XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние сорта и вида муки на нижний концентрационный предел распространения пламени по пылевоздушной смеси

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Артемьева А.Ю. 1Иванова В.В. 2

---

1МБОУ СОШ №9

2МБОУ СОШ 9

Букина И.А. 1Шушпанов А.Н. 2

---

1МБОУ СОШ 9

2РХТУ имени Д.И. Менделеева

Работа в формате PDF

216 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение
5 мая 1878 года в Миннеаполисе, штат Миннесота, на мельнице «WashburnAMill» (самой крупной в мире на то время) произошёл ряд взрывов, унёсший жизни 18 человек. Взрывы были настолько масштабными, что в девяти кварталах от места происшествия можно было увидеть обломки мельницы, а ударная волна распространилась на несколько километров и выбила окна домов, расположенных в этом радиусе. В следствие начался пожар, который распространился на две соседние мельницы: «theDiamond» и «Humboldtmills». Из-за пламени произошло ещё два взрыва на рядом стоящих мельницах, которые унесли жизни ещё четырёх человек, произошёл массовый пожар ^(1). Данное событие прозвали «Великой мельничной катастрофой». Причиной ряда взрывов стала мучная пыль и искра, произошедшая между двумя сухими жерновами. Происшествие в Миннесоте случилось почти 150 лет назад, но проблема остаётся актуальной. В наши дни такие трагедии происходят по всему миру, включая нашу страну. Во всех случаях причина взрыва— искра и пылевоздушная смесь.

В наши дни проблема остается актуальной, так как для многих видов муки не просчитан допустимый НКПР, руководители производств не учитывают данный фактор и это может стоить жизни людей. Особенно важно это для малых предприятий, которые часто располагаются на первых этажах высотных домов, так как взрыв может привести к колоссальным человеческим жертвам. Для всех предприятий, работающих с мукой, необходимо иметь чёткую инструкцию с расчётом допустимого количества муки в данном помещении, необходимо отслеживать количество хранимой муки, и принимать меры по недопущению возникновения искры.

Сейчас появилось много новых сортов хлеба, для выпечки которых используются самые разнообразные виды муки. Но все ли виды муки взрывоопасны? Как рассчитать определённое количество муки для хранения в одной комнате, чтобы это не стало угрозой для жизни вследствие несчастного случая?

Гипотеза: все виды муки взрывоопасны и для каждого можно рассчитать НКПР

Цель работы: поиск нижнего концентрационного предела для мучной пыли разных видов.

Задачи проекта:

1. Ознакомиться с причинами взрывов пылевоздушных смесей, установкой и способами определения НКПР

2. Провести серию экспериментов для определения НКПР пылевоздушных мучных смесей: пшеничная MAKFA, пшеничная «Маркет Перекрёсток», кукурузная MAKFA, льняная «Веган», нутовая «Garnec», гречневая «Гарнец», рисовая «Гарнец»

3. Вывести формулу для определения безопасного количества мучной пыли на определённый размер помещения

4. Дать рекомендации для безопасности производства

Литературный обзор

1. Общее понятие “мука” Мука - это мелкодисперсная пылевоздушная смесь. Единого ее химического состава нет, но независимо от ее вида, в ней содержатся: белки (они составляют 9-12% муки, точное количество зависит от ее вида, например, в муке высшего сорта белка меньше, чем в муке низшего сорта, потому что это зависит от того, какие компоненты зерна входят в ее состав), жиры (1-2% от количества муки, в смесях высшего сорта жиров меньше, чем в смесях низшего сорта, это также зависит от компонентов зерна, входящих при перемоле в муку), минеральные вещества ( а именно калий, магний, кальций, натрий, железо и другие соединения), витамины (В6, В12, РР и другие, но их количество также зависит от сорта мучной смеси), ферменты (амилазы, протеазы, липазы и другие). Если обобщить, то составом муки являются составляющие органические (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, витамины, ферменты, пигменты и другие вещества), неорганические компоненты (вода, минералы), микроэлементы (цинк, медь, марганец). ⁽⁶⁾ Мука — это легковоспламеняющаяся смесь ⁽⁷⁾, но она становится взрывоопасной лишь при определенных условиях. Когда в кубометре воздуха мука превышает её допустимое количество, тогда каждая её часть окружена кислородом и подвержена быстрому, обильному возгоранию. ⁽⁸⁾ Происходит это из-за химического состава муки, в ней содержится около 70% от массы муки крахмала (крахмал — это молекулы сахара, которые являются взрывоопасными, и при сгорании выделяют углекислый газ, воду, и большое количество теплоты).

