Mela - egz. II, SGSP, SGSP, cz.1, fizykochemia splania, Fizykochemia spalania

Pytania egzaminacyjne dla ZSM

1. Zanalizować pojęcie wybuchu. Jakie czynniki warunkują powstanie wybuchu.

Wybuch jest to szybkie, nagłe wydzielenie się energii zwykle zachodzące np. w powietrzu podczas którego zostaje wytworzona fala ciśnienia i fala uderzeniowa. Wybuch jest zawsze wynikiem wywiązywania się energii w odpowiednio krótkim czasie i odpowiednio małej objętości, to znaczy w taki sposób aby mogła powstać fala ciśnienia. Wybuch jest reakcją spalania kinetycznego obejmującą szybki ruch gazów (zjawisko dynamiki gazów) zachodzący w stałej objętości w wyniku której wskutek powstania dużej ilości produktów lotnych następuje duży wzrost ciśnienia. Ciśnienie to jest ciśnieniem rozprężających się gazów

2. Spalanie a wybuch (różnice i podobieństwa).

Spalanie, jest to złożony fizykochemiczny proces wzajemnego oddziaływania materiału palnego (paliwa) i powietrza (utleniacza) charakteryzujący się wydzielaniem ciepła i światła, zapoczątkowany oddziaływaniem zewnętrznego bodźca termicznego. Spalaniu w określonych warunkach ulegają materiały palne wszystkich stanów skupienia, z czym wiąże się rodzaj ich spalania (płomieniowe, bezpłomieniowe). Przebieg reakcji spalania w sposób nie kontrolowany, nazywany pożarem, powoduje zagrożenie dla życia ludzi i straty w mieniu.

Wybuch, jest szybkim egzotermicznym procesem fizyko chemicznym (podział ze względu na przyczynę powstania), który generuje falę ciśnienia lub falę uderzeniową. Podłoże szybkiego przebiegu reakcji leży w gwałtowności uwalniania energii zawartej w medium. W zależności od przyczyny wzrostu tej energii, wybuchy można podzielić na fizyczne, chemiczne i jądrowe. Do zainicjowania wybuchu konieczny jest zewnętrzny bodziec energetyczny. Szybki ruch gazów charakterystyczny dla wybuchów, daje w następstwie dużą prędkość rozwoju wybuchu i dużą stromą szybkość uwalniania energii. Szybkość rozprzestrzeniania się fali wybuchu zależy od warunków w których przebiega i od medium które je generuje. W przypadku pożarów i wybuchów chemicznych najistotniejszy w tym względzie jest stopień kontraktu substancji palnej z medium. Fala uderzeniowa rozprzestrzenia się z szybkością naddźwiękową. Oddziaływanie fali ciśnienia powoduje zawsze słyszalny efekt dźwiękowy oraz niszczące oddziaływanie konstrukcji i przeszkód na jej drodze. Wybuch powoduje straty wyższe (w ludziach i mieniu) niż powstające podczas pożaru. Przejście zapalenia w wybuch ma miejsce gdy z materiału energetycznego zawartego w bardzo małej objętości, wywiązuje się w bardzo krótkim czasie stosunkowo duża ilości energii która generuje falę uderzeniową. W przypadkach granicznych, pojęcie spalania jest terminem pierwotnym, do zdefiniowania następujących rodzajów spalania;

-dyfuzyjne (wolne), np. pożar, gdzie szybkość spalania nie zależy od szybkości dyfuzji powietrza do strefy zachodzących reakcji spalania (środowiska pożarowego),

-kinetyczne (szybkie), np. wybuch, gdzie szybkość spalania nie zależy od szybkości dyfuzji powietrza lecz od czynników cieplnych hydrodynamicznych.. Paliwo i utleniacz znajdują się w całej objętości Przykładem spalania kinetycznego o mechanizmie bardzo zbliżonym do typowej reakcji spalania, jest deflagracja, zwana spalaniem wybuchowym, a jego cechą charakterystyczną jest przemieszczanie się płomienia z szybkością poddźwiękową. Zasadnicze różnice: Spalanie-* stosunkowo wolny przebieg reakcji w strefie spalania (znacznie poniżej szybkości poddźwiękowych), zależny od dyfuzji powietrza do(środowiska pożarowego) strefy zachodzących reakcji spalania. Paliwo i utleniacz są oddzielone.* Nie występuje znaczący wzrost ciśnienia i powstanie fali uderzeniowej. Generowanie energii cieplnej stosunkowo niewielkiej wielkości. Wybuch-* Spalanie kinetyczne, następuje szybki ruch gazów (szybkości pod i naddźwiękowe). Substancja palna i utleniacz znajdują się w całej objętości (stanowią mieszaninę). *Szybki proces egzotermiczny generujący falę ciśnienia lub falę uderzeniową o oddziaływaniu termicznym i niszczącym znacznych rozmiarów. Towarzyszy temu zjawisku słyszalny efekt dźwiękowy. Podobieństwa *Spalanie jest pojęciem pierwotnym dla określenia zjawiska wybuchów,*Teoretycznie róznica między spalaniem,a wybuchem nie jest ostra gdyż trudne jest rozróżnienie granicy np.między deflagracją,a bardzo intensywnym spalaniem.*Wzrost szybkości spalania,wielkość wyzwanej energii,zależne są od stopnia kontraktu substancji palnej z utleniaczem (powietrzem), rodzaju i postaci materiału.

