Российский государственный социальный университет
Кафедра охраны труда
Самостоятельная работа

по дисциплине «Теория горения и взрыва»
Оценка показателей взрывопожароопасности

горючих веществ
Работу выполнил:

                студент гр.
Проверил
Дата сдачи работы
Москва-2009
Содержание
Введение                                                                                                     
Раздел 1.Формирование исходных данных                                              3        
Раздел 2.Теоретические материалы                                                       8   
Раздел 3. Расчет показателей взрывопожароопасности                   10

 горючего вещества
Заключение                                                                                               16
Список литературы                                                                              17
Введение

В большинстве случаев техногенные аварии связаны с неконтролируемым, самопроизвольным выходом в окружающее пространство вещества и/или энергии. Самопроизвольное высвобождение энергии приводит к промышленным взрывам, а вещества — к взрывам, пожарам и химическому загрязнению окружающей среды.Поэтому тема работы имеет актуальность в современных условиях развития жизни
Промышленные взрывы

Взрыв — процесс быстрого неуправляемого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу. Механическая работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров независимо от того, существовали ли они до взрыва или образовались во время взрыва. В основе взрывного процесса могут лежать как физические (разрушение сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью), так и химические превращения (детонация конденсированного взрывчатого вещества, быстрое сгорание газового облака). Самым существенным признаком взрыва является резкий скачёк давления в среде, обусловливающий образование ударной волны, распространяющейся на некоторое расстояние от места взрыва. Избыточное давление в её фронте и осколочные поля, создаваемые летящими обломками и осколками взрывающихся объектов являются основными поражающими факторами взрыва. Осколочные поля характеризуются количеством летящих осколков, их кинетической энергией и радиусом разлёта.

При химических взрывах взрывчатые вещества могут быть твердыми, жидкими, газообразными, а также аэровзвесями горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде (часто в воздухе). Твердые и жидкие взрывчатые вещества в большинстве случаев относятся к классу конденсированных взрывчатых веществ (ВВ). При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением тепловой энергии. Газообразные взрывчатые вещества представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислителями—воздухом, кислородом, хлором и др. Взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелкодисперсных частиц горючих жидкостей (туманов) или твердых веществ (пылей) в окислительной среде, чаще всего в воздухе.

Физический взрывчаще всего связан с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов из замкнутых объемов машин и аппаратов. Сила взрыва сжатого или сжиженного газа зависит от внутреннего давления, а разрушения вызываются ударной волной от расширяющегося газа (пара) и осколками разорвавшегося резервуара.

Параметрами, определяющими мощность взрыва, являются энергия взрыва и скорость ее выделения. Энергия взрыва определяется физико-химическими превращениями, протекающими при различных типах взрывов. Для парогазовых сред энергию взрыва определяют по теплоте сгорания горючих веществ в смеси с воздухом; конденсированных ВВ — по теплоте, выделяющейся при их детонации (реакции разложения); при физических взрывах систем со сжатыми газами и перегретыми жидкостями - по энергии адиабатического расширения парогазовых сред и перегрева жидкости.

В производственных условиях возможны следующие основные виды взрывов: свободный воздушный, наземный, взрыв в непосредственной близости от объекта, а также взрыв внутри объекта (производственного сооружения).

При подходе ударной волны к преграде она отражается и происходит торможение масс движущегося воздуха, что приводит к повышению избыточного давления в 2...8 раз.

После начального взаимодействия с преградой (препятствием) ударная волна начинает его обтекать и под действие давления уже попадают боковые и тыльные поверхности преграды. Она как бы оказывается в сжатом состоянии со всех сторон, однако наибольшее давление оказывается на фронтальную часть препятствия. Категорирование технологических объектов по взрывоопасности производится по значениям показателей Qв и W. Относительный энергетический потенциал взрывоопасности технологического блока (оборудования) Qв = (16,534)-1 ´Е1/3

Энергетический эквивалент взрыва тротила W= Е/4520 кг, где Е — полная энергия взрыва.

