Materiały wybuchowe od czego zależy siła wybuchu.

Materiały wybuchowe są to związki chemiczne albo materiały zdolne do samorzutnej przemiany chemicznej, zachodzącej z dużą szybkością podczas której wydziela się duża ilość ciepła i gazów. Materiały wybuchowe to związki w których w strukturze cząsteczki dominują niestabilne grupy atomów. Związki takie charakteryzują się: - endotermicznym ciepłem tworzenia, - endotermicznym rozkładem, - zdolnością do szybkiego przejścia w stan lotny, - dużą objętością tworzących się produktów lotnych, - obecnością reaktywnych grup w strukturze. Do oceny siły wybuchu używa się zwykle następujących wielkości: - maksymalne ciśnienie wybuchu, - maksymalna szybkość wzrostu ciśnienia, - czas trwania wybuchu, - czas idukcji, okres czasu pomiędzy zapaleniem a początkiem wybuchu, - tendencja do przejścia wybuchu w detonację, - typ przestrzeni (ograniczona - nieograniczona), - wartość odnosząca się do maksymalnej szybkości wzrostu ciśnienia i objętości aparatury.

Opisać Fireball

Spalanie chmury przebiega trzyetapowo tzn: - zapalenie się obrzeży chmury, - rozcieńczenie chmury przez powietrze, - rozprzestrzenianie się płomienia poprzez chmurę. W pierwszej fazie po awarii chmura par tworzy z powietrzem mieszankę bogatą. Granicę zapalności par cieczy powodujących zjawisko fireball są wąskie (1,5 - 9,0%). Zależnie od czasu i odległości od miejsca wycieku mamy różne stężenia mieszanki palnej w kształcie kuli.. Przy obrzeżach chmury, gdzie styka się ona z powietrzem, dyfundujące do niej powietrze rozcieńcza mieszaninę do stężeń określonych zakresem wybuchowości. Jeżeli ulegnie zapaleniu to spala się w tej części chmury. Gorące produkty spalania różnią się gęstością od niezapalnej mieszaniny z powodu różnicy ich nagrzania. Powstałe w ten sposób siły wyporu powodują pionowe przyspieszenie palącej się chmury i coraz większą objętość chmury. Ten proces zapewnia ciągłość spalania chmury, gdyż im więcej powietrza wpływa do chmury tym więcej spala się paliwa. Jeżeli stężenie powietrza wciągnionego do chmury będzie wystarczające do całkowitego spalenia chmury, płomień rozprzestrzenia się na całą objętość chmury, powodując jej całkowite spalenie.

Ciepło tworzenia jak wpływa na granicę wybuchowości.

Ogólnie materiały wybuchowe są wysoce niestabilne, są to materiały które mają duże stężenie tlenu i azotu w swojej strukturze. Ciepło tworzenia jest to ciepło reakcji syntezy jednego bara w temperaturze 298 K z substancji prostych, trwałych w warunkach syntezy. Znak + przy wartości liczbowej ciepła tworzenia oznacza że podczas reakcji dostarczane jest ciepło (przemiana endotermiczna). Znak - oznacza że podczas reakcji ciepło jest wydzielane (przemiana egzotermiczna). Te związki dla których powstania czy utworzenia wymagane są duże ilości ciepła są wysoce niestabilne. Podobnie te związki które podczas rozkładu wydzielają duże ilości ciepła, są również niestabilne. W takich związkach nie ma zbędnych atomów tlenu czy azotu. Przykładem takiego związku jest acetylen. Wysoce niestabilne związki mogą dać wybuchy bardzo silne, a nawet mogą detonować.

Laminara szybkość spalania

Laminarna szybkość spalania jest to stała prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w warunkach laminarnych. Zależy ona od składu chemicznego substancji, jej stężenia, początkowej temperatury i ciśnienia.

