CC BY
6ПОЖАРНАЯ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
FIRE, ENVIRONMENT AND TECHNOSPHERE SAFETY
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL ARTICLE
УДК 614.841.22
DOI 10.25257/FE.2024.1.14-22
® И. Р. БЕГИШЕВ1, И. И. РЕФОРМАТСКАЯ1, С. Н. ЛАНИН1, И. И. АЩЕУЛОВА1, Д. А. ПЕТРИЛИН1
1 Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
Исследование зависимости температуры самовоспламенения от концентрации паров горючей жидкости
АННОТАЦИЯ
Тема. Применяемая в настоящее время методика по определению температуры самовоспламенения горючей жидкости, хорошо известная как «метод капли», не позволяет получить зависимость температуры самовоспламенения от концентрации горючей жидкости, отвечающую теоретическим представлениям. Это связано с тем, что при проведении опытов горючая жидкость впрыскивается в горловину открытого нагретого сосуда. Предварительно проводимый расчёт необходимого количества горючей жидкости для создания её заданной концентрации не учитывает потери вещества при его введении в реакционный сосуд.
Основная цель работы - совершенствование методики по определению температуры самовоспламенения горючей жидкости в зависимости от концентрации её паров.
Методы. Для изучения взаимосвязи объёма горючей жидкости, введённого в горловину нагретого до определённой температуры реакционного сосуда, и температуры самовоспламенения данной жидкости был использован метод анализа экспериментальных данных. Экспериментальные результаты были получены с помощью экспериментального метода, заключающегося во введении различного объёма горючей жидкости с последующей регистрацией наличия или отсутствия пламени.
Результаты. Установлена связь между концентрацией горючего в паровоздушной смеси и объёмом вводимой пробы. Проведена корректировка методики по определению температуры самовоспламенения горючей жидкости.
Область применения результатов. Результаты могут быть использованы при определении температуры самовоспламе-
нения горючих жидкостей различного химического состава, а также в учебном процессе при выполнении обучающимися лабораторной работы по определению температуры самовоспламенения горючей жидкости в зависимости от её концентрации.
Выводы. Результаты исследования позволили авторам сделать ряд следующих выводов:
1) в методике по определению температуры самовоспламенения горючей жидкости при расчёте объёма вводимой пробы для создания необходимой концентрации горючего в сосуде не учитывались потери горючей жидкости, происходящие при её впрыске в нагретый реакционный сосуд. Для учёта потерь в расчётных формулах рекомендовано использовать поправочный коэффициент, равный 2.
2) для равномерного распределения концентраций используемого горючего на графике исследуемой зависимости в пределах между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени, для расчёта объёма горючей жидкости, концентрации горючего задавать следующими:
Ф1 = Ф2 = ф^ Фз = ^ф^ ф_ = 0,8Фв.
3) методика по определению температуры самовоспламенения горючей жидкости справедлива и в случае применения высокомолекулярных алифатических (нециклических) спиртов, например, бутанола, пентанола, гексанола.
Ключевые слова: горючая жидкость, концентрация, температура самовоспламенения
® I.R. BEGISHEV1, I.I. REFORMATSKAYA1, S.N. LANIN1, I.I. ASHCHEULOVA1, D.A. PETRILIN1
1 State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
The study of self-ignition temperature dependence on the concentration of flammable liquid vapours
ABSTRACT
Purpose. The currently used methodology for determining flammable liquid self-ignition temperature, which is well-known as the «drop method», makes it impossible to obtain the dependence of self-ignition temperature on flammable liquid concentration that corresponds to theoretical concepts. It is related to the fact that while conducting experiments a flammable liquid is injected into the neck of an open heated vessel.
The preliminary calculation of the required quantity of flammable liquid for creating its given concentration does not take into account the substance loss when it is injected into the reaction vessel.
The main aim of the research is to improve the methodology for determining flammable liquid self-ignition temperature depending on the concentration of its vapors.
Methods. To study the relationship between the volume of flammable liquid injected into the neck of the reaction vessel heated to a certain temperature and self-ignition temperature of this liquid the method of experimental data analysis was used. The experimental results were obtained with the help of the experimental method that involved injection of different volumes of flammable liquid and then recording flame presence or absence.
Findings. A relationship was established between the fuel concentration in the vapor-air mixture and the volume of the injected sample. The methodology for determining the flammable liquid self-ignition temperature was corrected.
Research application field. The results can be used in determining flammable liquids self-ignition temperature of various chemical composition, as well as in the educational process when students carry out a laboratory work on determining a flammable liquid self-ignition temperature depending on its concentration.
