книги из ГПНТБ / Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие

А. И. Розловский

Взрывобезопасность паро-газовых систем

в технологических процессах

Допущено Министерством высшего

исреднего специального образования СССР

вкачестве учебного пособия

для студентов химико-технологических специальностей вузов

МОСКВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «X ИМ И Я»

1973

УДК [661.7-911.3+662.76-911.3] :614.83 (0,75.8) Р 64

Розловский А. И.

Взрывобезоласность -паро-газовых систем в технологиче­ ских процессах. М., «Химия», 1973. 130 с., 11 рис., 2 табл., список литературы 21 ссылка.

В книге излагаются основные положения теории горения и воспламенения паро-газовых систем и закономерности ини­ циирования и гашения пламени. На оонове этих сведений рассматриваются принципы безопасного проведения техноло­ гических процессов при производстве и переработке горючих газов. На примерах организации некоторых -взрывоопасных производств даются рекомендации по составлению наиболее рациональных технологических регламентов, надежно обеспе­ чивающих взрывобезопасность и не -осложняющих производ­ ственный процесс излишними ограничениями.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических специальностей вузов. Она преследует цель развития у обучающихся умения самостоя­ тельно разбираться в задачах обеспечения взрывобезопасности п находить их оптимальные решения. Книга представляет ин­ терес для инженерно-технических работников.

f l ' f

3142-115 050(01)-73 115-74

Редактор Д. Н. Семенова

Технический редактор В. М. Скитина

Художник А. Я. Михайлов Корректор Н. И. Попова

Т 1499). Сдано в наб. 23/VIII 1973 г. Подп. в печ. 22/X 1973 г. Формат бумаги 84Х ІОЗѴзаБумага тип. № 2. Уел. печ. л. 6,72. Уч.-нзд. л. 7,10. Тираж 7500 экз. Зак. 2186. Изд. № 240. Цена 26 к.

Издательство «Химия», 107076, Москва, Стромынка, 23.

Московская типография № И Союзиолнграфпрома при Государствен­ ном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и киижіюіі торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., 1.

© Издательство «X и м и я», 1973 г.

ВВЕДЕНИЕ

Организации охраны труда в народном хозяйстве придается огромное значение. Ее задачи широки и мно­ гообразны. Однако в каждой отрасли промышленности имеется своя специфика и поэтому свои наиболее ак­ туальные проблемы. Для химической и нефтеперераба­ тывающей промышленности можно указать на два важ­ нейших направления работ в области охраны труда: без­ опасное обращение с токсичными вредными вещества­ ми и их переработка и вопросы обеспечения взрыво- и пожаробезопасности.

Химические предприятия в процессе работы выбра­ сывают в окружающую среду — в атмосферу и в вод­ ные бассейны — большое количество неутилизируемых продуктов, которые часто содержат вредные для живых организмов компоненты. Очистке промышленных выбро­ сов от вредных примесей в программах химико-техноло­ гических вузов посвящен специальный курс.

Обеспечение взрывобезопасиости представляет дру­ гое важнейшее направление, поскольку именно в химиче­ ской и нефтеперерабатывающей промышленности мы сталкиваемся с необходимостью обращаться с большими количествами горючих и взрывоопасных продуктов. До настоящего времени в промышленности происходят ава­ рии, связанные с пожарами и взрывами. Эти аварии яв­ ляются следствием недостаточно серьезного и продуман­ ного отношения производственников, а иногда и проек­ тировщиков к вопросам обеспечения взрывобезопасно­ сти и недостаточного знания ими законов горения.

Отсутствие необходимых знаний в области теории горения приводит, с другой стороны, к тому, что вводят­ ся ненужные ограничения и проводятся дорогостоящие

3

Г Л А В А 1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ГАЗОВ

Определение понятия «горение». Понятие горения не может быть определено однозначно, так как не существу­ ет точных границ для условий протекания процессов, ко­ торые можно характеризовать как горение. Мы будем пользоваться следующим определением: горением назы­ вается самоускоряющееся быстрое химическое превра­ щение, сопровождающееся интенсивным тепловыделе­ нием и испусканием света.

Такое определение не вполне четко и универсально. Существуют так называемые холодные пламена, в кото­ рых химическая реакция, хотя и сопровождается свече­ нием, но протекает с умеренной скоростью и без замет­ ного разогрева*.

Трудно также точно указать, какая реакция являет­ ся достаточно быстрой для того, чтобы ее можно было считать горением. Соответственно с этим пламенем, при­ чем горячим, мы будем называть газообразную среду, в которой интенсивная химическая реакция приводит

ксвечению, тепловыделению и саморазогреву.

