые удары молний, мощные электрические дуги, пламя газовых горелок и спички. В отличие от самовоспламенения, вынужденное зажигание возникает при внешнем нагреве горючей системы малым источником тепла, от которого пламени распространяется на всю смесь. Поскольку источник зажигания малый, интенсивность теплопотерь большая и температура для зажигания Тзаж необходима значительно большая, чем температура самовоспламенения. Горение распространится на всю горючую смесь, если за время действия источника зажигания тепло не успеет рассеяться в холодную смесь путем теплопроводности, а возле стенки источника зажигания образуется прогретый до температуры зажигания Тзаж слой толщиной . При условии продолжительного влияния источника зажигания на горючую воздушную смесь, температура зажигания уменьшается, но не меньше чем до температуры самовоспламенения Тсв. На практике 40 процентов пожаров происходит вследствие тепловых проявлений электрической энергии: электрические разряды статического и атмосферного электричества; искры и капли металла короткого замыкания; нагрев поверхности ламп накаливания, электрических проводов и контактов при перегрузках. Существует некоторая минимальная энергия электрического разряда Emin, которая достаточна для прогрева сферического объема холодной горючей смеси радиусом rmin до температуры горения. При этом возникает критический негаснущий элемент пламени, способный к распространению. Т.е. существует минимальная энергия зажигания для данного горючего вещества. Минимальную энергию зажигания в опыте определяют как наименьшую энергию электрического конденсатора, при разря88 де которого через воздушный промежуток возникает искра, которая зажигает стехиометрическую смесь газа или аэрозоля горючего вещества с воздухом с вероятностью 0,01. Если источник зажигания будет иметь запас энергии равный или больший чем минимальную энергию зажигания Qискри > EminГВ и достаточную температуру Тзаж, то зажигание состоится. Запас энергии нагретой твердой частицы Qиск, например фрикционной искры, зависит от ее массы, объема Vиск, плотности материала иск, теплоемкости Cpиск, превышения температуры Tиск над температурой самовоспламенения: Qиск = Vиск иск Cp иск (Tиск - Tсв гр). Фрикционные искры – это кусочки металла оторванные и нагретые при механическом воздействии и частично окисленные, что может повысить температуру искры еще на 500 оС. Минимальную энергию зажигания данного вещества Еmin можно определить путем расчетного сравнения с известными свойствами бутана по значению нормальной скорости распространения горения uн данного горючего вещества: Еmin = 0,036 / u2н , мДж. (56) Раскаленное тело, которое начало воздействовать на горючую систему, будет безопасным, т.е. не зажжет данную паровоздушную смесь, или твердое вещество, если его энергия будет меньше чем безопасная: Ебез = 0,4Еmin, мДж. (57) а температура будет меньше чем безопасная температура самовоспламенения, которую можно рассчитать по формуле (50). Методика расчета возможности вынужденного зажигания 1. По справочнику [11] определить для данного вещества нормальную скорость распространения пламени, uн, м·с-1, b температуру самовоспламенения, tсв. 2. Рассчитать минимальную энергию зажигания данного вещества по формуле (56). 3. Рассчитать безопасную энергию источника зажигания для данного вещества по формуле (57). 89 4. Рассчитать безопасную температуру источника зажигания для данного вещества по формуле (50). 5. Сделать вывод об условиях вынужденного зажигания или о возможности зажигания известным источником зажигания. Пример решения задачи Рассчитать безопасные энергию и температуру для источника зажигания, который действует на паровоздушную смесь этилацетата, и определить возможность ее зажигания электрической искрой с энергией 0,2 мДж и температурой 2000°С. Решение 1. По справочнику [11] для этилацетата uн=0,39 м·с1 ,tсс =446°С. 2. Рассчитываем минимальную энергию зажигания этилацетата по формуле (56): Е min 0,036 0,39 2 0,24 мДж. 3. Рассчитать безопасную энергию источника зажигания для данного вещества по формуле (57): Ебез = 0,4ּ0,24 = 0,095, мДж. 4. Рассчитать безопасную температуру источника зажигания для данного вещества по формуле (50): tдж. без = 0,8·446 = 356,8 ºС. 5. Вывод: опасность вынужденного зажигания паровоздушной смеси этилацетата существует при условии действия на эту смесь источника зажигания с энергией больше чем 0,095 мДж и температурой более чем 356,8 оС; при действии на данную смесь электрической искры с энергией 0,2 мДж и температурой 2000°С зажигания не состоится, поскольку минимальная энергия зажигания больше (0,24 мДж); условие безопасности не выполняется, поскольку энергия и температура искры большие безопасных. 90 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ 3.1. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ЖИДКОСТИ ПРИ ЗАДАННЫХ УСЛОВИЯХ Для механизма горения жидкостей важнейшим обстоятельством является то, что температура их кипения всегда ниже температуры самовоспламенения. То есть, горение жидкостей возможно только в паровой фазе, при условии образования над ее поверхностью паров в концентрации, не меньше, чем нижний КПРП. Концентрация паров над поверхностью жидкости зависит от ее температуры. При повышении температуры жидкости возрастает интенсивность испарения, что обуславливает рост концентрации паров и их давления. Жидкость может испаряться в открытое или закрытое пространство. При испарении в закрытом пространстве устанавливается динамическое равновесие - состояние системы, при котором количество вещества, которое испаряется, равняется количеству сконденсированных паров. Происходит насыщение газовой фазы, а пар, который образовался при динамическом равновесии в системе, называется насыщенным паром. Если жидкость находится в незакрытом объеме, то часть паров диффундирует в окружающее пространство. При этом количество вещества, которое испарилось, будет больше, чем сконденсированного, динамическое равновесие не установится, пар будет ненасыщенным, а испарение будет продолжаться, пока вся жидкость не испарится. Зависимость между давлением и концентрацией насыщенного пара можно найти из соотношения: 100 % парогазовой смеси нп % пара жидкости — — Робщ Рнп. Отсюда можно выразить взаимосвязь между концентрацией и давлением насыщенного пара: 91 нп , кПа , 100 Р 100 нп ,% , Р общ Р нп Р общ нп или (58) (59) где Рнп – давление насыщенного пара, кПа; Робщ – общее давление горючей смеси, кПа. Расчетные методы определения давления насыщенного пара. Давление насыщенного пара жидкости можно определить, используя уравнение Антуана: B lg Pнп A , или Р нп 10 t ж Cа A B t ж Cа , кПа, (60) где Рнп - давление пара, кПа; tж – температура жидкости, оС; А, В, Ca - константы для жидкости по справочнику [11]. Для многих распространенных горючих жидкостей давление насыщенного пара определено для ряда температур и сведено в справочниках в виде таблиц. Для таких веществ можно рассчитать давление насыщенного пара при любой температуре по методу линейной интерполяции: t ф акт t 1 Pнп ( t1 ) t 2 Pнп ( t 2 ) Р нп Значения t1, t2 и соответствующие им Pнп( t ) , Pнп( t ) бе1 2 рут ближайшими к заданной температуре tфакт и определяются по таблице № 12 приложений. Расчет давления насыщенного пара при данной температуре проводят по формуле: Рнп(t x ) Рнп(t1 ) 92 t x t1 Рнп(t 2 ) Рнп(t1 ) , кПа. t 2 t1 (61) Примеры решения задач а) с использованием констант Антуана Определить давление насыщенного пара и фактическую концентрацию насыщенного пара этилацетата C4H8O2 при температуре 20оС и давлении 101 кПа. Решение 1. По таблице № 11 приложений определяем константы Антуана: A = 6,2267; B = 1244,95; Ca = 217,88. 2. Определяем давление насыщенного пара при данной температуре по формуле (60): lg Pнп 6,2267 1244,95 0,993 . 217,88 20 р нп 100,993 9,84 кПа . 3. Определяем фактическую концентрацию насыщенного пара этилацетата по формуле (59): офакт 100 9,84 9,74 % . 101 Вывод: при данных условиях давление насыщенного пара этилацетата будет составлять Рнп = 9,84 кПа, а концентрация пара офакт = 9,74%. б) с использованием метода линейной интерполяции Определить давление насыщенного пара, концентрацию пара и степень пожаровзрывоопасности этилформиата C3H6O2 при температуре 5оС и общем давлении 105 кПа, если КМПП этилформиата составляют 2,85-16,71%. Решение 1. По таблице № 12 приложений определяем два значения температуры t1 и t2, ближайшие к заданной tфакт, и соответствующие температурам t1 и t2 значения давления насыщенно93 го пара: о t факт 5 C t1 11,5о C Pнп t1 5,333 кПа t 2 5,4о C Pнп t 2 13,33 кПа Р нп ? 3. Рассчитываем давление насыщенного пара при данной температуре по апроксимационной формуле (61): Р нп 5,333 13,33 5,3335 11,5 13,14 кПа . 5,4 11,5 4. Определяем фактическую концентрацию насыщенного пара при данных условиях по формуле (59): офак 100 13,14 12,51 % . 105 5. Определяем степень пожаровзрывоопасности насыщенного пара этилформиата согласно концентрационным пределам распространения пламени: он = 2,85% < офакт = 12,51% ов = 16,71%, Вывод: при данных температуре и давлении хранения этилформиата в закрытом пространстве будет образовываться насыщенный пар во взрывоопасной концентрации, поскольку фактическая концентрация пара попала между нижним и верхним КПРП. 94 3.2. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ При определенных температурах концентрация насыщенного пара жидкости становится равной нижнему или верхнему концентрационному пределу распространения пламени. Такие температуры называют температурными пределами распространения пламени. Как и для концентрационных пределов можно определить нижний и верхний температурный предел распространения пламени жидкости. Температурными пределами распространения пламени (нижним или верхним) называются такие температуры жидкости, при которых над ее поверхностью образовывается насыщенный пар в концентрации, соответствующей нижнему или верхнему концентрационному пределу распространения пламени. Таким образом, пожарную опасность горючей жидкости можно оценивать не по концентрации ее паров, а по температуре самой жидкости. Поэтому вместо концентрационных пределов можно указать температуры жидкости, при которых эти концентрации образуются. При температуре ниже нижнего температурного предела концентрация насыщенного пара будет меньше нижнего концентрационного предела, и потому будет безопасной. При температуре выше верхнего температурного предела насыщенный пар из-за недостатка окислителя не горит, т.е. кинетического взрывного горения не будет. Однако, такой пар при его выходе из емкости в воздушную среду может гореть в диффузном режиме. То есть, насыщенный пар в данной области температур является взрывобезопасным, но пожароопасным. Температурные пределы, как и концентрационные, не являются постоянными величинами и зависят от ряда факторов: мощность источника зажигания; концентрация окислителя в окислительной среде; общее давление; примеси негорючих газов; примеси негорючих жидкостей. Поэтому, как и для газов, для жидкостей существуют безопасные параметры эксплуатации - безопасные температурные 95 пределы. Таким образом, для жидкостей характерны следующие области концентраций и температур: где БК – область безопасных концентраций и температур; ОК – область опасных концентраций и температур (взрыв вероятный); ВОК – область взрывоопасных концентраций и температур; ВБК, ПОК – область взрывобезопасных, но пожароопасных концентраций и температур; Использование ТПРП, как показателя пожарной опасности жидкостей, упрощает работу по определению степени пожарной опасности горючих жидкостей, поскольку в отличие от концентрационных пределов не требует применения газоанализаторов, хроматографов и других сложных приборов. С помощью ТПРП можно: 1) сравнить пожарную опасность двух жидкостей. 2) определить область рабочих температур технологического оборудования: температурный режим работы аппаратов должен быть таким, чтобы концентрации пара находились вне зоны опасных концентраций. Поэтому, рабочие температуры должны быть ниже нижней безопасной или выше верхней безопасной температурной границы распространения пламени: tраб. < tнб; tраб. > tвб. 3) определить степень пожарной опасности паров в емкостях и закрытых технологических аппаратах при фактической температуре. 4) определить наиболее пожароопасное время года для использования данной жидкости. 96 Расчетные методы определения ТПРП Для расчетного определения ТПРП можно воспользоваться уравнением Антуана (43), которое учитывает зависимость давления насыщенного пара от температуры жидкости: tж В В С а или t нв Са , оС, (62) А lg Р н.п. А lg 0,01 Р общ нв где А, В, Са - константы Антуана ( таблица № 11 приложений); Робщ - общее давление во внутреннем паровоздушном пространстве аппарата, кПа; н(в) -концентрационные пределы распространения пламени,%. Если для данной жидкости известна зависимость давления насыщенного пара от температуры, температурные пределы распространения пламени можно определить методом линейной интерполяции по формуле: t н(в ) t 1 (t 2 t 1 )(Р нп(н(в)) Р1 ) , Р 2 Р1 (63) где tн(в) – нижний или верхний температурный предел распространения пламени, оС; Рнп(н(в)) – давление насыщенного пара, которое соответствует нижнему или верхнему КПРП, кПа; расчет проводят по формуле (58) и значениям нижнего или верхнего КПРП; t1, t2 – температуры, которые соответствуют давлению насыщенного пара, Р1 или Р2, оС, согласно табл. № 12 приложений В тех случаях, когда зависимость давления насыщенного пара от температуры неизвестна, для веществ, которые состоят из элементов С, Н, О, N, значения нижнего и верхнего температурного предела вычисляются с учетом структуры горючего вещества (приложение 20) по формуле: t н(в ) а 0 а1 t кип а j l j , 0С, (64) 97 где tн(в) – нижняя или верхняя температурная граница распространения пламени; а0, а1 - коэффициенты, которые составляют: для НТПРП а0 = -62,40оС; а1 = 0,655 для ВТПРП а0 = -41,43оС; а1 = 0,723 lj - количество структурных групп j-го типа; aj - эмпирический коэффициент, который характеризует вклад j-х структурных групп, приведенный в таблице № 8 приложений. ТПРП легко можно рассчитать с использованием констант гомологичного ряда по эмпирической формуле: t н(в) = ktкип – l, оС; (65) где k и l - эмпирические коэффициенты гомологических рядов горючих жидкостей, приведенные в таблице №. 7 приложений. tкип – температура кипения вещества, оС. Безопасные температурные пределы можно рассчитать по формулам: t н без = 0,9 (tн - Кб), tв без = 1,1 (tв + Кб), (66) (67) где Кб - коэффициент безопасности, для индивидуальных веществ и нефтепродуктов Кб составляет 10,5оС, для смесей – 14 оС. В технике редко используют чистые индивидуальные жидкости, чаще - смеси или жидкости со значительным содержанием примесей. Определение ТПРП бинарных неазеотропных смесей взаиморастворимых жидкостей проводят по апроксимационной формуле: Тм бин ТмА ТмА ТмВ 3 g B , К, (68) где gВ – массовая доля компонента В с меньшим значением ТПРП; ТмА, ТмВ – нижний или верхний ТПРП компонентов смеси, К; Тмбин – нижний или верхний ТПРП бинарной смеси, К. 98 Примеры решения задач а) с использованием констант Антуана Определить температурные пределы распространения пламени (ТПРП) этилацетата C4H8O2 и степень пожароопасности этилформиата при стандартных условиях. Решение 1. Рассчитываем КПРП этилацетата. 1.1. Составляем уравнение реакции горения: C4H8O2 + 5(О2 + 3,76N2) = 4CO2 + 4H2O + 53,76 N2. 1.2. Определяем нижний и верхний объемный концентрационный предел распространения пламени по формуле (44). 