(162) Теоретические и экспериментальные исследования процесса сгорания газа в негерметичном сосуде позволили установить аналог принципа Ле Шателье-Брауна: газодинамика горения газа в негерметичном сосуде реагирует на внешнее изменение условий протекания процесса в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Так, увеличение с целью снизить давление взрыва площади разгерметизации 
в 10 раз в сосуде объемом порядка 10 м
сопровождается увеличением фактора турбулизации 
в 2 раза. Физическое объяснение наблюдаемого явления достаточно простое: с увеличением площади разгерметизации возрастает возмущающее воздействие на фронт пламени.
в 10 раз в сосуде объемом порядка 10 м сопровождается увеличением фактора турбулизации в 2 раза. Физическое объяснение наблюдаемого явления достаточно простое: с увеличением площади разгерметизации возрастает возмущающее воздействие на фронт пламени. Избыточное давление взрыва коррелирует согласно критериальному соотношению (162) с отношением 
, а не просто . Уменьшение размера ячейки турбулизирующей решетки, приводящее к возрастанию фактора турбулизации в 1,75 раза (с 8 до 14), сопровождается существенно меньшим увеличением отношения 
- лишь в 1,11 раза. Сказанное необходимо учитывать при значениях фактора турбулизации 
.
, а не просто . Уменьшение размера ячейки турбулизирующей решетки, приводящее к возрастанию фактора турбулизации в 1,75 раза (с 8 до 14), сопровождается существенно меньшим увеличением отношения - лишь в 1,11 раза. Сказанное необходимо учитывать при значениях фактора турбулизации . 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
5.1. Нормальная скорость характеризует реакционную способность горючих газовых смесей при фронтальных режимах горения. Наиболее перспективным является экспериментально-расчетный метод оптимизации, позволяющий определять нормальную скорость в бомбе постоянного объема в широком диапазоне температур и давлений. Метод изложен в ГОСТ 12.1.044.
Входящее в критериальные соотношения (158) и (159) в составе комплекса 
значение нормальной скорости распространения пламени 
при давлении и температуре, соответствующих началу развития взрыва, может быть определено экспериментально на аттестованном оборудовании или взято из научно-технической литературы, прошедшей оценку достоверности приведенных в ней данных. Если данные о нормальной скорости при характерных для технологического процесса давлении 
и температуре 
отсутствуют, то в ограниченном диапазоне экстраполяции можно воспользоваться для оценки формулой
значение нормальной скорости распространения пламени при давлении и температуре, соответствующих началу развития взрыва, может быть определено экспериментально на аттестованном оборудовании или взято из научно-технической литературы, прошедшей оценку достоверности приведенных в ней данных. Если данные о нормальной скорости при характерных для технологического процесса давлении и температуре отсутствуют, то в ограниченном диапазоне экстраполяции можно воспользоваться для оценки формулой 
, (163) где 
- известное значение нормальной скорости при давлении 
и температуре 
;
- известное значение нормальной скорости при давлении и температуре ; 
и 
- соответственно барический и температурный показатели. В диапазоне давлений 0,04
1,00 МПа и температур 293
500 К для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропанола и бензола с воздухом значение барического показателя с ростом давления и температуры свежей смеси увеличивается и лежит в интервале -0,5 0,2, а значение температурного показателя уменьшается и находится в диапазоне 3,1 0,6. При значениях давления и температуры, близких к атмосферным, значения барического и температурного показателей для горючих газопаровоздушных смесей могут быть приняты в первом приближении соответственно 
= -0,5 и =2,0.
1,00 МПа и температур 293 500 К для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропанола и бензола с воздухом значение барического показателя с ростом давления и температуры свежей смеси увеличивается и лежит в интервале -0,5 0,2, а значение температурного показателя уменьшается и находится в диапазоне 3,1 0,6. При значениях давления и температуры, близких к атмосферным, значения барического и температурного показателей для горючих газопаровоздушных смесей могут быть приняты в первом приближении соответственно = -0,5 и =2,0. 5.2. Термодинамические параметры 
, 
, 
определяют путем термодинамического расчета, например на компьютерах, по известным методикам.
