- NHỮNG BIỆN PHÁP AN TOÀN KHI CễNG TÁC TRấN CÁC ĐƯỜNG DÂY HẠ ÁP ĐANG Cể ĐIỆN
4. Nhiệt độ tự bắt chỏy giới hạn nồng độ nổ giới hạn nhiệt độ bốc chỏy
Thời gian chuẩn bị ngấm ngầm của phản ứng kể từ thời điểm khuấy trộn giả nhiệt hỗn hợp đến thời điểm xuất hiện những biểu hiện rừ rệt của phản ứng (bắt chỏy) gọi là thời gian cảm ứng.
Theo lý thuyết nhiệt, thời gian cảm ứng là giai đoạn tớch luỹ nhiệt, theo lý thuyết dõy chuyền - là giai đoạn tớch luỹ tõm hoạt động.
Thời gian cảm ứng giảm khi tăng ỏp suất, tăng nhiệt độ hỗn hợp chỏy, giảm hàm lượng chất chỏy trong hỗn hợp hoặc khi thờm cỏc chất xỳc tỏc tiến quỏ trỡnh chỏy như alđeehit, peroxit. Ngược lại, thờm những chất ức chế phản ứng chỏy như iot, anilin, fenol, … sẽ kộo dài thời gian cảm ứng. Vỡ vậy, ta cú thể điều khiển quỏ trỡnh bắt chỏy xuất hiện sớm hay muộn bằng cỏch thờm cỏc phụ gia thớch họp để rỳt ngắn hay kộo dài thời gian cảm ứng.
Dưới đõy là thời gian cảm ứng (tớnh bằng giõy) của một vài hỗn hợp ở nhiệt độ khỏc nhau:
Hỗn hợp mờtan với khụng khớ ở 7000C là vài giõy. Hỗn hợp mờtan với khụng khớ ở 8000C là 1 giõy. Hỗn hợp mờtan với oxi ở 8000C là 0,2 giõy. Hỗn hợp mờtan với oxi ở 10000C là 0,01 giõy.
ở nhiệt độ cao thời gian cảm ứng của hầu hết hiđrụcacbon rất nhỏ (chỉ vài phần giõy). Với chất chỏy thể rắn thời gian cảm ứng rất dài, cú thể hàng giờ, hàng ngày thậm chớ hàng thỏng. Thời gian cảm ứng của chỏt chỏy thể rắn càng ngắn nếu như độ mịn càng cao và mức độ khuấy trộn của nú với khụng khớ càng tốt.
Thời gian cảm ứng cú vai trũ quan trọng đối với thực tế khi chọn thiết bị điện chống nổ, khi phõn loại cỏc chất chỏy nổ, khi xem xột cỏc vấn đề an toàn chỏy nổ trong cụng nghiệp khai thỏc hầm lũ, tại những nơi sản xuất cú sản sinh ra cỏc khớ dễ chỏy nổ, tại cỏc kho hoỏ chất, kho xăng dầu…
Vớ dụ, trong cụng nghiệp khai thỏc hầm lũ thường cú nhiều bụi nổ, khi dễ chỏy nổ như mờtan, cỏcbon oxit. Tại đõy chỉ được phộp dựng những thiết bị điện chống nổ an toàn, đốn phũng nổ. Khi đốn điện bị vỡ dũng điện sẽ tự động ngắt. Để đảm bảo an toàn về chỏy nổ phải đũi hỏi thời gian để cho sợi túc đốn nguội đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bắt chỏy của hỗn hợp chỏy cú trong khu vực đú nhỏ hơn thời gian cảm ứng của hỗn hợp chỏy đú.
4. Nhiệt độ tự bắt chỏy giới hạn nồng độ nổ giới hạn nhiệt độ bốcchỏy chỏy
Toàn bộ hỗn hợp chỏy tự gia nhiệt (nhờ nhiệt của phản ứng oxi hoỏ) hay được gia nhiệt (bằng nguồn điện giỏn tiếp hoặc do nộn đến ỏp suất cao trong điều kiện đoạn nhiệt) đến một nhiệt độ nhất định nú sẽ bắt chỏy rồi chỏy tiếp tục mà khụng cần đưa một mồi lửa nào đến gần thỡ gọi là hiện tượng tự bắt chỏy. Nhiệt độ tại đú xảy ra tự bắt chỏy của hỗn hợp chỏy gọi là hiện
tượng tự bắt chỏy. Vậy nhiệt độ tự bắt chỏy là nhiệt độ thấp nhất tại đú hỗn hợp cú thể chỏy được mà khụng cần cú mồi lửa từ ngoài.
