1.Podać i omówić przykłady różnych wybuchów oraz ich ogólny mechanizm.

• Wybuchy można podzielić na pięć dużych grup w zależności od przyczyny ich powstania.

1/ wybuchy powstałe w wyniku zaistnienia reakcji przebiegającej z wydzielaniem ciepła (reakcja egzotermiczna) np. szybko przebiegającej reakcji utleniania par węglowodorów w mieszaninie z powietrzem (przyczyna wybuchu - chemiczna: reakcja utleniania),

2/ wybuchy wywołane szybkim rozkładem niektórych ciał, np. rozkład saletry amonowej lub acetylenu (przyczyna wybuchu - chemiczna : rozkład termiczny),

3/ wybuchy powstałe z nadmiernego ciśnienia wewnętrznego, np. wybuchy kotłów lub aparatów ze sprężonym gazem (przyczyna wybuchu - fizyczna),

4/ wybuchy wywołane gwałtownym uwolnieniem energii w przebiegu syntezy jądrowej lub reakcji rozczepienia jądrowego (przyczyna wybuchu - chemiczna: rozpad jądra),

5/ wybuchy spowodowane przez nie kontrolowane reakcje polimeryzacji, którym towarzyszy szybkie uwalnianie ciepła (przyczyna wybuchu - chemiczna)

Wybuchy można podzielić pod względem przyczynowym na wybuch fizyczny, chemiczny i jądrowy.

2.Przeanalizować pojęcia pożar a wybuch, typy i ich charakterystyka.

Pożar jest to efekt cieplny zaistnienia różnorodnych przemian chemicznych i zjawisk fizycznych w określonym układzie termodynamicznym, powodujący zmiany stanu termodynamicznego tego układu. Pożar powstaje wtedy, gdy istnieje przestrzenna i czasowa współzależność czynników warunkujących jego powstanie, tzn. jest chemiczną reakcją spalania, która przebiega względnie wolno i w dłuższym okresie czasu.

Wybuch jest szybkim, egzotermicznym procesem, który generuje falę ciśnienia i falę uderzeniową. Szybkość rozprzestrzeniania się fali wybuchu zależy od warunków, w których przebiega, i od medium, które ją generuje. Fala uderzeniowa rozprzestrzenia się z szybkością naddźwiękową. Z powodu ciśnienia i obecności fali uderzeniowej efekt wybuchu jest zawsze słyszalny. Powstałe w czasie wybuchu straty spowodowane są przez bezpośrednie oddziaływanie fali ciśnienia bądź pośrednie, np. przez zawalenie się uszkodzonych w czasie wybuchu budynków. Najgroźniejsze wybuchy występują przy stężeniach stechiometrycznych tj. określonych objętościowo na drodze reakcji chemicznej.

Zasadnicza różnica pomiędzy pożarem a wybuchem polega na tym, że wybuch obejmuje szybki ruch gazów, podczas gdy w czasie trwania pożarów nie obserwuje się tego typu zjawisk.

W przypadku pożaru paliwo i utleniacz są zazwyczaj oddzielone (spalanie dyfuzyjne). W czasie wybuchów chemicznych paliwo i utleniacz są wymieszane. Jest oczywiste, że jeśli stopień zmieszania i kontaktu reagentów wzrasta, szybkość chemicznej reakcji również rośnie, dając w efekcie wybuch, który staje się coraz silniejszy. Wybuchy dzielimy na:

homogeniczne , tj. takie które zachodzą w całej masie w tym samym czasie, np. eksplozje termiczne, wybuchy fotochemiczne.

heterogeniczne , przebiegają w poruszającej się strefie reakcji, np. deflagracja i detonacja.

3. Omówić klasyfikację wybuchów heterogenicznych.

Heterogeniczny wybuch jest to taki wybuch w którym nie ma rozdziału między paliwem a utleniaczem - cały materiał wybucha jednocześnie.

Wybuchy heterogeniczne dzielimy na dwa typy; deflagrację i detonację.

Deflagracja (spalanie wybuchowe), rozprzestrzenianie się tu wybuchu następuje przez lokalne ogrzewanie mieszaniny wybuchowej. Płomień, strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością ponaddźwiękową.

Przykłady(„BLEVE- FIREBALL”). Deflagracja przebiega stosunkowo wolno a jej mechanizm rozprzestrzeniania się jest taki sam jak rozprzestrzenianie się pożaru.

Detonacja jest to rozprzestrzenianie się fali uderzeniowej, która powoduje powstanie wysokich temperatur i strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością naddźwiękową

4. Wybuch fizyczny analiza na wybranym przykładzie.

Wybuch fizyczny jest to taki wybuch który ma fizyczne źródło energii. Jest to wybuch, który następuje na skutek nadmiernego wzrostu ciśnienia wewnętrznego, np. wybuch kotłów lub aparatów ze sprężonym gazem, albo osłabienia ścianek naczyń zawierających gazy pod ciśnieniem, np. działanie płomienia na butlę gazową. „BLEVE” klasyfikuje się do wybuchów fizycznych (wzrost ciśnienia wskutek przejścia międzyfazowego „ciecz - para”). Wybuchy spowodowane zetknięciem się wody ze stopionymi metalami typu AL., MG, Co, stalą.