2. Причины возгорания муки.

Мукомольные комбинаты, хлебозаводы, элеваторы, мучные силосы – это потенциально опасные промышленные объекты, которые располагаются и постоянно работают во всем мире. Это является таковым из-за образования при пересыпании, транспортировке, хранения муки мучной пыли, которая является взрывоопасным продуктом. Она образует аэрозоли (соединение мучной пыли с воздухом), а также аэрогели (пыль, которая оседает на различных производственных поверхностях).⁽⁹⁾ Но причины пожароопасных ситуаций на предприятиях, связанных с мукой (ее изготовлением (мельницы), перевозкой (любые транспортировки из одного места в другое), хранением (склады), а также там, где из нее производят вторичные продукты, (хлебопекарни)) бывают разные: ⁽⁸⁾

А) Неисправность оборудования. А именно неисправность вращающихся и трущихся друг о друга его частей, элементов, из-за которых может возникнуть искра, и, как следствие, возгорание.

Б) Повышенная запыленность помещения, то есть превышение нормы количества муки на объем помещения, в котором находится пылевоздушная мучная смесь.

В) Отсутствие постоянной уборки помещений, где по какой-либо причине находится мука.

Г) Работа неквалифицированных специалистов, которая приводит к ошибкам в работе с оборудованием.

Д) Нарушение базовых правил безопасности.

Ситуация с одной из самых важных причин возгорания мелкодисперсных пылевоздушных смесей разбирается более подробно в данной работе.

Мучная пыль опасна в любых обстоятельствах. Но уровень ее воспламеняемости, помимо всех причин, зависит непосредственно от того, какая мука перед нами представлена, важен ее состав, он всегда различен, поэтому абсолютно единой нормы концентрации мучной пыли в воздухе не существует. Различия происходят не только из-за того, что мука состоит из разных видов зерна (к примеру, химический состав гречневой муки будет отличен от муки из пшеницы, потому что их исходники, то есть зерно, из которого они производятся, различны по составу). Также в ориентиры нужно брать и то, какого сорта мука перед нами, например, если мы берем привычную всем пшеничную муку, каждый ее сорт будет отличен друг от друга. Это связано с тем, что при перемалывании в каждом сорте различается соотношение компонентов зерна, например, количества оболочки исходника, попадающей в готовую муку (в муке высшего сорта содержится больше крахмала, который является особо взрывоопасным продуктом, следовательно она будет более легковоспламеняющейся, чем мука, например, второго сорта). Даже мука из одного зерна, одного сорта, разных производственных марок, все равно будет различна по составу, так как зерно, из которого она производится, выращено на разной почве, при различных условиях.

Аэрозоль пылевоздушной смеси представляет опасность в любых ситуациях, но является наиболее легковоспламеняющейся, если в ней содержится большое количество крахмала, то есть молекул сахара. Также мука вызывает опасные ситуации из-за того, что долго находится в воздухе, не оседая на поверхность, по этой причине каждая частица мелкодисперсной смеси находится постоянно в кислороде, который является окислителем и очень благоприятной средой для ее продолжительного и обильного горения.

Пыль от муки в смешении с воздухом небезопасна, но также угрозу представляет и частицы муки, осевшие на какую-либо поверхность, потому что, во-первых, они подвержены самовоспламенению, а во-вторы, пыль с поверхности может перейти в воздух из-за любого потока ветра, начиная с промышленной системы вентиляции, заканчивая банальным сквозняком, перейти в состояние аэрозоли, следовательно стать более легковоспламеняющейся. Для того, чтобы предотвратить причину возгорания из-за запыленности, необходимо знать количество муки, допустимой к хранению в данном помещении и не превышать норму массы муки на кубометр пространства, в котором она находится, а для этого нужно уметь ее рассчитывать. Норму количества пылевоздушной смеси, она же называется НКПР (начальным концентрационным пределом распространения пламени), можно узнать из формулы m(гр)*1000/V(л), где m – это масса смеси, в нашем случае муки, а V – это объем помещения, в котором непосредственно находится мука. Умея вычислять норму муки на кубометр, можно получить определенную цифру, то есть определенное количество грамм или килограмм муки, которая может находиться в одном месте и не приводить к пожароопасным ситуациям. ⁽¹⁰⁾

3.Устройство прибора, на котором проводился эксперимент.

