Proces zapłonu par cieczy

Zapłon -

zapłon pilotowy (piloted ignition) –

zapłon palnych par

przez drugorzędne źródło energii (pilotowe, punktowe) jak np.
płomień, iskra, łuk elektryczny lub żarzący się drut oporowy

SPALANIE CIECZY ZACHODZI W FAZIE GAZOWEJ

Stężenie par zależy od prężności pary cieczy w danej
temperaturze. Ponieważ temperatura jest utrzymywana przez
zewnętrzne źródło ciepła, szybkość parowania w warunkach
stacjonarnych równa się (bez spalania par cieczy):

L

Q

Q

m

V

L

E

par

•

•

•

−

=

gdzie:

m

par

•

Q

E

•

Q

L

•

L

V

Strumień masy par opuszczających powierzchnię cieczy

Szybkość zewnętrznego ogrzewania/na m

2

, kW/m

2

Szybkość ubytku ciepła (strat)/na m

2

, kW/m

2

Ciepło parowania cieczy, kJ/g

Ciecze posiadające wysoką prężność pary mają dużą
szybkość parowania i na odwrót.

W temp. zapłonu ustala się stan równowagi odwracalnej
(skrapla się - paruje).

Pary cieczy się utleniają nie ciecz.

Warunkiem

zaistnienia

zapłonu

cieczy

jest

wytworzenie takiej ilości ciepła w sferze oddziaływania
pilotowego bodźca energetycznego w fazie gazowej, że
temp. w tej sferze osiągnie wielkość temp. samozapłonu
cieczy.

Temp. źródła zapłonu
> temp. Samozapłonu
(zapalenia) cieczy

Temp. cieczy > temp.
zapłonu cieczy

Możliwość

wystąpienia

zapłonu

trwałego

(ustalonego)

i chwilowego (nieustalonego) zależy od prężności par danej cieczy,
jeśli jest duża to zapłon trwały, przeciwnie - chwilowy

Zapłon par cieczy

Ustalony (trwały)

Nieustalony(chwilowy)

Stężenie par w

Stężenie par mniejsze

granicach stężenia

od stężenia stechiometrycznego

stechiometrycznego

Temperatura zapłonu nieustalonego (flash point) –

minimalna temperatura cieczy, do jakiej ciecz powinna być
ogrzana w określonych warunkach, aby w obecności np.
płomienia

chwilowo

zapaliły

się

wydzielane

pary

wymieszane z powietrzem.

Temperatura ustalonego zapłonu (fire point)-

minimalna

temperatura, w której w określonych warunkach, mieszanina
par palnych z powietrzem zapala się i się pali dalej przez
określony czas po przyłożeniu do jego powierzchni
standardowego małego płomienia.

Zapalenie par powyżej powierzchni cieczy powoduje powstanie

przejściowego wstępnie zmieszanego płomienia

, który zużył całą

powstałą mieszaninę par z powietrzem.

Płomień dyfuzyjny

natomiast będzie pozostawał jeśli szybkość dostarczania par do
niego jest wystarczająca aby go podtrzymać.

Jeśli szybkość dostarczania par jest zbyt niska (tj. ciecz jest poniżej
zapłonu ustalonego) tak więc płomień jest nie utrzymywany, ciepło
tracone powoduje jego ugaszenie.

Badania wykazały, że płomień w chwili powstania sam zgaśnie jeśli
jego straty ciepła są większe niż 30% wartości tworzonego ciepła
spalania.

Powyżej

punktu

zapłonu

ustalonego

płomień

będzie

ustabilizowany i będzie podtrzymywany.

Straty ciepła zawracane do powierzchni cieczy powodują
ogrzewanie warstwy powierzchniowej i podwyższa szybkość
dostarczania par.

Konsekwentnie płomień dyfuzyjny będzie wzmocniony przybierze
większą objętość.

Spalanie

ciągłe (stałe) będzie osiągnięte gdy temp.

powierzchni cieczy osiągnie wartość bliską temp. wrzenia i
osiągnięty będzie stały gradient (profil) temp. poniżej temp.
powierzchni cieczy.

Aby płomień na powierzchni cieczy się ustabilizował musi
wytworzyć się odpowiednia szybkość parowania równa teraz
szybkość spalania

v

L

E

spal

c

spal

L

H

f

Q

Q

m

m

•

•

•

•

−

+

⋅

∆

⋅

=

f

- frakcja ciepła spalania zawracana z powrotem do
powierzchni cieczy poprzez promieniowanie i konwekcję

c

H

∆

(

)

(

)

S

L

H

f

f

Q

Q

m

L

E

spal

v

c

c

r

=

−

+

⋅

−

∆

+

•

•

•

0

=

S

Spalanie nieustalone (war. zapłonu
nieustalonego po zapaleniu mieszaniny
palnej)

(

)

c

r

f

f

+

Zależą od rozmiaru
pożaru

W przypadku trwałego zapłonu płomień nie jest intensywny
i można przyjąć, że

Przy dużych pożarach cieczy, przy stabilnych granicach
płomienia przyjmuje wartość maksymalną

Przy i to , czyli występuje
krytyczny wypływ par przy zapłonie ustalonym

(spalanie

stacjonarne może się rozwinąć)

0

=

r

f

c

f

Φ

0

=

r

f

Φ

=

c

f

m

m

krt

spal

•

•

=

(

)

S

L

H

Q

Q

m

L

E

krt

v

c

=

−

+

⋅

−

∆

⋅

Φ

•

•

•

Ustalone spalanie będzie się rozwijało po zapaleniu par gdy

tzn. będzie występowała wystarczająca ilość ciepła, która powoduje ,
ż

e temperatura powierzchni cieczy rośnie i powoduje wzrost

szybkości parowania (gazyfikacji) i zwiększenie mocy płomienia

0

>

S

Temp. zapłonu nieustalonego wyznacza się w tyglu
zamkniętym (np. metodą Pensky-Martensa) lub otwartym
(np. metodą Clevelanda).

