В условиях химической переработки различных продуктов могут образовываться любые смеси горючего газа или пара с воздухом. Особенно часто с этим приходится сталкиваться в цехах получения водорода, на ацетиленовых станциях, в цехах стержневой полимеризации синтетического каучука, на складах баллонов с горючими газами и др. Концентрация горючего в рассматриваемых смесях может изменяться от долей процента почти до 100 %. Однако не при всех концентрациях смесь является взрыво- или пожароопасной.

Рис. 4.2 иллюстрирует условия воспламенения горючих смесей. Все смеси горючего с воздухом от нуля до точки А не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания – это область безопасных концентраций. Только в точке А смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва; при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси.

Рис. 4.2. Зависимость давления при взрыве газовоздушных смесей

от концентрации горючего в смеси: 1 – область безопасных концентраций;

2 – область воспламенения, 3 — область пожароопасных концентраций

Та наименьшая концентрация горючих паров газов или пылей в смеси с воздухом, при которой смесь уже может воспламениться от источника зажигания и пламя распространяется на весь объем горючей смеси, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ).

Смесь воздуха с горючим или паром на НКПВ содержит избыток воздуха. Так, для смеси воздуха с метаном коэффициент избытка воздуха равен 2, с оксидом углерода 2,6, а с сероуглеродом 6,9 и т.д.

Смесь, имеющая небольшое количество горючего и избыток воздуха, характеризуется минимальной скоростью распространения пламени в объеме всего сосуда, низкой температурой горения – порядка 1250 – 1300 ⁰С и небольшим давлением взрыва (около 0,3 МПа). При концентрации горючего в смеси выше нижнего концентрационного предела воспламенения (за точкой А) горение происходит с большей скоростью, давление при взрыве повышается. Это объясняется тем, что по мере увеличения содержания горючего содержание воздуха уменьшается; тепло, выделившееся в результате химической реакции, в меньшей степени расходуется на нагрев не участвующего в реакции избытка воздуха.

Давление при взрыве горючих смесей может увеличиваться теоретически до давления, соответствующего стехиометрической концентрации веществ, т.е. рассчитанной по уравнению химической реакции. Фактически наибольшее давление при взрыве наблюдается у смесей с концентрацией горючего несколько выше стехиометрической, так как скорость горения этой смеси выше скорости горения смеси со стехиометрической концентрацией компонентов.

Рассмотрим расчет стехиометрической концентрации горючего газа на примере оксида углерода.

Составим уравнение химической реакции горения оксида углерода в воздухе:

СО + 0,5 (О₂ + 3,76N₂) СО₂ + 0,5?3,76N₂.

Согласно уравнению, стехиометрическая смесь оксида углерода с воздухом состоит из 1 объема СО, 0,5 объема О₂ и 1,88 объема N₂. Примем эту смесь за 100 %. Тогда концентрация оксида углерода этой смеси составит

.

При дальнейшем увеличении количества оксида углерода в смеси последняя становится взрывчатой. Однако давление взрыва с ростом концентрации оксида углерода будет постепенно снижаться в результате недостатка воздуха в горючей смеси.

недостаток воздуха в смесях, богатых горючим, ведет к тому, что смесь может терять способность воспламеняться. Для различных смесей концентрация горючего, при которой смесь уже не способна воспламеняться, не одинакова. Например, для смеси оксида углерода с воздухом наивысшей концентрацией СО, при которой еще возможно воспламенение, является 74 % (точка Б на рис. 4.2). Выше этой концентрации никакие смеси оксида углерода с воздухом воспламеняться не могут, хотя в них присутствует некоторое количество воздуха.

Та наибольшая концентрация горючих паров, газов или пылей в смеси с воздухом, при которой смесь еще способна воспламеняться от источника зажигания с распространением пламени на весь ее объем, называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). ВКПВ характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха. При воспламенении такой газовоздушной смеси часть тепла химической реакции расходуется на нагрев не участвующего в реакции горючего, поэтому продукты горения нагреваются не до максимальной температуры; давление при взрыве составляет 0,3 – 0,4 МПа.

Интервал концентраций газов или пара в воздухе между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения называется областью воспламенения. Область воспламенения газов (паров) в воздухе определяется при атмосферном давлении (0,1 МПа) и характеризуется тем, что внутри нее все смеси горючего с воздухом способны воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси. Область воспламенения различных газо- и паровоздушных смесей не одинакова. Наибольшую область воспламенения имеют оксид этилена, водород, ацетилен и др.; наименьшую – бензин, керосин, пропан, бутан и др. Чем ниже нижний концентрационный предел воспламенения и больше область воспламенения газов, тем большую пожарную опасность они представляют.

Концентрация горючих паров и газов в смеси с воздухом, превышающая верхний концентрационный предел воспламенения (за точкой Б на рис. 4.2) называется пожароопасной.

Знание областей безопасных и пожароопасных концентраций дает возможность в процессе применения и хранения газов и горючих жидкостей поддерживать такой режим, при котором концентрации горючего выше верхнего или ниже нижнего кон-центрационных пределов воспламенения. Это достигается созданием соответствующих давлений и температур в аппаратах, хранилищах и различных емкостях. концентрационные пределы воспламенения используют в расчетах допустимых концентраций газов внутри взрывоопасного технологического оборудования, систем рекуперации, вентиляции и других систем, а также при расчете предельно допустимой взрывоопасной концентрации горючего газа, при работе с огнем, при классификации производств, связанных с синтезом, применением или хранением горючих газов, по степени пожарной опасности. При определении пожарной опасности технологических процессов необходимо учитывать изменение пределов воспламенения смеси от различных факторов. Например, в сушилках, где имеются пары горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, пределы воспламенения будут ниже, чем при нормальной температуре. В аппаратах и реакторах иногда смесь горючих паров и газов с воздухом находится под давлением, большим или меньшим нормального. В этих случаях пределы воспламенения также отличаются от значений, приведенных в справочных таблицах.

Пределы воспламенения связаны с основными факторами: мощностью источника зажигания, турбулентностью, примесью горючих паров и газов, температурой смеси, давлением смеси, объемом и диаметром сосуда и др.

Мощность источника зажигания. Наиболее распространенными источниками зажигания являются электрическая искра и электрическая дуга. Механизм воспламенения горючей смеси электрической искрой или дугой сложен, поскольку при возникновении искры происходит очень интенсивное местное возбуждение молекул газа и их ионизация. Это в сильной степени интенсифицирует протекание химических процессов и изменяет критические условия зажигания. Возникновение искры вызывает повышение температуры газа, поэтому искру можно представить как своеобразное накаленное тело.

Для каждой горючей смеси существует некоторая предельная минимальная мощность искры, начиная с которой смесь воспламеняется – возникает фронт горения. Эта минимальная мощность является функцией состава смеси и зависит от давления и температуры. Знание минимальной мощности электрических искр, необходимой для     воспламенения различных газовых смесей, имеет большое практическое значение.    

Это дает возможность оценить чувствительность горючей смеси к воспламенению, установить допустимое значение энергии электрического разряда во взрывоопасной среде, классифицировать горючие смеси по воспламеняемости их электрическими разрядами и разработать меры безопасности проведения процесса (безопасные системы    связи, сигнализации, автоматизации и другие устройства с применением электрического тока).

Большое влияние на воспламеняющую способность электрических искр оказывают имеющиеся в цепи индуктивные сопротивления (дроссели, реле и т.д.).

4.3. Методы определения концентрационных пределов