100 100 2,08 % , а b 8,684 5 4,769 100 верхний КПРП ов 100 12,0 % . а b 1,55 5 0,65 нижний КПРП он 2. Находим константы Антуана по таблице 11 приложений: А = 6,2267 В = 1244,95 Са = 217,88. 3. Определяем ТПРП этилацетата: 1244,95 217,88 6,9 о С , 6,2267 lg0,01 101,3 2,08 1244,95 tн 217,88 24,2 о С . 6,2267 lg0,01 101,3 12,0 tн 4.Определяем безопасные температурные пределы по формулам (66), (67), учитывая, что коэффициент безопасности для индивидуального вещества составляет 10,5 оС: t н без = 0,9 (-6,9 – 10,5) = - 15,7 оС, tв без = 1,1 (24,2 + 10,5) = 38,2 оС. Вывод: при стандартных условиях (25 С) насыщенный пар 99 этилацетата создает опасные концентрации (24,2 – 38,2 С). б) с использованием метода линейной интерполяции Определить наиболее безопасное время года и при каких температурах насыщенный пар этилацетата C4H8O2 создает взрывоопасную концентрацию. Общее давление составляет 101,3 кПа. Решение 1. Определяем КПРП для этилацетата расчетом. 1.1. Составляем уравнение реакции горения: C4H8O2 + 5(О2 + 3,76N2) = 4CO2 + 4H2O + 53,76 N2. 1.2. Определяем нижний и верхний объемный концентрационный пределы распространения пламени по формуле (44): 100 100 2,08 % ; а b 8,684 5 4,769 100 100 ов 12,0 % . а b 1,55 5 0,65 он 2. Определяем давление насыщенного пара на нижнем и верхнем КПРП по формуле (58): Р заг 101,3 2,08 2,1, кПа ; 100 100 Р 101,3 Р нп(в ) ов заг 12,0 12,2, кПа . 100 100 Р нп(н) он 3. По табл. №12 приложений определяем значения давления насыщенного пара Р1 (ближайшее меньшее от рассчитанного значения) и Р2 (ближайшее большее), и соответствующие им температуры t1 и t2 для нижнего и верхнего КПРП: Р нп(н) 2,1кПа 100 Pнп t1 1,333 кПа t 1 13,5о C Pнп t 2 5,33 кПа t 2 9,1о C tн ? Р нп(в ) 12,2кПа Pнп t1 5,33 кПа t 1 9,1о C Pнп t 2 13,33 кПа t 2 27,0о C tв ? 4. Определяем ТПРП по формуле (63): 9,1 (13,5)2,1 1,333 9,1 , оС, 5,333 1,333 27,0 9,112,2 5,333 24,5 , оС. t в 9,1 13,33 5,333 t н 13,5 Вывод: насыщенный пар этилацетата C4H8O2 создает взрывоопасную концентрацию при температурах от –9,1оС до 24,5оС, наиболее пожароопасное время года – осень и весна. в) с использованием констант гомологического ряда Определить температурные пределы распространения пламени (ТПРП) этилформиата C3H6O2 при стандартных условиях. Решение 1. Определяем температуру кипения этилформиата по справочнику [11] или по таблице 12 (посл. колонка): tкип = 54,3оС. 2. Этилформиат относится к сложным эфирам муравьиной кислоты, тогда kн =0,5359 , lн = 47,6; kв =0,6050, lв = 25,0. 3. Определяем ТПРП по формуле (65): tн = 0,5359 54,3-47,6 = -18,5 оС; tв = 0,6050 54,3-25,0 = 7,8 оС. 4. Определяем безопасные температурные пределы по формулам (66), (67), учитывая, что коэффициент безопасности для индивидуального вещества составляет 10,5 оС: t н без = 0,9 (-18,5 – 10,5) = - 26,1 оС, tв без = 1,1 (7,8 + 10,5) = 21,3 оС. Вывод: ТПРП этилформиата tн = -18,5оС, tв = 7,8оС, область взрывобезопасных температур при использовании в закрытых условиях меньше –26,1 оС и больше 21,3оС. 101 г) по химической структуре горючего вещества Определить температурные пределы распространения пламени (ТПРП) этиленгликоля, C2H6O2 при стандартных условиях. Решение 1. Определяем температуру кипения этиленгликоля по справочнику [11], или по таблице приложений №12, tкип = 197,8оС. 2. Записываем структурную формулу этиленгликоля, приложение 20: 3. Определяем число структурных групп lj и коэффициенты aj: l С–С = 1 ajн = -0,909 ajв = -1,158 l С –Н = 4 ajн = -0,009 ajв = 0,570 l С -О = 2 ajн = 0,110 ajв = 1,267 l О–Н = 2 ajн = 19,80 ajв = 17,80 4. Определяем ТПРП по формуле (64): tн=-62,46+0,655197,8+(-0,009)4+(-0,909)1+0,112+19,752=105,9оС; tв=-41,43+0,723197,8+0,5704+(-1,158)1 +1,2672+ 17,802=140,8оС. Вывод: ТПРП этиленгликоля tн = 105,9оС, tв =140,8оС. д) расчет температурных пределов распространения пламени смеси жидкостей Определить температурные пределы распространения пламени раствора с массовым содержанием бутанола 35 %, этанола 65 %. ТПРП бутанола [11] 34-67 o, этанола 11-41 oС. Решение Рассчитаем ТПРП смеси жидкостей по формуле (68), вещество В выбираем с меньшим значением ТПРП. Тогда вещество А - бутанол, вещество В - этанол g = 0,65: t н бин 34 34 113 0,65 = 14,1 оС; t в бин 67 67 413 0,65 = 44,5 оС. 102 Вывод: температурные пределы смеси бутанола с этанолом (35 + 65 %) составляют 14,1 оС и 44,5 оС; в этом диапазоне температур насыщенный пар создает взрывоопасные концентрации. 103 3.3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ Возникновение горения пара жидкости от источника зажигания возможно, когда концентрация пара достигнет значения нижнего концентрационного предела распространения пламени. Если жидкость находится в открытом сосуде, вследствие диффузии в открытое пространство при той же температуре концентрация ненасыщенного пара будет всегда меньше, чем насыщенного, а НКМПП будет достигаться при более высокой температуре. Температура вспышки (tвcп) – это наименьшая температура жидкости, при которой над ее поверхностью в условиях специальных испытаний образовывается концентрация пара, способная вспыхивать от источника зажигания средней мощности. При этом скорость испарения жидкости меньше скорости сгорания пара и стойкого горения не возникает. Температуру вспышка взята за основу классификации жидкостей по степени пожарной опасности. Различают легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. В зависимости от условий испытания, различают температуру вспышки определенную в закрытом и в открытом тигле. К горючим (ГЖ) относят жидкости с температурой вспышки в закрытом тигле больше 61 оС, к классу легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) относят жидкости с температурой вспышки меньше 61оС. Расчетные методы определения температуры вспышки Расчет температуры вспышки по формуле Эллея: t всп t кип 18 K г , оС, Кг = 4C + 4S + H + N –2O – 2Cl –3F – 5Br; (69) где Кг - коэффициент горючести вещества; C, S, H, N, O, Cl, F, Br – число данных атомов в молекуле вещества. Температуру вспышки можно рассчитать по структурной формуле вещества (приложение 20) аналогично расчету ТПРП: t всп a о a1t кип a j l j , 104 (70) где а0 = - 73,14 оС; а1 = 0,659; аj - эмпирический коэффициент для соответствующей структурной группы молекулы (таблица № 9 приложений); lj - количество структурных групп данного вида в молекуле. В пределах одного гомологического ряда значения температуры вспышки жидкостей монотонно возрастает с увеличением молекулярной массы. При обработке экспериментальных данных была получена формула, которая учитывает линейную зависимость температуры вспышки от температуры кипения для определенных классов химических соединений: tвсп = а + b tкип , оС, (71) где а, b - эмпирические константы для гомологических рядов (таблица № 10 приложений). Температуру вспышки бинарных неазеотропных растворов жидкостей можно рассчитать по формуле: t сп. сум. Аtсп.А Вtсп.В f(tсп.А tсп.В) 100 (72) где А – жидкость с большей температурой вспышки; f - эмпирический коэффициент, который находят по таблице 2.1. по содержанию вещества А. Таблица 2.1. Определение эмпирического коэффициента f %А %В f %А %В f 0 0 50 25,99 100 50 5 12 55 23,9 95 45 10 20 60 21,7 90 40 15 26 65 19,4 85 35 20 29,2 70 17 80 30 25 30,4 75 14,5 75 25 30 30,3 80 11,9 70 20 35 30 85 9,2 65 15 60 40 29 10 90 6,5 105 Примеры решения задач а) по формуле Эллея (69). Определить температуру вспышки этилформиата C3H6O2 и группу горючести жидкости. Решение 1. Определяем температуру кипения этилформиата по справочнику [11], tкип = 54,3 оС. 2. Определяем коэффициент горючести: Кг = 4 3 + 6-2 2 = 14. 3. Определяем температуру вспышки этилформиата: t всп t кип 18 K г 54,3 18 14 - 13,05 , о С . Вывод: температуру вспышки этилформиата –13,05 оС, он относится к легко воспламеняющимся жидкостям. б) по структуре вещества Определить температуру вспышки этиленгликоля C2H6O2 при стандартных условиях. Решение 1. Определяем температуру кипения жидкости этиленгликоля из справочника [11], tкип = 197,8 оС. 2. Записываем структурную формулу этиленгликоля, приложение 20: 3. Определяем число структурных групп lj и коэффициент aj. l С–С = 1 l С –Н = 4 l С -О = 2 l О–Н = 2 106 aj = -2,03 aj = 1,105 aj = 2,47 aj = 23,90 4. Определяем температуру вспышки этиленгликоля: tвсп = -73,14+0,659197,8+1,1054+(-2,03)1+2,472+23,902 =112,3 оС. Вывод: этиленгликоль имеет температуру 112,3 С и относится к горючим жидкостям. вспышки в) по константам гомологических рядов Определить температуру вспышки и класс дихлорэтана. Решение 1. По справочнику [11] находим температуру кипения дихлорэтана (tкип = 57,3 оС). 2. По таблице № 10 приложений находим эмпирические константы а и b: а = -55,70; b = 0,643. 3. Определяем температуру вспышки по формуле (71): tвсп = а + b tкип = -55,7 + 0,046 57,3 = -18,3 оС. Вывод: дихлорэтан легковоспламеняющаяся жидкость. Пример решения задачи Определить температуру вспышки смеси жидкостей, которая состоит из 35 % этилформиата C3H6O2 и 65 % гексилформиата C7H14O2, а также класс смеси. Решение 1. Определяем tвсп жидкостей по справочнику [11]: этилформиат tсп = -20, ºС, гексилформиат tсп = 48, ºС. У гексилформиата больше tвсп, принимаем его за жидкость А. 2. Определяем коэффициент f за таблицей №2.1.: поскольку содержание жидкости А – 65 %, то f = 30. 3. Определяем температуру вспышки смеси: t сп сум 65 48 35 20 3048 (20) 3,8 ºС. 100 Вывод: поскольку температура вспышки смеси данных жидкостей меньше, чем 61оС, смесь относится к легковоспламеняющимся жидкостям. 107 РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ Пожар - это неконтролируемое горение вне специального очага, которое развивается в пространстве и времени, а также наносит моральный, материальный, экологический ущерб. Общие явления пожара наблюдаются на каждом пожаре: 1. Горение с выделением тепла и продуктов сгорания. 2. Массообмен - движение газовых потоков, поступление воздуха, отвод продуктов горения. 3. Теплообмен - нагрев воздуха, горючих веществ, строительных конструкций, которое распространяет горение. Отдельные явления свойственны конкретному пожару (наличие агрессивных, радиоактивных веществ, разрушения, гибель людей и др.). Опасные факторы пожара: открытый огонь, высокая температура, токсичные продукты горения, дым, недостаток кислорода, падающие обломки конструкций, ударная волна, ядовитые вещества из поврежденного оборудования. Зоны пожара: 1. В зоне горения горючее вещество раскладывается, испаряет, сгорает. 2. В зоне теплового влияния - заметные изменения в материалах, невозможная работа личного состава. 3. В зоне задымления видимость до 12 м, кислорода меньше 16 %, токсичный дым, необходимы средства защиты органов дыхания. Стадии развития пожара: 1. Начальная - развитие пожара от загорания до охватом пламенем 80 % пожарной нагрузки, на 10 минуту выгорает 20 % пожарной нагрузки и происходит разрушение оконных отверстий. 2. Развитый пожар – температура пожара и скорость выгорания максимальные, выгорает 80 % пожарной нагрузки, строительные конструкции теряют несущую способность. 3. Догорание – переход пламенного горения у тления, медленное уменьшение температуры пожара. Параметры развития пожара: - пожарная нагрузка Р - это количество теплоты, которая может выделиться с единицы площади помещения; - температура пожара на открытом пространстве – это температура пламени; 108 - температура пожара в ограждении – это среднеобъемная температура в помещении; - теплота пожара - количество тепла, которое выделяется в зоне горения в единицу времени; - площадь пожара – это проекция зоны горения на вертикальную или горизонтальную плоскость; - а также длительность, периметр, фронт пожара, линейная скорость распространения пожара; массовая скорость выгорания вещества vоm, плотность задымления, интенсивность газообмена. По условиям газообмена различают пожары на открытом пространстве и в ограждении. Различают степени развития пожара на открытом пространстве: отдельные - горит одно сооружение, сплошные - несколько сооружений, массовые - наблюдаются и отдельные, и сплошные пожары, огненный шторм - при слабом ветре в зоне пожара накапливается много тепла, образуется исполинский факел и конвекционная колонка, которая поднимает и переносит горящие предметы значительного размера на большое расстояние. Пожары в ограждении регулируются или вентиляцией, когда пожарной нагрузки много и дополнительное подведение кислорода повышает температуру пожара, или пожарной нагрузкой, когда пожарной нагрузки мало и температура пожара зависит от ее количества. Различают классы пожаров по виду горючего вещества: класс А - горят твердые горючие вещества, А1 - дерево, А2 – полимеры-термопласты; класс В - горят горючие жидкости, В1 - водонерастворимые жидкости и парафины, В2 - водорастворимые жидкости; класс С - горят горючие газы; класс D - горят металлы, металлоорганические соединения, класс Е - горит электрооборудование под напряжением. Классы пожаров показывают также возможность использования воды для тушения. Воду, как огнетушащее вещество, целесообразно использовать лишь для тушения пожаров класса А. Для тушения водонерастворимых жидкостей класса В, пожаров класса D и Е воду использовать нельзя. 109 4.1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ КЛАССОВ "В" И "С" НА ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ 4.1.1. ВЗРЫВ ПАРОВОЗДУШНОГО ОБЛАКА Пожар класса В может возникнуть вследствие зажигания паровоздушной среды, которая образовывается над поверхностью жидкости. Горючая жидкость может находиться в технологическом оборудовании (резервуарах, технологических аппаратах) или в виде разлива, который возник вследствие аварийной ситуации. При аварийном выходе горючих жидкостей из резервуаров или другого технологического оборудования площадь, которую занимает жидкость, определяется ее объемом, рельефом местности и свойствами грунта. Площадь разлива жидкости можно определить по формуле: S гор.