3. Spalanie a pożar (różnice i podobieństwa).

Spalanie jest to złożony fizykochemiczny proces wzajemnego oddziaływania materiału palnego (paliwa) i powietrza (utleniacza) charakteryzujący się wydzielaniem ciepła i światła, zapoczątkowany oddziaływaniem zewnętrznego bodźca termicznego. Spalaniu w określonych warunkach ulegają materiały palne wszystkich stanów skupienia, z czym wiąże się rodzaj ich spalania (płomieniowe,bezpłomieniowe). Pożar, jest to efekt cieplny zaistnienia różnorodnych przemian chemicznych i zjawisk fizycznych w określonym układzie termodynamicznym 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. Innymi słowy jest procesem spalania przebiegającym w sposób nie kontrolowany, w miejscu do tego nie przeznaczonym, o wielorakim działaniu niszczącym poprzez ciepło generowane w różnych fazach jego rozwoju zarówno na ludzi jak i materiały. Oddziaływanie na ludzi może mieć postać bezpośredniego oddziaływania płomienia, jak też przez termiczną radiację, bądź toksyczne oddziaływanie produktów rozkładu termicznego. Podsumowując należy stwierdzić,że w określeniu definicji pożaru mieści się definicja spalania, gdyż aby można określony proces zdefiniować jako pożar, musi obok wymienionych wyżej innych okoliczności, wcześniej wystąpić proces spalania. Ponadto proces spalania nie musi, ale może prowadzić w określonych okolicznościach do powstania pożaru.

4. Czynniki które wpływają na ryzyko przejścia pożaru w wybuch.

Aby powstało zjawisko wybuchu, muszą zaistnieć odpowiednie warunki w mieszaninie palnej, które będą stymulowały jego przebieg. Te stymulacje stanowią zapalenie mieszaniny. Ogólne zapalenie ma miejsce, gdy szybkość generacji ciepła w układzie palnym jest większa niż szybkość strat cieplnych. Jeśli taki warunek jest spełniony, układ ogrzewa się i następuje wzrost temperatury. Gdy osiągnięta temperatura jest wyższa od temperatury zapalenia danej mieszaniny i wzrasta w układzie funkcji czasu, następuje proces spalania, będący elementem każdego pożaru. Przejście zapalenia w wybuch ma miejsce gdy z materiału energetycznego zawartego w bardzo małej objętości, wywiązuje się w bardzo krótkim czasie stosunkowo duża ilość energii fizycznej lub chemicznej, która generuje falę ciśnienia lub fale uderzeniową, np. ciepło o wielkości znacznie przekraczającej ilość ciepło wywiązujące się podczas pożaru. Wywiązana energia jest początkowo zmagazynowana w narażonym na wybuch układzie w różnej postaci, jak: energia ciśnienia statystycznego, energia chemiczna lub elektryczna.. O tym czy przebiega zapalenie prowadzące do wybuchu decydują trzy typy zmiennych:* Ilość wydzielonej energii w czasie przebiegu reakcji chemicznej. Jest to wielkość termodynamiczna niezależna od mechanizmu reakcji.*Szybkość wydzielania się energii, ściśle związana z szybkością przebiegu reakcji chemicznej, co jest uwarunkowane kinetyką reakcji.*Czynniki które wpływają na szybkość transportu masy, energii i momentu. Najważniejszymi z nich są:**szybkość rozprzestrzeniania się płomienia, na którą bardzo silny wpływ ma turbulencja przepływu,**wstępne wymieszanie przed zapaleniem paliwa i utleniacza,**stopień kontaktu materiału palnego (gazu palnego, par cieczy palnych lub odpowiednio rozdrobnionego stałego materiału palnego) z utleniaczem, w zakresie między DGW a GGW oraz co się z tym wiąże - szybkość rozprzestrzeniania się płomienia.

5. Typy wybuchów (ogólna klasyfikacja).

Wybuchy klasyfikujemy na wybuchy chemiczne(szybko przebiegająca egzotermiczna reakcja chemiczna) i wybuchy fizyczne (np. wybuch kotła, butli itp.). Wybuch chemiczny dzielimy na: Homogeniczny wybuch (wybuch całej masy w tym samym czasie) który dzieli natomiast się na; termiczną eksplozję spowodowana przez samonagrzewanie się masy zimnej i fotochemiczną eksplozję (zapoczątkowaną przez światło) i Heterogeniczny wybuch (wybuch przebiega w poruszającej się strefie reakcji) który dzieli się na „deflagrację” (spalanie wybuchowe) -rozprzestrzenianie się wybuchu następuje przez lokalne ogrzewanie mieszaniny wybuchowej. Płomień, strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością poddźwiękową. Przykłady:”Bleve' -Boiling Liquids, Explosion „Bleve- fireball”i „detonację” (rozprzestrzenianie się fali uderzeniowej, która powoduje powstanie wysokich temperatur i strefa reakcji rozprzestrzenia się z szybkością naddźwiękową).

6. Co to znaczy spalanie deflagracyjne.

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.

7. Jaki jest mechanizm powstawania i rozprzestrzeniania się detonacji.

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. 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.

