Расчет параметров взрыва силаносодержащих газовых и газопылевых систем Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532.595.2

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА СИЛАНОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ И ГАЗОПЫЛЕВЫХ СИСТЕМ

Павел Аркадьевич Фомин

Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-3, e-mail: [email protected]

Сделана оценка размера ячейки детонационной волны в силано-воздушных смесях. Малый размер ячейки (порядка 2 см у стехиометрической смеси) свидетельствует о высокой детонационной опасности силано-воздушных смесей.

Рассчитаны параметры взрыва и детонации силано-воздушных смесей с добавками химически инертных микрочастиц. Результаты расчета могут быть использованы при оценке ослабления и управления параметрами детонационных волн химически инертными частицами.

Ключевые слова: силан, взрыв, детонация, размер детонационной ячейки, ослабление детонации.

CALCULATION OF EXPOLOSION PARAMETRS OF SILAN - BASED GASEOUS AND DUST SYSTEMS

Pavel A. Fomin

Institute of hydrodynamics. M. A. Lavrent'ev, SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Lavrentyeva, 15; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D. Prof. of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]

Detonation cell size in silane-air mixtures is estimated. Small values of the cell sizes (approximately 2 cm in stoichiometric mixture) indicate that the detonation hazard of the mixtures is very high.

Parameters of explosion and detonation in silane-air mixtures with additions of chemically inert microparticles are calculated. Results of calculation can be used in explosion safety engineering for mitigation and control of detonation.

Key words: silane, explosion, detonation, detonation cell size, detonation mitigation.

Введение. Газообразный силан (SiH4) широко используется в полупроводниковой и фотохимической промышленности. Температура самовоспламенения силано-воздушной смеси ниже комнатной, в силу чего силан является источником постоянной пожаро- и взрывоопасности. Это подчеркивает важность исследования параметров взрыва и детонации силано-воздушных смесей для решения соответствующих проблем пожаро- и взрывобезопасности.

Размер ячейки газовой детонации является одной из основных характеристик детонационной опасности газовых смесей. В частности, он определяет геометрические пределы распространения детонационной волны и энергию прямого инициирования детонации. К сожалению, размер ячейки в силано-

воздушных смесях до сих пор не измерен экспериментально и не рассчитан теоретически, что затрудняет оценку детонационной опасности силано-воздушных смесей.

Известно, что добавки химически инертных частиц являются эффективным способом контроля и управления процессами горения и детонации газовых смесей. Такие добавки уменьшают давление и температуру взрыва (а следовательно, снижают тепловую и механическую нагрузку на промышленные конструкции при аварийных выбросах и последующих взрывах химически активных газов). Потери энергии детонационной волны на нагрев и разгон частиц могут приводить не только к снижению давления, температуры и скорости детонации, но и к увеличению размера детонационной волны и гашению детонации [1]. В то же время влияние химически инертных добавок на параметры взрывных процессов в силано-воздушных смесях до сих пор экспериментально не исследовалось.

В рамках данной работы рассчитаны параметры взрывных процессов в стехиометрической силано-воздушной смеси с добавками химически инертных частиц. Сделан расчет размера ячейки газовой детонации в рассматриваемой силано-воздушной смеси. Полученные результаты могут быть использованы при решении проблем взрывобезопасности производств, использующих силан.

Постановка задачи. Для расчета взрывных процессов в рассматриваемой двухфазной смеси использованы следующие предположения. Газ является идеальным, конденсированная фаза несжимаема. Частицы равномерно распределены по объему газа. Размер частиц достаточно мал, вследствие чего они находятся в тепловом и механическом равновесии с газом (температура и скорость газа и частиц равны). Парциальное давление и суммарный объем частиц, а также давление насыщенных паров конденсированной фазы пренебрежимо малы.

Сделан расчет параметров взрыва стехиометрической силано-воздушной смеси без и с добавками химически инертных частиц (А12О3) при постоянных давлении P и объеме V. Полагалось, что в результате мгновенного взрыва смесь переходит в состоянии химического равновесия. Для расчетов использованы законы сохранения внутренней энергии (при V = const) и энтальпии (при P = const). Термодинамические параметры двухфазной смеси рассчитывались по приближенной модели химического равновесия, представленной в [1].

Проведен расчет параметров волны Чепмена-Жуге в рассматриваемой двухфазной смеси. Алгоритм расчета описан в [1].