ж G выт τ выт , м2, hс (73) где Gвыт – расход истечения жидкости, м3·с-1; hс – высота слоя жидкости, м; выт – время вытекания, с. Интенсивность испарения в открытое пространство можно определить из следующего уравнения: Iисп =Рпарμ (0,734 + 1,637vв) 10-6, кг·м-2·с-1 , (74) где Рпар - давление насыщенного пара жидкости, кПа; μ - молярная масса жидкости, кг·кмоль-1; vв - скорость потока воздуха над жидкостью, м·с-1. Общая масса горючих паров с учетом времени испарения может быть определена как: mпар = 60 Iисписп.Sисп, кг, (75) где Sисп – площадь, с которой происходит испарение жидкости, м2; 110 исп – время испарения жидкости, мин. Если температура жидкости меньше, чем температура ее вспышки, то концентрация пара будет меньше нижнего концентрационного предела распространения пламени (КПРП) и зоны взрывоопасной загазованности не будет. Зажечь такую жидкость можно, если источник зажигания прогреет ее до температуре вспышки. Если температура жидкости больше, чем температура ее вспышки, то радиус зоны загазованности, где концентрация пара превышает нижний КПРП, определяют по формуле: R загаз 3,15 Р исп пар 60 н 0,8 m пар ρ пар Р пар 0,33 , м, (76) где пар – плотность пара при данной температуре, кг·м-3; Рпар – давление насыщенного пара при данной температуре жидкости, кПа; mпар - масса пара, которая образовалась за время испарения (но не больше, чем за 60 минут) кг; н - нижний КПРП, %. На внешней границе зоны загазованности есть прослойка паровоздушной смеси с концентрациями от нижнего до верхнего концентрационного предела распространения пламени. Если в такой зоне возникнет источник зажигания, то произойдет воспламенение паровоздушного облака. При зажигании газового облака, в котором образовалась горючая смесь, горение протекает в кинетическом (взрывном) режиме. При взрыве сгорает не вся масса испарившегося горючего вещества, а лишь ее часть. Во взрыве принимает участие приведенная масса пара, которую рассчитывают по формуле: mпр = mZ , кг, (77) где m – масса вещества, которое образовало паровоздушную 111 смесь, кг; Z – коэффициент участия пара и газов во взрыве, определяют в зависимости от условий взрыва: - на открытом пространстве Z = 0,1 - в изолированном пространстве: для водорода Z = 1,0 для других горючих газов Z = 0,5 для паров ЛВЖ и ГЖ Z = 0,3 Мощность взрыва можно оценить по тротиловому эквиваленту. Тротиловый эквивалент взрыва рассчитывают по формуле: WТНТ 0,45 Q н/ m пр , кг, Q ТНТ (78) где 0,45 – коэффициент, который учитывает доли энергии, расходуемые на формирование ударной волны во время взрыва парогазового облака и тринитротолуола (ТНТ); Q/н - массовая низшая теплота сгорания вещества, кДж·кг1 ; mпр - приведенная масса пара, который принимает участие во взрыве, кг; QТНТ - удельная энергия взрыва тринитротолуола (ТНТ), принимается равной 4520 кДж·кг-1. Взрыв паровоздушного облака сопровождается повышением давления. В ударной волне возникает избыточное давление , которое может привести к разрушению зданий и технологического оборудования, травмам и гибели людей. К травмам и гибели людей приводят и вторичные факторы взрыва: осколки стекла, разлетающиеся части аппаратов и прочее. Степень разрушений при взрыве можно оценить по избыточному давлению, которое в ударной волне при сгорании паровоздушного облака на открытом пространстве можно рассчитать по формуле: 0, 33 0,66 Wтнт Wтнт W ΔР Р о 0,8 3 2 5 тнт r r r3 где 112 Ро – атмосферное давление, кПа; , кПа, (79) r – расстояние от центра паровоздушного облака, м. В зависимости от избыточного давления радиус зон поражения можно рассчитать по формуле: R ураж К1 Ro К1 3W тнт , м, (80) 1 26 3180 1 Wтнт Граница зоны воздействия ударной волны для данного объекта характеризуется соответствующими значениями избыточного давления во фронте ударной волны (ΔР) и безразмерного коэффициента (К1), как уровня влияния взрыва, см. таблицу 4.1. Таблица 4.1. Соответствие давления во фронте ударной волны коэффициенту К1 и последствиям действия ударной волны Избыточное Коэффициент Характеристика действия давление, ΔР, К1 ударной волны кПа полное разрушение строений, поражения 100 3,8 легких, разрывы барабанных перепонок разрушения стен на 50 ÷75 % 70 5,6 область сильных повреждений несущих 28 9,6 конструкций, травмы людей обломками область слабых повреждений , разрывы 14 28,0 соединений, расчленение конструкций) 2 56,0 разрушения 10 % оконного стекла Внутри паровоздушного облака концентрация пара может превышать верхний концентрационный предел распространения пламени. В этом случае в кинетическом режиме сгорает только внешняя часть зоны загазованности, а внутренняя часть облака будет выгорать в диффузионном режиме. При этом образовывается огненная сфера. В зоне воздействия огненной сферы происходит практически мгновенное сгорание большинства тканых материалов, кожи человека. Тепловое воздействие 113 огненной сферы вызывает смертельные последствия. Диаметр огненной сферы можно определить, исходя из тротилового эквивалента массы горючего вещества, которое принимает участие во взрыве, по формуле: Dос 55 M 0,375 , м, (81) де М = (1-z)mпр – массовая доля горючего вещества, принимающего участие в образовании огненной сферы, т. Время жизни огненной сферы и ее теплового влияния на личный состав определяют по формуле: ос 3,8 3 M , с. (82) Одним из факторов, который обуславливает распространение пожара и поражение людей, является тепловое излучение огненной сферы при взрывах. Ожоги открытых участков кожи возникают при плотности теплового потока, больше 1,4 кВт·м-2. Расстояние, на котором человек может получить ожоги кожи, определяется по формуле: R обл K 2 D вс , м; 2 (83) К2 – коэффициент уровня влияния теплового облучения, см. таблицу 4.2. Таблица 4.2. Влияние теплового излучения огненной сферы на человека Коэффициент К2 Уровень поражения человека 2,3 50 % смертельных последствий 3,04 1 % смертельных последствий 5,5 образование пузырей на коже 114 Индивидуальное расчетное задание №2 Определить параметры взрыва паровоздушного облака, которое образовалась при испарении в открытое пространство разлитой жидкости: Rзаг – радиус зоны загазованности при испарении жидкости; Rтр – радиус травмирования людей ударной волной (Р = 28 кПа); Rразр - радиус разрушения строительных конструкций (Р=14 кПа); Rос - радиус огненной сферы; ос - время жизни огненной сферы; Rобл - радиус поражения открытых участков кожи тепловым излучением. Для данной работы начальную температуру среды принимаем больше температуры вспышки (то есть достаточную для интенсивного испарения): tнач = tвсп + tо, оС (6) где tвсп - температура вспышки вещества, оС; tо - начальная температура, оС. Горючее вещество (жидкость) и ее температуру вспышки tвсп, рассчитанную по формуле Эллея, взять из расчетного задания №1; начальную температуру tо, скорость ветра vвет – из таблицы 4.3.; площадь разлива жидкости Sисп. и время испарения исп взять из таблицы 4.4. для своего варианта. Таблица № 4.3 Начальные условия (по второй цифре зачетной книжки) Параметр 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 о 10 15 20 25 30 35 25 20 15 10 tо, С 1,5 2,6 2,3 1,8 3,1 2,6 2,1 1,7 1,3 2,4 vвет, м/с Таблица № 4.4 Исходные данные (по третьей цифре зачетной книжки) Параметр 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 210 170 260 320 300 150 250 120 175 310 Sисп, м2 45 38 35 48 55 50 39 52 37 42 исп, мин 115 Методика расчета параметров горения паровоздушного облака на открытом пространстве 1. Определить массу жидкости, которая испарилась. 1.1. Рассчитать давление насыщенного пара жидкости Рнп при начальной температуре по формуле (60). 1.2. Рассчитать интенсивность испарения жидкости, формула (74). 1.3. Определить площадь испарения. 1.4. Рассчитать массу жидкости, которая спарилась, mпар по формуле (75). 2. Определить радиус зоны загазованности, которая образовалась за время испарения жидкости tисп. 2.1. Рассчитать плотность пара жидкости ρпар при данной температуре по формуле: ρ пар . 22,4 1 0,00367 t 2.2. Определить нижний концентрационный предел распространения пламени жидкости φн по справочнику или рассчитать по формулам (44), (45). 2.3. Рассчитать радиус зоны загазованности Rзаг по формуле (76). 3.Рассчитать тротиловый эквивалент взрыва паровоздушной смеси. 3.1. Определить коэффициент участия паров во взрыве. 3.2. Рассчитать массу вещества mпр, которая принимает участие во взрыве, по формуле (77) 3.3. Рассчитать массовую теплоту сгорания вещества Q/н по формуле (28); молярную теплоту сгорания – по закону Гесса (27) или по справочнику [11]. 3.4. Рассчитать тротиловый эквивалент взрыва по формуле (78). 4. Рассчитать радиус поражения ударной волной по формуле (80). 5. Рассчитать параметры сгорания огненной сферы. 5.1. Рассчитать диаметр огненной сферы Rос по формуле (81). 5.2. Рассчитать время жизни огненной сферы τос по формуле (82). 5.3. Рассчитать радиус поражения тепловым излучением по формуле (83). 6. По результатам расчета сделать взвод об областях поражения. 116 Пример решения задачи Рассчитать параметры взрыва паровоздушного облака, которое образовалось во время испарения этилацетата в открытое пространство с поверхности разлива 25 м2. Время испарения составило 40 мин, скорость ветра - 1,5 м·с-1, температура этилацетата на 18°С превышает температуру его вспышки. Решение 1. Определяем массу этилацетата, которая испарилась. 1.1. Рассчитываем давление насыщенного пара этилацетата при температуре 15 °С по формуле (60), tнач = -3 + 18 = 15 °С: Р н .п . 10 1244 ,95 6, 2267 15 217 , 88 7,6 кПа. 1.2. Рассчитываем интенсивность испарения этилацетата по формуле (74): μ = 12·4+1·8+16·2 = 88 кг·кмоль-1; Іисп =88·7,6 (0,734 + 1,637·1,5) ·10-6 = 2,13·10-3 кг·м-2·с-1. 1.3. Рассчитываем массу жидкости, которая испарилась, по формуле (75): mпар = 2,13·10-3·25·40·60 =128 кг. 2. Определяем радиус зоны загазованности, которая образовалась во время испарения аварийного разлива этилацетата на протяжении 2400 с. 2.1. Рассчитываем плотность пара этилацетата при tнач: ρ пар 88 3,72 кг·м-3. 22,4 1 0,00367 15 2.2. Определяем НКМПП этилацетата по справочнику [11] φн = 2 %: 2.3. Рассчитываем радиус зоны загазованности по формуле 117 (76): R заг 2400 7,6 3,15 3600 2,07 0,8 128 3,72 7,6 0, 33 12 , м. 3. Определяем тротиловый эквивалент взрыва паровоздушной смеси. 3.1. Определяем коэффициент участия паров во взрыве z: поскольку испарение происходит в открытое пространство z = 0,1. 3.2. Рассчитываем массу этилацетата, который принимает участие во взрыве по формуле (77): mпр = 128·0,1 = 12,8 кг. 3.3. Рассчитываем массовую теплоту сгорания этилацетата по формуле (28), Qн = 2078 кДж·моль-1 [11]: Qн/ 2078 1000 23613,6 кДж·кг-1. 88 3.4. Рассчитываем тротиловый эквивалент взрыва паровоздушного облака этилацетата по формуле (78): Wтнт 0,4 23613,6 12,8 29,7 кг. 0,9 4520 4. Рассчитываем радиусы поражения ударной волной по формуле (80): Rо 3 29,7 3180 2 1 29,7 0,167 0,632 ; Рассчитываем радиус незначительных повреждений строительных конструкций по формуле (80), исходя из ΔР = 14 кПа 118 коэффициент К1 = 28: R пораж 28 0,632 17,7 м. Рассчитываем радиус незначительного травмирования людей по формуле (80), исходя из ΔР = 28 кПа коэффициент К1 = 9,6: R травм 9,6 0,632 6,1 м. 5. Рассчитываем диаметр огненной сферы по формуле (81): М = (1 - 0,1)12,8·10-3=0,115 т, Dвс 55 0,1150,375 24,4 м. 6. Рассчитываем время жизни огненной сферы по формуле (82): вс 3,8 3 0,115 1.85 с. 7. Рассчитываем радиус поражения открытых участков кожи тепловым излучением огненной сферы с образованием пузырей на коже по формуле (83), К2 = 5,5: R оп 5,5 24,4 67,1 м. Вывод: На основании проведенного расчета установлено, что при условии испарения этилацетата на протяжении 40 минут на площади аварийного разлива 25 м2 при температуре 15°С радиус зоны, в которой концентрация пара будет превышать нижний концентрационный предел распространения пламени, будет составлять 12 м. Тротиловый эквивалент взрыва будет составлять 27,7 кг. При взрыве паровоздушного облака радиус незначительных повреждений строительных конструкций 17,7 м. На расстоянии до 67,1 м возможны ожоги открытых участков кожи человека. 119 4.1.2. РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКОГО РАССТОЯНИЯ ОТ ФАКЕЛА ГАЗОВОГО ФОНТАНА Горение газовых фонтанов - это характерный пример диффузионного горения газов. На практике различают фонтаны: - газовые содержат газа не меньше, чем 95 %; - газонефтяные содержат газа больше 50 % и нефти до 50 %; - нефтяные содержат нефти больше 50 %. Пожары на газовых и газонефтяных фонтанах отличаются от нефтяных тем, что горючий продукт, который фонтанирует, успевает сгореть в воздухе, а при горении нефтяных фонтанов выгореть успевают только попутный газ и легкие фракции нефти, а все другое выпадает вокруг устья буровой скважины и продолжает гореть и растекаться по поверхности. Природные газы из газовых месторождений характеризуются низким содержанием тяжелых углеводородов и условно называются сухими газами. Газы из газоконденсатных месторождений состоят из смеси сухих газов, пропанбутановой фракции, ароматических углеводородов, газового бензина и дизельного горючего. Нефтяные газы более богаты тяжелыми фракциями. Содержание сухих газов в попутном газе небольшое, а основную часть составляют пропанбутановая фракция, ароматические углеводороды, фракции газового бензина. Кроме указанных компонентов, в состав природного газа может входить водород, сероводород, оксид углерода, азот и некоторые другие газы. Аварии на нефтегазовых промыслах могут сопровождаться полным обрывом фонтанного оборудования над поверхностью или ниже за уровень грунта. При выбросе нефти и газа из буровой скважины продукт выходит со скоростью, близкой к скорости звука. При таких скоростях горение имеет четко выраженный турбулентный режим. Фонтан, который горит, по высоте условно можно разделить на следующие зоны: 1. Зона отрыва пламени, часть фонтана непосредственно от устья до видимой зоны горения факела; она зависит от температуры горения, давления и может достигать до трех метров. 120 2. Зона воспламенения, в которой происходит зажигание и горение фонтана. В этой зоне газ и нефть полностью сгорают, поскольку воздух еще может проникнуть в эту зону. 3. Зона горения, которая размещена от верха зоны воспламенения до верхней части факела. Из-за пульсации потока контуры зон условные и размеры зон могут изменяться. Высота газового фонтана меньше зависит от диаметра трубы, через которую выходит газ, и, главным образом, от расхода газа (дебита буровой скважины): H ф 23g ф0,4 , м. (7) где gф - расход или дебит газа, млн. м3·сут-1; Нф - высота факела пламени газового фонтана, м. Для упрощения расчетов можно использовать формулу: H ф 20 g ф , м. (8) Эта связь может быть использована для ориентировочного определения дебита по высоте факела компактного газового фонтана: gф 0,0025Н ф2 , млн. м3·сут-1. (9) Основную опасность при горении фонтана представляет тепловое излучение факела. По критической плотности теплового потока для личного состава и пожарной техники, можно рассчитать граничное расстояние от центра факела для их расположения. Факел фонтана характеризуется теплотой пожара: Q пож 11,57 Q н// g ф , кДжc-1, (87) где η - коэффициент полноты сгорания; gф - дебит фонтана, млн. м3·сут.-1; Q н// - низшая объемная теплота сгорания газа в факеле фон121 тана, кДжм-3. При увеличении расстояния от центра факела фонтана уменьшается плотность теплового потока соответственно формуле: R f Q пож , м, 4 q кр (88) где qкр - критическая плотность теплового потока; личный состав без средств защиты может работать, если q ≤ 1 кВтм-2, личный состав в боевой одежде может работать, если q ≤ 4,2 кВтм-2, пожарная техника может работать, если q ≤ 12 кВтм-2; f - коэффициент излучения факела фонтана данного состава ( f 0,05 ), где μ – молярная масса горящего вещества (кгкмоль-1); если горит смесь веществ, ее молярная масса μсм рассчитывается с учетом молярных масс и долей каждого газа в смеси ri: z μ см ri μ i , кг·кмоль-1. i 1 (89) Расстояние от буровой скважины для безопасного расположения разных объектов можно определить по теореме Пифагора, см. рис. 4.1. 2 Hф , м, Lбез R h 2 2 (90) где h – высота зоны отрыва, м; R - граничное расстояние от центра факела, м; Нф - высота факела фонтана, м. 122 Рис. 4.1. Безопасное расстояние от горящей скважины Индивидуальное расчетное задание №3 Рассчитать критическое расстояние от горящего факела газового фонтана, для личного состава и пожарной техники. Таблица 4.5 – Состав газового фонтана (выбирают по второй цифре зачетной книжки) № КомпоСодержание компонентов ΔH°f, п/ нент кДж Номер варианта -1 п моль 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Метан Этан Пропан Бутан СО2 N2 O2 85 80 75 70 90 95 85 75 80 90 -74,8 5 - 15 10 - 5 5 -84,68 - 10 - 5 - 5 10 5 - -103,8 5 3 - 10 - 3 5 5 - 3 -126 - 2 5 5 5 2 5 - 5 - -393,8 2 5 3 - 5 2 2 0 3 - 2 5 - 5 3 0 Таблица 4.6 – Параметры газового фонтана (выбирают по третьей цифре зачетной книжки) Параметр Номер варианта 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Дебит газового фонтана, 0,1 0,3 1 0,5 0,7 0,4 1,5 2 1,8 0,2 gф млн м3·добу-1. Коэффициент полноты сго- 0,85 0,9 0,95 0,92 0,83 0,88 0,94 0,92 0,89 0,97 рания, η. Высота зоны 1 0,5 1,5 0 1 1,5 2,0 2,5 0 1 отрыва, м. 123 1. 2. 3. 4. 