Conclusions. The findings of the research allowed the authors to draw the following conclusions:
1) in the methodology for determining a flammable liquid self-ignition temperature when calculating the volume of the injected sample to create the required concentration of fuel in the vessel, the flammable liquid losses occurring on its injection into a heated reaction vessel were not taken into account. It is recommended to use a correction factor of 2 to take into consideration losses in calculation formulas.
2) to equally distribute the concentrations of the used fuel on the graph of the dependence under study within the lower and upper flammability limits, to calculate the volume of a flammable liquid, fuel concentration must be preset
as follows: q>i = ^^ 92 = 9^ 9s = 9 = 0,89b.
3) the methodology for determining the self-ignition temperature of a flammable liquid is also valid in case of using high molecular weight aliphatic (non-cyclic) alcohols, for example, butanol, pentanol, hexanol.
Key words: flammable liquid, concentration, self-ignition temperature
ВВЕДЕНИЕ
Самовоспламенение в горючих газо- и паровоздушных смесях происходит при повышенных температурах, то есть при условиях, способствующих протеканию химической реакции между горючим и окислителем. Минимальная температура горючей смеси, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции окисления, приводящее к возникновению пламенного горения или взрыва, называется температурой самовоспламенения. Температура самовоспламенения является одним из важнейших показателей пожарной опасности веществ.
На практике за температуру самовоспламенения принимают минимальную температуру стенок специального реакционного сосуда, при которой помещённая в него горючая газовоздушная смесь воспламеняется.
В методике определения температуры самовоспламенения, приведённой в ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения», минимальная температура самовоспламенения устанавливается в зависимости от объёма горючей жидкости, вводимой в реакционный сосуд. При этом о величине концентрации горючего в паровоздушной смеси, образовавшейся в сосуде, данные не приводятся. Зависимость температуры самовоспламенения от концентрации горючего вещества имеет фундаментальный характер и объясняется влиянием концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции и, соответственно, на скорость тепловыделения. Поэтому необходимо рассматривать зависимость температуры самовоспламенения не от объёма вводимой пробы, а от концентрации паров го-
рючей жидкости. Для этого требуется предварительно рассчитать количество горючей жидкости, которое необходимо ввести в реакционный сосуд, чтобы в нём образовалась паровоздушная смесь с заданной концентрацией горючего.
Согласно теоретическим представлениям, минимальное значение температуры самовоспламенения имеют смеси, близкие к стехиометрическим. Поэтому перед началом проведения исследования по уравнению материального баланса процесса горения рассчитали его стехиометрическую концентрацию и определили, какое количество жидкости необходимо ввести, чтобы в сосуде установилась концентрация, близкая к стехиометрической.
Формулу, связывающую концентрацию горючего (фг) в паровоздушной смеси в сосуде объёмом V нагретом до температуры самовоспламенения Тс, с объёмом вводимой жидкости Vж, можно получить из следующих выражений [1]:
V.
Л7„,
V
VT ' "
пар
:у ^ V -V (1)
СЮ0' 0РатмГ0' (1)
где Vж, тж и рж - объём, масса и плотность вводимой горючей жидкости; М - масса одного моля горючего вещества (жидкости); Упар - объём паров горючей жидкости в сосуде; Ут - объём одного моля газа (пара) при условиях опыта (Тс, Ратм); Ратм - атмосферное давление; У0 = 22,4 л/моль -объём одного моля газа (пара) при нормальных условиях (Т0 = 273 К, Р0 = 101,3 кПа).
Из этого следует, что объём горючей жидкости, необходимый для создания в реакционном сосуде паровоздушной смеси с концентрацией горючего фг, будет равен:
ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2024. № 1
FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2024. No. 1
у = ФгКЗДтмм
ж 100 WoA/
(2)
Формула (2) справедлива при условии, что вся горючая жидкость попадает в реакционный сосуд и в нём испаряется. По этой формуле можно по известному объёму вводимой горючей жидкости определять концентрацию горючего в паровоздушной смеси, образующейся в реакционном сосуде:
ygOOWoP,
Тг v,Tap„M
где Тс будет обозначать температуру самовоспламенения, установленную экспериментально для данного объёма вводимой горючей жидкости.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
Схема установки, используемой в исследовании, представлена на рисунке 1. Реакционный сосуд 1 представляет собой стальной цилиндрический стакан, нагреваемый с помощью электроспирали 2. Реакционный сосуд со спиралью размещены внутри защитного корпуса 3. Пространство между реакционным сосудом и защитным корпусом заполнено асбестом, обеспечивающим теплоизоляцию. К внутренней поверхности стенки реакционного сосуда припаяна стальная трубка 5 диаметром 2-3 мм, в котором размещена термопара 4. Концы термопары присоединены к измерителю-регулятору температуры (ИРТ) 6, на дисплее которого отображается значение температуры стенки реакционного сосуда, измеренное термопарой. Измеритель-регулятор подаёт напряжение на электроспираль реакционного сосуда и размыкает электрическую цепь при достижении заданной температуры. Пробу исследуемой жидкости вводят в горловину реакционного сосуда с помощью микропипетки.