, , определяют путем термодинамического расчета, например на компьютерах, по известным методикам. Значение коэффициента расширения по определению
, где 
и 
- соответственно температура и молекулярная масса продуктов сгорания горючей смеси при начальных давлении и температуре. Молекулярную массу смеси идеальных газов определяют по формуле
и - соответственно температура и молекулярная масса продуктов сгорания горючей смеси при начальных давлении и температуре. Молекулярную массу смеси идеальных газов определяют по формуле 
, (164) где 
и 
- соответственно молекулярная масса и молярная доля 
-го компонента смеси.
и - соответственно молекулярная масса и молярная доля -го компонента смеси. Значения коэффициента расширения могут быть также определены из приближенного уравнения
. (165) В табл.19 приведены рассчитанные на компьютере значения термодинамических параметров для некоторых стехиометрических газопаровых смесей в предположении, что продукты сгорания состоят из следующих 19 компонентов в газовой фазе: H
, H O, CO , N , Ar, C, H, O, N, CO, CH
, HCN, O , O
, ОH, NO, NO , NH , HNO . Стехиометрическую концентрацию горючего 
в воздухе средней влажности определяли по известной формуле
, H O, CO , N , Ar, C, H, O, N, CO, CH , HCN, O , O , ОH, NO, NO , NH , HNO . Стехиометрическую концентрацию горючего в воздухе средней влажности определяли по известной формуле 
, (166) где 
- стехиометрический коэффициент, равный количеству молекул кислорода, необходимых для сгорания молекулы горючего.
- стехиометрический коэффициент, равный количеству молекул кислорода, необходимых для сгорания молекулы горючего. Таблица 19 Результаты расчета значений 
, , 
, 
и экспериментальные значения нормальной скорости 
для некоторых стехиометрических газопаровых смесей при начальном давлении 0,1 МПа и температуре 298,15 К
, , , и экспериментальные значения нормальной скорости для некоторых стехиометрических газопаровых смесей при начальном давлении 0,1 МПа и температуре 298,15 К Горючее | Формула |  , % об. |  |  |  | |  , м·с |
| Метан | CH  | 9,355 | 8,71 | 1,25 | 7,44 | 2204 | 0,305 |
| Пропан | C  H | 3,964 | 9,23 | 1,25 | 7,90 | 2245 | 0,32 |
| н-Гексан | С  H | 2,126 | 9,38 | 1,25 | 8,03 | 2252 | 0,29 |
| н-Гептан | C  H | 1,842 | 9,40 | 1,25 | 8,05 | 2253 | 0,295 |
| Ацетон | C H O | 4,907 | 9,28 | 1,25 | 7,96 | 2242 | 0,315 |
| Изопропанол | C H O | 4,386 | 9,34 | 1,24 | 8,00 | 2220 | 0,295 |
| Бензол | C H | 2,679 | 9,30 | 1,25 | 7,99 | 2321 | 0,36 |
Для многокомпонентных смесей и смесей, проведение расчетов по которым по тем или иным причинам вызывает трудности, определение максимального относительного давления взрыва , а следовательно, и коэффициента расширения по формуле (165) проводят по соответствующей методике ГОСТ 12.1.044.
, а следовательно, и коэффициента расширения по формуле (165) проводят по соответствующей методике ГОСТ 12.1.044. 6. ВЛИЯНИЕ СБРОСНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
6.1. Сбросные трубопроводы используются для отвода продуктов горения в безопасное место, например в приемную буферную емкость или за территорию цеха, что позволяет существенно снизить вероятность возникновения внутри производственных помещений вторичных пожаров и взрывов, ущерб от которых значительно выше, чем потери от первичных взрывов.
6.2. Наличие сбросного трубопровода может приводить к значительному (на порядок) увеличению избыточного давления взрыва в сравнении со случаем разгерметизации аппарата непосредственно в атмосферу. Характерное значение фактора турбулизации при использовании сбросного трубопровода с диаметром, равным диаметру предохранительной мембраны, и без орошения истекающих газов хладагентом 
=4 вне зависимости от объема защищаемого полого оборудования с нетурбулизованной смесью.
=4 вне зависимости от объема защищаемого полого оборудования с нетурбулизованной смесью. Прочностные характеристики сбросного трубопровода должны быть не ниже соответствующих характеристик защищаемого аппарата.
6.3. При проектировании систем сброса газообразных продуктов в случае взрыва газопаровых смесей внутри технологического оборудования необходимо принимать во внимание возможность интенсивного догорания эвакуируемой смеси в сбросном трубопроводе, являющегося причиной турбулизации горения внутри защищаемого объема.
