Нижний и верхний пределы взрываемости топливного газа в смеси с воздухом
Другая важная особенность горения газо-воздушных смесей – это наличие концентрационных пределов. Горючие газы могут воспламеняться или взрываться, если они смешаны в определенных (для каждого газа) соотношениях с воздухом и нагреты не ниже температуры их воспламенения. Воспламенение и дальнейшее самопроизвольное горение газо-воздушной смеси при определенных соотношениях газа и воздуха возможно при наличии источника огня (даже искры).
Различают нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости (воспламеняемости) - минимальное и максимальное процентное содержание газа в смеси, при которых может произойти воспламенение ее и взрыв.
Нижний предел соответствует минимальному, а верхний - максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока теплоты извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газо-воздушных смесей.
Нижний предел взрываемости отвечает той минимальной концентрации паров горючего в смеси с воздухом, при которой происходит вспышка при поднесении пламени. Верхний предел взрываемости отвечает той максимальной концентрации паров горючего в смеси с воздухом, выше которой вспышки уже не происходит из-за недостатка кислорода воздуха. Чем шире диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. У большинства углеводородов пределы взрываемости невелики. Для метана СН4 нижний и верхний пределы взрываемости 5% и 15% объемных соответственно.
Самые широкие пределы взрываемости (воспламеняемости) имеет ряд газов: водород (4,0 – 75%), ацетилен (2,0 – 81%) и окись углерода (12,5 – 75%). Объемное содержание горючего газа в газо-воздушной смеси, ниже которого пламя не может самопроизвольно распространяться в этой смеси при внесении в нее источника высокой температуры, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (распространения пламени) или нижним пределом взрываемости данного газа. Таким образом, смесь газа с воздухом взрывоопасна только в том случае, если содержание в ней горючего газа находится в диапазоне между нижним и верхним пределами взрываемости.
Если содержание газа в газо-воздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, то такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты недостаточно для подогрева смеси до температуры воспламенения.
При содержании газа в смеси между нижним и верхним пределами взрываемости подожженная смесь загорается и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Эта смесь взрывоопасна. А если содержание газа в смеси выше верхнего предела взрываемости, то количества воздуха в ней недостаточно для полного сгорания газа.
Существование пределов воспламеняемости (взрываемости) вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается и горение прекращается после удаления источника зажигания.
С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.
Пределы воспламеняемости (взрываемости) зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются несколько отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние - снижаются.
Расчетное избыточное давление при взрыве таких смесей следующее: природного газа - 0,75 МПа, пропана и бутана - 0,86 МПа, водорода - 0,74 МПа, ацетилена - 1,03 МПа. В реальных условиях температура взрыва не достигает максимальных значений и возникающие давления ниже указанных, однако они вполне достаточны для разрушения не только обмуровки котлов, зданий, но и металлических емкостей, если в них произойдет взрыв.
Основной причиной образования взрывных газо-воздушных смесей является утечка газа из систем газоснабжения и отдельных ее элементов (неплотность закрытия арматуры, износ сальниковых уплотнений, разрывы швов газопроводов, негерметичность резьбовых соединений и т. д.), а также несовершенная вентиляция помещений, топки и газоходов котлов и печей, подвальных помещений и различных колодцев подземных коммуникаций. Задачей эксплуатационного персонала газовых систем и установок является своевременное выявление и устранение мест утечек газа и строгое выполнение производственных инструкций по использованию газообразного топлива, а также безусловное качественное выполнение планово-предупредительного осмотра и ремонта систем газоснабжения и газового оборудования.
LEL и UEL: Почему это важно?
Диапазон между нижним и верхним пределами взрываемости (LEL / UEL%) определяется как диапазон воспламеняемости конкретного взрывоопасного и горючего газа.
Примеры LEL для обычных газов:
- LEL для водорода: 4,0
- LEL для метана: 5,0
Риск взрыва горючих газов должен тщательно регулироваться на любой производственной площадке, работающей с газами.
Чтобы вызвать взрыв, необходимо одновременно выполнить три условия:
- Наличие горючего газа, топливного элемента, в определенной концентрации.
- Присутствие кислорода.
- Наличие искрового элемента (который зажигает два элемента).
Соотношение топлива и кислорода, необходимых для взрыва, зависит от типа горючего газа. Газы воспламеняются только при смешивании с воздухом в определенном диапазоне концентраций. Если газ смешивается с кислородом в слишком низких или слишком высоких концентрациях, газ не будет воспламеняться и взрываться.
Нижние и верхние значения взрыва (LEL и UEL) определяют необходимый уровень концентрации по типу газа.
Взрывы будут иметь место при концентрациях газа в пределах LEL и значения UEL, не выше и не ниже, а максимальная мощность взрыва будет равна концентрации в средней точке диапазона воспламенения.
Таблица LEL UEL
(Примечание: значения LEL / UEL основаны на комнатной температуре и атмосферном давлении, зажигание запускается трубкой диаметром 2 дюйма).
