Показатели пожаровзрывоопасности веществ => Министерство российской федерации по делам гражданской. Обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации. Последствий...

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ

ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ

ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

 

Федеральное государственное учреждение «Всероссийский ордена "Знак Почета"

научно-исследовательский институт противопожарной обороны»

 

 

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ

ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

 

Руководство

 

УДК 614.841.41

 

 

В настоящее время значительно увеличился спектр веществ и материалов, применяемых в быту и на производстве. Для правильного применения данных веществ и материалов необходимо располагать сведениями по их основным показателям пожаровзрывоопасности, которые зачастую отсутствуют, а экспериментально определить подчас бывает затруднительно. В связи с этим для практических работников испытательных пожарных лабораторий, нормативно-технических отделов, подразделений пожаротушения во многих случаях целесообразно пользоваться расчетными методами определения показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов.

В настоящее время расчет показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов проводят в соответствии с руководством "Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов". Редакция данного документа, изданного в 1985 г., к настоящему моменту времени в значительной степени устарела. В связи с появлением новых знаний, обобщения сведений по показателям пожаровзрывоопасности, появлением новых критериев оценки материалов возникла необходимость пересмотра данного документа и издания новой редакции руководства.

В переработанное издание руководства включены вновь разработанные методы расчета показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов, а также методы расчетной оценки, опубликованные ранее и прошедшие проверку на практике.

Руководство предназначено для сотрудников научно-исследовательских и проектных организаций, для инженерно-практических работников промышленных предприятий и испытательных пожарных лабораторий, занимающихся изучением пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов.

 

Руководство согласовано ГУГПС МЧС России, исх. № 30/4/1808 от 25.06.2002 г., и утверждено ФГУ ВНИИПО МЧС России 30.08.2002 г.

 

Разработано авторским коллективом в составе: Ю.Н. Шебеко, В.Ю. Навценя, С.Н. Копылов, В.И. Горшков, И.А. Корольченко, А.Н. Полетаев, Н.Л. Полетаев, О.В. Васина, В.Н. Веревкин, С.Г. Белов.

 

 

1. ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ

 

1.1. Концентрационные пределы распространения пламени для горючих газов и паров

Нижний концентрационный предел распространения пламени (предел воспламенения) j_н - это такая объемная (массовая) доля горючего в смеси с окислительной средой (выраженная в процентах или в г/м³), с уменьшением которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Верхний концентрационный предел распространения пламени j_в - это такая объемная (массовая) доля горючего в смеси с окислительной средой, с увеличением которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

1.2. Область распространения пламени (область воспламенения) - это область объемных (массовых) долей горючего в смеси с окислительной средой, заключающаяся между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени.

1.3. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) - объемная доля кислорода в смеси горючего с окислительной средой и флегматизатором (выраженная в процентах), которая соответствует составу смеси в экстремальной точке области воспламенения (то есть в точке на кривой флегматизации, отвечающей максимальной объемной доле флегматизатора).

1.4. Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора - объемная доля флегматизатора в смеси с горючим и окислительной средой, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислительной среды. 

1.5. Температура вспышки t_всп - самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для возникновения устойчивого горения.

1.6. Температура воспламенения t_восп - самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары или газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

1.7. Минимальная энергия зажигания - наименьшее значение энергии электрического разряда, способного воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли с воздухом.

1.8. Стехиометрическая объемная доля (концентрация) горючего - объемная доля горючего в смеси с воздухом j_ст, вычисляемая по формуле j_ст = 100/(4,84b + l), где b - стехиометрический коэффициент кислорода в уравнении химической реакции горения данного горючего, рассчитываемый по формуле (33).

1.9. Адиабатическая температура горения стехиометрической смеси Т_ад - это теоретически вычисляемая температура продуктов горения. При расчете предполагается достижение термодинамического равновесия между участками реакции и отсутствие теплопотерь из зоны реакции.

1.10. Максимальная нормальная скорость горения - максимальная линейная скорость распространения фронта пламени в газовых смесях, определяемая в специальных условиях.