5. Методика расчета безопасных расстояний от горящего фонтана Составить уравнение реакции горения компонентов газового фонтана. Определить теплоты образования ΔH°f (кДжмоль-1) продуктов горения - из таблицы приложений 3, и горючих веществ - из таблицы 4.5. Рассчитать по закону Гесса (27) низшую молярную теплоту сгорания Qн (кДжмоль-1) компонентов газового фонтана. Рассчитать объемную теплоту сгорания компонентов газового фонтана Qн// (кДж·м-3) по формуле (29). Рассчитать объемную теплоту сгорания газового фонтана: Qн// гф Qн// i i , кДжм-3, 100 (91) где Qні// - низшая объемная теплота сгорания і-го компонента газового фонтана, кДж·м-3; φи - содержание і-го компонента газового фонтана, %. 6. Найти высоту фонтана по формуле (8). 7. Определить количество тепла, которое выделяется факелом по формуле (87). 8. Определить критическое расстояние от центра факела по формуле (88). 9. Определить безопасное расстояние от фонтана по формуле (90). 124 Пример решения задачи Рассчитать критическое расстояние от факела горящего газового фонтана, для личного состава и пожарной техники, если состав газа: С3Н8-40%; С4Н10 – 50 %; N2 – 7 %; СО2 – 3 %; дебит 0,1 млн м3сут-1, коэффициент полноты сгорания 0,8; высота зоны отрыва 1 м. Решение 1. Горючими газами из состава газа являются пропан С3Н8 и бутан С4Н10. Составляем для них уравнения реакции горения: С3Н8 + 5(О2 +3,76N2) = 3СО2 + 4Н2О + 53,76N2; С4Н10 + 6,5(О2 +3,76N2) = 4СО2 + 5Н2О + 6,53,76N2. 2. Определяем теплоты образования продуктов горения и горючего вещества по данным таблиц приложений №3 и №11: ΔНfН2О (пара) = -242 кДж·моль-1; ΔНfС3Н8 = -103,8 кДж·моль1 ; ΔНf СО2 = -394 кДжмоль-1; ΔНf С4Н10 = -126 кДжмоль-1. 3. Рассчитаем низшую теплоту сгорания компонентов газового фонтана: С3Н8: Qн = |3(-394) + 4(-242) +103,8| = 2046,2 кДжмоль-1; С4Н10: Qн = |4(-394) + 5(-242) +126| = 2660 кДжмоль-1. 4. Рассчитаем объемную теплоту сгорания компонентов газового фонтана: С3Н8: С4Н10: 2046 1000 -3 83510 кДжм ; 24,5 2660 1000 -3 Q н// 108571 кДжм . 24.5 Qн// 5. Рассчитаем объемную теплоту сгорания газовой смеси фонтана: 125 Qн// гф 83510 40 110833 50 -3 87689,7 кДжм . 100 6. Найдем высоту фонтана: H ф 20 0,1 6,3 м. 7. Определяем количество тепла, которое выделяется факелом: Qпож 11,57 0,8 89518 0,1 82857,8 кДжc-1. 8. Определяем критическое расстояние от центра факела для личного состава в боевой одежде, критическая плотность теплового потока qкр = 4,2 кВтм-2. Рассчитаем среднюю молярную массу ср горючей газовой смеси: (С3Н8) =123+8 = 44 кгкмоль-1; (С4Н10) = 124+10= 58 кгкмоль-1; μ сум 0,4 44 0,5 58 46,6 кгкмоль-1. Рассчитаем коэффициент излучения: f 0,05 46,6 0,34 . Рассчитаем критическое расстояние от центра факела: R 0,34 82857,8 23,1 , м. 4 3,14 4,2 9. Рассчитаем безопасное расстояние от фонтана по формуле (74): 2 6,3 L безп 23,12 1 23,5 , м. 2 Вывод: Безопасное расстояние от основания горящего га126 зового фонтана для личного состава в боевой одежде составляет не меньше чем 23,5 м. 127 4.2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА В ОГРАЖДЕНИИ Пожары, в которых газообмен ограничен строительными конструкциями, называются пожарами в ограждении. Если помещение имеет большой свободный объем (больше 1000 м3) или открытые проемы значительной площади, процесс распространения пожара протекает за счет постепенного охвата пламенем поверхности горючих материалов. В помещениях меньшего объема при достижении температуры 300350оС содержание газообразных продуктов разложения достигает нижнего концентрационного предела. При этом распространение пожара происходит уже не по поверхности горючего материала, а по объему газовой среды, т.е. свободный объем помещения превращается в зону горения (объемный пожар). Обычно это сопровождается разрушением остекления и в помещение начинает поступать воздух, который интенсифицирует горение и развитие пожара. При пожаре в ограждении тепло и дым, выделяющиеся при горении, накапливаются в помещении. В результате, зона теплового воздействия и зона задымления со временем растут. Зона задымления характеризуется сниженным содержанием кислорода и повышенным содержанием токсичных веществ, а зона теплового воздействия - критической температурой, при которой происходят заметные изменения в физическом состоянии материала. Для того, чтобы можно было описывать, исследовать или сравнивать пожары, необходимо использовать параметры, которые характеризуют разные стороны развития пожаров. Основными параметрами развития пожара являются: площадь, периметр, фронт, температура пожара, интенсивность газообмена. Эти параметры в свою очередь зависят от вида горючего вещества, габаритов помещения, внешних условий. Знание закономерностей изменения параметров пожара и факторов, которые на них влияют, необходимо для прогнозирования обстановки на пожаре и разработки мероприятий по предупреждению распространения пожара и его ликвидации, обеспечения безопасности людей, которые находятся под воздействием пожара, и для составления планов эвакуации людей и материальных ценностей. 128 Индивидуальное расчетное задание №4 Рассчитать основные параметры развития пожара в помещении на заданные моменты времени свободного развития пожара: площадь, периметр и фронт пожара; температуру пожара, температуру под потолком над очагом пожара и в дверном проеме; высоту нейтральной зоны. критическое время развития пожара по температуре и по содержанию кислорода для данного помещения; Конфигурация помещения определяется по первой цифре номера зачетной книжки; параметры помещения, место возникновения пожара, вид горючего вещества и линейная скорость распространения пламени - по двум последними цифрами номера зачетной книжки. Условия газообмена (через один или два проема) задает преподаватель во время консультации. Конфигурация помещения Вариант -«0» 1.5 а а 4 1 5 0 2а 2а 7 a 6 8 2 3 9 129 Вариант -«1» 1,5 а 1,5 а а 4 8 0 а 2 5 3 9 7 1,5 а 1 6 Вариант-«2» 1,5 а 1,5а 2а 0 7 3 9 4 5 8 2а 2 1 130 6 2а а Таблица № 4.7 – Параметры помещения и пожара (определяются по второй цифре зачетной книжки) Условия задачи Номер варианта 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Масштаб «а», м 10 8 12 7 6 11 9 13 10 1,5 0,9 1,1 0, 0,9 1,6 1,8 1,6 1,8 х х х 9 1 х х х х 2,1 2,3 2,0 х х 2,2 2,3 2,0 2,1 Размеры окон, м 1, 0,6 8 0,8 0,7 0,9 1, 1,1 1,2 1,3 1,1 0,9 х х х 2 х х х х х 2,2 2,1 2,4 х 2,1 2,0 2,1 2,4 2,2 Размеры двери, м 2, 3 Н помещения, м 4,0 4,5 3,8 5, 0 4,3 2,9 3,2 Время развития пожара, 7 9 4 6 8 2 5 мин. 18 12 11 15 16 14 16 1,5 0,9 1,1 0, 0,9 1,3 1,0 v0l, м·хв-1 6 № 0 1 2 3 4 9 14 1,6 х 2,4 0,8 х 2,3 3,6 3,4 4,2 3 7 4 19 13 17 1,2 0,8 1,4 Таблица № 4.8 – Вид горючего материала (определяется по третьей цифре зачетной книжки) Вещество № Вещество Бумага 5 Каучук синтетический Хлопок 6 Полиэтилен в изделиях Дерево в изделиях 7 Волокно штапельное Книги на стеллажах 8 Полипропилен в изделиях Резинотехнические изделия 9 Каучук натуральный Таблица № 4.9 – Место возникновения пожара (определяется по второй и третьей цифре зачетной книжки) Вторая Третья цифра цифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 10 2 8 7 6 5 4 3 2 1 10 9 3 7 6 5 4 3 2 1 10 9 8 4 6 5 4 3 2 1 10 9 8 7 5 131 6 7 8 9 0 5 4 3 2 1 4 3 2 1 10 3 2 1 10 9 2 1 10 9 8 1 10 9 8 7 10 9 8 7 6 9 8 7 6 5 8 7 6 5 4 7 6 5 4 3 6 5 4 3 2 4.2.1. РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКОГО ВРЕМЕНИ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА ПО ТЕМПЕРАТУРЕ И СОДЕРЖАНИЮ КИСЛОРОДА С развитием пожара в ограждении наступает момент, когда все помещение будет охвачено зоной задымления или теплового воздействия, поэтому пребывание людей в помещении становится невозможным. Такое время называют критическим временем развития пожара. Критическое время развития пожара - время от возникновения горения до наступления теплового удара или снижения концентрации кислорода в воздухе ниже предельно допустимых значений. Критическое время развития пожара для пребывания людей в помещении определяется временем достижения критической температуры (700 С) и временем снижения концентрации кислорода в воздухе помещения до критического значения. Известно, что при снижении концентрации кислорода в воздухе до 17% происходит потеря сознания, при снижении концентрации кислорода ниже 14-15 % в организме человека происходят необратимые процессы, и может наступить смерть. Критическое время развития пожара зависит от объема помещения, площади пожара, теплоты сгорания, массовой скорости выгорания, объема воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества. Если считать, что нормальная жизнедеятельность организма прекратится при выгорании 21-14 = 7% кислорода, которому соответствует 7·4,76 = 33,32% воздуха по объему, тогда при условии, что площадь пожара не изменяется (например при горении жидкостей), время до наступления критического состояния по концентрации кислорода может быть определенно ана132 литически: τ кр2 0 0,33Vпом , мин ηS пож v оm v ов (92) где vm – массовая скорость выгорания горючего вещества, (кг·м-2 мин-1); – коэффициент полноты сгорания; Vпом - полный объем помещения, (м3); Sпож - площадь пожара, (м2); v0в – расход воздуха для полного сгорания, (м3·кг-1). Расчет времени достижения критической температуры в помещении проводится по формуле: t τ кр 81,9 Vпом , мин η Q S пож v m / н (93) где Q/н – массовая теплота сгорания горючего материала, кДж·кг-1. При горении твердых горючих материалов пожар со временем распространяется, а площадь пожара возрастает. Таким образом, при горении твердых горючих материалов критическое время развития пожара зависит от места возникновения пожара, а значит и от формы развития пожара. Если форма развития пожара - круговая (очаг пожара в центре помещения), критическое время развития пожара по температуре и содержанию кислорода можно выразить следующими формулами: t τ кр 2,97 3 τ кр2 0,472 3 O Vпом , мин ; ηQн/ v m v l2 (94) Vпом , мин ; ηv l2 v m v в0 (95) - форма развития пожара - полукруг (очаг пожара возле стены): 133 t τ кр 3,73 3 Vпом , мин ; ηQ н/ v m v l2 (96) τ кр2 0,595 3 Vпом , мин ; ηv l2 v m v в0 (97) O - форма развития пожара - четверть круга (очаг пожара в углу помещения): t τ кр 4,7 3 Vпом , мин ; ηQ н/ v m v l2 (98) Vпом , мин ; ηv l2 v m v в0 (99) τ кр2 0,749 3 O где vl - линейная скорость распространения пожара, м·мин-1. При развитии пожара в первые 10 минут распространение горения происходит с меньшей скоростью, поэтому для расчетов принимают: vl ( <10мин) = 0,5v0l. Методика расчета критического времени развития пожара 1. Из таблицы № 13 приложений для данного горючего вещества определить параметры: vm, Q/н, . 2. Рассчитать линейную скорость распространения пожара на заданное время развития пожара (v0l взять из таблицы № 2.5): vl = 0,5v0l . 3. Согласно варианту задачи рассчитать объем помещения Vпом. 4. Согласно варианту задачи определить форму развития пожара при его возникновении. 134 5. Рассчитать критическое время развития пожара по температуре и содержанию кислорода, в зависимости от формы развития пожара, по формулам (94) - (99). 135 Пример решения задачи В углу помещения размерами 10123,5м произошло загорание полипропилена. Определить критическое время развития пожара по температуре и содержанию кислорода. Решение 1. Для полипропилена определяем: vm = 0,87 кг·м-2·хв-1, = 0,85, Q/н = 45600 кДж·кг-1. 2. Рассчитываем линейную скорость распространения пламени: vl = 0,51,2 = 0,6, м·мин-1. 3. Рассчитываем объем помещения: Vпом = 10123,5 = 420 м3. 4. Поскольку очаг возникновения пожары находится в углу помещения, форма развития пожара – угловая. 5. Рассчитываем критическое время развития пожара по температуре и содержанию кислорода для угловой формы пожара, формулы (98), (99): t τ кр 4,7 3 420 1,53 , мин.; 0,85 45600 0,87 0,6 2 τ кр2 0,749 3 O 420 3,9 , мин. 0,85 0,6 0,87 11,42 2 Вывод: при горении полипропилена в заданном помещении критическое значение температуры (70оС) наступит через 1,5 минуты, а критическое содержание кислорода (15 %) – через 3,9 минут. Поэтому при возникновении пожара за это время следует обеспечить эвакуацию людей из данного помещения. 136 4.2.2. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ, ПЕРИМЕТРА И ФРОНТА ПОЖАРА КЛАССА А НА ЗАДАННЫЕ МОМЕНТЫ ВРЕМЕНИ Под развитием пожара понимают изменение основных параметров пожара во времени и пространстве. Эти параметры можно не только измерить, но рассчитать и спрогнозировать их изменение. На практике для прогнозирования развития пожаров принимается ряд предположений: 1. Пожарная нагрузка в помещении распределено равномерно. 2. Пожар распространяется по всем направлениям равномерно. 3. Пожар принимает расчетные формы развития: круг, полукруг, сектор или прямоугольную форму развития. 4. Переход с одной формы развития пожара в другую происходит при подходе фронта пожара к конструкциям, которые ограждают. 5. Линейная скорость распространения пожара зависит от времени развития пожара и изменяется следующим образом: свободное развитие пожара - до 10-й минуты развития - принимается равной 0,5 от табличного значения: vl 10 = 0,5 vоl, м·мин-1; (10) -после 10-й минуты развития и до введения сил и средств для тушения пожара - принимается равной табличному значению: vl >10 =vоl , м·мин-1; (11) с момента введения сил и средств до локализации пожара 0,5 табличного значения (соответственно формуле (83)); после локализации линейная скорость распространения пожара равна нулю; при достижении противопожарных конструкций распространение фронта горения прекращается на время их огнестойкости. Если пожар подходит к двери, то его развитие прекращается до прогорания двери. Для двери обычного исполнения 137 время задержки принимается 10 минут, для противопожарных дверей - по степени их огнестойкости. При прогорании двери горение продолжается со скоростью vоl в свободную сторону до ограничения конструкциями. Методика расчета площади, периметра и фронта пожара 1. Определить путь, пройденный фронтом пламени (радиус развития пожара) за время свободного развития по формуле: разв. 10 минут разв. > 10 минут R = 0,5 vоl разв R = 0,5 vоl10 + vоl (разв - 10) (12) (13) 2. Определить форму развития пожара с учетом места возникновения пожара и размеров помещения. 3. Определить расстояние до двери и выяснить прогорят ли двери. 4. В зависимости от формы развития пожара рассчитать площадь, периметр и длину фронта пожара. (Фронт пожара часть периметра, на которой пожар распространяется наиболее интенсивно.) При прогорании дверей в расчете параметров пожара учесть развитие пожара в соседнее помещение. Пример решения задачи Рассчитать параметры пожара в помещении размерами 10х10 м на 5-й и 15-й минуте свободного развития пожара при горении полипропилена. Расположение очага пожара указано на плане. Решение 1. По таблице № 2.5 определяем линейную скорость распространения пламени vоl. Например vоl = 1,5 м·мин-1. 2. Определяем радиус пожара: 138 на 5 минуту: наа 15-ю минуту: R5 = 0,51,55 = 3,75 м. R15 = 0,51,510 + 51,5 = 15 м. 3. . Выясним, прогорит ли дверь. Расстояние до двери: L= 52 52 = 7 м. Время прохождения фронта пожара до двери с половинной скоростью составляет 7/0,75=9,3 мин. Фронт пожара действует на дверь 15-9,3 = 5,7 мин. Поскольку огнестойкость двери 10 мин, то пожар не выйдет за пределы помещения. 4. На 5 минуту форма пожара - полукруг. R 2 3,14 3,75 2 22,1, м 2 . 