Наилучший способ ликвидировать эффект увеличения давления взрыва при наличии в системе противовзрывной защиты технологического оборудования методом разгерметизации сбросного трубопровода - подача хладагента с интенсивностью (0,1 0,5) 10
м
·м
·с
в поперечное сечение трубопровода непосредственно за мембраной до ее срабатывания или одновременно с ним. При наличии орошения в трубопроводе и использовании приемной емкости, находящейся под разрежением, длина трубопровода (по результатам экспериментов - до 30 м) не оказывает заметного влияния на максимальное давление взрыва.
0,5) 10 м ·м ·с в поперечное сечение трубопровода непосредственно за мембраной до ее срабатывания или одновременно с ним. При наличии орошения в трубопроводе и использовании приемной емкости, находящейся под разрежением, длина трубопровода (по результатам экспериментов - до 30 м) не оказывает заметного влияния на максимальное давление взрыва. Увеличение давления разгерметизации до ~0,2 МПа (при начальном давлении технологической среды 0,1 МПа) также приводит к исчезновению эффекта интенсификации взрыва.
Увеличение диаметра сбросного трубопровода относительно диаметра сбросного сечения способствует снижению воздействия данного эффекта на интенсификацию взрыва.
7. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Полый технологический аппарат объемом 12 м
рассчитан на максимальное избыточное давление 0,2 МПа (абсолютное давление 0,3 МПа) и предназначен для работы при атмосферном давлении с содержащей ацетон реакционной массой. Аппарат имеет рубашку обогрева (80 °С). Необходимо определить безопасную площадь разгерметизации.
рассчитан на максимальное избыточное давление 0,2 МПа (абсолютное давление 0,3 МПа) и предназначен для работы при атмосферном давлении с содержащей ацетон реакционной массой. Аппарат имеет рубашку обогрева (80 °С). Необходимо определить безопасную площадь разгерметизации. Нормальная скорость распространения пламени наиболее опасной околостехиометрической ацетоно-воздушной смеси при атмосферном давлении и температуре (298 К) составляет 0,32 м·с . Следовательно, при температуре в аппарате 80 °С (353 К) максимальное значение нормальной скорости распространения пламени в соответствии с формулой (163)
. Следовательно, при температуре в аппарате 80 °С (353 К) максимальное значение нормальной скорости распространения пламени в соответствии с формулой (163)  | |
| 277 × 28 пикс. Открыть в новом окне | |
Для стехиометрической ацетоно-воздушной смеси =9,28; =7,96; 
=(58х0,05+28х0,95) кг·кмоль =29,5 кг·кмоль . Поскольку 
=0,3 МПа/0,1 МПа =3 превышает значение 2, то для вычисления безопасной площади разгерметизации воспользуемся критериальным соотношением (159). Выражение для комплекса подобия в соответствии с формулой (160) и определенными значениями 
и 
может быть записано в виде
=9,28; =7,96; =(58х0,05+28х0,95) кг·кмоль =29,5 кг·кмоль . Поскольку =0,3 МПа/0,1 МПа =3 превышает значение 2, то для вычисления безопасной площади разгерметизации воспользуемся критериальным соотношением (159). Выражение для комплекса подобия в соответствии с формулой (160) и определенными значениями и может быть записано в виде  | |
| 371 × 53 пикс. Открыть в новом окне | |
где измеряют в м
.
измеряют в м . Следовательно, критериальное соотношение (159) относительно можно записать в виде
можно записать в виде 
м
. С увеличением степени негерметичности сосуда объемом около 10 м
от 0,025 до 0,25 значение фактора турбулизации возрастает от 2,5 до 5. Предположим, что 
=2,5 при 
=1. При этом минимальная площадь разгерметизации 
=0,175 м , а значит =0,03. Последнее подтверждает, что значение фактора турбулизации выбрано правильно. Действительно, если бы мы предположили, что =5, то получили бы слишком низкое для такой степени турбулизации значение =0,06 (вместо 0,25). Итак, безопасная площадь разгерметизации составляет в данном случае 0,175 м
, что равнозначно сбросному отверстию диаметром 0,47 м.