Вгорючих системах обычно различают горючее и окислитель. Возможны также процессы горения, в кото­ рых участвует только одно исходное вещество, способное

квзрывному распаду, например озон, ацетилен, взрыв­

чатые вещества и пороха. Такое соединение всегда бы­ вает эндотермическим, горение происходит за счет теп­ лового эффекта реакции его разложения или внутренне­ го самоокисления сложной молекулы (у взрывчатых ве­ ществ) .

* Холодные пламена в некоторых случаях существенны для на­ ших целей, и мы будем их рассматривать в дальнейшем.

-5

Характерной особенностью процессов горения, отли­ чающей их от большинства процессов химической техно­ логии, является их большая скорость. Если бы оказа­ лось возможным распространить условия реакции, про­ текающей в пламени, одновременно на всю массу горю­ чей смеси, горение заканчивалось бы за малую долю се­ кунды.

Для протекания процесса горения требуется прежде всего выполнение двух условий: чтобы реакция в пла­ мени была экзотермической и ускорялась с 'повышением температуры.

Чрезвычайно сильная зависимость скорости почти всех практически важных реакций от температуры яв­ ляется главной особенностью химической кинетики. Ни­ же мы увидим, что для протекания горения в экзотерми­ чески реагирующих системах необходимо выполнение еще одного дополнительного условия.

Наиболее важным видом горения является горение гаЗов^ Большинство твердых и жидких компонентов го­ рючей среды предварительно перед сгоранием либо испаряется, либо разлагается, с частичным превра­ щением в летучие продукты, сгорающие в газовой фазе. Поэтому закономерности горения газов представляют наибольший практический интерес.

1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Поджигание горючей среды. Рассмотрим явления, происходящие при поджигании холодной горючей среды локальным тепловым импульсом, приводящим к сильно­ му разогреву, таким, например, как электрическая искра, небольшое открытое пламя, накаленная проволо­ ка и т. д. При достаточной мощности такого импульса происходит поджигание горючей среды. Мощность им­ пульса, точнее, количество энергии, передаваемой под­ жигаемому газу, определяет объем и температуру разо­ гретого газа. Поджигание имеет следующий механизм.

Разогрев приводит к быстрому завершению экзотер­ мической реакции (например, окисления горючего кис­ лородом) в нагретом до высокой температуры ограни­ ченном объеме газа. Тепловыделение, сопровождающее реакцию, приводит в результате теплопроводности к разогреву е-0 £§днего слоя газа, в котором также начи­

6

нается интенсивная химическая реакция, так как ее ско­ рость сильно возрастает при повышении температуры. Сгорание этого слоя влечет за собой поджигание сле­ дующего слоя и т. д. до сгорания горючей среды во всем заполненном ею пространстве.

При поджигании происходит послойное сгорание: зо­ на горения перемещается в пространстве, и пламя рас­ пространяется. Скорость этого перемещения определяет интенсивность процесса горения и является его важней­ шей характеристикой.

Фронт пламени и его перемещение. Узкая зона, в ко­ торой происходит подогрев горючей среды и протекает химическая реакция, называется фронтом пламени. Фронт пламени не имеет резко очерченных границ, они фиксируются условно. Однако это не вносит неопреде­ ленности, так как концентрации и температура в зоне пламени изменяются очень резко. Толщина фронта пла­ мени при 1-105 Па*, как правило, не превышает не­ скольких десятых миллиметра. Поэтому в ряде задач фронт можно считать поверхностью, разделяющей горю­ чую среду и нагретые продукты реакции.

Очевидно, что все участки фронта пламени, незави­ симо от его формы, вполне равноценны**. На каждом квадратном сантиметре поверхности фронта в единицу времени сгорает одно и то же количество горючей сре­ ды. Из этого следует, что величина поверхности фронта пламени (а значит, и его форма) представляет собой один из главных факторов, определяющих интенсивность суммарного процесса горения. Искривления, обусловли­ вающие увеличение поверхности пламени, вызываются движением газа в зоне горения.

При распространении пламени по однородной среде от точечного источника поджигания в неограниченном пространстве (т. е. в середине достаточно большого со­ суда) его поверхность будет иметь форму сферы непре­ рывно увеличивающегося радиуса, если все направления для перемещения зоны горения равнозначны.

Другой характерный режим распространения пламе­

т. е. во всех практически важных случаях.

7

(рис. 1). Вначале в районе точки зажигания возникает сферическое пламя. После соприкосновения со стенками трубы пламя будет иметь форму части сферической по­ верхности, вырезаемой постоянным сечением трубы. Так как радиус этой сферы неограниченно возрастает, фронт

ип (м/с); подобный механизм горения именуется также дефлаграцией. Величина ип является основной характе­ ристикой горючей среды, она представляет собой мини­ мальную возможную скорость пламени, с которой оно распространяется при плоской форме фронта.

Расширение газа при сгорании. Рассмотрим процесс невозмущенного горения в трубе, открытой с двух кон­

8