Szybkość < 30 m/s i pozostaje stała dla danej mieszaniny i danych warunków ciśnienia oraz temperatury. Małe prędkości rozprzestrzeniania się płomienia spowodowane są przenoszeniem ciepła od warstwy ogrzanej (frontu płomienia) do nieogrzanej na drodze przewodnictwa cieplnego mieszaniny. Dyfuzyjne mieszanie składników mieszaniny palnej i produktów spalania.

Co to jest spalanie kinetyczne.

Spalanie kinetyczne (wybuchowe) jest to reakcja spalania mieszaniny wybuchowej palnej. Substancja palna w tym czasie jest wstępnie zmieszana z utleniaczem. Spalanie dzieli się na dyfuzyjne(wolne) i kinetyczne (szybkie). Przy spalaniu kinetycznym szybkość spalania nie zależy od szybkości dyfuzji powietrza, lecz od czynników cieplnych i hydrodynamicznych. Wybuchy dzielimy na wybuchy fizyczne i wybuchy chemiczne. Wybuchy fizyczne mają fizyczne żródło energii (np.. wybuch kotła, butli itp.), natomiast wybuchy chemiczne są to wybuchy w których szybko przebiega egzotermiczna reakcja chemiczna. Wybuchy chemiczne mogą być podzielone na homo i heterogeniczne. Wybuch hemogoniczny jest to taki wybuch w którym nie ma rozdziału między paliwem a utleniaczem - cały materiał wybucha jednocześnie. Wybuchy homogeniczne dzieli się na termiczną eksplozję spowodowaną przez samonagrzewanie się masy zimnej i fotochemiczną eksplozję zapoczątkowaną przez światło. Natomiast wybuchy hetrogeniczne (wybuch przebiega w poruszającej się strefie reakcji) dzieli się na deflagrację (spalanie wybuchowe) i detonację. Przy deflagracji rozprzestrzenianie się wybuchu następuje przez lokalne ogrzewanie mieszaniny wybuchowej. Płomień, strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością poddżwiękową. Przy detonacji zaś rozprzestrzenianie się fali uderzeniowej, która powoduje powstanie wysokich temperatur i strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością naddżwiękową.

Wybuch deflagracyjny - od czego zależy.

Deflagracja (inaczej spalanie wybuchowe). Spalanie deflagracyjne polega na wymianie ciepła i mas w obszarze spalania. Świeża mieszanina ogrzewana jest ciepłem wywiązującym się w strefie spalania. Wymiana ciepła następuje w wyniku przewodnictwa i promieniowania. Jednocześnie do ogrzanej mieszaniny dyfundują wolne atomy i rodniki powstające w strefie spalania, a do strefy spalania cząsteczki świeżej mieszaniny. Przy spalaniu deflagracyjnym płomień może mieć charakter uwarstwiony (laminarny) lub burzliwy (turbulentny) lub inaczej: Spalanie deflagracyjne jest to taki wybuch chemiczny, podczas którego powstała energia cieplna, zgromadzona w produktach spalania, przekazywana jest od warstwy spalającej się do warstwy nieobjętej spalaniem, w drodze przewodnictwa i promieniowania. Prędkość liniowa deflagracji zależna jest od ciśnienia zewnętrznego.

Transport ciepła w deflagracji przebiega następująco:

Podczas deflagracji wzrost ciśnienia w mieszaninie wybuchowej przebiega w sposób ciągły i równomiernie.

Do oceny siły wybuchu w deflagracji używa się min. następujące wielkości:

- maksymalne ciśnienie wybuchu,

- maksymalna szybkość wzrostu ciśnienia,

- czas trwania wybuchu,

- czas indukcji ( okres między zapaleniem a początkiem wybuchu).

Wymienione wielkości można zilustrować następująco:

Czas indukcji jest to okres czasu pomiędzy zapaleniem a początkiem wybuchu. Nachylenie krzywej na wykresie zależy od ciepła spalania substancji.