Для создания необходимой концентрации паров горючего в реакционном сосуде рассчитывают объёмы вводимой горючей жидкости по формуле (2). Значения концентраций паров задают в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени, такие как фЧ = 1,2фн, ф2 = фстех и ф3 = 0,9фв. Минимальное значение температуры самовоспламенения будет установлено вблизи стехиометри-ческой концентрации (фн, фв, фстех - соответственно нижний и верхний концентрационные пределы
распространения пламени и стехиометрическая концентрация горючего вещества).
В качестве испытуемого вещества при выполнении данной работы использовали горючую жидкость - пентан (С5Н12). Анализ результатов предыдущих исследований показал, что получить зависимость температуры самовоспламенения от концентрации горючего в интервале от нижнего до верхнего концентрационного предела распространения пламени с минимумом вблизи стехиометрической концентрации не представляется возможным. При построении зависимости температуры самовоспламенения от концентрации горючего вещества минимальное значение температуры самовоспламенения, как правило, либо существенно сдвигается в область высоких значений концентраций горючего, либо вообще не достигается. Логично предположить, что наиболее вероятной причиной этого является потеря вещества при вводе пробы в горловину нагретого реакционного сосуда, вследствие чего концентрация паров горючего в сосуде в момент самовоспламенения оказывается существенно ниже расчётной.
Пентан имеет низкую температуру кипения (35 °С), и при вводе его с помощью микропипетки в горловину сосуда легко испаряется, в результате чего концентрация горючего вещества в объёме сосуда оказывается меньше расчётной. Именно по этой причине в стандартной методике находят минимальное значение температуры самовоспламенения на кривой её зависимости от объёма
4 5 1
8
Рисунок 1. Установка для определения температуры самовоспламенения: 1 - реакционный сосуд; 2 - электроспираль; 3 - защитный корпус сосуда; 4 - термопара; 5 - стальной цилиндр для крепления термопары; 6 - измеритель-регулятор температуры (ИРТ);
7 - кнопка установки температуры; 8 - тумблер включения и выключения нагрева; 9 - ручка настройки
Figure 1. Installation for self-ignition temperature determination: 1 - reaction vessel; 2 - electrospiral; 3 - jacket for reaction vessel; 4 - thermocouple; 5 - steel cylinder for mounting the thermocouple; 6 - temperature control meter (TCM); 7 - temperature adjustment button; 8 - heat on-off toggle switch; 9 - adjustment knob
вводимой пробы, не приводя данных о концентрации горючего в реакционном сосуде.
Для осмысления связи критических условий процесса самовоспламенения со скоростью химической реакции и скоростью тепловыделения [2-4] предпочтительнее представлять зависимость температуры самовоспламенения не от объёма вводимой пробы, а от концентрации горючего вещества в паровоздушной смеси. Для уточнения связи между объёмом вводимой пробы и концентрацией горючего вещества в образовавшейся внутри испытательного сосуда паровоздушной смеси с учётом
потери части горючей жидкости при вводе пробы в реакционный сосуд были проведены исследования с тремя веществами одного гомологического ряда. Это предельные углеводороды: н-пентан (С5Н12), н-гептан (С7Н16) и н-декан (С10Н22). Их физические и пожароопасные свойства приведены в таблице 1.
До начала опытов проводили расчёты объёмов вводимой горючей жидкости (по формуле (2)), необходимых для создания заданных концентраций паров горючей жидкости в реакционном сосуде. Результаты расчётов приведены в таблице 2.
