CC BY
59
УДК 66.013.8:621.762.2 A.JI. Федоров
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
РАСЧЁТ СОСТАВА ПРОДУКТОВ И ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА АЭРОВЗВЕСЕЙ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЛОКАЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА
Pressure and composition of products of explosion of aeroclouds of powders of metals depending on concentration of a solid phase are calculated combustion temperature and explosion. It is shown that at explosion temperature there is a dissociation of oxides of metal that reduces its pressure, but result ins to substance afterburning at receipt of products of explosion from the equipment in a premise and thereof to increase in scales of failure. Ways of prevention of the secondary influence of explosions indoors are offered.
Рассчитаны температуры горения и взрыва, давление и состав продуктов взрыва аэровзвесей порошков металлов в зависимости от концентрации твердой фазы. Показано, что при температуре взрыва происходит диссоциация оксидов металла, что снижает его давление, но приводит к догоранию вещества при поступлении продуктов взрыва из оборудования в помещение и вследствие этого к увеличению масштабов аварии. Предложены способы предотвращения вторичного воздействия взрывов в помещении.
Порошки металлов и сплавов способны образовывать взрывоопасные аэровзвеси, что послужило причиной многочисленных производственных аварий. Одним из основных параметров пожаровзрывоопасности аэровзвесей является давление взрыва, величина которого определяет его разрушительные последствия [1]. Максимальное давление взрыва может быть определено экспериментально только при полном участии дисперсной фазы во взрыве.
Рис. 1. Полнота выделения энергии при взрыве аэровзвесей в камерах объёмом 4л, %
На рисунке 1 сопоставлены результаты экспериментальных определений давления взрыва в стандартных камерах, имеющих в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89 объем 4 л, и расчета этого параметра при полном реагировании металла, т.е. при достижении термодинамического равновесия.
Видно, что полнота участия металла во взрыве составляет 30 - 60%, максимальное давление взрыва занижено, что исключает адекватную оценку последствий взрыва и может привести к существенным ошибкам при катего-рировании помещения и зданий по взрывоопасности и расчете средств взрывозащиты. Неполное горение в камерах малого объема обусловливается большими теплопотерями, а также тем, что время оседания дисперсной фазы меньше, чем время сгорания частиц металла.
Полнота горения металла существенно увеличивается при использовании камер с объемом, близким к реальным объемам аэровзвесей, образующихся в технологическом оборудовании. Такие камеры объемом 1000 л были разработаны специалистами МИСиС и Федерального центра судебных экспертиз/
Результаты экспериментов и расчетов, показыли, что при испытаниях аэровзвесей активных металлов в камере объемом 1000 л металл реагирует полностью, но не обеспечивается полное сгорание порошков ферросплавов, что обусловливает необходимость применения расчетных методов и, прежде всего, определения концентраций аэровзвесей, при которых достигается максимальное давление взрыва [2]. С этой целью произведены расчеты состава продуктов, температуры и давления взрыва аэровзвесей порошков металлов в зависимости от концентрации аэровзвеси. Как видно из графика на рисунке 2, максимальное давление взрыва аэровзвеси порошка кремния достигается при стехиометрической концентрации, а в случае алюминия при концентрации, существенно превышающей стехиометрическую.
# # <§?
3
Концентрация аэровзвеси, г/м
Рис. 2. Зависимость давления взрыва от концентрации аэровзвеси алюминия и кремния
Последнее объясняется тем, что в продуктах взрыва алюминия при сверхстехиометрических концентрациях повышается содержание паров алюминия, кипящего при температуре горения, и образуются летучие субоксиды алюминия. Это предположение подтверждается результатами расчетов состава продуктов взрыва, приведенными рисунке 3.
Суммарное содержание газовой фазы в продуктах горения повышается, что в соответствии с уравнением Менделеева - Клапейрона приводит к увеличению максимального давлении взрыва, несмотря на некоторые
уменьшение температуры продуктов взрыва.
Рис. 3. Зависимость содержания паров алюминия и А1гО в продуктах взрыва аэровзвеси алюминия от его концентрации
Проведение расчетов по определению максимального давления взрыва показало, что металлы можно подразделить на две группы: для металлов, температура кипения которых не превышает температуру горения, максимальное давление взрыва достигается при стехиометрической концентрации аэровзвесей, в случае металлов, имеющих низкую температуру кипения или способных образовывать летучие субоксиды, максимальное давление взрыва достигается при сверхстехиометрических концентрациях. Полнота реагирования дисперсной металлической фазы зависит не только от соотношения горючего и окислителя в аэровзвесях. Можно было предположить, что при высоких температурах происходит диссоциация оксидов с образованием кислорода и паров металла. Для того, чтобы выяснить роль этого процессы были произведены с помощью специально разработанной программы расчеты тепловыделения при взрыве, приходящегося на единицу массы металла. Результаты расчетов для аэровзвесей алюминия приведены на рисунке 4.