Nhiệt độ tự bắt chỏy phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp chỏy, thể tớch hỗn hợp chỏy, ỏp suất, phương phỏp xỏc định nú. Chất xỳc tỏc cũng cú ảnh hưởng đến nhiệt độ tự bắt chỏy. Thành bỡnh phản ứng cũng xem như một loại xỳc tỏc. Thành bỡnh bằng thạch anh làm giảm nhiệt độ tự bắt chỏy của xăng đi 1000C, và bằng platin gần 3000C so với thành bỡnh bằng sắt. Chỡ tetraetilen, pentacacbonil sắt và cỏc chất ức chế khỏc với một lượng nhỏ cú thể tăng đỏng kể nhiệt độ tự bắt chỏy (tới 1000C hoặc hơn).
Bằng nhiều thực nghiệm người ta đó xỏc định được rằng: Hỗn hợp giữa hơi khớ chỏy với khụng khớ đạt thành phần tỷ lượng sẽ cú nhiệt độ bắt chỏy thấp nhất. Tăng hàm lượng chất chỏy trong hỗn hợp cao hơn so với thành phần tỷ lượng nhiệt độ tự bắt chỏy càng tăng. Nếu như thay khụng khớ bằng oxi nguyờn chất thỡ nhiệt độ tự bắt chỏy của hỗn hợp sẽ giảm.
Đối với hiđrụcacbon trong cựng một dóy đồng đẳng thỡ chất đầu tiờn cú nhiệt độ tự bắt chỏy cao nhất vỡ phõn tử cua nú bền với oxi. Phõn tử lượng của nú càng tăng nhiệt độ tự bắt chỏy càng giảm. Vớ dụ, nhiệt độ tự bắt chỏy của benzen là 5910C, của tụluen là 5670C.
Cỏc hiđrụcacbon no, khụng no, thơm và vũng napten cú cựng số nguyờn tử cacbon thỡ loại thơm cú nhiệt độ tự bắt chỏy cao nhất, và loại parafin - thấp nhất.
Trong cỏc đồng phõn thỡ loại hiđrụ cacbon mạch nhỏnh cú nhiệt độ tự bắt chỏy cao hơn so với loại mạch thẳng. Nhiệt độ tự bắt chỏy của hiđrụcacbon cao hơn so với dẫn xuất tương ứng của chỳng (như alđờhit, rượu…). Độ nhớt của hiđrụcacbon càng cao nhiệt độ tự bắt chỏy càng thấp.
Đa số cỏc chất chỏy thể lỏng, khi cú nhiệt độ tự bắt chỏy trong khoảng 400 - 7000C. Nhiệt độ tự bắt chỏy của cỏc chất rắn rất khỏc nhau. Nhiệt độ tự bắt chỏy của gỗ, than bự, than nõu, than đỏ nằm trong khoảng 250 - 4500C tuỳ theo lượng chất bốc. Kẽm, nhụm, magezi, cốc cú nhiệt độ tự bắt chỏy trong khoảng 450 - 8000C.. Nhiệt độ tự bắt chỏy của nhiờn liệu rắn càng thấp nếu độ mịn của nú càng cao, hàm lượng cacbon trong nú càng thấp, hàm lượng oxi trong nú càng cao.
Để xỏc định nhiệt độ tự bắt chỏy cú 4 phương phỏp chủ yếu: phương phỏp nạp, nộn, dũng và nhỏ giọt. Bốn phương phỏp này khỏc nhau chủ yếu ở cỏch gia nhiệt, trộn khớ hoặc hơi chất chỏy với chất oxi hoỏ. Phương phỏp "nạp" xỏc định nhiệt độ tự bắt chỏy tiến hành như sau :
- Bỡnh phản ứng 1 điện gia nhiệt bằng lũ điện 2; hỗn hợp hơi hoặc khớ với khụng khớ được chuẩn bị trước và gia nhiệt sơ bộ đến một nhiệt độ nhất định từ bỡnh trộn 6 qua van 4 vào bỡnh phản ứng. Nhiệt độ thấp nhất tại đú hỗn hợp trong bỡnh phản ứng bắt chỏy được gọi là nhiệt độ tự bắt chỏy cuả nú. Phương phỏp "nhỏ giọt" là phương phỏp phổ biến nhất dựng xỏc định nhiệt độ tự bắt chỏy của hơi chất lỏng :
- Lũ điện được nung sơ bộ đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự bắt chỏy dự kiến của chất lỏng ta định thử khoảng 100 - 1500C. Dựng pipet nhỏ chất lỏng
thành từng giọt vào cốc thạch anh đặt sẵn trong lũ. Quan sỏt thớ nghiệm qua một khe hở đứng ở thành lũ. Nhiệt độ thấp nhất tại đú ta thấy hơi của chất lỏng bắt chỏy được coi là nhiệt độ tự bắt chỏy của nú.