Когда температура, давление и воспламенение увеличиваются, пределы взрываемости по газу изменяются.
Значения определяются опытным путем и могут изменяться в зависимости от источника информации. Нижний и верхний пределы взрываемости по газу:
| LEL Gas | LEL % | UEL % |
| Ацетон | 2,6 | 13,0 |
| Ацетилен | 2,5 | 100,0 |
| Акрилонитрил | 3,0 | 17 |
| Аллены | 1,5 | 11,5 |
| Аммиак | 15,0 | 28,0 |
| Бензол | 1,3 | 7,9 |
| 1,3-бутадиен | 2,0 | 12,0 |
| Бутан | 1,8 | 8,4 |
| Н-бутанол | 1,7 | 12,0 |
| 1-бутен | 1,6 | 10,0 |
| Цис-2-бутен | 1,7 | 9,7 |
| Транс-2-бутен | 1,7 | 9,7 |
| Бутилацетат | 1,4 | 8,0 |
| Угарный газ | 12,5 | 74,0 |
| Карбонил сульфид | 12,0 | 29,0 |
| Хлоротрифлуороэтилен | 8,4 | 38,7 |
| Кумол | 0,9 | 6,5 |
| Циан | 6,6 | 32,0 |
| Циклогексан | 1,3 | 7,8 |
| Циклопропан | 2,4 | 10,4 |
| Дейтерий | 4,9 | 75,0 |
| Диборан | 0,8 | 88,0 |
| Дихлорсилан | 4,1 | 98,8 |
| Диэтилбензол | 0,8 | - |
| 1,1-дифтор-1-хлорэтан | 9,0 | 14,8 |
| 1,1-Difluoroethane | 5,1 | 17,1 |
| 1,1-дифторэтилен | 5,5 | 21,3 |
| Диметиламин | 2,8 | 14,4 |
| Диметиловый эфир | 3,4 | 27,0 |
| 2,2-диметилпропан | 1,4 | 7,5 |
| Этан | 3,0 | 12,4 |
| Этанол | 3,3 | 19,0 |
| Этилацетат | 2,2 | 11,0 |
| Этилбензол | 1,0 | 6,7 |
| Этилхлорид | 3,8 | 15,4 |
| Этилен | 2,7 | 36,0 |
| Окись этилена | 3,6 | 100,0 |
| Бензин | 1,2 | 7,1 |
| Гептан | 1,1 | 6,7 |
| Гексан | 1,2 | 7,4 |
| Водород | 4,0 | 75,0 |
| Цианистый водород | 5,6 | 40,0 |
| Сероводород | 4,0 | 44,0 |
| Изобутан | 1,8 | 8,4 |
| Изобутилен | 1,8 | 9,6 |
| Изопропиловый спирт | 2,2 | - |
| Метан | 5,0 | 15,0 |
| Метанол | 6,7 | 36,0 |
| Метилацетилен | 1,7 | 11,7 |
| Метилбромид | 10,0 | 15,0 |
| 3-метил-1-бутен | 1,5 | 9,1 |
| Метилцеллозольв | 2,5 | 20,0 |
| Метилхлорид | 7,0 | 17,4 |
| Метилэтилкетон | 1,9 | 10,0 |
| Метантиол | 3,9 | 21,8 |
| Метилвиниловый эфир | 2,6 | 39,0 |
| Моноэтиламин | 3,5 | 14,0 |
| Монометиламин | 4,9 | 20,7 |
| Никель карбонил | 2,0 | - |
| Пентан | 1,4 | 7,8 |
| Пиколин | 1,4 | - |
| Пропан | 2,1 | 9,5 |
| Пропилен | 2,4 | 11,0 |
| Оксид пропилена | 2,8 | 37,0 |
| Стирол | 1,1 | - |
| Тетрафторэтилен | 4,0 | 43,0 |
| Тетрагидрофуран | 2,0 | - |
| Толуол | 1,2 | 7,1 |
| Трихлорэтилен | 12,0 | 40,0 |
| Триметиламин | 2,0 | 12,0 |
| Скипидар | 0,7 | - |
| Винилацетат | 2,6 | - |
| Винилбромид | 9,0 | 14,0 |
| Винилхлорид | 4,0 | 22,0 |
| Винилфторид | 2,6 | 21,7 |
| Ксилол | 1,1 | 6,6 |
Прибор для измерения LEL/UEL
Для безопасной работы в опасных средах, то есть в закрытых помещениях с присутствием горючих газов, следует тщательно контролировать концентрацию газа.
Поскольку концентрация газа превышает 20% газа, LEL считается небезопасным.
Для контроля значения концентрации газа в закрытых и опасных средах операторы могут использовать счетчики LEL (также называемые счетчиками / детекторами LEL), которые оснащены каталитическими шариковыми и инфракрасными чувствительными элементами для измерения нижнего предела взрываемости газов.
