Диссертация (Пожарная безопасность газовых технологических сред производственных процессов нефтегазовой отрасли), страница 10

Установка позволяет определятьконцентрационные пределы распространения пламени по горючей газовой смеси,максимальное развиваемое при распространении пламени давление взрыва, атакже максимальную скорость нарастания давления взрыва и нормальнуюскоростьраспространенияпламенипутемматематическойобработкиэкспериментально полученной в процессе регистрации давления при горенииисследуемой газовой смеси в замкнутом сосуде кривой «давление-время». Схема58установки представлена на рисунке 2.1. Методика работы на ней достаточноподробно изложена в работах [116, 128, 156] и др.

Основные положения этойметодики кратко изложены ниже.Эксперименты на установке «Вариант» проводят при начальном давлениигазовой смеси до 4 МПа и начальной температуре до 473 К. Реакционный сосуд(4) имеет объем 4,2 дм3, сделан из нержавеющей стали и представляет собойсферу с внутренним диаметром 0,2 м. Установка включает в себя также системуприготовления парогазовых смесей (11), обеспечивающую вакуумированиереакционного сосуда, и подачу в него отдельных компонентов газовой смеси.После вакуумирования реактора задавалась исследуемая смесь по парциальнымдавлениям.Рисунок 2.1 – Схема экспериментальной установки «Вариант»:1 – газовый кран; 2 − парогенератор; 3 − датчик давления; 4 – реакционный сосуд;5 − термостат; 6 − система зажигания; 7 − пульт управления; 8 − АЦП;9 − термопара; 10 − вакуумный насос; 11 − система приготовленияпарогазовой смеси; 12 − вакуумметрИсточник зажигания был установлен в центре сосуда.

В качестве источниказажигания возможно использование пережигаемой нихромовой проволочки59диаметром 0,2 мм и длиной 3 ± 1 мм. Для пережигания проволочки на нееподается напряжение питания 42 ± 2 В. Данная система обеспечивает энергиюзажигания 8–10 Дж. Возможно также использование искрового зажигания вцентре реактора. В этом случае система представляет собой блок искровогозажигания «Искра − 2», обеспечивающий регулируемую энергию разряда от 7мДж до 2 Дж.

Развиваемое при горении в замкнутом сосуде давлениерегистрируется с помощью быстродействующего тензометрического датчикадавления «Карат ДИ» с постоянной времени не более 10–3 с.2.2 Методика определения характеристик диффузионного горенияОпытыпоопределениюогнетушащихконцентрацийприподачефлегматизатора одновременно в горючее и окислитель проводились наэкспериментальной установке «Диффузия», схема которой приведена на рисунке2.2.Экспериментыпоопределениюогнетушащихконцентрацийфлегматизатора при его одновременной подаче в горючее и окислительпроводились следующим образом. Получение горючей смеси заданного состава(горючей газ с флегматизатором при различном объемном содержаниифлегматизатора) осуществлялось посредством подачи водорода и флегматизаторачерез электропневмоклапаны (3, 4) и ротаметры (5, 6) в общую газовуюмагистраль.

Для грубой регулировки расходов газов использовались вентили (1,2). Для точной регулировки расходов газов использовались винты точнойрегулировки, установленные на ротаметрах. Длина общей газовой магистралисоставляла не менее 20 калибров горелки, что обеспечивало необходимое60качество перемешивания газов. Общая газовая магистраль соединялась сгорелкой.Рисунок 2.2 – Схема экспериментальной установки «Диффузия»:1, 2, 13, 14 – вентили; 3, 4, 15, 16 – электропневмовентили; 5, 6, 17, 18 –ротаметры; 7 – вход вытяжной вентиляционной системы; 8 – реакционныйцилиндр; 9 – горелка Бунзена; 10 – электроды зажигания; 11 – компрессор; 12 –буферная емкостьИспользованныевработеротаметрыимелиградуировочнуюхарактеристику по рабочему газу в виде воздуха.При использовании ротаметров для газов, отличных от воздуха поплотности, с целью более близкого приближения к действительной величинерасходаизмеряемогогазабылипроведеныпересчетыградуировочныххарактеристик ротаметров по формуле:Q2  Q11,2(2.1)61где Q2 – расход измеряемого газа в рабочих условиях, м3/ч;Q1 – расход воздуха при градуировке, м3/ч;ρ1 – плотность воздуха, кг/м3;ρ2 – плотность исследуемого газа, кг/м3.В силу того, что эксперименты проводились в помещении при комнатнойтемпературе, а давление в газовых магистралях практически равно атмосферному,так как скорости истечения составляют несколько десятков см/c, то плотностигазов ρ1, ρ2 можно принять равными соответствующим плотностям принормальных условиях.

