Главная > Оборудование для производства

Общие сведения о взрыве и процессах горения

На предприятиях общественного питания используют и перерабатывают горючее и взрывоопасное сырье в различном агрегатном состоянии (эссенции, органические кислоты, жиры, масла, мука, сахарная пудра и др.). Кроме того, производство оснащено сосудами и аппаратами, работающими под избыточным давлением, в том числе холодильными установками, хладагентом которых, как правило, является взрывоопасный газ или аммиак. Для нагрева, сушки, обжарки, варки, выпечки применяют тепловое оборудование, работающее на тепловом проявлении электрического тока, газовом, жидком и твердом топливе. Исходя из свойств обращающихся веществ, характера технологических процессов, пищевое производство относят к числу взрыво- и пожароопасных.

Взрывом называется быстрое выделение энергии, связанное с внезапным изменением состояния вещества, сопровождаемое разрушением окружающей среды и распространением в ней ударной или взрывной волны, переходом начальной энергии в энергию движения вещества.

При взрыве развиваются давления в десятки и сотни тысяч атмосфер, а скорости движения взрывчатого вещества измеряются километрами в секунду.

Взрывчатые вещества - это соединения или смеси, способные к быстрому, самораспространяющемуся химическому превращению с образованием газов и выделением значительного количества тепла. Такое превращение, возникнув в какой-либо точке под воздействием соответствующего импульса (нагрева, механического удара, взрыва другого взрывчатого вещества), распространяется с большой скоростью на всю массу взрывчатого вещества.

Быстрое образование значительных объемов газов и их нагрев до высоких температур (1800 ... 3800 °С) за счет теплоты реакции объясняют причину возникновения на месте взрыва высокого давления.

В отличие от сгорания обычного топлива реакция взрыва протекает без участия кислорода воздуха и вследствие больших скоростей процесса позволяет получить в небольшом объеме огромные мощности. Например, 1 кг угля требует около 11 м3 воздуха, при этом выделяется приблизительно 9300 Вт теплоты. Взрыв 1 кг гек-согена, занимающего объем 0,00065 м3 происходит за стотысячную долю секунды и сопровождается выделением 1580 Вт теплоты.

В некоторых случаях исходная энергия с самого начала представляет собой тепловую энергию сжатых газов. В какой-то момент, вследствие снятия или ослабления связей, газы могут расширяться и произойдет взрыв. К такому роду взрыва можно отнести взрыв баллонов со сжатыми газами. Близкими к этому виду взрывов относят взрывы паровых котлов. Однако исходная энергия сжатых газов у них составляет лишь часть энергии взрыва; существенную роль здесь играет наличие перегретой жидкости, которая может быстро испариться при снижении давления.

Причины и характер возникновения взрыва могут быть различными.

Цепная теория возникновения газового взрыва определяет условия, при которых происходят цепные реакции. Цепные реакции -это химические реакции, в которых появляются активные вещества (свободные радикалы). Свободные радикалы в отличие от молекул обладают свободными ненасыщенными валентностями, что приводит к легкому их взаимодействию с исходными молекулами. При взаимодействии свободного радикала с молекулой происходит разрыв одной из валентных связей последней и, таким образом, в результате реакции образуется новый свободный радикал. Этот радикал, в свою очередь, легко реагирует с другой исходной молекулой, вновь образуя при этом свободный радикал. В результате путем повторения этих циклов происходит лавинообразное нарастание числа активных центров взрывоопасности.

Тепловая энергия исходит из условий нарушения теплового равновесия, при котором приход тепла вследствие реакции становится больше теплоотдачи. Возникающий в системе разогрев дополнительно воздействует на реакцию. В результате возникает прогрессивное нарастание скорости реакции, приводящее при определенных условиях к взрыву. При тепловом воздействии может образоваться взрыв большой мощности и сравнительно медленное горение.

Возникновение взрыва при ударе связано с действием локальных микроскопических разогревов, которые особенно сильны из-за наличия при ударе очень высокого давления. Локальные разогревы охватывают огромное количество молекул и при определенных условиях приводят к взрыву.

Возникающие при взрыве сжатие и движение окружающей среды (воздуха, воды, грунта) передаются все более и более удаленным слоям. В среде распространяется особого рода возмущение - ударная, или взрывная, волна. Когда эта волна приходит в какую-либо точку пространства, то плотность, температура и давление скачком повышаются и вещество среды начинает двигаться в направлении распространения волны. Скорость распространения сильной ударной волны, как правило, значительно превышает скорость звука. По мере распространения эта скорость уменьшается, и в конце концов ударная волна превращается в обычную звуковую волну.