По этим показателям технологические объекты подразделяются на три категории:

Категория взрывоопасности           Qв          W, кг

I                                                        > 37         > 5000
II                                                    27…37 2000…5000
III                                                     < 27       < 2000
В зависимости от категории взрывоопасности действующими нормами устанавливаются определенные ограничения и назначаются мероприятия для обеспечения взрывобезопасности.

Взрыв внутри объекта характеризуется тем, что нагрузка воздействует на объект изнутри. При взрыве смеси внутри объекта, заполненного частично, на последствия взрыва будет влиять местоположение взрывоопасного облака. В общем случае последствия (см. НПБ 105— 95) взрывов внутри помещения во многом будут определяться максимально возможным избыточным давлением взрыва.

При оценке разрушительного действия взрыва газового облака в открытом пространстве определяющим будет скоростной напор во фронте пламени. Для пламени предельных углеводородов скоростной напор в открытом пространстве может достигать 26 кПа. ( 1 атм. =98 кПа = 1 кгс/см в кв.)
По данным Ростехнадзора, с начала 2008 года на опасных производственных объектах страны произошло 162 аварии.
Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору отмечает значительное снижение числа аварий по сравнению с таким же периодом 2007 года, когда произошло 205 аварий.
Наибольшее число аварий (35) Ростехнадзор зарегистрировал при эксплуатации организациями подъемных механизмов, 34 аварии отмечено на объектах газоснабжения, 33 аварии произошло на объектах нефтегазодобычи и при эксплуатации магистрального трубопроводного транспорта. За 11 месяцев 2008 года 13 аварий произошло в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, 12- в угольной отрасли, 10 – в химической, 7 – в горнорудной промышленности, по 4 аварии в металлургической промышленности и на объектах хранения и переработки растительного сырья.

За 11 месяцев 2008 года на опасных производственных объектах в результате несчастных случаев погибли 414 человек (в 2007 году – 651).
 CO(угарный газ)

 является одним из исходных соединений в органическом синтезе, используется как восстановитель в металлургии, производстве карбонилов, ароматических альдегидов, формамида, гексагидроксибензола, хлорида алюминия, метанола, синтетического бензина, синтола.
Уголь используется для сжигания в топках промышленных, бытовых тепловых установок, переработка его в целях получения твердых, жидких и газообразных очищенных энергетических ресурсов, продукции для химической и медицинской промышленности;
Этиловый спирт используется как пищевой продукт и как сырье для приготовления водок, ликероналивочных изделий, крепленых вин, а также в ряде отраслей промышленности.

Этиловый спирт для технических потребностей денатурируют. Этиловый спирт применяют в производстве синтетического каучука, ацетальдегида, хлороформа, красителей и других органических продуктов, как растворитель, антифриз, компонент реактивного топлива и т. п. Значительная часть этилового спирта идет на изготовление спиртных напитков. Этиловый спирт - наркотик, действует возбуждающе на организм.

Требования к зданиям для размещения взрывоопасных производств (согласно 3)


1.Опасные производлственные объеты  должны размещаться за границами поселений и городских округов, а если это невозможно или нецелесообразно, то должны быть разработаны меры по защите людей, зданий, сооружений и строений, находящихся за пределами территории.

2. Комплексы сжиженных природных газов должны располагаться с подветренной стороны от населенных пунктов. Склады сжиженных углеводородных газов и легковоспламеняющихся жидкостей должны располагаться вне жилой зоны населенных пунктов с подветренной стороны преобладающего направления ветра по отношению к жилым районам

3. Сооружения складов сжиженных углеводородных газов и легковоспламеняющихся жидкостей должны располагаться на земельных участках, имеющих более низкие уровни по сравнению с отметками территорий соседних населенных пунктов, организаций и путей, железных дорог общей сети.

4. В пределах зон жилых застроек, общественно-деловых зон и зон рекреационного назначения поселений и городских округов допускается размещать производственные объекты, на территориях которых нет зданий, сооружений и строений категорий А, Б и В по взрывопожарной и пожарной опасности.

Раздел 1.Формирование исходных данных
Температура воздуха в помещении составляет 25 .