9.Z jakimi szybkościami rozprzestrzeniać się może wybuch.

Spalanie dyfuzyjne (wolne). np. pożar, szybkość spalania zależy od szybkości dyfuzji powietrza do środowiska pożarowego - szybkość spalania kilkadziesiąt cm/s, w pewnych warunkach rzędu 2-3 m/s. Spalanie kinetyczne (szybkie) np. wybuch. tzn. szybkość spalania nie zależy od szybkości dyfuzji powietrza, lecz od czynników cieplnych i hydrodynamicznych. Podczas wybuchu szybkość z jaką rozprzestrzenia się fala wybuchowa zależy od typu wybuchu i warunków zewnętrznych. Szybkość ta może zmieniać się od kilkunastu cm/s do kilku km/s. *Zapłon- szybkość spalania do 5 m/s, *Wyfuknięcie - szybkość spalania od 4 do 10 m/s,*Wybuch i deflagracja- szybkość spalania poddźwiękowa do 100 m/s najczęściej ok. 100 m/s rzadko 150 m/s,* Detonacja - zachodzi bardzo rzadko, nie mamy tutaj do czynienia z reakcją spalania, szybkość spalania powyżej 100 m/s czasami powyżej 330 m/s (szybkość naddźwiękowa), a nawet od 800 do 1000 m/s prędkość detonacji w mieszaninach gazowych osiąga od 2 do 3 km/s a przy stałych i ciekłych materiałach wybuchowych może osiągnąć prędkość 8 km/s. Ze względu na szybkość spalania mieszaniny gazowe dzielą się na:**mieszaniny wolno spalające się do których zalicza większość mieszanin palnych par i gazów z powietrzem szybkość 20-60 cm/s,**mieszaniny szybko spalające się do których należą mieszaniny wodoru, acetylenu, etylenu, metylo-acetylenu i tlenku etylenu z powietrzem, szybkość 60-300 cm/s,**mieszaniny bardzo szybko spalające się do których zalicza się mieszaniny palnych par i gazów z tlenem, szybkość kilkanaście do kilkuset m/s. Szybkość rozprzestrzeniania się wybuchu: *dla par i gazów 1250-3000 m/s,*dla pyłów 200-500 m/s.

10.Co oznaczają termin „BLEVE” „BLEVE - fireball” a co „UVCE”. W jakich warunkach mogą powstać tego typu wybuchy.

Boiling Liguids expanding Vapours Explosions, co w dosłownym tłumaczeniu oznacza „wybuch par wrzących cieczy”.Bleve definiuje się jako wybuch spowodowany nagłym wyciekiem łatwo zapalnej cieczy o temperaturze wyższej od jej temperatury wrzenia przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, powstały w wyniku dużego wielomiejscowego uszkodzenia zbiornika. Wybuch typu BLEVE nie jest typowym wybuchem fizycznym, lecz kombinacją wybuchu fizycznego (etap pierwszy) i wybuchu chemicznego (etap drugi). Pierwotnym zjawiskiem, w wyniku którego powstaje wzrost ciśnienia, jest jednak zawsze zjawisko fizyczne. Aby powstało zjawisko typu BLEVE, muszą być spełnione następujące warunki:*Materiałem(surowcem) musi być ciecz lub gaz w stanie skroplonym (gazy nie dają zjawiska Bleve),*Ciecz musi być magazynowana w zbiorniku bardzo szczelnie zamkniętym, np. w cysternie,*Temperatura cieczy w zbiorniku musi być wyższa niż temperatura wrzenia tej cieczy,przy ciśnieniu atmosferycznym.

Powstaniu Bleve towarzyszą zwykle trzy efekty *-rozpryskiwanie spalającej się cieczy,*-generowanie fali wybuchowej,*-powstanie zjawiska fireball. Nazwa fireball wywodzi się pierwotnie od nazwy fire rolling.Termin ten oznacza pożar cystern z cieczami łatwo zapalnymi (najczęściej skroplony propan-butan), przewożonymi transportem kolejowym. W przypadku uszkodzenia np. cysterny z cieczą przy tzw.stanie przegrzania (ogrzanie cieczy powyżej jej temp. wrzenia), ciecz natychmiast przejdzie w stan lotny, dając ogromną ilość pary o kształcie koła lub dysku. Wystarczy obecność źródła zapalenia (np. strumień ciepła), aby powstał pożar, a dokładniej fireball. Bleve-fireball powstaje podczas stanów awaryjnych zbiorników ciśnieniowych. Podczas spalania fireball, powstający promień ciepła jest przenoszony jako strumień ciepła promieniowania. 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. W wyniku Bleve powstaje zazwyczaj słup ognia o wysokości 300 m. Dlatego też zagrożenie pożarowo-wybuchowe, które stwarza Bleve-fireball jest ogromne, a możliwość oszacowania ilościowego tego zagrożenia ma bardzo praktyczne znaczenie. Pierwotne zjawiska, które prowadzą do Bleve są typu fizycznego (wzrost ciśnienia wskutek przejścia międzyfazowego „ciecz-para”).Dlatego Bleve klasyfikuje się do wybuchów fizycznych, a towarzyszący Bleve-fireball i wybuch chmury par paliwa rozprzestrzeniających się w nieograniczonej przestrzeni tzw.VUCE do wybuchów chemicznych, ponieważ w czasie ich przebiegu ma miejsce spalanie. Podczas wybuchów par czy gazów przemysłowych w przestrzeni nieograniczonej (VUCE) istotnym jest w praktyce możliwość oszacowania zasięgu wybuchu. Nadciśnienie powstałe w wyniku wybuchu zależy od miejsca wybuchu. Zasięg ten można obliczyć według wzoru:L=(E/Po)^0,33 gdzie: L-zasięg wybuchu [m.], E-energia która wydziela się w czasie spalania pary lub gazu,Po-początkowe ciśnienie [atm], EiL-zależna od substancji.