Metale i stal osiągają temperaturę w stanie stopionym rzędu 700 - 2000^o C. Gdy roztopiony metal wlewamy do wody, przechodzi on gwałtownie z fazy ciekłej w fazę lotną (parę). Przyczyna wybuchu leży w działaniu mechanicznym tzn. w wyniku nagłego przejścia wody w parę (1700- krotne powiększenie objętości).

5. Omówić szybkość reakcji w czasie wybuchów i jej zależność od temperatury.

Szybkość reakcji w czasie wybuchów zależy od wielu czynników; min. zależy od energii aktywacji, temperatury, stężenia reagujących substancji i ciśnienia.

Szybkość reakcji jest zależna od temperatury, ponieważ w czasie pożaru temperatura decyduje przede wszystkim o czasie jego przebiegu i trwania. Wraz ze wzrostem temperatury szybkość reakcji wzrasta, ponieważ efekt cieplny reakcji jest zależny od wymiany ciepła w układzie. Podczas egzotermicznych przemian w układzie wzrasta ogólna zawartość ciepła. Jeżeli tylko część tego ciepła pozostanie w układzie i ogrzeje go to wskutek zależności „temperatura - szybkość reakcji” może przyśpieszyć go na tyle że nastąpi wybuch.

6. Omówić mechanizm i rozprzestrzenianie się deflagracji.

Przemianę wybuchową, w której przekazywanie energii cieplnej ze strefy reakcji do mieszaniny gazowej, nie objętej reakcją, odbywa się na drodze przewodnictwa i promieniowania, nazywa się deflagracją. Jest to typ wybuchu cieplnego. Płomień i strefa reakcji rozprzestrzeniania się z szybkością poddźwiękową, a mechanizm rozprzestrzeniania się wybuchu opiera się na transferze ciepła (na drodze przewodnictwa i promieniowania w ciałach stałych; na drodze przewodnictwa, promieniowania i konwekcji w gazach). Ponieważ deflagracja może przebiegać stosunkowo wolno a jej mechanizm rozprzestrzeniania jest taki sam, jak rozprzestrzenianie się pożaru to deflagracja jest niekiedy nazwana „spalaniem wybuchowym”.

7. Wybuch a reakcje łańcuchowe, tj. przekształcenia chemiczne.

Aby w układzie przebiegła reakcja łańcuchowa, muszą być spełnione następujące warunki:

• powstanie nośników łańcuchowych, tj. centrów aktywnych,

• reakcje nośników łańcuchowych z cząsteczkami,

• regeneracja nośników,

• zanik nośników,

• zakończenie łańcucha.

Rozpatrując reakcję fotochemiczną wodoru z chlorem należy stwierdzić, że początkowymi nośnikami łańcuchowymi chloru są atomy chloru, z których każdy zaabsorbował energię 57 kcal/mol, wystarczającą do przerwania połączenia chloru. Inicjatorem jest światło ultrafioletowe.

Proste reakcje łańcuchowe nie powodują wybuchu. Reakcje takie nie osiągają znacznych szybkości reakcji chemicznych i wybuchu. Wybuch następuje tylko wtedy gdy reakcja łańcuchowa jest rozgałęziona, charakteryzuje się to tym, że nośnik łańcuchowy zamiast zwykłego odnawiania się może tworzyć nowe nośniki łańcuchowe zdolne do udziału w reakcjach elementarnych. Najbardziej taką charakterystyczną i zbadaną reakcją jest reakcja wodoru z tlenem.

8.Mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia analiza na dowolnym przykładzie.

Rozróżnia się trzy typy mechanizmu rozprzestrzeniania się płomienia a mianowicie:

mechanizm cieplny - jeżeli zapłon mieszaniny nastąpi przy otwartym końcu rury (drugi koniec rury jest w tym czasie zamknięty). Mieszanina przemieszcza się w rurze jednostajnym ruchem. Szybkość jest mniejsza niż 30 m/s Zasięg tego jednostajnego ruchu odpowiada rozprzestrzenianiu na ¼ długości rury i zmienia się wraz ze wzrostem długości i średnicy rury, rodzaju składnika palnego i jego stężenia w mieszaninie.

przejściowy typ rozprzestrzeniania - po okresie jednostajnej szybkości rozprzestrzeniania, powstaje wibracyjny ruch płomienia. Zwiększona powierzchnia spalania powoduje wzrost średniej szybkości rozprzestrzeniania, przy bardzo dużych nieregularnościach w strukturze płomienia ma miejsce zgaśnięcie płomienia lub też powstanie nowego typu rozprzestrzeniania, tak zwanego falą uderzeniową.

powstanie fali wybuchowej - charakteryzującej się dużą szybkością rozprzestrzeniania (większa niż 1000 m/s). Jest to typ spalania detonacyjnego charakteryzujący się bardzo stabilnymi i bardzo wysokimi prędkościami rozprzestrzeniania się frontu płomienia.

Mechanizm cieplny i powstanie fali uderzeniowej są stabilne natomiast przejściowy typ rozprzestrzeniania jest typem nie stabilnym.

9.Omówić czynniki wpływające na wybuch.

Czynnikami wpływającymi na wybuch są :

1.Właściwości mieszaniny wybuchowej tj. palne pary i gazy, tlen , zawartość(stężenie) gazów obojętnych, pyły, spalanie, turbulencja, reżim ciśnieniowy i temperaturowy.

