СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Советский патент 1994 года по МПК C06B21/00 

Изобретение относится к способам приготовления взрывчатых парогазовых смесей, применяемых в технологических процессах и в научно-исследовательских работах по изучению горения и детонации газов и паров, и касается способа повышения взрывобезопасности при этих работах.

Известны способы приготовления гомогенных парогазовых смесей в замкнутом объеме при высоком давлении путем перемешивания компонентов различными движущимися элементами, например механическими и электромагнитными мешалками [1] или перемещающимся твердым телом [2].

Наличие движущихся деталей всегда создает опасность воспламенения смеси искрами от трения и от заноса твердых частиц при впуске газов и паров или от адиабатического нагрева парогазовой смеси в микропорах, которые могут образовываться вследствие эрозии движущихся деталей. Опасность аварийного воспламенения увеличивается с ростом давления, так как при этом снижается температура самовоспламенения горючих смесей и увеличивается разрушительное действие взрыва.

Повысить безопасность работы путем исключения движущихся деталей позволяет способ, в котором для перемешивания газов и паров при высоком давлении в закрытом сосуде используется явление свободной конвекции [3]. Способ заключается в том, что внутри сосуда-смесителя помещают теплообменник, нагреваемый или охлаждаемый проточной жидкостью, например водой из термостата. Вследствие разницы температур теплообменника и смесителя в смесительной камере возникают нисходящие и восходящие конвективные потоки, перемешивающие компоненты смеси. Достаточно быстрое перемешивание достигается при небольшой разнице температур 20-60 К.

Однако и в этом случае не исключена опасность воспламенения смеси от трудноустранимых источников зажигания: аварийного проскока пламени извне из взрывного сосуда при впуске в последний готовой взрывчатой смеси из смесителя, трения в вентилях, ударных волн при быстром напуске газов и паров, разряда статического электричества и др. При этом возникает возможность нестационарного режима сгорания с переходом на последних стадиях в режим самовоспламенения или детонации с очень резким нарастанием давления и достижением давлений, значительно превышающих их значения при нормальном режиме сгорания.

Целью изобретения является повышение взрывобезопасности при аварийном воспламенении.

Поставленная цель достигается тем, что при приготовлении взрывоопасных парогазовых смесей, основанном на создании свободно-конвективного движения смешиваемых компонентов в замкнутом объеме при высоком давлении, смешивание компонентов осуществляют в присутствии пористой среды из инертного материала при уровне его открытой пористости 0,4 - 0,98. Причем в качестве инертного материала используют пористый металл или металлические шары.

По предлагаемому способу смешивание газов и паров производят в замкнутом объеме, заполненном пористой средой. При этом эффективная поверхность теплообмена увеличивается, что способствует улучшению тепломассообмена и, как следствие, эффективному перемешиванию компонентов смеси. В случае аварийной ситуации при неконтролируемом воспламенении взрывчатой смеси и распространении пламени по пористой среде происходит существенное понижение средней температуры продуктов сгорания за счет высокой скорости теплоотвода в пористую среду, приводящее к значительному снижению давления взрыва и исключению возможности возникновения нестационарного режима сгорания.

Эксперименты показали, что созданная в замкнутом объеме инертная среда должна иметь открытую пористость в пределах 0,4-0,98. Открытая пористость 0,4 достигается при свободной засыпке объема, например, шарами с диаметром, существенно меньших характерных размеров этого объема. Получение пористости меньше 0,4 требует специальных методов создания инертной среды. Кроме того, происходит неоправданное уменьшение полезного объема смесительной камеры. Увеличение пористости до величины, большей 0,98, нецелесообразно, так как при этом сильно уменьшается теплоемкость пористой среды и в связи с этим давление взрыва в случае воспламенения смеси снижается слабо.

Для создания пористой среды в замкнутом объеме используются металлические (стальные) шары, например, диаметром 3,2 - 8 мм, свободная засыпка которых обеспечивает открытую пористость 0,4, и пористый металл.

Проверка предлагаемого способа перемешивания компонентов парогазовых смесей показала, что он обеспечивает большую эффективность в сравнении с известным способом в обеспечении условий безопасности. Результаты сравнительных испытаний показаны на графике, где P_i - начальное давление, p_e - давление взрыва. В условиях специального инициирования воспламенения стехиометрической метановоздушной смеси в смесительной камере развиваются существенно меньшие давления взрыва при распространении пламени по всему объему, заполненному стальными шарами диаметром 3,2 мм (кривая 1), чем в пустой камере (кривая 2).

П р и м е р 1. Начальное давление P_i=2,5 МПа. При сгорании смеси достигаются следующие давления взрыва: в камере, заполненной шарами, P_e = 4,3 МПа, в пустой камере P_e ≈ 20,5 МПа, т.е. достигается снижение давления взрыва в 4,77 раза.

Давление взрыва, развивающееся при сгорании смеси в пустой камере, достигается в камере, заполненной шарами диаметром 3,2 мм, при значительно больших начальных давлениях.

П р и м е р 2. Давление взрыва P_e = 20 МПа достигается в камере с насадкой при начальном давлении P_i = 8,7 МПа, в пустой камере при P_i = 2,45 МПа, т.е. в данном случае диапазон начальных давлений расширен в 3,55 раза.

Из приведенных примеров следует, что предлагаемый способ позволяет снизить вес смесительного устройства при неизменном коэффициенте запаса прочности или, не изменяя параметров смесительного устройства, увеличить коэффициент запаса прочности и тем самым увеличить безопасность при эксплуатации.

Аналогичные результаты получены при использовании в качестве насадки нового перспективного материала - пористого металла.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает более высокую степень безопасности при одновременном увеличении диапазона рабочих давлений.

1. СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, основанный на создании свободноконвенктивного движения смешиваемых компонентов в замкнутом объеме при высоком давлении, отличающийся тем, что, с целью повышения взрывобезопасности при аварийном воспламенении, смешивание компонентов осуществляют в присутствии пористой среды из инертного материала при уровне его открытой пористости 0,4 - 0,98. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного материала используют пористый металл. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного материала используют металлические шары.