Воспламенение жидкости и механизм распространения пламени по поверхности жидкости

Горят пары жидкости, а не сама жидкость. Количество паров зависит от скорости испарения.

Испарение – переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения.

Процесс испарения - эндотермический. Если не подводить тепло извне, то жидкость будет охлаждаться.

Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Количество испарившихся молекул равно количеству сконденсировавшихся молекул. Насыщенный пар образуется в закрытом объеме. Пар оказывает давление на стенки сосуда.

Давление насыщенного пара – давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Оно зависит только от температуры жидкости. Это постоянная величина (константа).

Уравнение Антуана описывает зависимость давления насыщенного пара от температуры: lg p = A – B/(t+ C_A)

где А, В, С_А – постоянные Антуана (справочные данные);

t – температура, ^оС.

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона показывает, что с ростом температуры давление насыщенных паров возрастает: lg(p₂/p₁) = [Q_исп/2,303R]×(1/T₁ – 1/T₂)

где Q_исп – теплота испарения жидкости– количество теплоты, необходимой для перевода единицы количесива жидкости в пар (кДж/моль).

С увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастает экспоненциально.

Закон Дальтона: Р_общ = Р_пара + Р_{воздуха}

Для нормальных условий: Р_общ = 101325 Па.

Концентрация паров над поверхностью жидкости: j_п = (Р_п×100)/Р_общ (% об.)

где р_п – парциальное давление.

Давление пара можно найти, если известна его концентрация:

Р_п = (j_п×Р_общ)/100

Для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором концентрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т.е. j_н £ j_п £ j_в.

Концентрации j_н и j_в создаются при определенных температурах, которые называют температурными пределами воспламенения (ТПВ).

Температурные пределы воспламенения (распространения пламени) – такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (НТПВ) и верхнему (ВТПВ) концентрационным пределам воспламенения.

Причем следует отметить, что для создания НКПВ паров над поверхностью жидкости достаточно нагреть до температуры, равной НТПВ, не всю массу жидкости, а лишь только ее поверхностный слой.

Нижний температурный предел (НТПВ) – та температура, при которой над поверхностью жидкости образуются пары в количестве, соответствующем НКПВ.

ТПВ – показатель пожарной опасности жидкости. Для обеспечения пожарной безопасности желательно, чтобы жидкости хранились при температуре ниже НТПВ, или в крайнем случае выше ВТПВ, но в закрытом сосуде.

ТПВ определяются:

1) по КПВ жидкости, исходя из уравнения Антуана:

t_н(в) = B/[(A – lg (j_н(в) ×P_о)/100)] - C_A;

2) по температуре кипения жидкости:

t_н(в) = k t_кип – l

где k и 1 – константы; для алифатических углеводородов, они, например, равны: k = 0,69, 1 = 74 (при расчете в градусах Цельсия);

3) по номограмме зависимости давления насыщенных паров от температуры;

4) по таблицам р_насыщ – температура с помощью метода линейной интерполяции.

Ненасыщенные пары тоже создают давление.

Температура, при которой ненасыщенные пары создают концентрации, соответствующие НКПВ, называется температурой вспышки. НКПВ создается насыщенными парами, температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПВ.

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

Хотя при температуре вспышки имеет место кратковременное воспламенение паров в воздухе, которое не способно перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее при определенных условиях вспышка жидкости способна явиться источником возникновения пожара.

Т_всп – важный показатель пожарной опасности жидкости. По ней все жидкости разделяются на классы:

1 класс – температура вспышки до 28^оС в закрытом тигле (ацетальдегид, бензол, гексан, диэтиловый эфир, изопропиловый спирт).

2 класс – температура вспышки от 29 до 61^оС (бутиловый спирт, кумол, стирол).

Жидкости 1 и 2 классов относятся к ЛВЖ (легковоспламеняющиеся жидкости).

3 класс – температура вспышки от 62 до 120^оС (анилин, этиленгликоль).

4 класс – температура вспышки выше 120^оС (глицерин, трансформаторное масло).

Жидкости 3 и 4 классов относятся к ГЖ.

Температура воспламенения – наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.

Температура вспышки и температура воспламенения теоретически может быть определена по уравнению Блинова: Т_{всп (воспл)} = В_пр/(nD_oP_(Tвсп))

где P_(Tвсп) – парциальное давление насыщенных паров жидкости при температуре вспышки (воспламенения);

В_пр – константа метода определения (В = 28 для закрытого сосуда, В = 45 для открытого сосуда, В = 53 при определении температуры воспламенения);

n- количество молекул кислорода, необходимого для окисления одной молекулы вещества;

D_o – коэффициент диффузии (м²/с).

Сразу определяют Т_{всп (воспл)}× P_(Tвсп) = В_пр/nD_o. Затем берут любую температуру, находят соответственно P и РТ, сопоставляют с В_пр/nD_o. Методом приближений находят требуемую температуру.

У ЛВЖ температура воспламенения выше, чем температура вспышки на 1-5^оС. При этом чем ниже температура вспышки, тем меньше разность между этими двумя температурами.

У ГЖ, имеющих высокую температуру вспышки, различие между этими температурами доходит до 25-3^оС.

Пусть имеем емкость с жидкостью. Вносим источник зажигания.

Поверхность жидкости нагревается и идет испарение. Когда концентрация паров станет равна нижнему концентрационному пределу распространения пламени, произойдет воспламенение жидкости. Даже если убрать источник зажигания, пламя будет нагревать близлежащую поверхность, т.е. пламя перемещается по поверхности жидкости.

Жидкости нагреваются до температуры кипения. Концентрация паров над жидкостью выше нижнего концентрационного предела.

Пламя обычно не соприкасается с поверхностью (отрыв пламени), т.к. вблизи поверхности концентрация выше ВКПВ и только на некотором расстоянии концентрация соответствует КПВ.

Скорость распространения пламени – путь, пройденный фронтом пламени по поверхности жидкости в единицу времени.

Скорость распространения пламени для жидкости при нормальных условиях – величина постоянная (справочная) и является показателем пожарной опасности жидкости.

Скорость почти прямо пропорционально зависит от начальной температуры жидкости. Она определяется скоростью прогрева поверхности жидкости под действием лучистого теплового потока от пламени.

Чем выше температура вспышки жидкости и теплота ее испарения, тем более длительное время необходимо, чтобы прогреть ее до образования горючей паровоздушной смеси, тем, следовательно, ниже скорость распространения пламени.

Скорость зависит от направления воздушных потоков. Против ветра - скорость меньше, по направлению – скорость больше.

При изменении начальной температуры жидкости в открытой емкости в широком диапазоне вплоть до температуры кипения скорость распространения пламени будет изменяться от нескольких мм/с до 3-4 м/с. С максимальной скоростью пламя всегда будет распространяться по смеси, близкой к стехиометрической.