Результаты расчетов. Результаты расчета параметров взрыва стехиометри-ческой силано-воздушной смеси при постоянных давлении и объеме представлены на рис. 1; а - массовая доля частиц в двухфазной смеси, Т - температура. Результаты расчета скорости детонации и параметров волны в плоскости Чепмена-Жуге представлены на рис. 2; D - скорость детонации, у - показатель адиабаты.

Из рис. 1 видно, что давление взрыва рассматриваемой силано-воздушной газовой смеси при V = const (9.15 атм) сравнимо с соответствующими величи-

нами давления при взрыве стехиометрических водородо-воздушной и метано-воздушной газовых смесей (8.01 атм и 9.77 атм соответственно [2]). Из рис. 2 следует, что давление и температура детонационной волны в плоскости Чепме-на-Жуге в рассматриваемой силано-воздушной смеси (17.89 атм и 2973 К) также близки к соответствующим параметрам детонационной волны в стехиометрических водородо-воздушной и метано-воздушной смесях (15.6 атм, 2947 К и 19.13 атм, 3114 К соответственно [2]). Столь высокие давления и температуры, реализующиеся при взрывных и детонационных процессах в силано-воздушных смесях необходимо учитывать при расчете взрывобезопасности соответствующих технических устройств.

30001

2728

T, K

2289 2000-

1000

10-] 9.152

V = const P = const

0.00 0.25 0.50 0.75 а 1.00 0.00 0.25 0.50 0.75 а 100

a b

Рис. 1. Температура (а) и давление (b) при взрыве стехиометрической силано-воздушной смеси c частицами А1203 при P = const и T = const

V = const

5-

P = const

0

2000 п D, m/s 10000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 a 1.0

18-P, atm 12-

—--1---1---1---1---1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 a l.o

3000 T, K 2000

1000-

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 a l.o

a

b

1.20

У 1.15

1.101.05-

1.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 a 1.0

d

Рис. 2. Параметры детонации в стехиометрической силано-воздушной смеси c частицами А1203

0

6

c

Как следует из рис. 1 и 2, увеличение массовой доли частиц ведет к существенному снижению давления и температуры смеси при взрыве, уменьшению скорости детонации, давления и температуры смеси в плоскости Чепмена-Жуге. Таким образом, изменяя концентрацию твердой фазы можно существенно ослаблять тепловую и механическую нагрузку на промышленные конструкции, вызванные взрывом или детонацией силано-воздушных смесей.

В [3] c деланы расчеты задержки воспламенения стехиометрической сила-но-воздушной смеси с помощью детальной кинетики. На основе расчетов получена Аррениусовская формула, описывающая величину задержки воспламенения г как функцию температуры Т, давления Р и концентраций реагирующих компонент ^7(7| и (Р0 = 1 атм):

__1 1П-10/_^ч-0.47 е-0.84е-0.07 9695/Г Т-1.Э/-Ш I ; дш а _

ро

Указанная формула и рассчитанные в работе параметры волны Чепмена-Жуге использованы для расчета размера ячейки газовой детонации по модели [4]. Получено (рис. 3), что размер ячейки в рассматриваемой силано-воздушной смеси имеет тот же порядок величины, что и размер ячейки в стехиометриче-ских водородо-воздушной и метано-воздушной смесях, что свидетельствует о высокой детонационной опасности силано-воздушных смесей.

141 -

а,, мм

1210864-

2

0,0 0,1 0,2 z 0,3

Рис. 3. Поперечный размер a детонационной ячейки в смеси SiH4 с воздухом

(z - мольная доля SiH4)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Fomin P.A., Chen J.-R. Effect of chemically inert particles on thermodynamic characteristics and detonation of a combustible gas // Combustion Science and Technology. 2009. Vol. 181, No. 8. P. 1038-1064.

2. Николаев Ю.А., Топчиян М.Е. Расчет равновесных течений в детонационных волнах в газах // Физика горения и взрыва. 1977. Т. 13. No. 3. С. 393-404.

3. D.A. Tropin, A.V. Fedorov. Physical and Mathematical modeling of the ignition and combustion of silane in transient and reflected shock waves // Tenth International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions (X ISHPMIE), Bergen, Norway, 10-14 June 2014.

4. Васильев А.А., Николаев Ю.А. Модель ячейки многофронтовой газовой детонации // Физика горения и взрыва. 1976. Т. 12. No. 5. С. 744-754.

© П. А. Фомин, 2015