Wybuchy
O ile pożary zachodzą bez wzrostu ciśnienia i proces spalania zachodzi stosunkowo wolno, o tyle wybuch jest procesem gwałtownego spalania ze wzrostem ciśnienia zachodzącym w bardzo krótkim czasie (milisekundy). O charakterze tego procesu decydują warunki dynamiczne, w jakich znajduje się mieszanina palna, a w szczególności turbulencja ośrodka. Podział wybuchów przedstawia rysunek 3.3.
Wybuchy chemiczne, podobnie jak pożary są również egzotermicznym procesem spalania i mogą być dzielone na dwa typy: homogeniczne i heterogeniczne. Wybuchy homogeniczne zachodzą w całej objętości mieszaniny palnej i towarzyszy temu gwałtowne wydzielanie się energii cieplnej oraz wzrost temperatury (np. niestabilne ciecze takie jak organiczne nadtlenki). Innym typem są wybuchy cieplne występujące wskutek utraty kontroli nad egzotermicznymi reakcjami chemicznymi lub wskutek zjawiska zwanego samozapłonem.
Rys. 3.3. Podział wybuchów
Wybuchy heterogeniczne charakteryzują się rozdzielaniem strefy reakcji od strefy nie reagującej poprzez front reakcji (płomień), który przemieszcza się przez mieszaninę palną z określoną prędkością. Jeśli prędkość ta jest mniejsza niż prędkość dźwięku to wybuch ten zwany jest deflagracją, a mechanizm propagacji oparty jest na wymianie ciepła.
Typowe prędkości przemieszczania się płomienia zmieniają się w szerokich granicach od 10 do 100 m/s i proces jest stosunkowo wolny. Ponieważ mechanizm propagacji płomienia jest identyczny do tego jaki występuje w pożarze, stąd deflagracja zwana jest również "wybuchowym spalaniem". Przemieszczający się front reakcji i wydzielające się ciepło powoduje powstawanie przed frontem fali ciśnienia, która przemieszcza się z prędkością poddźwiękową. Wzrost ciśnienia jest stosunkowo niewielki i może dochodzić do 7‑10 barów (dla zamkniętych przestrzeni), natomiast temperatura dochodzi do 2000 ‑ 30000K. Fale ciśnienia wykorzystywane są jako sygnały aktywujące urządzenia przeciwwybuchowe do dławienia inicjacji wybuchu.
Jeżeli warunki w jakich znajduje się mieszanina palna generować będą turbulencję i przepływ będzie burzliwy, to inicjacja zapłonu spowoduje propagację burzliwego płomienia. Zwiększy to gwałtownie szybkość przemieszczania się fali ciśnienia znajdującej się przed frontem reakcji, powodując dalszą turbulizację mieszaniny a tym samym zwiększenie powierzchni kontaktu międzyfazowego. Daje to auto‑przyspieszenie frontu płomienia, a tym samym fali ciśnienia, której prędkość może przekroczyć prędkość dźwięku. Zjawisko takie nazywamy wybuchem detonacyjnym, a powstające fale ciśnienia ‑ falą uderzeniową. W czasie takiego wybuchu strefa reakcji przemieszcza się z szybkością 1000‑3000 m/s, a dla cieczy czy ciał stałych nawet może osiągnąć 8000 m/s. Mechanizm polega na gwałtownym adiabatycznym sprężaniu występującym w fali uderzeniowej, co powoduje ogrzanie reagentów powyżej ich temperatury zapłonu powodując dalsze spalanie. Uwolnione ciepło służy do dalszej propagacji procesu wybuchu (sprężanie uderzeniowe). W detonacji zachodzącej w bardzo krótkim czasie nie występuje zjawisko wyprzedzania strefy reakcji przez falę ciśnienia, stąd nie ma możliwości użycia tej fali jako sygnału ostrzegającego o nadchodzącym zagrożeniu. Typowe prędkości detonacyjne wynoszą od 1500 do 3000 m/s, natomiast ciśnienie osiąga wartość od 20 do 40 barów.