Wybuchy fizyczne

Wybuchy fizyczne są to wybuchy, których przyczyną jest zjawisko fizyczne. Przykładem wybuchu fizycznego są: - wybuchy powstałe w wyniku wzrostu ciśnienia wewnętrznego (wybuchy kotłów lub aparatury ze sprężonym gazem) albo osłabienia ścianek naczyń zawierających gazy pod ciśnieniem.

- wybuchy spowodowane zetknięciem się wody ze skroplonymi metalami typu Al., Mg, Co, Ni oraz stalą. Metale oraz stal w stanie stopionym osiągają na ogół temperaturę rzędu 700 - 2000^oC. Gdy roztopiony metal o wysokiej temperaturze wlewa się do wody, przechodzi on gwałtownie z fazy ciekłej w fazę lotną (parę), co powoduje zjawisko silnej turbulencji. Siła tej przemiany jest zbliżona do detonacji materiału kruszącego. Przyczyna zaistniałego wybuchu leży w działaniu mechanicznym (fizycznym) w wyniku nagłego przejścia wody (1700 - krotne powiększenie objętości). Np. w wypadku stali ogrzanej do temperatury 1500^oC i wody o temperaturze 20 ^oC powstaje silny wybuch fizyczny, spowodowany tym że utlenione powietrzem cząstki stali zostają gwałtownie wyrzucone po utworzeniu się pary. Podobne zjawisko obserwuje się przy oddziaływaniu wody na roztopione aluminium. Warunkiem zaistnienia wybuchu fizycznego przy zetknięciu się z wodą roztopionego metalu czy stali jest duża powierzchnia zetknięcia. Kiedy stopiony metal zetknie się z wodą powstała gwałtownie para rozbija roztopioną masę na bardzo małe cząstki, które mieszają się bezpośrednio z wodą w skutek czego powstaje duża powierzchnia zetknięcia, poprzez którą następuje wymiana ciepła.

- wyrzut (w chwili zapalenia i pożaru paliw takich jak oleje, ropa początkowo następuje w cieczy rozdestylowanie składników; tuż pod powierzchnią paliwa tworzy się warstwa przegrzana tzn. warstwa o temperaturze wyższej niż temperatury wrzenia powierzchni cieczy. Po oddestylowaniu produktów lotnych z tej warstwy następuje przesunięcie gęstej mieszaniny w dół zbiornika a na jej miejsce napływa świeża warstwa oleju. Kiedy ta warstwa dotrze na samym dole do warstwy wody przy przejściu wody w parę następuje wzrost ciśnienia w zbiorniku i wyrzut zawartości płonącego paliwa na zewnątrz zbiornika. Wyrzut jest klasycznym przykładem wybuchu fizyczznego (wzrost ciśnienia wskutek parowania wody).

- wybuchy typu bleve tzn wybuchy wrzących par cieczy spowodowane są one nagłym wyciekiem łatwo zapalnych cieczy o temperaturze wyższej od jej temperatury wrzenia przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym powstałe w wyniku wielomiejscowego uszkodzenia zbiornika.

Detonacja

Detonacja jest to rozprzestrzenianie się fali uderzeniowej, która powoduje powstanie wysokich temperatur i strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością naddźwiękową. Mechanizm rozprzestrzeniania się detonacji nie jest oparty na przenoszeniu ciepła ale na bardzo szybkim i ostrym sprężaniu przebiegającym w fali uderzeniowej. Istotna jest więc dynamika gazów, a nie transfer ciepła. W czasie detonacji powstaje fala detonacyjna i uderzeniowa. Warto więc podkreślić, że fala detonacyjna jest bardziej złożonym zjawiskiem w porównaniu z falą uderzeniową. W fali detonacyjnej ma miejsce na początku sprężanie i ogrzanie się mieszaniny gazowej, oddziaływanie fali uderzeniowej a następnie zapalenie i spalenie mieszaniny. Przyczyną powodującą zaistnienie reakcji chemicznej jest ogrzanie się mieszaniny podczas sprężania fali uderzeniowej. Ciśnienie i temperatura są znacznie wyższe niż przy sprężaniu adiabatycznym. Wszystkie zachodzące w fali detonacyjnej procesy przebiegają przy stałej prędkości rozprzestrzeniania się detonacji. Prędkość detonacji w mieszaninach gazowych osiąga 2-3 km/s, a przy stałych ciekłych materiałach osiąga 8km/s. Na prędkość detonacji wpływa; - początkowa temperatura mieszaniny, - początkowe ciśnienie mieszaniny, - skład mieszaniny, powierzchnia przewodów w których rozwija się detonacja (gładka czy szorstka). Reasumując: detonację scharakteryzować można następująco:*Płomień rozprzestrzenia się z prędkością naddźwiękową 1500-8000m/s.