2 2 Рпож5 = R + 2R = 3,143,75 + 23,75 = 19,3, м. Фпож5 = R = 3,143,75 = 11,8, м. S пож 5 На 15 минуту радиус распространения пожара больше размеров помещения, но дверь не прогорает, значит огонь охватывает полностью одно помещение, форма пожара - прямоугольная. Sпож15 = аа = 1010 = 100, м2. Рпож15 = 4а = 40, м. Фпож15 = 0, м (по периметру пожара нет ни одного отрезка на котором пожар распространяется). Вывод: в данном помещении при горении полипропилена и расположении очага пожара возле середины стены на 5 минуту пожар имеет расчетную форму «полукруг» и следующие параметры: площадь Sпож=22,1м2, периметр Рпож =19,3 м, фронт Фпож = 11,8, м; на 15 минуту пожар доходит до всех стен и двери, но дверь не прогорает, поэтому пожар принимает расчетную форму «прямоугольник», соответствующую размерам одного помещения, и следующие параметры: площадь Sпож = 100, м2, периметр Рпож = 40, м, фронт Фпож = 0, м. 139 4.2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЖАРА И ВЫСОТЫ НЕЙТРАЛЬНОЙ ЗОНЫ НА ЗАДАННОЕ ВРЕМЯ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА Количественной характеристикой изменения тепловыделения на пожаре, в зависимости от условий горения, является температурный режим. Под температурным режимом пожара понимают изменение температуры пожара во времени. За температуру пожара в ограждении принимают среднеобъемную температуру газовой среды в помещении, в котором происходит пожар. Температура пожара в ограждении существенно зависит от объема помещения, времени развития, площади пожара, количества пожарной нагрузки, вида горючего вещества (теплоты сгорания, массовой скорости выгорания вещества, скорости распространения горения), интенсивности газообмена, теплопотерь на нагрев конструкций, температуры воздуха, поступающего в помещение и др. Если воздухообмен в помещении не ограничен, то интенсивность горения увеличивается, возрастает температура в зоне реакции горения. С другой стороны, этот воздух имеет достаточно низкую температуру, поэтому температура пожара может падать. Какой именно из этих двух факторов будет оказывать большее влияние, зависит от конкретной ситуации. Знание закономерностей газообмена на пожаре имеет решающее значение в обеспечении безопасности людей, которые находятся внутри помещения, и создании условий для организации и проведения боевых действий, спасательных работ и тушения самого пожара. При пожаре в ограждении в зависимости от условий газообмена на определенной высоте от уровня пола физические параметры газовой среды (плотность, давление) отвечают физическим параметрам воздуха вне помещения. Эту плоскость принято называть нейтральной зоной или плоскостью равных давлений. Определение уровня нейтральной зоны при пожаре в ограждении необходимо для организации эвакуации людей, работы личного состава в зоне задымления с использованием индивидуальных средств защиты. 140 Основными способами регулирования газообмена при пожаре в ограждении могут быть: снижение давления в верхней части помещения путем откачки нагретых продуктов сгорания дымососами и использование систем вентиляции для принудительного удаления дыма; раскрытие вытяжных проемов в зоне, где создается максимальная температура и давление продуктов горения; раскрывают дымовые и аэрационные люки в верхней части помещения; снижение температуры и давления продуктов горения с помощью тонкораспыленных струй воды; регулирование соотношения площади приточных и вытяжных проемов. При увеличении площади вытяжных отверстий происходит повышение уровня нейтральной зоны, улучшается процесс аэрации помещения. Нейтральная зона всегда располагается ближе к тем отверстиям, площадь которых больше; повышение давления воздуха в помещении путем нагнетания чистого воздуха в нижнюю часть помещения дымососами. Наиболее простой расчетной моделью температурного режима пожара в ограждении является интегральная модель, которая допускает, что тепло пожара расходуется на нагревание продуктов горения и равномерно распределено по объему помещения. С некоторыми допущениями ее можно использовать при расчете температурного режима пожара в ограждении на любой момент его развития. Используют упрощения: 1. Все тепло пожара равномерно распределено по объему помещения и расходуется на нагрев газовой среды и строительных конструкций. 2. Ячейка пожара - в центре пола помещения. 3. Температура линейно увеличивается по высоте, и уменьшается при отдалении от центра помещения. Среднеобъемная температура определяется для геометрического центра помещения. Расчет Тпож основывается на уравнении теплового баланса пожара, учитывающем, что тепло пожара расходуется на нагрев: 1) продукты горения, теряющиеся из помещение, Q/пг; 141 2) продукты горения, остающиеся в помещении Q//пг (именно Q//пг и определяют температуру пожара); 3) строительных конструкций, QСК.; 4) на подготовительные процессы в горючем материале, Qподг.; 5) на излучение за пределы помещения Qизл.. Значение температуры пожара в первом приближении можно рассчитать за формулой стандартного температурного режима пожара если время свободного развития больше за 10 мин: t = 55 lg (8 τпож +1) , оС t = 345 lg (8 τ + 2) , оС (104) (105) - время развития пожара, мин. = τпож - 10, мин. Более точно температуру пожара на заданное время ее свободного развития можно оценить по соответствующей площади пожара по отношению к площади пола: где Тпож 298 1200 S пож , К. S підл (106) С помощью критериальных уравнений теплового баланса пожара в ограждении температура пожара на любой момент развития определяется как доля адиабатической температуры горения Тад: η Sпож v m C p v пг Тпож = Тад = 0.66Tад 60σ ε S Т 3 о пр огор ад 0.17 , К, (107) где о- постоянная Больцмана, 5.76*10-11 квт/(г К); Sогор - общая площадь ограждающих конструкций, м2; vпг - удельный объем ПГ, м3/кг; пр. - приведенная степень черноты; Ср - теплоемкость ПГ, кДж/(м3 К). - безразмерный коэффициент, учитывающий потери тепла теплопроводностью и на нагрев окружающих конструкций тепловым излучением. Соответственно интегральной модели пожара можно рассчитать значение температуры в заданных точках помещения на заданное время свободного развития пожара по формуле: 142 y x ,К Tx,y,τ Tτ 0,8 0,2 1,33 y 0 2x x 0 (108) где х0 = 0,25 l, y0 = 0,5h. При расчетах принимают, что раскрываются все проемы, попавшие в зону горения до 10 минуты пожара. После десятой минуты пожара в помещении разрушаются все окна вследствие контраста температур. В случае расположения проемов на разных уровнях, на приток работают нижние проемы, а на виток продуктов горения – верхние (газообмен через два проема). Если проемы находятся на одном уровне, на приток воздуха работает лишь их нижняя часть - 1/3 площади всех открытых проемов: S прит S пр 3 , м2 (газооб- мен через один проем). Высоту нейтральной зоны для этих случаев газообмена можно рассчитать по формулам: h пр газообмен через один проем: h нз 1 3 Тпож Т0 , м; (109) газообмен через два проема: h нз H S пр S выт 2 Т пож Т 1 0 0,5h пр , м (110) где hпр – высота проема, через который происходит газообмен, м; Тпож – температура пожара в помещении, К; То – температура окружающего воздуха, К; Sприт – площадь приточного проема, м2; Sвыт – площадь вытяжного проема, м2; Н – высота между центрами приточного и вытяжного проемов, м. 143 Методика расчета температуры пожара и высоты нейтральной зоны 1. Из таблицы №2.5 и №2.6 для заданного варианта задачи выписать размеры помещения, окон, двери, время развития пожара, вид горючего вещества, линейную скорость распространения горения. 2. Для заданного горючего вещества выписать параметры (приложение №13): o vm - массовая скорость выгорания, кг·м-2 хв-1; Qн/ - низшая теплота сгорания вещества, кДж·кг-1; v0в - удельный теоретический объем воздуха, м3·кг-1; v0пг - удельный теоретический объем продуктов горения, м3·кг-1; - коэффициент полноты сгорания. 3. Рассчитать радиус пожара Rпож на заданные моменты времени, формулы (12), (13). 4. В зависимости от формы развития пожара рассчитать площадь пожара SПОЖ на заданные моменты времени. 5. Определить общую площадь раскрытых проемов и проемов, которые работают на приток воздуха. Считают, что все проемы, которые попадают в зону горения, раскрываются. При расположении проемов на разных уровнях на приток воздуха работают нижние проемы, а на выход продуктов горения – верхние (газообмен через два проема), т.е. SПРИТ = SНИЖ.ПР. Если проемы находятся на одном уровне, на приток воздуха работает лишь 1/3 площади всех открытых проемов (газообмен через один проем): SПРИТ = SПР/3, м2. 6. Определить коэффициент избытка воздуха по номограмме № 1 (приложение 18). 6.1. Рассчитать соотношение SПОЖ/SПОЛ и SПРИТ/SПОЖ. 6.2. По значению SПОЖ/SПОЛ определить тип кривой (сплошная или пунктирная), а по значению SПОЖ/SПОЛ – номер кривой. Для удобства все необходимые данные занести в таблицу: Время, мин SПОЖ SПРИТ SПОЖ SПОЖ Тип и номер кривой SПОЛ SПОЛ 144 α 6.3. На оси абсцисс номограммы найти значение удельного теоретического объема воздуха vво, от которого провести вертикаль до пересечения с ранее определенной кривой. На оси ординат определить значение коэффициента избытка воздуха α. 7. Рассчитать удельный действительный объем продуктов горения с учетом избытка воздуха по формуле (19). 8. Рассчитать приведенную массовую скорость выгорания вещества vm, которая изменяется в зависимости от времени развития пожара: τ пож 0 vm vm 0,3 0,7 30 , кг·м-2 мин-1, (111) где τпож - время развития пожара, мин. 9. Определить ТПОЖ в первом приближении за формулами (104), (105) или (106). 10. Рассчитать объемную теплоемкость газовой среды в помещении при пожаре: 0,1 с p 1,25 0,12 0,25 α Tпож , кДж·м-3·К-1, (112) 1000 где α - коэффициент избытка воздуха; Тпож - температура пожара, К. 11. Рассчитать значение приведенной степени черноты системы "пламя - поверхность строительной конструкции": ε пр 1 , 1 0,0022 t пож (11314) где tпож - температура пожара, оС. 12. Определить полную поверхность теплообмена – поверхность конструкций, которые ограждают пожар. SОГР определяется как сумма поверхностей стен, пола и потолка, которые воспринимают тепловой поток. Если пожар происходит 145 в нескольких сопредельных помещениях, то площадь ограждающих конструкций определяют как сумму площадей конструкций каждого помещения: n S огр S огр.i , м2. (114) i 1 13. Рассчитать адиабатическую температуру горения: Т ад η Q н/ 273 , К. с p v пг (115) 14. Рассчитать температуру пожара в помещении на заданное время развития по формуле (107): 15. Провести сравнение рассчитанной температуры пожара с предварительно заданными значениями температуры в первом приближении. При расхождении больше чем на 10% необходимо задаться новым значением температуры и повторить расчет. При этом полученное значение температуры пожара принимают за второе приближение. 16. Для расчета температуры пожара в произвольной точке определить координаты х и у этой точки помещения. Начало отсчета ведут от очага пожара. Согласно интегральной модели температурного режима пожара в ограждении принимаем, что очаг пожара расположен в центре помещения (независимо от реальной точки расположения очага). 17. Рассчитать значение температуры в заданных точках помещения на заданное время свободного развития пожара по формуле (108). 18. Рассчитать высоту нейтральной зоны по формулам (109) или (110) в зависимости от схемы газообмена. 146 Пример решения задачи Рассчитать температуру пожара и температуру на уровне середины входной двери помещения библиотеки на 9-й и 15-й минутах с момента возникновения пожара. Размеры помещения 48244,2 м, оконных проемов - 31,8 м, дверного проема 1,82,2 м. Газообмен на пожаре может происходить через 8 окон помещения и открытый дверной проем. Окна и двери расположены на одном уровне. Расположение очага пожара и проемы показаны на плане. Принять линейную скорость распространения горения 1,25 м·мин-1. Решение 1. По таблице 13 приложений для книг на стеллажах выписываем: = 0,97; vmo = 0,438 кг·м-2 мин-1; Qн/ = 13400 кДж·кг-1; vов = 3,95 м3·кг-1; v0пг = 4,64 м3·кг-1. 2. Рассчитываем радиус распространения пожара RПОЖ, на 9-й и 15-й минуте свободного развития. Радиус развития пожара на 9-й минуте: RПОЖ(9) = 0,5 1,25 9 =5,6 м. Радиус развития пожара на 15-й минуте: RПОЖ(15) = 0,5 1,25 10 + 1,25 (15-10) = 12,5 м. 3. В зависимости от формы развития пожара рассчитываем площадь пожара SПОЖ на заданные моменты времени. На 9-й минуте фронт пожара не дошел до стен, форма развития пожара - круговая: SПОЖ(9) = R2 = 3,145,62=98,5 м2. 147 На 15-й минуте фронт пожара дошел до ближних стен помещения, поэтому форма развития пожара прямоугольная: SПОЖ(15) = b2R = 24212,5 = 600 м2. 4. Определяем общую площадь раскрытых проемов и проемов, которые работают на приток. Считаем, что дверь и окна находятся на одном уровне. На 9-й минуте пожар не дошел до окон, принимаем, что газообмен происходит только через открытую дверь. Площадь дверного проема составляет: SДВ = 1,8 2,2 = 3,96 м2. Площадь проема, которая работает на приток: SПРИТ(9) = 3,96/3 = 1,32 м2. На 15-й минуте в зоне горения оказалось 8 оконных проемов, которые раскрылись под действием пожара: SОКОН = 831,8 = 43,2 м2. Окна и двери расположены на одном уровне (газообмен через один проем), поэтому площадь проемов, которая работает на приток воздуха, определяется как нижняя треть суммарного проема: SПРИТ(15) = (43,2+ 3,96)/3 = 15,7 м2. 5. Определяем коэффициент избытка воздуха с помощью номограммы 18. Составляем таблицу (SПОЛА = 2448 = 1152 м2): Время, SПОЖ, SПРИТ, S прит мин. м2 м2 S пож 9 15 148 98,5 600 1,32 15,7 0,013 0,026 S пож S пола 0,09 0,52 Тип, номер кривой пунктирная, №1 сплошная, №1 2,8 2,5 6. Рассчитываем действительный удельный объем продуктов горения: VПГ(9) = 4,64 + 3,95(2,8-1) = 12,1 м3·кг-1; VПГ(15) = 4,64 + 3,95(2,5-1) = 10,8 м3·кг-1. 7. Рассчитываем приведенную массовую скорость выгорания вещества: 9 0,438 0,3 0,7 0,3 , кг·м-2 хв-1; m(9) 30 15 v 0,438 0,3 0,7 0,35 , кг·м-2 хв-1. m(15) 30 v 8. Определяем ТПОЖ в первом приближении. tпож(9) = 55 lg (8·9 + 1) = 102,5 оС; ТПОЖ(9) = 375,5 К; на 15-й минуте: tпож(15) = 345 lg (8(15 - 10) + 2) = 560 оС; ТПОЖ(15) = 833 К. на 9-й минуте: 9. Рассчитываем объемную теплоемкость среды в помещении: 0,1 375,5 с p (9) 1,25 0,12 1,256 кДж·м-3·К-1; 0,25 2,8 1000 0,1 833 с p (15) 1,25 0,12 1,261 кДж·м-3·К-1. 0 , 25 2 , 5 1000 10. Рассчитываем значение приведенной степени черноты пламени: 1 0,82 ; 1 0,0022 102,5 1 ε пр (15) 0,45 . 1 0,0022 560 ε пр (9) 149 11. Рассчитаем площадь ограждения: Sогр = 2(4824 + 484,2 + 244,2) = 2908,8 м2. 12. Рассчитываем адиабатическую температуру горения на 9-й и 15-й минуте пожара: 0,97 13400 273 1067 К. 1,256 12,1 0,97 13400 273 1228 К. 1,261 10,8 Т ад(9 ) Т ад(15) 13. Рассчитываем температуру пожара на 9-й и 15-й минуте: 0,97 98,5 0,3 1,255 12,1 Т пож (9) 18,1 1067 0,85 2908,8 1067 3 0,17 0,97 600 0,35 1,261 10,8 Т пож (15) 18,1 1228 3 0 , 45 2908 , 8 1228 459, K . 0,17 836 K. 14. Расчетная температура на 9 минуту пожара выходит за пределы допустимой погрешности 10 % по сравнению со температурой, принятой в первом приближении п.8, поэтому полученное значение ТПОЖ(9) = 459 К принимаем за температуру пожара во втором приближении и повторяем расчет, начиная с п. 9. Полученная температура для 15 минуты пожара попадает в пределы допустимой погрешности, поэтому принимаем ТПОЖ(15) = 836 К за фактическую температуру пожара. 15. Результаты второй итерации ТПОЖ(9) = 430 К попадают в пределы допустимой погрешности, поэтому используем её в дальнейших расчетах как фактическую температуру пожара на 9 минуте свободного развития. 16. Определяем безразмерные координаты заданной точки Х ,Y – посреди высоты дверного проема, относительно Хо, Yо – центра половины помещения. 150 Точка Х= 24 м; Y= 1,1 м. Точка Хо = 480,25 = 12 м. Yо = 4,20,5 = 2,1 м. 17. Рассчитываем температуры в точке (Х, Y) на 9-й и 15-й мин: 1,1 24 Tx, y, (9) 430 0,8 0,2 1,33 362 , К ; 2,1 2 24 12 1,1 24 Tx, y,(15) 836 0,8 0,2 1,33 698 К . 