Концентрационные пределы взрываемости. Предел взрываемости природного газа. Физические свойства газа. Разница между взрывом и горением

Под природным газом понимают целую смесь газов, которые образуются в недрах земли впоследствии анаэробного разложения органических веществ. Он является одним из наиболее важных полезных ископаемых. Природный газ залегает в недрах планеты. Это могут быть отдельные скопления или газовая шапка на нефтяном месторождении, однако может быть представлен в виде газогидратов, в кристаллическом состоянии.

Опасные свойства

Природный газ знаком практически всем жителям развитых стран, и еще в школе дети изучают правила пользования газом в быту. А между тем взрывы природного газа - не редкость. Но и помимо этого, существует целый ряд угроз, исходящих от столь удобных приборов, работающих на природном газе.

Природный газ токсичен. Хотя этан и метан в чистом виде неядовиты, при насыщении ими воздуха человек будет испытывать удушье из-за недостатка кислорода. Особенно это опасно ночью, во время сна.

Предел взрываемости природного газа

При контакте с воздухом, а точнее с его составляющей - кислородом, природные газы способны образовать легковоспламеняемую детонирующую смесь, которая может вызвать взрыв большой силы даже от малейшего источника огня, например, искры от проводки или пламени спички, свечи. Если масса природного газа относительно невысока, то и температура воспламенения не будет высокой, а вот сила взрыва зависит от давления получившейся смеси: чем выше давление газовоздушного состава, тем с большей силой он взорвется.

Однако практически все люди хотя бы раз в жизни сталкивались с некоторой утечкой газа, обнаруживаемой по характерному запаху, и тем не менее никаких взрывов не происходило. Дело в том, что взорваться природный газ может только при достижении определенных пропорций с кислородом. Есть низший и высший предел взрываемости.

Как только достигнут низший предел взрываемости природного газа (для метана это 5%), то есть концентрации, достаточной для начала может произойти взрыв. Уменьшение концентрации устранит возможность возгорания. Превышение высшей отметки (15% для метана) так же не позволит начаться реакции горения, ввиду недостатка воздуха, а точнее - кислорода.

Предел взрываемости природного газа возрастает при повышении давления смеси, а также в случае, если смесь содержит инертные газы, например азот.

Давление природного газа в газопроводе может быть различным, от 0,05 кгс/см 2 до 12 кгс/см 2 .

Разница между взрывом и горением

Хотя на первый взгляд кажется, что взрыв и горение - несколько разные вещи, на самом деле эти процессы однотипны. Единственное их различие - это интенсивность протекания реакции. Во время взрыва в помещении или любом другом замкнутом пространстве реакция протекает невероятно быстро. Детонационная волна распространяется со скоростью, в несколько раз превышающую скорость звука: от 900 до 3000 м/с.

Так как метан, используемый в бытовом газопроводе, - газ природный, объем кислорода, необходимый для воспламенения, также подчиняется общему правилу.

Максимальная сила взрыва достигается в случае, если присутствующего кислорода теоретически достаточно для полного сгорания. Также должны присутствовать и остальные условия: концентрация газа соответствует пределу воспламенения (выше низшего предела, но ниже высшего) и присутствует источник огня.

Струя газа без примеси кислорода, то есть превышающая высший предел воспламенения, поступая в воздух, будет гореть ровным пламенем, фронт горения распространяется со скоростью 0,2-2,4 м/с при нормальном атмосферном давлении.

Свойства газов

Детонационные свойства проявляются в углеводородах парафинного ряда от метана до гексана. Строение молекул и молекулярная масса определяют их детонационные свойства падают с уменьшением молекулярной массы, а октановое число увеличивается.

В входит несколько углеводородов. Первый из них - метан (химическая формула CH 4). Физические свойства газа таковы: бесцветен, легче воздуха и не имеет запаха. Он достаточно горюч, но тем не менее довольно безопасен в хранении, в случае, если полностью соблюдена техника безопасности. Этан (C 2 H 6) также не имеет цвета и запаха, но немного тяжелее воздуха. Он горюч, но не используется в качестве топлива.

Пропан (C 3 H 8) - ядовитый газ без цвета и запаха, способен сжижаться при небольшом давлении. Это полезное свойство позволяет не только безопасно транспортировать пропан, но и выделять его из смеси с другими углеводородами.

Бутан (C 4 H 10): физические свойства газа близки к пропану, однако его плотность выше, а по массе бутан вдвое тяжелее воздуха.

Знакомые всем

Углекислый газ (CO 2) тоже входит в состав природного. Физические свойства газа знают, пожалуй, все: не имеет запаха, но характерен кислым привкусом. Он входит в ряд газов с самой маленькой токсичностью и является единственным (за исключением гелия) негорючим газом в составе природного.