Таблица 1 (Table 1)
Физические и пожароопасные свойства вводимых горючих жидкостей [5, 6] Physical and fire hazardous properties of injected flammable liquids [5, 6]
Химическая Масса 1 моль Плотность жидкости (при Т = 20 °С), р Температура КПР, % об. ф , % Температура Тсв, °С
формула вещества вещества М, г/моль г/л г/см3 кипения Тк, °С (справочное значение)
C5H12 72 621 0,621 36,1 1,4-8,0 2,6 287
C7H16 100 683 0,683 98,5 1,1-6,7 1,87 223
C10H22 142 734 0,734 174 0,6-5,5 1,34 206
Таблица 2 (Table 2)
Результаты расчётов объёмов вводимых проб горючих жидкостей The results of calculations of the volume of injected samples of flammable liquids
Вещество C5H12 C7 H16 C10 H 22
Концентрация паров горючей жидкости, об. % Фн Фстех Фв Фн Фстех Фв Фн Фстех Фв
1,4 2,6 8,0 1,1 1,87 6,7 0,6 1,34 5,5
Объём вводимой пробы, мкл 17,2 32,0 98,4 19,4 32,9 118 14,5 32,3 132,6
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Поскольку реакционный сосуд не герметичный и сообщается с атмосферой через горловину, служащую для ввода пробы, часть вводимой пробы при нагревании и испарении выбрасывается обратно в атмосферу. Установить, какое количество горючей жидкости теряется, не представляется возможным. Поэтому на первом этапе измеряли температуру самовоспламенения пентана, гептана и декана, вводя в реакционный сосуд различные объёмы горючей жидкости. Полученные значения температуры самовоспламенения позволяют рассчитать концентрации паров горючей жидкости в реакционном сосуде в мо-
мент самовоспламенения при вводе заданных объёмов пробы. Расчёты без учёта потерь горючего вещества проводили по формуле (3).
Анализ полученных зависимостей температуры самовоспламенения от концентрации паров горючей жидкости показывает, что во всех трёх случаях - для пентана, гептана и декана -самовоспламенение паровоздушной смеси происходит даже при концентрациях, чуть ли не в 2 раза превышающих ф что не укладывается в рамки представлений о горении [7-10]. Минимальное значение температуры самовоспламенения наблюдается для пентана при концентрациях, близких к ф а для гептана и декана при концентрациях, превышающих фв. На рисунке 2 в качестве примера показана зависимость, полученная для гептана.
320 ■ 310 ■ 300 290 ■ 280 ■
0 I 2
Фн Фоте,
w
/
Ф, %
Фв
Рисунок 2. Зависимость температуры самовоспламенения гептана от концентрации горючего в паровоздушной смеси, полученная при расчётах концентраций горючего по формуле (2) Figure 2. The dependence of heptane self-ignition temperature on the concentration of fuel in the vapor-air mixture obtained by calculating fuel concentrations according to formula (2)
Таким образом, методика расчёта объёма горючей жидкости и концентрации паров горючего при исследовании зависимости температуры самовоспламенения горючей жидкости от концентрации её паров не позволяет получать зависимости, соответствующие теоретическим представлениям, и нуждается в изменении. Основная причина этого, как уже отмечалось выше, состоит в том, что при вводе жидкой пробы в открытый реакционный сосуд с помощью микропипетки значительная часть горючей жидкости выбрасывается обратно в атмосферу. Поэтому при расчёте объёма горючей жидкости и концентрации паров по формулам (2) и (3) в них необходимо ввести поправочный коэффициент, учитывающий потери горючего. На основании анализа зависимостей, полученных для пентана, гептана и декана, и экс-
пертной оценки количества потерь поправочный коэффициент оказался равным 2. В соответствии с этим расчётная формула приобрела вид:
Фг =
VJ00V0TcP0Px
(4)
В к
и
РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
В СООТВЕТСТВИИ С УТОЧНЁННОЙ МЕТОДИКОЙ РАСЧЁТА
качестве горючей жидкости в работе использовали н-гептан, а при расчёте объёма вводимой пробы по формуле использовали поправочный коэффициент 2. Для равномерного распределения значений концентрации горючего на исследуемой зависимости в пределах между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени, при предварительном расчёте объёмов вводимой горючей жидкости, концентрации паров горючего вещества задавали следующими: ф1 = 1,04фн, ф2 = 0,9фстех, Ф, = 1,66ф , ф„ = 2,1ф , ф = 0,76ф .
т3 ' тстех' т4 1 тстех' х5 т хв
Исходные данные и расчётные объёмы вводимой жидкости приведены в таблице 3.
В таблице 4 представлены результаты измерений температуры самовоспламенения гептана и расчётные значения концентрации паров горючей жидкости в реакционном сосуде в момент самовоспламенения.
На рисунке 3 представлена установленная графическая зависимость температуры самовоспламенения от концентрации паров гептана в паровоздушной смеси. Характер полученной зависимости в полной мере отвечает теоретическим представлениям. Смесь самовоспламеняется только в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени. Минимальное значение температуры самовоспламенения находится вблизи стехиометрии.
