Для горючих жидкостей характерно то, что температура их кипения всегда ниже температуры самовоспламенения. Вследствие этого горение жидкостей возможное только в паровой фазе. Сгорание образовавшегося пара, происходит практически немедленно после его смешивания с окружающим воздухом. Поэтому скорость выгорания жидкостей определяется скоростью испарения как наиболее медленным процессом.

Испарение жидкостей. Давление насыщенного пара

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное со свободной поверхности при температуре ниже температуры кипения называется процессом испарения. За счетброуновского движения частиц в газовой фазе имеет место и обратный процесс перехода из газообразного состояния в жидкое — конденсация.

Процесс испарения происходит благодаря тепловому движению молекул жидкости. Молекулы, имеющие кинетическую энергию большую, чем энергия межмолекулярного взаимодействия, преодолевают силы поверхностного притяжения жидкости и переходят в газовую фазу. При этом затрачивается определенное количество тепла, которое называется теплотой испарения (парообразования). Теплота испарения зависит только от вида вещества. Эту величинуиспользуют при расчетах для прогнозирования аварийных ситуаций (параметров взрыва) при разливе жидкостей, а также при определении категории помещений по взрыво- и пожарной опасности.

Процесс испарения характеризуется следующими параметрами:

Скорость испарения — количество жидкости, испаряющейся со свободной поверхности в единицу времени.

Интенсивность испарения — количество жидкости, испаряющейся с единицы площади поверхности в единицу времени. Интенсивность испарения зависит от:

• вида жидкости (теплоты испарение);
• температуры жидкости;
• атмосферного давления;
• скорости движения воздуха над поверхностью жидкости.

Перечисленные факторы легко объяснимы. Так, чем меньше теплота испарения жидкости, тем меньше нужно энергии для того, чтобы перевести молекулу вещества из жидкого в газообразное состояние, и тем интенсивнее проходит процесс испарения. Чем выше температура жидкости, тем больше скорость движения молекул и тем большее количество молекул имеет энергию, достаточную для перехода в газовую фазу.

Различают статическое и динамическое испарение. Статическое испарение происходит, если неподвижная жидкость испаряется в неподвижную газовую среду. Динамическое испарение — если жидкость испаряется в движущуюся газовую среду. При одинаковой температуре скорость динамического испарения больше, чем статического.

При испарении в закрытом пространстве спустя некоторое время устанавливается динамическое равновесие — состояние системы, при котором количество жидкости, которая испаряется, равняется количеству сконденсированного пара. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью, называется насыщенным паром.

Если жидкость находится в открытом объеме, то часть пара все время уходит в окружающее пространство. При этом количество испаряющегося вещества, будет превышать количество конденсирующегося вещества, динамическое равновесие не установится, пар будет ненасыщенный, а испарение будет длиться пока вся жидкость не испарится. При заданной температуре давление насыщенного пара жидкости всегда выше, чем ненасыщенного.

Отметим, что давление насыщенного пара зависит от температуры и свойств жидкости и не зависит от количества жидкости или площади испарения.

Численные значения давления насыщенного пара используют при:

• расчете количества испарившейся жидкости;
• определенные степени пожарной опасности насыщенного пара горючей жидкости;
• расчете критических температур жидкости, в закрытом технологическом оборудовании.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ (ТПРП)

Понятие ТПРП и их связь с КПРП

Давление насыщенного пара определяется его концентрацией и зависит от температуры жидкости. При определенных температурах концентрация насыщенного пара жидкости становится равной нижнему или верхнему концентрационному пределу распространения пламя. Таким образом, пожарную опасность горючих жидкостей можно оценивать не по концентрации ее пара, а по температуре самой жидкости. Таким образом вместо концентрационного предела можно указать температуру жидкости, при которой эта концентрация образуется.

Такие температуры называются температурными пределамираспространения пламени. Как и для концентрационных пределов можно определить нижний и верхний температурный пределраспространения пламени.

Температурными пределами распространения пламени (нижним — НТПРП или верхним — ВТПРП) называют такие температуры жидкости, при которых над ее поверхностью образуется насыщенный пар в концентрации, равной (соответственно нижнему или верхнему) концентрационному пределу распространения пламени.

При температурах ниже нижнего температурного предела концентрация насыщенного пара имеет величину ниже нижнего концентрационного предела распространения пламени, то естьявляется безопасной.

При температуре выше верхнего температурного предела жидкость образует насыщенный пар, концентрация которого выше верхнего концентрационного предела, и горения такого пара не будет. Однако, такая смесь насыщенных паров является пожароопасной, так как при выходе из емкости в воздух она может гореть в диффузионном режиме.

Для обеспечения пожаровзрывобезопасности процессов производства, переработки, хранения и транспортировки жидкостей определяют безопасную нижнюю t_нб и безопасную верхнюю t_вб рабочую температуру.

Для упрощенных расчетов безопасные температуры можно определить по формулам:

t_нб < 0,9 (t_н – К_без)

t_вб ≥ 1,1(t_в – К_без)

где К_без — коэффициент безопасности, равный:

для индивидуальных веществ и нефтепродуктов 10,5°С,
для технических и реакционных смесей 14°С.