Гелий (He) - очень легкий газ, второй после водорода, бесцветен и не имеет запаха. Он очень инертен и в обычных условиях не способен реагировать с каким-либо веществом, не участвует и в процессе горения. Гелий безопасен, нетоксичен, при повышенном давлении, наряду с другими инертными газами, вводит человека в состояние наркоза.

Сероводород (H 2 S) - газ без цвета с характерным запахом тухлых яиц. Тяжелый и очень ядовитый, может вызвать паралич обонятельного нерва даже при незначительной концентрации. К тому же предел взрываемости природного газа очень широк, от 4,5% до 45%.

Есть еще два углеводорода, которые по применению близки к природному газу, но в его состав не входят. Этилен (C 2 H 4) - близкий по свойствам к этану, обладающий приятным запахом и не имеющий цвета газ. От этана его отличает меньшая плотность и горючесть.

Ацетилен (C 2 H 2) - бесцветный взрывоопасный газ. Он очень горюч, взрывается, если произошло сильное сжатие. Ввиду этого ацетилен опасно использовать в быту, в основном же используется при сварочных работах.

Применение углеводородов

Как горючее в бытовых газовых приборах используется метан.

Пропан и бутан служат топливом для автомобилей (например, гибридных), а в сжиженном виде пропаном заправляют зажигалки.

А вот этан редко используют как горючее, его основное назначение в промышленности - получение этилена, который производится на планете в огромных количествах, ведь именно он является сырьем для полиэтилена.

Ацетилен служит для нужд металлургии, с его помощью достигаются высокие температуры для сварки и резки металлов. Так как он крайне горюч, его невозможно использовать в качестве топлива, и при хранении газа обязательно строгое соблюдение условий.

Хотя сероводород и токсичен, в крайне малых количествах он применяется в медицине. Это так называемые сероводородные ванны, действие которых основано на антисептических свойствах сероводорода.

Основное полезное - его небольшая плотность. Этим инертным газом пользуются при полетах на аэростатах и дирижаблях, им заполняют летучие воздушные шарики, популярные среди детей. Воспламенение природного газа невозможно: гелий не горит, поэтому можно без боязни нагревать его над открытым огнем. Водород, соседствующий с гелием в таблице Менделеева, еще легче, однако легко воспламеняется. Гелий является единственным газом, не имеющим твердой фазы ни при каких условиях.

Правила пользования газом в быту

Каждый человек, пользующийся газовыми приборами, обязан проходить инструктаж по технике безопасности. Первое правило - следить за исправностью приборов, периодически проверять тягу и дымоход, если в приборе предусмотрено отведение продуктов сгорания. После выключения газового прибора нужно закрывать краны и перекрывать вентиль на баллоне, если имеется таковой. В случае, если внезапно прервалась подача газа, а также при выявлении неисправностей нужно немедленно звонить в газовую службу.

Если в квартире или другом помещении чувствуется запах газа, необходимо сразу же прекратить какое бы то ни было использование приборов, не включать электроприборы, открыть окно или форточку для проветривания, затем покинуть помещение и вызвать аварийную службу (телефон 04).

Правила пользования газом в быту важно соблюдать, ведь малейшая неисправность может привести к плачевным последствиям.

Взрывоопасность промышленных предприятий определяется особенностями технологического процесса и свойствами взрывоопасных веществ.
К особенностям технологического процесса относятся производственные факторы, определяемые назначением и характером выполняемого процесса.
Так в химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности в настоящее время используется более 2000 различных газов или паров, которые в смеси с окислителем (воздухом, кислородом, хлором и т. д.) создают пожароопасные или взрывоопасные смеси. Подобными свойствами обладают и пылевоздушные смеси – дисперсные системы, состоящие из твердых частиц определенных размеров.
Для однозначной оценки физико-химических свойств указанных смесей вводят определенные понятия и определения, рассмотренные ниже.
Горение – сложная химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и света.
Тление – горение без свечения, обычно опознаваемое по появлению дыма.
Взрыв – быстрое преобразование веществ (иначе, взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.
Очевидно горение или взрывное горение (взрыв) возможно при наличии трех факторов:
а) горючего вещества (газа, пара или дисперсной системы, состоящей из твердых частиц, т.е. пыли);
б) окислителя (в данной области в качестве окислителя рассматривается только кислород воздуха);
в) источника зажигания.
Если хотя бы один из указанных факторов отсутствует, то горение (взрыв) невозможно.
Горючие вещества – вещества, способные возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.
Горючая среда – смесь горючих веществ с воздухом в определенной концентрации.
В области электроустановок во взрывоопасных зонах в качестве источника зажигания рассматриваются только те, которые непосредственно связаны с нормальной работой электрооборудования или при его неисправностях: нагретые поверхности; электрические дуги и искры; пламя. Источник зажигания, нагревая горючую среду, обеспечивает температурные условия возникновения горения (взрыва).
Очевидно, горение в определенной степени зависит также от условий окружающей среды (атмосферных условий).
Нормальные атмосферные условия соответствуют давлению 101,3 кПа (760 мм рт. ст; 1013 Мбар; 1 атм) и температуре 20°С. В нормальные атмосферные условия входят также колебания давления и температуры, которые не превышают и не могут быть ниже эталонного 101,3 кПа при 20°С при условии, что эти колебания оказывают пренебрежительно малое влияние на взрывоопасные свойства горючих веществ.

