МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Новосибирский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии» (НТИ (филиал) «МГУДТ») Кафедра: «Охрана труда и промышленное строительство» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторной работы «Определение температуры вспышки горючих жидкостей» по дисциплинам: «Безопасность непродовольственных товаров» и «Безопасность жизнедеятельности» для студентов дневной и заочной формы обучения Новосибирск 2012 Составители: доц., к.т.н. Тихонова О.В. доц. Пугачёва Л.Н. ст.пр. Кондрашова О.В. Рецензент: доц., к.т.н. Высоких Н.С Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры ОТПС от 15.03.2012, протокол № 7. Методические указания к лабораторной работе. Новосибирск. Изд. НТИ (филиал) «МГУДТ» 2012., 15 с. Список литературы 8 наименований. Содержание 1 Цель работы…………………………………………………………….…………….......4 2 Общие теоретические сведения……………………………………………….…….......4 2.1 Классификация пожаров и взрывов и причины их возникновения………….….....4 2.2 Механизм возникновения пожаров и взрывов………………………………….……5 2.3 Характеристики взрывопожароопасности материалов и веществ………………...7 2.4 Категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности….11 3 Описание используемого прибора ПВНЭ………………………………..………......13 4 Порядок выполнения работы……………………………………………….….……...14 5 Контрольные вопросы…………………………………………………….….………..15 6 Литература………………………………………………………….…………………..16 1 Цель работы Изучить методику определения температуры вспышки и воспламенения горючих жидкостей и категории пожарной опасности производства. 2 Общие теоретические сведения Пожары и взрывы, как сложные причинно-следственные явления, возникают на объектах, где имеются горючие и взрывоопасные вещества и источники зажигания. Использование в промышленности горючих жидкостей вызывает необходимость принимать меры по предупреждению их пожарной опасности. Пожарная опасность – возможность возникновения или развития пожара, заключенная в каком-либо веществе, состоянии или процессе. 2.1 Классификация пожаров и взрывов и причины их возникновения Согласно ГОСТ 12.1.004-91*/1/ , пожар - это процесс, характеризующийся социальным и (или) экономическим ущербом в результате воздействия на людей и (или) материальные ценности факторов термического разложения вне специального очага, а также применяемых огнетушащих средств. В соответствии с ГОСТ 27331-87 /2/ пожары различают по классам: А - горение твердых веществ; В - горение жидких веществ; С - горение газообразных веществ; Д - горение металлов и их сплавов; Е - горение электроустановок, находящихся под напряжением. От класса зависит выбор методов и средств тушения. Взрыв - это быстропротекающий процесс высвобождения внутренней энергии, создающий избыточное давление. Взрыв может происходить с горением (процессом окисления) - химический взрыв или без него - физический взрыв. 2.2 Механизм возникновения пожаров и взрывов В большинстве случаев горение происходит в результате экзотермического окисления горючего вещества окислителем. Разновидностью горения является химический взрыв - быстрое превращение веществ с тепловым или цепным ускорением процесса (разложение взрывчатых веществ, распад ацетилена и др.). Для возникновения горения необходимо одновременное наличие трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания. Устранение любого из этих компонентов исключает возможность горения, что широко используют в некоторых технологических процессах, в профилактике и тушении пожаров. В качестве горючих могут быть твердые (пылеобразные), жидкие (парообразные) и газообразные вещества. Окислителем чаще всего является кислород воздуха, но в производственных условиях могут быть хлор, закись азота и другие вещества. От соотношения горючего и окислителя зависит содержание продуктов горения. Соотношения горючего и окислителя, при котором ни один из компонентов не остается в избытке, называется стехиометрическим. Источниками зажигания являются открытое пламя, раскаленные и нагретые поверхности, искры, неисправные электрооборудование и сети, разряды статистического и атмосферного электричества и другие источники, энергия которых достаточна для начала реакции горения. Особый случай возникновения пожара - это самовозгорание веществ. Причинами самовозгорания могут быть - микробиологическое окисление; - химическое окисление при взаимодействии с воздухом, водой или одних веществ с другими. Смесь твердых, жидких или газообразных веществ с окислителем в определенных пропорциях образует горючую или взрывоопасную смесь. Под действием источника зажигания смесь воспламеняется и начинается процесс горения и