11.Ogólne czynniki wpływające na ryzyko zaistnienia wybuchu.

Podstawowymi czynnikami mającymi wpływ na zaistnienie wybuchu są: 1. Własności mieszaniny wybuchowej: - stężenie palnych par i gazów,-stężenie tlenu,-zawartość (stężenie gazów obojętnych),-pyły,-turbulencja,-rezim ciśnieniowy,-rezim temperaturowy. 2.Charakterystyka przestrzeni gdzie przebiega wybuch:-przestrzeń ograniczona-nieograniczona,-geometria przestrzeni,-przeszkody,-stan (jakość) powierzchni,-powierzchnia otworów wentylacyjnych,-wielkość przestrzeni. 3.Własności materiału palnego:a)chemiczna stabilność, b)ciepło spalania, c)lotność (dla cieczy), d)w stosunku do mieszanin pyłowo-powietrznych,-wielkość cząstek i ich kształt, -zawartość cząstek niepalnych i wilgotnych,,-zdolność do przejścia w stan lotny. 4.Czynniki zapalenia: energia,moc,temperatura,fala uderzeniowa,miejsce.

12.W jakich warunkach pożar może spowodować wybuch i odwrotnie.

Zasadnicza różnica między pożarem a wybuchem polega na tym, że wybuch obejmuje szybki ruch gazów (zjawisko dynamiki gazów), podczas gdy w czasie trwania pożarów nie obserwuje się tego typu zjawisk. Wybuch charakteryzuje spalanie kinetyczne z czym związane jest wzajemnie wymieszanie paliwa i utleniacza przed spalaniem. Podczas pożaru paliwo i utleniacz są zazwyczaj oddzielone i proces spalania przebiega dyfuzyjnie. Pożar powstaje wtedy, gdy istnieje przestrzenna i czasowa współzależność czynników warunkujących jego powstanie, tzn. jest chemiczną reakcją spalania, która przebiega względnie wolno i w stosunkowo długim okresie czasu. Podstawowymi czynnikami spełniającymi współzależność między czynnikami warunkującymi powstanie pożaru są:-wzajemna korelacja paliwa (materiału palnego), ciepła (bodźca termicznego) i powietrza (utleniacza), -stały transport ciepła do powietrza i paliwa, -stałe mieszanie się napływającego do paliwa powietrza. Ponadto aby nastąpiło spalanie szybkość generacji ciepła w układzie palnym musi być większa niż szybkość strat cieplnych. Gdy ciepło wywiązujące się podczas pożaru, zetknie się z narażonym na wybuch układem energetycznym, jak: mieszaniny paliwa (palne gazy, palne pary cieczy, palne pyły) i powietrza w odpowiednim stężeniu lub wysoce niestabilnymi substancjami, jak np. nitrogilceryna, wówczas będzie ono czynnikiem generującym wybuch, a w przypadku pyłów zwłaszcza osiadłych wybuchy. Wybuchy są procesami wysoce egzotermicznymi, więc jeżeli w strefie swojego oddziaływania termicznego napotykają materiały palne nie spełniające warunków koniecznych do zaistnienia reakcji wybuchowych, wówczas skutkiem będzie powstanie pożaru. Reasumując: - Pożary mogą wywoływać wybuchy i odwrotnie, a granica między pożarami a wybuchami nie jest ostra, gdyż w pewnych typach wybuchów zwanych deflagracją trudne jest czasem rozróżnienie między bardzo intensywnym spalaniem, a wybuchem. 1) Pożar *jest względnie wolnym i ciągłym spalaniem, *wydzielane podczas pożaru ciepło jest głównie transportowane przez promieniowanie, *straty po pożarowe są spowodowane przez bezpośrednie spalanie i ciepło promieniowania; 2)Wybuch *jest szybkim, nagłym wydzielaniem energii powodującym wzrost ciśnienia lub falę uderzeniową,*straty powodowane są przez temperaturę są małe, natomiast powodowane przez falę ciśnienia lub podmuch fali uderzeniowej są bardzo duże.

13.Jakie wielkości wykorzystuje się zwykle do oceny zagrożenia wybuchem.