2.Charakterystyka przestrzeni, gdzie przebiega wybuch tj. ograniczona czy nieograniczona, geometria, przeszkody, stan (jakość) powierzchni, powierzchnia otworów wentylacyjnych oraz ich wielkość.

3.Własciwosci materiału palnego tj. chemiczna stabilność, ciepło spalania, lotność (dla cieczy),natomiast dla mieszanin pyłowo-powietrznych: wielkość cząsteczek i ich kształt, zawartość części niepalnych (wilgotnych), zdolność do przejścia w stan lotny.

4.Czynniki zapalenia tj. energia, moc, temperatura, fala wybuchu oraz miejsce.

10. Co to jest laminarna szybkość spalania.

Laminarna szybkość spalania jest to stała prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w warunkach laminarnych. Re jest mniejsze od 2000. Powstały płomień rozprzestrzenia się w środowisku stacjonarnym. Laminarna szybkość spalania jest fundamentalną własnością mieszaniny palnej. Laminarna szybkość spalania zależy od składu chemicznego substancji, jej stężenia, początkowej temperatury i ciśnienia.

11. Co to jest turbulentna szybkość spalania.

Gdy liczba Reynoldsa jest > niż 10 000 to obserwuje się ruch turbulentny. Przepływ turbulentny charakteryzuje się tym, że jest zależny od czasu, tzn. w określonym miejscu zarówno szybkość, jak i kierunek przepływu zmienia się ciągle w czasie.

Szybkość rozprzestrzeniania się turbulentnego spalania zależy od średniej szybkości przepływu strumienia mieszaniny gazowej w danym punkcie przestrzeni a szybkość rozprzestrzeniania się laminarnego - nie. To jest właśnie ta zasadnicza różnica, która odróżnia proces normalnego laminarnego rozprzestrzeniania od turbulentnego. Oznacza ona, że o ile dla danego punktu powierzchni płomienia w spalaniu laminarnym ilość spalającej się substancji jest wielkością stałą, o tyle przy przepływie turbulentnym ta zależność nie ma miejsca.

12. Omówić zapalenie mieszaniny przy otwartym końcu rury, jednostronnie zamkniętej, gazodynamika wybuchu.

Ruch płomienia w nieruchomym (zero turbulencji) nie spalonym gazie, prędkość płomienia jest stała, równa laminarnej szybkości spalania.

Od momentu zapalenia płomień podąża w kierunku nie spalonego gazu. W efekcie takiego założenia przy przyroście temperatury t=3Δt następuje ruch do tyłu nie rozprężających się gazów spalinowych oraz ruch do przodu płomienia w kierunku nie spalonego gazu. Gdy przyrost wynosi t=4Δt płomień posiada dwuwarstwowa powierzchnię i pozostaje płaski.

Laminarna szybkość spalania zależy od składu, temperatury, ciśnienia, stężenia.

13. Omówić zapalenie mieszaniny przy zamkniętym końcu rury, jednostronnie otwartej, gazodynamika wybuchu.

Prędkość rozprzestrzeniania wzrasta w przedzie przez rozprężanie się nie spalonego gazu, przyspieszenie płomienia następuje w wyniku turbulencji.

Przy t=2Δt płomień ogrzewa gazy, które ulegają rozprężeniu co powoduje ich ruch. Ponieważ z tyłu rura jest zamknięta, rozprężenie gazu w tym kierunku nie może mieć miejsca i dlatego zachodzi ono do przodu płomienia, tj. w kierunku otwartego końca rury czyli w tym samym kierunku w którym przemieszcza się płomień. Oznacza to, że spalanie ma miejsce w gazach które same się już przemieszczają ze względu na wzrost temperatury. Przy t=4Δt sytuacja jest podobna do opisanej z tą różnicą, że w wyniku tworzenia się wirów występuje trójwymiarowa powierzchnia płomienia. W tych warunkach płomień przyspiesza gdyż staje się sumą laminarnej szybkości spalania powiększonej o szybkość rozprężania gazów, co stwarza możliwość przejścia w detonację.

14.Wpyw efektów turbulencji na prędkość rozprzestrzeniania płomienia.

Szybkość rozprzestrzeniania się turbulentnego spalania zależy od średniej szybkości przepływu strumienia mieszaniny gazowej w danym punkcie przestrzeni.. Oznacza ona, że o ile dla danego punktu powierzchni płomienia w spalaniu laminarnym ilość spalającej się substancji jest wielkością stałą, o tyle przy przepływie turbulentnym ta zależność nie ma miejsca. Ogólnie turbulencja powoduje wzrost szybkości transportu, energii, masy i impulsów przez mieszanie spowodowane zawirowaniem płynu. Wzrost turbulencji powoduje wzrost prędkości płomienia wskutek wzrostu jego powierzchni

15. Wpływ turbulencji na siłę wybuchu.

Podczas wybuchu spalanie turbulentne ma wtedy miejsce, gdy jest turbulentna szybkość przepływu paliwa. W takich warunkach, tak jak przy normalnej szybkości rozprzestrzeniania się płomienia, transport ciepła także zachodzi na drodze przewodnictwa cieplnego. Dla przepływu turbulentnego charakterystyczne są jednak wiry, które poruszają chaotycznie we wszystkich kierunkach. Kiedy wir zetknie się z płomieniem, spala się dając produkty spalania. Ponieważ czoło płomienia jest powierzchnią, w której podczas spalania wydziela się ciepło, więc im większy płomień, tym większa kinetyka generacji ciepła w danej chwili czasu. A przy większej kinetyce generacji ciepła następuje silniejszy wybuch. Czyli wzrost turbulencji powoduje wzrost siły wybuchu.