2. Взрывоопасная среда.

Взрывоопасная смесь (ВЗОС) – смесь с воздухом при нормальных атмосферных условиях горючего газа, пара, тумана или горючей пыли, волокон, способная взрываться при возникновении источника зажигания.
Взрывоопасная среда - среда, которую образует взрывоопасная смесь.
Горючим газом, горючим паром, горючим туманом называется газ, пар горючей жидкости, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе, капли горючей жидкости (туман), которые в смеси с воздухом в определенной пропорции образуют взрывоопасную среду – газовую взрывоопасную среду.
Дисперсная система, состоящая из твердых частиц (пыли, волокон) размером менее 850 мкм (0,85 мм), находящихся во взвешенном состоянии, которая в смеси с воздухом в определенной пропорции образует взрывоопасную среду, называется горючей пылью, а среда – пылевоздушной взрывоопасной средой.
Любая взрывчатая система характеризуется прежде всего наличием горючего и окислителя.
Одной из характеристик такой системы является концентрационный предел взрываемости, т.е. такая концентрация топлива в смеси, при которой еще возможно распространение взрывного горения.
Пределы взрываемости определяются физико-химическими свойствами горючей смеси, наличием в ней примесей, в том числе инертных разбавителей, и зависят от теплопроводности, теплоемкости, теплотворности, давления, температуры и т.д.
Различают верхний концентрационный предел воспламенения (ВКПВ) , аналог - верхний предел взрываемости (ВПВ), и нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) , аналоги - нижний предел взрываемости (НПВ) .
ВКПВ (ВПВ) и НКПВ (НПВ) – соответственно максимальная и минимальная концентрация горючих газов, паров, пыли, волокон в воздухе, выше и ниже которых взрыва не произойдет даже при возникновении источника инициирования взрыва (источника зажигания).
Более взрывоопасными являются газопаропылевоздушные смеси с маленькими значениями НКПВ (НПВ) и более широким диапазоном пределов взрываемости, т.е. разницей между ВКПВ (ВПВ) и НКПВ (НПВ).
Концентрация в воздухе горючих газов и паров принята в процентах к объему воздуха, а концентрация пыли и волокон – в граммах на кубический метр воздуха.
Следует иметь в виду, что хотя смеси с концентрацией в них горючих веществ выше ВКПВ (ВПВ) и не образуют взрывоопасной среды, необходимо считаться с их опасностью, т.к. до достижения своего верхнего предела концентрация должна пройти весь диапазон воспламенения.

3. Горючие вещества.

Горючие вещества, в зависимости от реальной опасности взрывоопасной среды при их применении в производственных условиях, подразделяются на взрывоопасные и пожароопасные.

Горючие газы:

Горючие газы относятся к взрывоопасным при любой температуре окружающей среды.
В зависимости от относительной плотности, т.е. отношения объемной массы газа к объемной массе воздуха при давлении 101,3 кПа и температуре 20°С, горючие газы подразделяются на легкие (0,8 и менее) и тяжелые (свыше 0,8).
Горючий газ, который при температуре окружающей среды менее 20°С или при давлении более 100 кПа или при совместном действии обоих этих факторов обращается в жидкость, называется сжиженным газом. Установки со сжиженными газами в требованиях главы 7.3 ПУЭ приравнены к установкам с тяжелыми газами.
Данные по пределам взрываемости некоторых газов и паров при давлении 101,3 кПа и температуре смеси 20°С приведены в табл. .

Горючие пыли

Горючие пыли и волокна с НКПВ не более 65г/м 3 отнесены к взрывоопасным, а с НКПВ более 65 г/м 3 – к пожароопасным.
Отдельные показатели пожаро- взрывоопасности горючих пылей даны в табл. .