1.11. Максимальное давление взрыва и максимальная скорость нарастания давления взрыва

Максимальное давление взрыва - наибольшее давление, возникающее при дефлаграционном взрыве газо-, паро- или пылевоздушных смесей в замкнутом объеме при начальном давлении смеси 101,3 кПа.

Максимальная скорость нарастания давления взрыва - максимальное значение производной давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде от времени.

1.12. Максимальная степень расширения продуктов горения - максимальная величина отношения объема конечных продуктов горения при температуре пламени к объему исходной смеси.

1.13. Нижний концентрационный предел распространения пламени для аэровзвесей твердых горючих веществ - количество горючего вещества, выраженное в граммах и отнесенное к 1 м³ исходной смеси горючего с окислительной средой, при уменьшении которого смесь становится неспособной к распространению пламени.

1.14. Температура самовоспламенения - самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся пламенным горением.

1.15. Температурные пределы распространения пламени - значения температур, при которых насыщенные пары вещества образуют в окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) или верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени.

1.16. Безопасный максимальный экспериментальный зазор (БЭМЗ) - максимальный зазор между фланцами оболочки, через который не происходит передача взрыва из оболочки в окружающую среду при любой концентрации горючего в воздухе.

1.17. Максимальная скорость распространения пламени вдоль поверхности горючей жидкости - максимальная линейная скорость распространения фронта пламени по узкой паровоздушной прослойке, образующейся вблизи свободной поверхности испаряющейся на воздухе горючей жидкости.

1.18. Минимальная огнетушащая концентрация газового средства пожаротушения (ГОС) - минимальная объемная доля ГОС в смеси с окислительной средой, при которой достигается тушение модельного очага горения.

 

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

 

2.1. Методы расчета концентрационных пределов распространения

пламени для газо- и паровоздушных смесей

 

2.1.1. Метод расчета нижнего концентрационного предела распространения пламени

Нижний предел j_н в объемных процентах для индивидуальных веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, рассчитывается по формуле

 

j_н = 100 /(h_cn_c + h_Hn_H + h_Оn_О + h_Nn_N + h_f + 1), (1)

 

где n_c, n_н, n_o, n_N - число атомов С, Н, О в молекуле горючего; h_С, h_н, h_o, h_N h_f - коэффициенты; их значения составляют: h_С = 8,737, h_H = 2,757, h_О = -0,522, h_N = -0,494, h_f = 2,36x10^-2 кДж/моль; - стандартная теплота образования горючего вещества, кДж/моль; значения рассчитываются по формуле (37).

Относительная средняя квадратичная погрешность расчета по формуле (1) не превышает 6 %.

Пример. Рассчитать нижний предел распространения пламени для о-ксилола С₈Н₁₀ по формуле (1). Стандартная теплота образования вещества составляют 18,99 кДж/моль:

j_н = 100/(8,737 × 8 + 2,757 × 10 - 2,36 × 10^-2 × 18,99 + 1) = 1,02 % (об.)

 

2.1.2. Метод расчета верхнего концентрационного предела распространения пламени

Верхний предел j_в в объемных процентах для индивидуальных органических веществ рассчитывается по формуле

 

(2)

 

где n_i - число i-x молекулярных связей в молекуле горючего (например, С-С, С-Н, С-О и т. д.); h_i - параметр i-й связи; значения h_i приведены в табл. 1; g_k - коэффициент, учитывающий те или иные особенности строения молекулы горючего (наличие в молекуле циклов, эпоксигрупп и т. д.); значения g_k для некоторых структурных групп приведены в табл. 2.

Относительная средняя квадратичная погрешность расчета по формуле (1) составляет 11 %.

 

Таблица 1

 

Вид связи	Значение hi	Вид связи	Значение hi
с-н	1,39	C-N	-1,77
с-с	-0,84	N-H	0,69
С=С	0,24	СС	0,89
с-о	-1,40	о-н	1,25
С=О	1,31	CºN	2,07
c-cl	0,71	сºс	1,93

 

Таблица 2

 

Структурная группа	Значение gk
-CHO	-1,47
-C-C- \ / O	-1,11
Неароматический цикл	9/ nc

 

Пример. Рассчитать верхний концентрационный предел распространения пламени для кротонового альдегида по формуле (2). Эмпирическая формула C₄H₆O, структурная формула Н₂С = СН-СН₂-СН = О.

