Б. А. ИВАНОВ
ФИЗИКА ВЗРЫВА
АЦЕТИЛЕНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ X ИМ И Я " -МОСКВА 1969

УДК 614.841.413:662.766
И 20
Б. А. Иванов. Физика взрыва ацетилена
В книге освещается комплекс вопросов, связанных с явлением
взрывного распада чистого ацетилена и его смесей с различными
газами.
Основное внимание уделяется изложению современных взглядов
на процесс взрывного распада ацетилена. Подробно рассматриваются
исследования, касающиеся определения основных взрывных
параметров (предельное давление распространения пламени, критические
диаметры, концентрационные пределы и др.). Значительное место
отводится вопросам техники безопасности при использовании ацетилена
в производстве.
Книга рассчитана на специалистов, работающих в области
исследования взрывных процессов, работников по технике безопасности,
преподавателей вузов; она будет полезна также широкому кругу
инженерно-технических работников химической и газовой
промышленности.
В книге содержится 44 таблицы, 100 рисунков и 254
библиографические ссылки.
Рецензент докт. техн. наук, проф. С. М. Когаркд
2-5-1
10-69

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 6
Глава I. Общие положения теории горения газов 11
Некоторые сведения из химической кинетики газов 12
Самовоспламенение и вынужденное воспламенение (зажигание).
Состояние продуктов горения 13
Элементарная теория теплового самовоспламенения (13).
Зажигание от искры и нагретых тел (16).
Температура и давление продуктов горения (19)
Распространение пламени 20
Нормальная скорость горения (20). Скорость пламени (22).
Элементарная теория распространения пламени (23).
Концентрационные пределы (25). Критические диаметры труб и
гасящие расстояния (26)
Детонация 27
Возникновение и распространение детонации (27). Влияние
различных факторов (27). Пределы детонации (29)
Глава II. Взрывные свойства чистого ацетилена 31
Самовоспламенение ацетилена 31
Температура самовоспламенения (31)
Зажигание ацетилена 34
Энергия зажигания. Влияние давления (34). Зажигание
ацетилена различными источниками. Особенность зажигания
ацетилена нагретыми телами (41). Влияние температуры и
влажности (44)
Нормальная скорость пламени ацетилена 46
Сравнительные характеристики методов определения (46).
Зависимость нормальной скорости пламени от давления (47).
Влияние начальной температуры (55)
Скорость распространения пламени в ацетилене 56
Влияние давления и температуры (57). Зависимость от
размеров сосуда (57). Влияние источника зажигания (59).
Влияние направления распространения. Форма пламени при
горении в трубах (59)
Детонация ацетилена 62
Скорость детонации (62). Преддетонационные расстояния.
Влияние условий и источников поджигания (62).
Нестационарный режим быстрого горения (65)
Зона пламени 66
Температура пламени распада ацетилена. Влияние
давления (66). Продукты распада. Кинетика распада. Сажеобразо-
вание в пламени (69). Ионизация в пламени (73). Ширина
зоны пламени (75)
I* 8

Распад ацетилена в закрытых объемах 76
Давление при дефлаграционном горении (76). Давление в
детонационной волне (77). Давление при нестационарном
режиме быстрого горения (79)
Условия гашения пламени 81
Критические диаметры и гасящие расстояния для
распространения пламени и детонации. Влияние начального
давления (81). Влияние направления распространения (85).
Образование сажевого жгута (87)
Взрывы жидкого и твердого ацетилена 88
Растворенный ацетилен 92
Гомологи ацетилена 93
Взрывные свойства диацетилена (93). Взрывные свойства
винилацетилена (96). Взрывные свойства метилацетилена (96)
Ацетилениды 98
Образование ацетиленидов (98). Взрывные свойства (99)
Глава III. Взрывы смесей ацетилена с кислородом 100
Самовоспламенение и вынужденное воспламенение (зажигание) ... 100
Условия самовоспламенения (100). Энергия зажигания.
Влияние состава и давления (101)
Нормальная скорость горения и скорость распространения пламени . 103
Зависимость величины нормальной скорости от состава смеси
и давления (103). Ширина зоны пламени (105). Температура
пламени (106). Предельное давление распространения
пламени (106). Детонация (107)
Концентрационные пределы распространения пламени и детонации . . ПО
Верхний концентрационный предел при атмосферном
давлении (ПО). Нижний концентрационный предел при
атмосферном давлении (111). Зависимость концентрационных пределов
от давления (111)
Критические диаметры гашения пламени и детонации 113
Влияние давления и состава смеси (ИЗ)
Взрывы смесей твердого ацетилена с жидким кислородом 115
Инициирование взрыва (115). Критические диаметры
детонации (118)
Глава IV. Взрывные свойства ацетилено-воздушных смесей . . . .119
Самовоспламенение и вынужденное воспламенение (зажигание) ... 120
Температура самовоспламенения. Влияние состава смеси
и давления (120). Энергия зажигания. Зависимость от
состава смеси и давления (121)
Распространение пламени и детонации 127
Нормальная скорость горения. Влияние состава и
давления (127). Температура пламени (129). Сажеобразование при
горении (130). Переход горения в детонацию. Скорость
детонации. Предетонационное расстояние (131). Давление при
горении и детонации (133)
Пределы распространения пламени и детонации 134
Концентрационные пределы при атмосферном давлении (134).
Зависимость концентрационных пределов от давления (135).
Критические диаметры гашения пламени (137)
Глава V. Взрывы смесей ацетилена с различными газами .... 139
Предельное давление распространения пламени в смесях ацетилена . 141
Концентрационные пределы распространения пламени в тройных
смесях ацетилена . « » » » о <> « * « ь о * « » • * « « • о в » в * Ш

Взаимодействие ацетилена с хлором и галоидопроизводными
соединениями • 145
Некоторые экспериментальные результаты исследований смесей
ацетилена 148
Влияние азота на нормальную скорость распространения
пламени ацетилена (148). Давление при горении смесей
ацетилена в замкнутых объемах (150)
Глава VI. Обеспечение безопасной работы с ацетиленом 152
Принципы работы огнепреградителей 152
Гашение пламени и детонации в огнепреградителях (152).
Влияние повышения давления в системе (154)
Основные конструкции защитных устройств 155
Отсекатели и клапаны (155). Огнепреградители с сухой
насадкой (156). Орошаемые огнепреградители (158)
Некоторые особенности огнепреграждения в ацетилене 159
Продукты распада (159). Режимы распада (160)
Экспериментальные исследования огнепреградителей 161
Обеспечение надежности заботы защитных устройств 165
Пути улучшения конструкции огнепреградителей (166). Флег-
матизация ацетилена (168). Условия транспортирования
ацетилена.
Ацетиленопроводы (169)
Литература , 173

ПРЕДИСЛОВИЕ
Ацетилен — один из важнейших исходных продуктов
химической промышленности и особенно промышленности
полимеров.
Синтетический каучук, химические волокна, пластические
массы, заменители кожи, конструкционные и
электроизоляционные материалы, антикоррозионные покрытия, лаки,
растворители, органическое стекло, этиловый спирт, уксусная
кислота и уксусный альдегид — вот далеко не полный
перечень веществ, получаемых на основе ацетилена.
Из всех углеводородных газов ацетилен благодаря
высокой температуре ацетилено-кислородного пламени (3400° К)
наиболее широко используется в промышленности для
газопламенной обработки металлов и в этом отношении
находится вне конкуренции. Он применяется для получения
специальной мелкодисперсной сажи, в медицинских целях,
лабораторной практике и в ряде других областей.
Развитие промышленности и химизация народного
хозяйства требуют непрерывного увеличения производства самых
разнообразных синтетических материалов, а следовательно,
и значительного расширения сырьевой базы, в частности,
производства ацетилена. В связи с этим большое значение
приобретают исследования новых способов получения,
хранения и транспортирования ацетилена и особенно его
взрывных свойств.
Многообразные, а некоторые из них и уникальные, свойства ацетилена
являются причиной того, что с момента его открытий Дэви в 1836 г. и до
настоящего времени ацетилен —. постоянный объект исследований химиков
и физиков.
Особенно большие заслуги в изучении химических свойств ацетилена
принадлежат русским ученым. М. Г. Кучеров, А. П. Эльтеков,'М. Ф. Шо-
стаковский, А. Е. Фаворский, Н. Д. Зелинский, С. В. Лебедев и др. открыли
и изучили химические реакции ацетилена, которые нашли широкое приме-

нение в промышленности для получения различных синтетических веществ
и исходных продуктов органического синтеза.
Наиболее полные и подробные сведения о химических превращениях и
химических свойствах ацетилена изложены в монографиях [1, 2].
В середине прошлого века Вертело обнаружил, что при нагревании
платиновой проволоки в атмосфере чистого ацетилена и давлении 2 ат
происходит взрыв массы газа. После взрыва сосуд оказался заполненным
студнеобразным черным веществом — мелкодисперсной газовой сажей. Эти
опыты послужили началом исследований ацетилена как взрывчатого газа.
Последующие этапы изучения ацетилена в этом направлении можно
проследить по работам [1, 3].
Проблема изучения взрывных параметров ацетилена и
взрывоопасности его в промышленности имеет два аспекта:
исследование взрывоопасности чистого ацетилена и его
смесей.
Известно, что если вызвать любым источником
инициирования местное разложение ацетилена, даже при полном
отсутствии кислорода или воздуха, то от места инициирования
по всей массе газа распространяется зона химической
реакции распада ацетилена (на твердый углерод и газообразный
водород). При определенных условиях чистый ацетилен
способен к самовоспламенению. В этом случае реакция
разложения протекает .одновременно во всем объеме газа.
Возможность самопроизвольного распространения зоны
разложения (дальше эта зона будет называться также
пламенем) в чистом ацетилене и самовоспламенение его
связаны с тем, что ацетилен представляет собой эндотермическое
соединение, при разложении которого выделяется большое
количество тепла — 54,2 ккал/моль.
По энергетической характеристике ацетилен находится
между топливо-кислородными и топливо-воздушными
газовыми смесями, при сгорании которых выделяется примерно
71—90 и 20—25 ккал/моль соответственно. Ацетилен более
богат энергией, чем такая известная взрывчатая газовая
смесь, как водород с кислородом (Q = 45,5 ккал/моль).
Количество тепла, выделяемое при разложении 1 кг ацетилена,
примерно в 2 раза больше, чем при взрыве такого же
количества твердого ВВ тротила. Взрывоопасны не только
газообразный ацетилен и его смеси с инертными газами, но
также и ацетилен в твердом, жидком состоянии и некоторые
его соединения с металлами (ацетилениды).

Как любой углеводород, ацетилен является топливным
компонентом в топливо-кислородных или топливо-воздушных
взрывчатых смесях.
При сгорании ацетилена в кислороде выделяется
89 ккал/моль, а при сгорании в воздухе — 24,2 ккал/моль.
Ацетилено-кислородная смесь стехиометрического состава
считается одной из самых взрывоопасных газовых смесей.
Исключительной взрывоопасностью обладают системы из
твердого ацетилена и жидкого кислорода.
Таким образом, чистый (газообразный, твердый и
жидкий) ацетилен, его смеси с другими газами, некоторые
соединения, содержащие, ацетилен, представляют реальную
или потенциальную взрывоопасность. Такого многообразия
систем, обладающих взрывчатыми свойствами, которое
наблюдается в присутствии ацетилена, не имеет ни одно
другое вещество. В ряду взрывоопасных веществ ацетилен может
по праву занимать первое место.
Вопросы о безопасном обращении с ацетиленом при
получении, хранении (особенно в больших объемах) и
транспортировании его по газопроводам, об использовании
ацетилена в технологических процессах и другие вопросы могут
- быть решены только при наличии достаточных теоретических
и экспериментальных данных о взрывных и
физико-химических свойствах ацетилена.
В литературе описано большое количество
экспериментальных и теоретических исследований, посвященных
изучению указанных свойств ацетилена. За последние 3—4 года
получено много новых данных об ацетилене и его смесях с
другими газами, дополнены и исправлены некоторые
устаревшие результаты. Однако, по нашему мнению, главное
состоит в другом. Произошел качественный скачок в
представлениях об ацетилене как взрывчатом газе. Показано, что
ацетилен является уникальным, аномальным по своим
свойствам: все основные характеризующие его параметры не
подчиняются общим закономерностям, которые наблюдаются
для остальных газов. В наибольшей степени это относится
к взрывным параметрам чистого ацетилена. Например, у
смеси ацетилена с кислородом и воздухом отсутствуют
верхние концентрационные пределы распространения пламени при

атмосферном давлении; энергия зажигания ацетилена при
атмосферном давлении на 5 порядков выше, чем энергия
инициирования любых топливо-воздушных газовых смесей;
предельные (гасящие) диаметры труб для распространения
пламени в ацетилене на 2—3 порядка больше, чем аналогичные
величины для энергетически сравнимых с ацетиленом топливо-
кислородных газовых смесей и др.
Ранее при изучении взрывных свойств ацетилена
указывались некоторые его особенности. Однако до настоящего
времени не хватало экспериментальных данных и обобщений
результатов опытов, позволяющих прийти к
принципиальному выводу, что изучать взрывные своцства ацетилена и его
смесей необходимо с учетом специфики и отличия ацетилена
от других взрывчатых газов. Поскольку этот вывод сделан в
относительно недавнее время, является очевидным, что
большое количество экспериментальных работ, проведенных
ранее, в которых взрывные свойства ацетилена исследовались
с общепринятых позиций и методов, оказались вообще или в
некоторой своей части неверными. Научно-исследовательские
работы последних лет помогли понять и исправить
допущенные ранее неточности. Кроме определенного научного
сдвига, существенно изменилось большинство практически
важных выводов и положений, касающихся техники безопасности
при работе с ацетиленом. Следует отметить, что основные
исследования в данном направлении проведены в СССР и
нашли свое отражение в журнальных статьях.
В некоторых научных, справочных изданиях, предназначенных для
широкого круга читателей, а также в нормативных материалах результаты
этих исследований не всегда получали правильное освещение. Иногда
отсутствовал критический анализ накопленного материала, верные и
ошибочные положения представлялись как расхождения результатов исследований
и поэтому излагались рядом без соответствующих выводов. Например, в
ряде отечественных изданий, вышедших до 1966 г., вопросы безопасности
при работе с ацетиленом основывались на значении предельного давления
распада ацетилена, равном 1,35—1,4 ат, хотя, как было установлено [4],
действительное значение этой величины — 0,65 ату т. е. в 2,2 раза меньше.
Этим существенно занижалась взрывоопасность чистого ацетилена.
В ряде зарубежных статей, вышедших также в последнее время,
повторялись ошибки в величинах таких практически важных параметров, как
концентрационные пределы распространения пламени в смесях ацетилена
с кислородом и воздухом при атмосферном давлении. Уточнялись значения

верхних пределов (79 — 83% для воздуха и 91—94% для кислорода),
которые, как показано в наших работах 1961 — 1962 гг., вообще не существуют,
так как предел равен 100%. Во всех справочных изданиях (отечественных
и зарубежных) по технике безопасности и горению газовых смесей
приведены аналогичные данные, т. е. названы значения несуществующих величин.
Указанные расхождения в результатах научных исследований и
отсутствие обобщающего материала приводят к тому, что работники
промышленности не имеют ясного представления о том, каковы же действительные
значения взрывных параметров ацетилена.
В книге сделана попытка изложить на современном
уровне взгляды по достаточно большому комплексу вопросов,
связанных с изучением взрывных свойств ацетилена и его
взрывоопасностью.
Проведено обобщение и дан критический анализ
накопленного за последние годы материала с тем, чтобы его
подробное, а иногда и дискуссионное изложение могло
послужить основой для будущих исследований.
Автор выражает глубокую признательность всем лицам,
способствовавшим своими советами и замечаниями
улучшению этой книги. Особую благодарность автор выражает
руководителю лаборатории горения газов Института
химической физики АН СССР докт. техн. наук, проф. С. М. Кбгар-
ко, впервые обратившему внимание на необходимость
выяснения противоречий в данной проблеме, а также за
высказанные при рецензировании рукописи замечания и советы,
которые оказались очень полезными при подготовке книги к
изданию.
Б. Иванов

ГЛАВА I
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ
Под горением подразумеваются химические и
термогазодинамические процессы, происходящие в химически
активном веществе. При этом потенциальная химическая
энергия исходных веществ превращается в тепло и кинетическую
энергию продуктов горения.
В соответствии с количественными, но главное —
качественными особенностями процессов горения их можно
разделить на самовоспламенение, дефлаграционное («медленное»)
горение и детонацию.
Для процесса самовоспламенения характерно
одновременное протекание экзотермической химической реакции во
всем объеме вещества. Явления тепло- и массообмена при
этом играют незначительную роль. Время превращения
исходного вещества в конечные продукты практически
полностью определяется скоростью химической реакции, которая
зависит от внешних условий и свойств вещества.
Основные признаки дефлаграционного горения (часто
называемого просто горением): наличие узкой зоны
химической реакции (пламени), которая разграничивает исходные
вещества и продукты сгорания; дозвуковая скорость
распространения пламени относительно исходных веществ;
определяющая роль химической кинетики, процессов
теплопроводности и диффузии в наблюдаемых величинах скорости
пламени; сильная зависимость скорости пламени от параметров
состояния вещества и аппаратных условий (размеров, формы
сосудов и т. п.).
Отличительной особенностью детонационного горения
является высокая стабильность скорости распространения
зоны химической реакции (скорости детонации) по веществу и
малая чувствительность к изменению параметров состояния
вещества и аппаратных условий. Детонационная волна
представляет собой устойчивый комплекс из ударной волны и
следующей за ней зоной адиабатического
самовоспламенения. Этот комплекс распространяется по веществу со
сверхзвуковой скоростью. Скорость детонации в газах 1,5—
3,5 км/сек, а в конденсированных взрывчатых веществах
достигает 8,5 км/сек. Скорость детонации определяется
11

термодинамическими параметрами вещества и не зависит от
скорости процессов тепло- и массообмека.
В литературе и практике часто употребляется термин
«взрыв». Этим термином обычно называют процессы
быстрого и нестабильного (переменная скорость) горения с
резким повышением давления в системе, хотя между
взрывом и дефлаграционным горением не существует
принципиальных, качественных различий.
Ниже кратко рассмотрены некоторые положения теории
горения газов, причем основное внимание обращено на
физическую сущность изучаемых процессов и явлений.
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ГАЗОВ
Скорость химической реакции определяется изменением концентрации
реагирующих веществ (или продуктов реакции) во времени. За меру
скорости реакции может быть принято изменение концентрации любого из
продуктов реакций. Реакцию превращения веществ Ль Л2, ..., Ап в ве-
щества Л^ Л2, ..., Ап можно записать в виде следующего стехиометри-
ческого уравнения:
vjЛ, + v,A2 + ... + vnAn - v\A[ + v^ + ... + vX
или
Величины Vi и Va — стехиометрические коэффициенты реакции.
Порядок любой реакции определяется как сумма стехиометрических
коэффициентов уравнения (1,1) v=vi+v2+ .. +vn-
Для протекания любой химической реакции необходимо
предварительное ослабление или разрыв внутренних связей стабильной молекулы.
Возможность и вероятность химического взаимодействия будут зависеть от
состояния молекул в момент столкновения и длительности самого
столкновения. Только активные молекулы, т. е. молекулы, обладающие в момент
столкновения энергией, равной или превышающей энергию активации Е,
могут вступать в соответствующее химическое взаимодействие (табл. 1).
Таблица 1
Энергия связи и эффективный диаметр молекул
некоторых газов при нормальных условиях
Вещество
н2
N2
сн4
С2Н2
о2

Молекулярный вес
2
14
16
26
32
Эффективный
диаметр'
молекулы
d-№ см
2,74
3,5
4,14
4,4
3,61
Энергия связи
ккал/моль
104
170
85
63 (С—С)
101 (С = С)
128 (С^С)
117
12

Для расчета скорости бимолекулярной реакции можно использовать
формулу Аррениуса:
где па и пв — количество молекул А и В в 1 смъ\ dcv = v,2(d
^(4-т-5)10~8 см — средний эффективный диаметр сталкивающихся
молекул; Мпр = МАМВ/(МА + Мв)—приведенный молекулярный вес; Р — сте-
рический фактор (множитель).
Различают реакции, обладающие простым механизмом, в которых
процесс осуществляется в результате взаимодействия молекул в их обычных
для данных условий состояниях, и цепные реакции, в которых
взаимодействие осуществляется более сложным путем [5, 6]. В создании
современного учения о цепных реакциях основная роль принадлежит Н. Н.
Семенову [5].
САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ
И ВЫНУЖДЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ (ЗАЖИГАНИЕ).
СОСТОЯНИЕ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ
Быстрое превращение исходных веществ в конечные
продукты происходит в результате прогрессивного
самоускорения реакции, которое при достаточно высоких давлении р
и температуре Т приводит к взрыву. Однако при малых
значениях р и Т взрыв не наступает, и реакция после
достижения некоторой максимальной скорости медленно затухает.
В химических системах, в которых возможна
разветвленная цепная реакция, при низких р и Т самоускоряющаяся
реакция, приводящая к взрыву, может развиваться при
постоянной температуре. Это явление носит название цепного
(изотермического) взрыва или цепного самовоспламенения.
Чистый изотермический взрыв представляет, однако,
довольно редкое явление. При большой скорости
тепловыделения, превышающей скорость отвода тепла, температура ре-
акционнной зоны, а следовательно, и скорость реакции будут
прогрессивно увеличиваться, и реакция закончится взрывом.
Взрыв (самовоспламенение) в таких случаях называют
тепловым.
Элементарная теория теплового
самовоспламенения
Пусть горючая смесь находится в замкнутом сосуде с
температурой стенок и смеси То. Предельным случаем
стационарного протекания реакции является равенство
количества теплоты, выделяющейся и отводимой в единицу
времени, т. е. равенство скоростей тепловыделения и теплоот-
вода. При превышении скорости тепловыделения над
скоростью теплоотвода процесс становится нестационарным
и происходит воспламенение смеси,
13

Скорость тепловыделения составляет
Q ~qWV~T4*Pve RT
(1.3)
и растет с увеличением температуры практически по
экспоненциальному закону (q— тепловой эффект реакции; V —
объем смеси).
Скорость теплоотвода в стенки сосуда от газа с
переменной температурой T>Tq составляет:
п /т т \ П Л\
Qn = QiS\l — 1 о) \1*^)
Где а —суммарный коэффициент теплоотдачи; s —площадь поверхности
сосуда.
Характер тепловых процессов, сопровождающих
самовоспламенение смеси, можно проиллюстрировать с помощью
графика (рис. 1, 2).
1*
II
II
Is ^
1
4ч/
14//
/ /А
/ в/ /
// //
xv^jX
1
!Ǥ
^1
1|
Рис.
1/
/зп/
~*^/X3
/\ / / !
тО т тО-Та Т& Т
'/ '// '2 ~'Сд '3 'кр
Температура
2. Зависимость скорости
тепловыделения и теплоотвода
от температуры при
переменной
начальной температуре
стенок {Т\ >Т\> Tty
1,
2, 5 —кривые теплоотвода.
Температура
Рис. 1. Зависимость скорости
тепловыделения QB (при
различных давлениях ръ > р2 > Pi) и
скорости теплоотвода Qn (при
различных коэффициентах а2 > <*i)
от температуры газа при
постоянной температуре стенок сосуда TQ.
При постоянной температуре стенок сосуда и а, не
зависящей от давления (обычная теплопроводность), кривые QB
в соответствии с (1,3) будут представлять собой семейство
аррениусовских кривых для различных начальных давлений,
а кривые Qn—прямые линии, выходящие из Г=«Г0 и Qn = 0
с углом наклона, зависящим от величины а (см. рис. 1).
Рассмотрим конкретный случай самовоспламенения
(р = const и а = const). Сохраняя давление смеси
постоянным, будем повышать температуру стенок сосуда. При этом
прямые теплоотвода смещаются параллельно самим себе
14

/a = const), а кривая QB не меняет своего положения (см.
пис. 2). Элементарный анализ поведения системы
показывает, что при температурах стенки, например, Г? система
самовоспроизвольно может перейти только в точку А и
находиться при температуре ТА бесконечно долго.
Состояние А с температурой газа ТА и температурой стенок Г?
соответствует устойчивому равновесию, а состояние С
—неустойчивому. При начальной температуре, например, т\
система неустойчива; при всех Т^Т\ скорость
тепловыделения больше скорости теплоотвода, происходит
прогрессивный разогрев газа и самовоспламенение.
Очевидно, что между Г? и Tl имеется минимальная
температура стенок 7*2, при которой наступает касание
кривых QB и Qn (точка В). Это есть предельное значение
температуры, при которой еще возможно стационарное
протекание химической реакции во взрывчатой газовой смеси.
Незначительное превышение этого значения температуры
приводит к самовоспламенению взрывчатой газовой смеси.
Температура т\ называется температурой
самовоспламенения 7СВ при данном давлении р.
Для точки В можно записать следующие уравнения касания кривых и.
равенства величин при Т—Ткр:
0 ~П и (1 Ь\
^eVn И 7= TjT U,OJ
Используя выражения (1,3) и (1,5) и исключая as из уравнения (1,4),
получим
1 - Л[\ - ARTJE RT2CB
Г*Р= 2RIE
.или
(1,7)
Обычно ГСв не превышает 1000° К, а Е > 20 000 кал/маль, и величина
предвзрывного разогрева АГ (от Г=ГСВ до Г=Гкр, при которой нарушается
тепловое равновесие) мала по сравнению с Гсв, т. е. можно принять Гкр =
-Гсв.
Полученные соотношения позволяют связать предельные значения
давления и температуры самовоспламенения:
(1,8)
7ев"" W/св V &-4U "Vq
Обозначим
Тогда уравнение (1,8) примет вид:
Рев
(I.»)
15

где А и В — постоянные величины для заданного состава смеси и заданных
условий теплоотвода.
Рев
Согласно уравнению (1,9), зависимость lg
от 1/Гсв пред.
ставляет в соответствующих координатах прямую линию, по наклону
которой определяется Е при известном v или v при известной Е.
Уравнение (1,9) позволяет качественно проанализировать зависимость
температуры самовоспламенения от других параметров. Например, при
постоянной концентрации связь между Тсв и рСв имеет вид:
consti
+ const2
Любые точки над кривой ТСв — рСъ (рис. 3) соответствуют немедлен-
ному переходу к взрывной реакции. Область под кривой соответствует
стационарному медленному протеканию реакции.
/ Область
самовоспламенения
Область
медленной реакции
Давление смеси рс&
Рис. 3. Зависимость между ГСв и рСв
при постоянном составе смеси.
Область
/ само Вое-
У пламенения
Область ^U*^ реакции
медленной
Рстех. .
Концентрация
Рис. 4. Зависимость Гсв(рсв) от
концентрации характерного
компонента.
Зависимость температуры самовоспламенения от концентрации С
исходных компонентов (или характерного компонента) показана на рис. 4.
Зависимость рев от Ссв аналогична. Минимальные значения Тсв и рСв
соответствуют смеси состава, близкого к стехиометрическому.
Зажигание от искры и нагретых тел
Зажигание вещества от любого внешнего источника
(искра, нагретое тело и т. п.) представляет собой
возникновение локального очага реакции, который в виде волны
горения (пламени) самопроизвольно распространяется по
всему объему вещества.
В настоящее время имеются две модели искрового
зажигания— тепловая и цепная [7]. Наибольшее признание
получила модель, основанная на тепловой теории.
Процесс зажигания по тепловой модели рассматривается
как явление теплового воспламенения применительно к
небольшому объему вещества — очагу воспламенения. Для за-

жигания необходимо нагревание достаточно большого объе-
ма вещества до определенной температуры. Минимальная
энергия, необходимая для выполнения этих условий, является
энергией заоюигания.
Целью зажигания является создание фронта пламени,
способного к самопроизвольному распространению, поэтому
первоначальный очаг воспламенения должен
характеризоваться параметрами фронта пламени.
В модели Зельдовича [8] искра заменяется точечным
источником тепла. При этом создание очага горения,
способного к распространению по веществу в виде пламени,
обусловлено следующими требованиями: 1) диаметр очага d и
ширина зоны горения б должны быть связаны соотношением
d ~ 4 V2 • 6;
2) температура в очаге больше или равна температуре
пламени.
Зависимость между энергией зажигания и величинами,
характеризующими процесс распространения пламени,
выражается следующими соотношениями:
#экв>3,76 (1,11)
13Т20(ТГ-Т0)
—iSw (IJ2)
U
где £min — минимальная энергия зажигания; R9kb — радиус сферы,
эквивалентной по объему очагу воспламенения; ср — средняя теплоемкость газа
при постоянном давлении в интервале температур Тг — Го; р — плотность
газа; То — начальная температура; Тг — температура горения (пламени);
А, — коэффициент теплопроводности; UH — скорость горения (нормальная
скорость пламени).
Отметим, что формулы (1,10) и (1,11) можно
использовать лишь для ориентировочных оценок.
Проведем анализ влияния некоторых параметров на
энергию зажигания, используя уравнение (1,12). Зависимости
£min от давления, состава и начальной температуры смеси
показаны на рис. 5.
Из рис. 5 видно, что энергия зажигания растет с
уменьшением давления или температуры.
Рассмотрим зажигание горючих смесей нагретыми
телами (например, стенка, проволока, шарик и т. п.). Этот
способ инициирования, так же как и искровой, используется
для зажигания горючих веществ, особенно ВВ и порохов.
Кратко элементарная теория теплового воспламенения от
нагретого тела заключается в следующем [7,8].
* 2 Зак. 100 J7

Пусть неподвижная горючая смесь находится между
двумя параллельными и нагретыми стенками. Начальная
температура смеси и стенок равна То (рис. 6). Будем повышать
температуру одной стенки. При некоторой величине Го>Г0
скорость реакции пренебрежимо мала, и распределение
температуры в газе между стенками будет линейным (без
конвекции).
При Т = То в зоне, прилегающей к стенке, реакция будет
идти с заметной скоростью. Произойдет дополнительный
разогрев газа, в результате чего линейная зависимость
Г от х нарушится. Количество тепла, передающегося через
ч\\\\\У
\\NN\\V4\\\\\\
Концентрация, давление, темпещтурп
Рис. 5. Энергия зажигания в Рис. 6. Воспламенение смеси от
зависимости от концентрации, нагретого тела,
дав ления и температуры смеси.
слой газа dx вблизи стенки, зависит от градиента
температуры -£-. При Т = То этот градиент меньше, чем при Т = То,
но имеет тот же знак (тепло идет от стенки в газ).
Существует такая минимальная температура стенки Го» когда
(у/Т1 \
-г—) =0. В этом случае обмен тепла между стенкой и
«х /х=*о
газом прекращается, а количества тепла, выделяющегося
в результате химической реакции, достаточно для
возмещения потерь, связанных с теплоотводом к холодной стенке.
При любых Т > Го' = Гсв количества тепла,
выделяющегося в результате реакции, хватает не только для
поддержания нулевого градиента температуры у стенки, но и у
близлежащих слоев смеси. Процесс становится нестационарным, и
воспламенение происходит совершенно аналогично тому, как
это наблюдаем при тепловом взрыве. Производная -^
меняет знак. Стенка, вначале отдававшая тепло, теперь
становится не источником, а стоком тепла.
13

Рассмотренные выше процессы зажигания предполагали
покоящуюся горючую смесь. Воспламенение зависит от
величины теплоотвода из зоны зажигания и практически не
зависит от изменения концентрации смеси, температуры,
давления и т. п. Величина теплоотвода растет с
увеличением скорости потока, поэтому энергия зажигания также
должна возрасти с увеличением скорости потока vt что и
наблюдается на практике. Если энергия зажигания
покоящейся смеси £"о, то энергия зажигания той же смеси в
потоке Еп равна [8—11]:
fn^fo + Лш1'5"2 (I, 13)
Температура и давление
продуктов горения
Температура горения представляет собой один из
важнейших параметров горючих веществ. Скорость протекания
процесса горения и разрушительный эффект взрыва во
многом определяются величиной температуры горения Гг.
В первом приближении величина Тг вычисляется из уравнения
теплового баланса:
где Q — тепловой эффект химической реакции; с — средняя теплоемкость
продуктов в интервале температур Го — Гг; гп — масса продуктов.
Формула (I, 14) имеет ограниченное применение и справедлива только
при низких значениях Тг. Однако для ориентировочных оценок данным
уравнением пользуются.
При высоких значениях Тг возникает необходимость в учете реакций,
приводящих к химическому равновесию в пламени, так как состав
охлажденных продуктов и равновесный состав в пламени существенно
отличаются [8, 12]. Величина Тг и равновесный состав взаимосвязаны, поскольку
константы равновесия реакций (и, следовательно, состав) определяются
температурой.
Конечное давление при горении в закрытом объеме
вычисляется из уравнения состояния:
Р«-"7Г^Г (U5)
где рк и Гг — давление и температура при горении в закрытом объеме;
Ро и Tq — начальные давление и температура газа; vnp — число молей
газообразных продуктов; vo — число молей исходного газа.
Поскольку Vnp/vo обычно близко к единице, то
увеличение давления оказывается прямо пропорциональным
температуре горения, т, е. — ^ -ф~ и Рк^ ^гТг.
Ра * о * о
2* 19

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ
Нормальная скорость горения
В результате действия источника инициирования в го«
рючей смеси возникает местная экзотермическая реакция ц
в ограниченном объеме происходит выделение тепла.
Вследствие теплопроводности нагреваются близлежащие слои
исходной смеси, в которых начинает протекать химическая
реакция, скорость которой соответствует величине
температуры, и выделяется тепло. Исходная смесь быстро и на
коротком участке послойно вовлекается в режим
воспламенения. Распространяющаяся по смеси узкая зона химического
г
с
А
"о
Со
то
Ро
Ur
Or
Рп
Рис. 7. Изменение температуры, концентрации исходных
веществ и концентрации активных центров Са во фронте
пламени.
превращения исходных веществ в продукты реакции —
пламя— становится источником, создающим непрерывный поток
тепла в исходную смесь. Пламя, возникшее от источника
зажигания, затем самопроизвольно распространяется по
веществу. Способность пламени к непрерывному
распространению в результате последовательного сгорания
(воспламенения) слоев газа является наиболее характерным его
свойством.
В зоне пламени помимо процессов теплопроводности
происходят процессы массопереноса. Продукты реакции
диффундируют в исходную смесь, а молекулы исходной смеси —
в сторону продуктов реакции. Активные центры и другие
промежуточные вещества диффундируют в обоих
направлениях (рис. 7).
В системе координат, связанной с фронтом пламени,
процесс можно представить следующим образом. Исходная
смесь втекает в неподвижный фронт пламени по нормали
к его поверхности со скоростью [)0 = Un> а вытекает со ско-
20

ростыо UT (рис. 7.6). При этом температура смеси возрастает
(рис. 7, а) от Го до температуры горения Тг, а концентрация
исходных веществ Со уменьшается до Сг или до 0 (если
смесь стехиометрического состава).
Михельсоном еще в 1890 г. было показано, что скорость
движения фронта пламени относительно исходной смеси,
измеренная по нормали к его поверхности, представляет собой
константу данной смеси и является ее характеристикой. Эта
скорость называется нормальной скоростью горения
(пламени) или фундаментальной скоростью (£/н). Нормальная
скорость горения измеряется либо в см3/ (см2 • сек) = см/сек, т. е.
показывает количество вещества в см3, которое сгорает в
единицу времени на единице поверхности пламени, либо в
г/(см2 • сек) и тогда называется массовой скоростью горения
U
Как показывает опыт, изменение параметров пламени
происходит в очень узком слое бф, который называется
физической шириной пламени. Для большинства газовых
смесей при нормальном давлении бф < 1 мм.
Если геометрические размеры пламени и его радиус
кривизны велики по сравнению с бф, шириной пламени можно
пренебречь и рассматривать волну реакции как разрыв (см.
рис. 7,6). Это удобно, когда, не рассматривая процессы,
происходящие внутри зоны пламени, определяют конечные
характеристики горения — Гг, рг, Ur и т. д.
Решая уравнения сохранения для элемента поверхности
пламени, получим
Ur=UH^.^.%- (1,16)
J 0 Р V
(1,17)
Если пренебречь изменением числа молей при сгорании
Vr/Vo, ТО
U ро _ JfV_ ф £о
Рг ^о Рг
(I, 18)
Перепад давления в пламенах обычно очень мал, и
распространение пламени происходит практически при равных
Давлениях исходного газа и продуктов горения.
Учитывая это, из уравнения (1,18) получим:
^г-С/н-^- (1.19)
21

'У///////////////////////////,
исходна?
смесь
Обычно Гг/То = 6—10, т. е. скорость движения продуктов
реакции в 6—10 раз больше нормальной скорости пламени,
Увеличение скорости газа относительно фронта пламени при
одновременном понижении давления также является
специфической особенностью пламени.
Скорость пламени
Скорость распространения пламени и нормальная
скорость совпадают в том случае, если фронт пламени плоский
и исходная смесь находится в состоянии покоя.
Практические наблюдения показали, что каждое из
названных условий может быть соблюдено только при
постановке специального
эксперимента. В обычных условиях
нарушаются, как правило, оба
требования.
Обычно поверхность
пламени зависит от формы сосуда
и представляет собой сферу
или часть фигуры вращения.
На рис. 8 показана форма
пламени при распространении в
горизонтальной трубе, когда исходная смесь находится в
покое (со = 0).
Согласно закону Михельсона, величина проекции вектора скорости
набегающего потока на нормаль к поверхности пламени всегда равна
нормальной скорости горения:
£/H=cocosa (1,20)
где со — скорость потока, a — угол между нормалью к поверхности пламени
и вектором скорости, т. е. при установившемся течении газа по трубе форма
пламени не меняется.
Наблюдая за перемещением вдоль грубы какой-либо точки пламени,
например А (рис. 8), экспериментально определяется видимая скорость
пламени UB. Из определения нормальной скорости пламени следует, что за
время t на единице поверхности пламени сгорает масса газа poUBt, а на
всей поверхности пламени F масса niQ=poUHtF. С другой стороны, эта
величина должна равняться массе газа mi = poUBts в объеме, заключенном
между двумя последовательными положениями, принимаемыми фронтом
пламени в начале (ВАС) и в конце (В'А'С) этого промежутка времени.
Так как во фронте пламени накопления вещества не происходит, то mo=mi,
откуда
UB=Uti4- (1,21)
Рис. 8. Форма пламени в
горизонтальной трубе.
Таким образом, чем больше развита поверхность фронта пламени, тем
больше общее количество вещества, которое сгорает в единицу времени, и
тем больше скорость перемещения пламени. Если исходная смесь движется
со скоростью со, то скорость распространения пламени относительно не-
22

подвижных стенок равна:
£/в=ю± £/Hj (1,22)
(знак «плюс», если направление пламени и движение смеси совпадают, знак
«минус» — если не совпадают).
Элементарная теория распространения пламени
При определении скорости распространения пламени в
общем случае для каждого вещества, участвующего в
реакции, необходимо составить уравнение диффузии, уравнение
теплопроводности и уравнения сохранения вещества,
импульса и энергии.
Нетрудно представить, насколько сложным получается
решение и анализ такой системы. Льюис и Эльбе
предположили, что сумма тепловой и химической энергии единицы
массы в любом слое пламени dx (см. рис. 7, а) между
исходным и сгоревшим газом остается постоянной. Этот принцип
положен в основу тепловой теории распространения пламени,
разработанной Я. Б. Зельдовичем, Д. А. Франк-Каменецким
и Н. Н. Семеновым [13].
Пусть С — относительная концентрация какого-либо компонента
горючей смеси (C=vc/v2). Тогда тепловой эффект реакции Q может быть
выражен через концентрацию этого вещества (С). При сгораний части
вещества концентрация изменяется от Со до С, при этом выделится количество
тепла Q(C0—С), которое приведет к нагреванию смеси от То до Т.
Простую связь между температурой Тх и концентрацией Сх в слое dx
получаем при том условии, что коэффициент диффузии равен
коэффициенту температуропроводности.
Как следствие из этого условия вытекает подобие уравнений диффузии
и теплопроводности.
Если сР не зависит от температуры, а молекулярный вес исходной
смеси равен молекулярному ве'су продуктов, то можем записать:
Q(Co-C) = (T-To)cp (1,23)
и при С = Сг, Т = Тт
Q(C0-Cr) = (Tr-T0)cp (1,24)
Сравнивая выражения (1,23) и (1,24), получим:
(1,25)
Со~ С
Со — Сг Тг — То
Соотношение (I, 25) указывает на подобие между кривыми,
характеризующими изменения температуры и концентрации в пламени.
Для определения величины UH используем уравнение (I, 25) и
уравнение теплопроводности:
lj) 7 и«Р» 4х~ {СрТ) + QW = ° (1' 26)
Если известна зависимость W=f(T, С), то, интегрируя уравнение (1,26)'
и используя выражение (1,25), можно получить решение для UB при
заданных начальных условиях (Со, То\.
23

Однако из-за весьма сложной зависимости W от Т и С [см., например,
уравнение (1, 2)] дать простое аналитическое выражение для UH из (1,26)
не представляется возможным. Необходимо численное решение.
Я. Б. Зельдович предложил метод приближенного решения
уравнения (1,26). Основное предположение состоит в следующем: максимальная
скорость реакции в пламени осуществляется при температурах, близких к
температуре горения, т. е. химическая реакция в основном протекает в узкой
зоне 6Х (см. рис. 7, а), и скоростью реакции при температурах, близких
к Го, можно пренебречь. Характеристический интервал температур 9~ГГ-—
Гв (при Гг^>6) определяют по уравнению
RTl
(1,27)
как величину интервала температуры, на котором скорость химической
реакции уменьшается в е раз.
Решением уравнения (I, 26) в таком случае будет
2
H~n2r2(T т¥*
PocplyB~yoJ J
"'в
Описывая скорость реакции общим уравнением вида
и используя выражение (I, 25) и уравнение состояния, получим выражение
для W как функцию только одной температуры Т\
Е
Tr-T\v
е
Подставляя W из уравнения (1,30) в (1,28) и интегрируя, получим
соответственно формулу нормальной скорости: для реакции первого порядка
RTr (1 ЯП
для реакции второго порядка
Уравнения (1,28), (1,31) и (1,32) позволяют
проанализировать влияние различных параметров на величину
нормальной скорости горения.
Рассмотрим влияние давления. Из выражения (1,28) с
учетом (1,29) найдем:
UH~pv/2-l = pn (1,33)
Опыт показывает, что п меняется от +0,5 до —0,5.
Причем для медленно горящих смесей UH уменьшается с
давлением (п<0), а для быстро горящих, наоборот, возрастает*
24

формулу (1,33) можно использовать для оценки
эффективного порядка реакции v. Например, для реакций первого
порядка Un~p~l/zt а для реакций второго порядка UH не
зависит от давления. Влияние теплопроводности смеси также
устанавливается из уравнения (1,28) или (1,31):
Из уравнения (1,32) следует, что увеличение начальной
температуры смеси Го приводит к значительному росту UH:
Т2Т5 Е
п2 i0i г RTr п ос\
Ue (135)
Экспериментальные исследования подтверждают
зависимость Uв от Го в соответствии с выражением (1,35).
Приближенно влияние 70 на £/н — вместо уравнения
(1,35) —можно выразить как
что позволяет определять значения £/н при различных
температурах:
Г \1,8
)
где U'H— величина нормальной скорости при Т\ UB — величина
нормальной скорости при То.
Концентрационные пределы
Горение газовых смесей возможно в определенной
области концентраций компонентов смеси, величина которой
зависит от давления.
Концентрационные пределы распространения пламени
обычно выражают в виде зависимости между переменными
значениями концентрации горючего и давлением смеси4
(рис. 9).
Теория пределов описана в литературе [8].
Распространение пламени оказывается невозможным, если температура
горения меньше эффективной температуры воспламенения.
Это условие выполняется для смесей любого состава.
Минимальное и максимальное содержания горючего
компонента в газовой смеси, при котором смесь может
воспламеняться, называются соответственно нижним и верхним
концентрационным пределами горения (HKJI и ВКП).
Например, для водородно-воздушной смеси НКП равно
4,19 объемн.% Н2, ВКП— 74,6 объемн.% Н2.
При содержании водорода в воздухе в пределах больше
или меньше указанных горение смеси невозможно. Область
25

горючих составов несколько расширяется с увеличением на.
чальной температуры и давления смеси.
Для горючих смесей существует такое минимальное дав.
ление pmm, ниже которого самопроизвольное
распространение пламени по смеси любого состава оказывается
невозможным вследствие понижения температуры горения за счет
излучения. Величина этого давления называется предельным
давлением для распространения пламени или предельным
давлением горения. Для
газообразных смесей, если
окислителем является
чистый КИСЛОРОД, Pmtn Обычно
измеряется несколькими
мм рт. ст.; в воздушных
смесях — несколькими де«
tam
20°С
I
I
I
Pmin !
Область горючих
составов и давлений
смеси '.
нкп
ВКП 100
концентрация,
Рис.' 9. Зависимость предельного
давления распространения пламени
от состава смеси.
сятками мм рт. ст.
Критические диаметры труб
и гасящие расстояния
Устойчивое
распространение пламени
осуществляется в определенных
границах концентрации, давления и размеров сосуда. Пламя,
которое распространяется на любые расстояния при заданном
давлении в трубе одного диаметра, гаснет, если диаметр
трубы уменьшить до некоторой, так называемой предельной
(критической) величины. Процесс гашения пламени в трубе
или щели критического размера обусловлен в основном
увеличением теплоотвода от единицы реагирующей массы газа в
стенки сосуда. Рост теплоотвода понижает температуру
пламени, что в свою очередь уменьшает скорость
тепловыделения, увеличивает время химической реакции и расширяет
зону реакции. Последнее приводит к дальнейшему росту теп-
лопотерь и т. д., вплоть до прекращения распространения
пламени.
Таким образом, гашение пламени является
нестационарным прогрессирующим процессом увеличения теплопотерь
из пламени.
Ширина зоны пламени зависит от величины нормальной
скорости горения [8]:
Uн
т. е. бх быстро горящих смесей меньше, чем медленно
горящих.
Ширина зоны реакции увеличивается при уменьшении
начального давления газа. Следовательно, уменьшая-давле-
26