*Biorąc pod uwagę właściwości substancji: 1.W odniesieniu do wszystkich substancji: dolna i górna granica wybuchowości. 2. W odniesieniu do cieczy: -temp. zapłonu, -temp. samozapalenia, -dolna granica wybuchowości, -górna granica wybuchowości, -prężność pary nasyconej w temperaturze, w jakiej substancja występuje w procesie. 3. Dla wszystkich substancji: minimalną energię zapłonu, podatność do zapalenia od uderzenia (tarcia), tendencję do detonacji, podatność do samonagrzewania. 4. W odniesieniu do pyłów: -stopień rozdrobienia, chemiczna reaktywność pyłu, -gęstość stopnia utlenienia powierzchni, -temperatura tlenia, - ciepło spalania, procent zaabsorbowanej wody.*Biorąc pod uwagę parametry substancji w procesie technologicznym: 1.W odniesieniu do wszystkich substancji; powstające, względnie istniejące maksymalne stężenia substancji palnych podczas ich przetwarzania,2. W odniesieniu do cieczy i mgieł: -sposób przetwarzania cieczy, -maksymalna ewentualnie minimalna temperatura cieczy jest wyższa lub tylko niewiele niższa od temperatury zapłonu cieczy to może powstać mieszanina wybuchowa par z powietrzem, jeżeli temperatura cieczy jest wystarczająco niska, to z występującej mieszaniny wybuchowej należy się liczyć tylko w przypadku rozdzielenia cieczy na drobne kropelki, 3.W odniesieniu do pyłów: -istnieje możliwość powstania mieszanin pył-powietrze albo osiadłego pyłu przy procesach mielenia, przesiewania, transportu, -napełniania, opróżniania i suszenia, -chemiczna reaktywność pyłu.

15.Jak wpływa struktura materiału na wielkość wybuchu.

Wyodrębnionym spośród czynników opisujących strukturę materiału takich, jak stan skupienia, stopień rozdrobnienia, skład chemiczny, wielkość cząstek, można przypisać następujący wpływ na wielkość wybuchu; -szybkość rozprzestrzeniania się fali wybuchu, obok warunków w których przebiega, zależy również od medium które je generuje; - stopień kontaktu między materiałem palnym (paliwem) a utleniaczem (tlenem, powietrzem), z czym wiąże się stopień rozdrobnienia materiału palnego, stan skupienia, co wpływa na szybki ruch gazów dający dużą prędkość rozwoju wybuchu i dużą stromą szybkość uwalniania energii decydującej o sile wybuchu; -w przypadku pyłów, ich ziarna nigdy nie są jednakowej wielkości i kształtu. Ma to wpływ na powierzchnię materiału rozumianą jako suma powierzchni wszystkich cząstek zawartych w jednostce masy. Powierzchnia właściwa może mieć wpływ na proces propagacji płomienia w zachodzącej reakcji wybuchu. Skład chemiczny (ale także gazów i par palnych) wpływa na zdolność materiałów do reakcji wybuchowych. Przykładowo woda zawarta w pyle poprzez absorbcję jak i mieszaninie, zmniejsza właściwości wybuchowe mieszanin pyłowych. Spalanie na powierzchni pyłów, w początkowym stadium, przebiega na powierzchni ziaren, a mieszanie pyłów z tlenem przebiega wolniej niż w przypadku gazów lub par. Wpływa to na mniejszą niż w gazach, pyłach szybkość narastania siły wybuchu, jednak skutki niszczące są większe gdyż przebieg wybuchu jest dłuższy i następuje falowo. Podsumowując:Aby mógł nastąpić wybuch musi wcześniej powstać mieszanina wybuchowa o ściśle określonych parametrach, tj; składnik palny musi wymieszać się w określonym dla danego materiału stosunku z powietrzem, czyli ulec rozproszeniu w powietrzu atmosferycznym).Szybkość rozproszenia uzależniona jest od współczynnika dyfuzji pary,gazu a współczynnik dyfuzji od ciężaru danego paliwa. Im lżejszy gaz, para lub pył tym szybciej rozprasza się. Siłą wybuchu zależy też od ciepła spalania paliwa, objętości części lotnych w paliwie z czym wiąże się współczynnik zmiany objętości- stosunek objętości produktów spalania do objętości substratów.

16.Pożar rozwija się zawsze przy turbulentnym przepływie fazy lotnej. Jaki jest wpływ turbulencji na szybkość rozwoju wybuchu.

W zależności od mechaniki płynów w strefie reakcji, rozróżnia się płomień laminarny i turbulentny. Jeśli przepływ gazów jest laminarny, mieszanie składników określone jest przez dyfuzję molekularną, która jest wolnym procesem. Jeśli przepływ gazu w strefie reakcji jest turbulentny, to obok mieszania cząsteczkowego następuje mieszanie makroskopowe płynu, spowodowane prądami wirowymi. Przy większych prędkościach przepływu występują ruchy pulsacyjne, poprzeczne do kierunku głównego, powodujące szybkie mieszanie się płynu i wyrównywanie prędkości, jest to tzw. ruch turbulentny (burzliwy). W środowisku pożaru ma miejsce spalanie dyfuzyjne w obszarze turbulentnym, tzn. tworzy się turbulentny płomień dyfuzyjny. Turbulencja powoduje wzrost szybkości transportu energii, masy i impulsów przez mieszanie spowodowane zawirowaniem pyłu, ogólnie mówiąc wpływa na wzrost szybkości spalania. Podczas wybuchu spalanie turbulentne ma wtedy miejsce, gdy jest turbulentna szybkość przepływu paliwa. Dla przepływu turbulentnego charakterystyczne są wiry gazowe, które jako nośniki ciepła, stając się źródłami zapalenia, przyspieszają szybkość spalania, w wyniku wzrostu powierzchni płomienia. 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. Oczywiście, liczba wirów, ich wymiary i wpływ na zakłócenie szybkości przepływu są funkcjami intensywności turbulencji. Czyli wzrost turbulencji powoduje wzrost siły wybuchu. Turbulencja gra również istotną rolę w przebiegu wybuchów mieszanin par z powietrzem w przestrzeni w przestrzeni nieograniczonej (UVCE). Jednym z warunków przejścia deflagracji w detonację jest zaistnienie na drodze rozprzestrzeniania się wybuchu przeszkód, które są niezbędne do zmiany typu przepływu z laminarnego w turbulentny i do koniecznych przyspieszeń turbulencji, która z kolei powoduje znaczną intensyfikację szybkości spalania.