Í
-о m
га . о £ i2
к л
Концентрация аэровзвеси, г/мЗ ,
600
700
800
■ Экспериментальная теплота А Сгехиометрическая концентрация
-Теоретическая теплота
Рис. 4. Зависимость теплоты взрыва аэровзвеси алюминия от его концентрации
Видно, что теоретически возможное тепловыделение достигается только при концентрациях ниже стехиометрической. Для выявления влия-
ния диссоциации оксидов на теплоту взрыва были произведены расчеты этого параметра при повышенном давлении 10 МПа. Результаты расчетов приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Зависимости теплоты взрыва аэровзвеси порошка алюминия от его концентрации
При повышенном начальном давлении, препятствующем диссоциации, теоретически возможное тепловыделение достигается как при досте-хиометрических, так и при стехиометрической концентрации аэровзвеси. При повышенном давлении в продуктах взрыва стехиометрической смеси практически отсутствует кислород, что видно из результатов расчетов, приведенных на рисунке 6.
■ ^S^ —»—При атмосферном давление ■ ♦ | При давление 10 МПа ——Стехиометрическая концентрация
240
340 440 540
Концентрация аэровзвеси, г/мЗ
640
Рис. 6. Зависимость количества кислорода, выделяющегося при взрыве алюминия от концентрации металла в аэровзвеси
Диссоциация оксидов происходит и для других металлов, обладающих высокой температурой горения. Как видно из таблицы, в продуктах горения стехиометрических аэровзвесей таких металлов содержатся продукты диссоциации оксидов, т.е. пары металлов и кислород. Это снижает теплоту и температуру взрыва, но приводит к выбросу в помещение при разрушении оборудования или вскрытии взрыворазрядительных устройств паров металла с последующим их вторичным взрывом.
Диссоциация оксидов и, следовательно, вторичный взрыв могут быть
предотвращены при снижении температуры первичного взрыва в оборудовании в результате совместного измельчения металлов с инертными добавками.
Табл. Состав продуктов горения аэровзвесей некоторых металлов
Металл Количество газообразного металлав продуктах взрыва, моль/кг Количество кислорода в продуктах взрыва, моль/кг Температура взрыва аэровзвеси металла, К Температура кипения ме-талла,К Стехиомет-рическая концентрация, г/мЗ
Mg 1,85 0,7 3532 1368 415
Be 0,82 0,4 4139 1560 154
Са 1,56 0,6 4068 1768 682
Al 0,59 0,8 4103 3253 308
Cr 0,21 ОД 3142 2130 591
Этот способ предотвращения вторичного взрыва эффективен, но технологически приемлем только в том случае, если предполагается дальнейшее использование порошков металлов в составе шлакообразующих или утепляющих смесей, компонентом которых является этот инертный материал. В этой связи предложен еще один способ предотвращения вторичных взрывов, в соответствии с которым на поверхности разрушающихся мембран, закрывающих взрыворазрядительные проемы в оборудовании, размещается порошкообразный инертный материал, снижающий температуру продуктов взрыва, выходящих в помещение.
0 200 400 600 800
Масса добавки, г
Рис. 7. Влияние пламягасящих материалов на содержание паров алюминия, выходящих из оборудования при взрыве в нем его аэровзвеси
Для расчетной оценки эффективности таких пламягасящих добавок была разработана специальная методика. Сначала рассчитывались состав и энтальпия продуктов взрыва аэровзвесей при постоянном объеме, затем определялись эти параметры при постоянном давлении, т.е. после выхода про-
дуктов взрыва в помещение. На третьем этапе расчетов оценивалось влияние пламягасящих добавок на температуру продуктов взрыва и содержание в них паров металла и кислорода. Результаты расчетов приведены на рисунке 7. Применение пламягасящих добавок позволяет полностью исключить попадание в помещение паров металла и вторичный взрыв с их участием. Наиболее эффективны добавки, связывающие алюминий в его оксид (карбонат кальция) или фторид (фторид кальция).
Библиографические ссылки
1. Недин В.В. Взрывоопасность металлических порошков/ В.В. Недин, О.Д. Нейков, А.Г. Алексеев. Киев: Наукова думка, 1971.
2. Бабайцев И.В. Максимальное давление взрыва аэровзвесей порошков металлов и сплавов/ И.В. Бабайцев, М.А. Могилевцева, O.A. Преснакова, М. А. Уршанский // Металлург, 2007. № 9. С. 23 - 25.
УДК 678.4.547.458.8
JI.B. Фоминых, А.И. Козлов, А.С. Новоселов, Б.А. Пономарев Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ПРОДУКТОВ ГИДРОЛИЗА НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗЫ КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА
In present work conditions of catalyst manufacturing for water purification against products of nitrocellulose hydrolysis with atmospheric oxygen are investigated.
В работе исследованы условия изготовления катализаторов для очистки воды от продуктов гидролиза нитроцеллюлозы кислородом воздуха.
Современная принципиальная схема очистки сточных вод (СВ) производства эфиров целлюлозы должна предусматривать предварительную механическую очистку, интенсифицированную физико-химическими методами, с завершающей доочисткой стоков непосредственно на биологических очистных сооружениях (БОС) предприятия, либо городских БОС. Необходимо отметить, что в предлагаемой схеме биологическим методам отводится заключительная роль. Основной акцент делается на механические, физико-химические и химические методы, которые практически подготавливают СВ, создавая благоприятные условия для жизнедеятельности биоценоза активного ила, осуществляющаяся в аэротанках доочистки СВ[1].
В процессе производства нитратов целлюлозы (НЦ) возникают проблемы с утилизацией СВ на стадии стабилизации продукта. СВ содержат продукты гидролиза НЦ, анализируемые как неоногенные поверхностно-активные вещества (Н-ПАВ) и влияющие на показатель химического потребления кислорода (ХПК) [2].