ние, необходимо увеличить размер щели (гасящее
расстояние) или Диаметр трубы, при котором будет наблюдаться
распространение пламени. Однако при очень низких
начальных давлениях распространение пламени оказывается
невозможным даже в трубе бесконечно большого диаметра.
Теория и эксперимент показывают, что характерный га-
сящий размер примерно в 50—60 раз больше ширины зоны
пламени.
Для пламен углеводородов гасящий диаметр определяется
из параметров горения, причем выполняется следующее
соотношение: Рекр = 30—50 (где Ре = UJdy. — число Пекле,
^—критический диаметр трубы).
Теплопередача от пламени к стенкам определяется только
свойствами газа и не зависит от свойств материала стенок.
Теоретически показано [14], что влияние диаметра трубы на
теплопотери из пламени резко уменьшается при размерах
трубы более 5 см. Поэтому в трубах диаметром более 5 см
концентрационные пределы горения очень мало изменяются
с дальнейшим увеличением диаметра. Однако эти выводы
справедливы для пламени газов, зона реакции в которых
составляет доли миллиметра. Для газов с большей шириной
зоны пламени влияние диаметра сосуда наблюдается в
трубах значительно большего размера. Зависимость между
давлением и величиной критического диаметра при этом
давлении имеет вид
"кр.
где /г~ (0,5-^-2) и определяется свойствами газа.
Детонация
При изучении процессов горения газовых смесей в трубах
было обнаружено, что в определенных условиях пламя
ускоряется и скорость достигает громадных значений. С этой
строго постоянной скоростью пламя распространяется сколь
угодно долго, независимо от длины трубы, материала стенок,
диаметра (если он больше некоторой величины) и условий
на концах трубы (открыты они или закрыты). Данное
явление получило название детонации.
Возникновение
и распространение детонации.
Влияние различных факторов
Если вдвигать поршень в трубу, то впереди поршня со
скоростью звука будет распространяться элементарная волна
сжатия, Перед волной параметры газа равны начальным, а
27

между поршнем и волной изменяются до значений за вол.
ной сжатия, и газ движется со скоростью поршня. При не.
прерывном и ускоренном движении поршня каждому эле.
ментарному приращению скорости соответствует новая волна
сжатия, которая следует за предыдущей, но уже по возму.
щенному газу. Последующие волны сжатия распространяются
с большей скоростью, так как температура, а следовательно,
и скорость звука в газе непрерывно увеличиваются за счет
сжатия и, кроме того, сам газ имеет большую скорость
движения. Волны сжатия догоняют одна другую и сливаются
вместе, образуя ударную волну. Подобным же образом
возникает ударная волна и перед ускоренно движущимся
фронтом пламени. При определенных параметрах ударной волны
происходит самовоспламенение ударносжатого газа.
Ускорение пламени обусловлено следующими основными
причинами.
Увеличение поверхности фронта пламени приводит к росту
видимой скорости пламени в соответствии с выражением
(1,21).
Поверхность пламени увеличивается главным образом
вследствие турбулизации потока. Повышение начальной
температуры и давления исходного газа перед фронтом пламени
также ведет к увеличению скорости горения в сжатом газе.
В начале горения, когда скорость потока перед^ пламенем
равна нулю, увеличение UB связано с развитием поверхности
пламени F. Увеличение F приводит к ускорению пламени и
возникновению слабой ударной волны и потока газа за ней.
Появляется возможность турбулизации смеси и дальнейшего
увеличения F и т. д.
Отметим влияние начального давления газа, диаметра
трубы и длины трубы на величину преддетонационного
расстояния *.
Теоретически и экспериментально показано [14, 15], что
величина преддетонационного расстояния сокращается при
увеличении давления газа. Аналогичное влияние оказывает
уменьшение диаметра трубы.
Для перехода горения в детонацию необходимо, чтобы
длина трубы была больше преддетонационного расстояния.
В более коротких трубах детонация возникает лишь после
отражения ударной волны от торца либо вообще не
образуется, если торец трубы открыт. В коротких и закрытых
трубах наблюдаются сложные явления взаимодействия
ударных волн и фронта пламени, приводящие к неустойчивому
вибрационному горению [16].
• * Расстояние от места инициирования да места* где происходи?
ход горения в детонации

Состояние поверхности стенок трубы также оказывает
влияние на возникновение детонации в трубах. Многие
исследователи [17—19] отмечали, что наличие в трубе
шероховатостей, искривлений, неровностей резко уменьшало пред-
детонационное расстояние. Данный эффект объясняли
усилением волн сжатия в результате многократного отражения
от местных преград и их аккумуляцией [18]. Щелкин указал-
на возможность вследствие этого исключительно сильной тур-
булизации потока перед пламенем и увеличения скорости
пламени. Опыты с введением в трубу искусственных сеток,
спиралей и т. п. действительно сопровождались сокращением
преддетонационного расстояния и ростом скорости пламени,
а в опытах с искусственным поглощением волн сжатия на
стенках трубы отмечали увеличение преддетонационного
расстояния по сравнению с гладкой трубой [19].
Пределы детонации
Основное свойство детонационной волны —
стационарность сохраняется только в определенных условиях,
например в определенных границах концентрации. Так же как и
для распространения пламени, имеются нижний и верхний
концентрационные пределы детонации при атмосферном
давлении и зависимость этих пределов от давления.
Концентрационные пределы детонации уже, чем пределы распространения
пламени. При дальнейшем уменьшении или увеличении
содержания горючего во взрывчатой газовой смеси
уменьшается скорость реакции в ударно сжатом газе в зоне
реакции детонационной волны. Это приводит к увеличению
ширины зоны реакции, возрастанию потерь энергии и уменьшению
скорости движения детонационной волны и, следовательно,
температуры ударносжатого газа.
При некоторых концентрациях горючего (нижний и
верхний концентрационные пределы) теплопотери в
детонационной волне из зоны реакции превышают некоторое значение
и распространение стационарной детонационной волны
становится невозможным. Таким образом, появляются
концентрационные пределы детонации.
Процессы массо- и теплопередачи слишком медленны, чтобы играть
существенную роль в механизме детонации. Поэтому, говоря о теплопоте-
рях из детонационной волны, необходимо иметь в виду следующее [14].
При охлаждении горячих продуктов детонации у стенки возникает
волна разрежения. Такое же действие оказывает и снижение скорости газа
вследствие трения у стенки. Создаваемая в результате этих явлений волна
разрежения распространяется к оси трубы со скоростью звука с, т. е. на
9§разоЕгание разрежения за фронтом детонационной волны требуется время
1**-^ (1,37)

Если это время мало (мал диаметр), то волна разрежения проникает
в зону реакции. Таким образом, эффект стенок проявляется только при х,
меньших некоторой критической величины ткр, которая является функцией
диаметра и свойств смеси:
Из соотношения (I, 38) следует возможность оценки времени реакции по
величине критического диаметра и расширения пределов детонации при уве-
личении диаметра трубы. Длительность реакции в детонационной волне, как
показывает опыт, пропорциональна \/р. Для смеси данного состава dKp
должно быть также пропорционально 1//?, что и наблюдается на практике.
Кроме концентрационных пределов детонации существуют
так называемые взрывные пределы, в области которых
возможен самопроизвольный переход горения в детонацию. Эти
пределы уже, чем пределы горения и пределы детонации.

ГЛАВА II
ВЗРЫВНЫЕ СВОЙСТВА
ЧИСТОГО АЦЕТИЛЕНА
Ацетилен — единственный широко используемый в
промышленности газ, относящийся к числу немногих
соединений, горение и взрыв которых возможен в отсутствие
кислорода или других окислителей.
При взрывном разложении продукты нагреваются до
очень высокой температуры — приблизительно до 3000° К.
Разложение ацетилена протекает в виде самовоспламенения,
горения и детонации. Эти термины, которые обычно
характеризуют химическую реакцию в пламени смесей топлива
с окислителем, используются также для характеристики
режимов распада ацетилена, так как зона распада ацетилена
обладает основными свойствами обычного пламени. Отличие
заключается в механизме реакции — вместо реакции
окисления происходит реакция разложения.
Способность чистого ацетилена к горению является одной
из причин его широко известной взрывоопасное™, и именно
эта особенность привела к его детальному исследованию.
Часто ацетилен оказывается удобной моделью для
теоретического и экспериментального изучения некоторых процессов
горения, например процессов ионизации, сажеобразова-
ния и др.
Отметим, что до настоящего времени кинетика
разложения ацетилена в пламени окончательно не установлена.
Однако физические параметры и явления, происходящие при
взрывном распаде ацетилена, можно считать изученными
достаточно подробно.
САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ АЦЕТИЛЕНА
Температура самовоспламенения
Значение величины температуры самовоспламенения (Тсв)
часто служит основным критерием для оценки возможности
взрыва при получении и технологической переработке
ацетилена.
31

В табл. 2 и на рис. 10 приведены температуры
самовоспламенения в зависимости от давления * ацетилена и при*
сутствия в экспериментальном сосуде различных
материалов [20—22].
Таблица 2
Наименьшие температуры самовоспламенения ацетилена
в присутствии различных материалов
(при атмосферном давлении)
Материал
Материал
Железные стружки
Латунные стружки
Карбид кальция
Окись алюминия
Медные стружки
520
500-520
500
490
460
Активированный уголь
Ржавчина (гидрат
окиси железа)
Окись железа
Окись меди
400
280-300
280
240
Снижение температуры самовоспламенения при
увеличении давления показано ниже [23]:
р, ат 2 3 4 22
Гсв, °С 630 540 475 350
При атмосферном давлении и медленном нагревании до
700—800° С в ацетилене происходят в основном реакции по-
лимеризации с образованием ароматических углеводородов
и смол [24]. Быстрое
нагревание (100—500 град /сек)
ацетилена в чистых стальных
трубах d—\—3 мм приводило к
самовоспламенению при
температуре около 520° С [25]. В
трубах из нержавеющей стали
температура
самовоспламене50° С А
3,0
2,5
X 2,0
0,5
о,
\
Взрывной
распад
- Полимеризация
ппа^^-
ния на 50° С выше. Аналогич-
500
550 600 650
Температура, °С
Рис. 10. Зависимость температуры
самовоспламенения ацетилена от
давления.
7оо ное влияние оказывало
покрытие стенок трубы изнутри
оловом. Отмечено [25], что
величина Гсв не зависит от
скорости нагревания (в указанном
диапазоне), диаметра трубы и
длины нагреваемого участка. Наличие на стенках труб
парафина снижало температуру самовоспламенения.
При напуске ацетилена в стальную трубу длиной 38 см
и диаметром 1,3 см, из которой предварительно удален воз-
* Здесь и далее давление дано в абсолютных, технических атмосферах;
если давление не указано, то его следует принимать равным 1 ат.
32

600
ем
^200
с*
\
ч
>
1
г—
150
пух, воспламенение наблюдалось при температуре около
425° С в широком интервале начальных давлений (3—
25 ат) [26]. Присутствие 1 г порошка (железные опилки,
окалина, кизельгур, силикагель. окись алюминия,
активированный уголь) в середине трубы снижало температуру
самовоспламенения до 280—300° С. Реакция начиналась на
поверхности порошка и затем распространялась на весь объем
газа. Наличие порошка КОН снижало температуру
самовоспламенения до 170° С.
Описано также каталитическое влияние ряда других
веществ [1]. В присутствии некоторых газов (например, COj,
металлов (Pt, Fe, Ni, Co и др.), окислов и некоторых
соединений [Fe2O3, Ag2O, CaO, SnO, SiO2, CuO, FeS, Ni(CO)4]
самовоспламенение ацетилена при. атмосферном давлении
происходило при 240—500° С.
В чистом кварцевом сосуде
Гсв = 630°С.
Воспламенение ацетилена в
ударных волнах наблюдалось
при температурах около
1000° С и выше.
В работах [27, 28] показано,
что в ударной трубе
диаметром 24 мм воспламенение
ацетилена происходит при
начальном давлении 1 ат и давлении
в камере трубы (толкающий
газ водород) 105 ат. При
более низких начальных
давлениях водорода необходимый перепад давлений Рн2/Рс2н2
увеличивался (рис. 11). Задержка воспламенения составляла
около 2,5 мсек. В аналогичных опытах в трубах диаметром
4,8 мм, длиной 3 м при начальном давлении до 30 ат,
давлении в камере ударной трубы (азот) до 135 ат и перепаде
давлений 4,6—865 воспламенение отсутствовало.
По-видимому, в условиях столь малого диаметра трубы
происходило быстрое затухание ударной волны, и данные
этих опытов нельзя использовать для оценки возможности
воспламенения ацетилена в трубах такого же диаметра и при
таких же перепадах давления, но имеющих другую длину или
Другое соотношение между длиной камеры с толкающим
газом и каналом с ацетиленом.
Адиабатическое сжатие ацетилена в компрессоре до 16 ат
пРи конечной температуре 190° С и до 29 ат при 275° С не
приводило к воспламенению [29]. Воспламенения не
наблюдалось также (сосуд диаметром 5 мм, объемом 1 см3) при
■Давлении до 200 ат и температуре до 270° С [30].
25 50 75 100 125
Давление Н2,а/п
Рис. 11. Воспламенение ацетилена
в отраженной ударной волне:
/ — труба диаметром 14 мм; 2 — труба
диаметром 24 мм.
3 Зак. 100
33

В связи с тем, что условия, при которых ацетилен ц
чается и перерабатывается, могут быть различны, рекоме
вать определенное максимально допустимое безопасное
чение начальной температуры ацетилена не представля
возможным. Однако, учитывая возможность образов;
повышенных локальных температур газа и наличие пр
сей, эта величина, вероятно, не должна превышать 3[
при атмосферном давлении, 150—180° С при давлении
2,5 ат и 100° С для более высоких давлений.
ЗАЖИГАНИЕ АЦЕТИЛ
Энергия зажигания. Влияние давле
Величина энергии зажигания — один из основные гк
зателей взрывоопасное™ "любой горючей среды. Топл:
воздушные и топливо-кислородные смеси зажигаются *
атмосферном давлении и энергии инициирования пор*
нескольких десятых или сотых долей мдж [11, 31, 32]. ;
воспламенения предельных по концентрации топливо-возл
ных -смесей достаточно локального выделения энергии в
сколько мдж. Отметим, что энергия обычной искры от а:
мобильной бобины составляет 100—200 мдж. В табл. 3 i
ведены значения минимальной энергии зажигания Е для
зовых смесей стехиометрического состава при атмосфер
давлении и температуре 20° С [11,31].
Таблица 3
Энергия зажигания газовых смесей
Горючее
Метан
Этан
Пропан
Водород
Ацетилен
Окись углерода
Энергия
воздух
0,3
0,25
• 0,24
0,020
0,019
8
зажигания, мдж
кислород
0,0038
0,0019
0,002
«0,0003
«0,0003
—"•
Величина энергии зажигания увеличивается при ■, в
жении давления смесей, но не превышает нескольких
тен мдж.
По своей энергетической характеристике ацетилен я-
дится между топливо-воздушными и топливо-кислородв-
* Здесь и далее в случае, когда начальная температура не укз
следует ее принимать равной 20° С.
34

I
ieK
Можно было .ожидать, что для его поджигания по-
>^ются энергии такого же порядка. Однако исследования
р6 пдтвердили этого предположения. После неудачных по-
*е к поджечь ацетилен при атмосферном давлении при
1Ь1Т шИ индукционной искры сделан вывод: при р=1 ат
типен не зажигается и пламя при этом давлении распро-
Ш няться не может. Мощной искрой от катушки Румкорфа
:^гОо жд#с) ацетилен удается зажечь только при давлении
[*°т и выше [3]. При более низких начальных давлениях
] ^н поджигался, если инициирование проводили нагре-
ем или переплавлением тонких металлических проволо-
к и спиралей [3, 33—36], т. е. источниками значительно
Гдыней ЭНергии. Было отмечено также, что при уменьшении
авления ацетилена необходимая для зажигания энергия
быстро увеличивается.
Ацетилен оказался чувствительным и к виду материала,
,з которого изготовлены проволочки (при одинаковых разме-
,ах). Например, медные и стальные зажигали ацетилен при
;олее высоких
давлениях, чем платиновые. С по-
ю'щью платиновой про-
олочки удалось зажечь
метилен при начальном
Делении 1,4 ат [33, 37].
различная способность
роволочек к зажиганию
детилена объяснялась
зумя причинами: ката-
[итическим действием
юверхности и различием
i температурах плавле-
ия.
I
I *
ч
!
\
РЬ
к
А1
«—
Си
i
■
FePt
i i
агам.
Мо
i
Риг. 12.
1000 1500 2000 2500
Температура, °С
Зависимость предельного
На оис 12 показаны давления зажигания ацетилена от
инимальные начальные температуры плавления проволочек,
авления, при которых
роисходило зажигание ацетилена, от переплавления прово-
очек, изготовленных из металлов с различной температурой
Давления [33, 37]. Кривая зависимости давления от энергии
нициирования * асимптотически приближается к значению
явления 1,4 ат, поэтому величина 1,35—1,4 ат, по мнению
>еппе [33], определяла предел зажигания и самопроизволь-
°го распространения пламени по ацетилену; ниже этого дав-
ения зажигание и самопроизвольный распад ацетилена
кажись невозможными.
' * Количество энергии, отдаваемой газу в единицу времени, можно ха-
1ктеризовать величиной температуры плавления, так как размеры прово-
?Че* брались одинаковыми.
-3*
35

Достоверность этой исключительно важной для практики
величины неоднократно подтверждалась экспериментально
[34,36]. Расхождения составляли не более 0,1 ат.
Некоторые авторы [38—40] отмечали горение и детонацию
ацетилена при более низких начальных давлениях. Однако
возможность распада ацетилена при давлениях ниже 1,4--.
1,35 ат они объясняли тем, что при мощном инициировании
(взрыв газовой смеси с энергией 125—150 ккал или 1—3 г
навески ВВ) повышается давление газа- в системе, т. е. не
сохраняются начальные условия опыта, или происходит не
самопроизвольное распространение пламени в ацетилене, а
его выжигание, например, в сильной ударной волне, которая
образовывается при инициировании от самого источника.
На экспериментально определенном в то время значении
предельного давления распада ацетилена (1,35—1,4 ат)
основывались зарубежные и отечественные правила и нормы по
технике безопасности [41—43].
■К осциллографу
Рис. 13. Принципиальная схема установки для измерения
энергии зажигания ацетилена:
/ — сосуд; 2— электроды зажигания; 3 —ионизационный датчик; 4 —
ограничивающее сопротивление; 5-электростатический вольтметр;
6-емкости; 7 — фоторегистрирующий прибор; 5 —вакуумметр; 9 — манометр.
Относительно недавно появились экспериментальные
работы [44—51], в которых показано, что величина
предельного давления распада ацетилена в действительности
значительно ниже, и дано объяснение причин неточных выводов.
На рис. 13 показана принципиальная схема установки
для измерения энергии зажигания и предельного давления
распространения пламени в ацетилене [44—48].
При начальных давлениях ацетилена ниже 1,6 ат опыты проводили в
цилиндрическом сосуде объемом 30 л (^ = 160 мм)\ при более высоких даэ*
лениях — 0,4 л (d=80 мм}. Наличие процессов разложения ацетилена опрё*
36

За сосуле или
f^T Пр°'
делилось путем фоторегистрации распространения пламени
по срабатыванию (замыканию) ионизационного датчика З
водили емкостной или индукционной искрой, нагреванием cmf^T
нИХромовой или молибденовой- проволоки, сжиганием определенного к
личества взрывчатой газовой смеси. В экспериментах преимущественно ис~-
пользовали емкостной разряд. Остальные виды инициирования служили для
сравнения и контроля. Разряд конденсатора (емкостная искра): проводили
через искровой промежуток между электродами, введенными в сосуды на
расстоянии 80 мм от торца в сосуде диаметром 160 мм или в центре сосуда
диаметром 80 мм.
Величину энергии разряда вычисляют по формуле:
где с — емкость конденсатора, мкф\ Uu V2 — напряжение на конденсаторе
до и после разряда, кв; Е — энергия разряда, дж.
Энергию зажигания порядка нескольких дж и выше получали разрядом
конденсаторов емкостью 100—400 мкф при напряжении до 3,5 /се*.
Применялась «трехэлектродная» схема зажигания. На основную пару электродов
(d=2 мм) подавалось напряжение, величина которого была несколько
меньше напряжения пробоя при данном давлении. Для осуществления разряда
между третьим «зажигающим» электродом и заземленным (один из
основных)) пропускалась искра от катушки Румкорфа или пережигалась тонкая
металлическая проволока. Вследствие ионизации газа в промежутке между
основными электродами происходил разряд конденсатора с заданной
величиной энергии. Энергия «поджигающего» разряда 0,1—1 дж мала по
сравнению с энергией в основном разряде, поэтому ее величиной пренебрегали.
Энергии зажигания меньше 1 дж
получали обычным (двухэлектродным)
разрядом конденсаторов емкостью
0,01—0,5 мкф при напряжениях пробоя
1—12 кв.
На рис. 14 показана
необходимая для зажигания величина
энергии емкостной искры при
различных начальных давлениях
ацетилена. При давлении 1,6—
1,7 ат для зажигания ацетилена
достаточно искры с энергией
около 1 дж, а при давлениях 1,0
и 0,75 ат эта величина равна 100 и
450 дж соответственно. Зависимость величины энергии
зажигания от давления имеет ярко выраженный
асимптотический характер. При давлении 0,7 ат энергия зажигания
равна 620 дж. Увеличение энергии искры до 900, 1400 и 1800 дж
не привело к заметному снижению давления. Ниже давления
0,65 ат ацетилен не поджигается.
500 WOO' tSOO
Энергия зажигания, дж
Рис. 14. Энергия зажигания
ацетилена при различных
начальных давлениях.
* В приведенных здесь и ниже значениях величины энергии зажигания
не учтены потери энергии за счет омического сопротивления проводов (доли
ома), электромагнитного излучения, образования ударных волн и
нагревания концов электродов (тепловой к. п. д. емкостной искры составляет около
15% [52]).
37

Применение для зажигания источников столь большой
энергии в определенной степени изменяло начальные
параметры газа.
15
10
8,0
6,0
5,0
0,65
vJ
х
10~* 10~3 10~2 Ю'7 1 Ю Ю2 10s
Энергия зажигания, дж
Рис. 15. Энергия зажигания ацетилена при давлениях
0,65-13 am [48].
Расчет показал, что если тепловой к. п. д. искры принять
равным 15%, то использование источника энергией 1200 дж
при давлении 0,65 ат приведет к повышению начального дав-
- Таблица 4
Условия, характеризующие возможность воспламенения ацетилена
Ро
ат
1,05
0,65
0,55
0,5
0,4
d
мм
380
150
400
400
400
м
20
6
1
1
1
V
м3
2,5
ОД 05
0,125
0,125
0,125
Е
дж
500
1200
1800
1800
1800
Результат
Распространение пламени
(Vcp = 30 м/сек)
Распространение пламени
(7ср=10 м/сек)
Ацетилен не поджигается
То же
38

13
I
ления на 0,02 ат, или на 3% от начального. Отметим,
однако, что такое незначительное повышение давления
вследствие быстрого охлаждения газа в сосуде существует
короткое время.
Величина цредельного давления зажигания или
распространения пламени в чистом ацетилене имеет исключительно
важное значение для практического использования
ацетилена, так как является нижней границей его взрывоопасно-
сти. Поэтому были проведены опыты (табл. 4). в которых
влиянием источника
зажигания на последующий процесс
распространения пламени
полностью* пренебрегли [46, 47].
Таким образом,предельное
давление, ниже которого не-
возможяо поджигание
ацетилена и самопроизвольное
распространение^ пламени в нем
при начальной температуре
20° С, равно 0,65±0,05 ат.
На рис/ 15 показаны
результаты измерений энергии
зажигания ацетилена при
давлении 0,65-^-13 ат по
описанной выше методике.
На рис. 16 приведены данные аналогичных опытов при
давлении ацетилена 3—13 ат [53]. Для сравнения эти данные
, | 250
\
\
ч
■—
— —
О 10 20 30 "UQ 50 60
Энергия зажигания, мдж
Рис. 16. Энергия зажигания аце'
тилена при давлениях 3—13ат [53]-
200
150
50,
\А
г
г
—.
О 4 8 12 16
Расстояние между электродами, мм
20
Рис. 17. Зависимость минимальной энергии
зажигания от, величины разрядного промежутка
(р=1 am, T = 20° С):
/ — по данным- [240]; 2 — по данным автора.
нанесены пунктиром на рис. 15. Некоторое расхождение в
величинах энергии зажигания при давлениях 3—13 ат можно
объяснить тем, что опыты проводили при различных
напряжениях на конденсаторе (соответственно различных размерах
39

искрового промежутка). Увеличение искрового промежутка,
начиная с некоторого значения, приводит к значительному
росту величины энергии зажигания (рис. 17). Увеличение
только величины напряжения пробоя при одинаковых
зазорах изменяет энергию зажигания незначительно [54]:
Длина искрового
промежутка
мм
20
20
4
Напряжение
при разряде
кв
21
5,8
5,4
Энергия зажигания
ацетилена при р — 1,0 ат
дж
220
202
130
На рис. 18 показана энергия зажигания ацетилена при
различных давлениях в зависимости от величины
напряжения на конденсаторе [54]. Из приведенных данных видно,
что при одинаковых
давлениях, но различных
напряжениях самопроизвольного пробоя
величина энергии зажигания
может меняться в несколько
раз.
Величина энергии,
необходимой для зажигания
ацетилена, даже при высоких дав-
j, 240
*гю
§ 160
80
\
°09 W 1,1 1,2 1,3 1А 1,5 1,6 1,7 лениях, очень велика. Очевид-
Маблеиие, am
Рис. 18. Энергия зажигания
ацетилена при различных пробивных
напряжениях самопроизвольного
разряда:
/-от 18 до 21 кв; 2-от 5 до 5,5 кв;
3-от 2,4 до 3,2 кв
но, лишь при давлении 20—
30 ат, ацетилен будет
поджигаться так же легко, как
обычные горючие газовые
смеси при атмосферном
давлении, хотя при этом запас
химической энергии
ацетилена в 100—150 раз больше, чем
у топливо-воздушных смесей при р = 1 ат. Нетрудно видеть
(см. рис. 14 и табл. 3), что при давлении 1 ат величина
энергии зажигания ацетилена в 105—106 раз больше, чем энергия
зажигания топливо-воздушных смесей.
Зависимость энергии зажигания от давления обычно
выражается степенной функцией вида Е = Ар'п. Данные,
приведенные в литературе [55] для давлений 3—13 ат,
описываются выражением Е = 1140 р~2>65 мдж. Результаты
измерений [47, 48] в интервале давлений 0,65—13 ат можнс
представить двумя выражениями (см. рис. 15):
р - 2—13 ат Е - 14 800 р"3'66 мдж
р = 0,65—2 ат Е = 105p~6'66 мдж
Изменение характера зависимости (угла наклона сплош
ной прямой) при давлении ниже 2 ат может быть вызванс
40

следующими причинами. Во-первых, при увеличении энергии
зажигания тепловой к. п. д. искры, так как быстрое
локальное выделение большого количества энергии при разряде
приводит к образованию сильной ударной волны, которая
уносит значительную долю энергии от места зажигания,
т е. для самого процесса зажигания она теряется. Во-
вторых, часть энергии идет на электромагнитное излучение
и нагревание подводящих проводов. В-третьих,
значительное количество тепла передается от нагретого и
реагирующего в искровом промежутке газа в электроды зажигания.
Эта часть потерь особенно значительна, так как размеры
искрового промежутка составляли 2—Ъмм и примерно
равны ширине зоны реакции ацетилена при Низких начальных
давлениях.
На основе измеренных величин энергии зажигания можно
оценить величину зоны пламени в ацетилене (стр. 17). Для
давлений 1,0 и 0,7 ат (к. п. д. равен 15%) при расчете
получаем б, равное 3,3 и ^7 мм. Если для расчета принять
энергии, полученные экстраполяцией пунктирной прямой
(см. рис. 15) к давлениям 1,0 и 0,7 ат, то ширина зоны
пламени составит около 1,6 и 3,25 мм соответственно.
Проведенные оценки подтверждают наличие широкой
зоны реакции в ацетилене, которая по крайней мере на
порядок больше, чем у топливо-воздушных смесей при тех же
давлениях. Например, для смеси ацетилена с воздухом при
I ат 6 равно 0,03 см [14].
Зажигание
ацетилена различными источниками.
Особенность зажигания ацетилена
нагретыми телами
Исследование зажигания ацетилена при инициировании
распада нагреванием металлических спиралей и проволочек
или сжиганием в среде ацетилена небольшого количества
взрывчатой газовой смеси представляет как научный, так и
практический интерес. Интерес к таким экспериментам
представляется тем более значительным, поскольку именно они
позволили, во-первых, подтвердить возможность зажигания
ацетилена нагретыми телами вплоть до предельного
давления 0,65 ат, а не 1,4 ат [33—37] и, во-вторых, установить
причины этих расхождений.
Ниже кратко описаны исследования, выполненные
автором [46, 47].
В сосуде емкостью 30 л при давлении 1,4—0,8 ат
ацетилен поджигался нагретыми до ярко-красного каления ни-
хромовыми и молибденовыми спиралями небольшого
41

размера (несколько см проволоки d = 0,5 мм) или от
сгорания 100 смг пропано-кислородной смеси (а = 0,9).
В сосуде емкостью 105 л ацетилен поджигался вплоть до
предельного давления 0,65 ат. Для зажигания ацетилена при
давлении 0,65 ат и несколько выше оказалось необходимым
одновременное нагревание четырех спиралей из нихромовой
проволоки, каждая из которых имела /=1,5 ж, d=l мм и
диаметр витков 10 мм. Только при таких громадных
размерах источника и соответственно большого количества тепла,
которое сообщалось газу, удавалось зажигать ацетилен при
низком давлении.
Спирали должны располагаться в определенном порядке,
образуя сферу радиусом 5—6 см> и быстро нагреваться
(500—700 град/сек). При медленном нагревании или
близком расположении спиралей зажигания не происходит, хотя
значительное количество ацетилена разлагается на
поверхности спиралей и сажа плотным слоем покрывает ее.
Специфической особенностью ацетилена при зажигании
его нагретой металлической поверхностью является
образование большого количества твердого углерода. Температура
самовоспламенения ацетилена при атмосферном давлении
колеблется в пределах 425—620° С (в зависимости от
материала стенки сосуда), т. е. при нагревании до этих
температур на поверхности источника инициирования и в
близлежащих слоях газа около него начинается интенсивная
реакция распада ацетилена.
Многие исследователи неоднократно наблюдали местное
разложение ацетилена около источника, хотя пламя по
объему экспериментального сосуда не распространялось.
Углеродное покрытие проволоки меняет электропроводность
спирали, что приводит к невозможности определения
действительной температуры источника, так как создается
переходный слой от нагретой поверхности к газу. В случае
медленного нагревания поверхности источника большая часть
энергии уходит на нагревание углерода.
При гетерогенном распаде ацетилена на поверхности
источника или поверхности углеродного покрытия в объеме
около источника зажигания уменьшается концентрация
ацетилена вследствие его разложения и разбавления водородом.
Если учесть, что ацетилен имеет широкую зону распада, а
следовательно, для его зажигания необходимо одновременное
нагревание достаточно большого количества газа,
воспламенение которого приводит к образованию пламени, то
становится понятно, почему зажигание ацетилена от нагретых
поверхностей происходит трудно, особенно при низких
давлениях. Особенность зажигания ацетилена от нагретых
поверхностей и большая величина энергии зажигания явились
42

причиной неточного определения величины предельного
давления распространения пламени.
Действительно, описанные выше опыты Бёзлера и Реппе
[33, 37] (см. рис. 12) поставлены принципиально правильно —
предельное давление определено как предельная величина
при возрастающей энергии источника инициирования.
Однако из данных, приведенных на рис. 14 и 18, видно, что
непрерывное увеличение энергии источника зажигания
вызывает столь же непрерывное уменьшение давления вплоть
до 0,65 ат, Никаких особенностей при давлении около 1,4 ai
не наблюдается.
Таким образом, пропорциональное увеличение величины
энергии зажигания с повышением температуры плавления
проволочек, как это предполагал Реппе, в действительности
не наблюдается.
При рассмотрении этих данных [33, 37] остановимся еще
на одном моменте.
Из рис. 12 следует, что переплавлением свинцовых
проволочек можно поджечь ацетилен только при давлениях
выше 7,5 ат, а алюминиевых и железных — при 2,6 и 1,7 ат
соответственно, т. е. можно сделать вывод: различные
металлы обладают различной способностью к поджиганию
ацетилена. В связи с этим высказывались предположения об
использовании «трудно поджигающих» металлов (Pb, A1)
при изготовлении отдельных деталей аппаратов и
коммуникаций. В действительности материал, из которого изготовлен
источник, и его температура плавления оказывают при
зажигании второстепенное значение.
Необходимо ясно представлять функции источника
зажигания— нагревание определенного объема газа до
температуры, не меньшей температуры самовоспламенения. Отсюда
следует принципиальная возможность зажигания газа
любым нагретым телом, если его температура будет больше
температуры самовоспламенения газа при данных условиях.
Описанные выше опыты по зажиганию ацетилена при
начальных давлениях 1,4—0,65 ат нагреванием спиралей из
нихрома до температуры не выше 900° С (т. пл. 1375° С)
подтверждают, что возможность зажигания зависит не
столько от температуры источника, сколько от количества тепла,
которое он отдает газу в единицу времени, что в свою
очередь определяется размерами, формой и температурой
источника. Материал источника ограничивает лишь его
максимальную температуру (температура пяавления) и может
влиять на скорость протекания реакции вследствие
каталитического действия поверхности.
С точки зрения техники безопасности трудность
зажигания ацетилена, особенно при низких давлениях, от случайно
43

нагретой металлической или неметаллической поверхности
имеет немаловажное значение. Возможен длительный
контакт ацетилена с нагретой поверхностью без образования
пламени и взрыва газа в объеме. При этом, если
непосредственно в момент контакта зажигание не произошло, то в
дальнейшем углеродное покрытие приведет к частичной
тепловой изоляции источника от ацетилена. Поэтому
возникновение искры или короткого замыкания в электрических
проводах более опасно, чем появление нагретой поверхности.
Несмотря на аномально большие по сравнению с
обычными двухкомпонентными горючими смесями значения
величины энергии зажигания и трудность зажигания от
нагретой поверхности, ацетилен является взрывоопасным газом
вплоть до предельного давления 0,65 ат.
Вероятность случайного возникновения искры с энергией
в несколько десятков, сотен дж или большого количества
сосредоточенной в одном месте и быстро нагревающейся
проволоки, т. е. источников, способных инициировать ацетилен
при давлении ниже 1,4 ат, невелика. Однако если источники
с такой энергией все-таки возникнут, то последствия
разложения ацетилена будут очень серьезными (стр. 80).
Влияние температуры и влажности
При получении и технологической переработке (закалка,
отмывка и др.) ацетилен соприкасается с водой и
насыщается водяными парами. Содержание водяных паров в
ацетилене зависит от температуры (табл. 5).
Таблица 5
Содержание паров воды в ацетилене при
т, °с
5
10
15
20
25
30
Содержание
объемн. %
0,86
1,21
1,67
2,29
3,10
7,22
(100%-ная
паров воды
г/л*з
6,8
9,4
12,8
17,2
22,9
30,1
атмосферном давлении
влажность)
Т, °с
35
40
50
60
70
80
Содержание
объемн. %
5,50
7,22
12,1
19,6
30,7
47,1
паров воды
г/л*з
39,3
50,8
82,3
129,3
196,6
250,7
Влияние начальной температуры на энергию зажигания
сухого ацетилена определяется формулой
Яр-.
44

<4^5
йз которой видно, что с увеличением температуры энергия
зажигания быстро уменьшается.
На рис. 19 показано [37, 55] влияние начальной
температуры на минимальную величину давления ацетилена, при
котором происходит поджигание ацетилена от переплавления
платиновой проволочки (£ = 8 дж).
При повышении температуры до
150—-200° С давление снижалось до 1 f/\^
атмосферного. Снижение
предельного давления поджигания
ацетилена отмечено также в работе [56].
При температуре ацетилена 200°С
/top» 1,0 ат, а при Т = 300° С —
0,8 ат (Е ^ 10 дж). Ниже
приведены данные о влиянии
температуры на величину энергии
зажигания при постоянном давлении
1,4 ат:
Г, °С 20 30 42 55
Е, дж 9 8,2 7,1 5,9
f'°
ч*
N
50 100 150 200
Температура, °С
Рис. 19. Предельное
давление распространения
пламени в ацетилене при
различных температурах
(£ = 8 дж = const):
По данным 1 - [37]; 2- [55].
Узкий диапазон исследованных температур не дает
возможности получить зависимость для определения энергии
зажигания при более высоких температурах. Зависимость
энергии зажигания от температуры для данных опытов
может быть описана в виде Е~Т~п (п = 3,6).
25 50 75 100
Температура, °С
Рис. 20. Зависимость предельного давления
распространения пламени в ацетилене от
температуры в смеси ацетилена с насыщенным водяным
паром:
/ —содержаниз ацетилена, объемн. %\ 2 — предельное
давление распада; 3 — парциальное давление С2Н2 в смеси.
Наличие в ацетилене паров воды, действующих как
инертная примесь, затрудняет воспламенение и распространение
пламени. Количество насыщенного водяного пара однозначно
связано с температурой, поэтому изменение взрывных
параметров нагретого и влажного ацетилена обусловлено
45

противоположно направленным влиянием температуры и ,
держанием паров воды.
На рис. 20 приведена зависимость минимального дав
ния поджигания от температуры для смеси ацетилена с
сыщенными .водяными парами при инициировании pacn*
переплавлением платиновой проволоки [33]. Из рис. 20 яс
что пары воды оказывают более сильное (флегматизир\
щее) влияние, чем температура.
Выше было показано, что при 20° С чистый ацетилен ;
жет быть воспламенен при давлении 0,65 ат, а не 1,4—1,7
как это следует из рис. 19 и 20; наблюдались случаи взрь;
влажного ацетилена при давлении 1,6 ат и темперам
80° С. По-видимому, при использовании источников зау
гания с большей энергией будут наблюдаться зависимое
аналогичные приведенным на рис. 19 и 20, но смещенные
давлению на определенную величину.
НОРМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ПЛАМЕНИ АЦЕТИЛЕ[
Сравнительные характеристи
методов определен
Для определения нормальной скорости горения UH обь
но применяют следующие методы: метод бомбы постоянно
объема, метод бомбы постоянного давления, метод горел
и метод открытой трубы8'31»57-59. Выбор метода опре;
ляется рядом теоретических и практических соображений,
также необходимой точностью измерений.
Рассмотрим факторы, влияющие на выбор метода д
измерения нормальной скорости пламени в. случае ацети;
на, включая определение нормальной скорости пламени в;
низких начальных давлениях.
1. Для поджигания ацетилена, особенно при невысоких начальных д.
лениях, требуется большая энергия инициирования. На начальном учас:
распространения пламени форма его искажается вследствие действия си
ного неточечного источника зажигания. Исследования показали, что -'
зажигании проволочкой или спиралью образуется несферическое пла'
а в случае мощной искры — фронт пламени «разлохмачивается» и также
имеет сферической формы. Это делает мало приемлемым измерение норма
ной скорости пламени по методу бомбы постоянного дав.
ния.
2. Использование метода б,омбы постоянного объема?
же связано с рядом особенностей. Во-первых, справедливы замечания п
во-вторых, вследствие действия конвекции наблюдается искажение фро
пламени, и пламя неодновременно касается стенок бомбы, что сильно с
жает точность эксперимента [60].
3. Метод горелки, позволяющий наиболее точно определять я
мальную скорость пламени, оказывается громоздким и, главное, не Д
возможности варьировать параметры (например, давление) в широких п
делах.
46

4 Сосуд, в котором произошел распад ацетилена, заполнен сажей, т. е.
/ входим а полная разборка и чистка сосуда, а также электрических, и оп-
!е°еских узлов установки. Следовательно,, установка должна легко демон-
гИР°5В Метод определения нормальной скорости пламени в открытой
v б е свободен of большинства описанных выше недостатков, так как из-
яются параметры сформированного пламени (источник зажигания не
>ieLeT на процесс распространения пламени, а форма и величина поверх-
гти пламени""-определяются- непосредственно), Однако "его применение
буе? точного измерения величины поверхности пламени.
Г^6 Каждый из'рассмотренных методов определения нормальной скорости
меНИ ацетилена может быть успешно применен только в определенном
^иапазоне давлений и температур. В некоторых случаях недостатки, при-
* ~~\ ттл m-tf-LTTk* Х/ГЛТГк ТТОЛ/Г ИХГЫЛТФ ЛиУГХ» ТТГЧ^З/Л ПЛ TTQUU ~1тГк ППУОООиЛ \Л А Т"*тттт_
:ущие
отдельным методам, могут быть преодолены. Это показано М. А. Гли-
-нньШ на примере использования метода 'бомбы постоянного объема при
невысоких давлениях ацетилена [60].
Зависимость нормальной скорости
пламени от давления
рассмотрим подробнее результаты определения нормальной скорости,
полученные по методу открытой трубы [46, 47], и проведем сопоставление
с данными, определенными по другим методам.
К осциллографу
Рис. 21. Схема экспериментальной установки для измерения
нормальной скорости распространения пламени по методу
открытой трубы:
i*~ ресивер; 2 — электроды зажигания; 3 —экспериментальный сосуд;
4 — мембрана'; 5 — дифференциальный манометр; 6 — манометр; 7 — вакуум -
метр; 8 - фоторегистрирующий прибор; 9 — ионизационные датчики.
рис. 21 показана принципиальная схема установки для измерения
^ьной скорости пламени по методу открытой трубы. Эксперименталь-
£«и сосуд 3 (стальная труба диаметром 50 мм, длиной 750 мм) и ресивер 1
l а^°том емкостью 120 л разделены тонкой полимерной пленкой (мембра-
| vi позволяющей проводить откачку и наполнение ацетиленом экспери-
Гнтального сосуда и ресивера азотом. Перед зажиганием, которое прово-
47

дили нагреванием спирали из нихромовой проволоки, размещенной в центра
сосуда на расстоянии 50 мм от пленки, мембрана выплавлялась при помощи
металлической проволоки, свернутой в кольцо и подклеенной к мембране со
стороны ресивера.
Таким образом создавался открытый торец трубы для свободного
истечения продуктов горения в ресивер. Повышение давления в системе во время
Рис. 22. Фоторегистрация движения пламени в ацетилене
при горизонтальном (а) и вертикальном (б) расположении
трубы (р = 2,5 ат).
распространения пламени по трубе не превышало 0,05—0,1 ат вследствие
большой разницы в объемах экспериментального сосуда (1,45 л) и
ресивера (120 л). Необходимые для проведения опыта начальные давления
ацетилена и азота устанавливались по манометру 6 и выравнивались по
показанию дифференциального манометра 5.
При расчете величины UB по формуле (стр. 22)
48

35
для данного давления экспериментально определяли видимую скорость
пламени Uв и величину поверхности пламени F.
Распространение пламени фотографировалось через щель (2 X 250 мм)
в трубе фоторегистром ФР-11 конструкции ИХФ АН СССР с непрерывной
разверткой по времени. Скорость развертки (скорость пленки); изменялась
ступенчато в широком интервале: от 0,001 до 10 м/сек. Дискретные значения
скорости вращения выдерживались с точностью 3% в одну сторону от
номинала. Оптическая система
представляла сдвоенный
объектив из фотообъективов «Юпи-
тер-9» со светосилой 1/2.
В опытах (рис. 22),
которые проводили при движении
пламени в горизонтальном и
вертикальном (снизу вверх)
направлениях, измеряли
поверхность и видимую скорость
пламени. При этом скорость
пламени для заданного давления
сохранялась постоянной (угол
наклона на фоторазвертке не
менялся). Из постоянства
видимой скорости при p-const
следует постоянство
величины поверхности пламени, что
дополнительно подтверждено
прямыми измерениями при
помощи ионизационных
датчиков.
На рис. 23 приведена
зависимость видимой скорости рас-
30
25
204
1
/
2i
/
А
V
/'
5
А
У
и
У
у
ь
2,0 2,5 3,0 3,5 Ь,0 4,5
Давление, am
5,0 5,5
Рис. 23. Зависимость видимой скорости
распространения пламени от давления
ацетилена:
/ — распространение снизу вверх; 2 —
распространение в горизонтальном направлении.
пространения пламени от
начального давления ацетилена
(2,5—5,0 ат). Скорость пламени
росла с увеличением давления. Для одинаковых давлений видимая
скорость пламени при движении снизу вверх в исследованном интервале
давлений меньше, чем скорость пламени при движении в горизонтальном
направлении.
5 3 3
Рис. 24. Схема размещения ионизационных датчиков:
1 —экспериментальный сосуд; 2— фланец сдатчиками; 3 —
ионизационные датчики; 4-массовый электрод; 5 — выводы к осциллографу.
Для определения формы пламени применяли ионизационные датчики *,
расположенные на противоположном от места зажигания торце трубы.
Схемы их размещения показаны на рис. 24. В качестве датчиков использо-
* См. Б. А. Иванов, Диссертация, ИХФ АН СССР, 1964.
4 Зак. 100
49