Wpływ turbulencji na siłę wybuchu wyraża się ostrym wzrostem szybkości narastania ciśnienia.

dp

Pmax (--------)max

dt

16. Jakie wielkości są używane do oceny siły wybuchu i dlaczego.

Do oceny własności wybuchowych materiałów wykorzystuje się zwykle niżej wymienione wielkości:

• dolną i górną granicę wybuchowości,

• dla cieczy - temperaturę zapłonu ( w tej temperaturze pary znajdują się w stężeniu równym dolnej granicy wybuchowości),

• minimalną energię zapłonu,

• temperaturę samozapalenia (temperaturę samozapłonu),

• podatność do samonagrzewania (również podatność do tlenia),

• podatność do zapalenia od uderzenia (tarcia),

• tendencję do detonacji

Ocena siły wybuchu opiera się na nw. wielkościach:

• Pmax maksymalne ciśnienie wybuchu

• (dp/dt)max maksymalną szybkość wzrostu ciśnienia [bar/s],

• K - wartość odnosząca się do max. szybkości wzrostu ciśnienia i objętości aparatury [bar/s],

• t-czas trwania wybuchu [s],

• tind- czas indukcji tj. okres czasu pomiędzy zapaleniem apoczątkiem wybuchu [s],

• tendencje do przejścia wybuchu w detonację

• typ przestrzeni (ograniczona czy nieograniczona ).

17.Omówić zależność czas - ciśnienie dla wybuchu deflagracyjnego.

Deflagracja to typ wybuchu cieplnego, który nie charakteryzuje środowiska pożarowego. Na wykresie czas indukcji stanowi okres od momentu zapalenia do ogrzania całej mieszaniny i jej całkowitego zapalenia. Maksymalne ciśnienie Pmax zostaje osiągnięte w czasie gdy surowiec ulegnie spaleniu. Przy osiągnięciu Pmax następuje ograniczenie wybuchu deflagracyjnego w zamkniętej przestrzeni poprzez mieszankę gazowa tj, azotowo-parową. Stromizna krzywej ciśnienia zależy od ciepła spalania danej substancji. Kąt tgα charakteryzuje odchylenie stromizny wykresu właściwej dla maksymalnej szybkości wzrostu ciśnienia

P

^{czas indukcji}

^{max. ciśnienie wybuchu P max}

^{moment zapalenia}

^{końcowe p}

^{początkowe p}

Czas [t]

18. Obliczyć zasięg wybuchu po wycieku 20 ton heksanu z cysterny kolejowej. Ciepło spalania heksanu 40000kJ/mol.Masa cząsteczkowa heksanu 86g/mol, po 01,10⁵ Pa.

1.Ustalenie jednostki, aby wyrazić L.

J =1N * 1m. = 10⁵ dyn *100 cm = 10⁷ dyn * cm

1N 10⁵ dyn

Pa = ------- = -----------= 10 dyn/cm²

1 m² 10⁴ cm²

2. Ustalenie wielkości liczbowej mola heksanu.

Ciężar cząsteczkowy heksanu równa się 86 (mol = 86g)

3. Przeliczenie ciepła spalania heksanu z kJ/mol na kJ/kg, ponieważ w treści zadania podano ilość wyciekającego heksanu w tonach

86 = 0,086kg

Podczas spalania

0,086 kg - 40000 kJ

20000kg - x

40000 kJ * 20000 kg

x = ------------------------------ =9,302,325,581 0,086 kg

x ≈ 9,30 * 10 ⁹ kJ

4.Ciśnienie początkowe (atmosferyczne) równało się

Po = 1,01 * 10 * 10⁵ Pa = 1,01 * 10⁵ dyn/cm² = 1,01 * 10⁶ dyn/cm² = 101 * 10⁴ dyn/cm²

5. Podstawienie danych liczbowych do wzoru

E ^{energia wydzielana w czasie spalania}

L = ( ------ ) ^0.33

Po ^{ciśnienie początkowe}

₃ 9,30 *10 ¹⁹ dyna *cm* cm²

L = √ -------------------------------------

1,01 * 10⁶ dyna

₃ 9,30

L = √ ---------- * 10 ¹³ cm = 209 m.

1,01

19. Podać i omówić szczegółowo definicję detonacji.

Załóżmy że mieszanina gazów jest mieszaniną gazów wybuchowych. W takich warunkach, jeśli temperatura w zasięgu fali jest odpowiednio wysoka, objęte frontem fali świeże gazy ulegają, spaleniu w ciągu kilku mikrosekund, zaś wyzwolona przy tym energia zasila falę uderzeniową. Powstała w ten sposób sprzężona i rozprzestrzeniająca się fala uderzeniowa, nazywa się detonacją.

Detonacja wymaga do inicjacji bardzo dużo ciepła , ok. 10000 J.