Przed nadejściem frontu fali uderzeniowej ciśnienie jest na poziomie ciśnienia atmosferycznego. Z chwilą nadejścia frontu ciśnienie gwałtownie rośnie aż do wartości maksymalnej, zwanej szczytowym dodatnim nadciśnieniem. Następnie ciśnienie opada do wartości ciśnienia atmosferycznego w okresie zwanym okresem fazy dodatniej. Okres dalszego spadku ciśnienia i ewentualnego jego powrotu do ciśnienia atmosferycznego nazywamy okresem fazy ujemnej. Ważnymi parametrami całego procesu są: wartość maksymalna nadciśnienia i pole pod funkcją opisującą zależności ciśnienia od czasu w okresie fazy dodatniej (rysunek 3.4).
Rysunek 3.4. Wyidealizowana struktura fali uderzeniowej
O charakterze i mechanizmie wybuchu decydują liczne parametry, które można zestawić w 4 zasadnicze grupy:
- - właściwości materiału (fizyczne, chemiczne, stabilność, ciepło spalania etc.),
- - charakterystyka przestrzeni, w której zachodzi spalanie (rozmiar, przeszkody ograniczone czy otwarte etc.),
- - właściwości mieszaniny wybuchowej (stan skupienia, stężenie, turbulencja, ciśnienie i temperatura, obecność gazu inertnego, mieszanina hybrydowa),
- - czynniki zapłonu (energia, temperatura).
Wybuch chmury pary będzie miał miejsce, gdy nastąpi zapłon mieszaniny uwolnionego gazu i powietrza. Skutki wybuchu pary zależą w dużym stopniu od stopnia zamknięcia objętości zawierającej parę. Wbrew potocznym sądom odnotowano liczne wybuchy całkowicie otwartych objętości pary. Przyczyną powstawania takich wybuchów mogą być zjawiska turbulencji. Fala powstająca w wyniku wybuchu nie zamkniętej objętości pary charakteryzuje się względnie wolnym narastaniem ciśnienia do wartości maksymalnej i względnie dużym okresem trwania nadciśnienia (rzędu kilku dziesiątych sekundy). Wybuch chmury pary daje nadciśnienie rzędu 1 bara i nie powoduje powstawania kraterów.
Wybuchy gazu w zamkniętej objętości mogą mieć miejsce wewnątrz urządzeń (np. w zbiornikach), w przestrzeni pomiędzy urządzeniami, budynkami, itp. (częściowo zamknięte objętości) lub wewnątrz budynków.
W wypadku całkowitego zamknięcia objętości zapłonu gazów w nich zamkniętych, zmieszanych z powietrzem atmosferycznym daje po wybuchu maksymalne ciśnienie ok. 8 barów. W wielu wypadkach istnienie zaworów zrzutowych lub uszkodzenie struktury zbiorników może zredukować maksymalną wartość nadciśnienia.
Wybuch fazy skondensowanej jest wynikiem detonacji środków wybuchowych takich jak TNT oraz organicznych nadtlenków, stosowanych jako środki napędowe dla celów wojskowych. Eksplozje fazy skondensowanej są bardzo dobrze opisywane przez strukturę doskonałej fali uderzeniowej, z gwałtownym narastaniem ciśnienia, krótkim okresem fazy dodatniej (1‑10 ms) i bardzo wysokim maksymalnym nadciśnieniem (1000 barów). W wypadku objętości zamkniętych lub częściowo zamkniętych istnieją jeszcze inne fazy fali uderzeniowej związane z odbiciem od otaczających struktur.
Uszkodzenie dużego zbiornika pod ciśnieniem daje falę uderzeniową, która ma strukturę doskonałej fali uderzeniowej w czasie fazy dodatniej. Faza ujemna jest znacznie większa i następuje po niej wielokrotna fala uderzeniowa. Energia wyzwolona ze zbiornika przekształca się w energię powstawania pęknięć, energię fali uderzeniowej oraz energię kinetyczną odłamków. W ogólnym wypadku 40‑80 % całkowitej energii zamienia się w energię fali uderzeniowej.