Вблизи от очага взрыва скорость движения воздуха может достигать тысяч метров в секунду, а кинетическая энергия движущегося воздуха равна 50% полной энергии ударной волны.

При распространении ударной волны не в инертной среде, а, например, во взрывчатом веществе она может вызвать быстрое его химическое превращение, которое распространяется по веществу со скоростью волны, поддерживает ударную волну и не дает ей затухнуть. Это явление называется детонацией, а ударная волна, способствующая быстрой реакции, называется детонационной волной.

Как правило, любой взрыв вызывает пожары. Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя. Окислителями в процессе горения могут быть кислород, хлор, бром и некоторые другие вещества, такие, как азотная кислота, бертолетова соль и перекись натрия. Обычным окислителем в процессах горения является кислород, находящийся в воздухе. Реакция окисления при определенных условиях может самоускоряться. Этот процесс самоускорения реакции окисления с переходом ее в горение называется самовоспламенением. Условиями для возникновения и протекания горения в этом случае является наличие горючего вещества, кислорода воздуха и источника воспламенения. Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами и составляют горючую систему, а источник воспламенения вызывает в ней реакцию горения.

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом, например смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом.

К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух имеют поверхности раздела, например твердые горючие материалы и жидкости, струи горючих газов и паров, поступающих в воздух. При. горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха непрерывно диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу и затем вступает с ним в реакцию.

Выделившаяся в зоне горения теплота воспринимается продуктами сгорания, вследствие чего они нагреваются до высокой температуры, которая называется температурой горения.

Кинетическое горение, т. е. горение химически однородной горючей смеси газов, паров или пыли с воздухом, протекает различно. Если горючая смесь поступает с определенной скоростью из горелки, то она сгорает устойчивым пламенем. Горение этой же смеси, заполнившей замкнутый объем, может вызвать химический взрыв.

Кинетическое горение возможно только при определенном соотношении газа, паров, пыли и воздуха. Минимальная и максимальная концентрации горючих веществ в воздухе, способных воспламеняться, называются нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения (взрыва).

Все смеси, концентрации которых находятся между пределами воспламенения, называют взрыво- и пожароопасными.

Смеси, концентрации которых находятся ниже нижнего и выше верхнего пределов воспламенения, в замкнутых объемах гореть не способны и считаются безопасными. Однако смеси, концентрация которых находится выше верхнего предела воспламенения, при выходе из замкнутого объема воздуха способны гореть диффузионным пламенем, т. е. ведут себя как пары и газы, не смешанные с воздухом.

Концентрационные пределы воспламенения непостоянны и зависят от ряда факторов. Большое влияние на изменение пределов воспламенения оказывают мощность источника воспламенения, примесь инертных газов и паров, температура и давление горючей смеси.

Увеличение мощности источника воспламенения ведет к расширению области воспламенения (взрыва) с понижением нижнего предела и повышением верхнего предела воспламенения.

При введении негорючих газов в взрывчатую смесь происходит резкое уменьшение верхнего предела воспламенения и незначительное изменение нижнего. Область воспламенения сокращается и при определенной концентрации негорючих газов смесь перестает воспламеняться.

С повышением начальной температуры взрывчатой смеси промежуток воспламенения ее расширяется, при этом нижний предел уменьшается, а верхний увеличивается.

При уменьшении давления горючей смеси ниже нормального происходит уменьшение области воспламенения. При низком давлении смесь становится безопасной.

При нижнем пределе воспламенения смеси количество выделяемого тепла незначительно и поэтому давление при взрыве не превышает 0,30 ... 0,35 МПа. С увеличением концентрации горючего вещества растет давление взрыва. Оно для большинства смесей составляет 1,2 МПа.

При дальнейшем повышении концентрации горючего вещества давление взрыва снижается и на верхнем пределе воспламенения становится таким же, как и на нижнем.

Взрывоопасные свойства смесей паров с воздухом не отличаются от свойств смесей горючих газов с воздухом. Концентрация насыщенных паров жидкости находится в определенной взаимосвязи с ее температурой. Эти температуры называют температурными пределами воспламенения (взрываемости).

Верхним температурным пределом называется та наибольшая температура жидкости, при которой образуется смесь насыщенных паров с воздухом, еще способная воспламеняться, однако выше этой температуры образовавшиеся пары в смеси с воздухом в замкнутом объеме воспламеняться не могут.