Hỗn hợp chất chỏy và chất oxi hoỏ chỉ cú thể chỏy trong một khoảng nồng độ nhất định, ngoài khoảng đú thỡ quỏ trỡnh chỏy khụng xảy ra. Khoảng nồng độ giới hạn đú gọi là giới hạn chỏy nổ hay giới hạn lan truyền ngọn lửa. Nồng độ thấp nhất của khớ và hơi ở tỏng khụng khớ cú thể gõy ra nổ gọi là giới hạn nổ dưới. Ngược lại, nồng độ cao nhất của hơi và khớ trong khụng khớ cú thể gay ra nổ trờn gọi là khoảng nổ (hay giới hạn nổ) của một chỏt. Khoảng nổ cũn cú thể gọi là khoảng bắt chỏy.
Khoảng nổ càng rộng thỡ chất đú càng nguy hiểm về chỏy và nổ. Khoảng nổ của một chất khụng phải là một hằng số. Nú biến đổi tuỳ theo nhiệt độ, ỏp suất, tạp chất, mồi bắt chỏy và chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ khớ trơ ở trong hỗn hợp.
Giới hạn nồng độ thường biểu diễn bằng phần trăm thể tớch, bằng nồng độ trọng lượng (mg/l). Những giỏ trị về giới hạn nồng độ nổ ghi trong cỏc sổ tay tra cứu thường cho ở điều kiện ỏp suất khớ quyển và nhiệt độ trong phũng. Khi tăng cao nhiệt độ miền bắt chỏy sẽ được mở rộng. Cứ tăng nhiệt độ lờn 1000C thỡ giới hạn nổ dưới sẽ giảm đi 10% và giới hạn nổ trờn sẽ tăng lờn 15% so với giỏ trị ban đầu tương ứng của nú.
Tăng ỏp suất đến 30 - 40al thực tế khụng gõy ảnh hưởng lờn giỏ trị giới hạn nồng độ nổ. Nhưng giảm ỏp suất thỡ gõy ảnh hưởng lớn lao lờn giới hạn nổ. ỏp suất càng thấp khoảng nổ càng thu hẹp lại. ứng với một nhiệt độ nhất định ta cú thể tỡm được một ỏp suất cực tiểu (hay gọi là ỏp suất tới hạn), tại đú giới hạn nổ dưới và trờn trựng nhau.
Khi biến đổi thành phần của hỗn hợp bằng cỏch đưa thờm vào đú một chất nào khỏc hoặc thay thế một cấu tử của hỗn hợp bằng một chất khỏc sẽ làm thay đổi rừ rết khoảng bắt chỏy. Trong mụi trường oxi khoảng nổ được mở rộng đỏng kể. Khi đú giới hạn dưới hầu như khụng biến đổi, nhưng giới hạn trờn thỡ tăng mạnh. Thờm chất chỏy vào, ngược lại, làm giảm khoảng bắt chỏy vỡ giảm giới hạn trờn.
Để xỏc định giới hạn nồng độ nổ của hỗn hợp hơi, khớ với khụng khớ cú nhiều cỏch khỏc nhau. Nguyờn lý chung là cho vào ống nổ một hỗn hợp ta định thử cú nồng độ đó chọn trước. Đồng thời đưa vào hỗn hợp ở trong ống nổ một mồi lửa. Mồi lửa cú thể là một sợi dõy nung đỏ, một tia lửa đienẹ hoặc thành phần của một hỗn hợp nổ thỡ nú sẽ nổ và xuất hiện ngọn lửa.