2,1 2 24 12 18. Рассчитаем высоту нейтральной зоны. На 9-й минуте развития пожара газообмен осуществляется через один проем: h НЗ (9) 2,2 1,02 м . 430 1 3 293 На 15-й минуте развития пожара газообмен осуществляется через проемы, которые лежат на одном уровне: h НЗ (15) 2,2 0,91 м . 836 1 3 293 Вывод. на 9-й минуте свободного развития пожара в заданном помещении среднеобъемная температура газовой среды составляет 157 оС, температура на уровне середины дверного отверстия 89 оС, а высота нейтральной зоны 1,02 метра. На 15-и минуте свободного развития температура пожара возросла до 563 оС, температура на уровне середины дверного отверстия поднялась до 425 оС, а высота нейтральной зоны снизилась до 0,91 метра. 151 РАЗДЕЛ 5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ И ПРЕКРАЩЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ 5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЖАРОТУШЕНИИ Горение возникает, когда есть горючая среда и источник зажигания с достаточной температурой и энергией, т.е. если тепловыделение химической реакции больше теплопотерь в окружающую среду, фактическая концентрация пара или газа попадает в область между нижним и верхними концентрационным пределом распространения пламени, для жидкостей – в область между нижним и верхним ТМПП, энергия источника зажигания больше минимальной энергии зажигания, температура зоны горения большая за критической. Вне предельных значений этих параметров процесс горения существовать не может. Если создать условия для уменьшения тепловыделения реакции горения или для увеличения теплопотерь, можно достичь температуру погасания, ниже которой горение невозможно. Для погасания необходимо температуру зоны горения снизить на определенную величину Тпог Тад Т : для диффузного пламени: 2 3RTад , T Еакт для кинетического пламени: 2 RTад . T Еакт Для достижения температуры погасания и прекращения горения используют приемы: охлаждение, разбавление, изоляция, ингибирование. Подача огнетушащего средства может осуществляться в объем или на поверхность защищаемой среды. Охлаждение водой или твердой углекислотой чаще используют для тушения пожаров класса А. Зону горения охлаждают распыленной водой, поверхность веществ - компактной струей. Разбавлять можно негорючим газом зону горения или паровоздушное пространство аппарата, а также горючие жидко152 сти негорючими (например спирты водой). Разбавление негорючими газами воздушного пространства помещения на первой стадии пожаров классов А, В, С, Е в некоторых странах является главным приемом пожаротушения. Изоляция достигается при отделении одного из условий, необходимых для горения. Так, покрывалом изолируют окислитель от зоны горения. Изоляция пеной является главным приемом пожаротушения пожаров класса В. Пена изолируют выход пара в зону горения. Изоляция порошками специального назначения – это главный способ пожаротушения пожаров классов D (металлы) и А1 в режиме гетерогенного горения (тление). Ингибирование – это торможение химической реакции горения введением в зону горения ингибиторов, увеличивающих энергозатраты на начало химической реакции (хладоны, порошки общего назначения, огнетушащие аэрозоли). Требования к огнетушащим средствам: 1. Высокая огнетушащая способность при малом расходе. 2. Безопасность для людей, природы, оборудования. 3. Простота и удобство подачи в очаг пожара. 4. Возможность длительного хранения без изменения свойств. 5. Экономичность, дешевизна, доступность и большие запасы. Нельзя применять огнетушащие средства, если они реагируют: - с горючим веществом и принимают участие в горении (например, СО2 при контакте с горючими металлами); - с горючим веществом с образованием взрывоопасных продуктов (например N2 при контакте с горючими металлами); - с негорючими веществами с образованием горючих веществ (например, при подаче воды в помещение, где хранился карбид кальция, вследствие реакции этих веществ выделяется взрывоопасный ацетилен); - разлагаются с образованием горючих веществ (например, вода при контакте с горящими металлами, разлагается со взрывом: 2Н2О = 2Н2 + О2). Параметры пожаротушения: Время тушение τтуш – время от начала подачи огнетушащего вещества до прекращения горения. 153 Огнетушащая эффективность Е тем больше, чем меньше концентрация огнетушащего вещества необходима для прекращения горения. Общее количество огнетушащего вещества на тушение m, (кг, л, м3). Общая расход G огнетушащего вещества при тушении единицы расчетного параметра пожара (фронт, площадь, периметр, объем). Удельный расход g огнетушащего вещества в единицу времени. Интенсивность подачи І огнетушащего средства в единицу времени на единицу объема, периметру, площади, фронта пожара: - критическая интенсивность Ікр – за которой тушение еще не может быть достигнуто; - оптимальная Іопт – за которой расход огнетушащего средства наименьшая; - теоретическая Ітеор– из теоретических возможностей и условий прекращения горения; - нормативная Інорм – по статистике результатов тушения данным огнетушащим веществом; приведена в справочнике [6]; фактическая Іфакт –полученная на данном тушении пожара. Определяют коэффициент использования огнетушащего средства по сравнению фактической и теоретической интенсивностью подачи: Кисп = Іт/Іф; и коэффициент потерь по сравнению с нормативной интенсивностью подачи: Кпот = Іф/Ін. - 154 5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА С ПОМОЩЬЮ НЕГОРЮЧИХ ГАЗОВ Прекращение горения путем введения в зону реакции негорючих веществ является одним из наиболее эффективных способов тушения пожаров. Нейтральные газы находят широкое применение при тушении пожаров в помещениях. Особенно эффективно применение нейтральных газов при защите музейных ценностей, архивов, библиотек, вычислительных центров и других особо важных объектов, где приоритетной задачей есть максимально возможное сохранение материальных ценностей. Если при фиксированном соотношении содержания горючего и окислителя в их смесь добавлять инертные компоненты, концентрации горючего и окислителя в горючей смеси уменьшаться. Это приведет к снижению скорости реакции окисления в зоне горения, которое, в свою очередь, уменьшит интенсивность тепловыделения, а, значит, и снизит температуру в зоне реакции. При некоторой критической концентрации разбавителя температура в зоне горения может уменьшиться вплоть до температуры погасания, что приведет к прекращению горения. При введении негорючих газов, кроме снижения концентрации компонентов горючей смеси, происходит также потеря части тепла реакции горения на нагревание этих разбавителей от начальной температуры до температуры зоны горения. Поэтому, чем больше теплоемкость негорючего газа, тем больше его огнетушащая эффективность. Для тушения пожаров необходимо правильно рассчитать общее количество огнетушащего средства; при этом расход огнетушащего средства G должен быть минимальным, время тушения τ - не больше допустимого, а интенсивность подачи I оптимальной. Для большинства веществ минимальная огнетушащая концентрация негорючего газа близка к минимальной флегматизирующей концентрации, поэтому в расчетах можно использовать ее. Критический расход негорючего газа на процесс тушения зависит от параметров пожара и, в частности, от времени его свободного развития и условий газообмена, которые влияют на расход вытекающих продуктов горения. 155 Индивидуальное расчетное задание №5 Определить основные параметры тушения негорючим газом пожара горючей жидкости в помещении: огнетушащую концентрацию данного флегматизатора ф0 л , концентрацию кислорода О (безопасную без2 , минимальную взрывоопасную О2 мвкк кр нг ), удель- ный расход подачи негорючего газа (критический g , оптимальный g опт пг ), интенсивность подачи негорючего газа (критическую, оптимальную) I ; оптимальное время тушения τ , общий нг туш расход G и общую массу m негорючего газа на тушение. нг нг Схему помещения и его параметры взять из расчетной работы №2, горючую жидкость и значение температуры воздуха из расчетной работы №1. Вид огнетушащего вещества и коэффициент избытка воздуха заданы по первой цифре зачетной книжки из таблицы № 2.8; массовая скорость выгорания, площадь пожара, время свободного развития пожара и коэффициент полноты сгорания - по второй цифре зачетной книжки из таблицы № 2.9. Таблица № 2.8 - Негорючий газ и коэффициент избытка воздуха Параметр 0 1 2 Вид негорючего газа СО2 N2 Н2О(пар) 2,5 3 2 Таблица № 2.9 - Параметры горения и время развития пожара Параметр 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 8 10 15 12 9 11 13 7 14 Sпож. уд *, % vm , 2,2 2,7 1,3 2,12 0,98 0,72 1,75 1,9 1,2 1,46 кг·м-2·хв-1 0,97 0,95 0,92 0,9 0,8 0,87 0,85 0,82 0,84 0,89 10 8 2 5 3 4 6 12 7 9 , мин. * - Sпож. уд – доля площади пожара от площади пола, %. 156 Методика определения основных параметров тушения пожара с помощью негорючих газов 1. Определить температуру газовой смеси, вытекающей из помещения. 1.1. Определить параметры горючего вещества: - массовую скорость выгорания vm, кг·м-2·хв-1; - низшую массовую теплоту сгорания Q/н кДж·кг-1 (формула (28)); - коэффициент полноты сгорания . 1.2. Рассчитать площадь пола, пожара, проемов, ограждающих конструкций. 1.3. Рассчитать плотность теплового потока: Q н/ v m S пож q , кВт·м-2; 60S огр Sпож приняли, как долю от площади пола: S пож (15) S пола S пож . уд . . 100 1.4. Определить температуру газовой смеси в помещении с учетом избытка воздуха, времени развития пожара, плотности теплового потока по номограмме (приложение №19). 2. Определить удельный расход газовой смеси, которая вытекает из помещения. 2.1. Рассчитать плотность окружающего воздуха в: в в , кг·м-3, V (16) где μв - молярная масса воздуха, которая составляет 29 кг·кмоль-1; V - молярный объем газа, м3·кмоль-1, формула (14). 2.2. Рассчитать удельный расход смеси, которая вытекает из помещения; в случае газообмена через один проем: 157 g выт пг 0,42S прит в Т 2gh пр 1- в Т пг Тв , кг·с-1; Т пг Т 1 3 в Т пг (17) 3 в случае газообмена через два проема: 2g H 1 - Tв Tв Tпг Tпг , кг·с-1, (18) выт g пг 0,625 S прит S вытρ в 2 2 Tв S прит S выт Tпг где Sприт, Sвыт – площади приточного и вытяжного проемов, м2; H – расстояние между центрами приточного и вытяжного проемов, м; hпр – высота проема, м; Тв, Тпг – температура воздуха и продуктов горения, К. 3. Определить огнетушащую концентрацию негорючего газа. 3.1. Из таблицы приложений № 11 найти значение теплоты образования данного горючего вещества Hf, кДж·моль-1. 3.2. Определить количество атомов i-го вида в молекуле горючего вещества. 3.3. Из таблицы № 14 приложений выписать значения h/ф, h//ф, h/f, h/j, h//j. 3.4. Рассчитать флегматизирующую концентрацию данного негорючего газа при тушении заданного горючего вещества: ф0 л h/ H h/ h/m f f ф j j 100 ,% h // 1 h // m ф j j (19) где mj - число атомов j-го вида в структуре горючего вещества. 3.5. Рассчитать минимальную взрывоопасную концентрацию кислорода: 158 О2 мвкк 100 ф л 4,84 , %. (20) 3.6. Рассчитать безопасную концентрацию кислорода: Обез2 1,2 мвкк 4,2 , %. (21) 4. Определить удельный расход подачи негорючего газа. 4.1. Критический расход подачи негорючего газа: g кр нг 0,5 g выт пг 0 фл 100 , кг·с-1. (22) 4.2. Оптимальный расход подачи негорючего газа: кр -1 g оыт нг 2,4 g нг , кг·с . (23) 5. Определить интенсивность подачи негорючего газа (критическую и оптимальную): I опт ( кр ) нг ( кр ) g опт нг , кг·м-3с-1. Vпом (24) 6. Определить время тушения (оптимальное): τгас 2Vпом 2g опт нг 0 фл , с. (25) 100 g выт пг фл 100 7. Рассчитать общий расход негорючего газа на тушение (оптимальный и фактический): -3 G опт нг I нг τ туш , кг м -3 G факт к1 к 2 к 3 G опт нг нг , кг м (26) (128) где k1 – коэффициент неравномерности распределения НГ по объему помещения (1,21,5); 159 k2 – коэффициент запаса (11,5); k3 – коэффициент неполноты испарения (11,4) 8. Рассчитать общую массу негорючего газа, израсходованную на тушение: m нг Vпом G фнгакт , кг . (27) Пример решения задачи Определить основные параметры тушения углекислым газом на десятой минуте развития пожара при горении ацетона, соотношение SПОЖ/SПОЛА = 12%, в помещении размерами 7х20х2,9м, с открытым дверным проемом 1,2 х 2,3 м. Температура окружающего воздуха 15оС, давление 101,3 кПа. Решение 1. Определяем температуру газовой смеси, которая вытекает из помещения. 1.1. Определяем параметры горючего вещества - массовая скорость выгорания vm = 0,72 кг·м-2хв-1; - коэффициент химического недопала = 0,9; - низшая молярная теплота сгорания Qн = 2039 кДж·моль-1. 1.2. Рассчитываем: - низшую массовую теплоту сгорания: Q н/ Q н 1000 2039 1000 35108,5 кДж кг 1 . 58 - площадь пола Sпола = 720 = 140 м2, - площадь пожара: S пож S пола S пож.уд. 100 140 12 16,8 м 2 , 100 - площадь проемов (дверь) SОТВ = 1,22,3 = 2,76 м2, - площадь конструкций, которые ограждают пожар: Sогр = 2207 + 2202,9 + 272,9 = 436,6 м2. 1.3. Рассчитываем плотность теплового потока: 160 q 0,9 35108,5 0,72 16,8 14,6 , кВт м 2 . 60 436,6 1.4. Определяем температуру газовой смеси в помещении по номограмме (приложение №19) по времени развития пожара, плотности теплового потока, если α составляет 1,5. tf, 0С q10-3 Вт/м2 60 50 40 30 500 400 20 14,6 10 380 0С 300 0 10 1,52 30 min пов На левой оси ординат находим значение плотности теплового потока q = 14,6, кВт·м-2 и равноудаленно от ближайшей зависимости температуры пожара от плотности теплового потока проводим прямую на правую ось ординат - ось температур. Потом равноудаленно от ближайшей кривой зависимости температуры от коэффициента избытка воздуха опускаемся к пересечению с перпендикуляром, проведенным из точки, соответствующей = 1,5. Из полученной точки, параллельно оси абсцисс проводим прямую к пересечению с перпендикуляром, проведенным из точки = 30 мин. Потом равноудаленно от ближайшей кривой зависимости температуры от времени развития пожара передвигаемся влево к пересечению с перпендикуляром, установленным из точки, которая отвечает заданному времени свободного развития пожара = 10 мин. Из полученной точки параллельно оси абсцисс проводим прямую на ось температур и находим соответствующее значение температуры 161 пожара в ограждении: tпг = 380 оС; Tпг = 653 К. 2. Определяем удельный расход смеси, вытекающей из помещения. 2.1. Рассчитываем плотность окружающего воздуха: V 22,4 101,3 288 3 -1 23,56 , м ·кмоль , 273 101,3 в 29 1,23 , кг·м-3. 23,56 2.2. Рассчитаем удельный расход смеси, которая вытекает из помещения через один дверной проем: gвыт 0,42 2,76 1,23 пг 29,8 2,3(1- 288/653) 288/653 1 3 288/653 3 2,02, кг с1. 3. Определяем огнетушащею концентрацию СО2. 3.1. Из таблицы приложений № 11 находим значение теплоты образования ацетона, Hf = -217,6 кДж·моль-1. 3.2. Определим число атомов i-го вида в молекуле горючего вещества. 3.3. Из таблицы приложений № 14 выписываем значения / h ф, h//ф, h/f, h/j, h//j 3.4. Рассчитаем огнетушащую концентрацию СО2: ф0 л 100 0,736 102 (-217,6) 0,584 3 1,29 6 0,427 1 0,57 30,6% . 2,02 1 (3 4,642 6 1,160 1 ( 2,321)) 3.5. Рассчитаем минимальную взрывоопасную концентрацию кислорода: О 2 мвкк 100 30,6 14,3 , %. 4,84 3.6. Рассчитываем безопасную концентрацию кислорода: 162 Обез2 1,2 14,3 4,2 12,96 , %. 4. Определяем удельный расход подачи негорючего газа. 4.1. Критический расход подачи негорючего газа: gнгкр = 0,5 2,02.30,6/100 = 0,309 кг·с-1. 4.2. Оптимальный расход подачи негорючего газа: gнгопт = 2,4 0,309 = 0,74 кг·с-1. 5. Определяем интенсивность подачи негорючего газа (критическую и оптимальную): Iнгкр = 0,309/ 406 = 0,7610-3 кг·м-3с-1; Iнгопт = 0,74/ 406 = 1,810-3 кг·м-3с-1. 