Jest to hydrodynamiczny mechanizm rozprzestrzeniania się fali uderzeniowej, która powoduje powstanie wysokich temperatur i osiąga strefę reakcji spalania z prędkością ponaddźwiękową ( min. 800 m/s , zwykle 2000 - 3000m/s, a nawet do 8000 m/s). Dotyczy materiałów palnych a w szczególności pyłów. Detonacja jest stabilną, samopodtrzymującą się falą złożoną z fali uderzeniowej i znajdującej się bezpośrednio za nią strefy reakcji chemicznej. Zachodzi rzadko ze względu na wąskie granice powstawania.

Charakterystyka detonacji:

• płomień rozprzestrzenia się z prędkością naddźwiękową,

• ciśnienie powstałe w fali uderzeniowej jest od 20 do 50 razy większe od początkowego,

• ciśnienie powstałe na czole fali jest od 2 do 8 razy większe od ciśnienia wewnątrz fali,

• odbite ciśnienie jest ciśnieniem dynamicznym.

20. Mechanizm tworzenia się fali uderzeniowej.

Czoło płomienia przedstawiono jako poruszający się tłok, przesuwany naporem rozprężających się gazów spalinowych w kierunku nie zużytej mieszaniny świeżych gazów spalinowych. Tworzenie się fali uderzeniowej następuje wskutek akumulacji fal sprężania. Początkowo (t=0) tłok otrzymuje małą prędkość w wyniku czego w świeżej mieszaninie gazów zostaje wzbudzona słaba fala ciśnieniowa. Przy powiększaniu prędkości tłoka powstaje następna fala, przemieszczająca się szybciej ze względu na wyższą temperaturę. Każde następne przyspieszenie tłoka powoduje powstanie nowej fali ciśnieniowej poruszającej się szybciej od poprzedniej. Czoła tych fal zbliżają się do siebie, aż zostaje wytworzona jedna fala o końcowym stromym czole, tzw. fala uderzeniowa, która rozprzestrzenia się z prędkością ponaddźwiękową, która od tego momentu jest już wartością stałą. Jednocześnie gwałtownie wzrasta temperatura. Tworząca się w takich warunkach fala uderzeniowa nazywa się stacjonarną.

Przyczyną powodującą zaistnienie reakcji chemicznej jest ogrzanie się mieszaniny podczas sprężania fali uderzeniowej. W przypadku fali uderzeniowej zarówno ciśnienie jak i temperatura są znacznie wyższe niż przy zwyczajnym adiabatycznym sprężaniu.

21. Omówić poszczególne fazy przejścia spalania w detonację w rurze.

[t]

^{fala detonacyjna}

^wybuch

^{fala retonacyjna}

^{fala uderzeniowa}

^indukcja

^{fale ciśnieniowe}

^{odległość od punktu zapłonu}

Załóżmy, że mieszanina gazów jest mieszaniną gazów wybuchowych. W takich warunkach, jeśli temperatura w zasięgu fali jest odpowiednio wysoka, objęte frontem fali świeże gazy ulegają, spaleniu w ciągu kilku mikrosekund, zaś wyzwolona przy tym energia zasila falę uderzeniową. Powstała w ten sposób sprzężona i rozprzestrzeniająca się fala uderzeniowa, nazywa się detonacją Detonacja jest stabilną, samopodtrzymującą się falą złożoną z fali uderzeniowej i znajdującej się bezpośrednio za nią strefy reakcji chemicznej. Nadciśnienie i prędkość dla większości fal detonacyjnych mieszanin węglowodorowo - powietrznych w atmosferycznych warunkach otoczenia są rzędu 18 bar i 1800 m/s.

22.Omówić krzywą sprężenia adiabatycznego (równanie Hugoniota).

Adiabata Hugoniota umożliwia przewidywanie czy w założonych warunkach nastąpi spalanie deflagracja czy detonacja.

23. Jak zmienia się p,t i ro w czasie wybuchu.

Pa = [A]* RT

Szybkość reakcji zależy od energii aktywacji, temperatury, stężenia reagujących substancji i ciśnienia. Z chwilą powstania zjawiska detonacji ciśnienie i temperatura świeżych gazów nagle wzrasta wskutek ponadadiabatycznego sprężania we froncie fali uderzeniowej. Następnie w strefie reakcyjnej reakcja przebiega z ogromną szybkością, powodując jeszcze nieznaczny wzrost temperatury i niewielki spadek ciśnienia. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość reakcji.

24. Zanalizować prędkość rozprzestrzeniania się detonacji. Podać i omówić przykłady różnych wybuchów.

Prędkość detonacji może zmieniać się, jeśli zmianie ulegają warunki, w których znajduje się mieszanina palna.

Na prędkość detonacji wpływa:

• początkowa temperatura mieszaniny,

• początkowe ciśnienie mieszaniny,

• skład mieszaniny,

• powierzchnia przewodów, w których rozwija się

detonacja (gładka czy szorstka).

Prędkość detonacji nie zależy od:

• sposobu zapłonu mieszaniny,

• krzywizny przewodów, w których ma miejsce detonacja,

• typu materiału, z którego zbudowane są ścianki przewodu.

Wybuchy dzielimy na wybuchy fizyczne i wybuchy chemiczne.