Wybuchy pyłowe
Mieszaniny powietrza i palnych rozdrobnionych substancji tworzą tzw. mieszaniny pyłowe, które w pewnych warunkach mogą tworzyć zagrożenia wybuchowe. Warunki o których mowa, to stężenie pyłu w zakresie dolnej (LEL) i górnej granicy wybuchowości (UEL), źródło zapłonu (MIE) oraz minimalne stężenie tlenu (MOC). Charakterystyka wybuchu wyznaczona jest przez własności pyłu (średnica cząstek, wilgotność, etc.) oraz własności mieszaniny gazowej (turbulencja). Skutki wybuchu pyłowego zależą od właściwości mieszaniny wybuchowej i środowiska wybuchu, rosną one gwałtownie dla tzw. mieszanin hybrydowych zawierających minimalne ilości (0,2%) palnych par lub gazów. Liczne dane dotyczące wybuchów pyłowych przytacza monografia K.N.Palmera, (1973).
Wybuchy cieplne
Wybuchy cieplne powstają na skutek egzotermicznych reakcji chemicznych lub też cieplnej niestabilności reagentów, lub produktów. Mogą więc występować zarówno w czasie różnych procesów chemicznych (np.: polimeryzacja, nitrowanie, sulfonowanie, hydroliza etc.), zwykle w okresowych reaktorach chemicznych, jak również zdarzają się w operacjach fizycznych takich jak: magazynowanie, przepływ, mielenie, rozdrabnianie, pakowanie, suszenie czy destylacja. Proces wybuchu cieplnego jest inicjowany w wypadku kiedy ilość wydzielającego się ciepła w czasie reakcji przewyższa ilość ciepła odbieranego przez otoczenie. Ta nadwyżka ciepła prowadzi do tzw. nadkrytycznego bilansu ciepła, który podnosi temperaturę masy reakcyjnej, powodując natychmiastowy wzrost szybkości reakcji chemicznej, a tym samym wzrost ilości wydzielającego się ciepła. Daje to w konsekwencji dalszy gwałtowny wzrost temperatury, aż dochodzi do wyzwolenia się dużej ilości energii cieplnej w bardzo krótkim czasie. Proces ten zwany jest wybuchem cieplnym - ilustruje go rysunek 3.5.
Brak wymiany wydzielającego się ciepła z otoczeniem, np. wskutek utraty zdolności chłodzenia, prowadzi do warunków adiabatycznych oznaczających, że całe wydzielające się ciepło jest akumulowane w masie reakcyjnej. Osiąga się w ten sposób maksymalną temperaturę:
Tmax = To + DTad , (3.1)
gdzie:
To - początkowa temperatura reakcji,
Tad - adiabatyczny wzrost temperatury.
Wartość DTad dla typowych reakcji nie przekracza 100oC, natomiast dla reakcji dekompozycji sięga nawet do 1000oC.
Rys. 3.5. Wpływ temperatury na wydzielanie i odbiór ciepła
Pełną charakterystykę wybuchu cieplnego związanego z niekontrolowanym przebiegiem reakcji chemicznej lub reakcją dekompozycji wyznacza się poprzez:
- - początkowa temperatura, przy której następuje inicjacja nadkrytycznego bilansu ciepła,
- - szybkość wydzielania się ciepła,
- - szybkość wydzielania się gazu i wzrost ciśnienia,
- - maksymalne ciśnienie wybuchu cieplnego.
Ryzyko wybuchu cieplnego w procesach przemysłowych występuje szczególnie w następujących przypadkach:
- - wysoki potencjał energetyczny reakcji chemicznej (DTad>100oC);
- - adiabatyczny nadkrytyczny bilans ciepła prowadzący do utraty kontroli nad pożądaną reakcją wskutek np. niewystarczającego mieszania lub chłodzenia;
- - występowanie reakcji wtórnych, a szczególnie reakcji rozkładu cieplnego, charakteryzujących się wysokimi efektami cieplnymi;
- - zjawisko samonagrzewania się materiałów, szczególnie dla procesów fizycznych;
- - przekroczenie warunków krytycznych, w których następuje inicjacja egzotermiczności.
pzaborowski81