17.Analiza własności wybuchowych gazów i par cieczy. Co różnicuje podatność do wybuchów obie wymienione grupy.

Wybuchowość mieszanin gazowych zależy od chemicznej struktury gazu zmieszanego z powietrzem. Im większa reaktywność gazu tym większe niebezpieczeństwo wybuchu. Reaktywność gazu (substancji) ma miejsce w określonych stężeniach (granice wybuchowości). Przykłady wysoce reaktywnych gazów:C₂H₂ (ciepło tworzenia +22KJ/mol), nitro metan(+240KJ/mol). Z wyjątkiem niektórych substancji niestabilnych ciecze same nie wybuchają. Ażeby ciecz spalała się, wybuchała, musi przejść w stan lotny i dopiero łączą się w powietrzu w mieszaninę, która może dać zjawisko wybuchu. Reaktywność cieczy uzależniana jest od jej lotności, tzn. od zdolności powstania pary, a ryzyko wybuchu jest wyrażone przez wielkość zwaną temperaturą zapłonu. Najniższe temperatury mają ciecze o dużej prężności par w warunkach normalnych. W temperaturze zapłonu stężenie par cieczy jest równe stężeniu odpowiadającemu dolnej granicy wybuchowości cieczy.

18.Analiza własności wybuchowych pyłów.

Wybuchy pyłów pod pewnym względem podobne są do wybuchów gazów. To podobieństwo jest tym wyraźniejsze, im mniejsze są cząsteczki pyłu. Pył tak jak gaz wybuchowy, musi być zmieszany z powietrzem lub innym podtrzymującym palenie czynnikiem. Wybuchową mieszaninę pyłową należy również zainicjować zewnętrznym źródłem zapłonu (jedynie w pojedynczych wypadkach eksplozje pyłów były wywołane szybkim utlenianiem się samoczynnym i zagrzaniem się. Dla łatwo zapalnych pyłów, podobnie jak gazów, określa się dolną i górną granicę wybuchowości. Eksplozja przy dolnych i górnych granicach są słabe. Energia powstała w wyniku pełnego spalania się pyłu jest często większa od energii powstałej w wyniku spalania się gazu i dlatego maksymalne ciśnienie powstałe przy wybuchach niektórych pyłów są wyższe niż ciśnienia przy wybuchach gazów. Określając właściwości wybuchowe pyłów należy jednak pamiętać, że poszczególna cząstka składowa aerozolu spala się w sposób identyczny jak ciało-stałe, z którego pochodzi. A więc proces obejmuje wszystkie stadia jak: odparowanie, odgazowanie gazów niepalnych, wydzielenie gazów palnych oraz zapłon. Wybuch pyłów jest procesem heterogenicznym-zachodzi na granicy faz. Do własności chemicznych pyłów-wpływających na ich wybuchowość należy zaliczyć:*chemiczną reaktywność pyłu,*stopień utleniania powierzchni,*obecność palnych par lub gazów w powietrzu,-obecność palnych substancji w samym pyle,-procent zaadsorbowanej wody,-procent zawartości w pyle stałych materiałów obojętnych. Na wybuchowość wpływa również obojętność produktów lotnych, tworzących się podczas ogrzewania pyłów. Przykładem pyłów, których wybuchowość jest uzależniona min. od objętości produktów lotnych, tworzących się w wyniku rozkładu termicznego ziarna pyłu, pyły są spożywcze i pyły węglowe. W przypadku gdy mamy do czynienia z mieszaniną hybrydową (pył palny-powietrze+gaz palny) to obecność nawet niewielkiej ilości gazu palnego w mieszaninie powoduje intensyfikację wybuchu. Wpływ wilgoci na wybuchowość pyłów jest zależna od wilgotności powietrza oraz od rodzaju powierzchni pyłu. Im większa wilgotność powietrza i niższa temperatura powietrza tym większy procent wilgoci absorbuje się na ziarnie pyłu i odwrotnie. Ziarnami o własnościach hydrofilowych są m.in. pyły organiczne typu: mąka, zboże itp. Wzrost zawartości wilgoci prowadzi do następujących fizycznych efektów:*wzrostu aglomeracji pyłu (tzn. zlepiania się),*obniżania szybkości spalania w wyniku dużego ciepła parowania wody,*wzrostu przewodnictwa cieplnego ziaren. Najważniejszymi czynnikami fizycznymi wpływającymi na wybuchowość pyłów jest stopień jego rozdrobnienia (im mniejsze ziarno, tym większa zdolność do wybuchu). Spalanie pyłów jest reakcją zachodzącą na powierzchni ziaren pyłu przynajmniej w początkowym stadium i dlatego wiązanie tlenu przebiega wolniej niż przy wybuchach gazów. Skutki wybuchów pyłów są często bardziej katastrofalne niż skutki wybuchów gazów. Przyczyna tkwi w wolniej narastającej szybkości przebiegu reakcji spalania i szybkości wzrostu ciśnienia, które z kolei trwają dłużej oraz fakt, że pyły są częściej rozproszone na większych powierzchniach i w większej liczbie pomieszczeń.