Trong hỡnh 19-5 đưa ra một kiểu dụng cụ để xỏc định giới hạn nồng độ nổ của hỗn hợp khớ với khụng khớ. Để xỏc định giới hạn nồng độ nổ dưới người ta chuẩn bị một hỗn hợp cú nồng độ chất chỏy thấp hơn so với tớnh toỏn là 20 - 30%. Để xỏc định giới hạn nồng độ nổ trờn người ta chuẩn bị một hỗn hợp cú nồng độ chất chỏy cao hơn so với tớnh toỏn là 20 -30%. Dựng bơm chõn khụng 2 hỳt hết khụng khớ ra khỏi dụng dụ đến khi ỏp suất cũn lại là 3- 5mm cột thuỷ ngõn và qua van 9 ta đưa vào dụng cụ một lượng khi chỏy đó
tớnh trước, sau đú nạp khụng khớ vào đầy dụng cụ cho tới khi ỏp suất trong dụng cụ cõn bằng với ỏp suất khớ quyển.
Liều lượng của khớ chỏy tớnh theo ỏp suất riờng phàn P (mm Hg): =
P
100 KP1
trong đú: K- nồng độ đó cho của chất chỏy, % thể tớch; P1: ỏp suất khớ quyển, mm Halogen.
Tiếp theo, dựng quạt giú 3 vận chuyển hỗn hợp để khuấy trộn nú trong 5 phỳt; đúng khoỏ 7, 11; mở tấm thủy tinh 6 và nhanh chúng đốt chỏy hỗn hợp bằng điện cực 5. Nếu sau 3 lần đúng mạch điện hỗn hợp khụng bắt chỏy hoặc ngọn lửa xuất hiện khụng lan truyền hết toàn bộ thể tớch bỡnh phản ứng thỡ phải làm lại thớ nghiệm. Trong lần thớ nghiệm sau đú để xỏc định giới hạn nổ dưới ta tăng dần dần và để xỏc định giới hạn nổ trờn ta giảm dần dần ỏp suất riờng phần của chỏt chỏy trong hỗn hợp đi 1mm Halogen trong mỗi thớ nghiệm. Nếu tỏng lần thứ nhất mà ngọn lửa lan truyền trong toàn bộ thể tớch bỡnh thỡ ở những thớ nghiệm sau ta lại giảm (khi xỏc định giới hạn nổ dưới) hoặc tăng (khi xỏc định giới hạn nổ trờn) nồng độ chất chỏy một cỏch tương ứng như ở trờn.
Giới hạn nổ cần tỡm sẽ là nồng độ chất chỏy trong khụng khớ ứng với trường hợp ngọn lửa lan truyền đến hết thể tớch khớ trong ống phản ứng và sau đú khi giảm (ứng với giới hạn dưới) hoặc tăng (ứng với giới hạn trờn) ỏp suất riờng phần của khớ đi 1mm Halogen mà ngọn lửa khụng lan truyền được nữa trong toàn bộ thể tớch hỗn hợp. Thớ nghiệm cần được tiến hành ớt nhất 3 lần.
Để tớnh toỏn giới hạn nổ dưới (Nd) và giới hạn nổ trờn (Nt) của chất chỏy cú thể dựng cụng thức thực nghiệm sau:
% Q 76 , 4 4 100 . 4 Nd + = thể tớch = g/l V ) Q 75 , 4 4 ( M 4 t +
trong đú: Q - số nguyờn tử gam oxi cần thiết để đốt chỏy 1 mol chất chỏy.
Vt - thể tớch 1 mol khớ ở nhiệt độ trong phũng l
M- khối lượng của 1 mol cấu tử chỏy trong hỗn hợp g.
Khối lượng phõn tử của cấu tử chỏy trong cựng dóy đồng đẳng càng tăng, giới hạn nổ dưới và trờn càng giảm, trong đú giới hạn trờn giảm nhanh hơn cho nờn khoảng nổ cũng thu hẹp lại. Cấu tạo nhỏnh của hiđrụcacbon làm giảm nhiệt độ bựng chỏy của nú do tăng ỏp suất hơi bóo hoà của chất lỏng, đồng thời lại làm tăng giới hạn nổ dưới, do đú làm thu hẹp vựng bắt chỏy. Vớ dụ, trong cựng một điều kiện như nhau propanol và izopanol cú nhiệt độ bựng chỏy tương ứng là 20 và 80C, giới hạn nổ dưới là 2,02 và 2,25%, giới hạn nổ trờn là 13, 55 và 11, 65%.