Из структурной формулы определяются значения n_i: n_c-Н = 6, n_c-С = 2, n_c=o = 1, n_c=С = 1

По формуле (2) получаем:

j_в = 100/(1,39×6 - 0,84×2+ 0,24×1 + 1,3×1 - 1,47) = 15,7 % (об.)

 

2.1.3. Метод расчета концентрационных пределов распространения

пламени для смесей горючих веществ при начальной температуре 25° С

Метод распространяется на вещества, не вступающие между собой в химическую реакцию при начальной температуре.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени для смеси j_п в объемных процентах рассчитывается по формуле

 

(3)

 

где j_пк - концентрационный предел распространения пламени k-го горючего компонента, % (об.); j_к - концентрация k-го компонента в смеси, % (об.); n - число горючих компонентов в смеси.

Если какие-либо из величин j_пk неизвестны, они рассчитываются по методам, приведенным в разделах 2.1.1 и 2.1.2.

Относительное среднеквадратическое отклонение расчета не превышает 30 %.

Пример. Рассчитать нижний предел распространения пламени смеси паров этанола и изопропанола, содержащей 50 % (об.) этанола и 50 % (об.) изопропанола. Для этанола j_н1 = 3,61 % (об.), для изопропанола j_н2 = 2,23 % (об.).

j_н = 100 : (50 : 3,61 + 50 : 2,23) = 2,76 % (об.).

 

2.2. Метод расчета минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора

и минимального взрывоопасного содержания кислорода

 

Минимальную флегматизирующую концентрацию газовых средств пожаротушения С_мфк, % (об.), вычисляют по формуле

 

(4)

 

где g - эмпирический безразмерный параметр, значения которого приведены в табл. 3; - концентрация кислорода в воздухе, % (об.); b_со - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания до СО и Н₂О. Величину b_со вычисляют по формуле

 

b_со = 0,5n_c + 0,25n_Н - 0,5n_О, (5)

 

где n_c, n_Н, n_О - число атомов С, Н, О в молекуле горючего; F - безразмерная функция, которую вычисляют по формуле

 

(6)

 

где h_С, h_H, h_o, h_N, h_f - коэффициенты; их значения составляют: h_c = 2,373, h_H = 2,757, h_o = -0,522, h_N = -0,494, h_f = 2,58 x 10^-2 кДж/моль; - стандартная теплота образования горючего вещества, кДж/моль.

 

Таблица 3

 

Флегматизатор	g	Флегматизатор	g
N2	1,0	CFCl3	4,0
СO2	1,6	CCl4	4,8
Н2O	1,2	C2F4Cl2	6,0
C2F3Cl3	5,6	C2F5Cl	6,0
C2F4Br2	21,3	C4F10	4,3
SF6	3,9	C2F5I	5,6
CF2ClH	3,3	CF3H	1,6
CF2Cl2	4,5	C3F7H	3,0
C3F8	6,1	C4F8	2,7
CF4	2,4	C2F5H	2,5
CF3Br	16,2	CF3I	15,5

 

Концентрация горючего в смеси, соответствующей по составу точке флегматизации, вычисляется по формуле

 

(7)

 

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) в объемных процентах рассчитывается по формуле

 

(8)

 

Относительная средняя квадратичная погрешность расчета по формулам (4) и (8) не превышает 10 %.

Пример. Рассчитать концентрацию флегматизатора в экстремальной точке области распространения пламени и МВСК при флегматизации метана перфторбутаном. Стандартная теплота образования метана - минус 74,85 кДж/моль.

По формуле (5) вычисляем: b_со = 0,5 × 1 + 0,25 × 4 = 1,5. По формуле (6) находим:

Согласно табл. 3, для С₄F₁₀ g = 4,3. Подставляя значения b_CO, F и g в (4), получаем:

% (об.);

% (об.).

Отсюда МВСК = (100 - 11 - 10,9) × = 16,4 % (об.).