вали тонкие (d—\,0 мм) сточенные на конус металлические стержни,
рядом с концами которых проходила проволочка (d=0,5 мм), служащая
массовым электродом. Минимальный размер ионизационного промежутка
составлял 0,5 мм, а расстояние между датчиками — 10 мм. На каждый датчик
от независимых источников питания подводили постоянное напряжение
160 в. Изменение сопротивления ионизационного промежутка в момент
прохождения через него пламени регистрировалось осциллографом Н-102; на
фотопленке пики осциллограмм соответствуют «отбросам» луча от
положения равновесия.
Для определения формы поверхности пламени при движении в
горизонтальном направлении для каждого начального давления
экспериментально снимались осциллограммы с шести-семи датчиков, пять из которых
расположены в горизонтальном сечении и один-два в вертикальном. Это
осуществлялось изменением расположения датчиков по схеме / (рис. 24); на
Рис. 25. Осциллограммы записи ионизационных датчиков
(давление 4?5 ат, горизонтальная труба):
1—5 лучи от пяти датчиков, расположенных в средней по сечению
плоскости; 6 — луч контрольного датчика; 7 —луч от датчика меток
времени (горизонтальная труба).
расположение по. схеме // (см. рис. 24) и поворотом их на 90 или 180°.
Форму пламени для данного 'давления определяли из
нескольких-экспериментов. Необходимая^при этом воспроизводимость опытов подтверждалась
сохранением велотй*ь1^видимой скброети и показаниями, контрольных -{не
меняющих положения); датчиков.- Пример осциллограммы приведен на
рис. 25. -
По относительному положению во времени пиков осциллограмм
строились кривые сечения ловерхцости пламени вертикальными и
горизонтальными плоскостями, в которых располагались датчики (рис. 26, 27). По
этим сечениям-"; (.в/ натуральную величину) изготавливали модели формы
пламени и определяли площадь поверхности.
Поверхность пламени при распространении по трубе в
горизонтальном направлении имеет очень сложную форму
(см. рис. 26)-. При давлениях до 4,5 ат наблюдается
необычная вогнутая форма пламени. Величина поверхности
пламени уменьшается при увеличении начального давления. Зна*
50 -

чения F при давлении 2,5 ат в 3,86 раза больше площади
сечения трубы, а при р = 5,0 ат — в 2,58 раза (горизонтальная
труба) и соответственно в 3,2 и 2,54 раза больше при
движении пламени снизу вверх.
Ш
Рис. 26. Кривые сечения пламени
вертикальными и
горизонтальными плоскостями (движение
пламени в горизонтальном
направлении справа налево):
/-2,5' ат; //-3,0 ат; ///-3,5 ат;
/7-4,0 ат; V - 4,5 ат; VI-5,0 ат;
1—1 — вертикальное сечение; 2—2,
8-3 и т. д. — горизонтальные сечения.
Рис. 27. Кривые сечения
пламени вертикальными
плоскостями (движение пламени в
вертикальном направлении снизу
вверх):
/-2,5 ат; //-3,0 ат; ///-3,5 ат
/7-4,0 ат; 7-4,5 ат; VI -5,0 ат;
1—1, 2—2 - вертикальные сечения.
На рис. 28 приведена зависимость нормальной скорости
пламени ацетилена от давления, полученная по
экспериментально измеренным UB и F. Абсолютные значения
£/н,,определенные при горизонтальном распространении и движении
пламени снизу вверх, хорошо совпадают. Нормальная
скорость пламени увеличивается с ростом давления.
В интервале давлений 2,5—5,0 ат нормальная скорость
пламени ацетилена изменялась по линейному закону, причем
4* 51

IB
12
Ю
/
>
/
A
л
/
у
угол наклона прямой близок к 45°, т. е. £/h~Pq (где п=0.
Допустим, что закономерности тепловой теории пламени
(стр. 24) применимы к процессу распада ацетилена, тогда
полученной зависимости должен соответствовать четвертый
порядок реакции (v = 2л + 2), это указывает на сложность
реакции и невозможность ее протекания только в газовой
фазе. Полученный результат
можно объяснить спецификой
пламени ацетилена, т. е.
образованием в продуктах распада наряду
с водородом твердой фазы
(углеродных частиц) и активным
участием ее в реакции, что
отмечали в своих работах Теснер,
Вестбрук [62, 73] и др.
Многими авторами проведены
эксперименты по измерению
нормальной скорости пламени
ацетилена и определению
зависимости ее от давления [63—66]. Це-
Рис. 28. Нормальная скорость лесообразно сопоставить
результаты этих исследований, которые
выполнялись независимо и
примерно в одно и то же время.
Каммингс и др. [64] определяли
UH в стеклянных вертикальных трубках, открытых одним
концом в ресивер с азотом, при зажигании ацетилена внизу
у открытого конца. При определении скорости движения
пламени, а также величины поверхности пользовались
киносъемкой. Ниже приведены значения нормальной скорости
пламени ацетилена в зависимости от давления, определенные Кам-
мингсом и др.:
Давление, ат 2,02
Диаметр трубы, мм 21,2
и* см/сек 14,7
иЯ9 см/сек 2,8
Данные М. А. Гликина и др. [65, 66], полученные в
сферической бомбе диаметром 130 мм при давлении ацетилена
5—44,0 ат (табл. 6 и 7), по абсолютным величинам больше
данных Каммингса и др., но меньше, чем показанные на
рис. 28.
Из данных табл. 7 ясно, что Ua растет как с увеличением
давления при постоянной температуре, так и с увеличением
температуры при постоянном давлении. Особенно сильное
влияние на величину нормальной скорости пламени
оказывает начальная темпера1ура газа.
2.0 2,5 3,0 3,5 4.0 4.5 5.0
Давление, ат
распространения пламени в
ацетилене: О — движение снизу
вверх; О — движение в
горизонтальном направлении.
4,06
10,4
15,8
5,6
6,10
6,7
16,2
6,5
8,14
5,5
15,9
7,9
10,2
3,6
17,1
8,5
52

Таблица 6
Нормальная скорость горения ацетилена
при различных давлениях и температурах
(расчет по осциллограмме p — t при начальном давлении 7,5 ат)
—-
р, ат
8,0
9,0
10,0
12,0
15,0
17,0
т, °к
296
302
307
316
328
334
Uu, см/сек
н
11
11,3
11,9
13,0
14,1
16,6
р, ат
20,3
21,8
25,0
29,0
35,0
44,0
т, °к
344
348
358
364
375
389
UH, см/сек
30,1
35,9
41,4
48,7
55,1
58,4
Таблица 7
Зависимость нормальной скорости горения ацетилена
от давления и температуры
р, ат
5
6
7
8
9
10
12
t/H, см/сек
310° К
10,2
10,4
10,8
11,3
11,7
12,5
—•
340° К
_
11,0
11,5
12,4
13,2
14,1
16,3
360° К
_
11,6
12,3
13,4
14,6
16,0
18,8
390° К
12,4
13,1
14,2
16,0
17,0
20,8
Р, ат
14
16
18
20.
24
26
UH, см/сек
310° К
—
—
—
—
—
340° К
18,6
21,2
24,0
26,6
32,8
35,6
360° К
22,0
25,4
29,2
33,0
41,0
45,3
390° К
25,0
30,0
35,0
40,2
—
—
Впервые удалось измерить величину нормальной скорости
пламени ацетилена методом горелки [63]. Узкий интерзал
исследованных давлений (2,5—3,1 ат) не позволяет сделать
принципиальных выводов, однако представляют интерес
абсолютные величины 0И.
Ниже приведены средние значения нормальной скорости
пламени ацетилена при одинаковых условиях (яркостная
температура пламени 1493°К):
р, ат 2,5 2,8 3,1
Unt см/сек 7,85 9,7 7,5
Низкие значения величины нормальной скорости пламени,
полученные Каммингсом [64], объясняются, вероятно, тем,
что в опытах использовали трубки недостаточно большого
диаметра, вследствие чего наблюдался неполный распад
ацетилена *, т. е. происходило неполное тепловыделение.
* В продуктах распада ацетилена при давлении 2,02 ат водород
составлял 60,1%, при 4,06 ат — 80,1% и при 10 ат — 93% газовой фазы.
53

Известно также [11, 14], что измерения величины Ij(
мальной скорости пламени должны проводиться в условц
когда влияние стенок сосуда и соответствующих теплопотг
на ее значение мало. Это достигается при числах I7ei
(Pe — dUu/к) больше 200. Однако в опытах, описанных в »
боте [64], например при давлении 2,02 ат, число Ре=120, т
меньше необходимого. Следовательно, результаты опред^
ния величины нормальной скорости пламени авторами д
ной работы сильно занижены.
В аналогичных опытах, проведенных с эксперимента
ной трубой большего диаметра [47, 61], наблюдался бо;
полный распад ацетилена, что видно из приведенного ни
состава продуктов распада ацетилена (по данным масс-сп<
трометрического анализа):
р, ат 2,0 2,5 4,0 5,0
Состав продуктов распада
ацетилена, объемы. %
Н2 77,3 88,4 94,0 96,7
СН4 10,5 7,3 4,8 2,5
С2Н2 12,2 4,3 1,2 0,8
Подтверждением высказанному здесь предположению
причинах сильного занижения величины нормальной скор,
сти пламени в трубах малого размера служит следующц
опыт [61]. Труба диаметром 50 мм заменялась стеклянш
трубкой диаметром 9 мм. Для начального давления ацет;
лена 2,2 ат были получены следующие значения видимой
нормальной скорости: £/в = 8,7 см/сек, £/н=2,2 см/сек. Фор}!
Таблица
Порядок реакции распада ацетилена
при различных давлениях и температурах [66]
Диапазон
давлений
ат
6-10
6-10
6-10
6-10
6-26
6-26
6-20
2,6-8,5*
6-8,5*
2,5-5*
* По данным
•* По данным
т, °к
310
340
360
390
310
340
390
193
293
293
работы [64].
работы [61].
vs
2,8
3,0
3,0
3,0
3,5
3,5
3,5
3,0
3,4
4,0
Метод определения
Бомба постоянного объема
То же
»
»
Бомба постоянного давлен:
(d-3-20 мм)
То же
»
(d = 50 мм)

а^ определяли по моментальной фотографии пламени.
а проДУктах распада обнаружено только 58% водорода вме-
82% ПРИ том же давлении в трубе диаметром 50 мм.
с<\ ученное в этом опыте значение £/н, равное 2,2 см/сек,
иМеРн0 в ^ Раза меньше, чем в трубе диаметром 50 мм, но
ПР оШО совпадает е определенным в работе [64] (£/н=
1 2,8 см/сек, d = 21,2 мм, ро = 2,02 ат).
* Несмотря на некоторые расхождения в величинах Un и
зависимостях UH от р по данным различных авторов, абсо-
3ютНая величина Un ацетилена крайне низка и сравнима
Л0аько со скоростями горения предельных по составу топ-'
пиво-воздушных смесей. Например, смеси метана с воздухом
прй атмосферном давлении характеризуются величиной Uu,
равной 6—8 см/сек [31], хотя количество выделяемого тепла
jjpji реакции составляет 10 ккал/моль-—примерно в 5 раз
меньше, чем при распаде ацетилена.
Для оценки порядка реакции распада ацетилена
М. А- Гликин [66] обработал и систематизировал
экспериментальные зависимости Un от р [61, 64] (табл. 8).
Полученные значения порядка реакции 2,8—4 не ,могут
быть объяснены тепловой теорией горения и указывают на
сложность механизма реакций, протекающих в пламени
распада ацетилена (стр. 24).
Влияние начальной температуры
В литературе описано влияние начальной температуры
на величину нормальной скорости горения ацетилена' [63,
66, 67]. Авторы работы [67] измеряли видимую скорость
пламени при давлениях 1,13—2,16 ат. Проведенные расчеты
показали, что в условиях их опытов величину ия можно
принять равной 0,6—0,8 от UB. Ниже приведена зависимость
нормальной скорости пламени ацетилена от температуры и
давления (при d = 26,5 мм):
Р> ат 1,37 1,78 1,91 2Д>4 1,51 1,78 2,05 2Д6
Скорость, см/сек .-■-,'
видимая. ..... 12,4 16,7 17,0 20,0 10,0 12,3 14,5 16,4
нормальная .... 8,7 11,7 12,5 14,0 7,6 S,4 Sf,8 11,9
Влияние температуры, давления и диаметра трубы на
величину нормальной: скорости пламени видно из . следую-;
^ данных: . . '
d = 12$MM d = 46 Мм
го> °С 235 280 280 410 410 165 165 255 255 355 355.
Ьат ..... 1,92 1,63 1,92 1,63 1,92 1,64 1,84 1,64 1,84 1,64 1,84
Скорость, см/сек
видимая. .98 10 И 14,5 22,5 27,5 27,5 28 25 29,5
нормальная 6,3 5,6 7 7J 10,2 15,7 19,3 16,1 19,6 17,5 20,7 '
55

Из этих данных и табл. 7 ясно< что с повышением
начальной температуры нормальная скорость пламени
увеличивается.
Влияние начальной температуры на величину нормальной
скорости пламени в более широких пределах изменения тем-
пературы описано в работе [63]. Однако авторами этой
работы приведена зависимость нормальной скорости пламени
от величины яркостной температуры горения. Тем не менее,
учитывая замечания авторов о рабочих режимах установки,
где Го могла меняться от —87 до +235° С, а также
известное соотношение между Гг и Го, эти данные, безусловно,
являются показательными. Некоторые из них приведены
ниже:
Тг, °К 1493 1519 1613 1633 1693
р, ат 2,5 2,5 2,5 2,8 2,8
Uat см/сек 7,85 9,6 13,9 14,5 16,8
Используя данные, приведенные в работах [63, 66, 67] для
оценки зависимости Uu от Го при постоянном давлении,
можно предложить следующую эмпирическую формулу:
Т \2,б
Таким образом, скорость распада ацетилена в пламени
значительно зависит от начальной температуры. Причем, на-'
сколько можно судить по приведенным результатам, эта
зависимость более сильная, чем у топливо-кислородных или
топливо-воздушных смесей (см. гл. I).
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В АЦЕТИЛЕНЕ
В зависимости от параметров состояния ацетилена
(начального давления, температуры), аппаратурных условий
(диаметра и длины трубопроводов, направления
распространения), а также вида источника инициирования и других
факторов наблюдаются различные скорости распространения
пламени в ацетилене (от нескольких см/сек до нескольких
сотен м/сек).
В общем случае скорость пламени определяется
величиной нормальной скорости горения, скоростью движения
исходной смеси перед пламенем и величиной поверхности
пламени. При больших скоростях распространения основное
влияние на величину видимой скорости оказывает степень
турбулизации потока и пламени, а также увеличение
начальных параметров исходной смеси (давление и
температура); при малых скоростях UB определяется величиной Г/а.
56

Влияние давления и температуры
ю
Многочисленные эксперименты показывают, что скорость
распространения пламени в ацетилене растет с увеличением
начального давления и температуры (см. рис. 23, стр. 52, 55,
а также табл. 6 и 7). На рис. 29 приведены кривые
зависимости средней скорости распространения пламени от
давления в трубах различной длины и диаметра. Характер
полученных зависимостей указывает.на непрерывный рост скорости
с увеличением длины трубы,
следовательно, пламя
движется с ускорением.
Влияние давления на
скорость распространения
пламени вблизи источника
зажигания можно видеть из
приведенных фоторегистраций
движения пламени (рис. 30). При
давлении 1,7 ат происходило
быстрое и непрерывное
ускорение пламени, при 1,1 ат
наблюдалось вначале замедленное
движение, а затем
незначительное ускорение пламени.
В экспериментах, проводи:
мых [49, 50] при давлениях
1,0—1,5 ат в трубах длиной до
100 м (d = 200 мм и 360 мм),
средняя скорость пламени
достигала нескольких сотен метров
ния, как правило
1
у
К/
2
1
//
/
—
0.7 0.9
1,1 1.3 1,5
Давление, am
Рис. 29. Средние скорости
распространения пламени в трубах
различного диаметра и длины:
7 - d = 160 мм, I = 1030 мм; 2 - d «* 160 мм,
I« 850 мм, 3 - d = 160 лш, / = 480 мм;
4-d=lQQ мм, / = 250 мм.
в секунду и процесс горе-
завершался детонацией ацетилена. При
этом отмечалось, что незначительное изменение давления (на
0,2 ат) в трубе диаметром 200 мм и длиной 20 м приводило к
резкому изменению характера разложения ацетилена: при
р= 1,5 ат горение переходило в детонацию, а при /?= 1,3 ат
наблюдалось «вялое» горение ацетилена со скоростями в
несколько метров в секунду. Однако в трубе диаметром 200 мм
при давлениях 1,3—1,4 ат режим детонации, очевидно,
возможен в трубах большей длины или при более мощных
источниках зажигания.
Зависимость от размеров сосуда
При невысоких начальных давлениях (0,7—1,1 ат) в
трубах длиной до 10 ж и диаметром 80—160 мм наблюдалось
Движение пламени без ускорения с примерно постоянными
скоростями 10—30 м/сек [47].
67

Реппе [33] использовал в опытах трубы длиной 30 м ди
метром 100, 200, 300 и 400 мм. Зажигание ацетилена ц '
водили переплавлением платиновой проволочки, размер
ной у одного из концов трубы. Горение ацетдлена при д,
лениях 1,4—1,6 ат переходило в детонацию.
Скорости пламени в несколько сотен метров в секунд
переход, горения в детонацию примерно на первой, щ
Рис. 30. Фоторегистрация движения пламени по трубе
диаметром 160 мм:
а ~.р = 1 j ит, £/в«=» 4,2 м/сек; б — р*=\,\ ат, f7B = 1,2 м/сек>
длдны трубы зарегистрированы, в трубе длиной. 100 м и Д1
метрдм 380 ,цм при начальных давлениях 1,05— 1,4 ат [49,1
Горение;,ацетилена в„трубе диаметррм 200мм и.длиной 2
сопровождалось i колебаниями пламени, причем пламя р
пространялось с резко переменной скоростью. При даш^
1,4 ат скорость пламени менялась от 18 до 100 м/сек,- а г
давлении 1,3 ат — от.0,3 до 3,8 м/сек [50].
Таким образом, увеличение размера сосуда при дав
ниях ацетилена выше атмосферного приводит (при опре
ленных значениях диаметра и длины сосуда) к перехс
медленного горения со скоростями, в несколько м/сек в ,
жим детонационного распада со скоростями ~2000 м/с
58

Влияние источника зажигания
ВиД источника зажигания и его энергия влияют на ве-
иину скорости пламени, особенно на начальных участках.
Экспериментах [39, 50] показано, что если зажигание аце-
" Эрна проводится от достаточно мощного источника, то
Ценное горение ацетилена переходит в детонационное (на
'.ротком участке трубопровода). В трубах длиной 20 ж и
аметром 300 мм детонационные режимы распада
возникли ПРИ Давлениях 0»98—1,5 ат, если источником зажиганий
л Мялись продукты распада ацетилена [39]. Для этого часть
1 убы, отделенную мембраной, заполняли ацетиленом с бо-
ГД высоким давлением, чем в основной трубе. Сгорание аце-
-илена в отсеке приводило к разрыву мембраны, и Ацетилен
Ожигался вытекающими продуктами реакции.
Аналогичные явления отмечали С. М. Когарко и др. [50].
) опытах вместо сплошной мембраны использовали мем-
!рану с отверстием, т. е. зажигание проводилось струей
проектов распада ацетилена. Такое так называемое форкамер-
;ое зажигание приводило к быстрому ускорению пламени, и
а длинах 7—15 м при общей длине 20 м наблюдался пере-
од горения в детонацию. Использование обычного
неточна инициирования, например искры, в условиях данных
пытов при давлениях 1—1,3 ат сопровождалось относитель-
о медленным разложением ацетилена без перехода горения
детонацию.
Влияние направления распространения.
Форма пламени при горении в трубах
Известно [8, 14, 31], что скорость пламени при вертикаль-
?м распространении снизу вверх больше, чем скорость
Шени в аналогичных условиях при горизонтальном рас-
устранений. Это объясняется действием конвективных
}токов, возникающих как в продуктах реакции, так и в ис-
*Дной смеси.
Некоторые авторы [61] наблюдали противоположное яв-
!Ние (см. рис. 26): при одинаковых давлениях и диаметрах
Убы скорость движения пламени снизу вверх меньше, чем
ярость движения в горизонтальном направлении. Можно
;'еДположить, что это необычное экспериментальное явление
выловлено более сильным влиянием конвекции на форму
'аМени при движении в горизонтальном направлении, чем
8ертикальном. Как видно из рис. 26, 27, в горизонтальной
^е Длина пламени при давлении 2,5 ат составляла при-
Р*10 3,5 диаметра трубы и пламя имело соответственно
59

большую площадь поверхности, чем в вертикальной трубе
при том же давлении (/ « 2d).
Обращает на себя внимание (см. рис. 26) весьма слож.
ная и необычная форма пламени ацетилена при распростра*
нении в горизонтальной трубе. Пламя, за исключением своей
верхней части, при давлении ниже 4,5 ат вогнутое, а не
выпуклое, как обычно наблюдаем у двухкомпонентных сме-
сей. По мере увеличения давления вогнутость уменьшалась
и пламя принимало выпуклую форму. При этом передняя
«поджигающая» точка пламени оказывалась высоко над
осью трубы, а «хвост» пламени имел тенденцию выйти впе-
ред. Может быть дано следующее объяснение столь необыч-
ной для пламени стационар,
ной вогнутой формы [61].
Принятая в опытах
методика измерения (см. рис. 21)
ш _ ^r^imT^rrrr^r^r7 исключала возможность обра-
Г77777&7?7777Г/Г?777777Я77777777Г* 3ОВаНИЯ КакИХ-ЛИбо ПОТОКОВ
газа в исходном ацетилене, на-
Ри:. 31. Распространение выпук- правленных ВДОЛЬ ОСИ трубы
лого (/) и вогнутого (//) пламен и с ними не может быть свя.'
%^Г££^и"1^£ зана наблюдавшаяся форма
потоков тепла в исходную смесь), пламени. Известно, что для
распространения сферического
пламени имеются более благоприятные условия при движении
с уменьшением поверхности, т. е. к центру, и, наоборот,
распространение сферического пламени от центра, особенно на
начальном участке и малых радиусах пламени, сильно
затруднено [68]. Можно считать, что распространение пламени
вогнутостью вперед более благоприятно для передачи
необходимого тепла и активных частиц из зоны пламени в
исходную смесь (рис. 31). В этом случае, если рассматривать
устойчивость не сферического, а какого-либо реального
вогнутого пламени, распространяющегося в трубе по
покоящемуся газу и имеющего контакты со стенкой, то в исходном
газе возникают области с неодинаковым нагревом и
различной концентрацией активных частиц (А и Б, рис. 31,//)
Появляется возможность, например, более быстрого
распространения пламени по области А. Этот процесс закончится
перестройкой вогнутой формы пламени на выпуклую
(рис. 31, /), устойчивость которой очевидна; вогнутое пламя
поэтому следует считать неустойчивым. Кроме того, очевидны
трудности «стыкования» пламени со стенкой в случае
вогнутого пламени. Однако если к поверхности вогнутого
пламени исходная смесь поступает в таком количестве, которое
пламя способно сжечь, то вогнутое пламя будет
устойчивым.
ео

Вогнутое пламя в ацетилене наблюдается, по-видимому,
вследствие сильных конвективных потоков вблизи
поверхности пламени. Конвективные потоки легче развиваются по
среднему сечению трубы, так как конвекция на периферии
затруднена стенками. Этим объясняется устойчивость
вогнутого пламени, сильная приподнятость всего среднего
продольного сечения пламени, а также появление вогнутости в
пламени вначале по среднему сечению трубы.
Характерна динамика образования вогнутости. При
начальном давлении ацетилена 2,5 ат пламя после зажигания
имело выпуклую, почти сферическую форму. По мере
развития поверхности и приближения к стенкам трубы пламя
Рис. 32. Фоторегистрация движения пламени при давлении
4,25 ат (горизонтальная труба диаметром 50 мм).
вытягивалось и принимало форму, близкую к эллипсоиду.
Довольно быстро, уже на начальном участке (длина которого
равна 2—3 диаметрам трубы), в нижней части среднего
(вертикального) сечения пламени появлялась вогнутость,
которая увеличивалась и одновременно распространялась
вверх по среднему сечению. После распространения пламени
на длину, равную 5—7 диаметрам трубы, форма пламени
становилась стационарной.
Постепенное формирование пламени вогнутой формы
происходило только при давлениях до 4 ат. При давлении 4,25 ат,
которое находится в интервале давлений, разграничивавших
распространение пламени либо только выпуклой, либо
вогнутой формы, смена выпуклой поверхности на вогнутую
произошла в результате несколько колебаний пламени (рис. 32).
Пламя распространялось с постоянными, хотя и разными
скоростями (скорость вогнутого пламени больше) как до, так и
после изменения формы.
61

ДЕТОНАЦИЯ АЦЕТИЛЕНА
Скорость детонации
Максимальное значение скорости детонационной волны
D в ацетилене, вычисленное Пенни [69] при давлении 8—
173 ат, составляет 2053 м/сек. Приближенный расчет D с
учетом только диссоциации водорода дает 2350 м/сек. Значения
скорости детонации, измеренные в трубах различной длины
и диаметра, показали постоянство этой величины независимо
от давления, длины и диаметра трубы.
В табл. 9 приведены результаты экспериментальных
измерений, выполненных различными авторами [26, 33, 39, 40,
50, 70].
Таблица 9
Скорость детонации ацетилена (в м/еек)
Диаметр
труб
мм
4
8
8
16
12,7
25,4
100
200
300
400
Начальное давление, ат
10
1970
1740
~~
1,05
_
—
—
2000
2000
—
15
2070
1980
1740
1540
1,4
_
—
2120
1950
2000
2000
20
1800
1940
1780
1500
1,7
—
1950
1870
—
—
25
1900
1900
1815
1450
2,4
_
—
1920
1970
—
—
30
1950
1850
8,0
1817
1870
—
—
—
—
Преддетонационные расстояния.
Влияние условий и источников поджигания
В зависимости от вида и величины энергии источника
зажигания детонационная волна в ацетилене возникает либо
в непосредственной близости от места инициирования, либо
на некотором расстоянии от него.
Если в качестве источника инициирования используют
навески ВВ, при взрыве которых возникают ударные волны
необходимой амплитуды и протяженности или заранее
сформированные ударные волны, то ацетилен детонирует
непосредственно вблизи от источника. При этом скорость распро-
62

странения зоны распада вблизи места инициирования может
быть выше скорости детонации ацетилена (1970 м/сек).
Например, при давлении 3 ат в трубе длиной 3 м^ диаметром
30 мм при инициировании капсюлем-детонатором. скорость
распространения процесса на расстоянии 0,5 м от источника
составляла 2400 м/сек, на расстоянии 1,8 м уменьшилась до
1600 м/сек. Более высокие скорости распространения
процесса, чем .скорость детонации ацетилена, связаны с тем, что
ацетилен разлагается в , - -
образовавшейся ОТ ИСТОЧ- Таблица 10
НИКа инициирования бо- Скорость пламени на различных рас-
лее МОЩНОЙ ударной ВОЛ- стояниях от источника инициирования
JM ^ в зависимости от давления
не по сравнению с удар- . {dz=4 MMj /==400 мм)
ной волной при
стационарной . детонации
ацетилена.
Если тачальные
параметры системы d, p, T
таковы, что детонация
возможна, то
«пересжатая» детонационная
волна становится
стационарной и распространяется
по системе с постоянном скоростью около 1950 м/сек. При
определенных критических значениях давления или диаметра
трубы, независимо от вида и величины источника
инициирования, невозможно получить стационарную детонацию —
реакция распада ацетилена за ударной волной вырождается в
дефлаграционное горение или совсем гаснет.
Исследован также переход дефлаграционного горения в
детонацию при использовании «безударных» источников
зажигания [26, 50, 70]. В работе [70] описано измерение пред-
детонационных расстояний ацетилена при начальных
давлениях 8—25 ат. Инициирование проводили пережиганием
стальной проволочки длиной 10 мм, диаметром 0,1 мм у
Таблица И
Зависимость минимального давления
от. диаметра трубы при переходе горения в детонацию
8
9
11
15
Скорость пламени
при расстоянии от
, 0—20 см
205
170
140
—'
(в м/сек)
источника
20—40 см
330
570
1000
2000
d, мм
4
8
16
Минимальное давление (в ат) при расстоянии от источника
20—40 см
11
13-15
23
40—60 см
8,5
21-23
60—80 см
8
а,25
21
' 80—120 см
8
21
63

торца трубы. Скорость распространения зоны распада
ряли при помощи кольцевых ионизационных датчиков.
Основные результаты работы приведены в табл. 10 и Ц
На основании полученных данных авторы сделали вывод'
переход горения в детонацию происходит более легко в узких
каналах. Было отмечено, что при диаметре 4 мм и давление
7 ат пламя, пройдя 20—40 см, гасло, следовательно, эти
параметры близки к критическим условиям распространения
пламени.
Миллер и Пенни [26] определили преддетонационное
расстояние lD в трубке диаметром 2,5 см:
Р, ат 3,5 3,8 5,0
l 91 67 3
20,0
9
, , ,
9,1 6,7 3,7 0,9-1,0
Исследованы [49—51] скорости распространения пламени
и детонации в ацетилене при низких начальных давлениях
в трубопроводах большого диаметра и длины (d= 100—
360 мм, /=21—100 м).
^ S.6
Ч v
0,7
6,35
12,7
25А
50,8
101,6
203,2
304,8
0,305 0,61 1,221,83 3,05 6,1 12,218,3 30,5 61 122
преддетонационное расстояние, м
Рис. 33. Зависимость преддетонационного расстояния
от давления и диаметра трубы.
Скорость процесса определяли по фотографиям свечения
пламени на движущейся фотопленке (регистр с барабанной
разверткой). Инициирование проводили пережиганием
вольфрамовой нити диаметром 0,1 мм, длиной 20 мм или струей
продуктов распада ацетилена, вытекающих через отверстие
диаметром 30 мм в мембране, отделявшей торцовый участок
трубы длиной 0,3 м и объемом 2,4 л. Разложение ацетилена
в форкамере инициировалось первым способом.
Ниже приведены величины скорости детонации и пред-
детонационных расстояний в зависимости от начального
давления (d=100 мм, /=21 м):
Рь
D,
h>
ат . .
м/сек .
м . .
. 245
. 1920
11
2,6
—
9
3,0
—
8
3,4
1930
6,2
4,0
—
5,0
4,1
1960
4,4
4,5
2030
4,0
5,1
1970
3,7

Эксперименты, проведенные в аналогичных условиях, но
При использовании форкамерного зажигания, дали
следующие результаты:
р0, ат . . . 1,5 1,55 1,6 1,7 1,8 2,0 2,3
О,м/сек. . 2120 1970 1970 1950 1970 2030 1940
lD, м . . . 11 10,5 9,5 9 - 7,1 6,2
В трубе диаметром 360 мм и длиной 100 м при начальных
давлениях 1,0—1,57 ат и искровом зажигании переход горе-
нйЯ в детонацию происходил на расстоянии 32—40 м. Эти
данные также подтверждают, что детонация возникает на
более коротких расстояниях в трубах небольшого диаметра.
На основе обработки экспериментальных данных
установлена обобщенная зависимость преддетонационных расстояний
от давления ацетилена и диаметра трубопроводов, которая
показана на рис. 33 в виде области, заключенной между
минимально и максимально возможными значениями пред-
детонационного расстояния для заданных давлений
ацетилена и диаметров трубопроводов.
Нестационарный режим быстрого горения
В некоторых случаях при распространении пламени по
ацетилену на торцах трубопроводов регистрируются
давления, значительно превышающие величину давления в
отраженной волне для стационарной детонации [33, 38, 39, 50],
Рис. 34. Фоторегистрация режима быстрого нестационарного горения
(/ = 3 м, d = 30 мм, р = 3 ат).
Изложенные в работах [50, 71] результаты теоретических
и экспериментальных исследований показывают, что это
явление связано с так называемым режимом быстрого
нестационарного горения, механизм которого состоит в следующем.
5 Зак. 100 65

Перед непрерывно ускоряющимся пламенем распростру
няется ударная волна такой амплитуды, которая недоста!
точна для воспламенения газа во время его сжатия в пр0>
ходящей волне. При отражении волны от препятствия Р
непрореагировавшем газе дополнительно скачком повышает^
температура (примерно в 1,5—2,0 раза) и увеличивается
давление (в 2—2,5 раза). В условиях, возникающих за фрон^
том отраженной волны, газ может воспламеняться. При это\-
возможно возникновение детонации в ударносжатом газе \
торца трубы.
На рис. 34 показана фоторегистрация возникновения опи-
санного режима горения. Пламя двигалось со скоростью
около 1300 м/сек. В некоторый момент времени на торце
трубы произошло воспламенение, и образовавшаяся
детонационная волна (Z) = 2000 м/сек) распространяется навстречу
пламени. В данном опыте при начальном давлении 3,0 ai
крешерный прибор на торце трубы зарегистрировал
давление ~800 ат, т. е. повышение давления по сравнению с
начальным в ~270 раз. Еще более высокие давления,
превышающие начальное в 330—650 раз, зафиксированы в дру.
гих опытах [33, 50]. Из-за исключительно высоких давлений
режим нестационарного горения представляет
наибольшую опасность при распаде ацетилена в промышленных
условиях.
ЗОНА ПЛАМЕНИ
Температура пламени распада ацетилена.
Влияние давления
Вопрос о величине температуры пламени распада
(горения) ацетилена Тг до настоящего времени окончательно не
решен.
Из первых работ (Вертело, Алексеева) стало известно,
что при давлениях более 2 ат эта величина находится в
пределах 2800—3100° К. Дальнейшие исследования установили
более широкие границы температуры в зависимости от
условий, при которых происходил распад ацетилена.
В работе [64] методом сравнения определены значения
яркостной температуры 1620—2140° К при давлениях 2—10 at
Величины Гг, полученные расчетом по составу продуктов,
соответствовали для этих условий 2560—3360° К.
Оценки температуры пламени ацетилена по соотношению
конечного и начального давлений [см. уравнение (1,15)] при
разложении ацетилена в закрытых объемах [25, 26, 33, 37,
66] показали, что в интервале давлений 2—10 ат (см. рис. 39
и табл. 12) температура меняется в пределах 1500—3100° К.
66

Для выяснения причин расхождения результатов
роатуры пламени распада ацетилена при постоянном
Предположим следующую схему:
С2Н2 -> еСтв + аН2 + ЬС2Н2 + еСН4 + dC2H4 (IIf x)
ie б, а, Ь, с и d — соответственно число молей твердого углерода, газооб-
азного водорода и т. д. в холодных продуктах реакции.
Р Определим сначала верхнюю границу температуры в адиабатических
условиях. При этом допустим, что b=c=d=O, а=1, 8=2, и не будем учи-
ывать диссоциацию водорода. Используя равенство полных энтальпий
исходного вещества при начальной температуре Го=273,15° К и продуктов
распада при температуре Т?
"~ """ (П,2)
определим неизвестную температуру Гг.
рассчитанная величина Гг, равная 3156°К*, является максимально
возможной температурой распада ацетилена, а максимальный температурный
коэффициент при постоянном давлении (Тг/То} равен'11,560.
Предположим, что продукты распада — только водород и углерод, но
будем учитывать диссоциацию водорода (давление пара над твердым
углеродом при данных температурах незначительно). Определим равновесную
температуру пламени Гг в зависимости от давления для следующей схемы:
С2Н2 -> 2СТВ + хН2 + уН (II, 3)
Для решения имеем уравнение константы равновесия при диссоциации
водорода KP = f(T)
Рн
К^ Н2 = 2Н (11,4)
КР
Рн2
и уравнение Дальтона
Цр*-Р 015)
где pi — парциальные давления газообразных компонентов продуктов
реакции; р — общее давление.
Используя равенства
рн=р——-г и Ри^Р—J?-*- (П, 6)
и уравнение сохранения массы любого элемента в реакции
(mihcx = ("*/)прод (11,7)
получаем следующее*
$ (п>8)
^ + |«1 (П,9)
Результаты решения (методом графической интерполяции)]
уравнений (11,2), (II, 8) и (11,9) для давлений, равных 1, 10 и 100 ат,
представлены в табл. 12 и на рис. 35 (кривая 2).
* Все термодинамические параметры газов здесь и в дальнейшем взяты
из сб. «Термодинамические свойства индивидуальных веществ», т. 1, 2,
Изд. АН СССР, 1962.
5* 67

3300
Из приведенных данных видно, что адиабатическая температура пла,
мени ацетилена достаточно высока и увеличивается с ростом начального
давления (см. табл. 12 для Qn = 0).
Для давления 10 ат значения величины температура
пламени (3100°К), рассчитанной и оцененной по
повышению давления, почти совпадают
(следует иметь в виду разницу
температуры горения при р=^
= const и V=const).
При более низких начальных
давлениях расхождение
увеличивается. Например, при/? = Зат
Грас. = 2960° К, ГЭКсп. = 1650° К.
В реальных условиях распад
ацетилена происходит с теплопо-
терями в стенки сосуда, и,
кроме этого, в продуктах реакции,
помимо углерода и водорода,
обнаруживаются ацетилен, метан,
этилен и др. Попытка рассчитать
Гг с учетом образования
продуктов реакции (например,
метана и этилена) встречает ряд
трудностей ввиду отсутствия или
неопределенности механизма
реакций (например, метана и
этилена) встречает ряд трудностей ввиду отсутствия или
неопределенности механизма реакций и некоторых
термодинамических параметров.
r r Таблица 12
2В00
Ю 50 ЮО
ДаВление, am
Рис. 35. Зависимость
температуры пламени ацетилена от
давления и величины тепло-
потерь:
/ — без учета диссоциации водорода;
2, 3, 4, 5 — с учетом диссоциации
водорода при теплопотерях, равных
0, 5, 10 и 20% соответственно.
Р, CLT
1
10
100
Температура распада
от давления и
Qn,%
0
5
10
20
0
5
10
20
0
5
10
20
X
0,946
0,957
0,967
0,081
0,973
0,978
0,985
0,991
0,985
0,991
0,995
0,997
ацетилена в
теплопотерь
у
0,108
0,086
0,066
0,038
0,054
0,044
0,030
0,018
0,030
0,018
0,010
0,006
зависимости
(Qn)
хЛ-у
1,054
1,043
1,033
1,019
1,027
1.0J&2
,015
1,009
1,015
,009
1,005
1,003
гг.°к
2883 ±2
2815±5
2745 ±5
2610±19
3023 ±2
2930 ±5
2847 ±5
2650±10
3107±2
2993 ±5
2882 ±5
2665±10
63

расчет Тг только с учетом состава продуктов реакции
ацетилена при р = 2 ат (Н2 = 60%, С2Н2 == 30,8%, СН4 = 5,7%,
Г9Н4 = 3,6%) [64] дает для адиабатических условий 7Г=
^2530° К.
Расчет величины теплопотерь из пламени в процессе
разложения представляет еще более сложную задачу.
Отсутствует также возможность сравнения полученных при этом
значений Тт с рассчитанными, поскольку экспериментальные
измерения проводятся в существенно различных условиях.
Однако представляется возможным и целесообразным
сделать ряд оценок температуры пламени при низких
давлениях ацетилена, исходя из следующего. Можно заранее
задаться величинами теплопотерь, затем вычислить
температуру Тг и'сравнить найденные значения с
экспериментальными.
В табл. 12 приведены вычисленные 7Г (см. также рис. 35).
Величины теплопотерь Qn выбраны равными 5, 10 и 20%
от теплового эффекта реакции распада. Анализ полученных
значений Тт показывает, что при распаде ацетилена по
уравнению (11,3) и при Qn = 5 — 20% рассчитанные и оцененные
значения Тг удовлетворительно согласуются при давлениях
выше 6 ат. Для более низких давлений расхождение
результатов остается значительным.
Для согласования оцененных по косвенным методам и
рассчитанных значений температур пламени распада при
невысоких начальных давлениях ацетилена (р < 6 ат)
необходимо предположить наличие значительных теплопотерь из
пламени (Qn>30%), основной частью которых являются,
вероятно, теплопотери излучением из пламени (нагретые
сажевые частицы), а не за счет теплопроводности. Поэтому
наблюдаются низкие значения коэффициента расширения
(5—6) на начальном участке распространения пламени и
низкие отношения конечного и начального давления при
распаде ацетилена в бомбе постоянного объема. М. А. Гликин
экспериментально подтвердил наличие больших теплопотерь
излучением, наблюдая изменение величины энергии
зажигания ацетилена в сосудах, стенки которых имели различную
отражательную способность [60].
Продукты распада. Кинетика распада.
Сажеобразование в пламени
В продуктах распада ацетилена, помимо водорода и
углерода— основных продуктов разложения, обнаружены также
метан, этилен, бензол, твердые и жидкие полимеры
ацетилена и некоторые другие непредельные углеводороды. При
повышении начального давления полнота распада ацетилена
69

увеличивается. При р > 5 ат и достаточно больших размерах
экспериментальных сосудов полнота разложения ацетилена
^97%, т. е. ацетилен практически полностью разлагался
на водород и углерод.
В настоящее время наибольшее признание получила
следующая принципиальная схема образования углерода в
различных углеводородных пламенах [72, 73]:
С2Нб —► С2Н4 —>■ С2Н2 —> С
Ацетилен обнаруживается во всех коптящих пламенах в
зоне, непосредственно за которой следует образование
углеродных частиц.
Наблюдения показали [74], что при повышении
температуры ацетилено-гелиевой смеси от 700 до 800° С появляются
твердые частицы углерода, состав которых соответствовал
при 700° С содержанию 93,7% углерода и 6,3% водорода, что
примерно отвечает формуле (C8H6)n, а при 800° С — 95,6%
углерода и 4,2% водорода, что соответствует (CgH^n-
В пламени распада ацетилена развиваются более высокие
температуры, поэтому можно ожидать еще более глубокой
дегидрогенизации сажевых частиц. Кроме того, некоторые
авторы отмечают [75], что склонность ацетилена к сажеобра-
зованию при нагревании усиливается в присутствии
водорода.
Размеры сажевых частиц в пламени составляют от 10 до
2000 А. По мнению некоторых исследователей, частицы
размером свыше 50 А следует считать конгломератами более
мелких частиц.
Основая задача при объяснении механизма образования
углерода в пламени ацетилена заключается в определении
реакций, по которым могут создаваться структуры с
содержанием около 100 атомов углерода.
Портер [72] для объяснения превращения ацетилена в
углерод предлагает механизм, основанный на
одновременном протекании процессов полимеризации и
дегидрогенизации:
I
у —С
III
—С~ + С^С —> — С—С = С у —С-ѻї + Н2 (11,10)
111 ! ! I I
н н н Ш'Щ н н
и т. д.
В работах [72, 73, 76] указывается, что на процесс саже-
образования существенное влияние могут оказывать свобод-
норадикальные реакции.
Ниже приведены значения энергии активации,
необходимой для образования свободных радикалов по наиболее
70

вероятным реакциям:
н.+с2н2
1 с2н-+с2н2 —> с4н3-
С2Н • +С2Н2 —
с2н2+с2н2 -
—> Н2 +
—> С4Н
> [С4Н2].
-* с4н3<
С2Н-
•+н2
+н.
• +н.
Е «
Е *
Е^
Е*
- 5 ккал/моль
« 58 ккал/моль
J 26 ккал/моль
* 60 ккал/моль
По приведенному типу реакций, вероятно, может
происходить образование молекул со все возрастающим числом
атомов углерода, что приводит к появлению зародышей, а
затем частичек углерода.
Недостатком большинства схем, объясняющих
образование углерода в пламени, являются требования о достаточно
больших энергиях активации предполагаемых реакций.
Основное количество тепла при распаде ацетилена
выделяется в конце зоны пламени, т. е. при конденсации
углеродных атомов. Экзотермические реакции полимеризации,
которые ранее считались основными на начальной стадии
процесса разложения, оказываются слишком медленными для
объяснения пламенного и особенно детонационного распада
ацетилена. Кроме этого, при тщательном анализе
продуктов [72] зоны, предшествующей образованию углерода, не
обнаружено высших углеводородов.
Принципиально отличный механизм распада ацетилена
в пламени и роста частиц предложил и обосновал П. А. Тес-
нер [62]. По его предположению, реакция протекает в две
стадии: первая — образование зародышей сажевых частиц
(механизм точно не известен, вероятно, свободнорадикаль-
ный), вторая — рост сажевых частиц вследствие соударения
молекул ацетилена с поверхностью частицы. Последний
процесс протекает быстро с практически нулевой энергией
активации:
с н
(Ог)тв ~* (Ся+2)тв + Н2 Е « 0
Выделяющееся при реакции тепло дает возможность
образоваться новому количеству зародышей и т. д. Очень
скоро, когда израсходовано только около 10% исходного
ацетилена, реакция образования зародышей практически
прекращается, так как не может конкурировать с реакцией
распада ацетилена на поверхности частиц, и оставшееся
количество ацетилена распадается именно по этой гетерогенной
реакции. Теоретически рассчитанная скорость образования
зародышей углерода достигает 2 • 1018 мл~1 • сек~\ а скорость
роста частицы —2,09-10'2 [С] см/сек (С —концентрация
ацетилена).
На рис. 36 приведены кинетические кривые,
характеризующие процесс в зоне распада.
71

