В мире промышленной газоаналитики, а также в сфере контрольно-измерительного оборудования, существует понятие НКПР, или нижний концентрированный предел распространения пламени. Эта аббревиатура отражает минимальную концентрацию горючего вещества в смеси с окислителем, при которой пламя может распространиться на любое расстояние от источника возгорания. Горючим веществом может быть газ или пары горящей жидкости, а в качестве окислителя – воздух или кислород.
Помимо НКПР, также существует понятие ВКПР, или верхний концентрируемый предел распространения пламени. Это значение представляет собой концентрацию газа в воздухе, при которой не образуется взрывопожароопасная среда, и пламя автоматически прекращает гореть. Диапазон между НКПР и ВКПР определяет границы взрываемости. Чем шире этот диапазон, тем более опасным считается газ, содержащийся в атмосфере.
Мониторинг НКПР является наиболее надежным методом контроля горючих смесей в воздухе. Он обеспечивает возможность отслеживать концентрацию горючих газов в атмосфере с целью поддерживать ее ниже уровня возгорания. Регулярное использование газоанализаторов позволяет эффективно контролировать ситуации, связанные с утечкой газов или повышением их концентрации, и обеспечивает возможность оперативно принимать меры предосторожности. Важно учитывать, что тяжелые газы скапливаются в нижних областях, таких как колодцы и подвалы, в то время как легкие газы поднимаются вверх и могут накапливаться в чердаках и перекрытиях.
Таким образом, НКПР в газоанализаторах играет ключевую роль в обеспечении безопасности и контроле над горючими газами, снижая риски возгорания и взрывов в различных промышленных и контрольно-измерительных сферах.
Пределы горючести
Концентрационные пределы, в которых может распространяться пламя, определяются в контролируемых условиях лабораторных экспериментов, которые направлены на определение параметров возгорания паров или газов. Стандартные требования для определения нижнего и верхнего пределов распространения пламени представлены в ГОСТ 31610.10-2012.
При наличии воздушной смеси с веществом, способным к взрыву (НКПР), возникает устойчивое горение, которое не гаснет само по себе. Если концентрация превышает верхний предел распространения пламени (ВКПР), то смесь находится в зоне, где огонь не может разгореться самостоятельно и пламя не будет возникать.
Пределы горючести можно представить в виде следующей схемы:
Если концентрация горючего вещества в смеси с окислителем ниже нижнего предела распространения пламени, то такую смесь можно назвать разряженной, где возгорание невозможно из-за нехватки горючего вещества, и оно быстро рассеивается. Если же концентрация превышает ВКПР, смесь становится перегруженной горючим веществом, и недостаток окислителя также предотвращает возгорание, делая взрыв невозможным.
Однако, если концентрация горючего вещества остается в пределах от НКПР до ВКПР, даже маленькая искра может вызвать воспламенение. И чем больше этот интервал горючести, тем выше риск взрывоопасности.
Факторы, влияющие на НКПР
Нижний концентрированный предел распространения пламени зависит от следующих факторов:
- Химические свойства веществ: При химическом взаимодействии с катализатором образуются промежуточные соединения, изменяющие свойства молекул. Это оказывает влияние на НКПР.
- Уровень давления: Давление оказывает небольшое воздействие на НКПР, в отличие от ВКПР.
- Температурный режим: Повышение температуры приводит к увеличению энергии активации и, следовательно, к расширению нижнего предела концентрации.
- Флегматизаторы: Добавка негорючих примесей к взрывоопасному веществу снижает чувствительность к внешним воздействиям.
В присутствии невоспламеняемых добавок в горючей смеси, верхний концентрированный предел становится пропорциональным их концентрации до точки флегматизации, где верхние и нижние пределы совпадают. Нижний концентрированный предел незначительно повышается.
Расчет НКПР
Значение НКПР можно определить двумя способами:
- Расчетным путем: Используется специальная формула.
- Экспериментальным методом: Проводятся ряд испытаний.
Нижний концентрированный предел распространения пламени определяется на основе предельной теплоты сгорания. На 1 м³ газовоздушной смеси данный предел составляет 1830 кДж постоянного тепла при горении. КПРП измеряется в г/м³ или процентах и устанавливается в пределах 5-50% НКПР. Допустимая концентрация взрывоопасного вещества составляет 5% от НКПР, что позволяет проводить огневые работы.
Экспериментальные методы для определения НКПР содержатся в национальных и международных стандартах, а также в справочниках. Начиная с 1 июля 2023 года, действует новый ГОСТ 31610.10-1-2022 (Взрывоопасные газовые среды), который содержит методы испытаний и данные для классификации газов. Некоторые примеры приведены в таблице 1.
| Газ | Температура вспышки, °C | НКПРП, об. доля в % / г/м3 | ВКПРП, об. доля в % / г/м3 | Температура самовоспламенения, °C | Самая легко воспламеняющаяся смесь, об. доля в % |
| Метан рудничный | газ | 4,4/29 | 17/113 | 600 | — |
| этанол | 12 | 3,1/59 | 27,7 /532 (100 °C) | 400 | 6,5 |
| пропан | газ | 1,7/31 | 10,9/200 | 445 | 4,2 |
Находим показатели для каждого газа по таблице, подставляем найденные значения в формулу:
- φсмн = 100 / [(80/4,4) + (20/1,7)] = 3,3 %
- φсмв = 100 / [(80/29) + (20/10,9)] = 21,7%
Искомые показатели составят: НКПР 3,3 %, ВКПР — 21,7 %
Как рассчитывается КПР?
При определении КПР расчетным путем используется аппроксимационная формула. Наиболее пожароопасными считаются смеси стехиометрического состава. Например, в стехиометрической смеси метана с воздухом присутствует 1 моль метана, 2 моля кислорода и 2×3,76 азота. Воспламенение горючей смеси предполагает следующую химическую реакцию:
CH4 + 2O2 + 2×3,76N2 = CO2 + 2H2O + 2×3,76N2
Соответственно, φстех = (nCH4 × 100)/(nCH4 + nO2 + nN2) = (1 × 100)/(1 + 2 + 2×3,76) = 9,5
Эти данные демонстрируют различия в пределах горючести для разных газов. Например, водород имеет очень широкий интервал горючести, что делает его взрывоопасным при более низких концентрациях. С другой стороны, ацетилен имеет более узкий интервал горючести, что делает его менее взрывоопасным при нормальных условиях.
Важно отметить, что эти данные могут варьироваться в зависимости от условий, таких как давление и температура. Поэтому для безопасной работы с взрывоопасными веществами необходимо учитывать все факторы и строго соблюдать нормы и стандарты, чтобы избежать потенциальных опасностей.
Заключение
Пределы горючести играют важную роль в безопасности работы с взрывоопасными веществами. Знание нижних и верхних концентраций распространения пламени помогает предотвратить взрывы и обеспечить безопасность в промышленных и лабораторных условиях. Точные данные о пределах горючести для различных газов позволяют инженерам и специалистам по безопасности разрабатывать эффективные меры предосторожности и управления рисками при работе с этими веществами.