19.Interpretacja pojęcia „wybuchowość” mieszaniny hybrydowych. Przykłady mieszanin hybrydowych.

Palne składniki lotne mogą być obecne w mieszaninie nie tylko jako składnik powietrza. W tym ostatnim przypadku mieszanina"”pył palny+powietrze+gaz palny” nazywa się mieszaniną hybrydową. Obecność nawet małej ilości gazu palnego w mieszaninie (w stężeniach poniżej ich dolnych granic wybuchowości) powoduje intensyfikację wybuchu, w szczególności wzrasta szybkość narastania ciśnienia (dp/dt)max.

21.Co to znaczy termostabilnść (niestabilność termiczna) jak wpływa ona na możliwość zaistnienia wybuchu.

Związki zaliczane do substancji chemicznych niestabilnych, tzn. mających tendencję do wybuchu, charakteryzują się:*endotermicznym ciepłem tworzenia H_tw (czynnik termodynamiczny),*endotermicznym rozkładem H_rozkł<0 (czynnik termodynamiczny),*obecnością reaktywnych grup w strukturze,*zdolnością do szybkiego przejścia w stan lotny,*dużą objętością tworzących się produktów lotnych (1000-krotne zwiększenie objętości). Materiały wybuchowe są to związki chemiczne albo mieszaniny zdolne do samorzutnej przemiany chemicznej z dużą szybkością, podczas której wydziela się duża ilość gazów i ciepła. Określenie „samorzutna przemiana” oznacza że są to materiały niestabilne, łatwo rozkładające się egzotermicznie, tzn. wydzielające ciepło podczas rozkładu. Ciepło to podnosi ich temperaturę, przyspieszając dodatkowo ich szybkość rozkładu. W ten sposób samo przyspieszenie reakcji prowadzi stopniowo do coraz większej ilości ciepła w układzie i w konsekwencji do wybuchu. Materiały wybuchowe to związki w których w strukturze cząsteczki dominują niestabilnie grupy atomów np. acetylen, związki nitrowe i nitrozowe, nadtlenki. Są to w większości grupy, w których występują podwójne wiązania, które mają duży procent tlenu i azotu. Niestabilność materiałów wybuchowych określa się za pomocą bilansu tlenowego, który wyprowadza się oznaczając przez; *X - liczbę atomów węgla w materiale, *Y - liczbę atomów wodoru w materiale,*Z -liczbę atomów tlenu w materiale,*n- liczbę atomów azotu w materiale. Obliczono że substancja jest niestabilna wtedy, gdy liczba Z i n wzrasta w stosunku do liczby X i Y w cząsteczce (im więcej tlenu w strukturze substancji, tym więcej tlenu w strukturze substancji, tym więcej węgla i wodoru spali się do produktów całkowitego spalania).

22.W jaki sposób przebiega wybuch w zamkniętej przestrzeni.

W zamkniętej przestrzeni szybkość spalania wybuchowego określa wielkość tworzącej się w czasie spalania siły, która z kolei określa wielkość i dynamikę gazów w czasie wybuchu. Wybuch, który przebiega przy początkowym, normalnym ciśnieniu atmosferycznym, rozwija nadciśnienie od 6 do 9 bar, a absolutne ciśnienie od 7 do 10 bar. Przedstawiona powyżej zależność jest prawdziwa tylko w przepływie laminarnym, ponieważ turbulencja silnie wpływa na wzrost szybkości spalania. Turbulencja odgrywa bardzo dużą rolę w przebiegu wybuchu w przestrzeni ograniczonej, powoduje wzrost szybkości transportu energii masy i impulsów poprzez mieszanie spowodowane zawirowaniem płynu. Podczas niekontrolowanych wybuchów w instalacjach chemicznych i paliwowych, może dojść do detonacji gazowych mieszanin paliwowo- powietrznych. Z chwilą powstania zjawiska detonacji ciśnienie i temperatura świeżych gazów nagle wzrastają wskutek ponad adiabatycznego sprężenia we froncie fali uderzeniowej. Następnie w strefie reakcyjnej reakcja przebiega z ogromną szybkością, powodując jeszcze nieznany wzrost temperatury i niewielki spadek ciśnienia.

23.W jaki sposób wybuch przebiega na otwartej przestrzeni.