Przykładem wybuchu fizycznego są :

• wybuchy powstałe w następstwie wzrostu ciśnienia wewnętrznego (wybuchy kotłów lub aparatury ze sprężonymi gazami) albo osłabienia ścianek naczyń zawierających gazy pod ciśnieniem,

• wybuchy spowodowane zetknięciem się wody ze stopionymi metalami typu Al., Mg, Co, Ni oraz stalą. Metale oraz stal w stanie stopionym osiągają na ogół temperaturę rzędu 700 - 2000 ^o C. Gdy roztopiony metal wlewa się do wody, przechodzi on gwałtownie z fazy ciekłej w fazę lotną(parę), co powoduje zjawisko silnej turbulencji. Przyczyna zaistniałego wybuchu leży w działaniu mechanicznym (fizycznym) w wyniku nagłego przejścia wody w parę (1700-krotne) powiększenie objętości.

Przykładem wybuchu chemicznego jest wybuch typu BLEVE, jest to wybuch par wrzących cieczy

25. Przykłady wybuchów fizycznych wraz z omówieniem różnic pomiędzy wybuchem fizycznym, a chemicznym.

Wybuchy powstałe w następstwie nadmiernego ciśnienia wewnętrznego, np. wybuchy kotłów lub aparatów ze sprężonym gazem, butli itp., których przyczyną jest zjawisko fizyczne - nazywamy wybuchami fizycznymi.

Przykłady wybuchu fizycznego:

• wybuchy kotłów lub aparatury ze sprężonymi gazami w wyniku wzrostu ciśnienia wewnętrznego,

• wybuchy butli, cystern w wyniku katastrof,

• wybuchy spowodowane zetknięciem się wody ze stopionymi metalami typu Al., Mg, Co, Ni oraz stalą,

• erupcje wulkaniczne,

• wyrzuty cieczy palnych w czasie pożarów zbiorników.

Wybuchy chemiczne to te wszystkie wybuchy, których przyczyną są reakcje chemiczne. Przykładem wybuchu chemicznego jest wybuch typu BLEVE, jest to wybuch par cieczy wrzących. Samo BLEVE klasyfikuje się do wybuchów fizycznych, a towarzyszący BLEVE - fireball i wybuch chmury par paliwa rozprzestrzeniającej się w nieograniczającej przestrzeni do wybuchów chemicznych, ponieważ w czasie ich przebiegu ma miejsce spalanie. Np. w wyniku uszkodzeń cystern następuje spadek ciśnienia, wyciek cieczy i natychmiastowa zamiana cieczy w parę. Rozpatrzmy taki przypadek; chmura paliwa o kształcie kuli ograniczona jest ze wszystkich stron przez stacjonarne powietrze. Spalanie chmury przebiega trzyetapowo:

• zapalenie się obrzeży chmury,

• rozcieńczenie chmury przez powietrze,

• rozprzestrzenianie się płomienia poprzez chmurę.

26. Podstawy fizyczne wybuchu typu BLEVE.

BLEVE definiuje się jako wybuch spowodowany nagłym wyciekiem łatwo zapalnej cieczy o temperaturze wyższej od jej temperatury wrzenia przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Według teorii Reida, zjawisko wrzenia nie zawsze zachodzi natychmiast po osiągnięciu przez te ciecze temperatury wrzenia czasami daje się zauważyć zjawisko opóźnienia wrzenia, czyli przegrzania cieczy (brak zarodków).Następuje wówczas ogrzanie cieczy powyżej temperatury wrzenia bez wywołania wrzenia

Graniczna temperatura przegrzania dla przeważającej liczby cieczy przemysłowych wynosi około 0,9 temperatury krytycznej w ^o K. W takich warunkach (przegrzania) w wyniku nagłego spadku ciśnienia normalnego (dostania się do wnętrza zarodków w postaci zanieczyszczeń lub jonów) ciecz wybuchnie, dając zjawisko BLEVE.

Warunki do powstania zjawiska BLEVE:

• materiałem musi być ciecz lub gaz w stanie skroplonym /faza gazowa nie ulega przegrzaniu

• ciecz musi być magazynowana w zbiorniku szczelnie zamkniętym, np. cysternie,

• temperatura cieczy w zbiorniku musi być wyższa niż temperatura wrzenia tej cieczy, przy ciśnieniu atmosferycznym.

Im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura wrzenia. Pod ciśnieniem możemy przewozić gazy w stanie ciekłym, lecz w wyniku katastrofy ciśnienie spada do atmosferycznego a temperatura pozostaje.

-->27. Mechanizm BLEVE.[Author ID1: at Thu May 20 11:49:00 1999 ]

W wyniku wzrostu ciśnienia w zbiorniku z cieczą palną lub ciekłym gazem wzrasta jego temperatura wrzenia (nie może przekroczyć granicy krytycznej).

W temperaturze ponad temperaturą wrzenia ciecz jest przegrzana, ale istnieje graniczna temperatura, do której ciecz może być przegrzana. W takiej temperaturze ciecz jest jednak w równowadze nietrwałej i wystarczy obecność zarodka, by wywołać wrzenie wybuchowe. Powyżej tej temperatury i w obecności zarodków zaczyna się więc spontaniczne tworzenie bąbelków pary i wybuch. Każda ciecz ma w danym ciśnieniu swoją graniczną t.z.n. maksymalną temperaturę wrzenia T _przeg= 0,9 t _kryt.

28. Charakterystyka fizykochemiczna BLEVE.

Fizyczne zjawiska (pierwotne), które doprowadzają do wybuchu BLEVE to wzrost ciśnienia wskutek przejścia międzyfazowego „ciecz - para”,

Towarzyszący BLEVE - fireball i wybuchy par paliwa zaliczamy do wybuchów chemicznych, ponieważ w czasie ich przebiegu ma miejsce spalanie.