В настоящее время еще не установлена полная система
реакций, протекающих в пламени распада ацетилена. Однако
можно предположить, что наиболее вероятным будет сле.
дующий механизм:
(1а) С2Н2+С2Н2 —> С4Н3 • +Н • Е « 60 ккал
(1) Н-+С2Н2 —> Н2+С2Н- £«1,5-5 ккал
(2) С2Н • + С2Н2 -> [С4Н2] ■ +Н • Е < 26 ккал, ДЯ « -43 ккал
Реакция (1а)—зарождение цепи, (1) — продолжение и
(2) — разветвление.
V
ь
г-ш'
/
и
у
1
J
V)
ч
А
1 \
//
«*.
I
1
1
1
§
-200%
II
ох—
2 3
Время,
J/7
Рис 36. Кинетические кривые процесса образования
дисперсного углерода при самовоспламенении ацетилена:
/-скорость образования частиц; 2-суммарная поверхносп
частиц; 3 — степень разложения.
Затем могут следовать
(3) [С4Н2] • + С2Н2 —> СбН3 • + Н *
(4) [С4Н2]. +С2Н2 —> [С6Н2] • +Н2
(5) С2Н . +[С4Н2]. —> [С6Н2] • +Н.
или
(6) С2Н • +С2Н2 —> ~С = С~С = С- ЛЯ 36 ккал
Н Н Н
(7) С2Н • + С2Н2 —> -С = С-С - СН АЯ 36 ккал
Н Н
с последующим соединением радикалов и дегидрогенизацией.
Реакция протекает по схеме с разветвленной цепью, причем
одновременно увеличивается число атомов углерода в
реагирующих молекулах. „
Таким образом, первая стадия представляет собой
разветвленную цепную реакцию с передачей цепи через
радикалы Н и С2пНп. Возможность такого механизма
подтверждается опытами [77], в которых обнаружены углеводороды
72

ыо. в. 146 (Ci2H2)—800, и экспериментами [78], где в
начале зоны реакции сажеобразования найдены частицы типа
C2nHn (л = 2—12). Спад концентрации этих частиц одно-
временно сопровождался укрупнением сажевых частиц,
т# е. реакция образования зародышей углерода на определен-
нОм этапе не могла конкурировать с реакцией распада
ацетилена непосредственно на поверхности углеродных
частиц.
Процессы типа (3), (5) при ориентации концевых
связей —Се=СН, вероятно, не сильно эндотермичны (АН <
< 5 ккал) [74], поэтому можно надеяться, что вместе с
экзотермическими реакциями типа (2), (6), (7) и гетерогенной
реакцией распада ацетилена на поверхности углеродных
частиц этими реакциями смогут объяснить действительный
механизм распада ацетилена в пламени.
Измерения суммарной (эффективной) энергии активации
реакции распада ацетилена в ударных трубах и струевых
установках при температурах 500—3500° К дают величину Е,
равную 29—44 ккал/моль [63, 79—85].
Авторами работ [63] Е определена равной 21,6 ккал/моль
и предположен свободнорадикальный механизм реакции
разложения; порядок реакции 1,2±0,45 и 1,4±0,3. Если учесть,
что по П. А. Теснеру [62] реакция протекает в основном как
мономолекулярная, то полученный порядок реакции
подтверждает двустадийный механизм распада ацетилена в пламени:
свободнорадикальный при образовании зародышей и прямой
распад ацетилена на поверхности сажевых частиц.
Ионизация в пламени
Изучение ионизации пламени позволяет получить данные
о механизме реакций, протекающих в пламени, и самой
структуре зоны реакции. Наиболее распространена точка
зрения [14, 86, 87], что ионизация в пламени обязана
появлению иона СНО в результате реакций:
•СН. + О —► СНО+ + *-
—► СНО+ + О
Однако ряд исследователей [88, 89] считают, что наряду
с ионами СНО+ возможно появление иона СзН3+ и этот ион
является первичным С3Н3 +O -*СНО+ + С2Н2.
В связи с этим особый интерес представляют опыты [61]
по измерению ионизадионного тока в пламени распада
чистого (без кислорода) ацетилена.
На рис. 37 показана схема устройства ионизационного
датчика (см. также рис. 28).
73

Датчик помещали на закрытом торце трубы диаметром
50 мм, длиной 750 мм и выдвигали навстречу
распространяющемуся от открытого конца трубы пламени на
расстояние 100 мм от торца. Датчик располагали в трубе так, чтобы
Рис. 37. Схема устройства ионизационного датчика-
зонда:
/ — электрод, диаметром 0,3 мм; 2 — кварцевый капилляр;
3 — изолятор; 4 —корпус датчика.
Рис. 38. Осциллограммы ионизационного тока при различной
чувствительности осциллографов (р = 2#5 ат).
а - 90 ма/мм; б - 30 ма/мм.
на него набегал участок практически плоского пламени.
Изменение ионизационного тока во времени определяли с
помощью непрерывной фоторегистрации отклонения луча на
экране катодного осциллографа.
74

На рис. 38 приведены типичные осциллограммы
изменения ионизационного тока во времени (по ширине зоны
распада). В зоне реакции наблюдаются два максимума и
уменьшение величины ионизационного тока. Для
объяснения столь необычной формы изменения ионизационного тока
по ширине зоны реакции (в топливо-кислородных смесях
имеется только один максимум и затем уменьшение тока до
нуля) можно предположить, что первое нарастание величины
ионизационного тока связано с протеканием газовой реакции
и соответствующей ей химической ионизацией, а второе — с
появлением и ростом сажевых частиц и соответствующим
изменением электропроводности среды.
Вероятно, что первый максимум обязан появлению ионов
СзН3+ по реакции С2Н2 + ;СН* -> С3Н3 + е~. Поскольку в
пламенах углеводородов обнаружены [88, 89] ионы С3Нз" и
радикалы СН, то этот механизм легко объясняет вид
полученной записи. Ионы С3Н3" существуют только в начале зоны
реакции, а затем распадаются. С этим связан «провал» в
величине ионизационного тока. Появление ионов С3Нз" в начале
зоны реакции весьма вероятно, так как для их образования
требуется небольшая энергия— ~11,7 эв [88].
Имеется и другая точка зрения [90], по которой в
качестве «наиболее вероятного источника ионов в пламени»
предполагаются полимеризованные частицы углерода,
потенциал ионизации которых для частиц определенных размеров
может быть достаточно низким (<4 эв). Это объяснение
можно привлечь для обоснования существования второго
максимума.
Следует отметить, что приведенных качественных
результатов измерения ионизационного тока недостаточно для
окончательных выводов о механизме ионизации в пламени
ацетилена.
Ширина зоны пламени
Физическая ширина зоны пламени бф для
топливо-воздушных смесей при атмосферном давлении составляет
несколько десятых, а для топливо-кислородных — несколько
сотых долей мм [8, 14].
Ориентировочную оценку бф ацетилена можно получить
из следующего соотношения [8]:
бф ~ m-g-
где й — средний коэффициент температуропроводности по ширине зоны
пламени й = Я/сРр.
При 7 = 273° К и р=\ ат А, = 0,0158 ккалЦльч град), ср=0,389 ккал1(кг-
град)г р= 11,864 • 10"4 г/см3, х = 0,095 см21сек. Учитывая, что основным
75

газообразным продуктом распада ацетилена является водород (хзоо-0,14), и
что при температурах горения и увеличивается в 1,5—2 раза, средняя
величина к в зоне реакции составляет около 18,7 • 10"2 см2/сек.
Используя зависимость к~р~1 и данные по измерению £/н
в зависимости от давления, находим, что при р = 1,0 — 5,0 ат
6ф « 6 ■*• 1,2 мм
Оценки бф по величине энергии инициирования и записям
ионизационного тока в пламени [61] дают в интервале
давлений 2,5—5 ат величины 10—4 мм.
Таким образом, зона реакции в ацетилене достаточно
протяженна и примерно на порядок больше, чем у обычных
топливо-воздушных смесей при одинаковых давлениях.
Большая величина зоны пламени объясняет наличие у
ацетилена ряда аномальных (по сравнению с обычными
двухкомпонентными горючими смесями) параметров,
например большие энергии зажигания, большие гасящие диаметры
труб и т. д.
РАСПАД АЦЕТИЛЕНА В ЗАКРЫТЫХ ОБЪЕМАХ
Горение ацетилена в закрытых объемах сопровождается
изменением его начальных параметров. Только при
детонации газ сохраняет измененными свои параметры до момента
прихода детонационной волны. При любом режиме горения/
кроме детонационного, давление и температура ацетилена
повышаются. В зависимости от начального давления, вида
источника зажигания, объема и формы сосуда распад
ацетилена происходит в существенно различных режимах.
В сосудах, у которых длина и диаметр примерно равны,
распад обычно осуществляется в виде дефлаграционного
горения. При давлениях выше атмосферного и достаточно
больших длинах труб горение ацетилена, как правило, переходит
в детонацию. Режим быстрого нестационарного горения
ацетилена можно рассматривать как промежуточный между де-
флаграцией и детонацией.
Давление при дефлаграционном горении
При относительно медленном горении давление,
развивающееся в конце сгорания, рассчитывается по уравнению
состояния газа (1,15).
В адиабатических условиях при начальных давлениях
1—10 ат Гг = 2880—3020° К, a vr= 1,054—1,027 (табл. 16), т. е.
при горении повышение давления составляет 11,1—11,35, а
максимально возможное рк/ро — 11,56,
76

Таблица 13
Параметры распада ацетилена
р, ат
Ро
2,4
2,5
3,0
Рк
23
24
28,5
Рк
Ро
9,65
9,5
9,6
Время
нарастания
давления
мсек
180
112
р
Ро
5,0
7,5
10,0
, ат
Рк
53,5
85
120
Рк
Ро
10,7
11,3
12,0
Время
нарастания
давления
мсек
68
44
36
W
/
>ч
/
/ у
/ /
/
//
/
/
•
Экспериментальные определения давлений при распаде
ацетилена в закрытых объемах [25, 28, 33, 37, 66, 91—94] для
начальных давлений выше 1,4 ат
дают значения этой величины от 5
до 12 (см. также рис. 39).
В табл. 13 приведены
результаты измерения давлений при распаде
(сферическая бомба с1=120мм, То=
= 20°С, £=10 дж) по данным [66].
Холлеман [92—94] измерял
давление взрыва в трубе диаметром
9 см при начальных давлениях
3—4 ат. Давление повышалось в
10—И раз по сравнение с
начальным.
Миллер и Пенни [26] в трубе
длиной 30 см, диаметром 5 см п
начальном давлении 9 ат определили Рис 39. Давление при рас-
в 17 опытах, что рк/Ро=НД±0,6.
Измерения при давлениях выше
2,5 ат дают для pk/Ро значение
больше 9, но меньше 12 [25, 33,
37, 55].
Таким образом, приведенные экспериментальные значения
повышения давления хорошо согласуются с рассчитанными
и указывают на высокую температуру в пламени распада
ацетилена ( — 3000°К).
Давление в детонационной волне
Рассчитанное Пенни [69] повышение давления
детонационной волны в точке Жуге для ацетилена равно 21—22, т. е.
в проходящей волне давление в 21—22 раза превышает
начальное. Отметим, что такую же величину дает
приближенное равенство рж « 2рк. При отражении детонационной волны
от жесткой преграды давление в точке Жуге возрастает
Дополнительно в 2—2,5 раза [8, 14]. Таким образом,
и2 ь 6 8 Ю
начальное да6ление> am
паде ацетилена в закрытом
объеме (Г0 = 20°С):
/ — ацетилен высушен при 100° С;
2 - то же при 40° С.
77

регистрируемые на торцах трубопроводов давления будут
порядка (42—55) /?о. Названные значения являются нижней
границей давлений.
Во фронте ударной волны детонационного комплекса
давление в 1,5—2 раза выше, чем в точке Жуге, т. е. руд. в^
^(31,5 — 42)р0, поэтому теоретически максимально
возможная [95] величина давления при отражении в 252—336 раз
превышает начальное. Зарегистрировать давление в ударной
волне трудно, так как время существования давлений,
превышающих величину в точке Жуге, составляет обычно
несколько мксек. Величина замеряемых в опыте давлений
зависит от инерционных свойств приборов. Чем меньше
инерция прибора, тем большее давление он способен измерить.
Учитывая аномально большую ширину зоны реакции в
ацетилене [61, 85], особенно при низких давлениях, можно
ожидать, что ча'сть давления над точкой Жуге будет
зафиксирована.
В работах [50, 96] описаны эксперименты, в которых
измеряли скорость детонации и крешерным прибором
регистрировали давления (рКреш) при отражении детонационной
волны от торца трубы диаметром 100 и 200 мм (/ = 21 м),
Результаты измерений приведены в табл. 14.
Таблица 14
Скорость детонации и давление на торце трубопровода
при различных начальных давлениях ацетилена
#е» ат
1,5
1,55
1,6
1,7
1,7
1,8
2,0
2,3
ркреш>
ат
169
279
263
362
246
342
235
310
^креш
^0
ИЗ
176
164
213
144
190
117
134
D, м/сек
2120
1970
1970
1950
1870
1970
2030
1940
Ро, ат
2,45
2,6
3,0
3,4
4,0
4,1
4,5
5,1
^креш'
ат
510
314
440
405
405
442
458
535
^креш
"о
208
121
144
119
101
108
102
105
D, м/сек
1920
—
—
1930
_
1960
2030
1070
Точность измерения давления крешерным прибором
невысока. Тем не менее приведенные результаты
свидетельствуют о том, что часть давления над точкой Жуге
зарегистрирована. При обработке данных табл. 13 получаем, что
среднее значение рКреш./ро равно 134, а наиболее достоверная
величина в интервале давлений 1,5—5,1 ат составляет
125±20. Давления при отражении детонационной волны от
торца, превышающие начальное в 70—200 раз, отмечали и
другие авторы [33, 39].
78

Давление при нестационарном режиме
быстрого горения
При разложении ацетилена в закрытых объемах на
торцах трубопроводов регистрировались давления, которые в
270—656 раз превышали начальное давление [33, 39, 40, 50].
Связать такие величины с отражением детонационной волны
не представляется возможным.
Саржентом [38] для объяснения подобных высоких
давлений предложена гипотеза каскадного взрыва. Он
предположил, что часть исходного ацетилена сгорает в режиме де-
флаграции и давление в системе постепенно повышается.
Затем в оставшемся сжатом газе возникает детонация. При
таком допущении рассчитано, что, чем большая часть газа
будет превращена в продукты реакции в режиме дефлегра-
ции (т. е. чем больше отношение преддетонационного
расстояния к длине трубы), тем больше давление при отражении
детонационной волны от торца, другими словами — давление
отражения детонационной волны рассчитано при
возрастающих начальных давлениях ацетилена. С данным объяснением
нельзя согласиться по следующим причинам.
При переходе горения в детонацию происходит
непрерывное ускорение движения пламени и образование впереди
пламени ударной волны, перед которой газ сохраняет свои
начальные значения давления, плотности, температуры и
скорости. По гипотезе Саржента для одного и того же
начального давления могут наблюдаться различные давления
отражения в зависимости от места перехода горения в
детонацию, и, чем больше преддетонационное расстояние, тем
больше давление. Однако эксперименты показывают, что при
изменении отношения преддетонационного расстояния к
длине трубы от 0,2 до 0,6 (см. ст. 64. 65 и табл. 14)
регистрируемые давления одинаковы. Во всех случаях, когда
фиксировался детонационный режим распада ацетилена, давление на
торце до прихода детонационной волны не изменялось [51].
С. М. Когарко исследовал, а также объяснил [51, 71] это
явление как явление возникновения режима быстрого
нестационарного горения (стр. 65). Очевидно, что в случае
нестационарного горения величины давлений, возникающих на
торцах или поворотах трубопроводов, характеризуются
только параметрами ударной волны, которая движется
перед пламенем.
Для оценки возможных давлений сделаем следующее
допущение: скорость потока газа со перед пламенем равна
скорости движущегося с ускорением пламени [74].
В табл. 15 приведены параметры ударной волны в
воздухе при начальном давлении 1 ат и температуре 273° К.
79

Таблица /5
Параметры ударной волны в воздухе*
со, м/сек
175
452
627
725
1095
1364
D, м/сек
452
608
875
• 978
1369
1676
Р\
Ро
2
5
8
10
20
30
Pi/Рл
1,63
2,84
3,53
3,88
4,81
5,38
Ti/To
1,23
1,76
2,26
2,58
4,12
5,57
336
482
618
705
1121
1522
* Индекс «0» — относится к начальному состоянию газа, индекс 1—к состоянию
за ударной волной [31].
При отражении плоской ударной волны,
распространяющейся со скоростями более 1000ж/ce/c (р\/ро> 10), от торца
трубы давление р\ возрастает в 5—6 раз, температура Т\
в 1,5—1,8 раза, плотность pi в 2—2,5 раза. Таким образом,
в момент отражения ударной волны, образующейся при
Таблица 16
Характеристика режима быстрого нестационарного горения
ацетилена
Vq, ат
1,6
2,0
2,2
2,0
2,4
1,8
2,0
2,3
3,0
Р
креш'
ат
1050
785
745
870
892
642
748
677
860
^креш
Ро
656
392
338
435
373
356
374
294
280
Скорость
пламени
у торца
м!сек
1490
1800
1300-1600
—
—
—
—.
1300
Длина
трубы
м
21
21
21
9
21
21
21
21
3
Диаметр
и толщина
стенки трубы
(dXh)
мм
380X9
380X9
380X9
100X12
100X12
100X12
100X12
100X12
30
Примечание
Разрушен
торцовый участок
трубы длиной
1 м
Разрушен
торцовый участок
трубы длиной
2,5 м
То же
Поджигание
струей
продуктов распада
Поджигание
переплавлением
проволочки
То же
»
»
Инициирование
капсюлем-дето-
наторо^

ускоренном движении пламени со скоростью выше 800—
1000 м/сек, возможно самовоспламенение газа. Теоретически
возможные давления будут в 400 и более раз превышать
начальное. Учитывая, что такие давления возможны лишь в
начальный момент отражения, а в дальнейшем они
уменьшаются, экспериментально измеренные давления, в 300—
650 раз превышающие начальное, объясняются
возникновением в ацетилене режима быстрого нестационарного
горения.
В табл. 16 приведены условия возникновения режима
быстрого нестационарного горения [47, 50].
УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ПЛАМЕНИ
Критические диаметры и гасящие
расстояния для распространения пламени
и детонации. Влияние начального давления
Влияние начального давления на величину критического
размера труб и щелей исследовалось в ряде работ [33, 34,
38, 47, 70, 97, 98]. Критические размеры определялись в
закрытых и открытых трубах, в конусйых трубах, трубах с
дискретно меняющимся подлине диаметром,.сосудах с насадкой
из труб, шаров, сеток, пористой керамики и т. п. Независимо
от метода измерения сопоставлялись давления газа и
размеры отверстия или щели, при которых пламя не
распространялось.
В работе [47] описана методика измерения критических
диаметров труб dKp в зависимости от давления ацетилена,
которая, по нашему мнению, является наиболее простой,
удобной для проведения экспериментов, и дает высокую
точность измерения.
На рис. 40 приведена принципиальная схема установки для определения
величин критического диаметра при различных, но постоянных в опыте
давлениях ацетилена (методика работы описана ниже). Ресивер с азотом имел
емкость 220 л. В качестве экспериментального сосуда использовались
стальные трубы и емкости следующих размеров:
d, мм /, мм F, л
150
100
50
450
700
750
7,9
5,5
1,45
Основная труба, за исключением небольшой части (/=1,5^) у
источника инициирования, заполнялась стеклянными или металлическими
трубками различного диаметра, которые подбирались таким образом, что пламя
распространялось в трубках, диаметр которых был больше некоторой
величины, и гасло в трубках меньшего размера. При соответствующем наборе
трубок насадки в одном опыте величина dKp определялась с ошибкой не
более 10%. Во всех опытах отношение длины трубок к диаметру было
6 Зак. юо 81

больше 15. Максимальное повышение давления в системе во время распро.
странения пламени не превышало 0,1—0,15 ат. Зажигание ацетилена про.
водили разрядом коденсатора через искровой промежуток при /?о<1,2 ат
или нагреванием спиралей из нихромовой проволоки при ро > 1,2 ат.
Предельные давления для распространения пламени в трубах диамет.
ром 70—150 мм определялись либо в самих трубах, либо с насадкой из
одной трубы меньшего диаметра.
Контрольные опыты проводили в закрытой трубе диаметром 150 мм и
длиной 6 м (рис. 41). Насадкой служили трубы диаметром 60, 80, 100
130 и 140 мм и длиной 5,7—5,8 м.
На рис. 42 показаны кривые, построенные по данным [47]
и [33, 34, 38]. Величина предельного диаметра уменьшается
при увеличении давления.
В интервале давлений
1,5—2,0 ат данные всех
исследователей хорошо
согласуются. Данные
работ [38, 47, 49] близко
совпадают при всех
измеренных давлениях.
Однако результаты [33, 34] при
давлениях ацетилена
1,4—1,45 ат указывают на
независимость
предельного давления от
диаметра трубы (плато). Выход
Рис. 40. Схема экспериментальной на Плат0 КРИВ0Й 3авлИСИ"
установки для измерения величины МОСТИ ро аКр может ОЫТЬ
критического диаметра в зависимости
от начального давления:
1 — ресивер; 2 — электроды зажигания; 3 —
экспериментальный сосуд; 4— мембрана; 5
—дифференциальный манометр; 6 — манометр;
7 —вакуумметр; 8 — насадка.
только в том случае,
если давление ацетилена
равно или близко к
предельному давлению
поджигания
(распространения пламени).
Предельное давление распространения пламени в
ацетилене равно 0,65 ат, и вплоть до этого давления существует
зависимость dKV от р. Предельное давление, отмечаемое
авторами работ [33, 34], объясняют тем, что для зажигания
ацетилена были использованы источники, энергия которых
оказалась недостаточной для инициирования распада при
давлениях ниже 1,4 ат. Ацетилен не удавалось зажечь, и,
естественно, увеличение диаметра трубы не приводило к
понижению предельного давления. В работах [34, 35] указывалось
на возможность снижения предельного давления при более
мощных источниках зажигания. Однако это замечание
оставалось без должного внимания и в дальнейшем проводили
эксперименты с источником зажигания, который
инициировал распад ацетилена только при давлениях выше 1,4 п7<

Рис. 41. Установка для измерения величины
критического диаметра в закрытых трубах:
/ — электроды зажигания; 2—основная труба; 3,4—трубы-
i
30
25
20
15
10
ZO
5,0
3,0
J
1
4
\
\
\
\ ,
\ч\
\\
Л
\
2V
\\
\ \
х\
*
i^r
—e—
^ч \^
-А \ \
> 0,1 1,0 10 100
Критический диаметр,
1000
Рис 42. Зависимость предельных диаметров труб для
распространения пламени и детонации от давления
ацетилена.
Пламя. По данным: /-[38]; 2- [33]; Д-[47] (открытые трубы);
А~[47] (закрытые [3^/^-ВД "Д][25Г©-Ж' П° АаННЫМ:

ю
Совершенно очевидно, что при таком определении предель-
ного диаметра никакой зависимости dKp от р при давлениях
ниже 1,4 ат не существует и не может существовать. На
рис. 43 изображена кривая зависимости dKp — ро при высо<
ких давлениях [70].
И. И. Стрижевский и В. Ф. Заказнов [98], исследуя гаше»
ние пламени ацетилена при прохождении через насадки
различного типа, проводили эксперименты в стальных бомбах
диаметром 35—61 мм и высотой 400—1500 мм. Бомба была
разделена насадкой различной высоты на две неравные
части с соотношением объ-
емов j . jq^
Инициирование ацетилена проводили
переплавлеиием нихро-
мовой проволоки
диаметром 0,15 мм в
нижней (малой) части бомбы.
Исследована также
зависимость 'величины пла-
мегасящего канала б от
начального давления
ацетилена в пределах
2,75—36 ат. Результаты
измерения приведены в
табл. 17.
В зависимости от
высоты насадки (до 60 мм)
авторы наблюдали
воспламенение за ней при различных начальных давлениях
ацетилена. Это связано с тем, что в насадках высотой менее
60 мм при давлениях вплоть до критического не
обеспечивается достаточное охлаждение продуктов разложения
ацетилена. За насадкой наблюдалось вторичное воспламенение
смеси ацетилена с продуктами реакции. Гашение пламени
наступало при значениях числа Ре = 75—95. Глубина
проникновения сажи в насадку с 6 = 0,2—0,4 составляла 20—40 мм.
Аналогичные результаты получены и другими авторами [99,
100]. Сравнение величины критического диаметра для
распространения пламени в чистом ацетилене при различных
давлениях с предельными диаметрами труб для
топливо-кислородных и топливо-воздушных смесей показывает, что при
одинаковых давлениях критический диаметр для ацетилена на 1 —
2,5 порядка больше. Например, для стехиометрических
смесей метана, пропана, водорода и ацетилена с воздухом при
атмосферном давлении dKp соответственно равен 3; 1,8; 0,76 и
0,7 мм, а для смесей метана, пропана и ацетилена с
кислородом — 1,0; 0,15 и 0,025 мм [8, 14, 101]. При давлении 30 атве-
20 30
Давление, am
Рис. 43. Предельные диаметры труб для
распространения детонации при высоких
давлениях ацетилена.
84

Условия гашения пламени ацетилена в насадках
Таблица 17
TtjTTT TJf *У^*£к TTl^T-J
I nil ИаСаДКИ
Стальные трубки
То же
Стальные шарики
То же
»
»
»
Стеклянные шарики
Гранулы
тугоплавкого материала
То же
»
Латунные сетки
Металлокерамика
То же
* 6-0,36 d.
Высота
нясзлки
ММ
350
350
400
300
150
150
150
150
150
150
150
5
5
20
d, мм
6,0
3,0
14
9,5
4,0
2,0
1,0
0,9-1,2
1,0-1,5
1,5-2,0
0,5-1,0
2
1,0-1,5
1,0-1,5
о *, мм
6,0
3,0
5,0
3,4
1,4
0,72
0,36
0,29
0,27
0,40
0,20
0,32
0,35
0,35
Критические значения
Р0
2,8
4,2
3,0
3,8
6,8
11,5
21,0
25,5
26,5
10,0
36,0
15,5
17,5
22,5
Ре
72
73
69
69
73
7S
_
—
81
51
68
83
личина критического диаметра для пламени распада
ацетилена и стехиометрических ацетилено-воздушной и ацетилено-
кислородной смесей составляет соответственно 0,24, 0,02 и
0,002 мм.
N
Чц
ч
*N
S
S*,
1'
ч
^ч
N»^
2,5b 25,k 25b
Критический диаметр> мп
25U0
Рис. 44. Критические диаметры труб для
распространения пламени (/) и детонации (2) [38].
Критические диаметры для распространения детонации
в ацетилене также велики (см. рис. 43, 44).
Влияние направления распространения
Исследовано влияние направления распространения
пламени на величину критического диаметра [47, 97]. Методика
измерений описана выше Хстр. 81). Из рис. 45 видно, что
85

при распространении пламени снизу вверх критические дца.
метры значительно меньше, чем при движении в горизонталь
ном направлении. Такое влияние направления распространи
ния пламени отмечалось для всех газовых смесей. Это объяс.
няют влиянием конвекции на форму пламени и большой ско<
ростью движения. В случае ацетилена необходима несколько
иная интерпретация.
Выше показано, что скорость распространения пламени
в ацетилене и величина его поверхности при движении пла-
мени снизу вверх меньше, чем при движении в горизонталь-
3,0
1
1,0
u
4^
1
^4
■^-^
^<
" I1" P*^J
20 4/7 60 80 100
критический диаметр, мм
120 W
Рис. 45. Критические диаметры труб для
распространения пламени в ацетилене при различной
ориентации движения:
/ — при движении снизу вверх; 2 — в горизонтальном
направлении; 3 — при движении сверху вниз; А —по
данным [64].
ном направлении. По нашему мнению, следующие два
предположения могут объяснить причины рассматриваемого
явления: конвекция горячего водорода через зазор между
пламенем и стенкой трубы (величина зазора может иметь
значительные размеры, см. стр. 88) и меньшая поверхность
касания пламени стенки. Это, вообще говоря, очевидное
объяснение в литературе до сих пор не использовалось.
Действительно, при движении пламени снизу вверх кривая
касания имеет форму круга с радиусом, равным радиусу трубы;
при движении в горизонтальном направлении —
неправильный эллипс с меньшей полуосью, равной диаметру трубы, и
с большей полуосью, равной 1,5—3,5 диаметра (см. рис. 31
и 32). Площадь касания пламени со стенкой оказывается во
втором случае примерно в 1,25—2,5 раза больше, чем в
первом, т. е. движение пламени в горизонтальном направлении
характеризуется большими теплопотерями.
86

Предельные диаметры труб при распространении пламени
сверху вниз и в горизонтальном направлении примерно рав-
нЫ. В исследованном интервале давлений (см. рис. 50) не
наблюдается какой-либо определенной тенденции в их
относительной зависимости от давления. Особо отметим, что при
изменении диаметра трубы в пределах 70—100 мм
предельное давление не изменяется. Характер кривой указывает на
возможность увеличения давления при больших размерах
труб. Такая аномальная зависимость наблюдалась в
медленно горящих смесях [102], в связи с чем было предложено
следующее объяснение: при увеличении диаметра трубы
конвективные потоки направлены навстречу движению
пламени. Это приводит к тому, что пламя становится все более
плоским и соответственно уменьшается его поверхность.
Таким образом, для того чтобы пламя могло распространяться
сверху вниз в трубе данного диаметра, необходимо повысить
начальное давление.
Данные о влиянии направления распространения на
размер пламягасящих каналов, вероятно, следует использовать
при создании оптимальных конструкций огнепреграждающих
устройств.
Образование сажевого жгута
При определении критических диаметров гашения в
вертикальных трубах (движение пламени снизу вверх)
наблюдалось следующее явление [97]. Обычно после
распространения пламени трубка заполнена сажей, причем сажа плотным
Рис. 46. Фотография сажевого жгута.
слоем покрывает стенки трубы. В экспериментах, где
давление ацетилена было близко к критическому, сажа
образовывала тонкий непрерывный жгут, который лежал лишь на
части чистой стенки трубы (рис. 46). Длина жгута больше
длины трубы, диаметр составляет 0,1—0,2 диаметра трубы.
Жгут состоит из сажи, частицы которой плотно прилегают
одна к другой. Жгут не рассыпался и не терял своей
формы при длительном хранении и легком встряхивании.
67

Образование сажевого жгута наблюдалось в стальных, мед.
ных и стеклянных трубках.
Моментальные фотографии распространяющегося пламени
в стеклянной трубке показали, что пламя имело резко очер.
ченную каплевидную форму, не касалось стенок трубы (при
диаметре 9 мм зазор составлял
около 1 мм), двигалось мед.
ленно (несколько сантиметров
в секунду), но с постоянной
скоростью, жгут образовывал,
ся сразу за светящейся зоной
пламени. Одна из таких
фотографий показана на рис. 47,
Сажевый жгут образовывался
в трубках диаметром 2—21 мм.
Электронографический
анализ сажевого жгута,
выполненный в лаборатории П. А. Тес-
нера во ВНИИгаз, показал
типичную ацетиленовую сажу.
Образование, устойчивость
сажевого жгута и необычная
тенденция продуктов реакции —
в данном случае сажи — к
резкой коагуляции сразу за зоной
реакции пока остаются неясными. Отметим, что появление
«сажевых струй» наблюдали [103] также и в диффузионных
пламенах богатых топливо-воздушных смесей.
Рис. 47. Моментальная
фотография пламени (а) в трубе и его
схема (б).
ВЗРЫВЫ ЖИДКОГО И ТВЕРДОГО АЦЕТИЛЕНА
Ацетилен при определенных условиях переходит в жидкое
или твердое состояние. В табл. 18 приведены некоторые
параметры, характеризующие состояние жидкого и твердого
ацетилена [104, 105].
Из приведенной таблицы следует, что при температурах
15—25° С хранение жидкого ацетилена возможно под
давлением 40—50 ат. Однако транспортирование жидкого
ацетилена при таких давлениях привело к сильнейшим взрывам
в США, Франции и других странах [1]. Исследования [1]
показали, что пережигание платиновой проволочки в жидком
ацетилене при давлении 1,3 ат (—80° С) взрыва не вызывало.
Взрыв наблюдался при давлениях выше 2,7 ат.
Инициирование в газовой фазе (р > 2 ат) приводило к взрыву газовой
фазы и полному выгоранию жидкости.
Характер и сила взрыва жидкого ацетилена зависят от
энергии инициирования. При измерении бризантности ж.-Д-

Таблица 18
Параметры состояния жидкого и твердого ацетилена
J оС
-183,16
-173,16
-163,16
-153,16
-143,16
-133,16
-100
-90
-84*
-80,66**
-72,26
-63,76
-51/66.
-42,76
-22,46
-10,96
-10,16
-1,56
+ 5,74
+ 11,74
+ 17,24
+26,84
+34,64
+35,54***
Давление
насыщенного пара,
мм рт. ст. и йт
1,4-КГ4
2,7-10"3
3,0-Ю"2
0,229
1,26
19,0
205
469
760
1,266
2
3
5
7
10
15
20
25
30
35
40
50
60
61,65
Плотность твердого
и жидкого
ацетилена
кг/мЪ
730 (188,16 °К)
609,6
605,3
590,29
573,3
557,4
537,8
511,4
489,3
469,0
448,8
431,7
413,8
370,8
298,2
230,6
Плотность пара
кг/мЗ
2,166
3,320
4,820
7,912
11,02
15,74
23,81
32,37
41,48
57,75
62,87
75,45
107,1
163,7
230,6
* Нормальная точка кипения (температура сублимации).
** Тройная точка.
*** Критическая точка.
кого ацетилена на баллистической мортире определены
величины удельного импульса, равные 20,9 — инициирование
капсюлем-детонатором и 118 — детонационным шнуром.
Отметим, что стандартное ВВ (тротил) в этих испытаниях
имело удельный импульс 52. Таким образом, жидкий
ацетилен относится к мощнейшим бризантным ВВ. Флегмати-
зация жидкого ацетилена СО2, SO2 и ацетоном снижала
величину удельного импульса до 3,6 при инициировании
капсюлем-детонатором. Удельный импульс оставался больше 10
даже при 40%-ном разбавлении и инициировании
детонационным шнуром.
Карват [106] отмечал, что смеси ацетилена с жидкими
углеводородами (этан, этилен) взрывоопасны, если
содержание ацетилена составляет больше 42 объемн.%. По
мнению Виннакера [107], эта цифра должна быть меньше 22%.
39

Большая взрывоопасность жидкого ацетилена отмечалась
также в работе [108]. При давлении 3,5 ат (—63° С) распад
ацетилена в газовой фазе сопровождался интенсивным
испарением и разложением жидкого ацетилена и заканчивался
детонацией жидкого ацетилена. Скорость детонации в
жидкости составила 1320 м/сек.
Детонация, возникшая в газовой фазе, переходила и
распространялась по жидкому ацетилену, флегматизированному
ацетоном или двуокисью углерода:
Содержание флегматиза-
тора, вес. %
Начальное давление, ат . .
Начальная температура, °С
Скорость детонации в
жидкости, м/сек
Флегматизатор —
ацетон
12
4,1
-46
1750
25
5,1
-45
700
Флегматизатор —
двуокись
углерода
16 30
6,5 8,3
-35 -26
1400 800
Распространение разложения по флегматизированному
жидкому ацетилену со скоростями 700 и 800 м/сек названо
детонацией. Следует отметить, что столь низкие скорости не
свойственны детонационным процессам, хотя для
конденсированных взрывчатых веществ известны случаи, когда
вещество характеризуется двумя стационарными значениями
скорости детонации, в частности наблюдается детонация с так
называемой малой скоростью.
В стальном сосуде емкостью 1,5 см3 проведены
эксперименты, позволившие определить величину энергии зажигания
жидкого ацетилена [109]. Разряд конденсатора проводился
через искровой промежуток между электродами,
опущенными в жидкость. Величина энергии зажигания не зависела
от напряжения на конденсаторе. Результаты измерений
приведены в таблице.
Г, °С
р, ат
Зазор, мм
Е, дж
-78
1,4
0,8
> 11
-50
5,3
0,8
1,5
-40
7J
0,58
>5,3
-40
7J
0,8
0,98
-40
7,7
1,02
4,2
-35
9,2 '
0,8
0,98
-30
10,9
0,25
>5,3
-30
10,9
0,36
>0,85
-30
10,9
0,58
0,61
-30
10,9
0,76
0,69
-30
10,9
0,86
1,0
-30
10,9
2,29
-27
12,2
0,8
0,13
Было предположено, что жидкий ацетилен поджигается
и разлагается только в газовой фазе. При инициировании
жидкий ацетилен испаряется и сгорает в газообразном со-
стоянии. Если эта гипотеза правильна, то наличие
искусственных газовых пузырей должно привести к уменьшению
энергии зажигания, так как энергия зажигания ацетилена
над жидкостью при —30° С была около 0,10 дж.
90

Ниже приведены данные, показывающие влияние
перевешивания на энергию зажигания жидкого ацетилена при
различных газах-разбавителях и давлениях (Т = — 30°С):
Без перемешивания С перемешиванием
Газ-разба-
,витель . . . Ne Ar He Ne N2 Co He
р, ат 10,9 14,6 28,2 10,9 14,6 28,2 28 2
Е, дж .... 0,68 1,5 11,0 0,39 1,1 5,6 0,13
Результаты измерений подтвердили высказанное
предположение.
Влияние разбавителей на величину энергии зажигания
видно из следующих данных (Т = —30°С):
Ацетон СОг Этилен
Содержание разбавителя в
растворе, вес. 96 20 35 25 20
Е, дж (с перемешиванием) 0,4 4,2 11 11
Сравнение значений энергии зажигания газообразного
ацетилена при давлении 10,9 ат и Т = —30° С с аналогичными
данными при Т= +20°С (стр. 38) показывает, что при
понижении температуры на 50° С энергия увеличивается
примерно в 30 раз. Энергия зажигания жидкого ацетилена при
давлениях 1,4—12,2 ат изменяется в пределах 11—0,13 дж,
а газообразного при аналогичных давлениях и Г=+20°С
в пределах 8—0,002 дж. Таким образом, энергия зажигания
жидкого ацетилена близка к энергии зажигания
газообразного ацетилена при низких начальных давлениях (1,4 ат), но
значительно больше при высоких. Это, вероятно, объясняется
тем, что при инициировании ацетилена в жидкой фазе
некоторая (примерно постоянная) часть энергии зажигания
тратится на испарение ацетилена. При наличии газовых
включений, например при кипении жидкости, следует ожидать
дальнейшего уменьшения величины энергии зажигания с
повышением давления. Вследствие этого процесс газификации
ацетилена представляет наибольшую опасность.
Отсутствие зажигания ацетилена в опытах Миллера
(стр. 88) связано с использованием источников
инициирования с малой энергией [1]. Жидкий ацетилен и газовую фазу
над ним следует считать взрывоопасными при любых
давлениях и температурах. Взрывобезопасность может быть
достигнута только флегматизацией жидкой и газовой фазы.
Твердый ацетилен не взрывался и не горел от
переплавления платиновой проволочки над его поверхностью, от
взрыва смеси 70% С2Н2 + 30% воздуха при 1 ат, от искры,
при трении [1].
При ударе 290 кГ-см или при детонации на его
поверхности навесок инициирующих ВВ наблюдались сильные
91

взрывы. Удельный импульс на баллистической мортире со,
ставлял 68 (инициирование капсюлем-детонатором) и 109,6
(детонационный шнур).
Удар 70 кГ'СМ вызывал взрыв твердого ацетилена в при.
сутствии жидкого азота при добавлении карборунда в виде
порошка фракции 0,07—0,3 мм. Жидкий кислород резко уве.
личивал чувствительность и бризантность. Таким образом
твердый ацетилен является мощным бризантным ВВ (троти'
ловый эквивалент равен 2), получение, хранение и транспор.
тирование которого связано с чрезвычайной опасностью.
РАСТВОРЕННЫЙ АЦЕТИЛЕН
Ацетилен хорошо растворим во многих органических
жидкостях. Например, при нормальных условиях в ацетоне
и диметилформамиде растворяется 20 и 43 см3 в 1 мл
жидкости. С повышением давления (р > 15 ат) или понижением
температуры растворимость увеличивается.
Наибольшее распространение получил метод хранения и
транспортирования растворенного в ацетоне ацетилена в
баллонах, заполненных активированным древесным углем или
другими пористыми массами. Безопасность этого метода
подтверждена многочисленными испытаниями. В настоящее
время в баллонах допускается давление до 25 ат.
Стабилизация растворенного ацетилена при таких давлениях
обеспечивается равномерным его распределением в капиллярах
пористой массы. Давление пара ацетона при Г=15—20°С
около 200 мм рт. ст. Вследствие этого газообразный ацетилен
в свободном (не заполненном пористой массой)
пространстве баллона флегматизирован слабо и в соответствии с его
количеством и объемом представляет потенциальную
опасность.
Исследования взрывоопасное™ растворенного в ацетоне
ацетилена показали, что раствор не взрывается при
разложении газообразного ацетилена над раствором при
давлениях до 10 ат [1]. При больших давлениях наблюдалось
интенсивное горение десорбирующего из раствора ацетилена,
сопровождающееся разбрызгиванием жидкости.
Лагарде [110] экспериментально определял количество
разложившегося ацетилена, который десорбировал из
раствора в ацетоне при горении газовой фазы. Опыты
проводились в стальном цилиндрическом сосуде с объемом газовой
фазы, составлявшей 15% общего объема. Разложение
ацетилена в газовой фазе инициировали переплавлением
металлических проволочек диаметром 2 мм и длиной 1,5 см.
Результаты опытов даны ниже в виде отношения общего
количества углерода, образующегося в опыте в результате
92

сГорания газообразного и исходного ацетилена, к количеству
углерода, получающегося за счет сгорания только газовой
фазы (R):
Р, ат 8,9 9,9 10,9 11,9 12,8 13,8 14,8 16,8
R 2,1 1,9 2,2 3,35 11,6 24,6 37 36
Увеличение R указывает на возрастающее участие
жидкой фазы в процессе горения.
Неполное разложение растворенного ацетилена (97%
углерода образуется из растворенного ацетилена при /?=>14,8)
объясняется потерей тепла на эндотермические процессы
испарения и разложения ацетона:
СН3СОСН3 —> СН4 + СО + 0,5С2Н4 АЯ = 40 ккал/мо'ль
Относительную стабильность растворенного ацетилена
можно использовать для его безопасного транспортирования.
Предложена [111, 112] передача ацетилена на большие
расстояния по трубопроводам в виде раствора в метилформ-
амиде (до 10 ат) или аммиаке (до 18 ат).
Далаго [248] предложил растворять ацетилен в ацетоне
при температуре ниже —80° С с последующим охлаждением
жидким азотом до затвердевания раствора.
Для хранения и транспортировки переохлажденных
растворов ацетилена в ацетоне, возможно, найдут применение
также емкости, в которых в качестве промежуточного
хладагента рекомендован жидкий метан. Объем, не заполненный
раствором, флегматизируется газообразным метаном или
азотом [249, 250].
ГОМОЛОГИ АЦЕТИЛЕНА
В ацетилене, получаемом из углеводородного сырья
методами термоокислительного пиролиза и электрокрекинга,
содержатся небольшие примеси ацетиленовых углеводородов.
Характеристика некоторых из них приведена в табл. 19, 20
[ИЗ, 114].
Гомологи ацетилена, так же как и ацетилен,
взрывоопасны и способны к самопроизвольному распаду в отсутствие
воздуха или кислорода.
Взрывные свойства диацетилена
[115, 252]
Из ацетиленовых углеводородов диацетилен наиболее
взрывоопасен. Полимеризация диацетилена на воздухе
начинается при температурах несколько выше 0°С и
заканчивается взрывом. Полимеризация в отсутствие воздуха
сопровождается образованием аморфного, нерастворимого в
93

Таблица
Физические свойства ацетиленовых углеводородов

Углеводород
Диацети-
лен
Винил-
ацетилен
Метил-
Я ТТРТИ JTPTT
а ЦС 1 И«/1Сп
Диметил-
ацетилен
Этил-
ацетилен
Метилди-
ацетилен
Этилди-
ацетилен
Триаце-
тилен
Формула
нс-с-с-сн
лтт fT-T С4 СТТ
СН3-С = СН
СНз — С ^ С — СНз
СН3-СН2-С^СН
СНз — С = С—С = СН
СН3-СН2-С = С —С^СН
нс==с-с=с~с==сн
Плотность
(жидк.)
0,7360 (°С)
0,709 (0° С)
0,690 (-40° С)
0,691 (0° С)
0,678 (0° С)
0,65 (-6° С)
—
—
Температура, °С
кипения
9,5
-5
-23,2
27
8,1
55
87
90-100

плавления
-36
-102,7
-37,3
-125,7
-80
-80
—
Раствора.
мость
в воде
4,7 объема
в 1 объеме
воды
Плохо
растворим
Растворим

Нерастворим
—
—
—
Таблица 20
Зависимость давления насыщенного пара
ацетиленовых углеводородов от температуры

Температура,
°С
-40
-20
-10
-5
0
5
Давление
диаце-
тилен
66,0
212,0
338,0
—
514,0
—
насыщенного пара,
мм рт. ст.
винил-
ацетилен
78,8
249
401
500
615
760
метил-
ацетилен
338
852
1540
—
2 030
—