Trong sản xuất thường gặp những hỗn hợp khớ phức tạp bao gồm nhiều chất khỏc nhau. Giới hạn nổ của hỗn hợp cú thể tớnh gần đỳng theo cụng thức:
% N K ... 2 N K N K 100 N n n 2 1 1 t + + = (19-4) trong đú:
Nt- giới hạn nổ trờn (hoặc dưới) của hỗn hợp, %.
K1, K2, … Kn, nồng độ tương đối của mỗi khớ chỏy cú trong hỗn hợp, % thể tớch; (tất nhiờn K1 + K2 +… + Kn = 100);
N1, N2,…., Nn giới hạn nổ trờn (hoặc dưới) của từng khớ chỏy tương ứng cú trong hỗn hợp, % thể tớch.
Khi tớnh toỏn giới hạn nổ bằng phần trăm trong lượng thỡ K1, K2, …, Kn phải tớnh tương ứng bằng phần trăm trọng lượng.
Vớ dụ: Xỏc định giới hạn nồng độ nổ dưới Nd của hỗn hợp khớ gồm 20% CO; 40%H2; 30%CH4 và 10% C2H4. Biết giới hạn nổ dưới của từng chất tương ứng - CO - 15,s6%; H2 - 9,5%; CH4 - 6,3% và C2H2 - 4,0%.
Thay những số liệu đó cho vào cụng thức 19-4 ta cú: % 84 , 7 0 , 4 10 3 , 6 30 5 , 9 40 6 , 15 20 100 Nd = + + + = ỏp suất nổ cú thể tớnh theo cụng thức n . l m . l. P P 0 0 0 n = trong đú:
P0 - ỏp suất ban đầu, at; ln - nhiệt độ nổ, 0K;
m - số mol khớ sau khi nổ; l0 - nhiệt độ ban đầu, 0K; n - số mol khớ trước khi nổ
Với đa số cỏc chất, nhiệt độ nổ của khớ nằm trong khoảng 1500 - 30000C; ỏp suất khi nổ thụng thường của khớ và hơi khụng quỏ 11at. Khi tăng nồng độ oxi cao hơn 21% thể tớch; ỏp suất nổ tăng vọt cú thể tới 20at.
Tớnh nổ của hơi chất lỏng cũn cú thể đặc trưng bằng giới hạn nhiệt độ bắt chỏy.
Giới hạn nhiệt độ dưới là nhiệt độ thấp nhất của chất lỏng tại đú hơi bóo hoà của nú tạo với khụng khớ ở trong bỡnh kớn một hỗn hợp đó cú khả năng bắt chỏy khi ta đưa một mồi lửa đến gần. Nồng độ hơi tạo ra ở giới hạn nhiệt độ dưới sẽ tương ứng với giới hạn nồng độ nổ dưới.
Giới hạn nhiệt độ trờn là nhiệt độ cao nhất của chất lỏng tại đú hơi bóo hoà của nú tạo với khụng khớ một hỗn hợp cũn cú khả năng bắt chỏy khi ta đưa một mồi lửa đến gần. Nồng độ hơi tạo ra ở giới hạn nhiệt độ trờn sẽ tương ứng với giới hạn nồng độ nổ trờn.
Ở nhiệt độ thấp hơn giới hạn nhiệt độ dưới và cao hơn giới hạn nhiệt độ trờn quỏ trỡnh chỏy khụng thể xảy ra.
Từ giới hạn nhiệt độ ta cú thể tớnh chuyển ra giới hạn nồng độ bằng cụng thức sau:
Nd = trong đú :
Nd, Nt - giới hạn độ dưới và trờn, % thể tớch;
p1 , p2 - ỏp suất hơi bóo hũa ở nhiệt độ ứng với giới hạn nhiệt độ dưới và trờn ;
p atm - ỏp suất khớ quyển.
Trong thực tế sản xuất, để hạn chế chỏy nổ ta thực hiện quỏ trỡnh kỹ thuất trong điều kiện chõn khụng hoặc ỏp suất thấp. Để chữa chỏy phun khớ trơ vào đỏm chỏy. Những điều đú cú thể giải thớch là do khớ đú ta đó tạo điều kiện để thu hẹp khoảng nổ của hỗn họp.
Như vậy, giới hạn nhiệt độ bắt chỏy, giới hạn nồng độ nổ cũng như nhiệt
