Пределы взрываемости

Пределы взрываемости (также пределы воспламенения, концентрационные пределы распространения пламени) — это диапазон концентраций горючего вещества (газа, пара или пыли) в смеси с окислителем (обычно кислородом воздуха), в котором возможно воспламенение смеси от источника зажигания с последующим распространением пламени по всему объёму. Выход за нижнюю или верхнюю границу этого диапазона делает смесь неспособной к взрыву (воспламенению) при данных условиях.

Физико-химическая сущность

Явление пределов взрываемости обусловлено балансом между выделением тепла при химической реакции горения и его отводом в окружающую среду. Для устойчивого распространения пламени необходимо, чтобы скорость тепловыделения превышала скорость теплопотерь. При слишком низкой концентрации горючего (ниже нижнего предела) избыток окислителя поглощает тепло, и реакция затухает. При слишком высокой концентрации (выше верхнего предела) недостаток окислителя не позволяет реакции развиться до взрывного режима.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР)

Нижний предел взрываемости (НПВ, LEL — Lower Explosive Limit) — минимальная концентрация горючего вещества в смеси, при которой возможно воспламенение. При концентрации ниже НКПР смесь считается «бедной» (недостаток топлива). Для большинства углеводородов в воздухе НКПР составляет от 0,5 до 5% объёмных.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПР)

Верхний предел взрываемости (ВПВ, UEL — Upper Explosive Limit) — максимальная концентрация горючего вещества, при которой возможно воспламенение. При концентрации выше ВКПР смесь считается «богатой» (избыток топлива, недостаток кислорода). Для углеводородов ВКПР обычно находится в диапазоне 10–15% объёмных.

Классификация и виды

По агрегатному состоянию горючего

• Газы и пары — наиболее изученный класс. Пределы определяются в объёмных процентах или граммах на кубический метр.
• Пыли (аэрозоли) — для горючих пылей (угольная, мучная, металлическая) существуют свои нижние пределы, обычно измеряемые в г/м³. Верхние пределы для пылей часто не определяются из-за сложности создания однородной смеси с высокой концентрацией.

По условиям распространения пламени

• Нормальные (стандартные) пределы — определяются при комнатной температуре (20°C) и атмосферном давлении (101,3 кПа) в неподвижной среде.
• Температурные пределы — диапазон температур, при которых насыщенные пары жидкости образуют концентрацию, равную пределам взрываемости. Используются для жидкостей.
• Пределы в замкнутом объёме — отличаются от открытого пространства из-за изменения давления и состава продуктов сгорания.

Факторы, влияющие на пределы взрываемости

Температура

Повышение температуры смеси расширяет диапазон взрываемости: НКПР снижается, ВКПР повышается. Это объясняется увеличением энергии активации молекул и скорости реакции. Для многих газов при повышении температуры на 100°C НКПР уменьшается на 8–10%.

Давление

Увеличение давления обычно расширяет пределы: НКПР снижается, ВКПР растёт. При понижении давления (например, в высокогорье) диапазон сужается. При давлении ниже определённого критического значения (для многих газов — ниже 50–100 мм рт. ст.) воспламенение становится невозможным.

Концентрация кислорода

Замена воздуха на чистый кислород или обогащение смеси кислородом резко расширяет пределы взрываемости. Например, для водорода в воздухе НКПР — 4%, ВКПР — 75%, а в кислороде — 4% и 94% соответственно. Снижение содержания кислорода (инертизация) сужает диапазон вплоть до полного исчезновения взрывоопасности.

Примеси и ингибиторы

Наличие инертных газов (азот, углекислый газ, аргон) сужает пределы, так как они разбавляют смесь и увеличивают теплопотери. Некоторые химические вещества (галогенсодержащие соединения, например, фреоны) могут действовать как ингибиторы горения, значительно повышая НКПР.

Геометрия сосуда и источник зажигания

В малых объёмах (менее 1–2 литров) пределы сужаются из-за повышенных теплопотерь через стенки. Мощность источника зажигания также влияет: слабая искра может не воспламенить смесь даже в пределах взрываемости, а мощный источник (например, пламя) может воспламенить смесь за пределами стандартных границ.

Методы определения

Определение пределов взрываемости регламентируется стандартами (в России — ГОСТ 12.1.044-89, в международной практике — ASTM E681, ISO 10156). Основные методы:

• Трубный метод — смесь заданного состава помещается в вертикальную стеклянную трубу (обычно длиной 1,2–1,5 м, диаметром 50–80 мм), после чего подаётся искра. Критерий — распространение пламени на всю длину трубы.
• Сферический метод — смесь в герметичном сосуде сферической формы поджигается в центре. Измеряется максимальное давление взрыва.
• Расчётные методы — для смесей известного состава пределы могут быть вычислены по правилу Ле-Шателье (для смесей газов) или по эмпирическим формулам, связывающим пределы с теплотой сгорания и стехиометрическим составом.

Примеры для распространённых веществ

Практическое значение

Промышленная безопасность

Знание пределов взрываемости является основой для обеспечения взрывопожаробезопасности на предприятиях нефтегазовой, химической, угольной, пищевой и других отраслей. На их основе:

• Устанавливаются допустимые концентрации горючих веществ в воздухе рабочей зоны (обычно не более 20–50% от НКПР).
• Проектируются системы вентиляции и газоанализаторы.
• Рассчитываются объёмы взрывоопасных зон и категории помещений по взрывопожарной опасности.

Транспортировка и хранение

При перевозке сжиженных газов и легковоспламеняющихся жидкостей необходимо поддерживать состав паровоздушной смеси вне пределов взрываемости. Для этого применяются азотные подушки (инертизация) и системы контроля.

Двигатели внутреннего сгорания

В бензиновых двигателях состав топливовоздушной смеси должен находиться в пределах воспламенения (обычно от 0,6 до 1,6 от стехиометрического соотношения). В дизельных двигателях воспламенение происходит за счёт сжатия, и пределы взрываемости играют роль при определении условий самовоспламенения.

Бытовые условия

Утечка бытового газа (метана или пропан-бутана) создаёт взрывоопасную ситуацию при достижении концентрации 4–5% объёмных. Газоанализаторы в домах настраиваются на срабатывание при 10–20% от НКПР.

Критика и ограничения понятия

Понятие «пределы взрываемости» имеет ряд условностей:

• Зависимость от условий — стандартные значения даны для идеализированных условий (20°C, 1 атм, неподвижная среда). В реальных производственных условиях (повышенная температура, турбулентность, наличие примесей) фактические пределы могут существенно отличаться.
• Неоднозначность для пылей — для пылевоздушных смесей определение верхнего предела часто невозможно из-за седиментации частиц. Кроме того, пыли могут взрываться при концентрациях, значительно превышающих НКПР, если облако неоднородно.
• Влияние масштаба — в больших объёмах (например, в резервуарах или цехах) пределы могут быть шире, чем в лабораторных трубах, из-за меньших теплопотерь.
• Температурные пределы — для жидкостей более практичным является понятие температурных пределов взрываемости, которые зависят от давления насыщенных паров.

Источники

1. ГОСТ 12.1.044-89 «Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения».
2. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности (утв. Ростехнадзором).
3. Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
4. Баратов А. Н., Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. — М.: Химия, 1990.
5. Lewis B., von Elbe G. Combustion, Flames and Explosions of Gases. — 3rd ed. — Academic Press, 1987.