Химия нефти. Температура вспышки, воспламенения, самовоспламенения, застыва­ния, плавления, размягчения Наименьшее значение имеет температура вспышки для

Что такое температура вспышки?

Температура вспышки горючей жидкости - это минимальная температура, при которой воспламеняющаяся жидкость выделяет достаточное количество паров, чтобы образовать воспламеняющуюся смесь с воздухом над поверхностью горючей жидкости (при нормальном атмосферном давлении). Если температура вспышки горючей жидкости выше максимальной температуры окружающей среды, то взрывоопасная атмосфера не сможет образоваться.

Примечание: Температура вспышки смеси различных воспламеняющихся жидкостей может быть ниже, чем температура вспышки её отдельных компонентов.

Примеры температуры вспышки для типичных видов топлива:

Бензин используется для двигателей внутреннего сгорания, которые приводятся в действие искровым зажиганием. Топливо должно быть заблаговременно смешано с воздухом в соответствии с его взрывоопасными пределами и разогрето выше температуры вспышки, затем подожжено свечей зажигания. Топливо не должно воспламениться раньше момента зажигания при нагретом двигателе. Поэтому бензин обладает малой температурой вспышки и высокой температурой самовоспламенения.

Температура вспышки дизельного топлива может быть в диапазоне от 52°С до 96°С в зависимости от типа. Дизтопливо применяется в двигателе с высокой степенью сжатия. Воздух сжимается до тех пор, пока он не нагреется выше температуры самовоспламенения дизтоплива, после этого топливо нагнетается в виде струи под высоким давлением, поддерживая топливовоздушную смесь в границе предела воспламеняемости дизтоплива. В данном типе двигателя никакого источника воспламенения не присутствует. Поэтому для воспламенения дизтоплива требуется высокая температура вспышки и низкая температура самовоспламенения.

Температурой вспышки называется температура, при которой нефтепродукт, нагреваемый в стандартных условиях, выделяет такое количество паров, которое образует с окружающим воздухом горючую смесь, вспыхивающую при поднесении пламени и гаснущую из-за недостатка горючей массы в этой смеси.

Эта температура является характеристикой пожароопасных свойств нефтепродуктов, и на ее основе классифицируют объекты нефтедобычи и нефтепереработки по категориям пожарной опасности.

Температура вспышки НП связана с их средней температурой кипения, т.е. с испаряемостью. Чем легче фракция нефти, тем ниже ее температура вспышки. Так, бензиновые фракции имеют отрицательные (до -40 °С) температуры вспышки, керосиновые и дизельные 35-60 °С, масляные 130-325 °С. Для масляных фракций температура вспышки показывает наличие легкоиспаряющихся УВ.

Присутствие влаги, продуктов распада в НП заметно влияет на величину его температуры вспышки.

Стандартизированы два метода определения температуры вспышки: в открытом и закрытом тиглях. Разность температур вспышки одних и тех же НП в открытом и закрытом тиглях весьма велика. В последнем случае требуемое количество нефтяных паров накапливается раньше, чем в приборах открытого типа.

Все вещества, имеющие температуру вспышки в закрытом тигле ниже 61 °С, относятся к легковоспламеняющимся жидкостям (ЛВЖ), которые, в свою очередь, подразделяются на особо опасные (температура вспышки ниже минус 18 °С), постоянно опасные (температура вспышки от минус 18 °С до 23 °С) и опасные при повышенной температуре (температура вспышки от 23°С до 61°С).

Температура вспышки нефтепродукта характеризует возможность этого нефтепродукта образовывать с воздухом взрывчатую смесь. Смесь паров с воздухом становится взрывчатой, когда концентрация паров горючего в ней достигает определенных значений. В соответствии с этим различают нижний и верхний пределы взрываемости смеси паров нефтепродукта с воздухом.

Если концентрация паров нефтепродукта меньше нижнего предела взрываемости, взрыва не происходит, так как имеющийся избыток воздуха поглощает выделяющееся в исходной точке взрыва тепло и таким образом препятствует возгоранию остальных частей горючего. При концентрации паров горючего в воздухе выше верхнего предела взрыва не происходит из-за недостатка кислорода в смеси.

Ацетилен, оксид углерода и водород характеризуются самыми широкими интервалами взрываемости, поэтому они наиболее взрывоопасны.