29. Przykład: T _wrzenia = 50 ^oC przy p= 1 bar (ciśnienie atmosferyczne) załóżmy wzrost p do 5 bar wtedy temperatura wrzenia cieczy = np. 150 ^oC. Omówić co się stanie w czasie katastrofy cysterny w założonych wyżej warunkach.

Następuje rozprężenie do ciśnienia normalnego tj. 1 bar a temperatura nie zmieni się będzie nadal wynosiła około 150 ^oC a więc będzie większa od temperatury wrzenia wynoszącej 50 ^oC . W tej sytuacji wypływająca z cysterny podczas katastrofy ciecz natychmiast przejdzie w stan lotny dając ogromne ilości pary. Przy źródle zaplenia (np. strumieniu ciepła) nastąpi pożar palnych par a w konsekwencji fireball.

Efekty towarzyszące temu zjawisku to:

• rozpryskiwanie paliwa i efekty wybuchowe,

• generowanie fali wybuchowej,

• powstanie zjawiska fireball.

30. Omówić mechanizm spalania się chmury par w czasie fireball.

BLEVE - fireball powstaje podczas stanów awaryjnych zbiorników ciśnieniowych. W wyniku uszkodzeń cystern następuje spadek ciśnienia, wyciek cieczy i natychmiastowa zamiana cieczy w parę. Chmura paliwa o kształcie kuli ograniczona jest ze wszystkich stron przez stacjonarne powietrze.

Spalanie chmury przebiega trzyetapowo:

• zapalenie się obrzeży chmury,

• rozcieńczenie chmury przez powietrze,

• rozprzestrzenianie się płomienia poprzez chmurę.

W pierwszej fazie awarii wydobywające się pary mają mieszankę bogatą (ponad górną granicę wybuchowości). Przy obrzeżach chmury tworzy się mieszanina wybuchowa (palna). Przy inicjatorze ulega ona zapaleniu. Gorące produkty spalania o mniejszej gęstości od chmury unoszą się do góry i wciągają powietrze. W ten sposób spala się coraz większa objętość chmury. Wskutek oddziaływania sił wyporu gorące produkty ciągle unoszą się, a w wyniku mieszania z powietrzem obniża się ich temperatura. W dalszym przebiegu zjawiska fireball czynnikiem decydującym o jego podstawowych parametrach jest objętość powstałych produktów spalania (ok. 83 razy więcej dla metanu).

W zjawisku BLEVE - fireball praktyczne znaczenie ma:

• wysokość tworzącego się płomienia,

• czas całkowitego spalania,

• maksymalna średnica powstałego pożaru, ponieważ decydują one o całkowitej mocy strumienia ciepła promieniowania tworzącego się w czasie trwania fireball.

31. Charakterystyka ogólna substancji niestabilnych. np. acetylen, nadtlenki

Substancje niestabilne to takie, które mają tendencję do wybuchu, charakteryzują się:

• endotermicznym ciepłem tworzenia ΔH tworzenia > 0 (czynnik termodynamiczny)

• endotermicznym rozkładem ΔH rozkład < 0

• obecnością reaktywnych grup w strukturze

• zdolnością szybkiego przejścia w stan lotny

• dużą objętością tworzących produktów lotnych (powyżej 1000-krotne zwiększenie objętości)

Wysoce niestabilne związki mogą dać wybuchy bardzo silne, a nawet detonować generując ciśnienie rzędu 10⁵ bara.^.

32. Omówić definicję materiału wybuchowego.

Materiały wybuchowe są to związki chemiczne albo mieszaniny zdolne do samorzutnej przemiany chemicznej zachodzącej z dużą szybkością, podczas której wydziela się duża ilość ciepła i gazów. Materiały niestabilne, łatwo rozkładające się egzotermicznie. , tzn. wydzielające ciepło podczas rozkładu. Ciepło to podnosi ich temperaturę, przyspieszając dodatkowo szybkość ich rozkładu.

Są to w większości grupy, w których występują podwójne lub potrójne wiązania: grupa acetylenowa C = C (wiązanie potrójne), związki nitrowe NO₂(materiały wybuchowe),związki nitrozowe - N = O- ,etery C-O-C, wiązanie epoksydowe - C - C

O ,nadtlenki (-C-O-O-C) występuje tutaj mostek nadtlenkowy ulegający łatwo rozerwaniu, związki azowe i dwuazowe, które mają duży procent tlenu i azotu.

33. Wyjaśnić bilans tlenowy dla dowolnego materiału wybuchowego.

Substancja jest niestabilna, gdy liczba atomów tlenu i azotu wzrasta w stosunku do liczby atomów węgla i wodoru.

Największe prawdopodobieństwo wybuchu jest wtedy, gdy bilans tlenowy jest równy zero (BO=0) tzn. w cząsteczce materiału jest stężenie tlenu wystarczające do utlenienia wszystkich atomów węgla i wodoru zawartych w cząsteczce materiału. Zbyt dużo i zbyt mało tlenu w cząsteczce zmniejsza prawdopodobieństwo powstania wybuchu.

