МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХЕРСОНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра ЭКОЛОГИИ и БЖД
Методические указания
к проведению практической работы № 3
Определение концентрационных пределов
воспламенения газов и паров
по дисциплине
«Охрана труда»
для студентов всех специальностей
Херсон 2009
Составил: д. т.н. профессор
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
1.1. Ознакомиться с методами расчёта концентрационных пределов воспламенения газов и паров по ГОСТ 12.1.039-82.
1.2. Определить экспериментально концентрационные пределы воспламенения (взрываемости) паровоздушных смесей.
1.3. По найденному (теоретически) нижнему пределу воспламенения в соответствии с ГОСТ 12.1.011-78 определить предельно допустимую взрывобезопасную (невоспламеняемую) концентрацию горючего вещества (ПДВК).
1.4. По найденному нижнему приделу взрываемости и температуре вспышки в соответствии со СниП П-90-61 определить категорию пожарной опасности производства, связанного с применением исследуемых веществ.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
В соответствии со свойствами и количеством горючих веществ, могущих образовывать взрывоопасную смесь, промышленные предприятия подразделяются на следующие категории: А, Б, В, Г, Д, Е.
Категория производства по пожарной опасности в значительной степени определяет требования к промышленным зданиям, их конструкции и планировке, организация пожарной охраны и её техническое оснащённости. По категории пожарной опасности можно определить, например, допустимую степень огнестойкости зданий, их этажность, разрыв между зданиями. По категории пожарной опасности, степени огнестойкости и кубатуре, зданий можно правильно определить необходимое количество воды для наружного и внутреннего тушения пожаров, выбрать необходимые системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, водоснабжения, освещения и средств для тушения пожаров. Кроме того, может быть определено расстояние до эвакуационного выхода от наиболее удалённого рабочего места, ширина проходов и площадь этажа между противоположными стенами.
Особое значение в предупреждении взрывов отводится выбору электрооборудования. Во взрывоопасных помещениях применяют только взрывозащищенное оборудование, которое не вызывает взрывов в рабочих помещениях благодаря специальному устройству.
Ниже приведена характеристика категорий помещений промышленных предприятий:
Категория А (взрывоопасные)
К этой категории относятся производства, на которых образуются горючие газы с нижним пределом воспламенения 10% и ниже и жидкости с температурой вспышки до 28 0С включительно при условии, что указанные газы или жидкости могут образовывать взрывоопасные смеси в объёме, превышающем 5% объёма помещений, а также вещества, способные самовозгораться (самовоспламеняться) и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и друг с другом.
Категория Б (взрывопожарные)
К этой категории относятся производства, на которых образуются горючие газы, нижний предел воспламенения которых выше 10%, а также жидкости с температурой вспышки от 28 до 61 0С включительно, или нагретые до температуры вспышки и выше горючие пыли или волокна, нижний концентрационный предел воспламенения которых более 65 г/м3, вещества, способные только гореть, но не взрываться при контакте с воздухом, водой или друг с другом, а также твёрдые сгораемые вещества и материалы.
Категория В (пожароопасные)
К этой категории относятся производства, на которых обращаются жидкости с температурой вспышки выше 61 0С и горючие пыли, нижний концентрационный предел воспламенения которых более 65 г/м3, вещества, способные только гореть, но не взрываться при контакте с воздухом, водой или друг с другом, а также твёрдые сгораемые вещества и материалы.
Категория Г (невзрывоопасны)
К этой категории относятся производства, на которых обращаются негорючие вещества и материалы в горячем, раскалённом или расплавленном состоянии, а также вещества, которые сжигаются или утилизуются в качестве топлива.
Категория Д (непожароопасные)
К этой категории относятся производства, на которых обращаются негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.
Категория Е (взрывоопасные)
К этой категории относятся производства, на которых обращаются взрывоопасные вещества в таких количествах, при которых могут образовываться взрывоопасные смеси в объёме, превышающем 5% объёма помещения, но не могут создаваться пожароопасные условия.
Одним из критериев оценки взрывчатых свойств паровоздушных смесей являются концентрационные пределы взрываемости: нижний и верхний. Нижним концентрационным пределом взрываемости (НПВ) называется минимальное содержание горючих паров (газов) в воздухе, при которых ещё возможен взрыв. Верхним концентрационным приделом взрываемости (ВПВ) называется максимальное содержание горючих паров (газов), выше которого взрыв невозможен. Концентрационные пределы взрываемости для газов и паров выражают обычно в объёмных % (% об.).
В производственных помещениях образование взрывоопасных паровоздушных смесей возможно в тех случаях, когда имеются условия испарения горючих жидкостей в воздушную среду помещений (открытые резервуары, ёмкости, ванны и т. д.) или при разливе жидкостей.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВ И ПАРОВ.
Согласно ГОСТ 12.1.039-82 концентрационные пределы воспламенения газов и паров индивидуальных органических веществ, содержащих атомы водорода, кислорода, азота, хлора в воздухе при атмосферном давлении 
кПа и начальной температуре, не превышающей 473 0К определяют по следующим формулам.