Горючие жидкости:
Горючие жидкости в зависимости от величины температуры вспышки паров подразделяются на легковоспламеняющиеся и горючие.
Легковоспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) – горючая жидкость, способная воспламеняться от кратковременного (до 30с) воздействия источника поджигания с низкой энергией (пламени спички, искры, тлеющей сигареты и т.п.) и имеющая температуру вспышки не выше 61°С.
Горючая жидкость (ГЖ) – жидкость, способная возгораться от источника поджигания, самостоятельно гореть после его удаления и имеющая температуру вспышки более 61°С.
К взрывоопасным относятся ЛВЖ, у которых температура вспышки не превышает 61°С, а давление паров при температуре 20°С составляет менее 100 кПа, и нагретые в условии производства до и выше температуры вспышки ГЖ.
Температурой вспышки называется самая низкая температура горючей жидкости, при которой в условиях специальных испытаний над ее поверхностью образуются пары, способные вспыхивать от источника поджигания, но скорость их образования еще недостаточна для устойчивого горения.
При дальнейшем нагревании жидкости увеличивается скорость парообразования и при определенной температуре достигает такой величины, что раз подожженная смесь продолжает гореть после удаления источника поджигания. Наименьшая температура вещества, при которой оно выделяет горючие пары или газы с такой скоростью, что после их поджигания возникает устойчивое горение, называется температурой воспламенения.
Температура воспламенения выше температуры вспышки приблизительно на 1 - 5°С для ЛВЖ и на 30 – 35°С для ГЖ.
Взрывоопасная газовая среда не образуется, если температура вспышки значительно превышает максимально возможную температуру жидкости в условиях производства. Однако, в некоторых случаях горючая жидкость выбрасывается в виде тумана, который при температуре, меньшей, чем температура вспышки, может образовать взрывоопасную газовую среду.
Пределы взрываемости паров горючих жидкостей в воздухе могут характеризоваться также температурными пределами взрываемости.
Нижний температурный предел взрываемости (НТПВ) – самая низкая температура жидкости, при которой насыщенные пары ее с воздухом в замкнутом объеме образуют смесь, способную воспламеняться при поднесении к ней источника воспламенения. Концентрация паров при НТПВ соответствует нижнему концентрационному пределу взрываемости.
Верхний температурный предел взрываемости (ВТПВ) – наивысшая температура жидкости, при которой насыщенные пары ее с воздухом в замкнутом объеме образуют смесь, способную воспламениться при поднесении к ней источника воспламенения. При более высокой температуре образуется смесь насыщенных паров жидкости с воздухом, не способная гореть. Концентрация паров при ВТПВ соответствует верхнему концентрационному пределу взрываемости.
Для оценки горючих и легковоспламеняющихся жидкостей в закрытых емкостях и аппаратах рекомендуется пользоваться температурными пределами, а в условиях помещений и на воздухе, где могут образовываться концентрации паров в ненасыщенном состоянии, необходимо знать и концентрационные пределы взрываемости.

Самовоспламенение и тление
Скорость экзотермической реакции окисления зависит от температуры нагрева смеси горючего вещества с воздухом. При невысокой температуре, а, следовательно, малой скорости реакции выделившееся тепло рассеивается в окружающую среду и самонагревание смеси не происходит. При нагревах смеси до более высокой температуры скорость реакции значительно увеличивается, не все выделившееся тепло успевает отводиться в окружающую среду и начинается самонагревание смеси. В результате самонагревания смесь, уже без внешнего источника тепла, нагревается до возникновения устойчивых процессов пламенного горения или тления (для тлеющих пылей), которые могут распространиться по смеси до полного ее выгорания.
Те минимальные температуры горючего вещества, при которых в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивается возникновением тления или пламенного горения, называются температурой тления и температурой самовоспламенения, соответственно.
При распространении горения тепло, выделившееся в результате реакции, расходуется на нагрев свежей смеси, инициируя в ней горение, и частично теряется в окружающем пространстве.
Если по какой-либо причине потери тепла превысят тепловыделения, произойдет прогрессивное снижение температуры и распространение горения прекратится.
На основании этого конструируются всевозможные сетчатые и щелевые огнепреградители, предназначенные для предотвращения распространения горения или передачи взрыва, возникшего в оболочках, в окружающую среду.

Контрольные вопросы

1. Дать определение понятий: “тление”, “горение”, “взрыв” и указать факторы, их реализующие.
2. Что является взрывоопасной смесью, взрывоопасной средой?
3. Что является источником зажигания во взрывоопасных зонах?
4. Что образует взрывоопасную газовую среду?
5. Чем образуется пылевоздушная взрывоопасная среда?
6. Дать определение НКПВ и ВКПВ (НПВ и ВПВ).
7. Как оценивается опасная ВЗОС по значениям НКПВ и ВКПВ?
8. Дать определение горючих газов и их классификацию на легкие, тяжелые и сжиженные.
9. Дать определение горючих жидкостей и их классификацию на ЛВЖ и ГЖ.
10. Дать определение НТПВ и ВТПВ и их использование для оценки газопаровоздушных ВЗОС.
11. Дать определение понятий: “температура вспышки”, “температура воспламенения”.
12. Что такое самовоспламенение и тление? Дать определение температуры самовоспламенения и температуры тления.