Aby wytworzyła się mieszanina wybuchowa muszą zaistnieć ściśle określone warunki. Detonacje gazowych mieszanin paliwowo-powietrznych, które mogą powstawać w przestrzeni nieograniczonej (otwartej) są niezwykle groźne z uwagi na impulsy statyczne i dynamiczne powodujące zniszczenie urządzeń technicznych i budynków oraz ludzi. Z chwilą powstania zjawiska detonacji ciśnienie i temperatura świeżych gazów wzrastają wskutek ponad adiabatycznego sprężania na froncie fali uderzeniowej, chociaż w tym samym czasie nie zachodzi żadna zauważalna reakcja chemiczna. Następnie w strefie reakcyjnej reakcja przebiega z ogromna szybkością powodując jeszcze nieznaczny wzrost temperatury i niewielki spadek ciśnienia. Kinetyka nie odgrywa w zjawisku detonacji żadnej roli. Wynika to z faktu, że proces rozprzestrzeniania się detonacji daje się opisać za pomocą teorii termodynamiczno-hydrodynamicznej, w której elementy kinetyki reakcji w ogóle nie występują.

25.Jaki będzie zasięg wybuchu, jeśli z cysterny wycieknie 20 ton benzyny (C₆H₁₄) lub 20 ton amoniaku (NH₃) lub 20 ton propanu (C₃H₈). Ciśnienie p_o= 1,01* 10⁵Pa.

gdzie: L- zasięg wybuchu [m.], po- początkowe ciśnienie, E- energia, która wydziela się w czasie spalania pary lub gazu, E,L- są zależne od ilości substancji, która wycieka, n- ułamek molowy, C_sp- ciepło spalania, m.- masa substancji, M- masa cząsteczkowa. Wzory: L=(E/Po)^0,33, E=n*C_sp, n=m/M. [benzyna] m.=20000 kg, M.=86 g/mol, po=101000 Pa, Csp=4200,1kJ/mol, n=232558,1 mol, E=976767275,8 kJ, L=

[amoniak] m.=20000kg, M.=17g/mol, po=101000Pa, Csp= n=1176470,6 mol, E= ,L= , [propan] m.=20000 kg, M.=44 g/mol,po=101000 Pa, Csp=2526,7 kJ/mol, n=454545,4 mol, E=1148499862 kJ, L= 213 m.

27.Wytłumaczyć różnicę w przebiegu wybuchu 1 kg pyłu mączki ziemniaczanej(4 m³ produktów spalania) i pyłu kakao(2 m³ produktów spalania).

Wzrost objętości produktów spalania w porównaniu z objętością mieszaniny wyjściowej powoduje wzrost ciśnienia podczas wybuchu. Na wybuchowość pyłów ma wpływ objętość produktów lotnych tworzących się podczas ogrzewania pyłów. Maksymalnie silny wybuch otrzymuje się, gdy ilość substancji lotnych powierzchni stałych w wyniku rozkładu ziaren pyłu mieści się w zakresie 10 do 25% w stosunku do masy początkowej. Przykładem pyłów, których wybuchowość jest uzależniona min. od rozkładu produktów lotnych, tworzących się w wyniku rozkładu termicznego ziarna pyłu, są pyły spożywcze i pyły węglowe. Groźniejszym z punktu widzenia wybuchowości jest 1 kg pyłu mączki ziemniaczanej niż 1 kg pyłu kakao ponieważ z tego pierwszego wytworzyło się dwa razy więcej substancji lotnych co z kolei ma wpływ na siłę wybuchu. Poza tym pył mączki ziemniaczanej ma niższa DGW w porównaniu z pyłem kakao.

28.Co stanowi podstawę weryfikacji mieszanin wybuchowych.

Związki, które mogą dać zjawisko wybuchu można ogólnie podzielić na dwie grupy: *związki, które są technologicznie, specjalnie przygotowane do szybkiego egzotermicznego rozkładu (materiały wybuchowe), *związki, które same nie wybuchają, ale tworzą mieszaniny wybuchowe; ich zachowanie wybuchowe uzależnione jest od stanu skupienia składnika palnego w mieszaninie. Podstawą klasyfikacji mieszanin wybuchowych jest mechanizm wybuchowości, który ściśle związany jest ze stanem skupienia (fazę) składnika palnego w mieszaninie: *mieszaniny gazowe,*mieszaniny par cieczy łatwo zapalnych,*mieszaniny ciał stałych w postaci rozdrobnionej (w postaci pyłów rozproszonych w powietrzu).

29.W jaki sposób w przepisach PSP klasyfikuje się i ocenia własności wybuchowe mieszanin.

Strefa zagrożenia wybuchem jest to przestrzeń, w której może występować mieszanina wybuchowa. Strefy zagrożenia wybuchem klasyfikuje się następująco: ZO- strefa w której mieszanina wybuchowa gazów, par lub mgieł występuje stale lub długotrwale w normalnych warunkach pracy. Z1- strefa, w której mieszanina wybuchowa gazów, par lub mgieł może występować w normalnych warunkach pracy. Z2- strefa, w której istnieje niewielkie prawdopodobieństwo wystąpienia mieszaniny wybuchowej par lub gazów i mgieł przy czym mieszanina wybuchowa może występować jedynie krótkotrwale. Z10- strefa, w której mieszanina wybuchowa pyłów występuje często w normalnych warunkach pracy. Z11- strefa, w której zalegające pyły mogą krótkotrwale tworzyć mieszaninę wybuchowa wskutek przypadkowego zawirowania powietrza.