Нижний предел воспламенения:
(1)
где, hз – коэффициенты, характеризующие наличие структурных групп;
mз – число структурных групп в молекуле горючего.
Значения коэффициентов hз, заимствованные из ГОСТ 12.1.039 для различных структурных групп, приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Значение коэффициентов hз
Вид структурной группы | Значение коэффициента, hз | Вид структурной группы | Значение коэффициента, hз |
C-C C=C C-O C=O O-H | 49,2 41,2 122,1 10,9 34,3 5,7 | C=C C-N N-H C-Cl N-N | 341,5 25,0 20,9 7,8 152,2 485,4 |
C-HЧисло структурных групп (m) рассчитывается, исходя из структурной формулы горючего. Так, например, для ацетона (С3Н6О) структурная формула имеет вид:
Н О Н
Н – С – С – С – Н
Н Н
Из структурной формулы следует, что в молекуле ацетона имеется 6 связей С-Н, две связи С-С и одна связь С=О. В соответствии с этим по табл. 1 находим значение Σhзmз и по формуле (1) определяем нижний предел воспламенения φн.
Верхний придел воспламенения определяют по формулам:
при β≤8
(2)
при β>8
(3)
где β – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения
(4)
где mс, mн, mС1, mо – соответственно число атомов углерода, водорода, хлора и кислорода в молекуле горючего;
К – коэффициент определяемый по формуле:
(5)
где, q – число различных структурных групп горючего;
aj – значение коэффициентов групп;
nCl – общее число полуторных, двойных и тройных связей углерод-углерод в молекуле горючего;
Ксв – средняя кратность связей углерод-углерод в молекуле горючего.
Для молекул ацетона aj=-0,06; nкс=0; Ксв=1; mс=с; q=1. Исходя из этого по формуле (5) определяют значение коэффициента К и по формуле (2) или (3) значение верхнего предела воспламенения.
Определив величину нижнего и верхнего предела воспламенения по формулам (1) и (2) и величину коэффициента безопасности (Кбэ) по ГОСТ 12.1.004-76, определим предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию горючего вещества (ПДВК) по формуле:
(6)
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
4.1. Описание установки.
Определение нижнего предела воспламенения проводится на установке, схема которой приведена на рис. 1. Установка состоит из сосуда и взрывного устройства, работающего от сети переменного тока напряжением 220 В. Сосуд выполнен в виде стеклянного цилиндра 1 с фланцами 2, 10, соединёнными между собой стяжными шпильками. В верхней крышке 2 имеются пять отверстий. Центральное круглое отверстие служит для выхода продуктов сгорания при взрыве. Оно закрывается диафрагмой, которая при взрыве разрывается. В другие два отверстия 12 и 14 герметично вмонтированы электроды 8, которые изолированы и не соприкасаются с корпусом сосуда. Отверстие 15 служит для введения в сосуд ЛВЖ с помощью пипетки. Оно после ввода ЛВЖ закрывается пробкой. Отверстие 13 служит для ввода воздуха с помощью груши, для удаления продуктов сгорания и для перемешивания горючей смеси с воздухом. В этом отверстии установлен штуцер для подсоединения груши. Включение искрового разряда осуществляется с помощью кнопки 7. Вся установка заземлена и защищена экраном, который устанавливается перед сосудом.
 |
 |  |
Рис. 1. Схема установки для определения концентрационных пределов взрываемости паровоздушных смесей.
1 – корпус; 2 – верхний фланец; 3 – крышка; 4 – гайка; 5 – взрывная диафрагма; 6 – искровой генератор; 7 – выключатель; 8 – электроды; 9 – шпилька; 10 – нижний фланец; 11 – днище; 12, 14 – отверстие для электродов; 13 – отверстие для подачи воздуха; 15 – отверстие для подачи ЛВЖ.
4.2. Порядок проведения работы.
Перед началом работы ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, помещённой в конце методических указаний.
1. Продуть сосуд 1 с помощью груши. Для этой цели отсоединить грушу, и набирая, в неё свежий воздух, вдувать его в сосуд. Операцию повторить 15-20 раз.
2. Отвернуть гайку 4 и установить взрывную диафрагму 5.
3. Ввести в сосуд с помощью пипетки 2 капли исследуемой ЛВЖ и закрыть отверстие в крышке пробкой.
4. Произвести перемешивание паров ЛВЖ с воздухом в сосуде 1, с помощью груши. Для этой цели произвести несколько нажатий на грушу в течении 1 мин.
5. Установить защитный экран.
6. Нажатием кнопки 4 создать импульс (искру) в сосуде.
7. Если взрыва не произошло, опыт повторить, увеличивая каждый раз количество добавляемой ЛВЖ на одну каплю.