Температурой воспламенения называют минимально допустимую температуру, при которой смесь паров НП с воздухом над его поверхностью при поднесении пламени вспыхивает и не гаснет в течение определенного времени, т.е. концентрация горючих паров такова, что даже при избытке воздуха горение поддерживается.

Определяют температуру воспламенения прибором с открытым тиглем, и по своему значению она на десятки градусов выше температуры вспышки в открытом тигле.

Температурой самовоспламенения называют такую температуру, при которой соприкосновение нефтепродукта с воздухом вызывает его воспламенение и устойчивое горение без поднесения источника огня.

Температуру самовоспламенения определяют в открытой колбе нагреванием до появления пламени в колбе. Температура самовоспламенения на сотни градусов выше температур вспышки и воспламенения (бензины 400-450 °С, керосины 360-380°С, дизельные топлива 320-380°С, мазуты 280-300°С).

Температура самовоспламенение нефтепродуктов зависит не от испаряемости, а от их химического состава. Наибольшей температурой самовоспламенения обладают ароматические углеводороды, а также богатые ими нефтепродукты, наименьшей – парафиновые.Чем выше молекулярная масса углеводородов, тем ниже температура самовоспламенения, так как она зависит от окислительной способности. С повышением молекулярной массы углеводородов их окислительная способность возрастает, и они вступают в реакцию окисления (обуславливающую горение) при более низкой температуре.

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

При наличии ИЗ такая смесь будет способ­на к воспламенению. На практике чаще всего используются понятия температура вспышки и воспламенения.

Под температурой вспышки понимают наименьшую темпера­туру жидкости, при которой над ее поверхностью в условиях спе­циальных испытаний образуется концентрация паров жидкости, способная к воспламенению от ИЗ, но скорость их образования недостаточна для последующего горения. Таким образом, как при температуре вспышки, так и при нижнем тем­пературном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае HKПРП создается насыщенными пара­ми. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПРП. Хотя при температуре вспышки имеет место кратковременное воспламенение паров в воздухе, которое не спо­собно перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее при определенных условиях вспышка паров жидкости способна явить­ся источником возникновения пожара.

Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ). К ЛВЖ относятся жидкости, имеющие температуру вспыш­ки в закрытом тигле 61 0 С или в открытом 65 0 С и ниже, к ГЖ – с температурой вспышки в закрытом тигле более 61 0 С или в открытом тигле 65 0 С.

I разряд – особо опасные ЛВЖ, к ним относятся легко воспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки от -18 0 С и ниже в закрытом тигле или от -13 0 С и ниже в открытом тигле;

II разряд – постоянно опасные ЛВЖ, к ним относятся легко воспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки выше -18 0 С до 23 0 С в закрытом тигле или от -13 до 27 0 С в открытом тигле;

III разряд – ЛВЖ, опасные при повышенной темпе­ратуре воздуха, к ним относятся легко воспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки от 23 до 61 0 С в закрытом тигле или от 27 до 66 0 С в открытом тигле.

В зависимости от температуры вспышки устанавли­вают безопасные способы хранения, транспортирования и применения жидкостей для различных целей. Темпе­ратура вспышки жидкостей, принадлежащих к одному и тому же классу, закономерно изменяется с изменени­ем физических свойств членов гомологического ряда (табл. 4.1).

Таблица 4.1.

Физические свойства спиртов

Температура вспышки повышается с увеличением молекулярной массы, темпе­ратуры кипения и плотности. Эти закономерности в го­мологическом ряду говорят о том, что температура вспышки связана с физическими свойствами веществ и сама является физическим параметром. Необходимо от­метить, что закономерность изменения температуры вспышки в гомологических рядах нельзя распространятьна жидкости, принадлежащие к разным классам органических соединений.

При смешении горючих жидкостей с водой или четы-реххлористым углеродом давление горючих паров при той же температуре понижается, что приводит к повышению температуры вспышки. Можно разбавить горючую жидкость до такой степени, что получившаяся смесь не будет иметь температуру вспышки (см. табл. 4.2).

Практика пожаротушения показывает, что горение хорошо растворимых в воде жидкостей прекращается, когда концентрация горючей жидкости достигает 10-25 %.

Таблица 4.2.

Для бинарных смесей горючих жидкостей, хорошо растворимых друг в друге, температура вспышки находится между температурами вспышки чистых жидкостей и приближается к температуре вспышки одной из них в зависимости от состава смеси.

