Теория горения газовых смесей

3.4. Факторы, влияющие на концентрационные пределы распространения пламени
При определении по­жарной опасности технологических процессов необходи­мо учитывать изменение пределов воспламенения смеси от различных факторов. Например, в сушилках, где имеются пары ГЖ и ЛВЖ, 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.
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 концентрационных 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.

Рассмотрим, как связаны пределы воспламенения с основными факторами: присутствием флегматизаторов, мощностью источника зажига­ния, концентрацией кислорода, турбулентностью, примесью горючих паров и газов, температурой смеси, давлением смеси, объемом и диа­метром сосуда и др.

1. Концентрация флегматизаторов (см. рис. 3.7). С увеличением концентрации негорючих газов (СО₂, Аr, N₂) области воспламенения сужаются, пожарная опасность уменьшается. Разные флегматизаторы в зависимости от их теплоемкости не одинаково влияют на КПРП.

Флегматизаторы по-разному изменяют НКПРП и ВКПРП, так как на НКПР_П смесь сильно разбавлена воздухом, на ВКПР_П содержание кислорода определяет свойства смеси.
Существует показатель ПВО – минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора (МФКФ) – та наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя.

Рис. 3.7. Влияние природы флегматизаторов на процесс горения

2. Мощность ИЗ. Как отмечалось ранее, ИЗ – это средство энергетического воздействия, инициирующее горение. Источником зажигания может служить: а) тепловое проявление механической энергии; б) тепловое проявление химической реакции; в) тепловое проявление электроэнергии; г) тепловое проявление лучистой энергии (открытый огонь); д) внезапное адиабатическое сжатие, ударная волна. С уменьшением мощности ИЗ КПРП сужаются, пожарная опасность вещества  уменьшается. Для каждой горючей смеси существует предельная мощность источника зажигания, начиная с которой смесь может воспламеняться. Существует показатель ПВО – минимальная энергия зажигания (МЭЗ, W^мин_и.з) – наименьшая энергия электрического разряда, способная воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь горючего вещества и воздуха. Знание минимальной мощности источника зажигания имеет большое значение, например, слаботочные электрические сети W_безоп = 0,4 W^мин_и.з используются в гаражах, котельных, при напряжение 7-12 В электрических сетей. С увеличением МЭЗ КПРП сужаются, ПВО вещества уменьшаются, это используется при обеспечении безопасности.

3. Концентрация кислорода. С уменьшением концентрации кислорода КПР_П сужаются, пожарная опасность уменьшается, предельное значение концентрации кислорода, при которой горение не распространяется, обычно составляет 12-14 %. Существует показатель ПВО – минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) – такая концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, при недостижении которой распространение пламени в смеси становится невозможным при любой концентрации горючего в смеси, разбавленной данным флегматизатором.
4. Турбулентность. С ее увеличением, что характеризуется скоростью движения газового потока, при постоянной энергии ИЗ, КПР_П сужаются, ПО вещества  уменьшается (см. рис. 3.8). Причина: увеличение теплоотвода.
5. Температура смеси. С ее уменьшением скорость химической реакции уменьшается, следовательно, область воспламенения сужается. Особенно сильно это заметно на предельных концентрациях.
6. Давление. Горючие смеси различных веществ при повышении давления ведут себя неодинаково, что объясняется физико-химическими свойствами горючей смеси. Для каждой газовой смеси существует минимальное давление, ниже которого при любом составе смеси зажигание невозможно, и нижний и верхний пределы сближаются и затем совпадают. Особенно изменяются ВКПРП.

Рис. 3.8. Влияние турбулентности на КПРП

7. Объем и диаметр сосуда. При уменьшении объема и диаметра сосуда увеличивается площадь теплоотдачи на единицу объема. Существует минимальный объем и диаметр сосуда, меньше которых распространение пламени не происходит. Например, согласно ГОСТ 12.1.044-89, НКПРП и ВКПРП не могут быть использованы в трубах диаметром меньше 50 мм.

В связи с непостоянством значений КПРП (из-за наличия факторов, влияющих на КПРП), вводится понятие предельно допустимой взрывобезопасной концентрации.
Предельно допустимая взрывобезопасная концентрация (ПДВК) – максимальная концентрация горючего в воздухе, при которой еще обеспечивается пожарная безопасность (еще не происходит взрыв).
ПДВК рассчитывается по значению НКПР_П с использованием коэффициента безопасности.
ПДВК = К_б×_н, [%], (3.7)
где К_б – коэффициент безопасности, определяется нормативными документами.
Согласно ГОСТ 12.1.044-89, СНиП «Газоснабжение» К_б = 0,4 (в отраслевых нормах К_б может быть более жестким).
В учебных целях будем использовать значения К_б, приведенные в задачнике Г.М. Кремповича:
К_б = 0,1 для производственных зданий,
К_б = 0,5 для аппаратов,
К_б = 0,05 для помещений и аппаратов, в которых будут вестись ремонтные работы с источником зажигания.