8. После получения взрыва определить НВП. Для этой цели предварительно определить объём паров ЛВЖ по формуле:
(7)
где, g – масса одной капли ЛВЖ, мг. Определяется экспериментально путём взвешивания на аналитических весах пипетки с ЛВЖ:
(8)
здесь g1 – исходная масса пипетки с ЛВЖ, мг;
g2 – масса пипетки с ЛВЖ после того, как из неё выпущена 1 капля ЛВЖ, мг.
n – количество капель ЛВЖ, введённых в сосуд для получения взрывоопасной смеси;
ρЛВЖ – плотность паров ЛВЖ в нормальных условиях, мг/см3:
(9)
где, М – молекулярная масса испытуемой ЛВЖ;
t – рабочая температура, при которой проводятся испытания, 0С определяют по показаниям термометра;
Р – рабочее давление, при котором проводятся испытания, гПа. Определяют по показаниям барометра.
9. Определить экспериментальную величину НПВ.
(10)
где VС – объём сосуда, см3.
(11)
где, d – диаметр сосуда, см;
l – высота сосуда, см.
10. По найденному значению φн и СниП П-90-81 находим категорию производства, где применяются данные вещества в количествах, достаточных для образования с воздухом взрывоопасных смесей.
11. Сравнить опытные φ0 и расчётные значения φн. Определить отклонение (ошибку) в определении нижнего предела воспламенения.
(12)
5. ФОРМА ПРОТОКОЛА ОТЧЁТА
Отчёт по данной лабораторной работе составляется в следующем виде:
№ | Наименование параметра | Условное обозначение | Как определяется | Величина |
1. | 2. | 3. | 4. | 5. |
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. | Наименование испытываемой жидкости Молекулярная масса Температура вспышки Температура опыта, 0С Атмосферное давление, гПа Нижний предел взрываемости, %/об Верхний предел взрываемости, %/об Количество капель ЛВЖ, вве-дённых в сосуд для достиже-ния взрыва Масса одной капли, мг Объём паров ЛВЖ, см3 Плотность паров ЛВЖ, мг/см3 Объём сосуда, см3 Опытное значение нижнего предела взрываемости, %(об) Сравнение опытных и расчёт-ных значений НПВ, % Коэффициент безопасности Предельно допустимая взрыв-воопасная концентрация По найденному значению и температуре вспышки опреде-лить категорию помещения по взрывной и пожарной опасности | Ацетон tвсп t P φн φп n g VЛВЖ ΡЛВЖ VC
η Кбэ | по ГОСТ 12.1.004-76 по показаниям термометра по показаниям барометра по формуле (1) по формуле (2), (3) эксперимент по формуле (8) по формуле (7) по формуле (9) по формуле (11) по формуле (10) по формуле (12) по ГОСТ 12.1.004-76 ПДВК по формуле (6) по СНиП П-90-81 |
Выводы:
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.
1. На какие категории классифицируются производства по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности?
2. Что лежит в основе классификации производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности?
3. Что такое нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения паров и газов в смеси с воздухом? По каким формулам их определяют?
4. Как определить плотность паров ЛВЖ в нормальных условиях?
5. Как по нижнему приделу взрываемости горючих жидкостей определить категорию производства?
6. Что такое коэффициент безопасности Кбе?
7. Как определить предельно-допустимую взрывобезопасную концентрацию горючих газов (паров) ПДВК?
8. Какие вы знаете горючие жидкости и газы, которые в смеси с воздухом образуют воспламеняющиеся смеси?
7. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАБОТЫ.
Основными потенциальными опасностями при проведении данной работы являются:
1. Электрический ток.
2. Опасность разрушения испытательного сосуда.
3. Опасность воспламенения ЛВЖ.
Поэтому при проведении работы необходимо особое внимание уделять вопросам электробезопасности, вопросам применения защиты устройств и противопожарной профилактике.
Учитывая вышеизложенное следует:
1. Перед работой проверить исправность оборудования: электрических шнуров, розеток, заземляющих устройств, защитного экрана.
2. Работы проводить только при наличии защитного экрана.
3. Не допускать разлива ЛВЖ на рабочем месте.
4. Во время работы не курить и не пользоваться открытыми нагревательными приборами.
5. Осторожно обращаться с ЛВЖ.
8. МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.
1. Взрывная камера.
2. Пипетка для ЛВЖ.
3. Груша для продувки сосуда воздухом.
4. Термометр.
5. Барометр.
6. Генератор искровых импульсов.
7. Сосуд с ЛВЖ.
8. Взрывные диафрагмы.
9. ЛИТЕРАТУРА
1. Кельберт труда в текстильной промышленности. –М.: Лёгкая индустрия, 1977.
2. Успенский практикум по Охране труда в текстильной промышленности. –М.: Лёгкая индустрия, 1972.
3. ГОСТ 12.1.039-82 ССБТ. Пожарная безопасность. Метод расчёта концентрационных пределов воспламенения газов и паров.
4. ГОСТ 12.1.004-76 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.
5. СниП П-90-81.