С повышением температуры жидкости скорость испарения увеличивается и при определенной температуре достигает такой величины, что раз подожженная смесь продолжает гореть после удаления источника воспламенения. Такую температуру жидкости принято называть температурой воспламенения . Для ЛВЖ она отличается на 1-5 0 С от температуры вспышки, а для ГЖ – на 30-35 0 С. При температуре воспламенения жидко­стей устанавливается постоянный (стационарный) про­цесс горения.

Между температурой вспышки в закрытом тигле и нижним тем­пературным пределом воспламенения имеется корреляционная связь, описываемая формулой:

Т вс – Т н.п. = 0,125Т вс + 2. (4.4)

Это соотношение справедливо при Т вс < 433 К (160 0 С).

Существенная зависимость температур вспышки и воспламене­ния от условия эксперимента вызывает определенные трудности при создании расчетного метода оценки их величин. Одним из наиболее распространенных из них является полуэмпирический метод, предложенный В. И. Блиновым:

, (4.5)

где Т вс – температура вспышки, (воспламенения), К;

р вс – парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па;

D 0 – коэффициент диффузии паров жидкости, м 2 /с;

n – количество молекул кислорода, необходимое для пол­ного окисления одной молекулы горючего;

Температура вспышки - это температура, при которой нагреваемый в стандартных условиях нефтепродукт выделяет такое количество паров, которое образует с окружающим воздухом горючую смесь, вспыхиваю­щую при поднесении к ней пламени.

Этот показатель тесно увязан с температурой кипения, т.е. с испаря­емостью. Чем легче нефтепродукт, тем лучше он испаряется, тем ниже его температура вспышки. Например, бензиновые фракции имеют отри­цательные температуры вспышки (до -40°С), керосиновые фракции име­ют температуры вспышки в пределах 28-60°С, фракции дизельного топ­лива - 50-80°С, более тяжелые, масляные фракции - 130-325°С. Темпе­ратуры вспышки различных нефтей могут быть как положительными, так и отрицательными.

Наличие влаги в нефтепродуктах приводит к снижению температуры вспышки. Поэтому при определении ее в лабораторных условиях нефте­продукт должен быть освобожден от воды. Существуют два стандартных метода определения температуры вспышки: в открытом (ГОСТ 4333-87) и закрытом (ГОСТ 6356-75) тигле. Разница в определении температуры вспышки между ними составляет 20-30°С. При определении вспышки в открытом тигле часть образовавшихся паров улетает в воздух, и требуе­мое их количество, необходимое для вспышки, накапливается позднее, чем в закрытом тигле.

Поэтому температура вспышки одного и того же нефтепродукта, оп­ределенная в открытом тигле, будет выше, чем в закрытом тигле. Как правило, температуру вспышки в открытом тигле определяют для высококипящих фракций нефти (масла, мазуты). За температуру вспышки принимают ту температуру, при которой на поверхности нефтепродукта появляется и сразу гаснет первое синее пламя. По температуре вспышки судят о взрывоопасных свойствах нефтепродукта, т.е. о возможности об­разования взрывчатых смесей его паров с воздухом. Различают нижний и верхний пределы взрываемости.

Если концентрация паров нефтепродукта в смеси с воздухом ниже нижнего предела, взрыв не произойдет, так как имеющийся избыток воз­духа поглощает выделившееся в точке взрыва тепло и таким образом пре­пятствует возгоранию других частей горючего.

При концентрации паров нефтепродукта в смеси с воздухом выше верхнего предела взрыва не происходит из-за недостатка кислорода в смеси.

Температура воспламенения. При определении температуры вспыш­ки наблюдается явление, когда нефтепродукт вспыхивает и сразу гаснет. Если нефтепродукт нагреть еще выше (на 30-50°С) и снова поднести ис­точник огня к поверхности нефтепродукта, то он не только вспыхнет, но и будет спокойно гореть. Минимальная температура, при которой неф­тепродукт вспыхивает и начинает гореть, называется температурой вос­пламенения.

Температура самовоспламенения . Если нефтепродукт нагреть до вы­сокой температуры без контакта с воздухом, а далее обеспечить такой контакт, то нефтепродукт может воспламениться самопроизвольно.