Температура,
10
20
30
40
50
60
Давление
диаце-
тилен
751,0
1 060,0
1 400,0
—
—
—
г насыщенного пара,
мм рт. ст.
винил-
ацетилен
880
1450
—
_
—
—
метил-
ацетилен
2 940
4 200
5 830
7 870
10 400
13 500
органических растворителях продукта, не плавящегозя при
350° С и взрывающегося при продолжительном хранении.
Взрывной распад диацетилена при инициировании
пережиганием металлической проволочки наблюдается при
давлениях выше 30—40 мм рт. ст. При распаде 1 моль
диацетилена выделяется энергия (\09 ккал), примерно в два раза
превышающая тепловой эффект распада ацетилена. Таким
образом, при одинаковом занимаемом объеме диацетилен
значительно более взрывоопасен, чем ацетилен.
Ацетилено-диацетиленовая смесь, содержащая более 18%
диацетилена, при атмосферном давлении легко взрывается от
94

„ичтожных импульсов (падение частиц образующегося по аи-
мера). Продукты распада диацетилена те же. что и
ацетона. Полнота распада диацетилена при атмосферном
давлении значительно выше, чем у ацетилена Для объяснения
большой скорости распада ацетилена некоторые исследова-
тели предположили, что диацетилен может быть
промежуточным продуктом распада ацетилена. Однако
экспериментальные и теоретические исследования этого не подтвепж
дают [62, 72, 116]. Р
Процесс взрывного распада диацетилена флегматизи-
руется добавлением к нему равного по объему количества
бутана, метилового или этилового спирта.
В табл. 21 приведены данные по флегматизации
диацетилена различными газами при начальной температуре 20—
25° С и различных давлениях (бомба сферическая
диаметром 120—150 мм, инициирование индукционной искрой).
Таблица 21
Пределы
Флегматизатор
Аргон
Гелий
Водород
Азот
Окись углерода
Двуокись углерода
Аммиак
Метан
Пропан
Бутан
Гексан
Ацетилен
Винилацетилен
Метилацетилен
Бензол
Метиловый спирт
взрывного распада диацетилена
Предельное (минимальное) содержание диацетилена
в
200 мм рт. ст.
38
43
47
38
45
47
45
49
69
74
36
33
35
45
55
50
смеси, объемн. %
400 мм рт. ст.
25
33
36
27
36
40
38
45
62
68
70
26
23
36
—
760 мм рт. ст.
18
27
30
23
30
35
37
39
60
68
__
17
15
32
—
При повышении общего давления предельная взрывобез-
опасная концентрация диацетилена в смеси снижается, но
для большинства исследованных двухкомпонентных смесей
остается практически постоянной в интервале давлений
500—760 мм рт. ст.
Жидкий диацетилен, запаянный в стеклянные ампулы,
при ударе взрывается с сильным звуковым эффектом и
интенсивной световой вспышкой. Взрыв происходит также при
инициировании распада искрой от катушки Румкорфа или
95

пережигании проволочки. Растворы, содержащие менее
60 мол.% диацетилена в бутане, не взрывоопасны. Жидкий
диацетилен, смешанный с бутаном в отношении 1:1, может
быть нагрет до 220° С без последующего взрыва. Давление
паров при этой температуре достигает 160 ат, в то время
как в отсутствие бутана диацетилен взрывается при 60° С
и давлении 6,5 ат.
Нижний концентрационный предел горения диацетилена
в смеси с воздухом при давлениях выше 33 мм рт. ст.
составляет 1,4—1,5 объемн.% (верхний предел—100%).
Взрывные свойства винилацетилена
Взрывные параметры винилацетилена близки к
аналогичным для ацетилена. При разложении винилацетилена
выделяется 69,6 ккал/моль. Предельное .давление распада,
определенное при использовании источника зажигания с
энергией около 7—9 дж, составляет 1,3—1,4 ат [35]. При более
мощных источниках распад наступает при давлении 1,05 ат
[252].
Концентрационные пределы распространения пламени при
атмосферном давлении равны: для смесей с воздухом 2,1—
100 объемн.% винилацетилена, для смесей с кислородом,
1,7—100 объемн.% винилацетилена. При давлениях выше
1,4 ат наблюдается взрывной распад газообразного и
жидкого винилацетилена. Жидкий винилацетилен, по данным
[115], нечувствителен к ударам и трению. Установлено, что
растворы винилацетилена в декалине, содержащие до
35 вес.% винилацетилена, являются взрывобезопасными при
температурах от —10 до +40°С [252]. Вероятно,
винилацетилен обладает теми же специфическими особенностями, что
и ацетилен. Главная из них заключается в том, что для
инициирования распада необходимы значительно большие
энергии начального импульса, чем для обычных двухкомпонент-
ных взрывчатых газовых смесей.
Взрывные свойства метилацетилена
Разложение метилацетилена протекает с выделением
значительного количества энергии:
С3Н4-»ЗСТв. + 2Н2 + 44,32 ккал
Фитцджеральдом [117] определено давление распада
метилацетилена и его смесей с азотом, метаном и этаном.
В опытах использовали стальные цилиндрические трубки
диаметром 50 мм и длиной 175 мм, расположенные
вертикально. Источником зажигания служила медная проволочка
96

диаметром 0,34 мм и длиной 25 мм, помещенная у нижнего
торца трубы. Эксперименты, результаты которых приведены
в табл. 22, проводили при 20 и 120° С.
Таблица 22
Предельное давление распада
метилацетилена и его смесей
Температура
°С
20
120
120
120
120
Предельное
давление
распада
ат
4,4
3,1
7,8
14,6
21,4
Содержание разбавителя. %
N2
—
30
45
55
сн4
—
26
37
41
с2н6
15
23
26
По способности флегматизировать распад метилацетилена
исследованные газы располагаются в следующем порядке:
С2Н6 > СН4 > N2.
Это объяснено двумя причинами [117]: различной
теплоемкостью газов и возможностью крекинга углеводородов,
особенно этана.
Исследование влияния пропана, бутана и пропан-пропи-
леновой фракции на пределы взрывного распада
метилацетилена показало, что при давлениях до 8 ат и температурах
20—35° С пропан, бутан и пропан-пропиленовая фракция
практически в одинаковой степени флегматизировали метил-
ацетилен: смеси, содержащие более 10 объемн.% пропана,
бутана или пропан-пропиленовой фракции, являются взрыво-
безопасными при давлениях до 8 ат [252].
Воспламенение смесей метилацетилена с пропадиеном и
пропиленом изучено в экспериментах, проводимых в стальных
трубках диаметром 25, 50 и 100 мм и длиной 1050 мм [118].
Зажигание смесей при 120° С проводили переплавлением
платиновой проволочки. В интервале давлений 3,4—6,8 at смеси
метилацетилена и пропадиена воспламенялись во всех
соотношениях. При этом наблюдалось медленное горение смесей
и слабое повышение давления при горении. Однако при
увеличении начального давления скорость и конечное давление
возрастали.
Основными продуктами распада метилацетилена являются
тверцый углерод и метан (до 30%). Температура в зоне
Распада оценивается примерно в 1830° К. Ниже приведены
значения нормальной скорости пламени распада
метилацетилена, которая измерена при давлениях от 10 до 40 ат
в трубках различного диаметра, открытых одним концом
7 Зак. 100
97

в инертную атмосферу (N2):
Давление, ат 10 20 40
Диаметр трубки, мм 1,4 0,7 0,3
Скорость, см /сек
видимая 15,0 12,5 10,9
нормальная 2,0 2,1 2,2
Приведенные данные показывают, что по величинам
предельного давления распада, скорости горения и тепло,
вому эффекту метилацетилен менее взрывоопасен, чем ацети-
лен.
Нижний концентрационный предел распространения
пламени в смеси метилацетилена с воздухом при атмосферном
давлении и 20—25° С равен 2,1 объемн.%, верхний 13-.
14 объемн.% [252].
Стехиометрические смеси метилацетилена с воздухом
характеризуются достаточно высокой нормальной скоростью
пламени. Для смеси 5,86% С3Н4 и 94,14% воздуха величина
нормальной скорости, определенная в трубе диаметром 25 мм
и длиной 570 мм при атмосферном давлении, составила
70 см/сек [119].
АЦЕТИЛЕНИДЫ
Образование ацетиленидов
Характерным свойством ацетилена и его гомологов
является способность замещать на металлы атомы водорода,
находящиеся у тройной связи, с образованием металлических
производных — ацетиленидов. При длительном контакте
ацетилена и металлического натрия образуется ацетиленид
натрия C2Na2. Другие металлические производные, например
ацетилениды меди (одновалентной), серебра, легко
получаются при пропускании ацетиленовых углеводородов через
аммиачные растворы закиси меди и окиси серебра.
Ацетиленид серебра имеет состав C2Ag2, соединение, получаемое
пропусканием ацетилена в аммиачный раствор закиси меди,—
C2HCu-Cu(OH), а после высушивания — С2Си2 [120].
Заметные количества ацетиленидов серебра, меди, ртути
получаются при реакции ацетилена с растворами солей
металлов. Очищенный от примесей ацетилен и чистые металлы
в реакцию практически не вступают. Технический ацетилен,
особенно получающийся при карбидном способе
производства, содержит в виде примесей фосфористый водород,
аммиак, пары воды и др. Сам ацетилен обладает свойствами
слабой кислоты. Поэтому при длительном соприкосновении
технического ацетилена с металлами возможно образований
ацетиленидов.
98

Взрывные свойства
Ацетилениды меди, серебра, ртути обладают свойствами
инициирующих взрывчатых веществ. Они детонируют при
нагревании, ударе или от искры. Например, ацетиленид меди
взрывается при нагревании до 95—110° С [121].
Ацетилениды серебра и ртути используются в запальных
устройствах капсюлей-детонаторов. Ацетилениды серебра и
меди во влажном состоянии безопасны. Разложение ацети-
ленида серебра сопровождается выделением большого
количества тепла:
^2Ag2 —> 2Ag+2C + 87 ккал/моль
Взрыв даже незначительного количества ацетилена может
инициировать распад большого объема ацетилена или его
смесей. Имеются отдельные сведения о взрывах, связанных,
как полагают, с образованием ацетиленида меди [122].
Поэтому, применение меди и ее сплавов (с содержанием более
70% меди), серебра и серебряных припоев в деталях и
аппаратах, соприкасающихся с ацетиленом, является
нежелательным. Не рекомендуется [115] также применять цинк и
кадмий или сплавы с высоким содержанием этих металлов.
Следует исключать возможность прямого контакта
ацетилена с ртутью. Хотя сама ртуть не взаимодействует с
ацетиленом, но ее окислы химически активны по отношению к
ацетилену.

ГЛАВА in
ВЗРЫВЫ СМЕСЕЙ АЦЕТИЛЕНА
С КИСЛОРОДОМ
Горение смесей ацетилена с кислородом возможно в
широких пределах изменения концентраций и давления. При
реакции по стехиометрическому уравнению
С2Н2 + 2,5О2 - Н2О(ЖНДК.) + 2СО2
выделяется около 312 ккал или ~ 89 ккал/моль смеси, т. е.
стехиометрическая смесь ацетилена с кислородом в 1,6 раза
энергетически богаче, чем чистый ацетилен. На рис. 48
показано изменение теплового эффекта реакции горения 1 моль
смеси при различных
соотношениях ацетилена и
зо\ 1 1 „»*"Р |\ | 1 кислорода. При
содержании в смеси более 17%
С2Н2 тепловой эффект
реакции выше, а при
содержании менее
17%'ниже, чем тепловой эффект
распада 1 моль чистого
ацетилена.
Смеси ацетилена с
кислородом относятся к
Г»
1
20
^^
!\
1
I
1
i
1
i
i
\
\
\
20 40 60 71^ 80
Содержание О2, объемн.%
ЮО
Рис. 48. Тепловой эффект реакции
С2Н2 + О2 в зависимости от состава смеси, наиболее взрывоопасным,
быстро горящим газовым
смесям. Для них характерны крайне низкие энергии
зажигания, высокие температуры пламени (до 3500° К). Горение в
этих смесях легко переходит в детонацию.
САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ
(ЗАЖИГАНИЕ)
Условия самовоспламенения
Ранние исследования Диксона, Коварда и др. показали,
что температура самовоспламенения Тсв смесей ацетилена
с кислородом зависит от давления и изменяется в пределах
350-— 515° С. Джонсон и Кеннеди определяли [21] Тсв в
кварцевой бюретке объемом 131 см3 и кварцевой трубке длиной
100

gO см, диаметром 1,7 см. При нагревании сосудов
(примерло 1/3 длины) самовоспламенение наблюдалось при различ-
ных температурах, величина которых зависела от
концентрации смеси. Минимально зарегистрированная величина Тсв
составила при атмосферном давлении 296° С.
Самовоспламенение смесей с содержанием ацетилена менее 70%
сопровождалось сильным взрывом.
В работе [20] приведены Гсв богатых смесей ацетилена с
кислородом:
Содержание С2Н2,
объемы. % . . ,
70,7 81,6 86,7 91,1
297 296 296 306
5 Ю
Давление, am
Влияние давления на величину Гсв исследовалось в
работах [124—126]. Температура самовоспламенения смеси
состава 1 : 1 быстро снижается при
увеличении начального давления
(рис. 49).
При сжатии в ударной волне до
давлений 1,8—3,0 ат
разбавленные инертным газом смеси
ацетилена с кислородом воспламенялись
при температурах выше 820° К с
задержкой воспламенения 0,1 —
2,0 мсек [127—130]. Медленное
сжатие в адиабатических условиях до
115-150° С не приводило К само- Рис. 49. Зависимость темпе-
воспламенению. Однако смесь, со- ратуры самовоспламенения
держащая 54% С2Нг и 46% О2, при смеси С2Н2 : О2= 1 от
270° С взрывалась, когда сжатие давления,
производилось за 0,7 сек от
начального давления 11 ат до конечного давления 56 ат [131, 132].
Предвзрывной разогрев составлял около 20° С. В
экспериментах при медленном нагревании от Г0=10°С до Г = 300°С в
богатых смесях отмечалось протекание реакции. Смеси не
взрывались, но отмечалось повышение давления.
Энергия зажигания. Влияние состава
и давления
Измерение энергии зажигания богатых смесей ацетилена
с кислородом при атмосферном давлении описано в работе
[45]. Опыты проводили в сосуде емкостью 30 л (d=160 мм)
при инициировании разрядом конденсатора через искровой
промежуток (2—5 мм) между стальными электродами,
введенными внутрь бомбы на расстоянии 80 мм от торца. Смеси
тщательно перемешивали и анализировали на содержание
101

кис юрода Незначительное содержание кислорода в ацети.
лене резко снижало величину энергии зажигания:
Содержание О2, объемы. % 0 0,55 1,07 2,5 5 8
Е, дж 100 74 54 35 15,5 1-0,5
В табл. 23 приведены значения энергии зажигания смесей
ацетилена с кислородом при различных давлениях. Опыты
проводили в сосуде емкостью 0,4 л (rf= 100 мм) при
инициировании емкостной искрой в центре сосуда. Смеси
содержали 2,2 объемн.% паров воды.
Таблица 23
Энергия зажигания смесей ацетилена с кислородом
в зависимости от давления
Смесь 85% С2Нг
р, мм рт. ст.
400
300
260
220
200*
и 15% О2
Е, дж
0,5
0,5
U
2,3
4
Смесь 8С
р, мм рт
215
170
125
105
80
)% С2Нг и 20% 02
. ст.
*
Е, дж
0,2
0,3
0,5
0,85
1,75
Смесь 75% С2Н2
р, мм рт. ст.
70
45
30
25
20*
и 25% О2
Е, дж
0,03
0,12
0,25
0,32
0,48
* Предельное давление воспламенения.
Из табл. 23 следует, что увеличение давления смеси или
содержания кислорода резко уменьшает необходимую для
зажигания величину энергии разряда. Изменение
содержания кислорода от 15 до 20% при давлении 220 мм рт.ст.
уменьшает Е в 11,5 раз, а от 20 до 25% при 80 и
70 мм рт.ст. —в 58 раз. Увеличение давления в £—3 раза
приводило к уменьшению Е в 15—20 раз. При давлениях
выше предельных для указанных составов смесей
зависимость Е от давления может быть описана аналитическим
выражением:
"~ "[p
Расчет по этой формуле величины энергии зажигания
смеси с 25% кислорода при атмосферном давлении дает
5 • 10~4 дж. Стехиометрическая смесь ацетилена с кислородом
при давлении 1,4 мм рт.ст. устойчиво зажигалась от искры
энергией 0,2 дж. Если предположить, что эта энергия была
минимально необходимой, то для стехиометрической смеси
при атмосферном давлении следует ожидать величин
энергии зажигания порядка 10~6—ДО"7 дж. Таким образом, в
зависимости от содержания кислорода в ацетилене энергия
102

зажигания изменяется от 100 дж (чистый ацетилен) до
Ю"6—Ю"7 дж (стехиометрическая смесь). Следует обратить
внимание на зажигание богатых смесей ацетилена с
кислородом с содержанием последнего менее 8%. Необходимая
для зажигания этих смесей энергия составляет несколько
джоулей или десятков джоулей, т. е. значительно выше, чем
энергия источников, которые обычно применяются для
инициирования взрывчатых газовых смесей (сильная
индукционная искра, пережигание тонких проволочек, £^0,5—8 дж).
Именно с этим связаны неточности в определении значения
верхнего концентрационного предела для смесей ацетилена
с кислородом при атмосферном давлении (стр. ПО).
J500
НОРМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ
И СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ
Зависимость величины
нормальной скорости от состава смеси
и давления
Смеси ацетилена с кислородом относятся к наиболее
быстро горящим газовым смесям и по величине нормальной
скорости горения уступают
лишь смесям водорода с
кислородом.
Нормальная скорость
пламени (рис. 50) определялась в
работах [132—136]. Кривые
зависимости нормальной
скорости от состава смеси имеют
типичную колоколообразную
форму. Максимальная
скорость горения наблюдалась у
:техиометрических смесей или
1 смесей несколько более
богатых по составу. По данным
Зрюкнера [134], скорость горе-
шя стехиометрической смеси
-оставляет около 14 м/сек,
другие исследователи дают
меньшие величины £/и. Согласно работе [137], в смесях с
содержанием 32,5 и 55% С2Н2 нормальная скорость пламени
-Оставляет 10 и 11 м/сек соответственно (метод мыльного
iy-зыря).
Давление оказывает очень слабое влияние на величину
нормальной скорости пламени. По мнению многих
исследователей [132, 138—141], Ua кислородных и воздушных
!
| woo
\
1 500
\
/
/
/
3
\
20
Содержание
SO
, объемн. %
Рис. 50. Нормальная скорость
пламени смеси С2Н2 + О2 в
зависимости от состава:
Поданным: 1 — [134]; 2 — [133]; 3 — [135];
103

смесей ацетилена не зависит от давления. Однако'некоторая
зависимость наблюдалась при давлениях 5—10 мм рт. ст
[142, 143]. Таким образом, суммарный порядок реакции аце^
тилена с кислородом, по крайней мере для смесей околосте-
хиометрического состава, равен 2 (стр. 25). Нормальная
скорость горения ацетилено-кислородной смеси при атмосферном
давлении меняется в зависимости от концентрации следую-
щим образом [115]:
Содержание С2Н2,
объемы. % 15 20 25 30 35 40 45 50
UH, м/сек 10,0 11,8 13,3 13,3 11,3 9,3 7,8 6,7
Бартоломе [133] исследовал влияние добавок азота на
скорость горения (рис. 51). Нетрудно видеть, что
разбавление азотом снижало скорость
горения.
Ниже (см. стр. 105)
приведены величины нормальной
скорости горения стехиометри-
ческой смеси ацетилена с
кислородом при разбавлении ее
азотом, аргоном или гелием
[136]:
В опытах использовали
горелки различных диаметров
(drop). Скорость горения
определялась по углу конуса
пламени, а ширина зоны
реакции — по теневым
фотографиям светящейся зоны.
По флегматизирующей
способности исследованные газы
располагаются в следующем порядке: N2 > Ar > He.
Аналогичное влияние аргона и гелия отмечали авторы работы [144],
которые скорость горения определяли по методу мыльного
пузыря (рис. 52).
Величины нормальной скорости при различных
температурах пламени приведены на рис. 53 [145]. Мансон [146]
вычислил влияние начальной температуры на скорость горения
смеси С2Н2 + О2 при атмосферном давлении:
1200
% woo
I 800
\60°
| Ш
200
0,U, 0,6 0,8 1,0 1,2
коэффициент избытка
окислителя (&)
Рис. 51. Нормальная скорость
пламени смесей С2Н2 + (О2 + N2).
1
1
*^
^
"^
J^
32°/
^^
о,
£/н, см/сек . •
15 227 427
620 1040 2500
Эти данные аппроксимируются выражением
104

дг2) объемн. %
drop* мм
Un, см/сек
6, мм
дг, объемн %
drop* ММ
f/H, см/сек
6, мм
Не, объемы. %
drop, ММ
Uи, см/сек
б, мм
3
1,6
835
0,061
-
-
20
1,6
902
0,074
20
1,6
762
0,084
20
1,6
73?
0,066
40
1,6
732
0,099
40
1,6
472
0,08
40
1,6
552
0,076
60
1,6
616
0,137
60
1,6
338
0,109
60
1,6
375
0,102
70,2
1,6
509
0Д63
60
4,8
268
0,114
-
—
70,2
4,8
381
0,191
70
4,8
198
0,124
70,3
4,8
256
0,122
75
4,8
297
0,231
80
4,8
86
0,241
79,2
4,8
151
0,163
80,4 .
4,8
273
0,320
80
12,7
78
0,236
-
Z
85
12,7
134
0,53
95
12,7
40
0,376
85,5
12,7
47,9
0,399
88
12,7
74,4
0,84
fSO
t«
%
I t20
1 но
|
too
90
2,6
2,2
en ft8
Ю0 80 SO
20 Ar,%
'Аз
f'%8 ОМ 0,50 ОАО 0№ 0,38
WOO/TT
Рис. 52. Влияние добавок аргона Рис. 53. Влияние температуры
и гелия на нормальную скорость горения (Тг) на нормальную
20
60 80 Не,%
пламени ацетилено-кислородной
смеси (С2Н2 + О2).
скорость пламени смесей:
- С2Н2 + О2 + Не; 2-
+ O2 + N2; 5-CH O
Ширина зоны пламени
Ширина зоны пламени ацетилено-кислородных смесей
составляет при атмосферном давлении сотые доли миллиметра.
А. С. Соколик [14] для давления 1 ат приводит значение
0,03 мм, а для 2 мм рт. ст. — 10 мм.
105

Порядок величины 6 следует из данных таблицы (стр. 105)
Для стехкометрических смесей с содержанием азота 70—80%
в работе [147] ширина зоны пламени оценивается в
0,025—0,057 мм.
Вычисленные и измеренные величины б [148] для смесей
С2Н2 + 2,5О2 (I), С2Н2 + О2 + Аг (II), С2Н2 +воздух (III)
приведены ниже:
i и ш
бизм, мм 0,021 0,045 0,065
6Выч, мм 0,034 0,11 0,18
Хорошо согласуются значения для стехиометрической
смеси ацетилена с кислородом. Вычисленные значения б для
смеси с аргоном или воздухом примерно в 3 раза больше
измеренных.
Температура пламени
Равновесная температура пламени, рассчитанная в рлбо-
те [149] для смеси С2Н2 + 2,5О2 при давлениях 13—760 мм
рт. ст., равняется соответственно 2700—3300° К.
Измерения температуры ацетиленовых пламен по
обращению резонансных линий Fe [150] дают для зоны реакции
значение температуры 3450° К (адиабатическая температура
3340° К).
Бройда и Шулер [151] показали, что вне реакционной
зоны температуры продуктов близки к адиабатической, но в
самой реакционной зоне значительно выше. В работе [152]
методом обращения спектральных линий натрия определена
температура пламени, равная 3100° К. Влияние состава смеси
на адиабатическую температуру продуктов горения ацетиле-
но-кислородных смесей при атмосферном давлении видно из
следующих данных [1]:
О2/С2Н2 4,0 2,5 1,0 0,5 0,25
Г, °К 3210 3359 3387 3214 3087
Смеси ацетилена с кислородом имеют самую высокую
температуру пламеви из всех углеводородо-кислородных
горючих газовых смесей. Они близки, а по данным некоторых
авторов — превышают температуру пламени водорода с
кислородом.
Предельное давление распространения
пламени
Для горелок устойчивые ацетилено-кислородные пламена
предварительно перемешанной смеси, состав которой
близок к стехиометрическому, наблюдались вплоть до
предельного давления 0,9 мм рт. ст. [12].
106

Влияние диаметра горелки на предельное давление
стабилизации пламени показано на рис. 54. Определенное
Вольфгардом [138] предельное давление составляет 2 мм
рт. ст.
Ниже приведены значения предельных давлений
распространения пламени для ацетилено-кислородных смесей
различного состава (опыты проводились в, стальной бомбе
объемом 0,4 л, диаметром 100 мм при зажигании емкостными
искрами различной энергии в центре сосуда):
Содержание Ог
объемы. %
0
15,0
20,0
25,0
35,0
45,0
50,0
60,0
65,0
Р
мм рт. ст.
495
200
75
18
4
2,15
1,7
1,6
1,5
Содержание Ог
объемн. %
75,0
85,0
90,0
92,5
93,5
95,0
96,5
97,0
97,5
р
мм рт. ст.
1,4
1,4
2,1
8,5
12,5
25,5
125,0
320
>760
Детонация
i
f
50г
Горение смесей ацетилена с кислородом, как
правило,завершается детонацией. В трубах достаточной длины и
диаметра детонация возникает при атмосферном давлении в
пределах содержания
ацетилена 3,6—100%. Бретон и Чорм-
лей [153, 154] нашли, что
верхний концентрационный
предел детонации равен 90—93%
ацетилена. Это можно
объяснить тем, что при содержании
ацетилена в смеси с
кислородом более 90—93% энергия
зажигания резко увеличивается
(стр. ПО) и от обычных
источников инициирования смесь не
воспламеняется. В работе [155]
\
/-n
чГЧ
" VtU0 5 Ю 50 100 500
. Предельное давление, ммрт. ст.
Рис. 54. Зависимость от диаме1ра
горелки предельного давления
стабилизации пламени в смесях
ацетилена с кислородом (У),
воздухом (2) и аргоном {3).
описана стационарная
детонация при давлении 2 мм рт. ст.
(С2Н2:О2 = 0,4). В трубе
диаметром 5 см, длиной 3,4 м
при инициировании искрой у торца в смеси С2Н2:О2=1 и
давлении 50 мм рт. ст. уже на первых 30 см скорость
пламени достигала 800 м/сек. Переход в детонацию наступал после
распространения пламени на 100—120 см от места
воспламенения [156]. Р. И. Солоухин [157] наблюдал
стационарную детонацию эквимолярной смеси при давлениях
107

50—200 мм рт. ст. Переход в детонацию происходил на первых
100 см при распространении пламени при давлении
50 мм рт. ст. При атмосферном давлении детонация
возникала уже на расстоянии нескольких сантиметров.
Ниже показана зависимость преддетонационного
расстояния от состава смеси и давления [158] в трубе длиной
3 м и диаметром 1,5 <;м:
Содержание С2Н2,
объемы. 96 ... Ю 15 20 25 28,5 30 35 40 50 60 70
Преддетонационное
расстояние lD, см
при давлении
1 ат .... 83 33 16 2,5 2 2,5 3 3,5 3,5 4,45 50
при давлении
5 ат .... 40 - 3 3 0,5 - - 48
Скорость детонации ацетилено-кислородных смесей
приведена в работах [159, 160]. Максимальная скорость
2950 м/сек, соответствующая смеси с содержанием 48% С2Н2,
с точностью до 100 м/сек совпадает с экспериментальными
данными [153, 159, 161, 162]. Жуге вычислил и измерил
скорость детонации в стехиометрической смеси: 3090 м/сек и
2961 м/сек соответственно.
Ниже показано [158] влияние состава смеси и давления
на скорость детонации (см. также рис. 55):
Содержание С2Н2,
объемн. %'.... 10 15 20 35 40 60 70
Скорость детонации
Z), м/сек
при давлении 1 ат 1862 2011 2163 2574 2702 2575 -
при давлении 5 ат 1933 2121 2279 2741 2800 2613 2190
Сильное влияние на скорость детонации оказывает
состав смеси, при повышении давления скорость детонации
увеличивается незначительно. По Мансону [160], для
давления 10 ат D равно 3140 м/сек. В работе [158] измерена
скорость детонации эквимолярной смеси ацетилена с
кислородом при давлениях ниже атмосферного:
р, мм рт. ст 50 20 10 5 2
D, м/сек 2772 2721 2702 2661 2312
г
Отметим, что влияние начального давления на скорость
детонации также незначительно.
Согласно данным [162], при изменении давления от 0,2 до
1,0 ат и содержании ацетилена от 10 до 50% скорость
изменялась от 1500 до 2950 м/сек в зависимости от состава и
увеличивалась на 100—150 м в зависимости от давления.
Скорость детонации незначительно снижается при увеличении
108

начальной температуры. Для смеси С2Н2: СЬ = I найдено
[160]:
1 Го, °К 288 500 700
D, м/сек 2960 2920 2905
Сферическая детонация ацетилено-кислородных смесей
описана в работах [59, 161, 163—165]. Скорости сферической
детонации примерно такие же, как и в трубах.
Концентрационные пределы возникновения детонации зависят от вида
источника инициирования.
При увеличении энергии
инициирования граница
концентрационных пределов
расширяется. Фрейвальд
[161] наблюдал сферическую
детонацию со скоростью
2075 м/сек разбавленной
азотом стехиометрической
смеси ацетилена с
кислородом
В
3000
2500
2000
15D0
'О 20 60 60 80 93 ЮО
Содержание С2Н2, объемн. %
Рис. 55. Зависимость скорости
детоацетиленокисло-
Во фронте детонацион- нации от состава ацетилено-кисло
ной волны развиваются ис- родной смеси,
ключительно высокие
температуры. По приведенным расчетным данным [24],
температура достигает ~ 5570° К.
Значение давления в точке Жуге, вычисленное для
стехиометрической смеси ацетилена с кислородом при
начальном давлении 1 ат, составляет 50,2 ат. Более низкие
величины давления экспериментально измерены [166] и вычислены
в работе [167]: ^^ С2Н2+О2+2>5О2
р 41,5 34
Ршч*. • ' '"'...• 31>Ф 43
Давления порядка 70—120 ат наблюдались в
экспериментах при отражении детонационной>волны от преграды.
Следует отметить, что величина повышения давления
Р /Ро в детонационной волне стехиометрической смеси auej
тилена с кислородом, равная 50,2, является самой высокой
из всех взрывчатых газовых смесей. При детонации смесей
водорода или метана с кислородом давление в точке Жуге
превышает начальное только в 18 и 28 раз соответственно.
Даже в смесях ацетилена с кислородом, разбавленных
азотом (С2Н2: О2: N2 = 1 : 1 : 3), происходит повышение
давления в 23 5 раза [160]. Детонационные волны ацетилено-кис-
лородных смесей обладают ввиду этого чрезвычайной
разрушительной способностью.

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ПЛАМЕНИ И ДЕТОНАЦИИ
Верхний концентрационный предел
при атмосферном давлении
Общепринято, и это имеет важное значение для
практики, определять предельные концентрации или давления
смеси, прьи которых становится невозможным распространение
пламени, используя такие источники зажигания, дальнейшее
увеличение энергии которых
не приводит к смещению
предельных значений
концентрации или давления. Для
измерения концентрационных
пределов большинства горючих
смесей источником
инициирования обычно служит
индукционная или емкостная искра
с энергией в несколько
десятых долей джоуля. Такая
величина энергии оказывается
вполне достаточной для
зажигания даже предельных по
составу и давлению смесей. "
В работах [168—171] и др.
юо
*-.
I
1 50
\г$
\
\
\
Искра от катушки
.Рцмкорсра (0,5-1 дж)
Г\^__
2,5 5,0 7,5 /0.0
Содержание О^, объели %
-
родом при атмосферном давлении. р
найдено, что при атмосферном
давлении ацетилено-кислородные смеси, содержащие более
85—93,5% С2Н2, не воспламеняются. Данные значения
концентраций были приняты за верхний предел
распространения пламени. Однако наличие верхнего предела для ацети-
лено-кислородной смеси исключает возможность горения
чистого ацетилена при атмосферном давлении. Появление
верхних пределов распространения пламени объясняется
[45—47] тем, что в опытах, описанных в работах [168—171],
для зажигания смесей применялись источники
инициирования, энергия которых была недостаточной для
воспламенения смесей с большим содержанием ацетилена (вплоть до
чистого). Опыты проводили в сосуде емкостью 30 л,
диаметром 160 мм при зажигании емкостной искрой на
расстоянии 80 мм от торца трубы. Из рис. 56 следует, что верхнего
концентрационного предела для смеси ацетилен — кислород
при атмосферном давлении не существует, но энергия
зажигания ацетилена с увеличением содержания в нем
кислорода быстро и непрерывно уменьшается. Поэтому если
зажигать богатые смеси ацетилена с кислородом источниками
инициирования с энергией от нескольких долей джоуля до
МО

нескольких джоулей (а в этот интервал укладываются все
Обычно применяемые для зажигания горючих газовых
смесей источники инициирования типа индукционных искр от
катушки Румкорфа, нагревание тонких металлических
проволочек или спиралей и др.), то данными источниками
можно поджечь смеси ацетилена с кислородом при содержании
ацетилена не более 85—93%. Эти значения и были приняты
[168—171] за верхний предел горения ацетилено-кислородной
смеси.
Нижний концентрационный предел
при атмосферном давлении
Значение нижнего концентрационного предела для смеси
ацетилена с кислородом определялось в открытых и
закрытых трубах, в сосудах различной емкости при
горизонтальном и вертикальном распространении пламени [168—171].
Данные довольно хорошо согласуются одно с другим. При
движении пламени в горизонтальном направлении предел
равнялся 2,4—2,6%, в вертикальном снизу вверх — 2,3%, в
сосудах с .зажиганием в центре 2,0—2,4%, в вертикальном
сверху вниз 2,45—3,1%. Таким образом, при работе с аце-
тилено-кислородными смесями значение нижнего
концентрационного предела следует принимать равным 2% С2Н2.
Зависимость концентрационных пределов
от давления
Величина энергии зажигания чистого ацетилена при
давлениях ниже атмосферного измеряется сотнями джоулей
(стр. 37). Очевидно; для смесей ацетилена с небольшими
добавками кислорода следует ожидать величины Е такого же
порядка. Отметим также, что смеси ацетилена с кислородом
стехиометрического и близкого к нему состава
воспламеняются при давлении в несколько мм рт. ст. обычной
индукционной искрой, т. е. Е « 0,1—0,5 дж. Поэтому определение
зависимости концентрационных пределов от давления при
каком-то фиксированном и максимальном значении энергии
источника зажигания, как это делается обычно, в случае
смеси ацетилена с кислородом оказывается
нецелесообразным.
Авторами работ [45—47] с учетом изложенных выше
замечаний была использована следующая методика. Для
заданного состава смеси экспериментально определяли
зависимость энергии зажигания от начального давления (бомба
V = 0,4 л, d = 100, мм, зажигание в центре). Известно, что
кривая, выражающая эту зависимость, имеет плато, по
которому легко и точно определяется предельное давление
Ш

распространения пламени в смеси данного состава, а по месту
перехода кривой на плато — предельная (минимальная)
энергия зажигания, которая называется «насыщающей энер.
гией» для данного состава и давления смеси. При работе
по такой методике выполняется основное требование,
предъявляемое при определении пределов горения, — увеличение
энергии зажигания не приводит к смещению величины
предельного давления (плато). По экспериментально
полученным значениям предель-
*^ного давления для
различных составов смеси
строилась кривая
зависимости предельного
давления от состава, т. е.
определялись концентради-
онные пределы
распространения пламени.
На рис. 57 приведены
результаты измерений
энергии зажигания в
зависимости от давления
для смесей с
содержанием 15,20 и 25% О?.
Величина насыщающей
энергии зажигания резко
уменьшалась с
увеличением содержания
кислорода (3,5; 1,5 и 0,6 дж
соответственно) . Поэтому
при содержании в смеси
более 35% Ог для
зажигания применялась
индукционная искра с
постоо
\
V
/
/
2
/
2 3*4 5 6
Энергия зажигания, дж
180
4j
20
0,2 ОА 0,6 0,8 1,0
Энергия зажигания, дм
1,2
Рис. 57. Зависимость энергии
зажигания смесей от давления:
1-15
С2Н2; 2-20% 2
3-25% О2 + 75% С2Н2.
С2Н2;
р
янной энергией 0,2 дж.
На рис. 58 показана
зависимость предельного
давления
распространения пламени от состава ацетилено-кислородной смеси.
График построен по значениям предельного давления для смесей,
содержащих 15, 20 и 25% С2Н2 (см. рис. 57), и значениям,
полученным в результате непосредственного определения
предельного давления, в зависимости от состава смеси при
источнике зажигания с постоянной энергией 0,2 дж. Для
смеси ацетилен — кислород нижний концентрационный предел
распространения пламени, величина которого практически не
зависит от давления, равен 2,5% С2Н2, т. е. совпадает со
значениями, определенными при атмосферном давлении.
112

При содержании в смеси от 45 до 90% кислорода
предельное давление остается практически постоянным и
равным ~ 2 мм рт. ст. Вне этой области предельное давление
быстро увеличивается, особенно резко на нижнем пределе.
Минимальное значение давления 1,4 мм рт. ст.
наблюдается для стехиометрической и близких к ней составов
смеси. Левая ветвь рассматриваемой кривой, не имеющая
асимптоты, не характерна для смесей углеводородов с
кислородом, у которых существует верхний концентрационный
предел горения. Очевидно, что зависимости такого вида следует
ожидать для горючих
систем, где одним из ком- 500*
понентов является
вещество, подобное ацетилену
(например, озон,
гидразин), в котором
возможно самопроизвольное
распространение пламени.
Сравнение полученных
значений
концентрационных пределов
распространения пламени ацетиле-
но-кислородной смеси
(см. рис. 58) с
аналогичными величинами для
других горючих газовых
смесей показывает нали-
Обласгпь воспламенения
спеси СоНо +О
20 ЬО 60 80 97,5100
Содержание О2, объемн. %
Рис. 58. Зависимость предельного
давления распространения пламени от
состава ацетилено-кислородной смеси.
чие у смеси ацетилена с кислородом самых широких
концентрационных пределов распространения пламени (2,5—100%)
и самого низкого (0,9 мм рт. ст.) предельного давления
горения [12]. v
КРИТИЧЕСКИЕ ДИАМЕТРЫ ГАШЕНИЯ ПЛАМЕНИ И ДЕТОНАЦИИ
Влияние давления и состава смеси
Критические диаметры гашения пламени в ацетилено-
кислородных смесях определялись в работах [172—174].
Величины критического диаметра уменьшаются при увеличении
давления смеси. Наименьшие критические диаметры
соответствовали стехиометрическому или близкому к нему
(богатому) составу смеси.
Влияние давления на критические диаметры гашения
пламени смеси стехиометрического состава показано на рис. 59
[172], Максимальный зазор между двумя параллельными
пластинами, при котором наступало гашение пламени,
определили равным 1,68 мм лля начального давления 11 мм рт ст
[173]. н
8 Зак. 100
ИЗ

В. Ф. Заказнов [174] исследовал возможность распро.
странения пламени в закрытых и открытых трубах с насад,
кой из пористой металлокерамики. Насадка разделяла тру.6
бу на две неравные части (1 : 10). Труба располагалась вер-
тикально. Смесь поджигали в нижней меньшей части трубы
Давление во время опыта повышалось, поэтому измеренные
величины dKp меньше истинных для данного начального дав-
ления. Размер каналов насадки определяли
экспериментально по методу продавливания воздуха через образец, погру.
женный в жидкость.
Ниже приведены значения критического диаметра
гашения пламени ацетилено-кислородных смесей при
использовании насадок высотой от 5 до 20 мм:
Содержание С2Н2 в горючей
смеси
объем и. %
50
33,3
33,3
5,8
р
ат
0,5
2,0
4,0
1,0
"кр
мм
0,15
0,04
0,02
0,37 ^
* В открытой трубе.
Опытами В. Ф. Заказнова [174] показано, что при
одинаковых начальных параметрах смеси гашение детонационной
волны и пламени возможно
пористыми насадками с
одинаковыми каналами. Это
объяснено разрушением
детонационной волны на входе
в насадку.
По данным работ [172,
174], в которых опытысаце-
тилено-кислородными
смесями проводились
параллельно с измерением гасящих
диаметров для других
горючих газов, смеси ацетилена
с кислородом обладали
наименьшими гасящими
диаметрами.
Для стехиометрической
смеси водорода с
кислородом dKp = 0,05 мм при
давлении 5,3 ат, а для смеси С2Н2 + 2О2 dKP = 0,02 мм при
давлении— 4,0 ат. При 0,15 ат стехиометрическая смесь С2Н2 +
+ 2,5О2 имеет dKp = 0,8 мм, а стехиометрические смеси
этилена и пропана с кислородом —1,8 и 4,0 мм
соответственно.
I'
I,
N
\
Y
\
-—&
\
К
\
\
\
0,05
0,10 0,15 0,20
Давление, am
0,25
Рис. 59. Зависимость величины
критического диаметра распространения
пламени в кислородных смесях
ацетилена (/), этилена (2) и пропилена (3)
от давления.
114

ВЗРЫВЫ СМЕСЕЙ ТВЕРДОГО АЦЕТИЛЕНА С ЖИДКИМ
КИСЛОРОДОМ
Взрывоопасность системы твердый ацетилен — жидкий
кнслород изучалась в работах [175—181]. Пристальное
внимание исследователей к этой системе связано с
многочисленными взрывами воздухоразделительных аппаратов. Было
предположено, что это происходит в результате попадания и
накопления в установках ацетилена или других
углеводородов. При температуре жидкого кислорода ацетилен
находится в твердом состоянии и образует с кислородом суспензию.
Обладая очень низкой растворимостью в жидком
кислороде (5,2 • 10~4 объемн. %) и незначительным давлением пара
над твердой поверхностью (14-10~5 мм рт. ст.) ацетилен
практически не уносится из аппарата и накапливается в
отдельных местах установки [105]. Система из твердого
ацетилена и жидкого кислорода при наличии совершенно
незначительных инициирующих импульсов взрывается.
Количество энергии, которое выделяется при этом на единицу
объема, примерно в 3 раза больше теплоты взрыва тротила.
Бризантность приближается к взрывам мощных
конденсированных ВВ.
Инициирование взрыва
Твердый ацетилен в жидком кислороде взрывался от
удара, искры, воздействия ударной волны.
Политцер [180] наблюдал взрывы смеси в закрытом
сосуде от толчков и ударов жидкости о дно. Карват и Клин
[178, 179] изучали чувствительность смеси к удару на
специальном копре. Ацетилен в количестве 10 см3
конденсировали $ чашечке на стеклянном порошке и затем добавляли
0,6 мл жидкого кислорода. Удар проводился падением груза
с различной высоты. Результаты опытов представляли в виде
Таблица 24
Чувствительность смесей углеводородов
с жидким кислородом к импульсу давления
Вещество
G2H2
С2Н4
С4Н10
СН4
Рллтлормр
V-*Uc- X U И xlrlc
системы
Суспензия
»
Раствор
Давление разрыва
диафрагмы
ат *
7,2
17,7
19,0
26,3
Давление
при отражении
ат
11,8
22,5
23,5
29,5
взрыв
Минимальное значение давления, при котором наблюдался
115

30
I
I
!
h
'/
графической зависимости между высотой падения груза
вероятностью взрыва, выраженной отношением числа взрЬ1
вов к числу произведенных ударов (рис. 60). Из восьми Ис
пытанных углеводородов ацетилен обладал наивысшей чув*
ствительностью. Чувствитель
ность повышалась при
добавлении небольших количеств озона
3. Б. Басыров [175—177] ис*
следовал чувствительность смеси
к воздействию импульса
давления. Опыты проводили в сосу,
де емкостью 93 см3, диаметром
18 мм. Импульс давления полу,
чали от разрыва диафрагмы в
ударной трубке (rf= 18 мм), по-
мещенной над сосудом. По смеси
распространялась ударная
волна, давление которой увеличива-
Ik
-и
ii
Щ
л
/ 2,
/ ^
кислородом к удару:
/-С2Н2; 2-С3Н4; 3-
4СН 5-С4Н3;
7-СзН8.
и Z5 50 75 юо лось в момент отражения от дна
вероятность 6зры6а,°/о сосуда и измерялось крешерным
прибором. Смесь приготавлива-
Рис. 60. Чувствительность сме- чЛаСь барботированием ацетилена
^ ГсГрДоОдРо°мОкВуСларТКИМ в кислород. Результаты эксперн-
ментов представлены в табл.
24.
В отдельных опытах ацетилен
намораживался на стенки
сосуда. Чувствительность системы твердый ацетилен (на стенках
сосуда) —жидкий кислород (в объеме) характеризуется
следующими значениями:
Толщина слоя С2Н2, мм 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0"
Давление разрыва
диафрагмы,, ат 101,0 68,5 37,0 12,5 17,5
Чувствительность суспензии твердый ацетилен — жидкий
кислород к импульсу давления при различных составах
показана на рис. 61. Нетрудно видеть наличие нижнего
предела взрыва, равного 2,3 вес.% С2Н2. Важно отметить, что если
пересчитать предельный состав исследованной суспензии на
состав этих веществ в газообразном состоянии, то значение
предельного состава суспензии близко совпадет с величиной
нижнего предела для газообразной ацетилено-кислородной
смеси при атмосферном давлении. Если вместо О2
использовать жидкий воздух или СО2, чувствительность системы
снижается (табл. 25),
3. Б. Басыров количественно установил влияние
небольших добавок озона на «самопроизвольный взрыв» смеси аце-
116

Влияние разбавления N2 (жидкий воздух) и СО2
на чувствительность ацетилено-кислоро/той смеси
Таблица 25
Компоненты системы
Состав смеси газов
(барботированных)
Давление разрыв
диафрагмы *
ат
С2Н2, СО2, жидкий кислород
С2Н2, СО2, жидкий кислород
С2Н2> СО2, жидкий кислород
С2Н2, жидкий воздух
75% С2Н2 + 25% СО2
50% С2Н2 + 50% СО2
25% С2Н2 + 75% СО2
С2Н2
22,5
27,0
31,0
30,0
* Минимальное значение давления, при котором наблюдался взрыв системы.
тилена с кислородом. При барботировании смесей
кислорода с озоном, с содержанием последнего 2%, в суспензию
о—Дцетилен
© -Этилен
л — Пропилен _
д— метан
в — Пропан
и—Бутан
5 10 15 20 25
Содержание С2Н2, Вес.%
30
Рис. 61. Влияние состава смесей углеводородов
с жидким кислородом на чувствительность
к воздействию импульса давления {po=l am;
/?-* давление разрыва диафрагмы над смесью).
ацетилена в жидком кислороде происходил взрыв через
30 сек после подачи газа. Для взрыва других углеводородов
требовались большие количества озона. Таким образом, при
наличии в кислороде озона, даже в незначительных
количествах, вероятность взрыва системы резко увеличивается,
поскольку для начала реакции достаточно локального
повышения концентрации О3.
117

80
SO
I
1
1-
Критические диаметры детонацИи
Критические диаметры для распространения детонац^
в смесях твердого ацетилена с жидким кислородом опреде.
лялись в работе [177]. Установлено, что значение критическо.
го диаметра зависит от соста-
ва смеси. Результаты измерь
ний показаны на рис. 62 и в
табл. 26.
Устойчивая детонация
смесей ацетилена с кислородом
наблюдалась в трубках (d =
3,5 мм), критический диаметр
которых лишь немного больше,
чем у нитроглицерина.
Детонационная способность смеси
снижалась приуменьшении
количества ацетилена. Характер
кривой (см. рис. 62) четко по-
20 4/7 60 80 100
Содержание С2Н2, Вес. %
Рис. 62. Зависимость критических
диаметров детонации от состава
смеси ацетилена с жидким
кислородом (р0 — 1 am).
казывает наличие нижнего
концентрационного предела
детонации (2,3% СгН2), так как
вблизи предела величина критического диаметра трубы резко
возрастает.
Таблица 26
Критические диаметры детонации в конденсированных системах
Вещество
Нитроглицерин
7096 С2Н2-Ь30% О2
Гексоген
Твердый ацетилен
Тротил
Ламповая сажа и
жидкий О2 *
Состояние
системы
Жидкость
Суспензия
Твердый
»
»
Суспензия
Размер
зерна, мм
_
—
0,45
—
0,5
Плотность
заряда
г/сжз
1,6
0,85
1,0
- 0,6
1,0
1,3
%.' мм
2,0
3,5
5,5
6,2
28,0
39,0
Плотность сажи 0,2 г/см3.