Горючие вещества:

а) Оксид углерода(угарный газ)

        Химическая формула СО.Молекулярная масса 28,01.Газ без цвета и запаха. Связь в молекуле СО тройная, длина связи 0,113 HM, энергия диссоциации 1071,78 кДж/моль, Температура  плавления -205,02   температура кипения -191,50; t_крит -140,2 ;Твердый СО кристаллизуется в кубической  решетке (а = 0,563 HM, z = 4, пространств. группа Р213); ниже -211,59 0C существует гексаген, модификация, DH перехода 631,6 Дж/моль. Растворимость в воде при 0,1 МПа, мл в 100 мл: 3,3 (0 0C), 2,32 (20 0C). Растворимость в этаноле (20,4 мл в 100 мл при 0,25 0C, 0,1 МПа), бензоле, CH2Cl2, соляной и уксусной к-тах. Угарный  газ- сильный восстановитель. Восстановление оксидов металлов до металлов с помощью СО имеет большое значение в металлургии.Оксид - высококалорийное топливо, одно из основных исходных вещест в органическом синтезе (при получении спиртов, альдегидов, кето-нов, углеводородов, карбоновых кислот и др.), восстановитель в металлургии (напр., при выплавке чугуна и стали).

        Расчет теплофизических параметров СО

Удельная газовая постоянная Дж/кг*К

Молярная масса кг/моль

Плотность кг/м³

Удельный объем  м³/кг

Изобарная теплоемкость  Дж/моль*К

Изохорная теплоемкость  Дж/моль*К

Показатель адиабаты

Реакция горения:

2СО+О₂→2СО₂+3Н₂О+1370КДж
б) Уголь

Удельный вес каменного угля 1,2 – 1,5 г/см3 ,теплота сгорания 35000 кДж/кг. Каменный уголь считается пригодным для технологического использования, если после сгорания зола составляет 30% или менее. Каменный уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения. Он представляет собой плотную породу черного, иногда темно-серого цвета с блестящей матовой поверхностью. Содержит 75-97% углерода, 1,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода, 0,5-4% серы, до 1,5% азота, 2-45% летучих веществ, количество влаги колеблется от 4 до 14%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля не менее 238МДж/кг.

Реакция горения:

С+О₂→СО₂
в) Этиловый спирт - этанол, винный спирт, C2H5OH - важнейший представитель одноатомных насыщенных спиртов общей формулы CnH2n+1OH. Бесцветная жидкость с характерным запахом, t кип = 78.39 С, t пл = 114.15 C;; смешивается во всех соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензолом, и др.; огнеопасный. Этиловый спирт с водой образует азеотропную (нераздельнокипящую) смесь (95.5 % этиловый спирт и 4.5 % вода) с t кип = 78.15 C. С металлическим натрием спирт образует алкоголят, при окислении превращается в ацетальдегид, при дегидратации из него (в зависимости от условий) получают этилен или диэтиловый эфир.

        Расчет теплофизических параметров С₂Н₅ОН
Молярная масса   кг/моль

Плотность кг/м³

Удельный объем  м³/кг

Изобарная теплоемкость  Дж/моль*К

Изохорная теплоемкость  Дж/моль*К

Показатель адиабаты

С₂Н₅ОН+3О₂→2СО₂+3Н₂О+1370КДж
Теплофизические свойства воздуха

воздух состоит приблизительно из 4 объемов азота (молярная масса 28 г/моль) и 1 объема кислорода (молярная масса 32 кг /моль), т.е. 4N2+O2. Тогда:

(4•28+1•32).(4+1)=28,8кг/моль (округленно 29 кг /моль).

Плотность кг/м³

Удельный объем  м³/кг

Изобарная теплоемкость  Дж/моль*К

Изохорная теплоемкость  Дж/моль*К

Показатель адиабаты

Раздел 2.Теоретические сведения

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Норма́льные усло́вия — стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ (при нормальных условиях, при н. у., англ. Атмосферное давление 101325 Па = 760 мм рт. ст..

Температура воздуха 273,15 K = 0° C.

Закон Авогадро- «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и тоже число молекул»

1следствие - Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём. В частности, при нормальных условиях, т.е. при 0° С (273К) и 101,3 кПа, объём 1 моля газа, равен 22,4 л. 2следствие - молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа по второму.