распространения пламени. После выгорания горючего вещества или прекращения поступления окислителя горение прекращается. Для обычного горения характерна дозвуковая скорость распространения пламени. Взрывы характеризуются сверхзвуковой скоростью возникновения пламени и быстрым выделением большого количества энергии. В результате взрыва взрывоопасная смесь практически мгновенно превращается в сильно нагретый газ с высоким давлением. Образуется взрывная (ударная) волна, вызывающая разрушение объектов. Высокая температура продуктов взрыва является причиной последующего пожара. Механизм горения газов, жидкостей и твердых веществ существенно различен. Зажигание горючих газовых и паровых смесей может происходить при их контакте с нагретыми поверхно- стями, искрами или пламенем. Горение и химическое превращение горючей смеси начинается в точке зажигания и последовательно распространяется на близлежащие слои до полного выгорания горючей смеси. Перед распространяющимся фронтом пламени находится свежая горючая смесь, а сзади - продукты горения. Горение жидкостей происходит в паровой фазе. В результате испарения над поверхностью жидкости образуется слой пара, который, смешиваясь с кислородом воздуха, создает горючую смесь. Количество горючей смеси зависит от скорости испарения, обусловленной летучестью вещества, его температурой, подвижностью воздуха и давлением среды над поверхностью испарения. Зоной горения является тонкий светящийся слой, в который с поверхности жидкости поступает пар, а из воздуха – кислород. Устойчивое горение происходит в том случае, если скорость испарения равно скорости сгорания пара. Горение твердых веществ происходит также в паровой и газовой фазах. Воздействие внешнего тепла источника зажигания вызывает нагрев твердой фазы и ее разложение с выделением горючих паров и газов. Продукты разложения воспламеняются и сгорают. Выделяющееся тепло нагревает следующие слои твердого вещества, вызывая поступление в зону горения новых порций горючих паров и газов. Горение аэрозолей (смеси твердых частиц пыли с воздухом) и аэрогелей (смеси распыленных частиц жидкости с воздухом) по механизму ближе к горению газовоздушных и паровоздушных горючих смесей. Это объясняется очень большой поверхностью окисления и непосредственным контактом каждой частицы с кислородом воздуха. Пламя в аэровзвесях распространяется с большой скоростью, а горение носит взрывной характер. При горении аэрозолей взрывная волна взметает осевшую пыль. Образуется свежая взрывоопасная смесь с большей концентрацией горючей фазы. Зажигание этой аэровзвеси приводит к усилению взрыва. Такое явление наблюдается при взрывах пыли на угольных шахтах и производствах с большим выделением горючих пылей. 2.3 Характеристики взрывопожароопасности материалов и веществ По горючести все вещества и материалы подразделяют на три группы: - негорючие - вещества и материалы, не способные к горению на воздухе; - трудногорючие - вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные гореть самостоятельно после удаления источника зажигания; - горючие - вещества и материалы, способные возгораться от источника зажигания или самовозгораться на воздухе и продолжать самостоятельное горение. Вспышкой, называют быстрое сгорание горючей смеси над поверхностью вещества, не переходящее в устойчивое горение, а температурой вспышки - самую низкую температуру вещества, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания. Температура вспышки является показателем взрывоопасности горючих жидкостей и твердых веществ. По температуре вспышки различают легковоспламеняющиеся вещества, у которых температура вспышки ниже 61 °С, и горючие с температурой вспышки выше 61 °С. Например, ацетон, бензин, керосин, имеющие температуру вспышки соответственно -50, -17 и +28 °С, относят к легковоспламеняющимся жидкостям (ЛВЖ), а смазочные масла (Твсп > 180 °С) - к горючим (ГЖ). Показатели горючести веществ и материалов используют при определении категорий помещений по взрывопожарной опасности в соответствии с нормами технологического проектирования /3/, а также взрывоопасных и пожароопасных зон для выбора и эксплуатации электрооборудования /4/. Способность газов и паров гореть и взрываться зависит от их концентрации в воздухе. Различают нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР) -наименьшую концентрацию горючего в смеси с окислителем в процентах по объему, которая уже способна воспламеняться от внешнего источника зажигания и распространять пламя на весь объем. Смесь с НКПР называют бедной горючей смесью. При меньшей концентрации горючего смесь не воспламеняется. Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПР) - наибольшая концентрация горючего в смеси с окислителем, которая еще способна воспламеняться. Это богатая горючая смесь. При большей концентрации горючего в смеси уже недостаточно окислителя для процесса химического превращения вещества. Самыми опасными являются средние концентрации между нижним и верхним пределами распространения пламени. Чем шире диапазон, тем опаснее вещество. Например, пределы распространения пламени метановоздушной смеси составляют 5-15 % по объему, а для водородно-воздушных смесей - 4,5-75 %. С повышением температуры смесей концентрационные пределы расширяются. Уменьшение давления ниже атмосферного сужает область воспламенения. Концентрационные пределы распространения пламени и температуры вспышки для индивидуальных веществ определяют экспериментально. Они являются справочными величинами (табл. 2.1). Таблица 2.1 – Показатели взрывопожароопасности некоторых веществ и материалов/1/ Вещество Аммиак Ацетилен Ацетон Бутан Водород Метан Метиловый спирт Окись углерода Пропан Сероуглерод Толуол Этиловый спирт Уайтспирит Пожароопасность ГГ ВГ ЛВЖ ГГ ГГ ГГ ЛВЖ Формула NH3 C2H2 C3H6O C4H10 H2 CH4 CH4O ГГ М 17,03 26,04 58,80 58,12 2,0 16,04 32,04 tвсп, °С -18 -69 -181 6 tс.в., °С 650 335 540 405 510 537 440 НКПР, % 15,0 2,5 1,43 1,80 4,09 5,28 6,70 ВКПР, % 28,0 81,0 13,0 8,5 75 14,1 35,5 Wmin, мДж 680 0,011 0,41 0,25 0,017 0,28 0,14 Pmax, кПа 588 1009 572 843 730 706 620 Hт , МДж/кг 18,29 49,96 31,36 44,14 120,8 50,0 23,84 ρп.г., кг/м3 0,706 1,079 2,408 2,410 0,083 0,655 1,328 Pн, кПа 24,35 12,69 CO 28,01 - 605 12,5 74,0 8,0 730 10,10 1,161 - ГГ ЛВЖ C3H8 CS2 44,1 76,13 -43 470 102 2,31 1,33 9,4 50,0 0,25 0,009 843 780 46,35 14,02 1,828 3,156 39,49 ЛВЖ ЛВЖ C7H8 C2H6O 92,14 46,07 4 13 536 400 1,25 3,61 6,8 17,8 0,26 0,246 634 682 40,94 30,56 3,820 1,910 2,9 5,76 ЛВЖ C10,5H21 147,3 33-36 250 0,7 5,6 0,33 - - 6,107 0,37 Обозначения: М – молекулярная масса; tвсп - температура вспышки; tс.в. - температура самовоспламенения; ГГ – горючий газ; ВГ – взрывчатый газ; ЛВЖ – легковоспламеняющаяся жидкость; Wmin - минимальная энергия зажигания; Pmax - максимальное давление взрыва; Hт - теплота сгорания; ρп.г. - плотность пара или газа при Р = 101 кПа и t = 20 °С; Рн давление насыщенного пара при t = 20 °С. Для многокомпонентных смесей пределы определяют расчетом: НКПР(ВКПР) = 100/(a1 /KПP1 + а2/КПР2 + .... + аn/КПРn), где - a1, a2, .... аn - процентное содержание индивидуальных горючих веществ в горючей смеси; - КПР1 КПР2, .... КПРn -нижний или верхний пределы распространения пламени для соответствующих индивидуальных веществ. Основным параметром, характеризующим пожарную опасность аэрозолей, является нижний концентрационный предел взрываемости, измеряемый в граммах на кубический метр горючей смеси. Верхний предел для аэровзвесей твердых веществ очень высок, поэтому его определяют редко. Область распространения пламени аэровзвесей зависит от крупности частиц, их влажности и содержания негорючих (инертных) веществ в составе пылей. НКП пылей размером менее 100 мкм с влажностью до 5 % колеблется в широких пределах. Например, для алюминиевого порошка он составляет 58 г/м3, железного порошка - 100 г/м3, сахара - 8,9 г/м3, серы - 2,3 г/м3. По степени взрывопожароопасности пыли делят на две группы и четыре класса. Пыли с НКПВ до 65 г/м3 относят к группе «А», в которой выделяют 2 класса. 1 класс - пыли с НКПВ менее 15 г/м3 , 2 класс - пыли с НКПВ от 15 до 65 г/м3 . Пыли с пределом распространения пламени выше 65 г/м3 относят к группе «Б», в которой выделяют пыли с температурой самовоспламенения менее 250 °С (3 класс) и пыли с температурой самовоспламенения более 250 °С (4 класс). На практике НКПР и ВКПР используют в технологических процессах, где обращаются горючие газы, жидкости и пыли. В таких процессах поддерживают концентрацию горючих веществ ниже нижнего или выше верхнего предела распространения пламени. В системах аварийной сигнализации и вентиляции датчики автоматического включения настраивают на содержание горючих веществ в атмосфере помещений, равное 0,5∙НКПР. Концентрационные пределы используют в расчетах вероятности образования горючей смеси в помещениях и определении категории помещений по пожаровзрывоопасности. Жидкие, твердые и дисперсные горючие вещества характеризуются температурой воспламенения - наименьшей температурой вещества, при которой выделяются пары и газы с такой скоростью, что после их воспламенения от источника зажигания возникает устойчивое горение. Температура воспламенения - это наименьшая температура вещества, при которой происходит резкое ускорение экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением. Этот