ГЛАВА IV
ВЗРЫВНЫЕ СВОЙСТВА
АЦЕТИЛЕНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
Ацетилен легко вступает в реакцию с кислородом
воздуха. При сгорании смеси стехиометрического состава
С2Н2 + 2,5 (О2 + 3,76N2) - Н2О + 2СО2 + 9,4N2
выделяется 25,1 ккал/моль смеси. Этот состав соответствует
содержанию ацетилена J7,72 объемн. %. Тепловой эффект
реакций любых смесей ацетилена с воздухом меньше, чем
g m
11 го
!\
20 40 SO 80 92,28 ЮО
Содержание воздуха, обьемн. %
Рис. 63. Зависимость теплового эффекта
реакции С2Н2 + воздух от состава смеси.
тепловой эффект реакции распада чистого ацетилена
(рис. 63). Нетрудно видеть некоторую аномальность по
сравнению с другими горючими составами—максимальный
тепловой эффект смеси не соответствует стехиометрическому
составу. Однако, как будет показано ниже, максимальная скорость
реакции, минимальная энергия зажигания и другие
экстремальные параметры соответствуют стехиометрическому
составу смеси. Ацетилено-воздушная смесь является одним из
немногих примеров смесей, для которых эти параметры и
максимальный тепловой эффект реакции не совпадают.
Смеси ацетилена с воздухом относятся к наиболее быстро
горящим и взрывоопасным топливо-воздушным газовым
смесям. В практике образование ацетилено-воздушных смесей
возможно при случайных утечках или подсосах,
наблюдающихся при получении, транспортировании и переработке
ацетилена. Значительная часть аварий, особенно при работе
с ацетиленом низкого давления, связана со взрывами
именно этих смесей.
119

САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ
(ЗАЖИГАНИЕ)
Температура самовоспламенения.
Влияние состава смесей и давления
Влияние состава смеси и давления на температуру
самовоспламенения исследовалось в работах [20, 123]. Опыты
проводились в кварцевой бюретке объемом 131 смгу
диаметром 1,7 см, часть которой (7з длины) нагревалась.
Ниже приведена зависимость температуры
самовоспламенения смеси ацетилен — воздух от концентрации и
давления (см. также табл. 27):
Содержание С2Н2,
объемы. % ...
тсв, °с
Содержание С2Н2
объемы. 96 . .
Гсв, °С
7,15 9,75 14,24 22,62 30,58 37,1
470 380 345 315 305 305
38,4
305
52,0
312
60,4
310
68,60
305
74,4
305
Таблица 27
Зависимость температуры самовоспламенения
ацетилено-воздушной смеси
от концентрации и давления
Содержание С2Н2
объем н. %
70
80
84
88
91
95
100
1,0 ат
330
331
340
419
576
590
632
Темпертура
(в °С)
1,35 ат
325
326
330
415
548
558
582
самовоспламенения
при давлении
1,7 ат
316
320
325
410
525
537
550
2,05 ат
307
315
320
406
515
542
538
Минимально зарегистрированная температура
самовоспламенения при атмосферном давлении составила 305°С.
Наименьшие температуры наблюдались при содержании
ацетилена 23—75%, т. е. для богатых смесей. Температура
самовоспламенения стехиометрической смеси примерно в 1,5
раза выше, чем минимальная температура. Температура
самовоспламенения увеличивается при значительном обогащении
смеси ацетиленом. Отметим, что резкий подъем температуры
самовоспламенения наступает при содержаниях ацетилена
больше 84%. При увеличении давления температура
самовоспламенения снижается (см. табл. 27).
Некоторые авторы отмечали значительное снижение
температуры самовоспламенения с увеличением давления [124].
120

\\г рис. 64 приведена зависимость температуры
самовоспламенения от давления при адиабатическом сжатии ацети-
лено-воздушной смеси состава 1:1. В ряде работ по
исследованию кинетики реакции ацетилена и кислорода воздуха в
ударных трубах и потоковых установках самовоспламенение
наблюдали при 700—1400° С, давлениях 50—200 мм рт. ст.
w задержках начала взрывной реакции 0,5—10 мсек.
Адиабатическое сжатие ацетилено-воздушных смесей с
содержанием 25—93% С2Н2 при начальной температуре 84° С
и давлении от 16 до 156 ат и от 41 до 118 от за 0,1 сек не
приводило к самовоспламенению. Аналогичный результат
II
II
250
\
---—.
Ю 15
Давление, am
20
Рис. 64. Влияние давления на температуру
самовоспламенения при адиабатическом
сжатии ацетилено-воздушной смеси состава
I : I (объемн.).
наблюдали при сжатии смеси за 0,5 сек от начального
давления 6 ат до 54 ат и от начального давления 20 ат до 67 ат
[130—132].
Маллинс и Вольфгард [182, 183] исследовали возможность
воспламенения ацетилена при впрыскивании в него потока
нагретого воздуха. Воспламенение наблюдалось при
температуре воздуха 700° С и выше. Задержка воспламенения
составила 0,5 мсек (р = 0,9 ат, Т = 700° С) и 7 мсек (р =
= 0,3 ат, Т = 850°С).
При впрыскивании в азот струи стехиометрической смеси
ацетилена с воздухом воспламенение наблюдалось при
752° С [184].
Энергия зажигания. Зависимость
от состава смеси и давления
Стехиометрическая смесь ацетилена с воздухом
воспламеняется при атмосферном давлении искрой энергией (1,8—
2) Ю'5 дж [186]. Это значение примерно в 10—15 раз меньше,
чем величины энергии, необходимые для зажигания любых
других углеводородо-воздушных смесей. По данным [100,
121

204], смеси с содержанием 3—4% С2Н2 очень реакционно-
способны и воспламеняются от искр трения и разрядов
статического электричества, которое может накапливаться на
теле человека.
Смит и Хичкот [185] подробно исследовали
воспламенение смесей воздуха с небольшим содержанием ацетилена от
индуктивных искр, возникающих при' размыкании
низковольтной аппаратуры. Определялся минимальный ток /
размыкания в цепях различной индуктивности L, при котором
происходило воспламенение смеси (смесь постоянного
состава с содержанием 8,7% С2Н2):
L, гн 1,5 1,06 0,45 0,20 0,095
/, а 0,006 0,017 0,027 0,041 0,063
L, гн 0,0422 0,00185 0,00435 0,0008 0,0001
/, а 0,084 0,135 0,3 0,73 2,0
Ниже показано также влияние состава смеси при
постоянной L = 0,095 гн:
Содержание С2Н2,
объемы. 96 .... 3,5 5,0 6,0 7,1 7,7
/, а 0,165 0,099 0,075 0,069 0,069
Содержание С2Н2,
объемы. 96 .... 8,7 9,1 10,2 12,5 15,4
/, а 0,063 0,068 0,063 0,075 0,111
Фенн [186] определил влияние состава смеси на энергию
зажигания при атмосферном давлении:
Содержание С2Н2, объемы. 96 7,73 5,8 5,0
Е, дж . . " 2-10"5 3,7-10~5 4,4-10~5
Минимальная энергия зажигания (Е = LP/2)
соответствовала смесям стехиометрического и несколько богатого
состава.
При уменьшении давления ниже атмосферного энергия
зажигания увеличивается [186, 187]:
р, ат . . . 1,0 0,5 0,25 0,1 0,04
Е*,дж. . 1,8-10~5 8-Ю""5 3,5 • 10~4 2,6 • 10~3 9,5-10"3
* Смесь стехиометрического состава.
При давлении 100 мм рт. ст. получены следующие
величины для энергии зажигания:
Содержание С2Н2,
объемы. 96 .... 4,8 6,2 9,2
Е, дж 2Л-10"3 1,9-10"3 2,5 • 10"3
Влияние скорости движения смеси на возможность ее
воспламенения видно из следующих данных [1].
Воспламенение ацетнлено-воздушной смеси стехиометрического состава
122

>
_у
У
1 \
УЛ
/
2Г\
У>
\
4
VI
w
\
-5
\
и
\\
г1рИ 7о = 68°С и скорости потока 50 м/сек наблюдается при
нагревании в смеси металлического стержня до 815° С, а при
скорости потока 60 м/сек — до 1050° С.
Энергия зажигания ацетилено-воздушных смесей в
широком интервале изменений концентраций (составов) и
давлений приведена в работах [45—48]. Опыты проводили в
трубах диаметром 160 мм,
объемом 30 или 6,5 л и
инициировании разрядом емкости через
электроды, введенные в сосуды
на расстоянии 80 мм от торца
трубы (рис. 65). В табл. 28 и
29 приведены значения
энергии зажигания
ацетилено-воздушных смесей в зависимости
от состава и давления.
Разбавление ацетилена
воздухом до 5% практически не
меняло величины энергии
зажигания. Однако при
дальнейшем увеличении содержания
воздуха наблюдалось сначала
повышение, а затем спад
величины энергии зажигания.
Смесь с содержанием 23,5% и ю 20 зо w so
воздуха имела энергию зажи- содержание Воздуха, объепн. %
Гания, равную энергии для
чистого ацетилена при том же
давлении.
Максимальное значение Е
наблюдается при всех
давлениях у смесей, содержащих
17,5% воздуха. При содержании в смеси более 23,5%
воздуха энергия зажигания быстро уменьшается. Более высокие,
чем у чистого ацетилена, энергии зажигания смесей с
содержанием воздуха до 23,5% были подтверждены
экспериментально до давления 13 ат. При этом использовалась смесь с
содержанием ~17% воздуха.
Опыты проводились в стальной бомбе объемом 0,4^ л,
диаметром 100 мм, смесь зажигалась емкостной искрой в
Центре сосуда. Смесь приготавливали из расчета 1 объем
воздуха на 5 объемов ацетилена (16,7% воздуха). Газовый
анализ состава смеси показал отклонения от расчетного
состава не более чем на 1,2%. На рис. 66 приведены
результаты измерений энергии зажигания указанной смеси в
зависимости от давления. Для сравнения на графике
показана кривая зависимости энергии зажигания от давления для
123
то
юоо
900
800
700
600
500
иоо
'. 300
200
/00
о
Рис. 65. Зависимость энергии
зажигания ацетилено-воздушных
смесей от состава и давления:
/ — 1,0 ат\ 2 - 0,9 ат\ 3 - 0,8 ат\ 4 - 0,7 ат\
5 — 0,65 ат\ 5 — 0,58 ат.

чистого ацетилена. В интервале давлений 0,7—13 ат энер.
гия зажигания смеси с ~17% воздуха в 1,5—2,5 раза в
чем у чистого ацетилена.
1
Г
I
f,5
ЬО
0,8
0,65
\
к
%г
\\
"v
^s
\
\
к.
4
A
10'
10'
10
-2
10'
10
10е
103
Энергия зажигания, дж
Рис. 66. Зависимость энергии зажигания ацетилена и аце-
тилено-воздушной смеси (16,7 ± 1,2% воздуха) от давления:
/ — С2Н2 + 16,7% воздуха; 2 — чистый С2Н2.
Таблица 28
Зависимость энергии зажигания
ацетилено-воздушных смесей
от состава (С2Н2 = 100-65%) и давления (/?=!—0,6 ат)
Содержание
с2н2
объемн.
%
100
95
90
85
80
75
70
65
1,0 am
100
100
135
225
210
80
40
—
Энергия зажигания в (дж) при давлений
0,9 am
220
220
290
390
385
175
100
25
0,8 am
400
410
465
565
560
310
175
45
0,7 am
620
620
695
815
■ 765
470-
255
70
0,6 am
_
—
—
—
—
480
140
124

Таблица 29
Зависимость энергии зажигания
ацетилено-воздушных смесей
от состава (С2Н2 = 60—5%) и давления (/?=500—5 мм рт, ст.)
Содержание
С2Н2
объемн. %
60
60
60
50
50
50
45
45
45
р
мм рт. ст.
500
400
360
500
350
220
300
200
140
Е
дж
13
22
30
3
5
13
0,8
1,7
3,12
Содержание
С2Н2
объемн. %
30
30
30
25
25
25
15-J-5
15-5-5
15ч-5
р
мм рт. ст.
47
12
5
4,5
12
5
45
12
5
Е.
дж
0,4
0,5
2,0
0,4
0,5
1,13
0,4
0,5
1,1
400
700
600
10 20 30
Содержание О2, N2
или Воздуха, объемн. %
Рис. 67. Энергия зажигания
ацетилена с добавками
азота (1)у воздуха (2) и
кислорода (3) при атмосферном
давлении.
■--
—'
J
\
J
о/
1
I
300 70 '~W~"~W ЮО
Содержание С2Н2, объемн. %
Рис. 68. Зависимость
температуры самовоспламенения от
состава ацетилено-кислород-
ной смеси при атмосферном
давлении.
Необычное влияние небольших добавок воздуха на
энергию зажигания ацетилена было объяснено данными,
полученными в параллельных экспериментах с кислородом и
азотом. Из рис. 67 видно, что любые небольшие добавки
кислорода к ацетилену резко снижали энергию зажигания, в то
время как разбавление азотом также быстро и непрерывно
Увеличивало необходимую величину энергии.
125

В ацетилено-воздушной смеси кислород и азот воздуХа
оказывают противоположное действие на энергию зажигания
Ввиду их объемного соотношения 1:4 азот, как инерт!
ный разбавитель, оказывает более сильное действие, чеХ]
кислород, способствующий воспламенению. При содержании
в смеси до 10% воздуха экспериментальный ход кривой д0.
вольно хорошо соответствует расчетному, полученному Из
двух других зависимостей, т. е. действие кислорода и азота
воздуха подчиняется правилу аддитивности. Отметим еще
раз, что тепловой эффект
реакции любых смесей ацетилена с
воздухом меньше, чем теплота ра-
спада чистого ацетилена, а
температура самовоспламенения аде-
тилено-воздушных смесей сильно
увеличивается при содержании в
смеси менее 20% воздуха.
Причем скорость роста температуры
самовоспламенения имеет
максимум при содержании около 10—
12 объемн. % воздуха (см. табл.
27 и рис. 68).
На рис. 69 показано измене-
ние видимой скорости пламени в
зависимости от содержания в
ацетилене кислорода, воздуха и азо-
1 3
к
1
1г
I'
/
-3
У
/
/
/
Ю 20 30
Содержание Ог, N2
или Воздуха, объемн. %
Рис. 69. Видимая
пламени в смесях ацетилена
с азотом (/), воздухом (2) и
кислородом (3).
скорость та^ Характер полученных кри-
вых качественно соответствует
характеру влияния этих добавок
на энергию зажигания,
Увеличение содержания кислорода приводит к возрастанию скорости
пламени по сравнению с чистым ацетиленом, добавление
азота — к понижению скорости, влияние добавок воздуха —
сначала к понижению, а затем росту скорости пламени.
Таким образом, ввиду большей величины энергии,
необходимой для зажигания, меньшей скорости распространения
пламени, меньшего теплового эффекта, большего или
примерно равного значения предельного давления для
распространения пламени, чем соответствующие параметры чистого
ацетилена, смеси ацетилена с воздухом при содержании
последнего до 23,5% следует считать не более взрывоопасными,
чем чистый ацетилен при тех же давлениях.
Этот вывод представляет определенную практическую
важность и позволяет, на наш взгляд, изменить
сложившееся мнение об опасности попадания в ацетилен небольших
количеств воздуха.
126

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ И ДЕТОНАЦИИ
Нормальная скорость горения.
Влияние состава и давления
Влияние состава смеси на скорость горения ацетилено-
воздушных смесей при атмосферном давлении
исследовалось в работах [14, 133, 134, 188—193]. Несмотря на
различие методов определения нормальной- скорости пламени
(труба, сопло, горелка Бунзена), данные всех
исследователей удовлетворительно согласуются.
Ниже показана зависимость величины нормальной
скорости пламени от состава смеси (см. также рис. 70):
Содержание С2Н2
объемы. % ...
UH, см/сек ....
Содержание С2Н2
объемы. % ...
а*
UHf см/сек ....
2,71
0,33
8
3,47
0,43
25
4,35
0,54
50
5,21
0,66
80
6,28
0,8
107
7,01
0,9
130
7,73 8,44 9,14 9,48 9,82 10,5
1,0 1,1 1,2 1,25 1,3 1,4
144 151 154 159 154 152
* а = О2 (стех.)/О2
Максимальная величина £/н соответствовала составу
смесей, содержащих 9—11,5% С2Н2.
Величина нормальной скорости горения ацетилено-воз-
душных смесей, равная 120—155 см/сек, примерно в 1,5—
3 раза больше, чем соответствующие величины для других
углеводородо-воздушных смесей [17].
В работе [194] описано измерение нормальной скорости
горения по методу бомбы постоянного объема (рис. 71).
Величина ия определена по фоторегистрациям движения
пламени и записям повышения давления.
Таблица 30
Влияние разбавителей на величину скорости
распространения пламени

Газ-разбавитель
N2
Аг
Не
СО2
7 -
116
162
—
—
Скорость распространения
при содержании С2Н2
8
131
179
288
—
9
147
200
315
—
10
153
217
335
39
пламени (в м/сек)
объемн. %
11
156
228
336
41
12
150
225
332
—
13
140
196
305
—-
127

При увеличении температуры нормальная скорость ла.
мени непрерывно возрастала во всем исследованном диапа-
зоне давлений.
170\
/
/
/
/
т
к
Г
Г
II
/Г"
'//
п
-5
\
К
\\
1\
W
\
\
130
ПО
100U 6 8 10 12 1й 16
Содержание С2Н2, объемн. %
Рис. 70. Нормальная скорость
горения ацетилено-воздушных смесей:
По данным: !-[!33]; 2 -[188]; 3 —[192];
4-1189]; 5-[190]; 5-191].
6 8 Ю 12 14
ДаВление, am
Рис. 71. Зависимость нормальной скорости
горения ацетилено-воздушных смесей от давления и
температуры.
Нормальная скорость пламени увеличивается при турбу-
лизации исходной смеси [195], а также при вынужденных
колебаниях с частотой около 2000 гц [196].
Замена азота воздуха на аргон и гелий [197] приводила
к увеличению нормальной скорости пламени, а на СО2 — ь
резкому снижению (табл. 30),
128

Особенно сильное влияние на скорость пламени оказы-
вает замена азота на гелий. Нормальная скорость пламени
увеличивается при этом более чем вдвое. Замена N2 на СО,
уменьшила нормальную скорость пламени почти в 4 раза. "
Нормальная скорость пламени ацетилено-воздушных
смесей, согласно данным многих исследователей [132, 138—141],
очень слабо зависит от давления
(уменьшается с увеличением р) или не
зависит совсем.
В отдельных работах [132, 198] от-
мечается слабая зависимость нормаль-
ной скорости пламени от давления.
Например, в работе [132] для стехиомет-
рической смеси найдено:
1.3
t
\
ч
ч
' 2.2 2,i* 2,6
Ig p (mm pm. cm.)
2,8
Здесь n = (-)0,2l -s-(-)0,58.
Рис. 72. Нормальная
скорость горения ацетилено-
воздушной смеси при
давлениях
200-500 мм рт. ст.
зависимостью с
При давлениях 5—Ю мм рт. ст. п^(—)1.
В интервале давлений 200—500 мм
рт. ст. изменение нормальной скорости
горения смеси с 5% С2Н2 с
увеличением давления описывается аналогичной
п = — 0,4 (рис. 72).
Температура пламени
Температура пламени стехиометрической ацетилено-воз-
душной смеси, определенная методом обращения
спектральных линий натрия, равна (2210 ± 7)° К [152].
Измеренные по этому методу температуры горения
смесей [12, 199] при атмосферном давлении зависели от состава
смеси следующим образом:
N2/N2 + С2Н2 + О2. объемы. % 71 73 76 79 81
Тт, °К 2480 2398 2295 2168 2070
При давлении 40 мм рт. ст. стехиометрические и близкие
к ним по составу смеси имели температуру горения 1780—
2000° К [12].
Ниже приведены расчетные значения температуры
горения в зависимости от состава смеси и давления [1,12]:
р, мм рт. ст. . .
о2/с2н2 ....
тГ, °к
304
8,0
2350
760
2,5
2523
760
1,87
2573
Видно, что температура пламени даже очень бедных
смесей высока. Температуры пламени по данным [200, 201]
приведены в табл. 31 и 32.
9 Зак. 100
129

Таблица
Температура пламени смесей ацетилена с воздухом
в зависимости от состава и давления
Р, ат
0,01
од
1,0
Температура пламени (в °Ю при содержании С2Н2, объемн. %
2,71
1346
1346
1346
3,46
1596
1597
1597
4,31
1852
1863
1867
5,52
2066
2115
2145
6,41
2197
2300
2385
7,73
2282
2412
2537
9,29
2339
2475
2604
11,17
2353
2484
2579
13,47
2315
24Ц
2472
Таблица 32
Температура пламени смесей ацетилена с воздухом,
содержащим 82,5% N2
Содержание
С2Н2
объемн. %
5,25
6,13
7,0
40
2010
1850
1725
Температура пламени (в °К)
мм рт. ст.
50
2016
1856
1729
60
2020
1860
1733
80
2029
1865
1738
при давлении,
90
1867
100
2035
1742
760
2087
1890
1750
Из приведенных выше экспериментальных и расчетных
значений следует, что температура пламени смесей
ацетилена с воздухом определяется составом смеси и очень слабо
зависит от давления. Максимальная температура пламени
соответствует богатым смесям с содержанием 9—10% С2Н2.
Величина максимальной температуры горения ацетилено-
воздушных смесей, равная при атмосферном давлении 2450 —
2600° К, на 100—400 градусов выше, чем соответствующие
величины для любых других углеводородо-воздушных
смелей [8, 12, 101].
Сажеобразование при горении
При горении ацетилено-воздушной смеси, содержащей
более 17—18% С2Н2, наблюдается появление сажи в
заметных количествах. По мере обогащения смеси выход сажи
увеличивается. Анализ^ сажи показывает, что в ее состав
входит 96,2% С, 0,8% Н2 и 3% О2 [101, 202]. При
исследовании структуры сажи установлено, что углеродные частицы,
размер которых составляет 0,01 — 1 мк, представляют
конгломерат из более мелких частичек углерода (20 А).
130

Интенсивное свечение пламени ацетилено-воздушных
смесей обусловлено излучением нагретых частиц сажи.
Температура сажевых частиц равна или несколько ниже
максимальной температуры пламени.
При исследовании коптящих ацетилено-воздушных
диффузионных пламен наблюдался выход сажи из пламени в
виде непрерывных струй, которые были названы сажевыми
полосами. Появление полос зависело от концентрации
ацетилена и происходило в определенных границах [103]. На
пределы сажеобразования диффузионных пламен сильное
влияние оказывает давление. При повышении давления
склонность ацетилено-воздушной смеси к сажеобразованию
увеличивается [203].
В предварительно перемешанных смесях влияние
давления незначительно [86].
Температура окружающей среды (воздух) для
диффузионных пламен или температура смеси в пламенах
предварительно перемешанных систем не оказывает заметного
влияния на пределы сажеобразования [205]. Следует
отметить, что содержание ацетилена в ацетилено-воздушной
смеси, равное ~17%, является пределом сажеобразования. При
этой концентрации наблюдается выделение сажи в заметных
количествах по всей поверхности фронта пламени. Горение
в узких трубах, щелях, горелках и др., когда имеют место
пристеночные эффекты (особенно при гашении пламени),
сопровождается появлением сажевых частиц при
значительно меньшей концентрации ацетилена.
Переход горения в детонацию.
Скорость детонации. Преддетонационное расстояние
В трубах достаточно большой длины горение ацетилено-
воздушных смесей переходит в детонацию. Стационарная
детонация наблюдается в определенных пределах
концентраций и давления.
Бретон [153] определил концентрационные пределы
детонации при атмосферном давлении равными 4,2—50% С2Н2.
Однако, как показали более поздние исследования,
детонация возможна даже в чистом ацетилене при атмосферном
давлении (стр. 65).
В работе [14] приведены значения минимального
давления ацетилено-воздушных смесей, при которых возможно
самоускорение пламени с переходом в детонацию при
искровом воспламенении в трубе длиной 130 м и диаметром 18 мм
(рис.73).
В работе [158] приведена зависимость преддетонашюнно-
го расстояния от состава и давления при поджигании смесей
9* 131

ацетилена с воздухом индукционной искрой у торца трубы
длиной 3 м и диаметром 15 мм (t = 40°С):
Содержание С2Н2, объемы. % 5 7,75 10
Преддетонационное расстояние lD, см
при давлении 1 ат 84 — —
при давлении Ъ ат — 160 99
Зависимость скорости детонации от состава смеси при
атмосферном давлении показана на рис. 74 [153]. Скорость
детонации при давлении 1 и 5 ат по данным [158] приведена
ниже:
7,75
10
Содержание С2Н2, объемн. % 5
Скорость детонации D, м/сек
при давлении I ат 1450 1780 1860
при давлении 5 ат — 1900 1948
Образование сферической детонации наблюдалось
многими авторами [206—209]. Отмечено, что пределы детонации
зависят от вида и энергии источника зажигания, а также
аппаратных условий. При инициировании
капсюлем-детонатором сферическая детонация
возникала в пределах
концентрации ацетилена 8—19%
С2Н2 [209].
Скорость сферической де-
| тонации смеси, содержащей
800
|
Г"
\гоо
п
/
1
\
\
\
^/
yf
X
\
V
\
\
1
г
120
100
80
2500
60
I
II
6 8 10 12 14 16 18
Содержание С^Щ, объемн %
woo,
Рис. 73. Пределы перехода
горения в детонацию в смесях
ацетилена с воздухом (труба / = 30 л*,
d« 18 мм):
1 — нормальная скорость; 2 —
начальное давление
J0 tO 20 30 W 50
Содержание С2Н2, объемн.%
Рис. 74. Зависимость скорости
детонации в ацетилено-воздушной смеси
от состава при атмосферном
давлении.
12,5% С2Н2, в резиновом шаре диаметром 180 см составила
1980 м/сек [207]. Обогащение смеси кислородом (7,75% С2Н2
и O2:N2=1) приводит к увеличению скорости до 2075 и
2200 м/сек при содержании 90% О2 [161, 206].
Я. Б. Зельдович, С. М. Когарко и Н. Н. Симонов [210]
исследовали возможность образования сферической детонаций
132

при воспламенении смесей С2Н2 + 2,5О2 + xN2(x = 0,5—3,25)
от плоской детонационной волны, выходящей из трубки
малого диаметра в центр цилиндрического сосуда диаметром
305 мм. В этих опытах показано, что с увеличением
содержания азота в смеси растет диаметр плоской волны, при
некоторой величине которого возможен переход плоской волны
в сферическую детонацию. Например, при х = 3,25
минимальный размер трубки равен 19 мм; прч меньших
диаметрах сферическая детонация не возникала. В смеси,
содержащей 30% С2Н2, dmn = 17 мм (х = 0,835).
Давление при горении и детонации
Максимальную величину повышения давления pjpo при
горении ацетилено-воздушных смесей в закрытых объемах
можно вычислить из табл. 31, 32 по формуле
Рк
Ро
Л
То
пренебрегая изменением числа молей, которое для
рассматриваемых значений температур близко к нулю.
Ниже приведены значения pjpo при атмосферном
давлении и температуре 17° С в зависимости от состава:
Содержание С2Н2, объемы. %
рк/р0
2,71 3,46 5,52 7,73 9,29 11,17 13,47
4,65 5,5 7,4 8,73 9 8,9 8,53
Величины pjpo очень слабо зависят от /?о и могут быть
использованы для оценки повышения давления при любых
начальных давлениях смеси.
Буш [211] экспериментально
измерил повышение
давления в закрытом сосуде
емкостью 5 л при атмосферном
давлении и начальной
температуре около 20° С (рис.
75). Воспламенение смесей
проводили индукционной
искрой в нижней чвсти
бомбы, а емкостной датчик для
измерения давления
располагали в верхней части.
Вблизи нижнего
концентрационного предела
давление повышалось незначительно. С увеличением содержания
ацетилена давление увеличивалось. При наличии в смеси
более 30% QH2 давление не изменялось и составляло
12,5—13 ат.
ю
О
о
6
4
2
/
/
s
1
V
1
I
f-
if
i
2 3 и 5 В 8 Ю 20 30 ЬО 70
Содержание С2Н2, объемн.%
Рис. 75. Давление взрыва ацетилено-
воздушных смесей в закрытом
объеме.
133

Отметим, что кривая зависимости конечного давления при
взрыве от состава смеси имеет минимум. Аналогичные
исследования более пятнадцати различных газовых смесей по«г
казали, что минимум наблюдается только для воздушны*
смесей ацетилена и этилового эфира. Для остальных газов
кривая имела обычную колоколообразную форму.
Мансон [160] вычислил давление в детонационной волне,
распространяющейся при атмосферном давлении по смеси',
содержащей 16,7% С2Н2, которое оказалось равным 22 ат.
Превышение давления в точке Жуге над начальным опреде-
ляется примерно удвоенным давлением взрыва {рт^2рк)}
т. е. для смеси с содержанием С2Н2 2,7—13,47% рш « 9,3--'
18 ат.
При отражении от жесткой стенки давление рж
увеличивается также примерно в 2 раза: р'ж ^ 2(9,3— 18) ат.
ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ И ДЕТОНАЦИИ
Концентрационные пределы
при атмосферном давлении
Концентрационные пределы распространения пламени в
ацетилено-воздушной смеси изучались примерно двадцатью
исследователями. Причем первые исследования проведены
во второй половине прошлого века, а последние — в 1962—
1965 гг. Значения пределов определяли по
различным-методикам, в бомбах и трубах, при горизонтальном и
вертикальном распространении пламени. Величина нижнего
концентрационного предела для ацетилено-воздушных смесей по
данным шестнадцати авторов, результаты исследований которых
обобщены в монографиях [1, 65, 171], составляет 2,3—2,7%
С2Н2. Измеренные минимальная и максимальная величины
нижнего предела (2% С2Н2 и 3, 45% С2Н2) соответственно
следует считать в хорошем согласии между собой, поскольку
эти данные являются результатом полувековых
исследований, проводимых в совершенно различных условиях.
В противоположность этим данным значение верхнего
концентрационного предела по результатам примерно такого
же числа исследований изменяется от 48 до 92% С2Н2 [1, 65,
171]. Совершенно ясно, что реально существует только одно
значение концентрационного предела распространения пла-
мени, так как это физико-химическая характеристика смеси,
которая зависит не от способов определения, а только от
точности измерения. Понять причины столь значительного
расхождения и определить действительное значение
верхнего предела удалось в относительно недавнее время [45—48].
Опыты проводились в сосуде емкостью 30 л, диаметром
134

160 мм при инициировании мощными емкостными искрами
Экспериментально показано отсутствие верхнего предела
прй атмосферном давлении (предел равен 100% С2Н2 см
рис. 65). Любые другие значения предела объяснены либо
недостаточной энергией источника зажигания, либо
критическими размерами экспериментальных сосудов.
Напомним, что энергия, необходимая для зажигания
чистого ацетилена и смесей с небольшим содержанием
воздуха при атмосферном давлении, аномально велика по
сравнению ^ с другими горючими составами (см. рис. 65 и
табл. 28). Также аномально велики и критические диаметры
гашения пламени.
Поэтому, когда определяли верхний предел
распространения пламени ацетилено-воздушной смеси по методам и
способам, которые пригодны для других газовых смесей, без
учета названной выше специфики, то были получены не
значения верхнего предела, как такового, а пределы горения
при данном способе определения или пределы зажигания.
Из данных рис. 67 и табл. 28 нетрудно видеть, что в
зависимости от величины, используемой для зажигания
энергии, можно получить любые значения верхнего
концентрационного предела распространения пламени
ацетилено-воздушной смеси. Согласно большинству исследований,
величина верхнего предела равна 60—75% С2Н2. Это объясняется
тем, что для зажигания применялись наиболее
распространенные источники инициирования — индукционные искры,
пережигание и переплавление тонких металлических
проволочек. Энергия таких источников (0,5—20 дж) соответствует
минимально необходимой энергии зажигания ацетилено-воз-
душных смесей с содержанием именно 60—75% С2Н2.
Таким образом, для смесей ацетилена с воздухом при
атмосферном давлении не существует верхней безопасной
концентрации ацетилена, и любые смеси с содержанием ацети-*
лена более 2,3% С2Н2 необходимо рассматривать как
горючие и взрывоопасные.
Зависимость концентрационных пределов
от давления
Зависимость концентрационных пределов
распространения пламени в ацетилено-воздушных смесях от давления
исследовалась в работах [46—47]. Использовались сосуды
емкостью 30 л и 6,5 л, диаметром 160 мм и емкостью 0,4 л,
диаметром 100 мм. Воспламенение проводили емкостной
искрой. В связи с тем что для воспламенения смесей с
различным содержанием ацетилена (от 100 до 2,5%) и при
различных давлениях требуются энергии от долей джоуля до
135

Ш
^380t
X
'О 200 400 600 600 WOO
Энергия зажигания, дж
60Г
40
—о ■
/3
7
1
1
V
ю
I
§ 300
100О /5 30 45 60 и Т,5 3,0 4,5 6.0
Энергия зажигания, дж
Рис. 76. Зависимость энергии зажигания
ацетилено-воздушных смесей от
давления:
/-85% С2Н2 + 15% воздуха; 2-90% СгН2 + 10%
воздуха; 3 — чистый ацетилен; 4 — 75% C2H2 +
+25% воздуха; 5-70% С2Н2 + 30% воздуха;
5-65% С2Н2 + 35% воздуха; 7-60% С2Нг + 40%
воздуха; 5-50% С2Н2 + 50% воздуха; 0-45%
С2Н2 + 55% воздуха; /0-30% C2H2-f70%
воздуха -*■ 5% С2Н2 + 95% воздуха.
600
500
£ Ш
«^
* 300
!
§ 200
100
Область воспламенения
{/// смеси
ш
0 10 20 30 40 50 SO 70 80 97,5100
Содержание воздуха, объемн. %
Рис. 77. Зависимость предельного давления
распространения пламени от состава ацетилено-воздушной смеси.

1000 dw (стр. 38), была выбрана следующая методика
измерении.
Для данного состава смеси определялось предельное
давление распространения пламени по зависимости между
величиной энергии зажигания и давлением смеси (рис. 76)
Затем строилась кривая зависимости предельных давлений
распространения пламени от состава смеси (рис. 77).
В области составов и давлений, лежащих над кривой,
возможно воспламенение и распространение пламени.
Область под кривой соответствует безопасным концентрациям
и давлениям смеси. Абсолютное предельное давление, ниже
которого невозможно распространение пламени при любых
концентрациях, равно 5,0±2 мм рт. ст. Значение нижнего
концентрационного предела при атмосферном давлении,
полученное экстраполяцией, составляет 2,4 ± 0,2% С2Н2. В
работе [194] значение нижнего концентрационного предела
определялось при давлениях выше атмосферного и различных
температурах. Показано, что величина нижнего предела
равна 2,6% С2Н2 и не зависит от температуры и давления.
Верхний концентрационный предел для смеси С2Н2 — воздух
отсутствует. Минимальное давление, соответствующее
верхнему концентрационному пределу распространения пламени
ацетилено-воздушной смеси, является предельным давлением
распространения пламени в чистом ацетилене и составляет
0,65 ат (~490 мм рт. ст.). Увеличение предельного
давления при концентрациях воздуха 5—23% объясняется
преобладающим флегматизирующим
действием азота (стр. 125).
Отметим, что приведенная на |
рис. 77 зависимость, выражающаяся ^ юо
кривой без двух асимптот и имею- ^
щая максимум, является пока един- g
ственной в теории и практике горе- <|
ния. §
m
50
\
\
\
Критические диаметры
гашения пламени
/О 20 30 W
Критический диаметр, мм
Рис. 78. Критические
диаметры труб для ргхпростра-
нения пламени в смеси
ацетилена с воздухом стехио-
метрического состава.
На рис. 78 показана
зависимость критических диаметров
распространения пламени от давления
для стехиометрической смеси ацетилена с воздухом,
определенная по методу горелки [12]. Гашение пламени при
атмосферном давлении происходило в трубах d<X),12 мм. С
уменьшением давления размеры гасящих диаметров
увеличивались. Для давлений 100, 35 и 18 мм рт. ст. критический
диаметр равен 7,1, 21,4 и 35,9 мм соответственно.
13Г

Критический диаметр для стехиометрической ацетилено*
воздушной смеси при атмосферном давлении определен
также в работе [172] (0,16 мм). В. Ф. Заказнов [174] исследовал
условия гашения пламени ацетилено-воздушных смесей
различного состава в насадках из металлокерамики, сеток,
шаров и др. (табл. 33).
Таблица 33
Условия гашения пламени ацетилено-воздушной смеси
с2н2
объемы.
%
14
10
10
10
10
7,8
Критические
значения
р, ат
3,2
1,5
2,7
4,5
7,0
3,5
6, мм
0,36
0,59
0,37
0,06
0,09
0,30
Вид
насадки
Шары

Металлокерамика
То же
» »
Стеклоткань
Сетки
с2н2
/"\^tl О TV Л Ы
(JU Ъ"М п»
%
5
5
5
4
3,6
Критические
значения
р, ат
2,5
6,0
6,0
1,0
1,0
б, мм
0,72
0,3
0,3
5,04
4,2
Вид
насадки
Шары
Сетки

Металлокерамика
Шары
»

ГЛАВА V
ВЗРЫВЫ СМЕСЕЙ АЦЕТИЛЕНА
С РАЗЛИЧНЫМИ ГАЗАМИ
Для обеспечения безопасности при обращении с
ацетиленом, находящимся под высоким давлением и при
повышенной температуре, необходимо изучить возможность флегма-
тизации ацетилена различными инертными газами.
В ряде экспериментов были найдены безопасные составы
смесей для различных давлений и температур. При этом з
большинстве исследований зажигание смесей ацетилена
проводилось пережиганием или переплавлением тонких
металлических проволочек или индукционными искрами. При
применении недостаточно мощных источников инициирования
ацетилен и его смеси с другими газами не взрывались при
давлениях ниже 1,4 ат (стр. 143).
Как показано выше, чистый ацетилен и его смеси с
небольшим содержанием кислорода или воздуха требуют для
зажигания исключительно больших энергий. Смеси
ацетилена с инертными газами при невысоких давлениях
инициируются также трудно, но это не дает основания считать их
безопасными.
При описании в данной главе экспериментов по
исследованию взрывоопасное™ смесей ацетилена с различными
газами сделана попытка не только критически рассмотреть
допущенные неточности в научных исследованиях, но и дать
представление о способах и границах использования
накопленного экспериментального материала. Поясним
вышеизложенное примером. На рис. 79 приведена зависимость
(кривая /) предельного давления распространения пламени от
состава смеси ацетилен — азот по данным [33, 212]. В
области составов и давлений над кривой распространение
пламени в смеси возможно, ниже — отсутствует. Из графика
следует, что ниже давления 1,4 ат чистый ацетилен и любые его
смеси с азотом не горят, а при содержании 15% N2 смесь
безопасна до давления 2 ат.
Энергии зажигания смесей ацетилена с азотом
различных составов при атмосферном давлении приведены на
рис. 80. Смесь ацетилена с азотом невзрывоопасна только
при содержании азота более 18,5—19%, т. е. 81% ацетилена
является своеобразным нижним концентрационным пределом
распространения пламени при атмосферном давлении.
139

Учитывая, что предельное давление распространения
пламени в чистом ацетилене равно 0,65 ат и что для распр0.
странения в смеси содержание азота не должно превышать
юо
80
60
\
20
f
2
$<<
k
""*■'—■—
^
.—-
1
15-
*
2 U 6 8 Ю
Давление смеси, am
Рис. 79. Предельное давление
распространения пламени в смесях ацетилена с азотом:
1 — предельное давление распространения пламени;
2 — парциальное давление ацетилена; 3— рассчитанное
предельное давление распространения пламени;
4—предполагаемая зависимость парциального давления.
18,5—19%, имеется возможность (см. рис. 79) для
построения кривой, выражающей истинную зависимость
предельного давления от состава (сплошная часть кривой 3) и
парциального давления
ацетилена (сплошная часть
кривой 4) от предельного
давления смеси.
Характер
зависимости парциального
давления ацетилена от
предельного давления смеси
(см. рис. 79, кривая 4),
поскольку он отражает
степень флегматизации
при разбавлении азотом,
будет, вероятно, подобен
2
/?
1
oa W
\
\
\
\
О 200 400 600 800 /000 1200
Энергия зажигания, дж
Рис. 80. Энергия зажигания смесей
ацетилена с азотом при атмосферном
давлении.
экспериментально
определенному (см. рис. 79,
кривая 2). Исходя из
этого зависимость
предельного давления распространения пламени от состава смеси
находят простым пересчетом (см. рис. 79, кривая 3). Область
горючих составов и давлений расширяется. С увеличением
общего давления экспериментальная и расчетная кривые
сближаются. При давлении 8 ат разница составляет около
5%, а при 12 ат — 3%.
140

V
\f\J
\
ц
^а
пш
Вычисленная зависимость подтверждена опытами (индекс
1 обозначает горение, индекс 2 — отсутствие; инициирование
проводили нагреванием спиралей из вольфрамовой
проволоки):
Содержание С2Н2, объемн. % . . 70 60 50
рь ат 2 4 6,5
р2, ат 1,5 — 5
Изменение области горючих составов и соответствующей
области предельных давлений смеси (рис. 81) при
использовании источников инициирования различной энергии
отмечено также в работе [66]. Опыты проводились в сферической
бомбе диаметром 120 мм при
зажигании смесей ацетилена с
азотом разрядом емкостной
искры с энергией 10 и 22 дж.
Из рисунка видно, что
кривая, соответствующая большей
энергии инициирования (2),
находится ближе к
рассчитанной.
Поскольку аналогичные
работы для других газов-флег-
матизаторов отсутствуют, то
полученные для них
экспериментальные зависимости при
недостаточно мощных
источниках зажигания необходимо рассматривать как
качественные, требующие экспериментальной корректировки или
определенного коэффициента запаса. В случае разбавления
азотом, как следует из рис. 79, уменьшение общего давления
смеси на 2 ат (при постоянном составе смеси) оказывается
вполне достаточным для флегматизации ацетилена при
давлениях смеси выше 3,5 ат.
Эти замечания необходимо учитывать при использовании
излагаемых ниже результатов исследований пределов
горения смесей ацетилена с другими газами.
,100
$20,
О 2
6 8 10 12 К 16
Дабление, am
Рис. 81. Предельное давление
зажигания смесей ацетилена с
азотом при различных энергиях
инициирования:
7 — 10 дж; 2 — 22 дж: 3— расчетная
кривая.
ПРЕДЕЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ
В СМЕСЯХ АЦЕТИЛЕНА
В работе [37] определены предельные давления
распространения пламени ацетилена, при которых смеси ацетилена
с N2, CH4, СгН4, Нг, СО2 и др. не воспламенялись от
переплавления тонкой платиновой проволочки. Установлено
влияние начальной температуры: при постоянном давлении
смеси предельное парциальное давление ацетилена уменьшается
с увеличением температуры газа (табл. 34).
141