*Ciśnienie powstałe w fali uderzeniowej jest 20-50 razy większe od ciśnienia początkowego.*Ciśnienie powstające na czele fali jest 2-8 razy większe od ciśnienia wewnątrz fali.*Obfite ciśnienie jest ciśnieniem dynamicznym.

Procesy zachodzące przy powstaniu detonacji:

Z chwilą powstania zjawiska detonacji ciśnienie i temperatura gazów nagle wzrastają wskutek ponad adiabatycznego sprężania się we froncie fali uderzeniowej, chociaż w tym czasie nie zachodzi jeszcze żadna zauważalna reakcja chemiczna.

P

ρ

T

Czoło fali

Funkcja ciśnienia par - graniczna temperatura przegrzania:

P

T [⁰C]

Gaz ogrzany do temperatury określonej punktem A, w cysternie pod ciśnieniem, przy rozszczelnieniu (awarii) nastąpi wyciek, a ciśnienie spadnie do normalnego. Przy ogrzaniu gazu ciekłego do temperatury w punkcie D,

w tych warunkach przy spadku ciśnienia do ciśnienia normalnego ciekły gaz osiągnie graniczną temperaturę przegrzania (punkt E) i wybuchnie. Temperatura wrzenia cieczy jest funkcją ciśnienia istniejącego nad nią.

Bilans tlenowy

Bilans tlenowy określa niestabilność materiałów wybuchowych. Określa się go wzorem:

BO = 1600(z-2x - y/2)/masa cząsteczkowa substancji wybuchowej

Gdzie: z - liczba atomów tlenu, x - liczba atomów węgla, y - liczba atomów wodoru, n - liczba atomów azotu.

Rola azotu w cząsteczce sprowadza się do tego, że jest on stabilny tylko w postaci N₂, natomiast inne grupy czy połączenia azotowe wykazują dużą niestabilność.

Największe prawdopodobieństwo wybuchu jest wtedy, gdy bilans tlenowy jest równy zero (BO=0),tzn. w cząsteczce materiału wybuchowego jest stężenie tlenu wystarczające do utleniania wszystkich atomów węgla i wodoru, do produktów całkowitego utleniania CO₂ i H₂O. Zbyt dużo i zbyt mało tlenu w cząsteczce zmniejsza prawdopodobieństwo powstania wybuchu. Znak + lub - przy wartości liczbowej bilansu tlenowego oznacza , że albo jest za dużo tlenu w cząsteczce (+) w stosunku do liczby atomów węgla i wodoru w cząsteczce lub za mało (-). Obliczyć dla C₆H₂(NO₃)₃OH Masa cząsteczkowa C₆ - 6 x 6 = 36, N₃ - 7 x 3 = 21, H₃ - 1 x 3 =3, O₁₀ - 8 x 10 = 80, Razem 140 To znaczy, z = 10, x = 6, y = 3.

BO = 1600(10- 2*6 - 3/2)/140 = 1600(-3,5)/140 = -5600/140 = - 40 Oznacza to że jest zbyt mało tlenu w cząsteczce w stosunku do liczby atomów węgla i wodoru. Jest małe prawdopodobieństwo wybuchu.

---