показатель применяют для обеспечения пожаровзрывобезопасности технологических процессов, классификации горючих веществ по группам взрывоопасных смесей, а также для выбора взрывозащищенного электрооборудования. Для оценки пожароопасности и выбора безопасных температурных режимов ведения технологических процессов с применением горючих газов и жидкостей используют температурные пределы распространения пламени. Нижним температурным пределом называют наименьшую температуру вещества, при которой его насыщенные пары образуют в окислительной среде концентрации, соответствующие нижнему концентрационному пределу. Верхним температурным пределом является температура вещества, при которой насыщенные пары образуют концентрации, равные верхнему концентрационному пределу распространения пламени. Температура вспышки всегда меньше температуры воспламенения данной жидкости. Поэтому пожарная опасность жидкости характеризуется температурой вспышки. Её определяют при помощи прибора Мартенс-Пенского типа ПВНЭ с электронагревом или прибора типа ПТВ-1. Температуру вспышки можно рассчитать, пользуясь приближенной эмпирической формулой: Тв=0,736Тк , (1) где - Тв – температура вспышки, К; - Тк – температура кипения, К. Пример. tк бензола составляет 80,1ο С (Тк = 273+80 = 353К). Тв = 0,736∙353=260 К или tрв = 260-273= -13°С (по справочнику -14°С), где tрв – расчетная температура вспышки, °С. Температура вспышки (οС) исследуемой жидкости с учетом атмосферного давления определяется по формуле: tв= tрв +∆t, (2) где tрв – расчетная температура вспышки, οС; ∆t – поправка на атмосферное давление. Поправку прибавляют в случае барометрического давления ниже 760 мм.рт.ст. и вычитают в случае барометрического давления выше 760 мм.рт.ст. В приведенной ниже таблице 2.2 даны поправки с точностью до 1°С. Таблица 2.2 – Поправки температуры с учетом барометрического давления Барометрическое давление в мм.рт.ст. Поправка в 1°С 630-658 +4 659-687 +3 688-716 +2 717-745 +1 746-774 0 775-803 -1 Способы предупреждения воспламенения: поддержание температуры жидкости ниже температуры вспышки; заполнение свободного объема над жидкостью негорючими газами или парами (азот, углекислота, выхлопные и топочные газы). Содержание кислорода в этих газах не должно превышать 5%; добавка негорючих или тормозящих горений жидкостей; использование взрывозащитного оборудования, проведение мероприятий по уменьшению электризации жидкости и др.; надежное уплотнение аппаратуры и трубопроводов при нагреве жидкости выше температуры самовоспламенения, препятствующее проникновению окислителя. 2.4 Категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности Пожаровзрывоопасность производства определяется параметрами пожароопасности и количеством используемых в технологических процессах материалов и веществ, конструктивными особенностями и режимами работы оборудования, наличием возможных источников зажигания и условий для быстрого распространения огня в случае пожара. Согласно НПБ 105-03/3/ все объекты в соответствии с характером технологического процесса по взрывопожарной и пожарной опасности подразделяются на пять категорий (табл. 2.3). Обозначенные выше нормы не распространяются на помещения и здания для производства и хранения взрывчатых веществ, средств инициирования взрывчатых веществ, здания и сооружения, проектируемые по специальным нормам и правилам, утвержденным в установленном порядке. Категории помещений и зданий, определяемые в соответствии с табл. 2.3, применяют для установления нормативных требований по обеспечению взрывопожарной безопасности указанных зданий и сооружений в отношении планировки и застройки, этажности, площадей, размещения помещений, конструктивных решений, инженерного оборудования и т.д. Категории помещений определяются путем последовательной проверки принадлежности помещений к категориям от высшей (А) к низшей (Д). При определении категорий помещений А, Б по взрывной и пожарной опасности необходимо в каждом конкретном случае проверять расчетом избыточное давление взрыва . Таблица 2.3 – Категории помещений и зданий по пожарной и взрывной опасности Категория помещений Характеристика веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в помещении А (взрывопожароопас- Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой ная) вспышки не более 28 °С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа. Б (взрывопожароопас- Горючие пыли и волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с темпераная) турой вспышки более 28°С, горючие жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. В1 - В4 (пожароопас- Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие ные) вещества и материалы( в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся к категории А или Б. Г Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. Д Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии. 3 Описание используемого прибора ПВНЭ Прибор для определения температуры вспышки нефтепродуктов с электрическим подогревом (ПВНЭ) состоит из следующих основных частей (рис.3.1): латунного тигля 4, который служит резервуаром для наполнения испытуемой жидкости, крышки тигля, на которой укреплены заслонка с механизмом открывания 6, зажигательного приспособления 5, наклонной трубки для термометра 8, мешалки 3 с гибким валиком 7 (мешалка имеет две лопасти: нижнюю для перемешивания жидкости и верхнюю для смешивания паров жидкости с воздухом), воздушной нагревательной ванны 1 с электронагревателем 2. Рис.3.1. Прибор ПВНЭ для определения температуры вспышки: 1 – воздушная ванна; 2 – электронагреватель; 3 – мешалка; 4 – латунный тигель; 5 – зажигательное приспособление; 6 – механизм открывания заслонки; 7 – гибкий валик; 8 – термометр. 4 Порядок выполнения работы 1. Изучить устройство ПВНЭ (прибор для определения темпе- ратуры вспышки нефтепродуктов с электрическим подогревом). 2. Рассчитать температуру вспышки горючей жидкости, пользуясь приближенной эмпириче- ской формулой (1), принимая температуру кипения этилового спирта 78,3°С (концентрация 100%). Определить истинную температуру вспышки паров испытуемой жидкости по формуле (2). 3. Определить температуру вспышки испытуемой жидкости, заданной концентрации, прибо- ром ПВНЭ. Перед испытанием промыть тигель бензином и эфиром и тщательно высушить. Налить испытуемую жидкость в тигель до нанесенной на его внутренней поверхности круговой риски. Установить тигель в воздушную ванну и закрыть крышкой. Вставить термометр в наклонную трубку воздушной бани. Включить нагревательный элемент в сеть через ЛАТР и отрегулировать скорость нагрева жидкости. Увеличивать напряжение питания ПВНЭ выше 150 В запрещается. Эксперимент проводить в следующем порядке: а) Для жидкостей с температурой вспышки выше 150°С температуру жидкости повышать со скоростью 10 – 12 град/мин, а для жидкостей с температурой вспышки ниже 150°С – со скоростью 5 – 8 град/мин при периодическом помешивании мешалкой; Наименование горючей жидкости, концентрация № пробы на вспышку Показания термометра, °С Температура вспышки, °С Барометрическое давление, мм.рт.ст. Поправка на барометрическое давление, °С Расчетное значение температуры вспышки, °С Характеристика пожарной опасности производства* б ) когда темпера 1 2 3 4 ратура жид кости будет на 10°С ниже ожидаемой температуры вспышки, скорость нагревания уменьшить до 2 град/мин при непрерывном перемешивании мешалкой; в) через каждые 2°С повышения температуры жидкости пробовать вызвать вспышку, поворачивая головку механизма заслонки так, чтобы пламя доходило до центра отверстия крышки. Отверстие крышки разрешается оставлять открытым не более 1 с. Если вспышка не произошла, испытуемую жидкость продолжать перемешивать, повторяя операцию зажигания через каждые 2°С. Вспышки фиксируются появлением синего пламени над поверхностью жидкости. За температуру вспышки принимается показание термометра перед последней пробой, которая дала положительный результат. Отключить ПВНЭ от электросети. Результаты исследований занести в табл. 4.1 Таблица 4.1 – Результаты эксперимента 5 * - клас сификация производств по взрыво- и пожароопасности определяют по НПБ 105-03 /3/ или по таблице 2.3. 5 Контрольные вопросы: 1. Классификация пожаров (классы). 2. Основные характеристики взрывопожароопасности материалов и веществ: температура вспышки, температура воспламенения, НКПР, ВКПР, НТПР, ВТПР. 3. Категории помещений и зданий по пожарной и взрывоопасности. 4. Принцип устройства работы прибора ПВНЭ. Литература 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. ГОСТ 12.1.004-91.* ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. М.: Госстандарт, 1992. ГОСТ 27331-87. Пожарная техника. Классификация пожаров. НПБ-105-03.Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. Правила устройства электроустановок: СПб: ДЕАН, 2000. ГОСТ 12.1.033-81*. ССБТ. Пожарная безопасность. Термины и определения. ГОСТ 12.1.004-89*. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. Безопасность жизнедеятельности в техносфере: Учеб. пособие /Под ред. О.Н. Русака и др.; - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. - 431 с. Безопасность жизнедеятельности в легкой промышленности: Учебник для студ. высш. уч. заведений/В.А. Кравец, Г.А. Свищев и др. – М.: Изд. Центр «Академия», 2006. –432 с.