Таблица 3 (Table 3)
Исходные данные и расчётные объёмы вводимой жидкости Initial data and estimated volumes of injected liquid
Исследуемое вещество, химическая формула Объём сосуда, л Исходные данные Заданные концентрации, % Объём вводимой жидкости V мкл
Гептан С7Н16 0,5 М = 100 г/моль рж = 680 г/л Г* = 496 К Ртм = 98,6 кПа Ф™х = 1,87 % КПР'^ 1,1-6,7 % Ф1 = 1,04фн = 1,14 Ф2 = 0,9фстех = 1,71 Ф3 = 1,66фстех = 3,1 Ф4 = 2,1 фСтех = 4 Ф5 = 0,76фв = 5,1 V = 40 V12 = 60 V3 = 110 V3 = 140 V5 = 180
260
250
230
220
8
10
12
14
Таблица 4 (Table 4)
Результаты измерений температуры самовоспламенения гептана Measurement results of heptane self-ignition temperature
Номер опыта Объём вводимой Температура Самовоспламенение Тсв, °С Уточнённая концентрация ГЖ
жидкости, мкл стенок сосуда, °С Да Нет при Тсв, %
1.1 Т1 = 270 -
1.2 V1 = 40 Т2 = 280 + 280 Ч>; = 1,24
1.3 Т3 = 275 -
2.1 Т1 = 246 +
2.2 V2 = 60 Т2 = 250 - 246 Фг = 1,75
2.3 Т3 = 241 -
3.1 Т1 = 234 -
3.2 Т2 = 241 -
3.3 Т3 = 244 -
3.4 V3 = 110 Т4 = 250 - 270 <Рз = 3,35
3.5 Т5 = 260 -
3.6 Т6 = 270 +
3.7 Т7 = 265 -
4.1 4.2 V4 = 140 Т1 = 260 Т2 = 255 + 260 Ч>; = 4,2
5.1 Т1 = 270 +
5.2 5.3 V5 = 180 Т2 = 268 Т3 = 265 - 270 Ч>; = 5,5
5.4 Т, = 275 +
О 290
I 2
Фн Фстех Фв
Концентрация паров гептана, %
Рисунок 3. Зависимость температуры самовоспламенения от концентрации паров гептана в паровоздушной смеси, полученная при расчётах концентраций горючего по уточнённой формуле (4)
Figure 3. The dependence of self-ignition temperature on heptane vapors concentration in the vapor-air mixture obtained by calculating fuel concentrations according to the improved formula (4)
Для углеводородов в некоторых случаях минимум может смещаться в сторону богатых смесей, поскольку в богатых смесях при высокой температуре углеводороды подвергаются пиролизу, протекающему с выделением тепла и вносящему
дополнительный вклад в процесс тепловыделения. Такое смещение экстремума от стехиометрии к богатым смесям наблюдалось на зависимостях, например, температуры горения, нормальной скорости распространения пламени и давления взрыва от концентрации горючего [11-16].
Также были проведены исследования по новой методике с использованием в качестве горючей жидкости гексанола, являющегося алифатическим (нециклическим) спиртом. Справедливость методики была подтверждена полученными результатами.
Согласно литературным данным для гек-санола фн и фв составляют, соответственно, 0,9 % и 6,3 %, температура кипения и самовоспламенения - 157 и 270 °С. Указанные параметры близки к физическим и пожароопасным свойствам непредельных углеводородов.