Таблица 34
Предельное парциальное давление (в ат)
воспламенения ацетилена в смесях с различными газами [37]
р
общ.
2,9
4,8
9,7
14,5
19,4
N2
15 °С
2,3
3,1
4,6
6,2
7,3
100 °С
1,9
—
3,9
4.8
—
200 °С
2,3
3,5
4,4
~~
сн4
15 °С
2,4
3,2
5,5
7,2
9,0
100 °С
2,1
3,1
4,9
—
—
200 °С
_
2,9
4,4
5,9
15 °С
_
3,0
4,5
5,7
—
с2н4
100 °С
_
2,9
4,0
5,0
—
200 °с
2,4
3,7
4,5
—
' 2,9
4,8
9,7
14,5
19,4
24,2
н2
15 °C
1,9
2,3
3,2
3,5
3,9
5,6
100 °C
1,6
2,2
2,6
3,4
—
—
co2
15 °C
2,9
4,5
5,8
—
—
100 °C
2,7
4,0
5,3
—
—
Продолжение i
H2:N2 = 1 :1
15 °C
2,9
4,1
5,2
5,6
—
100 °C
2,3
3,7
4,5
—
—
габл. 34
H2:CH4=1 :1
15 °C
_
2,3
4,8
6,2
7,2
—
100 °C
_
2,7
4,1
5,2
6,2
—
Изменение флегматизирующего влияния [213]
углеводородов с различным молекулярным весом можно видеть из
табл. 35.
Таблица 35
Флегматизирующее влияние различных
углеводородов
Давление смеси
ат
6,8
9,2
33,8
Содержание углеводородов,
СН4
15
21
36
объем н. %
С3Н8
10
13
24
С4Ню
8
И
19
Авторы работы [213] провели также ряд сравнительных
экспериментов с другими газами, результаты которых
показаны в табл. 36.
Данные, найденные в экспериментах при более высоких
давлениях, позволили определить условия безопасной рабо^
ты со смесями ацетилена под давлением до 35 ат (рис. 82).
142

Таблица Зг>
Предельное парциальное давление воспламенения ацетилена (в am)
в смесях с различными газами [213]
Давление
ат
2,0
2,7
4,4
6,1
7,8
Газ-разбавитель
со2
1,7
2,1
2,9
3,8
4,6
N2
1,5
1,8
2,3
2,9
3,5
Не
1,6
1,9
2,3
2,7
3,3
н2
1,6
1,9
2,2
2,6
3,0
С4Ню
1,8
2,4
3,7
4,9
6,2
С3Н8
1,8
2,3
3,5
4,6
5,0
Трирод-
!Ый газ
1,8% СН4)
1,7
2,1
3,0
3,9
4,8
Сравнение приведенных выше результатов позволяет
располагать газы по флегматизирующей способности в
следующем порядке:
С4Н10 > С3Н8 > СО2 > СО > N2 > С2Н4 > Не > Н2
Интересно отметить, что расположение этих же газов по
мольной теплоемкости дает следующий порядок:
С4Н10 > С3Н8> С2Н4 > СО2 > N2 > Н2 > СО > Не
Более слабое флегматизирующее влияние этилена и
водорода, чем это ожидали исходя из мольной теплоемкости^
объясняется, вероятно,
возможностью распада этилена в
пламени (с выделением
энергии) и участием водорода в
реакциях разложения ацети-
\
ч
*—.
/О 20 30
Давление смеси, am
Рис. 82. Предельное давление
распада смесей ацетилена с
различными газами:
i-C2H2 + CH4; 2-C2H2 + CO;
3-С2Н2 + С2Н4;
5-С2Н2 + 1
U 8 12
Давление смеси, am
16
Рис. 83. Предельное давление
распада смесей ацетилена с аргоном и
гелием. .
лена [214]. При практически равной теплоемкости водород и
азот оказывают существенно различное флегматизирующее
действие (см. рис. 82). Не является ли это следствием того,
143

что теплопроводность водорода почти в 7 раз больше
теплопроводности азота?
Ответ на этот вопрос был получен при проведении
экспериментов по определению пределов горения смесей
ацетилена с аргоном и гелием, имеющих одинаковые теплоемкости
и сильно (~8 раз) отличные коэффициенты
теплопроводности [214]. В опытах использовалась стальная сферическая
бомба диаметром 120 мм, в центре которой размещался
источник воспламенения с фиксированной величиной энергии
инициирования (10 дж). Эксперименты показали, что аргон
Таблица 37
Пределы распространения пламени в ацетилене и его смесях
при различных температурах
с2н2
объемн. !
Давление
ат
Т°С
Результат
С?Н2
объемы.
Давление
ат
Т°С
Результат
Ацетилен
100
100
100
100
80
80
80
80
60
60
60
40
40
40
40
1,0
0,9
0,8
0,7
200
200
300
300
Ацетилен — азот
1,26
1,6
2,0
2,2
3,0
3,5
4,0
6,0
6,5
7,0
8,0
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
4,2
4,5
4,8
5,4
9,0
9,6
9,8
10,3
300
300
300
300
300
300
300
300
Ацетилен — бутан
80
80
60
60
60
60
60
60
50
50
50
40
40
3,6
4,0
5,0
6,3
7,0
7,6
8,0
8,5
10,5
П,1
13,0
14,5
15,2
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
Ацетилен — изопентан
80
80
80
80 5,4 300 +
60
60
60 9,8 300 +
60 10,3 300 ' +
Ацетилен — циклопе н-
т а д и е н
80
80
80
70
70
60
60
60
60
80
70
70
70
60
60
60
60
50
50
50
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
5,0
6,0
6,5
7,5
2,25
2,6
3,1
3,5
3,8
4,8
5,0
5,5
6,0
6,0
6,5
7,0
200
200
200
200
200
200
200
200
200
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
200
200
+
+
Примечание. Знак + означает воспламенение, знак — означает отсутствие
воспламенения.
144

0 гелий оказывают одинаковое флегматизирующее влияние
(рис. 83). Следовательно, теплопроводность
газа-разбавителя не влияет на предельное давление распада ацетилена в
пламени.
В настоящее время опубликован ряд работ, посвященных
изучению флегматизации нагретого ацетилена различными
газами, которые участвуют вместе с ацетиленом в
некоторых реакциях синтеза. Например, в работе [56] описаны
исследования смесей ацетилена с азотом, бутаном, изопента-
ном и циклопентадиеном при температурах газа до 300° С
(табл. 37).
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ
В ТРОЙНЫХ СМЕСЯХ АЦЕТИЛЕНА
При производстве ацетилена способом
термоокислительного пиролиза и электрокрекинга образуются газовые
смеси, содержащие ацетилен, кислород, водород, метан,
двуокись углерода, окись углерода и др. В работах [170, 215—
217] описаны результаты изучения концентрационных
пределов горения некоторых из указанных смесей. На рис. 84—
86 представлены результаты экспериментов [215].
Предложено [170, 216, 217] как безопасные использовать
смеси следующих составов:
3,75 % С2Н2 + 9 % О2 + 5,5 % СО2 + 32,25 % N2
2,4%С2Н2 + 21,7% возд. + 75,9%М2
9,5 %С2Н2 +40,5% возд. + 50%СО2
2,75 % С2Н2 + 6,5 % О2 + (46 % СО2 + 11,3 % О2 + 42,7 % N2)
18,7% (С2Н2 + 2,5О2) + 81,3%СО2
13% (C2H2 + 2,502) + 87%N2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЦЕТИЛЕНА С ХЛОРОМ
И ГАЛОИДПРОИЗВОДНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
Газообразные смеси ацетилена и хлора крайне
неустойчивы и при наличии катализаторов (железо, соли железа и
др.) и действии света легко взрываются с образованием тет-
рахлорэтана:
С2Н2 + 2С12—*СНС12-СНС12 Д#= - 80 ккал
Не только чистый хлор, но и галоидоводороды способны
к реакции с ацетиленом. Однако присоединение их
происходит значительно труднее, чем соответствующих галоидов.
Например, присоединение хлористого водорода происходит
Ю Зак. 100 145

при 20—30° С при наличии сил-икагеля или при 200° С на ак
тивированном угле.
В. В. Бегров и И.И. Стрижевский [218] изучали действ^
паров галоидпроизводных на предельное давление распр0,
странения пламени в ацетилене. Использовался технический
20 80/
20
К 7\ЛЛЛЖ"
60 80 C2H2
б
60 80 С2Н2 О2 20
Рис. 84. Пределы распространения пламени
в ацетиленсодержащих смесях:
а - С2Н2 + О2 + N2; б — С2Н2 + Ог + СН4 (две серии опытов).
100
X
о го
20 %
/00
W
Рис. 85. Пределы распростра- Рис. 86. Пределы распространения
нения пламени в смесях пламени в смесях ацетилена с кисло-
С2Н2 + О2 + N2. родом при разбавлении их азотом
метаном и водородом.
(баллонный) ацетилен, который очищали от ацетона.
Воспламенение проводили переплавлением нихромовой
проволоки диаметром 0,15 мм и длиной 10 мм от сети
напряжением 127 в. В табл. 38 приведены значения предельного
давления распространения пламени в чистом ацетилене и его
смесях с четыреххлористым углеродом, хлороформом,
хлористым метиленом, дихлорэтаном, бромистым этилом и
ацетоном.
146

Таблица 38
Предельное давление распространения пламени в ацетилене
и его смесях с галоидпроизводными и ацетоном
Смесь
С2Н2
Ацетилен — СС14
Ацетилен — СНС13
Ацетилен — СН2С12
Ацетилен — С2Н4С12
Ацетилен — С2Н5Вг
Ацетилен - СН3СОН3

Содержание пара
в смеси,
объемы.
%
_
"8,8±0,6
8,7±0,4
23,9±1,3
9,0 ±0,2
23,9 ±1,7
Ц,0±0,7
13,5±0,7
19,8±1,7

Предельное
давление
ат
1,3-1,4
0,87 ±0,05
1,04 ±0,05
0,94 ±0,05
1,62 ±0,07
1,72 ±0,05
1,80±0,1
2,95 ±0,15
1,8 ±0,20
Парциальное
давление, ат
паров
_
0,077
0,091
0,224
0,145
0,415
0,198
0,397
0,284

ацетилена
1,3-1,4
0,79
0,95
0,72
1,47
1,31
1,60
2,55
1,52

Соотношение
объемов
пара и
ацетилена
в смеси
1:10,3
1:10,4
1:3,2
1:10,2
1:3,2
1:8,1
1:6,4
1:5,3
Показано, что пары четыреххлористого углерода и
хлороформа снижают предельное давление распада ацетилена
и смесь становится более взрывоопасной, чем чистый
ацетилен. При содержании в ацетилене около 9% паров этих
веществ предельное давление распространения пламени в
смесях от выбранного источника инициирования существенно
уменьшалось и составляло 0,87 и 1,04 ат соответственно,
хотя чистый ацетилен воспламенялся только при давлении
1,3—1,4 ат. Остальные галоидпроизводные и ацетон
действовали обычным образом [214], т. е. флегматизировали
ацетилен.
Четыреххлористый углерод, являясь хорошим
растворителем, нашел широкое применение при обезжиривании
различной арматуры и трубопроводов. Пары четыреххлористого
углерода оказываются сильнейшим флегматизатором
горения двухкомпонентных смесей углеводородов с воздухом или
кислородом [219], и именно вследствие этого
четыреххлористый углерод предпочитают другим растворителям. Однако
при наличии в смеси ацетилена к выбору растворителя
необходимо подходить с большей осторожностью и учитывать
различное влияние галоидпроизводных на его взрывоопас-
ность, в частности повышение взрывоопасное™ в
присутствии четыреххлористого углерода.
Снижение предельного давления распространения
пламени наблюдалось [218] также для ацетилено-водородной
смеси при разбавлении ее парами четыреххлористого
углерода и бромистого этила (табл. 39).
Добавление в ацетилено-водородную смесь 2,24% паров
ССЦ снижало предельное давление пламени более чем в
10*

Таблица 39
Влияние паров СС14 и С2Н5Вг на предельное давление горения
ацетилено-водородной смеси
Смесь
Ацетилен — Н2
Ацетилен — СС14
Ацетилен — С2Н5Вг

Содержание пиаров
объемы. %
2,24
4,06
Предельное
давление
горения смеси
ат
9,8
3,8±0,3
9,75±0,25
Парциальное
давление, ат
паров
0,085
0,396
ацетилена
3,0
1,16
2,87

Содержание С2Н2
объемн. %
31,2
31,2
30,8
2,5 раза (с 9,8 до 3,8 от), а добавление 4% бромистого
этила практически не меняло величину предельного давления.
Анализ приведенных данных показывает, что добавление
небольшого количества ССЦ к чистому ацетилену и его
смесям с водородом увеличивает их взрывоопасность так же, как
и добавление кислорода.
НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ СМЕСЕЙ АЦЕТИЛЕНА
Действие газов-разбавителей на взрывные свойства
ацетилена подчиняется следующей закономерности: если
добавление газа оказывает определенное (например, флегматизи-
рующее) влияние на какой-либо взрывной параметр
ацетилена, то действие на другие параметры аналогично.
Например, добавление к ацетилену газа привело к
увеличению предельного давления распада. Отсюда можно
заключить, что разбавление этим же газом ацетилена приведет и
к уменьшению нормальной скорости горения, увеличению
энергии зажигания, увеличению размеров пламегасящих
каналов, уменьшению температуры пламени и т. п. Исходя из
этого качественное влияние разбавления ацетилена другими
газами и их относительную величину можно оценить по
отдельным имеющимся сведениям о влиянии на какой-либо
параметр ацетилена.
Влияние азота на нормальную скорость
распространения пламени ацетилена
Исследовано влияние разбавления ацетилена азотом на
нормальную скорость распространения пламени [220]. В
опытах экспериментально определена величина нормальной
скорости распространения пламени и ее зависимость от
давления для смесей ацетилена с азотом при содержании
последнего 40 и 60% (рис. 87). Величина UH увеличивалась
148

1,0
11'!
n?
^7
^——
Ю
15 20
Давление, am
25
Рис. 87. Нормальная скорость
распространения пламени в смесях:
/-60%
2-40%
N2:
N2-
ecu
2Ы)
% 200
iwo
k
% 120
40
n
/
/
/
/
f
u Ю 20 30
начальное давление, am
г'яс. 88. Зависимость
максимального давления при
распространении пламени
в смеси С2Н2 СО =1:1 при
i5°C от начального
давления (/ = 1 м, d = 90 мм).
300
I
i
200
и 5 Ю
Парциальное давление
Рис. 89. Максимальное
давление при распространении
пламени в смеси С2Н2: СО =1:1
при 15°С как функция
парциального давления С2Нг
(/=1 ж, d=9Q мм).
Зак. 100

с ростом начального давления смеси. Для одинаковых
ний нормальная скорость распространения пламени смеси
с содержанием 60% азота меньше, чем нормальная скорость
смеси с 40% N2. Нормальная скорость распространения пла-
мени для смесей ацетилена с азотом меньше Uu чистого аде.
тилена при тех же давлениях (см. рис. 28 и стр. 49).
Давление при горении смесей ацетилена
в замкнутых объемах
Давление, развивающееся при горении смесей ацетилена
с инертными газами, зависит от состава. Для одинаковых
начальных давлений давление взрыва тем меньше, чем боль-
ше количество газа-разбавителя в смеси. Для одинаковых
составов отношение давления взрыва к начальному
давлению несколько увеличивается с ростом начального давления.
На рис. 88, 89 и в табл. 40—42 показаны результаты
измерений, выполненных в работах [33, 56].
Таблица 40
Давление при взрыве смесей ацетилена с азотом [56]

Содержание
С2Н2
объемн.
%
100
100
100
80
80
Давление, ат
Ро
5,0
7,5
10,0
3,7
5,0
*>к
53,5
85,0
120,0
25
40
РкА>о
10,7
11,3
12,0
6,8
8,0
Время

нарастания
давления
мсек
68
44
36
208
100

Содержание
С2Н2
объемн.
%
80
60
60
60
40
Давление, ат
Ро
7,5
5,5
7,5
10,0
14,5
рк
60
35,1
56,4
90,3
122,5
Рк/^о
8,1
6,4
7,5
9,0
8,5
Время

нарастания
давления
мсек
316
272
148
454
Таблица 41
Максимальное давление
при взрыве смесей ацетилена
с азотом [33] *

Содержание N2
объемн. %
0
10
20
30
47
48
49
Давление, ат
Р (С2Н2)
6
5,4
4,8
4,2
3,15
3,12
3,06
Рк
• 62
61
58
53
49
43
Нет
взрыва
рк1ро
10,3
10,1
9,7
8,8
8,2
7,2
—
Таблица 42
Предельное давление
распространения пламени
и давление при взрыве смесей
ацетилена с азотом [33]
Содержание
газов,
объемн. %
С2Нг
50
40
30
20
N2
50
60
70
80
Давление, ат
^пред
7
18
34
48
Рк
82
228
334
268
РкКрел
11,7
12,6
9,85
5,6
150

В. Ф. Заказнов [174] измерил размеры пламегасящих
каналов для смесей ацетилена с азотом (табл. 43).
Таблица 43
Условия гашения пламени ацетилена и его смесей с азотом
Вид насадки
Трубки
»
»
Шарики
»
»
»
»
»
»
Гранулы корунда
То же
Сетки
Металлокерамика
Критические значения
б, ММ
Р, ат
Ацетилен
6,0
3,0
5,02
3,42
1,44
0/72
0,36
0,29
0,40
0,27
0,21
0,32
0,35
2,75
4,25
3,0
3,75
6,75
11,5
21,0
25,5
19,0
26,5
36,0
15,5
17,5
6, мм
р, ат
Смесь 80%
С2Н2 и
6,0
3,0
5,02
—
1,44
0,72
—
—
0,55
0,40
—
—
—
—
20% N2
4,75
6,15
5,25
—
9,25
15,0
—
—
19,5
27,5
—
. —
—
—
б, мм
Р, ат
Смесь 60%
С2Н2 и
6,0
—
5,02
3,42
1,44
0,72
0,39
—
0,55
—
—
—
—
40% N2
7,25
—
7,5
8,5
13,0
20,0
41
—
26,5
—
—
—
—
б, мм
р, ат
•Смесь 40%
С2Н2 и 60% N,
6,0
—
—
—
1,44
—
—
—
—
—
—
—
—
17,5
—
—
—
28,0
—
—
—
—
—
—
—
11*

ГЛАВА vi
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ
С АЦЕТИЛЕНОМ
Обеспечить безопасную работу с ацетиленом можно
следующими способами: первое — созданием защитных
устройств, второе — флегматизацией ацетилена, третье —
выбором определенных условий транспортировки.
Для предотвращения распространения в ацетилене
пламени или детонации, возникших в одном месте системы, на
весь объем коммуникаций и аппаратуры применяются
различные защитные устройства.
Подробное описание большого ряда огнепреградителей,
предназначенных для работы при различных
технологических параметрах ацетилена, дано в работах [20, 98, 115, 221].
В настоящей главе кратко рассмотрены лишь некоторые
из них. При этом основное внимание уделено обсуждению
общих вопросов, касающихся конструкции и надежности
работы защитных устройств.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ
Гашение пламени и детонации
в огнепреградителях
Работа огнепреградителя любого вида заключается в
создании в системе условий, при которых пламя или
детонационная волна не могут распространяться по огнепреградителю
и при которых исключается возможность для вторичного
воспламенения за огнепреградителем [47, 98, 183, 222, 223].
Выполнение этих двух требований обеспечивает надежную
работу защитного устройства.
Наиболее простой и распространенный способ
осуществления первого условия основан на так называемом явлении
гашения пламени и детонации в узких каналах. На этом
принципе работают насадочные огнепреградители: сосуд
заполняется насадкой с большим числом малых проходных
каналов или щелей. Согласно теории Я. Б. Зельдовича [224],
для гашения пламени в канале, диаметр которого равен
критическому, должно выполняться следующее условие:
HKppp
Ре = = const
А
152

Теоретические расчеты и многочисленные эксперименты
подтверждают, что критическое значение числа Ре на
пределе гашения примерно постоянно и равно 55—70. Этот
критерий позволяет проводить ориентировочную оценку
величины диаметра пламегасящего канала.
Пределы распространения детонации в газах (по
давлению или концентрации) уже, чем соответствующие пределы
распространения пламени. Поэтому распространение
детонационной волны в условиях, когда обеспечено гашение
пламени, невозможно.
Рассмотрим также возможность выполнения второго
условия, т. е. исключение воспламенения за огнепреградите-
лем. В канале критического размера пламя, двигаясь в
первоначальном направлении и уменьшаясь в размерах, быстро
гаснет. В случае-распространения пламени от открытого
конца трубы движение продуктов реакции направлено-в
сторону, противоположную движению пламени. Таким образом,
место гашения пламени в насадке определяет конечную
длину продвижения горячих продуктов реакции в канале. Если
пламя подходит к огнепреградителю, и при этом давления
перед огнепреградителем, за огнепреградителем и за зоной
реакции одинаковы (случай поджигания газа у входа огне-
преградителя или идеализированный случай равномерного
распространения пламени в достаточно длинной трубе), то
глубина проникновения пламени и продуктов реакции в
насадку незначительна (диаметр канала насадки всегда
выбирается несколько меньше критического диаметра).
В случае возникновения и распространения в системе
детонации, газ перед огнепреградителем до прихода
детонационной волны сохраняет свои начальные параметры
(давление, температуру, скорость). Если диаметр каналов
насадки меньше, чем критический диаметр для распространения
детонации, то детонационная волна, разрушаясь,
вырождается в пламя, которое гаснет на некоторой длине насадки, а
ударная волна отрывается от зоны реакции, уходит вперед и
постепенно затухает.
Продукты реакции в детонационной волне движутся в ту
же сторону, что и волна. Значительное повышение давления
в детонационной волне (~20 ро), а также увеличение
давления, возникающее при отражении волны от насадки
(~50 ро), способствуют прохождению продуктов через
насадку. В случае если длина пламегасящих каналов насадки
недостаточна для охлаждения нагретых и перемешанных с
исходным ацетиленом продуктов реакции, то при выходе из
огнепреградителя в трубе большего сечения может
произойти вторичное воспламенение. Химические реакции протекают
153

в смеси и в самих каналах насадки, однако из-за
охлаждения эти процессы сильно заторможены.
Отсюда следует, что длина каналов (или высота
насадки) должна быть больше некоторой критической величины,
которая для каждого вида защитного устройства и
начальных параметров газа определяется расчетным [115, 225, 226]
и, главным образом, экспериментальным путем.
Влияние повышения давления в системе
Рассмотренные выше требования к огнепреградителям в
случае детонации газа или горения без увеличения давления
в системе позволяют создать простую и вполне надежную
систему защиты при возникновении этих режимов горения.
Существует, однако, проблема, которая- заслуживает
значительно большего внимания, чем ей уделялось до сих
пор, и которую необходимо учитывать при конструировании
защитных устройств. Это — работа огнепреградителя в
условиях повышения давления в системе в процессе горения.
Размеры пламегасящих каналов насадки б
огнепреградителя, рассчитанные для начального давления р0,
выбираются из условия б < dKp (где dKV — критический диаметр
гашения пламени при данном давлении р0).
Поскольку dKp ~ 1/ро, то с увеличением давления йщ
уменьшается, т. е. диаметр пламегасящего канала
подбирается соответственно для каждого начального давления в
системе. Огнепреградитель на давление р0 должен надежно
работать при всех р^Сро.
Горение в закрытых объемах, какими являются
коммуникации, хранилища и аппараты с ацетиленом,
сопровождается значительным повышением давления. Без учета теп-
лопотерь из системы во время горения давление
увеличивается примерно в 10—12 раз.
В реальных условиях, когда размеры системы
значительны и l^>d, часть тепла за время горения передается в
стенки сосуда, и поэтому давление, величина которого зависит
от скорости распространения пламени в системе и размеров
сосуда, увеличивается в меньшей степени. При l/d < 300 и
скорости пламени в несколько десятков или сотен метров в
секунду максимальное давление в системе в конце сгорания
составляло (3—7) р0. Отметим, что вследствие большой
теплоемкости продуктов распада ацетилена конечное давление
в системе, даже в течение нескольких секунд после горения,
остается значительным и составляет (1,5—3)р0.
Таким образом, когда горение не перешло в детонацию
или не возникло у входа в огнепреградитель, в системе
наблюдается повышение давления, т. е. защитное устройство
154

оказывается в условиях, на работу в которых оно не
рассчитано. В этом случае надежность огнепреградителя
определяется только сделанным запасом по dKV и величиной
повышения давления. Если последнее таково, что размеры
каналов не оказываются критическими, то пламя
беспрепятственно проходит через огнепреградитель.
Возникает трудность в выборе параметров работы
огнепреградителя. Поскольку место возникновения
воспламенения и режимы распространения пламени не известны, то
принципиально огнепреградитель на начальное давление аце-'
тилена р0 должен иметь размеры пламегасящих каналов,
которые являются критическими для давлений в несколько
(1,5—12) раз больше р0. Но это означало бы значительное
уменьшение диаметра каналов насадки и, вследствие этого,
значительное увеличение ее гидродинамического
сопротивления. Например, при давлении 1,4 ат dKp==65 мм, при 3,0 ат—
около 15 мм, а при 14 ат—менее 1 мм.
Проблема становится особенно острой, когда ацетилен
транспортируется по коротким трубам большого диаметра
при невысоких давлениях.
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
Отсекатели и клапаны
Отсекатели и клапаны применяются при небольших
начальных давлениях и малых расходах ацетилена.
Работа отсекателей и клапанов основана на действии
повышенного давления, возникающего при горении или
детонации; при этом используется принцип перекрытия
защитным устройством подводящей коммуникации ацетилена,
когда на выходе повышается давление. В качестве затвора
применяется вода или механический клапан, срабатывающий
при определенном давлении. На рис. 90 и 91 [22] показаны
жидкостной и клапанно-жидкостной отсекатель (жидкостные
затворы). Недостатком конструкции отсекателя, показанного
на рис. 90, являеся сброс газа и продуктов реакции в
атмосферу, что не исключает возможности вторичного взрыва при
смешении ацетилена и водорода с воздухом.
Водяные затворы широко используются при давлениях
ацетилена до 17 ат и расходах газа до 20 мг/ч.
Иногда вместе с отсекателями и другого рода защитными
устройствами применяют разрывные мембраны. При разрыве
мембраны, установленной на входе в защитное устройство,
часть газа сбрасывается в атмосферу, и тем самым
разгружается работа основного защитного устройства.
155

Перечисленные выше устройства обладают большим гид.
равлическим сопротивлением, односторонним действием и
относительно сложной конструкцией; требуют при
эксплуатации постоянного наблюдения. Ацетилен, пройдя через водя.
ной затвор, насыщается парами воды, что не всегда допустимо
ф ф
Рис. 90. Жидкостный предохранительный затвор.
по технологическим условиям. Уносимая с газом влага
скапливается в ацетиленопроводах. При низких температурах
возможно замерзание и разрыв коммуникаций.
Огнепреградители с сухой насадкой
Главной задачей в настоящее время остается создание
высокоэффективных огнепреградителей на высокие начальные
давления ацетилена (до 30 ат) или средние давления 1,5—
2,5 ат, но с большой пропускной способностью и малым
гидравлическим сопротивлением. Наиболее необходимы
огнепреградители на средние давления, что вызвано необходимостью
транспортировать ацетилен на большие расстояния (десятки
километров), при расходах в несколько тысяч кубических
метров ацетилена в час.
Имеется ряд конструкций огнепреградителей, в которых
использованы насадки из пористой керамики, гранул метал-
156

да, металлокерамики, гофрированных лент и т. п. [98].
Принципиально с их помощью можно обеспечить надежную
защиту аппаратов и коммуникаций при любых давлениях
ацетилена. Однако вследствие высокого гидравлического
сопротивления применение их, например, на магистральных
Рис. 91. Клапанно-
жидкостный
предохранительный затвор:
/ — диск-отражатель;
2 — клапан.
Рис. 92. Огнепрегради-
тель на высокое
начальное давление ацетилена:
1 — металлокерамическая
трубка; 2 -резиновый
ниппель.
Рис. 93. Схема
сухого огнепрегра-
дителя:
/— насадка (кольца
Рашига); 2 —
разрывная мембрана; 3—люк.
трубопроводах низкого давления потребовало бы
дополнительно значительных энергетических затрат на сжатие
ацетилена. Увеличение начального давления также
нежелательно вследствие большей вероятности возникновения
взрыва при высоких давлениях и необходимости повышения
прочности и веса конструкции.
В случаях когда пропускная способность огнепрегради-
теля и его гидравлическое сопротивление не являются
лимитирующим, а его размеры остаются приемлемыми,
применение насадок с большим числом узких каналов и развитой
поверхностью теплообмена необходимо и целесообразно, так
как обеспечивает эффективную защиту от взрывов.
Конструкции огнепреградителей такого типа разработаны
в СССР и за рубежом [98, 227—235].
167

В качестве примера на рис. 92 показана схема огнепре-
градителя на высокое давление ацетилена [229].
Огнепреградитель такой конструкции надежен и может
быть использован при давлениях ацетилена до 30 ат (6 =
= 0,02—0,06). Пропускная способность имеющихся огнепре-
градителей такого типа относительно невелика (до 80 мг/ч).
Габариты огнепреградителя и сложность конструкции
резко возрастают при расходах газа свыше 150—200 м3/ч.
В настоящее время в качестве огнепреградителей,
предназначенных для работы на магистральных газопроводах,
получили широкое распространение сухие и орошаемые
(«мокрые») огнепреградители с насадкой в виде колец Рашига
(трубки с / = d).
На рис. 93 показана схема сухого огнепреградителя [115].
Сухие огнепреградители характеризуются низким
гидравлическим сопротивлением и просты в устройстве. Пропускная
способность составляет
несколько тысяч кубических метров в
час.
Орошаемые огнепреградители
Необходимое охлаждение
продуктов распада ацетилена при
прохождении их через насадку
сухого огнепреградителя с
кольцами Рашига достигается при
определенной высоте насадки.
Высота ее значительно
уменьшается, если кольца смочены
водой.
Как уже упоминалось ранее,
вид материала и его свойства не
влияют на величину критического
размера щели (диаметра), при
котором наблюдается гашение
пламени. Однако наличие в
насадке воды может оказать
дополнительное гасящее действие.
При большой скорости движения
газа или продуктов горения
через насадку во время взрыва вода, которая находится в виде
тонкой пленки на поверхности колец, срывается потоком газа
с поверхности, разбивается на мельчайшие капли и
испаряется, отнимая тепло от нагретого газа, и тем самым
охлаждает его. Пары воды действуют как инертный разбавитель,
т. е. уменьшают реакционную способность системы,
158
Рис. 94. Схема орошаемого
огнепреградителя:
/ — насадка (кольца Рашига); 2 — вла-
гоотделитель (кольца Рашига).

На рис. 94 показана схема орошаемого огнепреградителя
[115]. Конструкция, аналогичная устройству сухого
огнепреградителя, обладает всеми преимуществами последнего и
более эффективна. Однако данные огнепреградители не
получили широкого распространения вследствие сложности в
эксплуатации и насыщения ацетилена парами воды. '
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОГНЕПРЕГРАЖДЕНИЯ
В АЦЕТИЛЕНЕ
Защита систем с ацетиленом принципиально
обеспечивается подбором соответствующих конструкций огнепрегради-
телей. Вследствие высокого гидравлического сопротивления
ряд конструкций огнепреградителей является непреемлемым
для промышленного использования в качестве
магистральных защитных устройств, когда наряду с надежной работой
необходимо низкое гидравлическое сопротивление.
Ниже описаны некоторые особенности локализации
распространения пламени в ацетилене магистральными
защитными устройствами, где специфика ацетилена проявляется
особенно отчетливо и где ее необходимо учитывать, поскольку
величина гидравлического сопротивления огнепреградителя
ограничена технологическими требованиями и должна быть
минимальной.
Продукты распада
Основные продукты разложения ацетилена в пламени —
газообразный водород и твердый углерод — сажа, которая
составляет 90—92,5% общей массы продуктов.
Наличие в продуктах распада ацетилена твердых частиц
накладывает определенные требования на работу огнепре-
граждающих устройств. Необходимо учитывать, что нагретые
до высокой температуры (~3000° К) частицы углерода могут
уноситься потоком газа через каналы огнепреградителя. При
попадании в ацетилен они способны стать источниками
воспламенения. Реакция разложения ацетилена на нагретой
поверхности частиц сажи, энергия активации которой
незначительна, сопровождается выделением тепла. Таким образом,
даже сильно охлажденные (600—800° К) частицы могут снова
разогреваться вследствие экзотермической реакции на их
поверхности. Большая энергия, необходимая для
воспламенения ацетилена при невысоких давлениях, не позволяет
считать отдельную частицу углерода источником воспламенения.
Однако вынос из огнепреградителя массы частиц делает
воспламенение весьма вероятным.
При определенных условиях даже отдельные частицы
сажи способны воспламенить смеси ацетилена с кислородом
159

или воздухом. Например, в работе [235] описаны эксперимент
ты, в которых установлена возможность воспламенения аце.
тилено-воздушных смесей при вылете из щелевого огнепре.
градителя отдельных частиц углерода.
Большая по сравнению с газом теплоемкость частиц сажи
и возможность разогревания их делают необходимым
применение огнепреграждающих устройств такой конструкции,
которая исключает свободный пролет частиц сажи,
обеспечивает их задержание или остывание до температур ниже 250
300° С. Наиболее полно этим условиям отвечают огнепрегра-
дители с насадкой из металлокерамики, мелких колец Ра-
шига, гранул тугоплавкого металла, песка и т. п. Насадка из
прямых труб небольшого диаметра, крупных колец Рашига,
щелевые (фланцевые) устройства ввиду изложенного должны
иметь значительный коэффициент запаса по высоте (длине) и
надежность их работы следует проверять экспериментально.
Режимы распада
В зависимости от аппаратных условий, места, вида и
энергии источника инициирования распад ацетилена происходит
в виде медленного горения, детонации или нестационарного
быстрого горения. Каждый из указанных режимов
характеризуется совершенно различными условиями, при которых
происходит горение газа.
При медленном горении наблюдается увеличение
начального давления во всей системе, максимальная величина /7тах
которого зависит от скорости распространения пламени,
формы и размеров системы.
Можно считать, что величина ртах пропорциональна
скорости пламени и меняется в пределах от р0 до ~10 р0.
Поэтому при распаде ацетилена в режиме дефлаграционного
горения без перехода в детонацию начальные параметры работы
огнепреградителей становятся неопределенными из-за
повышения давления в системе.
Для надежной работы в условиях, при которых" возможно
медленное горение, огнепреградитель должен быть
рассчитан на ожидаемое в процессе горения увеличение начального
давления. Имеется и другое решение: например, выбор
таких начальных параметров системы, при которых медленное
горение невозможно или не представляет опасности (стр. 62).
При быстром нестационарном горении (стр. 65)
происходит значительное повышение давления исходного ацетилена
в огнепреградителе к моменту прихода фронта пламени.
Надежная работа огнепреградителя в условиях быстрого
нестационарного горения ацетилена может быть обеспечена
тем, что его параметры рассчитываются на начальное давле-
160

ние, возникающее к моменту прихода пламени под решетку
огнепреградителя. При этом подразумевается, что защитное
устройство имеет необходимую механическую прочность.
Однако последнее условие для защитных устройств,
предназначенных для работы на магистральных газопроводах,
оказывается практически невыполнимым, поскольку давления при
нестационарном горении в 300—600 раз превышают
начальное, т. е. потребовалось бы громадное увеличение размеров
и веса трубопровода на входе в огнепреградитель и самого
защитного устройства.
Наиболее ясна работа огнепреградителя при детонации
ацетилена. До прихода детонационной волны к огнепрегра-
дителю параметры газа остаются равными начальным. Затем,
практически мгновенно, величины параметров газа
скачкообразно изменяются до величин, соответствующих
отражению детонационной волны от решетки и насадки
огнепреградителя, т. е. практически отражению от жесткой стенки.
Эти параметры определяются только начальным
состоянием газа и не зависят от места возникновения
детонационной волны, длины и диаметра трубопровода, вида и энергии
источника инициирования, поэтому экспериментальная
проверка защитного устройства позволяет однозначно
определить пригодность конструкции для задержания детонация
при заданных начальных параметрах газа. Как и при режиме
быстрого нестационарного горения, в случае детонации
главным остается вопрос о механической прочности конструкции
входа огнепреградителя, поскольку при отражении
детонационной волны развиваются давления, в 50—80 раз
превышающие начальное.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ
Испытания огнепреградителей, предназначенных для работы на
магистральных газопроводах в условиях, наиболее близко соответствующих
действительным, описаны в работах [39, 49, 50, 96, 237].
На рис. 95 показана установка, на которой проводили испытания
огнепреградителей [49]. Установка состояла из трубопровода (d=200 мм и /=
= 20 м)у на торце которого проводилось инициирование, огнепреградителя
в виде скруббера, заполненного кольцами Рашига, и защищаемого
трубопровода диаметром 200 мм и длиной 24 м.
Инициирование осуществлялось разрядом конденсатора через тонкую
металлическую проволочку. Скорость распространения пламени
регистрировали при помощи восьми термопар, показания которых фиксировались на
движущейся фотопленке шлейфовыми осциллографами. Пять термопар
были установлены перед огнепреградителем с интервалом в один метр,
остальные за огнепреградителем: одна непосредственно у выхода, две
других — на расстоянии 6 и 12 м от выхода. Кроме регистрации скорости,
термопары позволяли оценить и относительные величины температуры и
скорости нагревания, что оказалось весьма важным для объяснения
наблюдаемых явлений.
161

Опыты проводились при начальных давлениях ацетилена 1,18—2,0 ат
Кольца Рашига имели диаметр 40 и 50 мм. Высота насадки во всех qUL][c
тах 2 м\ диаметр скруббера в основных экспериментах составлял 300 м'м
Рис. 95. Схема установки для испытаний огне-
преградителей:
/ — источник инициирования; 2 — отсек инициирования;
3— термопары; 4 — огнепреградитель; 5 — защищаемый
"трубопровод.
Результаты опытов приведены в табл. 44. Как следует из данных
таблицы, огнепреградитель не задерживал распространения горения и
детонации при давлениях выше 1,3 ат, и в защищаемом участке происходило
разложение ацетилена.
Таблица 44
Результаты испытаний огнепреградителя с насадкой из колец Рашига
диаметром 40 мм
ро
ат
2,0
1,5
1,4
1,3
1,3
С2Н2
объемн. %
97,5
95,5
99,0
99,6
98,5
Режим горения
Детонация
»
Горение
»
»
Давление под
решеткой
огнепреградителя
ат
297
359
<2б
<26
<2б
Результат
опыта
+
+
—
—
Примечание. Знак + означает воспламенение в защищаемом участке,знак—
означает отсутствие воспламенения в защищаемом участке.
Анализируя записи нагрева термопар на входе в огиепреградитель и
выходе из него, было установлено, что при давлении 1,5 ат воспламенение
ацетилена за огнепреградителем произошло в результате недостаточного
охлаждения продуктов распада в каналах насадки, которое могло быть
устранено увеличением высоты насадки. Вторичное воспламенение в
защищаемом участке явилось следствием смешения вытекающих из
огнепреградителя продуктов распада и ацетилена. у
Качественно иной характер воспламенения ацетилена в защищаемом
участке наблюдаем при /?0=1,4 ат. В инициирующем участке системы пламя
распространялось с переменной скоростью. Средняя скорость пламени на
расстоянии 4,0 м от входа огнепреградителя изменялась от 18 до 100 м/сек
(база измерения равна 1 м).
Скорости нагревания термопар на входе и выходе из огнепреградителя
оказались одинаковыми. Таким образом, в этом опыте в результате повы-
162

тения давления в системе пламя беспрепятственно (не угасая): прошло
через насадку в защищаемый участок.
Увеличение высоты насадки в данном случае не могло бы привести
к положительному эффекту.
Влияние повышения давления в системе на эффективность работы
защитного устройства показывают опыты при начальном давлении 1,18 ат
(кольца Рашига диаметром 50 мм, диаметр скруббера 500 мм).
На рис. 96 приведена совмещенная осциллограмма записи изменения
давления во времени перед огнепреградителем и за ним и моменты начала
показаний термопар перед и за огнепреградителем.
Средняя скорость пламени на последнем четырехметровом участке
трубопровода равнялась приблизительно 400 м/сек. К моменту достижения
пламени входа в огнепреградитель давление в «инициирующем» участке
"оТ"
)
■
тт*
А
|
Лг
/\
Ч
\
\
2
"—
!■
'О' 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Время, сек
Рис. 96. Изменение давления перед и за
огнепреградителем при р0 = 1,1 ат.
1 — повышение давления на входе огнепреградителя;
2— повышение давления за огнепреградителем;
3— момент прихода' пламени на вход
огнепреградителя; 4— момент выхода пламени из
огнепреградителя (сплошные линии относятся к измерениям
до огнепреградителя, пунктирные —после него).
возросло до 3,5 ат, а к моменту выхода из огнепреградителя давление в
защищаемом участке увеличилось до 4,5 ат.
Таким образом, в процессе распространения пламени через
огнепреградитель давление ацетилена в насадке изменялось от 3,5 до 4,5 ат, т. е.
значительно превышало начальное. Такое повышение давления оказалось
вполне достаточным для беспрепятственного прохождения пламени через каналы
насадки.
В работе [51] описаны опыты, позволившие определить влияние
диаметра скруббера на эффективность работы огнепреградителя. Использовались
башнк диаметром 300 и 500 мм, заполненные на 2 м кольцами Рашига
диаметром 50 мм.
При давлении 1,3 ат и диаметре скруббера 300 мм пламя не прошло
через огнепреградитель и воспламенение в защищаемом участке отсутствовало.
При том же давлении в скруббере диаметром 500 мм наблюдался распад
ацетилена за огнепреградителем. Авторы объясняют это тем, что «при
большем диаметре колонны увеличивается объем системы и пламя
распространяется в этих условиях с большей скоростью». Анализируя записи
температуры, авторы установили, что в колонне диаметром 500 мм пламя прошло
через насадку не разрушаясь, а в колонне с диаметром, равным 300 мм%
163

погасло. В опытах была измерена скорость пламени у входа огнепрегпя
теля. В первом случае (d = 500 мм) скорость равнялась 236 м/сек, аГ вс1 r
ром-—только 7,8 м/сек. Скорость пламени, при прочих равных' услови
определяет величину повышения давления в системе (стр. 160) поэтп
очевидно, что при 236 м/сек повышение давления в насадке, ввиду м°Му
шего времени сгорания и меньших теплопотерь из системы, должно бм
больше, чем при скорости 7,8 м/сек. Ть
Из проведенной экспериментальной работы авторы сделали следуют*
выводы: «огнепреградители с насадкой из колец Рашига диаметром 40
50 мм не обеспечивают гарантированной защиты от распространения взоьГ
ва ацетилена, поскольку процесс разложения может идти в различных пр
жимах; ненадежность работы таких огнепреградителей объясняется тем что
в процессе разложения давление может превышать критические значение
для колец насадки». я
Эти экспериментальные выводы полностью согласуются с теоретиче
скими положениями, которые были описаны выше.
Рис. 97. Схема установки для испытаний огнепрегра-
дителя с насадкой из пучка труб:
/-труба; 2— насадка из пучка труб; 3 -источник инициирования.
Шмидт и Габерль определяли надежность работы
огнепреградителей [39]. Исследовалось гашение пламени в пучках трубок, в насадках с
сухими и влажными кольцами Рашига, а также в водяной завесе. Пучки
трубок и водяная завеса оказались недостаточно эффективными, чтобы быть
рекомендованными для работы при давлениях ацетилена 1,0—1,4 ат. Башня
диаметром 500 мм с орошаемыми водой (1 м3/ч) кольцами Рашига
диаметром 35 и 50 мм и высотой насадки 1 м задерживала распространение
пламени и детонации по трубе диаметром 300 мм и длиной 20 м.
Использовался влажный ацетилен, насыщенный на 60—80% парами воды
(содержание С2Н2 составляло 97—98 объемн.%). Башня подсоединялась к
трубопроводу через тройник. На тройнике перпендикулярно движению зоны
распада устанавливались разрывные мембраны, рассчитанные на давления
15—20 ат. Во всех двадцати опытах при начальных давлениях- 0,98—1,4 ат
башня надежно задерживала распространение пламени.
Несколько опытов проведено при циркуляции ацетилена в системе со
скоростью 0,6—0,7 м/сек. Поток газа и распространение зоны распада
направлены в одну сторону. В этом случае огнепреградитель работал также
эффективно. Задерживалось распространение пламени и детонации.
Аналогичные опыты проведены с неорошаемой башней. Оказалось, что
она работает менее эффективно и для надежного задержания
распада'ацетилена в системе необходимо увеличение высоты насадки.
В работе [237] описаны эксперименты, в которых использовалась башня
диаметром 400 мм и высотой 5 ж с насадкой из колец Рашига 30 X 37 мм.
При давлении 1,4 ат во всех опытах башня задерживала распространение
пламени ацетилена.
В качестве защитных устройств в работе [33] рекомендуются насадки
из пучков тонких трубок, заполняющих трубопровод большего диаметра.
Эксперименты [51] показали малую эффективность таких устройств. Опыты
164

проводились в трубе диаметром 200 мм, которая заполнялась трубками
диаметром 12,5 мм и длиной 1,4 м (рис. 97). Расстояние от места
инициирования (на торце трубы диаметром 200 мм) до пучка трубок составляло 0,4 м
и 10 м. При начальных давлениях 1,6—2,2 ат и воспламенении на
расстоянии 0,4 м пламя не проходило через насадку. При тех же давлениях
наблюдался распад в защищаемом участке, если инициирование проводилось на
расстоянии 10 ж. В работе [39] описаны аналогичные опыты. Пучок трубок
диаметром 10 мм и длиной 1,1 м вставляли в трубу диаметром 300 мм
непосредственно у места воспламенения. При давлениях до 1,4 ат в
тринадцати опытах из четырнадцати горение задерживалось.
Результаты опытов можно объяснить повышением давления в системе
или воспламенением -ацетилена в защищаемой зоне при инициировании
продуктами разложения. Чем ближе размещалась насадка к источнику
инициирования, тем эффективнее работало защитное устройство.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
В настоящее время большие количества ацетилена
транспортируются под давлением 1,05—2,5 ат. В качестве огнепре-
градителей, выдерживающих давление до 1,4 ат и
предназначенных для работы на магистральных газопроводах,
рекомендованы и используются сухие и орошаемые скрубберы с
кольцами Рашига диаметром 35 или 50 мм и высотой насадки для
сухих колец не менее 4 ж и мокрых 2 м [33, 39, 237—241].
Из изложенного выше следует, что в большинстве случаев
испытания огнепреградителей проводились без измерения
скорости и давления в системе в процессе распада ацетилена.
Предполагалось, что самым опасным режимом распада
ацетилена является детонация, и задержание детонационного
распада считалось гарантией надежной работы огнепрегра-
дителя. В действительности именно при режиме детонации
условия гашения наиболее определенны. Медленное горение
с повышением давления во всей смеси выше критического для
данного размера каналов насадки и режим нестационарного
быстрого горения с давлением на торце, в несколько раз
превышающем детонационное, ставят работу защитного
устройства в значительно более тяжелые условия. Поэтому
необходима [49] более тщательная проверка надежности защитных
устройств.
Учитывая важность проблемы, попытаемся кратко
сформулировать основные требования к защитным устройствам,
которые вытекают из рассмотренного выше теоретического и
экспериментального материала, и наметить пути их
выполнения:
1. Огнепреградитель должен обеспечить защиту при
распаде ацетилена в различных режимах: медленного горение
детонации и нестационарного быстрого горения.
2. Защитное устройство должно обладать минимальным
гидравлическим сопротивлением.
12 Зак. 100 165

3. Размеры и вес огнепреградителя должны оставаться
приемлемыми. Конструкция должна быть простой и
надежной.
4. Желательно, чтобы огнепреградитель обладал
двусторонним действием.
Создание такой конструкции представляется довольно
сложным.
Пути улучшения конструкции
огнепреградителей
Исходя из изложенного выше, кратко обсудим
принципиальные пути улучшения конструкций огнепреграждающих
устройств.
Рассмотрим сначала возможность «разгрузки» башни от
чрезмерного механического воздействия. На рис. 98 показана
одна из возможных схем
огнепреградителей. Двусто-
ронность работы башни и
большая надежность
обеспечивается горизонтальным
расположением башни.
Размеры пламегасящих
каналов при распространении
пламени снизу вверх
примерно в 2 раза меньше, чем
при движении сверху вниз.
В последнем случае
размеры пламегасящих каналов
близки к размерам при
горизонтальном
расположении трубы (стр. 86).
Разгрузка огнепреградителя от
давлений, которые возникают при отражении детонационной
волны или нестационарном горении, достигается исключением
возможности отражения детонационной или ударной волны
путем введения дополнительных насадок 3. Насадки являются
продолжением ацетиленопроводов, подсоединяются
крестообразно огнепреградителю и заполнены концентрическими
трубами различных диаметров и длин (рис. 99).
Длина дополнительной насадки равна 15—25 диаметрам
трубы. Расстояние между трубами насадки составляет 0,5—
0,9 dKp. Размеры концентрических зазоров между трубами
уменьшаются в указанных пределах по мере удаления от оси
трубы. Длина труб насадки различна — каждая
последовательно устанавливаемая труба меньшего диаметра короче
предыдущей на величину, равную величине диаметра,
Рис. 98. Схема огнепреградителя
с дополнительными насадками:
/ — кольца Рашига; 2 —трубы-вставки
дополнительной насадки; 3 — дополнительная
насадка; 4— насадка огнепреградителя
(кольца Рашига); 5—корпус
огнепреградителя.