6. Определяем время тушения (оптимальное): τ туш 240630,6/100 288,3, с . 20,74 2,0230,6/100 7. Рассчитываем общий расход негорючего газа на тушение: G опт 0,0018 288,3 0,519, кг м- 3 ; нг факт G 1,25 1,35 1,2 0,519 1,05 , кг м- 3 . нг 8. Рассчитываем общую массу негорючего газа, израсходованную на тушение: mНГ = 4061,05 = 426,6 , кг. 163 Вывод. Таким образом, для тушения пожара ацетона на площади 16,8 м2 в заданном помещении с открытым дверным проемом при оптимальной интенсивности подачи углекислого газа 1,810-3 кг·м-3с-1 нужно приблизительно 5 минут, при этом фактический расход огнетушащего вещества будет составлять 1,05 кг·м-3, а фактически израсходованная масса негорючего газа – 426,6 кг. 164 ЛИТЕРАТУРА Основная: 1. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения. М. ВИПТШ МВД СССР, 1984. 2. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физикохимические основы развития и тушения пожаров.- М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980,-255 с. 3. Баратов А.Н., Иванов Е.Н., Корольченко А.Я и др. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справ. - М.: Химия 1987. 4. Демидов П.Г. Саушев В.С. Горение и свойства горючих веществ. М., ВИПТШ МВД СССР, 1975. 5. Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. М., Химия 1981. 6. Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. М; Стройиздат, 1987. – 288 с. 7. Лабораторний практикум з курсу «Теорія розвитку та припинення горіння» Тарахно О.В., Жернокльов К.В., Баланюк В.М., Харків, 2004. 8. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М.: Химия, 1979. 9. Повзик Я.С., Клюс П.П., Матвейкин А.М., Пожарная тактика. М.: Стройиздат, 1990. 10. Романенко И.М., Кошмаров Ю.А, Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1977-415 с, 11. Справочник “Пожаровзвывоопасность веществ и материалов и средства их тушения”. Под редакцией Баратова А.Н. и Корольченко А.Я., ч. I и II. - М.: Химия, 1990. Дополнительная: 12. Асеева Р.М., Зайков Г.Е. Горение полимерных материалов. – М.: Наука, 1981. 13. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А. и др. Термогазодинамика пожаров в помещениях. - М.: Стройиздат, 1988. 14. Баратов А.Н., Иванов Е.Н. Пожаротушение на предприятиях хим. и нефтеперераб. промышленности. М.: Наука, 1979. 15. Бахман Н.А., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденси165 рованных систем. – М.: Наука, 1967. 16. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. - М.: РИСО АН СССР, 1961. - 210 с. 17. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1990. 18. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И. и др. Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наука, 1980. 19. Иванов Е.Н. Противопожарная защита открытых технологических установок. М.: Химия 1986. 20. Исаев С.И. Курс хим. термодинамики. М.: Высш. шк., 1986. 21. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. – М.: Химия, 1986. 22. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1968. 23. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кошпоров Л.Я. Основные характеристики горения. – М.: Химия, 1979. 24. Михеев В.П. Газовое топливо и его сжигание. – М.: Недра, 1966. 25. Померанцев В.В. Основы практической теории горения. Л.: Энергоатомиздат, 1986.- 312 с. 26. Розловский А.Н. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. М.: Химия, 1980. -376 с. 27. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. – М.: Изд-во АН СССР, 1960. 28. Таубкин С.И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы. М., 1999. 29. Таубкин С.И., Таубкин И.С. Пожаро- и взрывоопасность пылевидных материалов и технологических процессов их переработки. – М.: Химия, 1976. 30. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1967. 31. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. – М.: МГУ, 1957. 32. Шрайбер Г., Порст П. Огнетушащие средства. Пер. с нем. М.: Стройиздат, 1975. 33. Юбилейный сб. тр. Всероссийского науч.-иссл. ин-та противопожарной обороны. – М.:ВНИИПО МВД России, 1997. 166 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение № 1 Энтальпия газов при постоянном давлении Температура, K Энтальпия, кДжмоль–1 Воздух CO2 H2 O N2 HF HCl HBr 16 7 298,15 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 8,66 11,64 17,62 23,86 30,36 37,09 44,00 51,05 58,20 65,44 72,76 80,14 86,58 95,06 102,60 110,17 117,77 125,41 133,08 140,77 9,35 13,36 22,25 32,14 42,72 53,77 65,19 76,87 88,70 100,71 112,82 125,04 137,32 149,69 162,10 174,55 187,06 199,61 212,19 224,81 9,91 13,36 20,41 27,93 35,94 44,48 53,51 62,97 72,82 83,02 93,41 104,14 115,08 126,22 137,56 149,05 160,69 172,47 184,37 196,42 8,67 11,64 17,56 23,71 30,13 36,78 43,61 50,58 57,65 64,81 71,97 79,26 86,57 93,91 101,30 108,71 116,14 123,61 131,08 138,58 8,60 11,56 17,40 23,28 29,25 35,36 41,63 48,08 54,70 61,45 68,27 75,26 82,32 89,48 96,74 104,04 111,40 118,84 126,33 133,85 35,99 38,96 44,83 50,82 57,04 63,48 70,12 76,94 83,90 90,99 98,08 105,34 112,67 120,09 127,64 135,06 142,62 150,24 157,90 165,60 76,50 79,50 85,40 91,50 97,80 104,40 111,20 118,10 125,20 132,40 139,60 147,00 154,40 161,70 169,40 177,00 184,70 192,40 200,00 207,90 SO2 44,61 78,86 88,15 98,33 109,04 120,08 131,35 142,77 154,31 165,95 177,55 189,27 201,21 213,16 225,15 237,24 249,36 261,59 273,89 286,20 16 8 Приложение № 2 Внутренняя энергия продуктов горения при постоянном объеме Температура, K Внутренняя энергия продуктов горения, кДж·моль–1. Воздух CO2 H2 O N2 HF HCl HBr SO2 298,15 6,24 6,93 7,49 6,25 6,18 33,57 74,10 42,19 400 8,39 10,11 10, 11 8,39 8,31 35,71 76,20 75,61 600 12,74 17,37 15,53 12,68 12,52 39,96 80,50 83,28 800 17,36 25,64 21,43 17,21 16,78 44,32 85,00 91,83 1000 22,23 34,59 27,81 22,00 21,12 48,91 89,70 100,92 1200 27,34 44,02 34,73 27,03 25,61 53,73 94,70 110,33 1400 32,62 53,81 42,13 32,23 30,25 58,74 99,80 119,98 1600 38,05 63,87 49,97 37,58 35,08 63,94 105,10 129,77 1800 43,57 74,07 58,19 43,02 40,07 69,27 110,60 139,69 2000 49,18 84,46 66,77 48,55 45,19 74,74 116,20 149,70 2200 54,88 94,94 75,53 54,09 50,39 80,20 121,70 159,68 2400 60,63 105,54 84,64 59,75 55,75 85,84 127,50 169,77 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 65,45 72,30 78,22 84,16 90,14 96,15 102,20 108,26 116,19 126,94 137,72 148,55 159,43 170,36 181,31 192,31 93,95 65,44 61,19 103,46 71,15 66,72 113,18 76,92 72,36 123,04 82,70 78,03 133,06 88,51 83,77 143,21 94,35 89,58 153,49 100,20 95,44 163,91 106,07 101,34 91,54 97,33 103,26 109,05 114,99 120,98 127,02 133,09 133,30 138,90 145,10 151,00 157,10 163,10 169,30 175,40 180,09 190,41 200,78 211,24 221,74 232,34 243,02 253,70 Приложение № 3 Теплоемкость и теплота образования простых веществ и продуктов горения Вещество 16 9 Воздух N2 O2 CO HF HCl HBr HJ NO CO2 H2O (газ) HCN SO2 H2O (жидкость) H2 S SO3 NH3 Теплоемкость молярная, Теплоемкость объемная, сор=а + вТ, Джмоль–1К–1 сор=а + вТ, Джм–3К–1 а 29,830 29,143 32,471 29,632 28,574 27,901 27,891 29,689 30,728 46,835 33,193 42,739 46,292 в10-3 2,030 2,135 1,695 2,050 1,465 2,300 2,930 5,650 1,925 4,520 5,355 5,650 6,275 а 1331,718 1301,031 1449,586 1322,876 1275,606 1245,602 1245,409 1325,406 1371,780 2090,861 1481,839 1907,991 2066,597 в 0,090625 0,095312 0,075669 0,091517 0,065401 0,102678 0,130803 0,25223 0,085937 0,201785 0,239062 0,252232 0,280133 33,962 69,332 37,397 7,700 6,715 12,740 1516,139 3095,179 1669,503 0,343753 0,299782 0,568754 Теплота образования, о Н f i кДжмоль–1 0,00 0,00 0,00 -110,50 -268,61 -92,30 -35,98 25,94 90,37 -393,78 -241,84 130,54 -296,90 -285,84 -20,15 -395,20 -46,19 Приложение № 4. Значения коэффициентов hj, hs для определения КПРП по химическому составу горючего вещества он 100 n q j1 s 1 ,%, 1 h f H of h jm j h r l r где Hof - стандартная теплота образования вещества, кДж·моль-1; hj, mj – параметр и число атомов j-го элемента в молекуле горючего вещества. hf hC hj hO hH hN hCl hCC hs h- c c O 0,0246 9,134 2,612 -0,522 -0,494 -3,57 7,88 6,50 Приложение № 5. Коэффициенты a, b для определения концентрационных пределов распространения пламени по апроксимационной формуле п 100 ,% , a b где - стехиометрический коэффициент реакции горения. Параметр НКПРП при 7,5 ВКПРП при 7,5 170 a 8,684 1,55 0,768 b 4,769 0,56 6,554 Приложение № 6 Коэффициенты hs для определения КПРП по химическому строению горючего вещества оп 100 s ,%, hs l s µ 1 где 0п – КПРП (нижний или верхний), hs, ls - вклад и число s-х структурных групп в химическом строении вещества. Вид структурной группы C —C C=C C C C—H C—O C=O C — N3 C — Cl O—H N—H N—N C C (ароматическая связь ) hs НКПР П ВКПРП 11,10 31,05 4,47 0,90 3,12 2,27 0,71 0,52 1,90 13,84 7,36 0,24 1,93 1,39 -1,40 1,31 -1,17 0,71 1,25 0,69 13,84 0,89 171 Приложение № 7 Константы k и l гомологических рядов для определения температурных пределов распространения пламени t н(в) = ktкип – l, оС; где tкип – температура кипения вещества, оС. Гомологичний ряд Нормальные алканы 2-Метилалканы Нормальные алкены-1 1-Фенилалканы Нормальные жирные спирты Изоалкилкарбинолы Сложные эфиры муравьиной кислоты Сложные эфиры уксусной кислоты Первичные нормальные алкиламины Формула СН3-(СН2)n-СН3 (СН3)2СН-(СН2)n-CH3 СН2=СН-(СН2)n-СН3 С6Н5-(СН2)n-CH3 СH3-(СН2)n-OH (СН3)2СН-(СН2)n-OH НСОО-(СН2)n-CH3 СН3СОО-(СН2)n-CH3 СН3-(СН2)n-NH2 Константы НТПРП k l 0,6957 73,8 0,6885 74,9 0,6867 74,5 0,6751 70,2 0,5746 33,7 0,6582 44,1 0,5359 47,6 0,5940 50,9 0,5004 54,6 Константы ВТПРП k l 0,7874 50,3 0,7900 52,2 0,7976 49,5 0,6928 0,7278 0,6050 0,7761 15,0 21,5 25,0 40,8 17 2 Приложение № 8 Константы aj, oC структурных групп для определения ТПРП t н( в ) а0 а1 t кип а j l j , 0С , для НТПРП a0 = -62,40; а1 = 0,655; для ВТПРП a0 = -41,43; а1 = 0,723 где lj - число структурных групп j-го типа; tкип – температура кипения вещества, оС. Структурная aj, oC Структурная aj, oC группа группа tн tв tн tв -0,909 -1,158 -2,14 0,096 C -C C -N -2,66 -4,64 6,53 6,152 C=C N-H -0,009 0,57 19,75 17,8 C -H O-H 0,11 1,267 C C (аромати- -0,733 -0,767 C -O 5,57 5,58 ческая связь) C =O Приложение № 9 Константы aj, oC структурных групп для определения температуры вспышки t всп a о a1t кип a j l j а0 = - 73,14 С а1 = 0,659 где lj - число структурных групп j-го типа; tкип – температура кипения вещества, оС. Вид структурной aj, oC Вид структурной aj, oC группы группы -2,03 15,11 C-C C –Cl 1,72 19,40 C= C C- Br 1,105 -4,84 C-H C - Si 2,47 11,00 C -O Si - H 11,66 10,07 C=O Si - Cl 14,15 5,83 C-N N -H 12,13 5,64 S-H CN 2,09 3,27 C-S P-O -11,91 9,64 C=S P=O 23,90 O-H C C (ароматиче-0,28 3,33 C-F ская связь) 173 Приложение № 10. Эмпирические константы a и b для определения температуры вспышки tвсп = а + b tкип , оС tкип – температура кипения вещества, оС. Коэффициенты a, oС b Алканы -73,22 0,693 Алкананилины -21,94 0,553 Алканфенолы -38,42 0,623 Альдегиды -74,76 0,813 Ароматические вещества -67,83 0,665 Бромалканы -49,56 0,665 Карбоновые кислоты -43,57 0,708 Кетоны -52,69 0,643 Спирты -41,69 0,652 Хлоралканы -55,70 0,631 Класс вещества 174 17 5 Приложение № 11 Свойства веществ Вещество Формула Hof кДж·моль–1 Акриловая кислота -336 С3Н4О2 Акролеин -58,5 С3Н4О Алиловый спирт -131,8 С3Н6О Амилбензол -34,4 С11Н16 Амилметилкетон -291 С7Н14О Амиловый спирт -302,5 С5Н12О Амилциклогексан -233,8 С11Н22 Анилин 109 С6Н7N Ацетон -217,57 С3Н6О Ацетонитрил -25,62 С2Н3N Бензиловий спирт -220,86 С7Н8О Бензол 82,9 С6H6 Бутаналь -205 C4H8O Бутандиол-2,3 -445,5 C4H10O2 Бутановая кислота -486,3 C4H8O2 Бутанол -274,6 C4H10O Бутанон -238,3 C4H8O Бутилбензол -13,7 C10H14 Бутилметилкетон -272 C6H12O Константы Антуана A B Ca 7,0931 1913 236,0 6,190 1156,947 230,60 7,6594 1944,765 247,60 6,6832 2069,486 210,43 9,2537 3336,004 310,07 6,307 1287,625 161,33 6,33628 1808,242 213,89 6,04162 1457,02 176,19 6,3755 1281,721 237,09 7,27 1838 273,00 8,7223 2664,684 279,64 5,6139 902,275 178,10 7,0839 1768,4 273,00 8,67 3024 273,00 7,4394 2158,56 233,66 8,7223 2664,684 279,64 6,1494 1292,791 232,34 6,5495 1882,488 230,94 6,6317 1613,425 221,67 17 6 Вещество Формула Бутилфенол Бутилформиат Валериановая кислота Валериановый альдегид Валеролактон Гексадиен Гексан Гексилметилкетон Гексиловий спирт Гептан Декан Диацетоновый спирт Дибутиловый эфир Дипропиловый эфир Диэтиламин Диэтиленгликоль Диэтилизопропилметан Диэтилкетон Диэтиловий эфир Диизопропилкетон C10H14O C5H10O2 C5H10O2 C5H10O C5H8O2 C6H10 C6H14 C8H16O C6H14O C7H16 C10H22 C6H12O2 C8H18O C6H14O C4H11N C4H10O3 C8H18 C5H10O C4H10O C7H14O Hof кДж·моль–1 -285,12 -437,6 -490,4 -227,8 -421,14 -94,1 -167,2 -311,7 -319,8 -187,7 -249,6 -425 -333,9 -293,4 -137,34 -642,84 -211,2 -252 -252,2 -291 Константы Антуана A B Ca 6,4777 1928,57 207,18 6,8194 1711,66 249,58 8,0456 2661,49 256,17 6,4554 1460,272 225,18 7,331 2540,4 273,00 6,132 1184,99 227,70 5,9951 1166,274 223,66 6,9090 1980,4 230,92 6,1789 1293,831 152,63 6,0764 1295,405 219,82 6,5202 1809,975 227,70 7,216 2188 253,00 6,4403 1648,4 230,00 6,240 1397,34 240,20 7,22 1709 273,00 7,2767 2727,3 273,00 5,9885 1318,12 215,30 6,3555 1477,021 237,52 6,1228 1098,945 232,37 7,1 2021,4 273,00 17 7 Вещество Формула Диоксан Додекан Изоамиловий спирт Изобутилацетат Изопропенилбензол м-Крезол Ксилидин м-Ксилол Кумол Метанол Метилацетат Метилбутират Метилгексан-2 Метилпентальдегид Метилпропионат Метилпропилкетон Метилформиат Метилциклогексан Метилциклопентан Метоксиэтилацетат C4H8O2 C12H26 C5H12O C6H12O2 C9H10 C7H8O C8H11N C8H10 C9H12 CH4O C3H6O2 C5H10O2 C7H16 C6H12O C4H8O2 C5H10O C2H4O2 C7H14 C6H12 C5H10O3 Hof кДж·моль–1 -434,16 -290,9 -302 -535,5 -112,9 -158 -85,26 17,25 -21,5 -201,3 -409,1 -485 -194,9 -249,1 -438,8 -258,6 -349,8 -154,7 -106,6 -573,6 Константы Антуана A B Ca 6,989 1866,7 273,00 7,2957 2463,739 253,88 6,38314 1314,36 169,06 6,24133 1332,3 205,57 6,3696 1680,13 219,6 6,6329 1856,356 199,07 6,7578 2035,4 216,00 6,588 1906,8 234,9 6,0675 1461,643 207,56 7,352 1660,45 245,80 6,1901 1157,63 219,73 6,2263 1338 214,34 5,9981 1236,026 219,55 6,465 1519,1 223,65 6,74 1667 273,00 6,9891 1870,4 273,20 6,4589 1206,148 239,02 5,9518 1272,864 221,63 5,9877 1186,059 226,04 6,2500 1447,037 196,10 17 8 Вещество Формула Муравьиная кислота Нонан Нониловый спирт Октан Октаналь Октановая кислота Октиловый спирт Октилциклогексан Уксусная кислота Уксусный ангидрид Пентан Пентанол-2 Пиридин Пирол Пропаналь Пропанол Пропиламин Пропилбензол Пропилбутират Пропиленгликоль Пропилэтилкетон CH2O2 C9H20 C9H20O C8H18 C8H16O C8H16O2 C8H18O C14H28 C2H4O2 C4H6O3 C5H12 C5H12O C5H5N C4H5N C3H6O C3H8O C3H9N C9H12 C7H14O2 C3H8O2 C6H12O Hof кДж·моль–1 -210,6 -229 -387 -208 -643,96 -565,3 -357 -295,6 -437,3 -328 -146,4 -314,13 140,6 63 -221,7 -257,7 -101,5 -7,9 -556,8 -499,9 -272 Константы Антуана A B Ca 4,9927 765,889 154,55 6,1777 1510,695 211,50 5,8006 1276,626 123,10 6,0939 1379,556 211,89 6,7024 1815,764 218,61 5,2690 1014,81 72,77 5,7209 1170 120,00 6,6848 2213,668 209,50 7,1033 1906,53 255,97 6,274 1444,718 199,82 5,9720 1062,555 231,81 6,3504 1254,854 169,60 6,007 1281,3 205,00 6,4196 1501,563 210,40 6,0657 1163,288 231,17 7,4420 1751,981 225,13 6,3854 1243,947 235,88 6,2971 1627,827 220,49 6,6514 1756,37 234,96 8,640 3039 273,00 6,4469 1538,995 222,58 Вещество Формула Пропилформиат Пропилциклогексан Пропилциклопентан Пропионовая кислота Пропионовый ангидрид Стирол Тетрагидрофуран Тетраметилпентан Толуол Триметилбензол Триметилгексан Ундеканол Фенилэтиловый эфир Цимол Этилацетат Этилбензол Этиленгликоль о-Этилтолуол Этилформиат Этилциклогексан C4H8O2 C9H18 C8H16 C3H6O2 C6H10O3 C8H8 C4H8O C9H20 C7H8 C9H12 C9H20 C11H24O C8H10O C10H14 C4H8O2 C8H10 C2H6O2 C9H12 C3H6O2 C8H16 Hof кДж·моль–1 - 417 -193,3 -148 -466 -289 