Рассчитанные значения ф , ф и ф состав-
тн хстех тв
ля ют, соответственно, 1,20 %, 2,28 % и 7,42 %, температура самовоспламенения составляет 246 °С или 519 К. Для проверки справедливости новой методики и возможности использования нециклических алифатических спиртов высокой молекулярной массы при проведении данного исследования было принято решение проводить эксперименты
280
260
250
230
Таблица 5 (Table 5)
Исходные данные и расчётные объёмы вводимой жидкости Initial data and estimated volumes of injected liquid
Исследуемое вещество, химическая формула Объём сосуда, л Исходные данные Заданные концентрации, % Объём вводимой жидкости Уж, мкл
М = 100 г/моль
Гептан С6Н13ОН 0,5 рж = 820 г/л Г*= 519 К Ратм = 98,6 кПа ф™х = 2,28 % КПР = 1,2-7,42 % Ф1 = 1,12фстех = 2,27 ф2 = 1,3ф™Х = 4,1 ф3 = 0,95фв = 6,85 V = 75 V2 = 120 V = 200
Таблица 6 (Table 6)
Результаты измерений температуры самовоспламенения гексанола Measurement results of hexanol self-ignition temperature
Номер опыта Объём вводимой Температура Самовоспламенение Т °С Уточнённая концентрация ГЖ
жидкости, мкл стенок сосуда, °С Да Нет 'св, С при Тсв, %
1.1 Т1 = 200 +
1.2 1.3 V = 75 Т2 = 195 Т3 = 190 - 200 (473 К) ф! = 2,34
1.4 Т4 = 185 -
2.1 Т1 = 180 -
2.2 2.3 V2 = 120 Т2 = 185 Т3 = 190 - 192 (465 К) ф; = 3,68
2.4 Т4 = 192 +
3.1 Т1 = 190 - 197 (470 К)
3.2 3.3 V3 = 200 Т2 = 195 Т3 = 197 + - Фз = 6,2
при концентрациях паров горючей жидкости, близких к стехиометрическому составу. Поскольку, согласно рисунку 2, экспериментально полученное минимальное значение температуры самовоспламенения может немного превышать ф , наиболее
г хстехт
низкая из вводимых концентраций гексанола была выбрана практически равной фстех. Вторая концентрация немного превышала фстех, третья была лишь немного ниже фв (табл. 5).
Исходные данные и рассчитанные на их основе объёмы вводимой жидкости приведены в таблице 5.
В таблице 6 представлены результаты измерений температуры самовоспламенения гептана и расчётные значения концентрации паров горючей жидкости в реакционном сосуде в момент самовоспламенения. Соответствующая зависимость приведена на рисунке 4. Как видно, в данном случае минимальное значение температуры самовоспламенения соответствует концентрации паров гексанола, несколько превышающей ф .
стех
Вероятно, коэффициент в формуле (4) зависит от вязкости горючей жидкости при комнатной
195 -194 -
192 -191
\ 1 • 1
1 1 1 /
J У
|\ |\
1 \ 1 \ 1 1
Фн Фстех Тв
Концентрация паров гексанола, %
Рисунок 4. Зависимость температуры самовоспламенения от концентрации паров гексанола в паровоздушной смеси, полученная при расчётах концентраций горючего по уточнённой формуле (4) Figure 4. The dependence of self-ignition temperature on hexanol vapors concentration in the vapor-air mixture obtained by calculating fuel concentrations according to the improved formula (4)
200
0
2
4
6
в
температуре. Согласно справочным данным, вязкость гексанола при комнатной температуре выше вязкости пентана и гептана. Вследствие этого при перенесении пробы гексанола в реакционный сосуд некоторая его часть будет оставаться на стенках капилляра микропипетки, что и наблюдалось в опытах. Вопрос о влиянии вязкости горючей жидкости на поправочный коэффициент в формуле (4) требует дополнительного исследования, однако полученные экспериментальные результаты позволяют сделать заключение о возможности использования для проведения рассматриваемого исследования не только непредельных углеводородов, но и нециклических алифатических спиртов достаточно высокой молекулярной массы.
П
ВЫВОДЫ
роведённые исследования показали, что применяемая методика зависимости температуры самовоспламенения от концентрации паров горючей жидкости в паровоздушной смеси не позволяет получать зависимости, отвечающие известным теоретическим представлениям. При расчёте объёма вводимой пробы для созда-
ния необходимой концентрации горючего в сосуде не учитывались потери горючей жидкости, происходящие при её впрыске в нагретый реакционный сосуд. Для учёта потерь в расчётных формулах рекомендовано использовать поправочный коэффициент, равный 2.
При выполнении работы по исследованию зависимости температуры самовоспламенения от концентрации горючего вещества рекомендуется использовать в качестве горючей жидкости менее летучие предельные углеводороды с числом углеродных атомов более 6 (гептан, октан, нонан, декан). Для равномерного распределения концентраций используемого горючего на графике исследуемой зависимости в пределах между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени, для расчёта объёма горючей жидкости, концентрации горючего задавать следующими: ф1 = 1,2ф^ ф2 = фсте^ фз = 1,8Фстех,
ф4 " 0,8фв.
Экспериментально доказано, что данная методика справедлива и в случае применения в качестве горючей жидкости высокомолекулярных алифатических (нециклических) спиртов, например, бутанола, пентанола, гексанола.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Андросов А. С., Бегишев И. Р., Беликов А. К. Лабораторный практикум по дисциплине «Теория горения и взрыва». М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. 52 с.
2. Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М.: Академия Наук СССР, 1958. С. 421-448.
3. Франк-Каменецкий Д. А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 4-е изд. Долгопрудный: Интеллект, 2008. 407 с.
4. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. Москва: Наука, 1980. С. 119-133.
5. Справочник химика / под ред. Б. П. Никольский, 2-е изд., перераб. и доп. Москва; Ленинград: Химия. Ленинградское отделение, 1965-1968.
6. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрыво-опасность веществ и материалов, и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч., 2-е изд., перераб. и допол. М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. 774 с.
7. Баратов А. Н. Горение-пожар-взрыв-безопасность. М.: ВНИИПО МЧС России, 2003. 363 с.
8. Варнатц Ю., Маас У, Диббл Р. Горение: физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / пер. с англ. М.: Физматлит, 2006. 352 с.
9. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / пер. с англ. М.: Стройиздат, 1990. 424 с.
10. Таубкин С. И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы. М., 1999. 600 с.
11. Андросов А. С., Бегишев И. Р., Салеев Е. П. Теория горения и взрыва. М.: Академия ГПС МЧС России, 2015. 247 с.
12. Шебеко Ю. Н., Смирнов Н. В., Полетаев Н. Л., Горшков В. И., Шебеко А. Ю., Зуев С. А., Макеев В. И. Пожаровзрыво-опасность веществ и материалов // Пожарная безопасность.
2012. № 2. С. 22-31.
13. Черников А. И. Особенности самовозгорания некоторых веществ материалов // Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
2013. № 1-1(2). С. 140-142.
14. Вогман Л. П., Корольченко И. А, Хрюкин А. В. Определение условий самовозгорания отложений паров горючих жидкостей в воздуховодах вентиляционных систем // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25, № 8. С. 34-41. 001:10.18322/РУБ.2016.25.08.34-41
15. Горшков В. И. Самовозгорание веществ и материалов. М.: ВНИИПО, 2003. 444 с.
16. Кузнецов М. А., Григорьев Е. Б., Лазарев С. И. Калорические свойства углеводородов в жидком, газовом и сверхкритическом состояниях. Н-гептан // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56, № 4. С. 519-533. Э01:10.31857^000523100002715-0
REFERENCES
1. Androsov A.S., Begishev I.R., Belikov A.K. Laboratory workshop on the discipline "Theory ofgorenje and explosion' [Laboratory workshop on the discipline "Theory of gorenje and explosion"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2013. 52 p. (in Russ.).
2. Semenov N.N. Onekotoryhproblemahhimicheskojkinetiki i reakcionnoj sposobnosti [On some problems of chemical kinetics
and reactivity]. Moscow, Academy of Sciences of the USSR Publ., 1958. Pp. 421-448. (in Russ.).
3. Frank-Kamenetsky D.A. Osnovy makrokinetiki. Diffuziya i teploperedacha v himicheskoj kinetike, 4-e izd. [Fundamentals of macrokinetics. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics, 4th ed.]. Dolgoprudny, Intellect Publ., 2008. 407 p. (in Russ.).
4. Zeldovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva [Mathematical theory of combustion and explosion]. Moscow, Nauka Publ., 1980. Pp. 119-133. (in Russ.).
5. Nikolsky B.P. Spravochnik himika, 2-e izd. [Handbook of chemist, 2nd ed.]. Moscow; Leningrad, Chemistry Publ., Leningradskoe otdelenie. 1965-1968. (in Russ.).
6. Korolchenko A.Ya., Korolchenko D.A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov, i sredstva ikh tusheniia. Spravochnik: v 2-kh ch., 2-e izd., pererab. i dopol. [Fire and explosion hazard of substances and materials, and means of extinguishing them. Reference book: in 2 parts, 2nd ed., reprint. and an additional one]. Moscow, Assotsiatsiya "Pozhnauka", 2004. 774 p. (in Russ.).
7. Baratov A.N. Gorenie-pozhar-vzryv-bezopasnost [Combustion-fire-explosion-safety]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2003. 363 p. (in Russ.).
8. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Berlin, Springer, 2006, 352 p. (Russ ed.: Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Gorenie: fizicheskie i himicheskie aspekty, modelirovanie, eksperimenty, obrazovanie zagryaznyayushchih veshchestv. Moscow, Fizmatlit Publ., 2006. 352 p.).
9. Drysdale D. Introduction to the dynamics of fires. New York, Wiley, 1985. 424 p. (Russ ed.: Drysdale D. Vvedenie v dinamikupozharov. Moscow: Stroyizdat Publ., 1990. 424 p.).
10. Taubkin S.I. Pozhar i vzryv, osobennosti ih ekspertizy [Fire and explosion, features of their expertise]. Moscow, 1999. 600 p. (in Russ.).