Насадка огнепреградителя в виде крупных колец
начинается непосредственно от места присоединения
огнепреградителя к магистралям (см. рис. 93).
Рассмотрим последовательность протекания процесса
гашения, если к огнепреградителю подходит детонационная
волна. В месте подсоединения скруббера к трубопроводу
происходит частичное разрушение детонационной волны и в
скруббер проникает пламя, которое гаснет в насадке.
Детонационная волна проходит в дополнительную насадку.
Поскольку каналы дополнительной насадки меньше критических
размеров, то в них детонационная волна также разрушается.
Размеры дополнительной насадки выбраны таким
образом, чтобы не только разрушить детонационную волну, но и
ft-Я
Рис. 99. Дополнительная насадка к огнепреградителю:
/ — трубы-вставки дополнительной насадки; 2— кольца Рашига;
3 — ацетиленовый трубопровод; 4 — ввод в огнепреградитель.
максимально ослабить ударную волну, остающуюся в
результате такого разрушения. При этом исключена
возможность вторичного воспламенения при отражении ударной
волны на торце насадки. Возникающее при таком отражении
повышение давления уменьшается вследствие непрямого
отражения от насадки из колец Рашига и разновременности
прихода ударной волны на торец дополнительной насадки
(по оси раньше). Кроме того, ударная волна разбивается на
ряд концентрических поверхностей, и поэтому эффект
затухания волны происходит значительно быстрее, чем в трубе
без насадки.
Рассмотренная принципиальная конструкция
огнепреградителя с дополнительными насадками предлагается на основе
анализа работы существующих защитных устройств и
расчетов по затуханию и отражению детонационных волн в
критических каналах [254].
По сравнению с имеющимися конструкциями
огнепреградитель с дополнительными насадками имеет целый ряд
преимуществ (детонационная волна гаснет, исключено влияние
12*
167

скоростного напора продуктов реакции на работу основного
защитного устройства, снижается давление в продуктах
распада и т. д.). По нашему мнению, эта конструкция может
лечь в основу создания магистральных огнепреградителей,
рассчитанных на работу с ацетиленом, характеризующимся
различными параметрами.
Введение дополнительной насадки позволит, по-видимому,
решить до сих пор дискуссионный вопрос об установке
разрывных мембран. Наличие последних, как показано
экспериментально [1, 26, 39, 247], повышает эффективность
задержания распада.
По данным этих авторов, используемые огнепреградители
эффективно работали до некоторого предельного начального
давления. При увеличении начального давления выше этой
критической величины происходило распространение пламени
через огнепреградитель или, вследствие недостаточного
охлаждения продуктов распада, вторичное воспламенение в
защищаемом участке трубопровода. Роль мембран в этих
опытах сводилась к уменьшению давления ацетилена в огнепре-
градителе к моменту прихода к нему пламени. Однако
выброс через мембрану горячих продуктов распада
ацетилена, водорода и сажи в воздух сопровождается следующими
опасными последствиями. Во-первых, при выбросе продуктов
в атмосферу возникает факел пламени, что может привести к
загоранию окружающих предметов (строений, леса и т. п.).
Во-вторых, после выброса из трубопровода основной массы
продуктов часть горячих продуктов остается в сосуде. При
остывании их объем уменьшается, т. е. в трубопровод
подсасывается воздух и образуется взрывчатая водородо-воздуш-
ная смесь. Горение этой смеси может привести к вторичному
взрыву. В-третьих, разгерметизация системы при разрыве
мембраны приводит к утечке ацетилена в атмосферу. Причем
ацетилен поступает в участок трубопровода, в котором
произошло разложение, а через огнепреградитель и
разрушенную мембрану — к факелу или в атмосферу. Таким образом,
разгерметизация системы приводит не только к
возникновению факела пламени и вторичному взрыву в трубопроводе,
но и к возможности многократного повторения этих явлений
вследствие поступления ацетилена из системы. Поэтому
установка разрывных мембран нецелесообразна, и, по нашему
мнению, мембраны следует заменить дополнительными
насадками.
Флегматизация ацетилена
Флегматизацией наиболее легко и надежно обеспечивается
безопасное обращение с ацетиленом. Флегматизация
ацетилена достигается разбавлением инертными к нему газами
168

в количествах, которые зависят от давления смеси,
температуры и вида разбавителя (стр. 142).
Весьма интересными представляются попытки
транспортировать ацетилен, абсорбированным в диметилформамиде,
аммиаке и других растворителях [242—244]. Растворенный
ацетилен перемещается по трубопроводам к месту потребления,
где выделяется путем десорбции или отмывки и поступает
на переработку. Абсорбент возвращается назад по
параллельному трубопроводу и процесс протекает как
непрерывный. Безопасность транспортирования достигается
растворением ацетилена или разбавлением газообразного ацетилена
парами растворителя при нормальных температурах.
В патентах [242, 243] утверждается, что при растворении
ацетилена в диметилформамиде перемещение безопасно до
давления 10 ат, а в аммиаке — до 19 ат. Особенно
перспективным представляется передача ацетилена,
абсорбированного в аммиаке. В этом случае высокая растворимость
сочетается с большим давлением насыщенных паров
растворителя, т. е. флегматизацией ацетилена не только в растворе,
но и в газовой фазе. Кроме того, аммиак менее опасен по
сравнению с другими растворителями. Смеси аммиака с
воздухом воспламеняются в пределах 15—28% NH3,
инициируются трудно (при р — \ ат Е ^ 0,7 дж)у горение протекает
вяло( при р = 1 ат Uu = 23 см/сек).
В качестве растворителя можно также использовать воду.
В ряде производств ацетилена вода применяется для
отмывки при получении ацетилена из углеводородного сырья
[245, 246]. Перспектива использования водных растворов для
транспортирования ацетилена под давлениями до 50—70 ат
пока мало изучена, однако передача под давлением 20 ат
(рабочее давление раствора перед десорбцией) может
проводиться непосредственно с действующих установок. Из-за
малой растворимости ацетилена возникает необходимость в
транспортировании огромных масс воды. Тем не менее
большая часть энергетических затрат может быть возвращена при
десорбции ацетилена дросселированием раствора через
турбины, смонтированные на одном валу с насосами
(необходимы для извлечения при десорбции) или генераторами.
Условия транспортирования ацетилена.
Ацетиленопроводы
Условия транспортирования ацетилена определяются
количеством транспортируемого газа, экономическими
затратами и условиями безопасности.
В химической промышленности предполагается
непрерывное увеличение объема транспортируемого ацетилена. Для
169

этой цели наиболее выгодно использовать трубопроводы бол
шого диаметра, относительно высокие давления (2—2,5 ат)
низкие скорости газа. По условиям безопасности предпочти1
тельны трубопроводы малого диаметра и низкие давления
ацетилена.
Имеются два мнения относительно условий
транспортирования ацетилена: использование труб диаметром до 1000 мм
при давлении ацетилена 1,05—1,4 ат и трубопроводов малого
диаметра (d < 150 мм) без ограничения скорости
транспортирования и давлении газа до 2,5 ат.
Поскольку абсолютная безопасность транспортирования
ацетилена по трубопроводам не достигается ни одним из
указанных способов, целесообразно рассмотреть влияние
отдельных параметров на взрывоопасность системы. Наиболее
важным параметром является начальное давление ацетилена.
Величиной /?о определяются прежде всего необходимые
для воспламенения энергии инициирования, размеры пламе-
гасящих каналов защитного устройства и величина давления
при детонации, а в совокупности с другими параметрами
транспортирования (диаметр и длина ацетиленопровода,
скорость движения газа)—режимы распада ацетилена,
давление при взрыве, сопротивление огнепреградителя. Из
условий безопасности значение р0 следует выбирать
минимальным. Однако предельное давление распада чистого ацетилена
ниже атмосферного, а транспортирование, естественно,
должно происходить при р > 1 ат. Поэтому выбор р0 не
исключает возможности распада ацетилена, а делает его более или
менее вероятным (вопрос о магистральных трубопроводах,
диаметр которых меньше критического для данного ро< не
рассматривается как неприемлемый экономически).
Поскольку наиболее часто встречающиеся в практике источники
инициируют распад ацетилена при давлениях выше 1,35—
1,4 ат, то оптимальным по требованиям техники
безопасности и экономическим соображениям является давление 1,3—
1,35 ат. Для этого давления размеры пламегасящих каналов
составляют 95 мм при горизонтальном и сверху вниз
движении пламени и около 50 мм при распространении пламени
снизу вверх.
Гидравлическое сопротивление насадки огнепреградителя,
особенно при горизонтальном расположении башни, будет
невелико. Максимальное давление при распаде ацетилена в
замкнутом объеме составит не более 12 ат, а давление в
детонационной волне — 27 ат. Как показали эксперименты,
трубопроводы диаметром до 400 мм и толщиной стенок 10 мм
выдерживают и то и другое давление. Исключение могут
составить резкие повороты и тупики, в которых возможно
отражение детонационной волны. Они должны быть достаточно
170

строчными. Транспортировку ацетилена при более высоких
давлениях следует, по-видимому, ограничивать, так как при
этом, во-первых, резко возрастает вероятность распада
ацетилена под действием наиболее распространенных источников
инициирования и, во-вторых, потребуется значительное
повышение прочности трубопроводов. Если количество
транспортируемого ацетилена велико, целесообразно увеличивать
диаметр трубопровода, но не повышать давление.
Выбранной величиной начального давления ацетилена во
многом определяются другие параметры транспортирования.
800
700
Ǥ 600
%
\ 500
| WO
§ 300
W0,
1
1
/
{
1
/
/
Э
МО
350
^300
1 250
%200
50
20 4-0 SO 80
Скорость, м/сек
а
20 W 60 80
Скорость, м/сен
6
Рис. 100. Энергия зажигания движущегося ацетилена
при различном давлении:
а- 1,2 ат\ 6-1,33 ат.
Рассмотрим вопрос о выборе диаметра трубопроводов. При
ро = 1,3 ат величина диаметра определяется лишь
прочностными требованиями: трубопровод должен выдерживать
статическое давление 12 ат и динамическое (в проходящей
детонационной волне) ~27 ат. При условии разгрузки поворотов
и торцов трубопровода от давления в отраженной
детонационной волне или давления при режиме нестационарного
быстрого распространения пламени путем введения
соответствующих насадок ограничение диаметра, по нашему мнению,
не вызывается какими-либо объективными требованиями.
Некоторые авторы [115] рекомендуют ограничивать
скорость движения ацетилена по трубам 10—15 м/сек. Это
вызвано, во-первых, опасностью возникновения, накопления и
разряда статического электричества; во-вторых, увеличением
Ш

скорости движения пламени в насадке огнепреградителя и
выносом продуктов распада из насадки потоком газа. К
сожалению, отсутствуют количественные данные об
электризации ацетилена при движении и величинах энергии разряда
статического электричества. Исходя лишь из самых общих
предположений, энергия разряда оценивается в несколько
мдж [53], т. е. опасность поджигания от статического
электричества возникает при давлении ацетилена выше 7—10 ат.
Ограничение скорости транспортирования по этой причине
[115], особенно при давлениях до 1,5—2 ат, представляется
мало обоснованным. С увеличением скорости газа требуется
большая величина энергии воспламенения (рис. 100). Кроме
того, энергия статического разряда, даже по крайним
оценкам, на два порядка меньше, чем энергия воспламенения
ацетилена при этих давлениях.
В условиях критических размеров каналов и интенсивного
турбулентного теплообмена, которые наблюдаются в насадке
огнепреградителя, пламя разрушается. Увеличение скорости
потока газа для этих условий благоприятствует гашению
пламени [101], а величина начальной скорости потока в несколько
десятков метров в секунду (10—30 м/сек) сравнима со
скоростью перетекания (в результате повышения давления на
входе огнепреградителя) продуктов распада ацетилена через
насадку. Таким образом, при невысоких начальных
давлениях ацетилена, по нашему мнению, отсутствуют объективные
причины для ограничения скорости движения ацетилена по
трубопроводам и скорость следует выбирать оптимальной из
условий гидравлического сопротивления системы.
Существует мнение, что огнепреградители на магистралях
ацетилена необходимо устанавливать через определенные
расстояния друг от друга, а также около любых аппаратов.
Представляется, что основанием к этому служит
ненадежность работы применяемых защитных устройств, а отсюда —
стремление к увеличению их числа. При нормальной
эксплуатации ацетиленопроводов вероятность инициирования в них
распада ацетилена значительно меньше, чем в аппаратах,
производящих ацетилен или его потребляющих. При
давлениях ацетилена не более 1,35 ат, по-видимому, целесообразно
устанавливать эффективные огнепреградители только в
начале и конце ацетиленопроводов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Miller S. A., Acetilene, v. 1, Errest Benn Ltd., London, 1965.
2. Ньюленд Ю., Фогт Р., Химия ацетилена, Издатинлит, 1947.
3. Ф о г е л ь И. Г., Ацетилен, Госхимиздат, 1934.
4. Иванов Б. А., Когарко С. М., ДАН СССР, 142, № 3, 637 (1962).
5. С е м е н о в Н. Н., Цепные реакции, Госхимтехиздат, 1934.
6. Hinshelwood С. Н., Proc. Roy. Soc, A185, 353; А188, 1 (1946).
7. Fenn I. В., Ind. Eng. Chem, 43, 12 (1951).
8. Щетин ков Е. С, Физика горения газов, Изд. «Наука», 1965.
9. Процессы горения, перев. с англ., Сб. статей, Физматгиз, 1961.
10. Clyde С, Swett I., VI Symposium on Combustion, Reinhold Publ.
Corp., 1957, p. 523.
11. Дубовкин Н. Ф., Справочник по углеводородным топливам и их
продуктам сгорания, Госэнергоиздат, 1962.
12. Г е й д о н А., В о л ь ф г а р д X., Пламя, его структура, излучение и
температура, Металлургиздат, 1959.
13. Зельдович Я. Б., Воеводский В. В., Тепловой взрыв и
распространение пламени в газах, Изд. ММИ, 1947.
14. Соколик А. С, Самовоспламенение, пламя и детонация в газах,
Изд. АН СССР, 1960.
15. Кондратьев В. Н., Кинетика химических газовых реакций, Изд.
АН СССР, 1958.
16. Раушенбах Е. В., Вибрационное горение, Физматгиз, 1961.
17. Щелкин К. И, ЖТФ, 17, 613 (1947).
18. Власов К. П., Иноземцев Н. Н., Изв. вузов. Сер. авиац. техн.,
№ 1 (1959).
19. Evans M., Given R, J. Appl. Phys., 26, 1111 (1955).
20. С т р и ж е в с к и й И. И., Г у з о в С Г., Ковальский В. А.,
Ацетиленовые станции, Машгиз, 1959.
21. I о n e s G. W, К е n n e d у R. F., US Burean Mines Rep., № 3809 (1945).
22. Шлепфер П., Брунер М., Ацетилен и его применение, Сборник,
Госмашметиздат, 1933.
23. Miller S. M., Intern. Chem. Eng. Proc. Ind., 32, 476 (1951).
24. Б а у м Ф. A , Станюкович К. П., Ш е х т е р Б. И., Физика
взрыва, Физматгиз, 1959.
25. Н о 11 е m a n n P., Hasselmann R., Forschugsber., Wirtschafts. u.
Verkehrsminist., Nordrhein — Westfallen, № 102, 1954.
26. Miller S. A., Penny E. E., Symposium Chem. Process-Hazards (Inst,
Chem. Eng. Manchester), 1960, p. 87.
27. H о 11 e m a n n P., Hasselmann R., Forschungsber., Wirtschafts. u.
Verkehrsminist., Nordrhein — Westfallen, № 464, 1957.
28. H о 11 e m a n n P., Hasselmann R., Forschungsber., Wirtschafts.
u. Verkehrsminist., Nordrhein — Westfallen, № 883, 1960.
29. M a s i A., Trans. Am. Soc. Mech. Eng., 76, 1067, 1954.
30. Kiyama R., Osugi L, Teranishi H, Rev. Phys. Chem. Japan.
23, №2, 43 (1953).
173

31. Lewis В., Elbe G., Combustion, Flamme and Explosions on Gases,
Acad. Press. Ing., London, 1961.
32. M о р г а н Д., Принципы зажигания, Машгиз, 1947.
33. R e p p e W., Chemie und Technik der Acetylen Druck-Reaction, Berlin,
1952.
34. NelsonH., VI Symposium on Combustion, 1957, p. 823.
35. Nelson H., Combustion, New York — London, Reinhold Publ. Corp.,
1957.
36. H о 11 e m a n n P., H a s s e 1 m a n n R., Forschungsber., Wirtschafts. u.
Verkehrsminist., Vordrhein — Vestfallen, № 984, 1961.
37. В о e s 1 e r R. A., FIAT, Report 720, Acetilene and Carbon Monoxide
Chemistry, New York, 1949.
38. S a r g e n t H. В., Chem. Eng., 2, № 64, 250 (1957).
39. Schmidt G., Haberl K., Technische Oberwachung, № 12, 7 (1957).
40. Duff R. F., Knigth H. Т., Wright H. R., J. Chem. phys., 22, №9,
1618 (1954).
41. National Fire Codes Flammable Liguid and Explosives, Boston, 1945.
42. P о s g u о n J., A1 b a n e s i C, D e g a n u 11 i P., La Clim. L. Indast.,
43,393 (1961),
43. Временные правила и нормы по технике безопасности и эксплуатации
производств ацетилена термоокислительным пиролизом метана и
электрокрекингом метана, Госхимиздат, 1962.
44. Когарко С. М., Иванов Б. А., ДАН СССР, 140, № 1, 165
(1961).
45. Иванов Б. А., Когарко С. М., ДАН СССР, 142, № 3, 637 (1962).
46. И в а н о в Б. А, К о г а р к о С. М., ПМТФ, № 3, 59 (1963).
47. Иванов Б. А., Когарко С. М., Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева,
9, №3,280 (1964).
48. И в а н о в Б. А., К о г а р к о С. М., Физика горения и взрыва, № 2, 105;
№4,84(1965).
49. К о г а р к о С. М., Л я м и н А. Г., М и х а й л о в В. А., Хим. пром., № 8,
61 (1965).
50. Когарко С. М., Б о р о д у л и н А. А. и др., Хим. пром., № 7, 30
(1962).
51. Когарко С. М., Л ямин А. Г., Ми х а й л о в В. А., ДАН СССР,
162, № 4, 857 (1965).
52. Зельдович Я. Б., Симонов Н. Н., ЖТФ, 21, 11 (1949).
53. Хастигути Ю., Фудзисаки И., Коге Кагаку Дзасси, 61, № 6,
515 (1958).
54. 3 е н г е р Н. Н. Сгорание в транспортных поршневых двигателях,
Сборник, Изд. АН СССР, 1951.
55. Rim a r ski W., Autogene Metallbearbeitung, 26, 129 (1933).
56. Гликин М. А., Когарко С. М. и др., Нефтехимия, 6, № 1, 101
(1966).
57. Хитри н Л. Н., Физика горения и взрыва, Изд. МГУ, 1957.
58. И ост В., Горение и взрывы в газах, Издатинлит, 1953.
59. Щелкин К. И., Трошин Я. К-, Газодинамика горения, Изд. АН
СССР 1963
60. Гликин М. А., Диссертация, ГИАП, 1967.
61. Иванов Б. А., Когарко С. М., ДАН СССР, 150, № 6, 1300
(1963).
62. Т е с н е р П. А., Переработка природного газа, Труды ВНИИгаз,
вып. 12(20), Гостоптехиздат, 1962, стр. 16.
63. Chase J. D., We i nb er g F. J., Proc. Roy. Soc, A275, № 1362,
411 (1963).
64. Cummin gs G. A., H a 11 A. R., St raker R. A. MM VIII
Symposium on Combustion, Williams a. Wilkins Co., 1962, p. 503.
65. Взрывные свойства ацетилена (справочные материалы), изд. ГИАП,
1964,
174

66. Г л и к и н М. А., К о г а р к о С. М, С т р и ж е в с к и й И. И., Газ.
пром, № 12, 32 (1964).
67. Prout W.f Anderson R.f Fuel, 33, 125 (1954).
68. Семенов Е. С, Соколик А. С, ДАН СССР, 145, № 2, 314,
(1962).
69. Penny E. E., Disc. Farad. Soc, 22, 157 (1956).
70. Н о 11 е m a n n P., H a s s e 1 m a n n R., Forschungsber., Wirtschafts.
u. Verkehrsminist., Nordrhein-Westfallen, № 382, 1957.
71. Ко rap ко С. М., ЖТФ, 28, 2041 (1958).
72. P о r t e r G., IV Symposium on Combustion, Williams a. Wilkins Co.,
1953, p. 248.
73. Westbrook E. A., Hell wig K., Anderson R. C, V
Symposium on Combustion, Reinhold Publ. Corp., 1955, p. 631.
74. Ш т е л и н г Ф., Ф р е й з и И., А н д е р с о н Р., в сб. «Вопросы
горения» Изд. лит. по черной и цветной металлургии, 1963, стр. 213.
75. Arthur J. R., Nature, 165, № 4197, 557 (1950).
76. Frasse J. D., An d er s о n R. C, Abst. of Papes Presented of
Meeting of Am. Chem. Soc, Chicago, III, 1953.
77. В о n n e U, Homann K. H., Wagner H. G., Preprint X
Symposium on Combustion S. A. 3, 3/1—3/8 (1966).
78. Homann K. H.f Wagner H. G., Ber. Bunseges Phys. Chem., 65,
JNfe 1, 20 (1965).
79. Hooker W. J., VII Symposium on Combustion, Butterworth Sc.
Publ., 1959.
80. G r e e n E. F., T а у 1 о г R. L., P a 11 e r s о n N. L., J. Phys. Chem.,
62, 2238 (1958).
81. A ten С F, Green E. F., Combust a. Flame, 5, № 1 (1961).
82. Fenimore С P., Jones G. W., J. Chem. Phys., 41, № 7, 1887
(1964).
83. Palmer Howard В., Dortnish Frank L., J. Phys. Chem.,
68, № 6, 1553 (1964).
84. Cull is С F., Franklin N. H., Proc. Roy. Soc, A280, № 180,
139 (1964).
85. Солоухин Р. И., ПМТФ, № 1, 18 (1960).
86. Miller W. J., Calcote H. F., J. Chem. Phys., 41, № 12, 4001
(1964).
87. Calcote H. F., Jonizat. High-Temperat. Gases, Acad. Press., New
York —London (1963).
88. Kistiakowsky G. В., Michael J. V., J. Chem. Phys., 40, № 5,
1447 (1964).
89. С a 1 с о t e H. F., IX Symposium on Combustion, Acad. Press.,
1963.
90. Льюис Б., Эльбе Г., Горение, пламя и взрывы в газах, Издатин-
лит, 1948.
91. Mans on N., L. Office Nat. d. Etudes et des Recherches Aeronautig.
et L. Inst. Frangais des Petroles, Paris, 1947.
92. H о 11 e m a n n P., H a s s e 1 m a n n R., Forschungsber., Landes Nord-
rhein —Westfalien, № 1310, 23 (1964X-
93. H о 11 e m a n n P., H a s s e 1 m a n n R., Forschungsber., Landes Nord-
rhein — Westf alien, № 11 (1954).
94. Hollemann P., H a s se lm a n n R., Forschungsber., Landes Nord-
rhein — Westf alien, № 138 (1955).
95. Зельдович Я. Б., Ком п а неец А. С, Теория детонации, Гос-
техиздат, 1955.
96. К о г а р к о С. М., Л я м и н А. Г., М и х а й л о в В. А., Хим. пром.,
№ 4, 275 (1964).
97. Иванов Б А., Ко г а р к о С. М., ПМТФ, № 2, 160 (1964).
98. С т р и ж е в с к и й И. И., 3 а к а з н о в В. Ф., Промышленные огне-
преградители, Изд. «Химия», 1966.
175

99. Н о 11 e m a n n P., H a s s e 1 m a n n R., Forschungsber., Landes Nord-
rhein — Westfalien, № 526 (1958).
100. Konschak M., Haupt W., Berufsgenossenschaft, 1, Kb 4, (1962).
101. Основы горения углеводородных топлив, перев. с англ., Издатинлит
1960.
102. Potter A. E., Anagnostou E., VI Symposium on Combustion, Butter-
worth Sc. Publ., 1959.
103. Хинохара Тага о, Коге К а г а к у Джасси, J. Chem. Soc.
Japan Soc, Ind. Chem. Sec, 67, 3; A27, 411 (1964).
104. В а р га ф тик Н. Б., Справочник по теплофизическим свойствам
газов и жидкостей, Физматгиз, 1963.
105. Малков М. П. и др., Справочник по физико-техническим основам
глубокого охлаждения, Госэнергоиздат, 1963.
106. Karwat Е., Linde Berichte, 11, 40 (1961).
107. Winnacker К., Wolfram A., USP, № 2925 (1960).
108. Mages H. A., la Пор Н. I., Chem. Eng., № 185, Trans. Inst. Chem.
Eng., 43, № 1, CE25 (1965).
109. Breck D. W., Gallisdorfer H. R., Hamlen R. P., J. Chem.
Ing. Date, 7, 281, 1961.
110. La garde H., Chim. et Ind., 67, 303 (1952).
111. Henderson E., пат. США 2930682 (1960).
112. Patton J., Grubb G., Stephenson K-, Petrol. Ref., 37, № 11,
180 (1958).-
113. Химия ацетилена, Сборник, под ред. А. Д. Петрова, Издатинлит,
1954.
114. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов, под ред.
М. Д. Теличеева, вып. III, Гостопиздат, 1951.
115. Волков А. Е., Лапидус А. С, Техника безопасности при
производстве ацетилена из природного газа, Изд. «Химия», 1964.
116. Нои К. С, Anderson R. С, J. Phys. Chem., 67, № 8,- 1579
(1963),
117. Fitzgerald F., Nature, 186, № 4722, 386 (1960).
118. Kuchta J. M., J. Chem. a. Eng. Date, 9, № 3, 467 (1964).
119. Gerstein M., Levine O., Wong E., Ind. Eng. Chem., 43, № 12,
(1951).
120. Петров А. А., Б а л ь я н X. В., Т р о щ е н к о А. Т., Органическая
химия. Изд. «Высшая школа», 1965.
121. Feitknecht W., Hugi-Carmes L., Schweiz. Arch, angew. Wiss.
u. Techn, 23, № 10, 328 (1957).
122. Ha urn J., Petrol. Ref., 37, №11, 204 (1958).
123. Jones G. W., M i 11 e r S. A., US Bureau Mines Rep. Investig.,
№ 3567 (1941).
124. Kiyama R., Osugi J., Teranishi H., Rev. Phys. Chem. Japan,
24, 41 (1954).
125. Teranishi H., Rev. Phys. Chem. Japan, 25, 58 (1955).
126. Teranishi H., Rev. Phys. Chem. Japan, 29, 38 (1959).
127. Bradley J. N.. Kistiakowsky G. B, J. Chem. Phys., 35, 264
(1961).
128. Arrington C. A., J. Chem. Phys., 43, № 2, 525 (1965).
129. Glass G. P., J. Chem. Phys., 42, 608 (1965).
130. Та key am а Т., Miyama H., Bull. Chem. Japan, 38, № 6, 936
(1965).
131. Kiyama R., Osugi J., Teranishi H., Rev. Phys. Chem.
Japan, 23, №2, 43 (1953).
132. Manton J., Mil liken В., Proc. Gas Dynamics Sympos. on Aerot-
hermochemistry, Northwestern Univ. Evaston, 1, 151 (1956).
133. Bartholome E, Elektrochem. Z., 54, 169 (1950).
134. Bruckner H., Becher W., Man they E., Schweissens und
Schneidens, 12, 92 (1937)..
176

135. Elbe G., Mentser M, J. Chem. Phys., 13, 89 (1945).
136. Morgan G. H., Kane W. R., IV Symposium on Combustion,
Williams a. Wilkins Co., 1953.
137. Pa кип OB a I А, Трошин Я. К-, Щелкин К. И., ЖТФ, 17,
1937 (1947).
138. Wolf hard Н. G., Z. Tech. Phys., 24, 206 (1943).
139. Gay don A, G., Wo 1 f h а г d H. G., Fuel, 29, 15 (1950).
140. Combourieu J., Rev. Inst. Frans. Petrole, 15 (9), 65 (I960).
141. Agnew J. Т., Graiff L. В., Comb. a. Flame, 5, 209 (1961).
142. Tan word C, Pease RM J. Chem. Phys., 15, № 7, 12 (1947).
143. Wohl K., Kapp N., Coon D, Fulmer R., Meteor Rep. UAS 49,
Res. Dept., United Aircraft Corp., December (1950).
144. M e 11 i s с h С. Е., Linnet J. W., IV Symposium on Combustion,
Baltimore, 1953.
145. Вопросы ракетной техники, № 5 (1952).
146. Mans on N.. Fuel, 29, 13 (1950).
147. T i g g e 1 e n A., Dickers J., VI Symposium on Combustion, New
York, 1957, p. 61.
148. Gay don A. G., Wolf hard H. G., Proc. Roy. Soc, A196, 105
(1949).
149. Gay don A. G., Wolfhard H. G., Proc. Roy. Soc, A194, 169
(1948).
150. Gay don A. G., Wo 1 f h a r d H. G., Proc. Roy. Soc, A205, 118
(1951).
151. Broida H. P., Shuler К. Е., J. Chem. Phys., 27, 993 (1957).
152. Henning F., Tingwald A., Z. Phys., 48, 805 (1928).
153. Breton J., Ann. Comb. Lig., 11, 487 (1936).
154. Chormleu E., Petrol. Ref., 37, 1 (1950).
155. Bennett L., Wedaa H. L., J. Chem. Phys., 13, 1358 (1955).
156. Martin F. J., Phys. Fluids, 1, 399 (1958).
157. Солоухин Р. И., ПМТФ, № 4, 128 (1961).
158. Bollinger L. E., Edse R., Fong M. C, Am. Rocket Soc. J.,
№31, 588 (1961).
159. Kistiakowski G. В., Knight H. Т., Mai in M. E., J. Chem.
Phys., 20, 884 (1952).
160. M a n s о n N., Propagation des Detonations et dea Deflagrations dans
les Melange, Gazeux, L'Office Nat. d. Etudes Aeronatiques, Paris, 1947.
161. Freiwald H., U d e H., Compt. rend., 241, 736 (1955).
162. Morrison R. В., Shock tube Investigation of Detonative
Combustion, Univ. of Michigan, 1955.
163. Когарко С М, ЖТФ, 28, 2072 (1958).
164. Трошин Я. К., Щелкин К. И., Известия АН СССР, Отд. техн.
наук, № 9, 100 (1955).
165. Pliickenbaum I. W., Strauss W. A., Edse R., Combust, and
Flame, 8, № 2, 89 (1964).
166. Campbell C, Litter W. В., Whit worth C, Proc Roy. Soc,
A137, 380 (1932).
167. Dor ing W., Schon G., Z. Elektrochem., 54, 231 (1950).
168. Yagi S., Takeoka K-, I. Soc Chem. Ind. Japan, 34, № 205, 13
(1931).
169. Laszlo A., Nemeth A., Mag. Kern. Fol., 66, 255 (1962).
170. Ним а но Т., Кит агав а Т., Koge Kagaku Dzassi, 60, 1431
(1957).
171. Coward H, Jones G. W., Bur. of Mines, Bulletin №. 503 (1952).
172. Anagnostou E., Potter A. E., Combust, and Flame, 3, 453
(1959).
173. Berlad A. L, Rowe R. D., Yang С. Н., Combust, and Flame.
3, 477 (1959).
174. Заказнов В. Ф., автореферат диссертации, ГИАП, 1966.
177

41 (1959).
u. Wissenschaft,
175. Б а сыр ев 3. Б., Кислород, № 6, 13 (1959).
176 Г и т ц е в и ч Г. А., Б а с ы р о в Э. Б., С а г а й д а к В. Г. Кислород,
№ 3, 12 (1959).
177. Б а сыр о в 3. Б., Михедов В. Г. Кислород, № 5,
178. Karwat E., Chem. Eng. Progr., 54, № 10, 96 (1958).
179. Karwat E., К1 i e n G., Linde Berichte a Technik
№ 4, 3 (1958).
180. Politzer F., Z. angew. Chem., 26, 262 (1923).
181. Обеспечение взрывобезопасной эксплуатации воздухоразделительных
установок, Сб. статей ЦИНТЕХИМНЕФТЕМАШ («Кислородное и
автогенное машиностроение»), 1966.
182. Mull ins В. P., Fuel, 32, 343 (1953).
183. Wo 1 f h a r d H. G., Jet Propulsion, 28, 789 (1958).
184. Wright F. H., Becker J. L., Jet Propulsion, 26, 973 (1956).
185. Smith R. В., Heath cote N. L., Electrical Res. Ass. Report,
№ 121 (1960).
186. Fenn I. В., Ind. Eng. Chem., 43, 2865 (1951).
187. Metzler A. I., Nat. Adw. Ctee. Aeronaut. Res. Memo, E27, E52
(1952).
G i b b s G. I., С a 1 с о t e H. R, I. Chem. Eng. Date, 4, 226
G e r s t e i n M., L e v i n e O., Wong E., J. Am. Chem.
418 (1951).
Smith F. A., Pickering H. Sh., J. Res. Nat. Bur. Stand., 17, 7
(1936).
191. Linnet I. W., Pickering B. F., Wh e a 11 ey P. I., Trans.
Faraday Soc, 47, 974 (1951).
192. Friedman R., Burke E., Ind. Eng. Chem., 43, 2772 (1951).
193. Scholte T. G., Vaags P. В., Combust, and Flame, 3,
1959.
R a 11 i s C. I., G а г f о r t h A. M., S t e i n z I. A., Combust, and Fla-
188.
189.
190.
(1959).
Soc, 73,
495,
194.
195.
me, 9, №4, 345 (1965).
Karlowitz В., IV Symposium on Combustion, Williams a. Wilkins
Co., 1953, p. 60.
196. P r a s a d К- К-, New Scietist, 9, 479 (1961).
197. Wheat ley P. I., Linnet I. W., Trans. Faraday Soc, 48, 338
(1952).
198. Egerton A., Sen D., IV Symposium on Combustion Williams a.
Wilkins Co., 1953.
199. Van Wonterghem I., Van Tiggelen A., V Symposium on
Combustion, Reinhold Publ. Corp., 1955, p. 637.
200. Smith R., Manton L, В r i k 1 e у S., US Bureau Mines Rep. In-
vestig, № 5035 (1954).
201. Melaerts W., de Soete C, Bertrand I., Van Tiggelen A.,
Bull. Soc chim. belg., 69, 95, 1960.
202. Schalla R. A, Clark Th. P., McDonald G. E., NACA Rep.,
№ 1186 (1954).
203. Parker W. G., Wolf hard H. G., J. Chem. Soc, 2038 (1950).
204. P о з л о в с к и й А. И., Р о й з е н И. С, С у щ е в П. И., Вестн. техн.
и экон. информ. НИИТЭХИМ, № 2, 41 (1959).
205. Parker W. G., Combust, and Flame, 11, 69, 1958.
206. Freiwald H., Koch H. W., IX Symposium on Combustion, Acade-
mie Press, 1963, p. 275.
207. Freiwald H., U de H., Z. Elektrochem., 61, 663 (1957).
208. Когарко С. М., А д у ш к и н В. В., Научно-технические проблемы
горения и взрыва, № 2, 22 (1965).
209. Freiwald H., Ude H., Z. Elektrochem., 57, 629 (1953).
210. Зельдович Я. Б., Когарко С. М., Симонов Н. Н., ЖТФ,
26, 1744 (1956).
211. Busch H., Brennst. Chem., 37, 180 (1956).
178

212. Стрижевский И. И., Зайцева В. П., Труды ВНИИавтоген.,
вып. 5, Машгиз, 1959, стр. 229.
213. Iones G. W., Kennedy R. Е., Spolan J., US Bureau Mines
Rep., № 4196, 1948.
214. Гликин М. А., К о г а р к о С. М., Стрижевский И. И., Журн.
ВХО им. Д. И. Менделеева, 10, № 1, 104 (1965).
215. Las lo A., Nemeth A., Mag. Kem. Fol., 66, № 7, 254 (1960).
216. Eitner P. I., Gasbeleucht, 45, 21 (1902).
217. Glewitzky W., Autog. Metallbearb., 33, 2 (1940).
218. Бегров В. В., Стрижевский И. И, Ж. прикл. хим., 38, № 9,
2103 (1965).
219. Б аратов А. Н., Кучер В. М., Вести, техн. и экон. информ., НИИ
техн.-экон. исслед., вып. 8, 31 (1964).
220. 3 а к а з н о в В. Ф., Стрижевский И. И., Хим. пром., № 4, 285
(1965).
221. К о в а л ь с к и й В. А.. Офицеров Д. М., Щ е л е ч н и к М. М.,
Устройство и эксплуатация оборудования для получения ацетилена,
Изд. «Высшая Школа», 1965.
222. Bur go у ne I. H.f Chem. Proc. Eng., 42, № 4 (1961).
223. Phillips H., Combust, and Flame, 7, 2 (1963).
224. Зельдович Я. Б., ЖЭТФ, 11, 159 (1941).
225. Соловьев Н. В., Ермилов П. И., Стрельчук Н, А., Основы
техники безопасности и противопожарной техники в химической
промышленности,' Госхимиздат, 1961.
226. Wrigth G. Т., Chem. Eng. Prog., № 4, 45 (1961).
227. Заказнов В. Ф., Стрижевский И. И., Вести, техн. и экон.
информ., НИИ техн.-экон. исслед., вып. 2, 24 (1964).
228. Стрижевский И. И., Заказнов В. Ф., Журн. ВХО
им. Д. И. Менделеева, 9, № 3, 259 (1964).
229. Стрижевский И. И., Заказнов В. Ф., Безопасность труда в
промышленности, № 8, 48 (1965).
230 Терновский Н. А., Манамян Г. Н. и др., Безопасность труда
в промышленности, № 3, 62 (1966).
231. Selig H. I., Gaswarme, 13, № 4, 138 (1964).
232. Neumann I., Erdol und Kohle, 17, № 8, 628 (1964).
233. Шаулов Ю. X., Распространение пламени через пористые среды.
Изд. АН АзССР, 1954.
234. Взрывобезопасное электрооборудование, Сборник научных трудов,.
Изд. «Энергия», 1964.
235. Бойков Н. А. и др., в кн. «Сборник научных трудов Гос. ин-та
по проект, исслед. взрывобез. электрооборуд.», вып. 3, 1965, стр. 54.
236. Цингарели Н. и др., в кн. «Сборник научных трудов Гос. ин-та
по проект, и исслед. взрывобез. электрооборуд.», вып. 2, 1964, стр. 41.
237. Стрижевский И. И., Бородулин А. А., Капер Б. Л., Охрана
химических предприятий от пожаров и взрывов, изд. НИИТЭХИМ,
1961.
238. Chormley E., Petrol. Ref., 37, № 1, 185 (1958).
239. Haum I., Petrol. Ref., 37, № 11, 204 (1958).
240. Л ямин А. Г., Диссертация, ИФХ АН СССР, 1968.
241. Лапидус А. С, Безопасность труда в промышленности, № 11, 48
(1965).
242. Henderson E, патент США 2930682 (1960).
243. Patton I., Grub b G., S t e p h e ns о n K-, Petrol. Ref., 37, № 11,
180 (1958).
244. Англ. пат. 930180, 3/VII 1963.
245. Шлейников В. М., Установки по производству ацетилена, Изд.
«Машиностроение», 1965.
246. Антонов В Н., Производство ацетилена, Госхимиздат, 1959.
247. Bartknecht W., Schlagel und Eisen, № 7, 415 (1954).
179

248. Д а л а г о Ю. В., Труды Всесоюзной научно-технической
конференции, Машгиз, 1956, стр. 144.
249. Шлейников В. М., авт. свид. СССР 161864(1964); Бюлл. изобр
№ 8 (1964).
250. М и х е д о в В. Г., Кислородная промышленность, изд. НИИТЭХИМ
№ 3, 24 (1966).
251. Дал а го Ю. В., Кислородная промышленность, .изд. НИИТЭХИМ
№ 3, 36 (1966).
252. Муший Р. Я., Мошкович Ф. В., Журн. ВХО им. Д. И.
Менделеева, 12, № 3, 318 (1967).
253. Муший Р. Я., Г л и к и и М. А., Вестник техн. и экон. информ
изд. НИИТЭХИМ, № 7, 28 (1963).
254. Иванов Б. А., авт. свид. СССР 228735 (1968); Бюлл. изобр., № 32
(1968).
Борис Александрович Иванов
Физика взрыва ацетилена
Издательство „Химия", М., 1969 г.
180 с УДК 614.841.413:662.766
Редактор М. М. Браславская
Технический редактор А. С. Кочетова
Художник К. М. Егоров
Корректор М. С. Хрипунова
Т-10493. Подписано к печати 19/VIII 1969 г. Формат бумаги 60X90!/ie-
Печ. л. 11,25. Уч.-изд. л. 10,78. Типогр. бум. № 2 Тираж 3700 экз.
Тем. план 1969 г., № 10. Цена 65 коп. Зак № 100.
Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР. Измайловский проспект, 29.