от 0,025 до 0,25 значение фактора турбулизации возрастает от 2,5 до 5. Предположим, что =2,5 при =1. При этом минимальная площадь разгерметизации =0,175 м , а значит =0,03. Последнее подтверждает, что значение фактора турбулизации выбрано правильно. Действительно, если бы мы предположили, что =5, то получили бы слишком низкое для такой степени турбулизации значение =0,06 (вместо 0,25). Итак, безопасная площадь разгерметизации составляет в данном случае 0,175 м , что равнозначно сбросному отверстию диаметром 0,47 м. Пример 2. Сосуд объемом 4 м без встроенных внутрь элементов для хранения бензола, рассчитанный на максимальное абсолютное давление 0,2 МПа, необходимо оснастить надежной системой сброса давления взрыва с отводом продуктов взрыва по трубопроводу в безопасное место.
без встроенных внутрь элементов для хранения бензола, рассчитанный на максимальное абсолютное давление 0,2 МПа, необходимо оснастить надежной системой сброса давления взрыва с отводом продуктов взрыва по трубопроводу в безопасное место. Для бензоло-воздушной смеси стехиометрического состава при атмосферных условиях 
=0,36 м·с
; 
=7,99; =(78х0,027+28х0,973) кг·кмоль
=29,35 кг·кмоль . Для систем разгерметизации со сбросным трубопроводом без орошения истекающих продуктов хладагентом вне зависимости от объема сосуда 
=4. Так как 
=0,2 МПа/0,1 МПа =2, то расчет площади разгерметизации проводим по критериальному соотношению (158). Выбрав в качестве значения коэффициента расхода 
=0,4, получаем выражение
=0,36 м·с ; =7,99; =(78х0,027+28х0,973) кг·кмоль =29,35 кг·кмоль . Для систем разгерметизации со сбросным трубопроводом без орошения истекающих продуктов хладагентом вне зависимости от объема сосуда =4. Так как =0,2 МПа/0,1 МПа =2, то расчет площади разгерметизации проводим по критериальному соотношению (158). Выбрав в качестве значения коэффициента расхода =0,4, получаем выражение  | |
| 449 × 76 пикс. Открыть в новом окне | |
, т.е. диаметр сбросного трубопровода должен составлять около 0,7 м, что слишком много для сосуда, эквивалентный диаметр которого (диаметр сферы объемом 4 м ) 1,97 м.
) 1,97 м. Поэтому система сброса давления, включая трубопровод, должна быть снабжена системой орошения. При этом может быть принято 
=1,5, а значит, как нетрудно вычислить, диаметр сбросного трубопровода будет равен 0,4 м, что вполне приемлемо для данного сосуда, рассчитанного на достаточно низкое давление.
=1,5, а значит, как нетрудно вычислить, диаметр сбросного трубопровода будет равен 0,4 м, что вполне приемлемо для данного сосуда, рассчитанного на достаточно низкое давление. Пример 3. Реактор вместимостью 6 м , в котором возможно образование изопропаноло-воздушной стехиометрической смеси при давлении 0,2 МПа, содержит сложные вращающиеся детали. Требуется определить безопасную площадь разгерметизации при условии, что реактор рассчитан на избыточное давление 0,4 МПа (абсолютное давление 0,5 МПа).
, в котором возможно образование изопропаноло-воздушной стехиометрической смеси при давлении 0,2 МПа, содержит сложные вращающиеся детали. Требуется определить безопасную площадь разгерметизации при условии, что реактор рассчитан на избыточное давление 0,4 МПа (абсолютное давление 0,5 МПа). Так как 
0,5 МПа/0,2 МПа =2,5 больше 2, то расчет ведем по формуле (159). Для стехиометрической изопропаноло-воздушной смеси =(60х0,044+28х0,956) кг·кмоль
=29,4 кг·кмоль ; =0,295(0,2/0,1)
=0,21 м·с ; 
=9,3; =8,0. Поскольку влияние встроенных деталей на турбулизацию однозначно неизвестно и объем реактора относительно невелик, выбираем значение 
=8. При значении коэффициента расхода 
=1 имеем
0,5 МПа/0,2 МПа =2,5 больше 2, то расчет ведем по формуле (159). Для стехиометрической изопропаноло-воздушной смеси =(60х0,044+28х0,956) кг·кмоль =29,4 кг·кмоль ; =0,295(0,2/0,1) =0,21 м·с ; =9,3; =8,0. Поскольку влияние встроенных деталей на турбулизацию однозначно неизвестно и объем реактора относительно невелик, выбираем значение =8. При значении коэффициента расхода =1 имеем