11. Androsov A.S., Begishev I.R., Saleev E.P. Teoriya goreniya i vzryva [Combustion and explosion theory]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of the Russia, 2015. 247 p. (in Russ.).
12. Shebeko Yu.N., Smirnov N.V., Poletaev N.L., Gorshkov V.I., Shebeko A.Yu., Zuev S.A., Makeev V.I. Fire-and-explosion hazard of substances and materials. Pozharnaya bezopasnost - Fire safety. 2012, no. 2, pp. 22-31. (in Russ.).
13. Chernikov A.I. Features of spontaneous combustion of certain substances and materials. Problemy obespecheniia bezopasnosti pri likvidatsii posledstvii chrezvychainykh situatsii -Problems of ensuring safety in the aftermath of emergencies. 2013, no. 1-1(2), pp. 140-142. (in Russ.).
14. Vogman L.P., Korolchenko I.A., Khryukin A.V. Determination of the e self-ignition conditions for sediments of combustible liquid vapours inside air pipes of ventilating systems. Pozharovzryvobezopasnost - Fire and explosion safety. 2016, vol. 25, no. 8, pp. 34-41. (in Russ.). D0I:10.18322/PVB.2016.25.08.34-41
15. Gorshkov V. I. Samovozgoranie veshchestv i materialov [Spontaneous combustion of substances and materials]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2003. 444 p. (in Russ.).
16. Kuznetsov M.A., Grigoriev E.B., Lazarev S.I. Calorific properties of hydrocarbons in liquid, gas and supercritical states. N-heptane. Teplofizika vysokikh temperatur - High Temperature. 2018, vol. 56, no. 4, pp. 519-533. (in Russ.). D0I:10.31857/S000523100002715-0
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Ильдар Рафатович БЕГИШЕВ
Доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры процессов горения и экологической безопасности, Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация SPIN-код: 8352-2461 [email protected]
Ирина Игоревна РЕФОРМАТСКАЯ
Доктор химических наук, профессор,
профессор кафедры процессов горения и экологической безопасности, Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация SPIN-код: 3686-4973
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1802-1307 [email protected]
Сергей Николаевич ЛАНИН
Доктор химических наук, профессор, профессор кафедры физической химии,
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Российская Федерация SPIN-код: 4816-8525
Ирина Ивановна АЩЕУЛОВА
Кандидат химических наук,
доцент кафедры процессов горения и экологической безопасности, Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация SPIN-код: 6743-2477 [email protected]
Дмитрий Андреевич ПЕТРИЛИН Н
Преподаватель кафедры организации деятельности пожарной охраны, Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация SPIN-код: 5751-0246
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8482-3703 Н [email protected]
Поступила в редакцию 15.12.2023 Принята к публикации 29.01.2023
Для цитирования:
Бегишев И. Р., Реформатская И. И., Ланин С. Н., Ащеулова И. И, Петрилин Д. А. Исследование зависимости температуры самовоспламенения от концентрации паров горючей жидкости // Пожары и чрезвычайные ситуации: предупреждение, ликвидация. 2024. № 1. С. 14-22. 001:10.25257/ГЕ.2024.1.14-22
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Ildar R. BEGISHEV
Grand Doctor in Engineering, Professor,
Professor of the Department of Combustion Processes and Environmental Safety, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation SPIN-KOA: 8352-2461 [email protected]
Irina I. REFORMATSKAYA
Grand Doctor in Chemistry, Professor,
Professor of the Department of Combustion Processes and Environmental Safety, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation SPIN-KOA: 3686-4973
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1802-1307 [email protected]
Sergey N. LANIN
Grand Doctor in Chemistry, Professor, Professor of the Department of Physical Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russian Federation SPIN-KOA: 4816-8525
Irina I. ASHCHEULOVA
PhD in Chemistry,
Associate Professor of the Department of Combustion Processes and Environmental Safety,
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation
SPIN-KOA: 6743-2477
Dmitry A. PETRILIN H
Lecturer of the Department of Organization of Fire Protection Activities, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation SPIN-KOA: 5751-0246
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8482-3703 H [email protected]
Received 15.12.2023 Accepted 29.01.2023
For citation:
Begishev I.R., Reformatskaya I.I., Lanln S.N., Ashcheulova I.I., Petrllln D.A. The study of self-lgnltlon temperature dependence on the concentration of flammable liquid vapours. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya - Fire and emergencies: prevention, elimination. 2024, no. 1, pp. 14-22. (in Russ.). DOI:10.25257/FE.2024.1.14-22