1600(z - 2x -y/2)

BO = --------------------------------------

m. cząsteczkowa substancji wyb.

z - liczba atomów tlenu

x - liczba atomów węgla

y - liczba atomów wodoru

(9-2 * 3 - 5)

1600---------------

2

BO = -------------------------- = + 3.5

227

C₃H₅O₉N₃ - nitrogliceryna, masa cząstkowa nitrogliceryny : 227 g

34. Jakie właściwości chemiczne pyłów wpływają na ich wybuchowość.

Wybuch pyłu jako proces heterogeniczny zachodzi na granicy faz. Na ich wybuchowość wpływają

• chemiczna reaktywność pyłu, np. metali tj. aluminium, magnezu lub barwników organicznych z azotem

• stopień utleniania powierzchni (ilość produktów lotnych)

• obecność palnych par lub gazów w powietrzu (tworzenie się tzw. mieszanin hybrydowych złożonych z palnych par i gazów chemicznie reaktywnych),

• obecność palnych substancji w samym pyle,

• wilgotność pyłu,

• zawartość stałych materiałów obojętnych,

• stopień rozdrobnienia,

• dolna granica wybuchowości ,

• minimalna dawka zagrożenia,

• maksymalne ciśnienie wybuchu,

• minimalna energia zapłonu.

Skutki wybuchu pyłów są większe niż gazów ze względu na dłuższy czas trwania oraz ich rozproszenia na większej powierzchni.

Wybuchy palnych pyłów i gazów wykazują pewne podobieństwo pomimo, że mieszaniny te różnią się od siebie pod względem fizyko-chemicznym. Ziarna pyłów są kilka tysięcy razy większe i cięższe od cząsteczek gazu, dlatego działają na nie siły grawitacji (proces sedymentacji).Kształt cząstek pyłów może być bardzo różny co rzutuje na ich powierzchnię właściwą. (suma powierzchni wszystkich cząstek zawartych w jednostce masy) . Woda obecna w pyle zmniejsza właściwości wybuchowe mieszanin pyłowych. Parametry wybuchowe :

gęstość, przewodność cieplna, zawartość części lotnych, ciepło właściwe, ciepło spalania posiadają istotny wpływ na mieszaniny pyłów areozolowych.

35. Na czym polega modelowanie zjawiska BLEVE - FIREBALL.

W modelowym zjawisku BLEVE fireball chodzi o przybliżone określenie strumienia ciepła generowanego z powierzchni fireball i oddany do otoczenia opisuje zależność:

qo = Ω (T⁴ - To⁴) [W/m²]

gdzie:

Ω - stała Stefana = 5,7 * 10 ^-8 [W m.^-2K^-4],

T - temperatura powierzchni fireball [K],

To -temperatura otoczenia [K].

Przy modelowaniu zjawiska fireball ocenia się czynniki posiadające praktyczne znaczenie;

• wysokość tworzącego się płomienia (powyżej 300 m),

• czas całkowitego spalania,

• maksymalna średnica powstałego pożaru.

PORÓWNANIE WYBUCHÓW

DEFLAGRACJA

• jest spalaniem wybuchowym-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• mechanizm rozprzestrzeniania-transfer ciepła-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• v płomienia - ponaddźwiękowa,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• płomień ------ fala ciśnieniowa,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• fale ciśnienia - słyszalne,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• fale ciśnienia i płomień - oddzielone,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• fale ciśnienia - ciągłe ( dP/dt)-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

DETONACJA

• odmienny od spalania sposób rozprzestrzeniania,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• mechanizm rozprzestrzenia; sprężanie w fali uderzeniowej,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• fala uderzeniowa i wybuch przebiegają razem,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• brak efektów dźwiękowych,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• prędkość fali uderzeniowej - naddźwiękowa,-->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

• fala uderzeniowa nieciągła (dP/dt) -->[Author ID2: at Thu May 20 11:47:00 1999 ]

BLEVE FIREBALL wybuchy par wrzących cieczy,

UVCE - wybuch chmury par paliwa (gazów) w nieograniczonej przestrzeni.

Klasyfikacja własności wybuchowych mieszanin wg przepisów według rozporządzenia MSW z dnia 03.11.1992r. w sprawie ochrony p.poż. budynków i innych obiektów... . paragraf 29.4 w pomieszczeniach należy wyznaczać strefę zagrożenia wybuchem jeżeli może w nim występować mieszanina wybuchowa o objętości co najmniej 0,01 m ³ w zwartej przestrzeni.

Klasyfikacja:

Z 0 strefa w której mieszanina wybuchowa gazów , par lub mgieł może występować stale lub długotrwale w warunkach normalnych pracy,

Z 1 j. w. ale w normalnych warunkach pracy,

Z 2 j. w. Ale wówczas gdy występuje niewielkie prawdopodobieństwo jedynie krótkotrwale.

Z 10 mieszaniny wybuchowe pyłów często lub długotrwale w normalnych warunkach pracy,

Z 11 zalegające pyły tylko krótkotrwale tworzą mieszaninę wybuchową wskutek przypadkowego zawirowania powietrza..

Benzyna - C₆H₁₄ - 86,2 ( n-heksan)

Amoniak -NH₃ - 17,03

Propan - C₃H₈ - 44,1

Termostabilność - odporność na zmiany pod wpływem ciepła .

Adiabatyczność - bez wymiany ciepła z otoczeniem.

-->[Author ID0: at Thu Nov 30 00:00:00 1899 ]

---