Эти детекторы газа предупреждают операторов всякий раз, когда горючий газ присутствует в окружающей среде на уровне около 10%.
Измерители LEL являются довольно сложными устройствами, которые имеют микропроцессорную модульную конструкцию с самокалибровкой и цифровым отображением информации.
Наиболее используемым измерителем LEL является тип моста Уитстона, который эффективен для большинства применений и сред.
PID может измерять концентрацию легковоспламеняющихся газов и других токсичных газов даже на очень низких уровнях (от ppb, т.е. частей на миллиард, до 10 тыс. частей на миллион, то есть 1%).
PID являются гораздо более чувствительными инструментами, чем обычные LEL-метры, и, как правило, стоят дороже. PID подходят для измерения следующих органических соединений:
- Алкоголь
- Ароматика
- Амины и амиды
- Хлорированные углеводороды
- Кетоны и альдегиды
- Соединения серы
- Ненасыщенные углеводороды
- Насыщенные углеводороды - как бутан и октан
Неорганические соединения, которые могут быть измерены фотоионизационными детекторами:
Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различаютнижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.
Таблица 8.8. Степень диссоциации водяного пара H2O и диоксида углерода CO2 в зависимости от парциального давления
Температура,
Парциальное давление, МПа
Водяной пар H2O
Диоксид углерода CO2
Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной.
Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.
Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.
Пределы воспламеняемости для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 8.11-8.9. С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.
Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 8.11-8.12 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются. Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:
где Lг — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа (8.17)
где 1 2 — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r,, r 2 . rn — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; r, + r 2 + . + rn = 100%; l,, l 2 . ln — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.
При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:
L6 = LJ 1 + Б/(1 - Б);00]/[100 + L£/(1 - Б)] (8.18)
где Lg — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %; L 2 — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %; Б — количество балластных примесей, доли единицы.
Таблица 8.11. Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)
При смешении газа с воздухом образуется взрывоопасная смесь, при этом концентрация газа зависит от его состава. Пределы воспламеняемости - это то количество газа в смеси, при котором происходит воспламенение и самопроизвольное распространение пламени.
До нижнего предела воспламеняемости (т.е. до минимального количества газа в смеси) не происходит воспламенение и горение. Между нижним и верхним пределами воспламеняемости смесь начинает гореть, в том числе и после удаления источника зажигания.
| Газ | Смесь газа и кислорода | Смесь газа и воздуха | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Содержание, об. % | Содержание, об. % | Максимальное давление взрыва, МПа | Коэффициент избытка воздуха при пределах воспламенения | ||||||
| При пределах воспламеняемости | При пределах воспламеняемости | При стехиометрическом составе смеси | При составе смеси, дающем максимальное давление взрыва | ||||||
| нижнем | верхнем | нижнем | верхнем | нижнем | верхнем | ||||
| Водород | 4,0 | 94,0 | 4,0 | 75,0 | 29,5 | 32,3 | 0,739 | 9,8 | 0,15 |
| Оксид углерода | 12,5 | 94,0 | 12,5 | 74,0 | 29,5 | – | – | 2,9 | 0,15 |
| Метан | 5,0 | 6,0 | 5,0 | 15,0 | 9,5 | 9,8 | 0,717 | 1,8 | 0,65 |
| Этан | 3,0 | 56,0 | 3,2 | 12,5 | 5,68 | 6,28 | 0,725 | 1,9 | 0,42 |
| Пропан | 2,2 | 55,0 | 2,3 | 9,5 | 4,04 | 4,60 | 0,858 | 1,7 | 0,40 |
| н-Бутан | 1,7 | 49,0 | 1,7 | 8,5 | 3,14 | 3,6 | 0,858 | 1,7 | 0,35 |
| Изобутан | 1,7 | 49,0 | 1,8 | 8,4 | 3,14 | – | – | ~1,8 | 0,35 |
| н-Пентан | - | - | 1,4 | 7,8 | 2,56 | 3,0 | 0,865 | 1,8 | 0,31 |
| Этилен | 3,0 | 80,0 | 3,0 | 16,0 | 6,5 | 8,0 | 0,886 | 2,2 | 0,17 |
| Пропилен | 2,0 | 53,0 | 2,4 | 10,0 | 4,5 | ~5,1 | ~0,89 | 1,9 | 0,37 |
| Бутилен | 1,47 | 50,0 | 1,7 | 9,0 | 3,4 | ~4,0 | ~0,88 | 1,7 | 0,35 |
| Ацетилен | 2,5 | 89,0 | 2,5 | 80,0 | 7,75 | 14,5 | 1,03 | 3,3 | 0,019 |
Температура самовоспламенения - это минимальный показатель температуры, при которой начинается процесс горения без внешнего подвода теплоты. Значения в таблице являются экспериментальными данными, так как фиксированные показатели сложно получить на практике из-за влияния многих факторов: степени однородности газовоздушной смеси, содержания газа, давления, способа нагрева и т.д.
Читайте также: