Определение режима взрывного превращения. Расчет скорости

Лабораторная работа «Расчѐт режима взрывного превращения топливновоздушной смеси»
Алгоритм расчѐта.
Порядок проведения расчета определен в соответствии с методикой РД 03-40901
«Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей».
Методика предназначена для количественной оценки параметров ударных волн
при взрывах топливно-воздушных смесей, образующихся при промышленных авариях.
При рассмотрении предполагается частичная разгерметизация или полное разрушение
оборудования, содержащего горючее вещество в газообразной или жидкой фазе, выброс
этого вещества в окружающую среду, образование облака ТВС, инициирование ТВС,
взрывное превращение (горение или детонация) в облаке ТВС.
1.
Рассчитать стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения ТВС
  nc 
nH  nX nO
 ,
2
2
где nC, nH, nX, nO – числа атомов углерода, водорода, галогена1 и кислорода в составе молекулы горючего (табл. 4).
2.
Рассчитать стехиометрическую концентрацию горючего, кг/м3
Cst 
Mr
,
22.4(1  4.84 )
где Mr – молярная масса горючего, кг/кмоль (табл. 4)..
3.
Определить эффективный энергозапас смеси, Дж
E  KMq , если C  Cst
или E  KMq
Cst
,если C  Cst , где
C
С – текущая концентрация горючего, кг/м3; М – масса горючего, кг; q–удельная теплота сгорания, Дж/кг. Коэффициент К отражает положение топливно-воздушной смеси:
1 – в воздухе, 2 – на земле.
Если определение концентрации горючего затруднено, в качестве C подставляется
Снкпр – концентрация вещества, соответствующая нижнему критическому пределу распространения пламени.
4.
Определить вид окружающего пространства в зоне формирования топливно-
воздушной смеси в соответствии с табл.1.
5.
1
Определить класс опасности вещества в соответствии с табл. 2.
К галогенам относятся атомы фтора – F, хлора – Cl, брома – Br и йода – I.
6.
Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения определить в соответствии
с табл. 3 в зависимости от класса горючего вещества и вида окружающего пространства.
7.
Определить скорость распространения пламени в зависимости от режима

V>500 м/с – детонация

V=500 м/с – дефлаграция

V=300 м/с – дефлаграция

V=200 м/с – дефлаграция

V  43M 6 - дефлаграция

V  26M 6 - дефлаграция.
1
1
8.
Определить тип смеси – гетерогенная или газовая (табл. 4).
Примеры расчѐта
Пример 1.
В результате аварии на автодороге, проходящей по открытой местности, в безвет-
ренную погоду произошел разрыв автоцистерны, содержащей 8 т сжиженного пропана.
Для оценки максимально возможных последствий принято, что в результате выброса газа
в пределах воспламенения оказалось практически все топливо, перевозившееся в цистерне. Средняя концентрация пропана в образовавшемся облаке составила около 140 г/м.
Воспламенение облака привело к возникновению взрывного режима его превращения.
Определить вид и параметры взрывного превращения облака ТВС.
Решение:
Сформируем исходные данные для дальнейших расчетов:
тип топлива - пропан;
агрегатное состояние смеси - газовая;
концентрация горючего в смесиС = 0,14 кг/м;
масса топлива, содержащегося в облаке, М = 8000 кг;
удельная теплота сгорания топлива q = 4,64·107 Дж/кг;
окружающее пространство - открытое (вид 4);
положение облака – наземное.
Находим стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения ТВС
8
4
  3  5.
Рассчитываем стехиометрическую концентрацию горючего в облаке ТВС.
Cst 
44, 096
 0, 078 кг/м3.
22, 4 1  4,84  5 
Так как концентрация горючего больше стехиометрической концентрации и положение облака ТВС – наземное, эффективный энергозапас смеси составит
E  2  8000  4, 67 107 
0, 078
 4,16 1011 Дж.
0,14
Исходя из классификации веществ в соответствии с табл. 2, определяем, что пропан относится к классу 2 опасности (чувствительные вещества). Геометрические характеристики окружающего пространства (табл. 1) относятся к виду 4 (открытое пространство).
В соответствии с табл. 3 определяем ожидаемый режим взрывного превращения облака
ТВС - дефлаграция с диапазоном видимой скорости фронта пламени от 200 м/с.
Пример 2.
В результате внезапного раскрытия обратного клапана в пространство, загроможденное подводящими трубопроводами, выброшено 100 кг этилена. Концентрация этилена
в облаке 80 г/м. Воспламенение облака привело к возникновению взрывного режима его
превращения. Определить вид и параметры взрывного превращения облака ТВС.
Решение:
Сформируем исходные данные для дальнейших расчетов:
горючий газ - этилен;
агрегатное состояние смеси - газовая;
концентрация горючего в смеси С = 0,08 кг/м ;
масса топлива, содержащегося в облаке, М = 100 кг;
удельная теплота сгорания горючего газа q = 4,7·107 Дж/кг;
положение облака – наземное;
окружающее пространство – загроможденное (вид 1).
Находим стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения ТВС
4
4
  2  3.
Рассчитываем стехиометрическую концентрацию горючего в облаке ТВС
Cst 
28, 05
 0, 081 кг/м3.
22, 4 1  4,84  3
Определяем эффективный энергозапас горючей смеси Е. Так как С <Сst, следовательно
E  2 100  4,7 107  9, 4 109 Дж.
Исходя из табл. 2, определяем, что этилен относится к классу 2 опасности (чувствительные вещества). Геометрические характеристики окружающего пространства относятся к виду 1 (загроможденное пространство). В соответствии с табл. 3 определяем диапазон ожидаемого режима взрывного превращения облака топливно-воздушной смеси первый, что соответствует детонации
Приложения
Таблица 1 Характеристика классов пространства, окружающего место аварии
№ класса
Характеристика пространства
1
Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов
сгорания с размером не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки для данной смеси неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй принимается равным 5 см для
веществ класса 1; 20 см - для веществ класса 2; 50 см - для веществ класса 3 и 150
см - для веществ класса 4.
Сильнозагроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая
плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество
повторяющихся препятствий
2
Среднезагроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк
4
Слабозагроможденное и свободное пространство
Таблица 2 Классификация горючих по степени чувствительности.
3
Класс 1
Особочувствительные
вещества (размер детонационной
ячейки
менее 2 см.)
Класс 2
Чувствительные вещества
(Размер
детонационной
ячейки от 2 до 10 см)
Класс 3
Среднечувствительные
(Размер
детонационной
ячейки от 10 до 40 см)
Класс 4
Малочувствительные
(Размер детонационной ячейки больше
40 см)
Ацетилен
Винилацетилен
Водород
Гидразин
Изопропилнитрат
Метилацетилен
Нитрометан
Окись пропилена
Окись этилена
Этилнитрат
Акрилонитрил
Акролеин
Бутан
Бутилен
Бутадиен
1,3-пентадиен
Пропан
Пропилен
Сероуглерод
Этан
Этилен
Диметиловый эфир
Дивиниловый эфир
Диизопропиловый эфир
Ацетальдегид
Ацетон
Бензин
Винилацетат
Винилхлорид
Гексан
Изооктан
Метиламин
Метилацетат
Метилбутилкетон
Метилпропилкетон
Метилэтилкетон
Октан
Пиридин
Сероводород
Метиловый спирт
Пропиловый спирт
Амиловый спирт
Изобутиловый спирт
Изопропиловый спирт
Аммиак
Бензол
Декан
о-дихлорбензол
Додекан
Метан
Толуол
Метилмеркаптан
Метилхлорид
Нафталин
Окись углерода
Фенол
Хлорбензол
Этилбензол
Дтхлорэтан
Трихлорэтан
Циклогексан
Этилформиат
Этилхлорид
Кумол
Циклопропан
Этиламин
Таблица 3 Определение режима взрывного превращения
Класс топлива
1
Класс окружающего пространства
2
3
4
1
1
1
2
3
2
1
2
3
4
3
2
3
4
5
4
3
4
5
6
Таблица 4 Физико-химические константы горючих.
Название
вид смеси
амиловый спирт
г
5
12
1
0
0
88,15
Теплота сгорания, Дж/кг
38384571,75
аммиак
г
0
3
0
1
0
17,03
18584850,26
0,114040179
ацетальдегид
г
2
4
1
0
0
44,05
27071055,62
0,049162946
ацетилен
г
2
2
0
0
0
26,04
49961597,54
0,0290625
ацетон
г
3
6
1
0
0
58,08
31359848,48
0,070007143
бензол
гет
6
6
0
0
0
78,11
40576110,61
0,049864866
бутадиен
г
4
6
0
0
0
54,09
44573858,38
0,048294643
бутан
г
4
10
0
0
0
58,123
45713400,89
0,046705982
β-бутилен
г
4
8
0
0
0
56,11
88344323,65
0,045088393
α-бутилен
г
4
8
0
0
0
56,11
45314560,68
0,040078571
винилхлорид
г
2
3
0
0
1
62,49
18498959,83
0,100430357
водород
г
0
2
0
0
0
2,016
119841269,8
0,003708
гексан
гет
6
14
0
0
0
86,117
45136268,1
0,047671911
диметиловый эфир
г
2
6
1
0
0
46,1
28676789,59
0,076147321
дихлорэтан
гет
2
4
0
0
2
98,96
10873080,03
0,2474
диэтиловый эфир
г
4
10
1
0
0
74,12
34147328,66
0,056251786
изобутиловый спирт
гет
4
10
1
0
0
74,12
36743119,27
0,059560714
изопропиловый спирт
гет
3
8
1
0
0
60,09
34138791,81
0,059821741
метан
г
1
4
0
0
0
16,04
50000000
0,037808571
метиламин
г
1
5
0
1
0
31,06
33290405,67
0,06794375
метилацетат
гет
3
6
2
0
0
74,08
19873110,15
0,104175
метиловый спирт
г
1
4
1
0
0
32,04
23838951,31
0,099838929
метилхлорид
г
1
3
0
0
1
50,48
12698098,26
0,171271429
метилэтилкетон
г
4
8
1
0
0
72,1
34674063,8
0,06115625
окись углерода
г
1
0
1
0
0
28,01
10103534,45
0,156305804
окись этилена
г
2
4
1
0
0
44,05
27695800,23
0,062928571
пиридин
гет
5
5
0
1
0
79,1
29355246,52
0,0635625
nc
nH
nO
nN
nX
Мол. Масса , кг/кмоль
Снкпр, кг/куб м
0,057454911
пропан
г
3
8
0
0
0
44,096
46353410,74
0,045277143
пропилен
г
3
6
0
0
0
42,08
45603612,17
0,045085714
пропиловый спирт
гет
3
8
1
0
0
60,09
34405059,08
0,061699554
толуол
гет
7
8
0
0
0
92,14
40936401,13
0,052240089
циклогексан
гет
6
12
0
0
0
84,16
43833174,9
0,048842857
циклопропан
г
3
6
0
0
0
42,08
49691064,64
0,045085714
этан
г
2
6
0
0
0
30,07
52411040,9
0,040272321
этиламин
г
2
7
0
1
0
45,1
31521064,3
0,07046875
этилен
г
2
4
0
0
0
28,05
46987522,28
0,036314732
этиловый спирт
г
2
6
1
0
0
46,07
30562187,97
0,074041071
этилхлорид
г
2
5
0
0
1
64,51
19392342,27
0,109436607
этилацетат
гет
4
8
2
0
0
88,1
23586833,14
0,078660714