Минимальная температура, соответствующая этому явлению, назы­вается температурой самовоспламенения. Она зависит от химического состава. Наиболее высокими температурами самовоспламенения обла­дают ароматические углеводороды и богатые ими нефтепродукты, далее следуют нафтены и парафины.

Чем легче нефтепродукт, тем выше его температура самовоспламене­ния. Так, для бензинов она находится в пределах 400-450°С, для газой­лей - 320-360°С.

Самовоспламенение нефтепродуктов часто является причиной по­жаров на заводах. Любая разгерметизация фланцевых соединений в ко­лоннах, теплообменных аппаратах, трубопроводах и т.д. может привести к пожару.

Облитый нефтепродуктом изоляционный материал необходимо уда­лять, поскольку его каталитическое воздействие может вызвать самовосп­ламенение нефтепродукта при значительно более низких температурах.

Температура застывания . При транспортировке нефтепродуктов по тру­бопроводам и применении их в области низких температур в авиации боль­шое значение имеет их подвижность и хорошая прокачиваемость в этих ус­ловиях. Температура, при которой нефтепродукт в стандартных условиях испытаний теряет подвижность, называется температурой застывания.

Потеря подвижности нефтепродукта может происходить за счет двух факторов: или повышения вязкости нефтепродукта, или за счет образо­вания кристаллов парафина и загустевания всей массы нефтепродукта.

Сопровождающееся ярким кратковременным свечением. Устойчивого горения при этом нет. Температура вспышки - минимальная температура конденсированных веществ, при которой над их поверхностью образуются пары, вспыхивающие при появлении искры, пламени либо раскаленного тела.

Способностью вспыхивать при относительно невысоких температурах обладают жидкости, относящиеся к разряду легковоспламеняющихся. Максимальная температура вспышки таких веществ в закрытых тиглях составляет + 61 °С, в открытых - + 66 °С. Некоторые вещества способны самовозгораться, достигнув характерной именно для них температуры возгорания.

Определение давления возможно для любой горючей жидкости. Оно возрастает соразмерно возрастанию температуры вещества. Как только температура вспышки достигнет критического (максимального) показателя, становится возможным и поддержание горения.

Однако наступление равновесия «пар - жидкость» потребует некоторого времени, которое пропорционально скорости образования паров. Устойчивого горения можно добиться, достигнув определенной (для каждого вещества индивидуальной) температуры возгорания, поскольку температура горения всегда выше, чем температура вспышки.

Прямое изменение температур, при которых вещества вспыхивают, имеет определенные сложности. Поэтому температурой вспышки принято считать температуру стенок реакционных сосудов, в которых эта вспышка наблюдается. Зависит температура непосредственно от условий происходящего теплообмена внутри самого сосуда, от его каталитической активности, от окружающей среды, от объема находящейся в сосуде жидкости.

Особенно опасны жидкости, способные вспыхивать при температурах ниже -18 °С в тиглях закрытых, ниже - 13°С - в открытых. Постоянно опасными принято считать жидкости, вспышка которых возможна при температуре + 23°С в закрытых тиглях и до + 27°С в открытых. Показатели температур опасных жидкостей составляют до + 60 °С включительно при закрытых тиглях, до + 66 °С включительно - при открытых.

Разница и горения существенно варьируется, причем она индивидуальна для каждого вещества. Температура вспышки например, - не более + 70 °С. Температура его горения - + 1100 °С. Температура воспламенения - от + 100 °С до + 119 °С. А вот температура вспышки бензина, в связи с очень высокой летучестью, составляет + 40 °С, а иногда и меньше. Температура его воспламенения - + 300 °C. Показатели, касающиеся бензина, несколько обобщены. Их нужно считать средними, поскольку существуют различные виды бензина (автомобильные (летние, зимние), авиационные) с существенно отличающимися характеристиками и, соответственно, разными температурами вспышки, воспламенения, горения.

Горение - процесс, сопровождающийся выделением большого количества тепла с характерным излучением света (свечением), возможный при достижении определенной для каждого вещества температуры и доступе к нему кислорода либо других веществ (серы, паров брома и пр.).

Наиболее опасными считаются взрывы, характеризующиеся мгновенной химической реакцией с выделением огромной энергии и несущие механическую работу. Огонь при взрыве может распространиться на 3000 метров за одну секунду. Горение смеси при такой скорости называют детонацией. Являющиеся следствием детонации ударные волны часто становятся причинами значительных разрушений и несчастных случаев.