Z jak zagrożenie wybuchem
Aby doszło do wybuchu, muszą zaistnieć jednocześnie trzy czynniki: utleniający (powietrze, a ściśle – zawarty w nim tlen), palny (gaz, pył lub para cieczy o stężeniu zawartym pomiędzy dolną a górną granicą wybuchowości) oraz źródło zapłonu. W takiej sytuacji wybuch na pewno nastąpi, natomiast jego mechanizm będzie zależał od szeregu warunków. Wybuch chemiczny może mieć charakter homogeniczny (jednoczesny wybuch całej masy) lub heterogeniczny (przemieszczanie się strefy reakcji).
dr Aleksander Stukowski
W zależności od szybkości przemieszczania się tej strefy mamy do czynienia z deflagracją (szybkość do 100 m/sek.) lub detonacją (ponad 1000 m/sek.). Czy wybuch w fazie początkowej będzie miał charakter deflagracji czy detonacji, zależy od źródła zapłonu, w szczególności od jego energii. Różnice są tu bardzo znaczne, bo aby wywołać deflagrację, wystarczy energia około 10 4J, natomiast do bezpośredniego zainicjowania detonacji niezbędna jest energia około 106J.
Mechanizm wybuchu
Zapłon i dalsze spalanie mieszaniny palnego składnika z powietrzem jest możliwe w określonym zakresie stężeń obu tych składników. Zakres ten jest określony dolną (DGW) i górną (GGW) granicą wybuchowości. Wewnątrz tego zakresu znajduje się punkt odpowiadający stężeniu stechiometrycznemu mieszaniny, tj. odpowiadającemu teoretycznemu równaniu reakcji chemicznej całkowitego spalania. Ważna z punktu widzenia oceny zagrożenia wybuchem jest minimalna energia zapłonu (MEZ), czyli najmniejsza energia zdolna wywołać zapłon palnej mieszaniny w określonych warunkach. Jej wielkość zależy nie tylko od rodzaju palnego składnika, ale również od jego stężenia – im bliżej granic wybuchowości, tym energia ta osiąga wyższą wartość.
Źródła zapłonu mogą być różne, a ich wspólną cechą jest zdolność do wytworzenia odpowiednio wysokiej temperatury. Dzielimy je na punktowe (iskry elektryczne, elektrostatyczne, mechaniczne), liniowe (wyładowania elektryczne snopiące, łuk elektryczny), powierzchniowe (gorące powierzchnie, materiały piroforyczne, fale uderzeniowe, promieniowanie świetlne i cieplne, iskry spawalnicze) i pojemnościowe (gorące gazy, reakcje chemiczne, otwarty ogień, sprężenie adiabatyczne).
Mechanizm wybuchów gazów i par cieczy palnych
Dla cieczy granice wybuchowości związane są z parowaniem. Ciśnienie pary nasyconej jest funkcją temperatury powierzchni cieczy. Jednocześnie ciśnienie pary wyznacza wartość jej stężenia w fazie gazowej nad cieczą, po osiągnięciu w układzie stanu równowagi. Zatem poniżej pewnej temperatury ciśnienie pary nad cieczą będzie zbyt niskie, aby jej stężenie osiągnęło dolną granicę wybuchowości. Temperatura ta – zdefiniowana jako dolna temperaturowa granica wybuchowości, jest na ogół równa temperaturze zapłonu, poniżej której ciecz nie stwarza zagrożenia wybuchowego. Jeśli natomiast stężenie pary nasyconej nad cieczą przekroczy górną granicę wybuchowości, jej mieszanina z powietrzem będzie zbyt bogata w składnik palny (a jednocześnie zbyt uboga w utleniacz), zatem będzie niewybuchowa.
Granice wybuchowości dla mgieł (aerozoli) zależą od wielkości cząstek cieczy. Nie ma tu prostej zależności, bo dla pewnych zakresów rozmiarów cząstek DGW może być niższa niż dla par tej cieczy.
Wartości granic wybuchowości dla gazów i par wyrażamy w % objętościowych.
Granice wybuchowości odnoszą się do stężeń palnych substancji w powietrzu, ale w procesie spalania bierze udział tylko jeden jego składnik – tlen, którego zawartość w powietrzu wynosi w warunkach normalnych około 21%. Zmiana stężenia tlenu znacząco wpływa na zakres wybuchowości mieszaniny. Jeśli stężenie tlenu spadnie poniżej granicznego (GST), mieszanina staje się niewybuchowa. Zjawisko to wykorzystuje się w procesie inertyzacji, czyli zapobieganiu tworzenia się mieszaniny wybuchowej poprzez rozcieńczanie jej gazem obojętnym.
Do wybuchu niekoniecznie musi dojść w przestrzeni zamkniętej. Znane jest zjawisko określane jako vapour cloud explosion (VCE) – wybuch chmury oparów. Polega ono na tym, że w pierwszym etapie, wskutek awarii np. zbiornika magazynowego wydostaje się z niego palny gaz lub pary palnej cieczy, tworząc w powietrzu chmurę, będącą mieszaniną palnego składnika z powietrzem. Chmura osiąga duże rozmiary. Gdy stężenie palnego składnika wewnątrz chmury osiągnie wartość w granicach wybuchowości, a następnie dojdzie do zapłonu (jego przyczyny mogą być różne), nastąpi wybuch w postaci fali ciśnieniowej o znacznej sile niszczącej.
- poprz.
- nast. »»
