Вопрос 1. Испарение. Насыщенный пар.

Согласно классификации по ГОСТ 12.1.044-89, п.1.3. – жидкости вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25 ⁰С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50 ⁰С.

Нас как вы, понимаете, будут интересовать горючие жидкости и механизм их горения. К таким жидкостям относятся нефть, нефтепродукты и почти все углеводороды.

Показатели пожарной опасности для жидкостей определены ГОСТ 12.1.044-89, п.1.4., таблица 1.

Важнейшим свойством жидкости является ее способность к испарению.

Испарение – это переход жидкости в пар. Каким же образом происходит этот процесс?

В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую фазу, образуя над поверхностью ЛВЖ или ГЖ паровоздушную смесь.

За счет броуновского движения в газовой фазе имеет место обратный процесс – конденсация.

Конденсация процесс обратный испарению, т.е. часть молекул паровой фазы жидкости переходит обратно в жидкость.

Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.

Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией.

С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:

P_нп =P₀·e ^-Q_исп/RT², где

P_нп –давление насыщенного пара, Па;

P₀ –атмосферное давление, Па;

^Q_исп –теплота испарения – количество тепла, необходимое для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;

T- температура жидкости, К;

R- универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·K).

Изменение концентрации паров над жидкостью от ее температуры можно наглядно увидеть из следующего графика:

1. концентрация насыщенных паров;

2. концентрация ненасыщенных паров.

Из данного графика следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают по экспоненте.

Таким образом, для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором концентрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т.е. НКПРП(В) ≤ φ_п ≤ ВКПРП (В).

Для создания НКПРП (В) паров над поверхностью жидкости достаточно нагреть жидкость до температуры равной НТПРП(В) не всю массу жидкости, а лишь только ее поверхностный слой.

При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению.

Надо отметить, что горение жидкости характеризуется двумя взаимосвязанными явлениями.

Это испарение и сгорание паровоздушной смеси над поверхностью жидкости.

Однако не все жидкости имеют над своей поверхностью достаточную концентрацию паров и такую скорость их образования, чтобы после воспламенения начался устойчивый процесс горения.

Устойчивый или стационарный процесс горения устанавливается при определенных условиях, когда над поверхностью жидкости создается пожаровзрывоопасная концентрация.

Испарению принадлежит исключительно важная роль, потому что в конечном итоге оно определяет скорость сгорания жидкости и интенсивность горения.

Скорость испарения определенной горючей жидкости зависит от условий теплообмена над поверхностью жидкости, а также от условий переноса тепла внутри самой жидкости.

Мы уже говорили, что тепловое движение молекул внутри жидкости изменяется в зависимости от условий, в которых она находится.

Часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения, переходят в газовую фазу, образуя над поверхностью жидкости паровоздушную смесь.

Часть молекул конденсируется обратно в жидкость, т.е. происходит процесс конденсации - процесс обратный испарению.

Между процессом испарения и процессом конденсации при определенных условиях устанавливается равновесие.

Это равновесие считают динамическим равновесием: часть молекул перешла в паровоздушную смесь, часть молекул конденсировалась в жидкость.

В замкнутом объеме над поверхностью жидкости всегда присутствует паровоздушная смесь, независимо от температурных условий.

Испарение - эндотермический процесс.

Скорость испарения определяется количеством пара, образующегося в единицу времени на единице поверхности жидкости. Единица измерения скорости испарения кг/м²·с или кмоль/ м²·с.

Скорость испарения зависит от температуры.

Повышение температуры ускоряет процесс испарения, что приводит к образованию пожаровзрывоопасных концентраций паров над поверхностью жидкости.

Максимальная скорость испарения – испарение в вакуум или в неограниченный объем.

Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Как правило, это характерно для замкнутых объемов.

Ненасыщенный пар – характерен для открытых емкостей. Давление на стенки сосудов.

Давление насыщенного пара это давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре.

Давление насыщенного пара всегда больше давления ненасыщенного пара.

Давление насыщенного пара зависит только от температуры и природы жидкости.

С увеличением температуры увеличивается давление насыщенного пара.

Давление насыщенного пара не зависит от количества жидкости, величины зеркала поверхности жидкости, от формы сосуда.

Для большинства жидкостей давление насыщенного пара при различной температуре известно. Его можно узнать по справочникам, номограммам и т.д.

Давление насыщенного пара жидкости является составной частью общего давления смеси паров с воздухом.

Парциальное давление – часть общего давления, приходящееся на долю данного пара.

Общее давление паровоздушной смеси складывается из суммы парциальных давлений пара и воздуха: P_общ. =P_пар. + P_возд..

Это обстоятельство дает возможность определять концентрацию паров жидкостей в воздухе по известному общему давлению.

Согласно закону Бойля-Мариотта, произведение давления газа на его объем при постоянной температуре есть величина постоянная, т.е. для нашего случая получим:

υ·P_общ =V_общ·P_пар ; υ = V_общ·P_пар/ P_общ

Если объем смеси (υ= V_общ) принять за 100%, то содержание пара или его концентрацию φ_, % можно найти из пропорции.

Тогда значение концентрации пара будет равно:

φ_, % = P_пар·100/ P_общ.

По данной формуле определяется концентрация паров жидкости в резервуарах, бочках, цистернах и любых других емкостях.

φ¹ =φ·М/V_t·100 – эта формула для перевода объемной концентрации в весовую концентрацию.

М - молекулярный вес жидкости; V_t – объем 1 кмоля пара при данных условиях; φ – объемная концентрация пара.