Уравне́ние состоя́ния — уравнение, связывающее между собой термодинамические (макроскопические) параметры системы, такие, как температура, давление, объём, химический потенциал и др. Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ могут быть крайне сложными.

pV = nRT, R — универсальная газовая постоянная, общая для всех газов,

— число, пропорциональное числу молекул или атомов газа (так называемое число молей газа
Различают высшую и низшую теплотворные способности. Высшая теплотворная способность – количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода, входящего в состав топлива.
Низшая теплотворная способность – количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива без конденсации водяного пара.
Для расчета высшей (Qв) и низшей (Qн) теплотворных способностей (теплот сгорания) используются формулы, предложенные Д.И. Менделеевым:
Qв= 339,1C + 1030H – 108,9 (O-S) (в кДж/кг)
Qв= 8100C + 30 000H + 2600 (S-O) (в ккал/кг)
Qн= 339,1C + 1030H – 108,9 (O-S) – 16,75W (в кДж/кг)
Qн= 8100C + 30 000H + 2600 (S-O) – 600 (9Н + W) (в ккал/кг),
Она содержит основные характеристики поведения газов: p, V и T — соответственно давление, объем и абсолютная температура газа (в градусах Кельвина), R — универсальная газовая постоянная, общая для всех газов, а n — число, пропорциональное числу молекул или атомов газа (так называемое число молей газа

ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ — совокупность свойств веществ (материалов), характеризующих их способность к возникновению и распространению горения. Различают по агрегатному состоянию:
газы — вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°C и давлении 101,3 кПа превышает 101,3 кПа;
жидкости — вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°C и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа; к жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50°C;
твердые вещества (материалы) — индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (напр., древесина, ткани и т. п.);
пыли — диспергированные твердые вещества (материалы) с размером частиц менее 850 мкм.
Номенклатура показателей и их применяемость для характеристики пожаровзрывоопасности веществ и материалов приведены в таблице. Допускается использовать и др. показатели.уры самовоспламенения по средней длине углеродной цепи

Показатели пожаровзрывоопасности можно разделить на 2 группы:
показатели, относящиеся к возникновению горения, — горючесть, минимальная энергия зажигания, температура вспышки, температура воспламенения, температура самовоспламенения, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, температура тления и др.;
показатели, относящиеся к распространению горения, — кислородный индекс, нормальная скорость распространения пламени, скорость выгорания, индекс распространения пламени, максимальное давление взрыва, скорость нарастания давления взрыва.
Раздел 3. Расчет показателей взрывопожароопасности  горючего вещества
1.Температура самовоспламенения рассчитывается по формуле
 ,                при

 - условная средняя длина молекулы соединения
,

где  - число цепей в молекуле соединения



m – число концевых групп в молекуле

Длину цепи молекулы  рассчитывают по формуле



 - эквивалентная длина функциональной группы или цикла, входящего  в j-ю цепь
вычисляется по формуле:


где  - общее число атомов углерода в молекуле

- общее число функциональных групп,циклов и локализованных кратных связей углерод-углерод в молекуле

a,b – табличные коэффициенты(табл 2,[1])
2.Температура самовоспламенения спирта рассчитывается по формуле
,

где a,b – табличные коэффициенты (табл 3,[1])

 - температура самовоспламенения алкана

3. Температура самовоспламенения угля рассчитывается по формуле



 - эмпирический коэффициент (табл. 4.6,[2])
СО                  









Уголь С




Этиловый спирт

2.Расчет температуры вспышки  

    2.1 Расчет температуры вспышки  в закрытом тигле

          Температура вспышки жидкостей рассчитывается по формуле:

              ,

  - размерный коэффициент, равный минус 73,14

  - безразмерный коэффициент, равный 0,659

 - температура кипения исследуемой жидкости,

 - эмпирический коэффициент(табл. 4,[1])

 - количество связей вида j  в молекуле исследуемой жидкости

СО    



Температура вспышки спиртов вычисляется по формуле:


где a,b – эмпирические  коэффициенты (табл 5,[1])