155,6 -214 -273,2 50,17 -9,46 -254 -422,5 -84 28,8 -442,9 29,9 -453,8 1,6 -371,2 -171,7 Константы Антуана A B Ca 5,9724 1126,539 203,46 6,0135 1461,715 207,99 6,0796 1438,79 222,23 7,839 2410 273,00 4,944 810,31 108,74 7,0654 2123,057 272,99 6,1200 1202,29 226,25 5,9536 1397,483 213,70 6,050 1328,171 217,71 6,4429 1791,164 227,84 5,9602 1324,049 210,74 5,6520 1250 100,00 6,5277 1808,8 230,00 6,6498 1893,381 232,66 6,2267 1244,95 217,88 6,3587 1590,66 229,58 8,1375 2753,183 252,00 6,4147 1732,11 228,10 6,1339 1123,943 218,25 5,9953 1384,036 215,13 17 9 18 0 Приложение № 12 Зависимость давления насыщенного пара от температуры Температура оС, при давлении, кПа ФормуВещество ла 0,133 1,333 5,333 13,33 53,33 101,3 Акриловая кислота 3,5 39,0 66,2 86,1 122,0 141,0 С3Н4О2 Акролеин -64,5 -36,7 -15,0 2,5 34,5 52,5 С3Н4О Алиловый спирт -20,0 10,5 33,4 50,0 80,2 96,6 С3Н6О Амилбензол 40,7 80,6 140,0 149,9 199,6 205,4 С11Н16 Амилметилкетон 19,3 55,5 81,2 100,0 133,2 150,2 С7Н14О Амиловый спирт 13,6 44,9 68,0 85,8 119,8 137,8 С5Н12О Амилциклогексан 34,9 75,3 82,4 131,1 140,2 202,8 С11Н22 Анилин 31,0 68,2 96,9 119,4 160,9 184,0 С6Н7N Ацетон -59,4 -31,1 -9,4 7,7 39,5 56,5 С3Н6О Ацетонитрил -47,0 -16,3 7,0 25,8 61,0 80,0 С2Н3N Бензиловый спирт 50,5 89,2 106,5 141,2 183,0 205,1 С7Н8О Бензол -45,0 -11,6 7,5 26,1 60,6 80,1 С6H6 Бутаналь -50,8 -18,9 5,2 23,8 57,1 75,2 C4H8O Бутандиол-2,3 85,3 117,4 141,2 183,8 206,5 C4H10O2 22,2 Бутановая кислота 25,5 61,5 88,0 108,0 144,0 163,5 C4H8O2 Бутанол -1,2 30,2 53,4 70,1 100,8 117,5 C4H10O Бутанон -48,3 -17,7 6,0 25,0 60,0 79,6 C4H8O Бутилбензол 24,6 62,4 91,9 115,3 158,8 183,3 C10H14 Бутилметилкетон 7,7 38,8 62,0 79,8 111,0 127,5 C6H12O Вещество 18 1 Бутилфенол Бутилформиат Валериановая кислота Валериановый альдегид Валеролактон Гексадиен Гексан Гексилметилкетон Гексиловый спирт Гептан Декан Диацетоновый спирт Дибутиловый эфир Дипропиловый эфир Диэтиламин Диэтиленгликоль Диэтилизопропилметан Диэтилкетон Диэтиловый эфир Диизопропилкетон Формула C10H14O C5H10O2 C5H10O2 C5H10O C5H8O2 C6H10 C6H14 C8H16O C6H14O C7H16 C10H22 C6H12O2 C8H18O C6H14O C4H11N C4H10O3 C8H18 C5H10O C4H10O C7H14O 0,133 64,6 -26,4 42,2 -12,0 37,5 -47,1 -54,0 23,6 24,4 -33,0 21,0 22,0 -43,8 -43,3 -38,9 91,8 23,3 -12,7 -74,3 5,2 Температура оС, при давлении, кПа 1,333 5,333 13,33 53,33 106,5 125,0 163,5 195,7 6,1 31,6 51,0 86,2 79,8 107,8 128,3 165,0 17,9 39,8 56,8 86,8 79,8 101,9 136,5 182,3 -17,7 4,2 23,4 67,2 -25,0 -2,3 15,8 49,6 60,9 89,8 111,7 151,0 58,2 83,7 102,8 138,0 -2,0 22,4 41,8 78,0 57,7 86,0 108,6 150,5 58,0 86,7 108,2 147,5 -11,7 13,3 33,0 69,4 -11,8 13,2 33,0 69,5 -33,0 -11,3 6,0 38,0 133,8 164,3 187,5 226,5 26,0 35,2 55,7 94,0 17,2 39,4 56,2 86,3 -48,0 -27,7 -11,5 18,9 36,7 59,6 77,0 108,0 101,3 235,0 106,0 184,4 103,3 207,5 76,0 68,7 172,9 157,0 98,4 174,1 167,9 89,8 89,5 55,5 244,8 115,6 102,7 34,6 123,7 18 2 Вещество Диоксан Додекан Изоамиловый спирт Изобутилацетат Изопропенилбензол м-Крезол Ксилидин м-Ксилол Кумол Метанол Метилацетат Метилбутират Метилгексан-2 Метилпентальдегид Метилпропионат Метилпропилкетон Метилформиат Метилциклогексан Метилциклопентан Метоксиэтилацетат Формула C4H8O2 C12H26 C5H12O C6H12O2 C9H10 C7H8O C8H11N C8H10 C9H12 CH4O C3H6O2 C5H10O2 C7H16 C6H12O C4H8O2 C5H10O C2H4O2 C7H14 C6H12 C5H10O3 0,133 -35,8 52,0 15,4 -21,2 11,6 46,9 50,7 -7,2 2,8 -44,0 -57,2 -26,8 -39,7 -16,7 -42,0 -12,0 -74,2 -35,2 -53,2 7,0 Температура оС, при давлении, кПа 1,333 5,333 13,33 53,33 -1,2 25,2 45,1 81,8 91,6 122,0 146,1 191,0 49,6 74,7 94,2 129,8 12,8 39,2 59,7 97,5 48,5 70,6 99,6 143,9 85,7 103,0 137,7 179,0 90,9 109,1 145,5 188,0 28,2 55,3 76,8 116,7 38,3 66,1 88,1 129,2 -16,2 5,0 21,2 49,9 -29,3 -7,9 9,4 40,0 5,0 29,6 48,0 83,1 -9,1 14,9 34,1 69,8 16,0 41,1 60,8 97,0 -11,8 11,0 29,0 61,8 17,9 39,8 56,8 86,8 -48,6 -28,7 -12,9 16,0 3,2 22,0 42,1 79,6 -23,7 -0,6 17,9 52,3 40,1 65,9 86,2 123,8 101,3 101,1 216,3 132 118,0 165,4 201,9 214,0 139,1 152,4 64,7 57,8 102,3 90,1 117,0 79,8 103,3 32,0 100,9 71,8 144,8 Вещество 18 3 Муравьиная кислота Нонан Нониловый спирт Октан Октаналь Октановая кислота Октиловый спирт Октилциклогексан Уксусная кислота Уксусный ангидрид Пентан Пентанол-2 Пиридин Пирол Пропаналь Пропанол Пропиламин Пропилбензол Пропилбутират Пропиленгликоль Формула CH2O2 C9H20 C9H20O C8H18 C8H16O C8H16O2 C8H18O C14H28 C2H4O2 C4H6O3 C5H12 C5H12O C5H5N C4H5N C3H6O C3H8O C3H9N C9H12 C7H14O2 C3H8O2 0,133 -20,0 4,0 59,5 -14,0 73,4 92,3 54,0 77,0 -17,2 2,4 -76,0 1,5 -18,9 -19,5 -63,6 -15,0 -64,4 7,4 -1,6 45,5 Температура оС, при давлении, кПа 1,333 5,333 13,33 53,33 2,1 24,0 43,8 80,3 39,1 66,3 87,9 128,1 99,7 129,0 151,3 192,1 19,2 45,1 65,7 104,0 101,2 120,0 133,9 156,5 124,0 150,6 172,2 218,9 88,3 115,2 135,2 173,8 122,0 142,8 184,3 220,5 17,1 42,4 62,2 98,1 31,2 60,6 80,7 117,9 -50,1 -29,3 -12,6 18,5 32,2 54,1 70,7 102,3 13,2 38,0 57,8 95,6 15,0 41,8 63,6 104,2 -35,4 -13,3 4,3 36,9 14,7 36,4 52,8 82,0 -37,2 -16,0 0,5 31,5 43,4 71,6 94,0 135,7 34,0 61,5 82,6 121,7 83,2 111,2 132,0 168,0 101,3 100,6 150,8 213,5 125,7 168,5 237,5 195,2 264,0 117,9 138,6 36,1 119,7 115,2 129,7 55,4 97,8 48,5 159,2 142,7 188,2 18 4 Вещество Пропилэтилкетон Пропилформиат Пропилциклогексан Пропилциклопентан Пропионовая кислота Пропионовый ангидрид Стирол Тетрагидрофуран Тетраметилпентан Толуол Триметилбензол Триметилгексан Ундеканол Фенилэтиловый эфир Цимол Этилацетат Этилбензол Этиленгликоль о-Этилтолуол Этилформиат Этилциклогексан Формула C6H12O C4H8O2 C9H18 C8H16 C3H6O2 C6H10O3 C8H8 C4H8O C9H20 C7H8 C9H12 C9H20 C11H24O C8H10O C10H14 C4H8O2 C8H10 C2H6O2 C9H12 C3H6O2 C8H16 0,133 -12,4 -43,0 4,2 -12,6 4,6 20,6 -1,6 -54,4 -13,0 -26,1 19,3 -17,0 71,1 18,1 17,3 -43,4 -9,2 53,0 11,9 -60,5 -13,7 Температура оС, при давлении, кПа 1,333 5,333 13,33 53,33 20,9 46,5 66,6 103,5 -12,6 10,8 29,5 62,6 40,2 68,5 91,0 133,0 21,3 47,9 69,1 108,6 39,7 65,8 85,1 122,0 57,7 85,6 107,2 146,0 32,8 60,6 82,5 122,7 -25,7 -3,3 14,4 47,4 20,8 48,0 69,6 110,1 6,4 31,8 51,9 89,5 56,8 86,0 109,1 152,0 16,2 42,3 63,1 102,0 112,8 143,7 167,2 209,8 56,4 86,6 108,4 149,8 56,8 87,1 110,9 154,3 -13,5 9,1 27,0 59,3 25,9 52,8 74,1 113,8 92,1 120,0 141,8 178,5 48,5 77,0 99,6 141,6 -33,0 -11,5 5,4 37,1 20,6 47,6 69,0 109,1 101,3 124,0 81,3 156,7 130,9 141,1 167,0 145,2 66,0 133,0 110,6 176,1 124,1 232,0 172,0 178,3 77,1 136,2 197,8 165,1 54,3 131,8 Полиэтилен в изделиях Хлопок Книги на стеллажах Каучук натуральный Резинотехнические изделия Бумага Полистирол Древесина в изделиях Пенополиуретан Каучук синтетичний Волокно штапельне Полипропилен у виробах Торф (вологисть 40%) 0,62 0,318 0,438 1,08 0,90 0,636 1,14 1,11 0,90 0,72 0,54 0,87 0,24 47100 15700 13400 42300 33500 13400 39000 13800 24300 40200 13800 45600 11300 0,85 0,97 0,97 0,85 0,85 0,97 0,85 0,97 0,93 0,85 0,97 0,85 0,97 Объем продуктов сгорания, vпг , м3·кг-1 Вид горючего материала Расход воздуха vв ,м3·кг-1 Массовая скорость выгорания, vm кг·м-2хв-1 Массовая теплота сгорания Q/н, кДж·кг-1 Коэффициент полноты сгорания, η Приложение № 13 - Параметры горения веществ и материалов 11,42 3,95 3,95 10,00 10,16 3,95 10,25 4,20 6,00 10,16 3,95 11,42 3,96 12,22 4,64 4,64 10,76 10,82 4,64 10,68 4,86 6,55 10,82 4,64 12,22 4,62 Приложение № 14 - Коэффициенты формулы определения огнетушащей концентрации флегматизатора Коэффициенты h/f моль∙кДж-1 h/ф h/С h/Н h/О h/N h//ф h//С h//Н h//О h//N Негорючий газ N2 Н2О (пар) СО2 -2 -2 0,865∙10 0,802∙10 0,736∙10-2 1,256 0,780 0,584 2,528 1,651 1,292 0,759 0,527 0,427 0,197 0,446 0,570 -0,151 -0,147 -0,133 2,800 2,236 2,020 5,946 5,000 4,642 1,486 1,250 1,160 -2,973 -2,500 -2,321 0 0 0 185 Приложение 15. Зависимость температуры самовоспламенения парафиновых углеводородов (алканов), от эффективной длины углеродной цепи tcв ,оС 470 465 460 455 450 444 439 433 426 420 413 407 400 392 381 370 358 344 328 308 287 274 262 255 249 244 240 238 236 235 234 lcp 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0 186 lcp 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9 9,0 tcв ,оС 232 231 230 229 228 227 226 225 224 223 222 221 221 220 219 218 217 216 216 215 214 213 213 212 211 211 210 210 209 234 lcp 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10,0 10,1 10,2 10,3 10,4 10,5 10,6 10,7 10,8 10,9 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 11,6 11,7 11,8 11,9 12,0 tcвс ,оС 208 208 208 207 207 207 207 206 206 206 206 206 206 205 205 205 205 205 205 205 205 205 205 205 205 204 204 204 204 204 lcp 12,1 12,2 12,3 12,4 12,5 12,6 12,7 12,8 12,9 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 13,6 13,7 13,8 13,9 14,0 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7 14,8 14,9 15,0 tcв ,оС 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 203 203 203 203 203 203 203 203 203 203 203 203 203 203 203 202 Приложение 16. Зависимость температуры самовоспламенения спиртов от эффективной длины углеродной цепи lcp tcв ,оС lcp tcв ,оС lcp tcв ,оС lcp tcв ,оС 464 337 272 245 2,0 4,4 6,8 9,2 463 333 270 244 2,1 4,5 6,9 9,3 461 326 269 243 2,2 4,6 7,0 9,4 459 326 267 243 2,3 4,7 7,1 9,5 457 322 266 241 2,4 4,8 7,2 9,6 455 319 264 241 2,5 4,9 7,3 9,7 452 315 263 240 2,6 5,0 7,4 9,8 448 312 262 240 2,7 5,1 7,5 9,9 443 309 261 239 2,8 5,2 7,6 10,0 438 306 260 236 2,9 5,3 7,7 10,5 433 304 258 234 3,0 5,4 7,8 11,0 423 301 257 233 3,1 5,5 7,9 11,5 420 299 256 232 3,2 5,6 8,0 12,0 413 296 255 232 3,3 5,7 8,1 12,5 405 294 254 231 3,4 5,8 8,2 13,0 396 291 253 231 3,5 5,9 8,3 13,5 385 289 252 230 3,6 6,0 8,4 14,0 376 287 251 230 3,7 6,1 8,5 14,5 369 284 250 229 3,8 6,2 8,6 15,0 361 282 249 229 3,9 6,3 8,7 15,5 355 280 248 228 4,0 6,4 8,8 16,0 350 278 247 228 4,1 6,5 8,9 16,5 346 276 246 227 4,2 6,6 9,0 17,0 341 274 246 227 4,3 6,7 9,1 17,5 Приложение 17. Коэффициенты для определения температуры самовоспламенения отдельных классов органических соединений Соединения а b Спирты 0,6796 121,2 Соединения с гр. – NH2 0,4722 170,4 Ароматические соединения 0,6412 252,9 Формиаты 0,7719 81,5 Ацетаты 0,7909 52,0 Пропионаты 0,7158 91,3 Кислоты 0,7556 86,0 187 Приложение № 158 Номограмма определения коэффициента избытка воздуха S пож 0,25 пунктирная S пол α 0,25 16 S пож 1 сплошная S пол Кривая 1 – SПРИТ/SПОЖ, < 0,04 Кривая 2 – 0,04<SПРИТ/SПОЖ, < 0,06 Кривая 3 – 0,06<SПРИТ/SПОЖ, < 0,10 Кривая 4 – 0,10<SПРИТ/SПОЖ, < 0,17 Кривая 5 – 0,17<SПРИТ/SПОЖ, < 0,25 Кривая 6 – 0,25<SПРИТ/SПОЖ, < 0,33 14 12 10 8 6 6 5 4 3 2 1 8 10 4 2 2 188 4 6 12 14 v 0в Приложение № 169 Номограмма определения температуры пожара q, кВтм-2 t, о C 60· 1100 50· 1000 900 40· 800 700 30· 20· 600 5 500 0 0 400 300 10· 200 100 0 0 30 60 90 150210 18 9 1 2 2 2,5 5 3 4 10 15 5 6 45 75 120 180 240 мин 7 8 9 10 11 19 0 Приложение № 17 Структурные формулы веществ для индивидуального задания H H H H H H H H H H O H H O C C C C C H C C C C C C O H C C C O H H H H H H H H H H H Акрілова кислота(1) Акролеїн (2) Аліловий спирт (3) Амілбензол (4) H H H H H H H C C C C C O H H H H H H O H Амілметилкетон H H H H H H H H H H H H C C C C C C C H (5) H H H H H H Аміловий спирт C C C C C H (6) H H H H H Амілциклогексан (7) H H C C N N H O C H O H H H H Ацетон Анілін (8) (9) Ацетонітрил(10) Бензиловий спирт (11) Бензол (12) H H H H H H H H H H H H H H H C C C C H O O H C C C C H C C C C H C C C C O H H O O H O H H H H H H H H H H H H H H Бутандіол-2,3 (14) Бутанова кислота Бутанол Бутаналь (13) (15) (16) H H C C C H H H H H C C C C H H O H H Бутанон (17) H H C H H H C C C H H H H H O Бутилфенол H H H H H H C C C C C C H H O H H H H Бутилметилкетон (19) C C C C H H H H H Бутилбензол (18) H H H H O H C C C C C O H H H H H (21) Валеріанова кислота (22) (20) H H H H O H C C C C C H H H H H Валеріановий альдегід(23) H H H H H H H H H H O O H O Валеролактон C (24) C С С С С С H H H H Гексадієн (25) 19 1 H H H H H H H H H H H H H H C C C H H C C C H H C C C C C H H O C C C H H H H H H H H O H H H H H H 5 4 4 4 Гексан Гексиловий спирт Гептан Гексилметилкетон (26) (27) (28) (29) 19 2 H H C H H C H 8 Äåêàí H C H H H H C C H H H C HH C C C H H O H O H H Диацетоновий спирт (30) H H H H H H H C C C O C C C H H H H H H H Дипропіловий ефір (33) H H C H H H HH C H H C HH H C C C C C H H H H H H Диетилізопропілметан (36) (31) H H H H H H HH H C C C C O C C C C H H H H H H H HH Дибутиловий ефір (32) H H H H H H H H H C C N C C H H O C C O C C O H H H H H H H H H H Диетиленгліколь Диетиламін (34) (35) H H H H H C C C C C H H H O H H Диетилкетон (37) H H H H H C C O C C H H H H H Диетиловий ефір (38) H H H H H H H H O HH CHHC HH H C C C H H C C C C C H H C C O C C H O O H H H H H H H O H H H 10 Диізопропілкетон Етилацетат Додекан (39) Діоксан (40) (41) (42) H H C C H H H Етилбензол (43) H H H O C C O H H H Етиленгліколь (44) o-Етилтолуол (45) H H H O H H C HH H C C C O C C C H H H H H H Ізобутилацетат (49) H H C C H H H Етилциклогексан (47) H H C C HH C H H H H C H H H C C H H H H O H CH H м-Крезол (51) (48) H H C H H C H H H N H Ксилідин (52) H H C H H CH H м-Ксилол (53) H H H O H 19 3 ²çî ï ðî ï åí ³ëáåí çî ë (50) H H H O H HH C H H C C C C O C H H C O H H C C O C H H C C H H H H H H H H H Ì åòè ëáóòè ðàò Ì åòè ëàöåòàò (56) Кумол (54) Метанол (55) (57) 19 4 H H H H O H H O H H C C C C C H H C C C O C H HH C HH H H H H H Ì åòè ëï åí òàëüäåã³ä (59) Ì åòè ëï ðî ï ³î í àò (60) H H H H H H O H C H H C C C C C H C H H C O C H H H H H O H H H Ì åòè ëï ðî ï ³ëêåòî í (61) Ì åòè ëô î ðì ³àò(62) Ì åòè ëöè êëî ãåêñàí (63) Ì åòè ëöè êëî ï åí òàí (64) H H H H H H H C C C C C C H HH C HH H H H H 2-Ì åòè ëãåêñàí (58) H H O H H H H C O H CC O C C O C H H H C O H H H H H Ì åòî êñè åòè ëàöåòàò (65) Ì óðàø èí à êèñëî òà(66) Í (69) H H O H C C C H H H 6 Î êòàí àëü (70) H H H H H C C H H C C C O H H H H H H 7 7 î í àí (67) Í î í ³ëî âè é ñï è ðò (68) H H O H C C C O H H H 6 Î êòàí î âà êè ñëî òà H H H H C C C O H H H H 6 (71) Î êòè ëî âè é ñï è ðò (72) H H H H C C C H H H 6 Î êòè ëöè êëî ãåêñàí H H H H O H O O H H C C C H H C C H C C O C C H H H H O H H H H 3 Ï åí òàí (73) Î öòî âà êè ñëî òà (74) Î öòî âè é àí ã³äðè ä (75) (76) H H O H H H O H H H H H H C C C C C H H C C C O H H C C C N H H H H H Í H H H H H H N Пентанол-2 Ï ðî ï àí î ë Ï ðî ï àí àëü (80) (77) Ï ³ðè äè í (78) Ï ³ðî ë (79) (81) H H C H Ï H H H H H H H C C C C C N H H H H H H ðî ï ³ëàì ³í (82) Ï ðî ï ³ëáåí çî ë H HH HH H C C C C C C H H HH O HH Ï ðî ï ³ëåòè ëêåòî í (86) H H H H HH O H H H H C C C H H C CC C O C C C H H O O H H H HH H H H Ï ðî ï ³ëåí ãë³êî ëü Ï ðî ï ³ëáóòèðàò (83) (84) (85) H H H O H H H H C C C H C O C C C H H H H H H H Ï ðî ï ³ëöè êëî ãåêñàí (88) Ï ðî ï ³ëô î ðì ³àò (87) 19 5 19 6 H H H C C C H H H H Ï ðî ï ³ëöè êëî ï åí ï àí (89) H H C C H Ñòè ðî ë (92) H C H H Òî ëóî ë (95) H H H H C C CO H H H H 9 Ундеканол (98) O HH H CC C O H HH Ï ðî ï ³î í î âà êè ñëî òà(90) O Тетрагідрофуран(93) H H С H H C H H H H С H Òðè ì åòè ëáåí çî ë (96) H H O C C H H H Ôåí ³ëåòè ëî âè é åô ³ð(99) HHO O HH H C C C O C C C H HH HH Ï ðî ï ³î í î âè é àí ã³äðè ä (91) H H HH C HH H C HH H C C C C C H H H C HHH C H H H H Òåòðàì åòè ëï åí òàí (94) H H HH C HH H C HH H H C C C C C C H H H H C H H H H H Òðè ì åòè ëãåêñàí (97) H H H C H H C C H H C H H H Öè ì î ë (00) Учебное издание Тарахно Елена Витальевна Жерноклев Константин Владиславович Трегубов Дмитрий Георгиевич Коврегин Владимир Владимирович Теория развития и прекращения горения Методические указания к изучению курса Подп. к печати 06.12.2010 Формат 60х84 1/16 Печать - ризограф Условн.-печат. лист. 13 Тираж 300 екз. Изд. № 98/10 Зак.№ 9 ______________________________________________________ НУГЗУ, г. Харьков, ул. Чернышевского, 94 19 7