В условиях проведения экспериментов 1 / 2  M1 / M 2 −отношение плотностей равно отношению молекулярных масс M1 и M2. Сиспользованием этой корреляции рассчитывались расходы флегматизатора игорючего газа для получения необходимого соотношения между горючим газом ифлегматизатором в горючей среде, воздухом и флегматизатором в окислительнойсреде.Аналогичным образом осуществлялось получение окислительной средызаданного состава (смесь флегматизатора с воздухом при заданной концентрациифлегматизатора).Выходгазовоймагистралисокислительнойсредойрасполагался в непосредственной близости от горелки (расстояние между осямигорелки и магистрали с окислительной средой составляло 4 см).

Для исключениявлияния внешнего окислителя (кислорода воздуха) на результаты экспериментовгорелка помещалась в реакционный стеклянный цилиндр (8) диаметром 10 см ивысотой 40 см. Для получения равномерного потока окислительной среды вокруггорелки над выходом магистрали с окислительной средой располагалась засыпкаиз стеклянных шариков высотой 4 см, диаметр шариков 8 мм. Горючая смесьзажигалась с помощью электрической искры, возникающей в результате разрядамежду электродами зажигания (10). Продукты горения удалялись из помещения спомощью вытяжной вентиляционной системы (7). Внутренний диаметр горелкисоставлял 10 мм. Во время опытов поддерживали постоянные объемные расходысоставов горючее – флегматизатор и воздух – флегматизатор, при этом62варьировалисоотношения горючее/флегматизатор и воздух/флегматизатор.Гашение пламени регистрировали с помощью веб- камеры.63ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯФТОРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ СМЕСЕЙ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ СОКИСЛИТЕЛЬНЫМИ СРЕДАМИ НА ОСНОВЕ КИСЛОРОДА3.1 Постановка задачиИнтерес к изучению флегматизации горения газовых смесей с различноймольной долей кислорода определяется тем обстоятельством, что на практикесодержание кислорода в технологической среде может отличаться от егосодержания в воздухе.

Исследования, относящиеся к этой проблеме, проведены восновном с газами и парами органических соединений. Во всех работах отмечаетсяослабление тормозящего действия добавок флегматизатора при увеличениисодержания О2 (например, [1, 20, 80 – 84]). Такую зависимость от содержания О2наблюдали в том числе при изучении воздействия пористой твердотельнойструктуры на горение Н2 и СН4 [85].Как известно, дефлаграционное распространение пламени представляет собойпослойное воспламенение горючей смеси. Поскольку процесс горения являетсяразветвлено- цепным, то воспламенение происходит в результате превышенияскорости разветвления цепей над скоростью обрыва.

В водородно-кислороднойсмеси условием выполнения воспламенения является соотношение [86]:  2kP fO2  kобр fO2 [M]  kIn f In ,где kp – константа скорости реакции разветвления цепей:(3.1)64H + O2 = OH + H,(3.I)за которой следуют реакции регенерации и размножения активных частиц:OH + H2 = H2O + H;(3.II)O + H2 = OH + H,(3.III)kобр – эффективная константа скорости реакции тримолекулярного обрыва,учитывающая не только процесс:H + O2 + M = HO2 + M,(3.IV)но и реакции, приводящие к частичной регенерации активных центров (например,HO2 + H2 = H2O2 + H). В выражении (3.1) и в реакционной схеме М – третья частица,отбирающая избыток энергии у радикала HO2; f O2 и f In – мольные доли кислородаи ингибитора соответственно.

Величина kIn , входящая в выражение (3.1), являетсяконстантой скорости обрыва реакционных цепей в результате реакции атома Н сингибитором.Однако для распространения пламени необходимо, чтобы выделившееся взоне горения тепло разогрело соседний свежий слой до той температуры, прикоторой возможно цепное воспламенение. Обратим внимание на то, что довоспламенения данного слоя газа его саморазогрев незначителен, поскольку безцепной лавины скорость процесса крайне мала. Повышение температурыобеспечивается потоком тепла из соседнего, уже горящего слоя.