Этиловый спирт



2.1 Расчет температуры вспышки  в открытом тигле


  - размерный коэффициент, равный минус 73

  - безразмерный коэффициент, равный 0,409

 - эмпирический коэффициент (табл. 6,[1])

СО    



Этиловый спирт


3.Расчет температуры воспламенения жидкостей
          Температура воспламенения  жидкостей рассчитывается по формуле

  - размерный коэффициент, равный минус 47,78

  - безразмерный коэффициент, равный 0,882

 - эмпирический коэффициент (табл. 7,[1])

СО    


          Температура воспламенения  спирта  рассчитывается по формуле


К – эмпирический коэффициент равный 6*10^-4 для спиртов           


4.Расчет концентрационных пределов распространения пламени
  4.1 Расчет концентрационных пределов распространения пламени для начальной температуры  25⁰С
Нижний предел распространения пламени в %



или по формуле


где  - эмпирический параметр теплоты образования вещества,

моль*КДж^-1

 - стандартная теплота образования вещества в газообразном состоянии при 25⁰С, КДж* моль^-1

,, - коэффициенты, характеризующие вклад j-х атомов (С,N,O,H,Cl),r  и s-x структурных групп,влияющих на ниэний предел;

,, - число атомов j-го элемента, r и s-x структурных групп в молекуле вещества

l,p,q – число химических элементов и типов структурных групп в молекуле вещества

значения ,, в (табл. 8,[1])

значения  в (табл. 9,[1])

СО
%

 

Этиловый спирт

%об
Верхний  предел распространения пламени в %об. вычисляют в зависимости от величины стехиометрического коэффициента (β) по формуле:
 при β≤8

, - коэффициенты,учитывающие химическое строение вещества(табл. 10,11,[1])

 - число связей j-го элемента

СО

%об
Этиловый спирт

%об

5.Расчет температурных  пределов распространения пламени
 

Нижний или верхний температурный пределы рассчитываются по формуле

  - размерный коэффициент, равный минус 62,46для нижнего и минус 41,43 для верхнего пределов
  - безразмерный коэффициент, равный 0,655 для нижнего и 0,723 для верхнего предела

 - эмпирический коэффициент (табл.15,[1])

 СО

     Нижний температурный предел



    Верхний температурный предел



Этиловый спирт

     Нижний температурный предел



       Верхний температурный предел



6.Расчет минимальной флегматизирующей концентрации азота
,%об

, -концентрации флегматизатора и горючего в экстремальной точке области распространения пламени






 - для N равно 34,9 КДж* моль^-1

СО








Этиловый спирт



%

%

%

7.Расчет минимального взрывоопасного содержания кислорода (МВСК)   
МВСК=(100---)0,20642

СО

МВСК=(100—-)0,20642=6,13%

Этиловый спирт

МВСК=(100—-)0,20642=12,21%
Заключение
В ходе работы вычислены показатели взрывопожароопасности оксида углерода(температура самовоспламенения ,температура вспышки,температура воспламенения ,нижний и верхний концентрационные пределы% об, % об, нижний и верхний температурные пределы ,, МВСК=6,13%

Этилового спирта (температура самовоспламенения температура вспышки,% об, % об; ,,минимальную флегматизирующая концентрация азота %, МВСК=12,21%.Для угля температура самовоспламенения .

Данные расчетные данные взрывопожаробезоопасности соответствуют теоретическим с учетом погрешности формул.
Список литературы
1. Акатьев В.А., Крылов В.Ф. Оценка показателей взрывопожароопасности горючих веществ / Учебное пособие. – М.: РГСУ, 2008. – 36 с.
2.А.Я Корольченко,Д.А Корольченко. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения.Справочник:в 2-х частях.-2-изд.перераб и доп.- М.:Асс. «Пожнаука»»2004.г-Ч.1 -713с,Ч2-774с
3. Баратов А. Н., Пчелинцев В. А. Пожарная безопасность/ Учебное пособие. – М.:

АСВ, 1997. – 176 с.

4 Гельфанд Б.Е., Сильников М. В. Химические и физические взрывы. Параметры и

контроль. - С.-Петербург: ООО "Издательство "Полигон"