Нижним температурным пределом называется та наименьшая температура жидкости, при которой образуется смесь насыщенных паров с воздухом, способная воспламеняться при поднесении к ней источника воспламенения. При более низкой температуре жидкости смесь паров с воздухом не способна воспламеняться.

Нижний температурный предел воспламенения жидкостей иначе называется температурой вспышки, которая принята за основу классификации жидкостей по степени их пожарной опасности. Так, жидкости, имеющие температуру вспышки до 45 °С, называют легковоспламеняющимися, а выше 45 °С - горючими.

На пищевых предприятиях многие технологические процессы сопровождаются выделением мелкодисперсной органической пыли (мучной, сахарной пудры, крахмальной и др.), которая при определенной концентрации образует взрывоопасную пылевоздушную смесь.

Пыль может находиться в двух состояниях: взвешенной в воздухе (аэрозоль) и осевшей на стенах, потолках, конструктивных частях оборудования и т. д. (аэрогель).

Аэрогель характеризуется температурой самовоспламенения, мало отличающейся от температуры самовоспламенения твердого вещества.

Температура самовоспламенения аэрозоля всегда значительно выше, чем у аэрогеля, и даже превышает температуру самовоспламенения паров и газов. Объясняется это тем, что концентрация горючего вещества в единице объема аэрозоля в сотни раз меньше, чем у аэрогеля, поэтому скорость выделения тепла может превышать скорость теплоотдачи только при значительно высокой температуре.

В табл. приведены температуры самовоспламенения аэрогеля и аэрозоля некоторых пылей.

Пыль

Температура самовоспламенения, °С

аэрогеля

аэрозоля

Мучная

245

660

Табачная

205

988

Чайная

220

925

Как и у газовых смесей, воспламенение и распространение пламени по всему объему аэрозоля возникают только в том случае, если его концентрация находится выше нижнего предела воспламенения.

Что касается верхних пределов воспламенения аэрозолей, то они настолько велики, что в большинстве случаев практически недостижимы. Например, концентрация верхнего предела воспламенения сахарной пыли равна 13500 г/м3.

Температура самовоспламенения горючих веществ разнообразна. У одних она превышает 500 °С, у других находится в пределах окружающей среды, которую в среднем можно принять 0 ... 50°С.

Например, желтый фосфор при температуре 15°С самонагревается и загорается. Вещества, способные самовоспламеняться без нагрева, представляют большую пожарную опасность и называются самовозгорающимися, а процесс самонагревания их до стадии горения определяют термином самовозгорание. Самовозгорающиеся вещества подразделяют на три группы:

вещества, самовозгорающиеся от воздействия на них воздуха (растительные масла, животные жиры, бурый и каменный угли, сульфиды железа, желтый фосфор и др.);

вещества, самовозгорающиеся от воздействия на них воды (калий, натрий, карбид кальция, карбиды щелочных металлов, фосфористые кальций и натрий, негашеная известь и др.);

вещества, самовозгорающиеся при смешивании друг с другом (ацетилен, водород, метан и этилен в смеси с хлором; перманганат калия, смешанный с глицерином или этиленгликолем; скипидар в хлоре и др.).

Большую взрыво- и пожароопасность на пищевых предприятиях представляет смесь органической пыли с воздухом.

По пожароопасности все пыли в зависимости от их свойств подразделяют на взрывоопасные в состоянии аэрозоля и пожароопасные в состоянии аэрогеля.

К первому классу по взрывоопасности относят пыли с нижним пределом воспламенения (взрываемости) до 15 г/м3. К этому классу относится пыль серы, канифоли, сахарной пудры и др.

Ко второму классу причисляют взрывоопасную пыль с нижним пределом воспламенения (взрываемости) 16 ... 65 г/м3. К этой группе относится пыль крахмала, муки, лигнина и др.

Пыли в состоянии аэрогеля по пожароопасности также делятся на два класса: первый класс - наиболее пожароопасные с температурой самовоспламенения до 250 °С (например, табачная пыль - 205 °С, зерновая - 250 °С); второй класс - пожароопасные с температурой самовоспламенения выше 250 °С (например, древесные опилки - 275 °С).

<<< Классы пожароопасности помещений
Регистрация и техническое освидетельствование оборудования, работающего под давлением >>>

Рейтинг:
  • Итоги рейтинга 2.83/5
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
2.8/5 (6 голосов)

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:

RSS
Комментарий:
Введите символы: *
captcha
Обновить