Температурные пределы, равно как и концентрационные, не являются постоянными величинами и зависят от ряда факторов внешней среды. Характерныеобласти температур жидкостии концентраций ее паров схематически изображены на рисунке:

Использование ТПРП, как показателя пожарной опасности жидкостей, значительно упрощает работу по определению степенипожарной опасности горючих жидкостей, поскольку в отличие от концентрационных пределов не требует применения сложных приборов.

С помощью ТПРП можно:

1) провести сравнительную оценку степени пожарной опасности двух жидкостей.

Например, из трех жидкостей: гексанол (ТПРП составляет 57÷92°С), метанол (5÷39°С), ацетон (-20÷6°С) наиболее безопасным является гексанол, так как он образует опасные концентрации насыщенного пара лишь при повышенных температурах.

2) определить область взрывобезопасных температур работы технологического оборудования. Для обеспечения пожарной безопасности технологических процессов нужно выбирать температурный режим работы аппаратов с таким учетом, чтобы рабочие концентрации находились вне зоны опасных концентраций. Таким образом рабочие температуры должны быть ниже нижнего безопасного или выше верхнего безопасного температурного предела распространения пламени.

t_раб < t_нб и t_раб > t_вб

3) определить степень пожарной опасности паров в емкостях и закрытых технологических аппаратах при фактической температуре.

Например, при фактической температуре 20°С гексанол является безопасным, метанол — взрывоопасным, а ацетон — взрывобезопасным, но пожароопасным.

Условия загорания жидкостей в открытом пространстве. Температура вспышки.

Если жидкость испаряется в открытое пространство, то часть пара все время диффундирует в окружающее пространство. При этом концентрация пара постепенно изменяется по высоте. Непосредственно над поверхностью жидкости она равняется концентрации насыщенного пара, а на большом расстоянии — снижается практически до нуля (кривая 1). Для жидкостей в закрытом пространстве концентрация пара не зависит от расстояния (прямая 2).

где φ_ф — концентрация пара в заданной точке;
l — расстояние от поверхности жидкости.

Часто бывает необходимо оценить степень пожарной опасности фактической концентрации φ′_ф, образовавшейся в производственном помещении при испарении горючей жидкости в открытое пространство. Для этого достаточно разделить массу испарившейся жидкости m_исп на объем помещения V_пом:

φ′_ф = m_исп / V_пом

Для того, чтобы рассчитать площадь разлива, с которой происходит испарение, можно применить соотношение:

где

m_жидк — масса разлившейся при аварии жидкости;
ρ_жидк — плотность жидкости при заданных условиях;
h_жидк — толщина слоя жидкости, разлившейся при аварии.

В практических расчетах, для определения интенсивности испарения жидкости, пользуются эмпирической формулой:

I_исп = Р_нп · μ (0,734 + 1,637v_в) ·10^-6, кг/(м²с)

где

μ — молярная масса вещества кг/кмоль;
Р_нп — давление насыщенного пара при данной температуре, кПа.
v_в — скорость воздуха над поверхностью испарения, м/с.

В открытой системе, для того, чтобы достичь нижнего концентрационного предела распространения пламени для ненасыщенного пара, жидкость необходимо нагреть до температуры немного вышенижнего температурного пределараспространения пламени, что позволитувеличить интенсивность испарения и компенсировать потери пара за счет диффузии.Еслипри этом к поверхности жидкости поднести источник зажигания, то образовавшийся пар вспыхнет.

Вспышка — быстрое сгорание паровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, которое сопровождается кратковременным видимым свечением. При вспышке стойкое горение не наступает, так как скорость испарения жидкости при данной температуре будет меньше скорости выгорания пара.

Температура вспышки — это наименьшая температура жидкости, при которой в условиях специальных испытаний над ее поверхностью образуется пар, способный вспыхивать в воздухе от источника зажигания, однако стойкое горение при этом не возникает.

Связь температуры вспышки t_всп с зависимостью концентрации пара φ_пар от температуры жидкости t_жидк схематически отображена на рисунке.

Жидкость, у которой фактическая температура ниже, чем температура вспышки не представляет пожарной опасности в случае кратковременного воздействия источника зажигания.

Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей по степени их пожарной опасности. Различают горючие и легковоспламеняющиеся жидкости. К горючим (ГЖ) относят жидкости с температурой вспышки больше 61°С. Жидкости с температурой вспышки 61°С и ниже относят к классу легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ). Легковоспламеняющиесяжидкости с температурой вспышки 28°С и ниже относят к особо опасным жидкостям.

Кроме температуры вспышки различают еще температуру зажигания — наименьшую температуру жидкости, при которой после воспламенения пара от источника зажигания устанавливается стационарное горение.

На практике очень часто приходится иметь дело со смесями жидкостей. При оценке степени пожарной опасности смеси, следует иметь в виду, что даже маленькие добавки ЛВЖ к ГЖ могут сильно снизить t_всп смеси.