W tyglu zamkniętym jest jednolite stężenie par nad cieczą.
Ciecz jest ogrzewana powoli, i jest dostarczany do
przestrzeni z odpowiednią częstotliwością mały standardowy
pilotowy bodziec energetyczny.

Jednolite stężenie par

W tyglu otwartym pary swobodnie dyfundują do otoczenia, tworząc
gradient stężeń par, które obniżają się monotonicznie wraz z
odległością od powierzchni cieczy.

Wysokość
powyżej
powierzchni
cieczy

Stężenie par

Zapłon nieustalony (flash point) można tylko uzyskać gdy
stężenie par w mieszaninie z powietrzem jest przynajmniej
równe DGW przy danej lokalizacji punktowego płomienia.

Istnieje zależność temp. zapłonu nieustalonego od wysokości
lokalizacji małego płomienia od powierzchni cieczy w tyglu
otwartym

Zazwyczaj temp. zapłonu nieustalonego dla danej cieczy

w tyglu zamkniętym jest niższa niż w tyglu otwartym.

Wysokość bodźca powyżej
cieczy, mm

T
e
m
pe
ra
tu
ra,

0

C

Glassman i Dryer znaleźli anormalną zależność dla alkoholi, że
temp. zapłonu nieustalonego dla danej cieczy w tyglu
zamkniętym jest wyższa niż w tyglu otwartym.

Dlaczego?

Mały płomień dając swój wkład cieplny podwyższa lokalnie
temp. cieczy do temp. fire point. Inna charakterystyka
absorpcyjna w podczerwieni tych paliw w porównaniu do
paliw węglowodorowych.

Tej anomalii nie będzie jeśli jako bodziec zastosujemy iskrę
elektryczną.

To zjawisko nie jest do końca, do dzisiaj wyjaśnione.

Temperatura zapłonu maleje:

• Im mniejszy ciężar cząsteczkowy cieczy np. szeregi

homologiczne węglowodorów

• Im mniejszy ciężar właściwy cieczy

• Im mniejsza temperatura wrzenia cieczy

• Im większa prężność pary

• Prosta budowa łańcuchowa

• Mała lepkość.

23

16,3

146,0

0,879

106

C

6

H

5

CH

3

ksylen

4,4

22,3

110,8

0,865

92

C

6

H

5

CH

3

Toluen

-11,1

74,8

80,36

0,873

78

C

6

H

6

Węglowodory

aromatyczne:

benzen

34

4,71

117,8

0,810

74

C

4

H

9

OH

n- butylowy

22,5

14,5

97,2

0,804

60

C

3

H

7

OH

n- propylowy

12,8

44,0

78,4

0,789

46

C

2

H

5

OH

Etylowy

11,1

88,67

64,5

0,792

32

CH

3

OH

Alkohole:

Metylowy

Temp.

zapłonu

Prężność

pary

[mmHg]

Temp.

wrzenia

Ciężar

właściwy

Ciężar

cząsteczkowy

Wzór

Nazwa cieczy

Rozporz

Rozporz

ą

ą

dzenie z dn. 21 kwietnia 2006 r. (Dz. U. Nr 80, poz.

dzenie z dn. 21 kwietnia 2006 r. (Dz. U. Nr 80, poz.

563):

563):

.

Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji:

Materiały niebezpieczne pożarowo- ciecze palne o temp. zapłonu poniżej 55

o

C

Dz. U. Nr.243, poz.2063 z dn. 14.12.2005r., Rozporządzenie Ministra Gospodarki z

dnia 21 listopada 2005r:

w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać bazy i stacje

paliw płynnych, rurociągi przesyłowe dalekosiężne do transportu ropy
naftowej i produktów naftowych i ich usytuowanie.

§ 3. W rozumieniu niniejszego rozporządzenia ropę naftową i produkty naftowe, z

wyjątkiem gazu płynnego, w zależności od temperatury zapłonu, zalicza się:

1)

do I klasy - ropę naftową i produkty naftowe o temperaturze zapłonu do

294,15 K (21°C),

2) do II klasy - produkty naftowe o temperaturze zapłonu wyższej od 294,15

K (21°C) do 328,15 K (55 °C),

3) do III klasy - produkty naftowe o temperaturze zapłonu wyższej od 328,15

K (55°C) do 373,15 K (100°C).

Ilekroć w rozporządzeniu jest mowa o:
1.

produktach naftowych – są to produkty otrzymywane z ropy naftowej:

•

paliwa płynne, zwłaszcza benzyny, oleje napędowe zwane ogólnie silnikowymi

paliwami płynnymi

•

oleje opałowe

•

skroplone węglowodory gazowe (C

3

-C

4

), zwane „gazem płynnym”

oleje silnikowe, przekładniowe i smary