Эксперимент по вычислению НКПР различных сортов муки был проведён в лабораторных условиях. Установка, на которой проводился эксперимент, состоит из: ⁽¹⁰⁾

•Стеклянный цилиндр, объемом 4 литра, ширина стекла которого равна 4 мм.

•Арматура, которая служит закреплением для цилиндра.

•Форсунка распылительная, давление которой равно 3 атмосферам. За счет форсунки идет распыление пылевоздушной смеси в цилиндр, а давление в нее набирается за счет компрессора, который находится вне самой установки.

•Фор камера, ее объем составляет несколько грамм. Именно в нее изначально помещается исследуемая смесь.

•Нагревательная спираль, ее температура составляет 4000 градусов (+- 50 градусов), а мощность 32 Вт / 1 ампер. За счет спирали, имитируется вспышка, способствующая возгоранию муки.

Формула, которая использовалась в ходе экспериментов – НКПР = (m*1000)/V

Экспериментальная часть (фото 1,2,3,4)

Эксперимент был проделан на семи видах самой популярной муки.

Перед началом работы на установке необходимо провести расчёты на нахождение концентрации на определённый объем. Формула для расчёта C_(НКПР) = (m*1000)/V.

Перед практической частью необходимо прочистить распылитель. Отмеряем на весах определённое количество муки и загружаем в установку. Включаем видеосъемку для более точных результатов наблюдения. Достигаем давление в 3 атм, накаливаем спираль и распыляем образец. Результат записываем в таблицу. Повторяем для каждого вида муки.

Таблицы наблюдений:

1.Определение значений НКПР образца кукурузной муки MAKFA (тб 1)

Вывод: НКПР кукурузной муки MAKFA- 300г/м³

2.Определение значения НКПР образца пшеничной муки MAKFA (тб 2)

Вывод: НКПР пшеничной муки MAKFA- 285 г/м³

3.Определение НКПР образца рисовой муки «Гарнец» (тб 3)

Вывод: НКПР до 500 г/м³ не обнаружено

4.Определение значения НКПР образца гречневой муки «Гарнец» (таблица 4)

Вывод: НКПР до 500 г/м³ не обнаружен

5.Определение значения НКПР образца пшеничной муки «Маркет Перекрёсток» (таблица 5)

Вывод: НКПР пшеничной муки «Маркет Перекрёсток» - 375 г/м³

6.Определение НКПР образца льняной муки «Веган» (тб 6)

Вывод: НКПР льняной муки «Вегана» - 187,5 г/м³

7.Определение НКПР образца нутовой муки «Garnec» (тб 7)

Вывод: НКПР нутовой муки «Garnec» - 312,5 г/м³

Таблица итогов:

При отсутствии НКПР некоторых видов муки осуществлялась проверка: при наложении на металлическую пластинку муки и поднесении источника пламени возгораний не произошло. Гипотеза была опровергнута: есть виды муки, которые не подвержены воспламенению.

В ходе экспериментов были определены НКПР разных видов общедоступной муки.

Как данные о НКПР могут помочь при открытии хлебопекарни или кондитерского производства? В данной работе выведена формула для определения количество мучной пыли в помещении производства.

Для расчёта хранимой муки в определённом помещении необходимо подставить замеры своего пространства в определённую формулу, где А - длина помещения, В - ширина, С -высота, К- НКПР. Формул, которая не угрожает жизни рабочих в этих помещениях: (А*В*С*К)/1000=количество муки (в кг),

Выводы:

1. Одной из основных причин возгораний на мукомольных предприятиях является превышение НКПР, который возможно определить с помощью установки, которая описана в работе.

НКПР определяется по формуле C_(НКПР) = (m*1000)/V

2.Проведена серия экспериментов и результаты сведены в итоговую таблицу.

3.Формуладля определения безопасного количества мучной пыли на определённый размер помещения: (А*В*С*К)/1000=количество муки (в кг)

4.Составлены рекомендации для мукомольных производств и складов. Рекомендации по безопасному хранению и использованию муки.

1.Использовать материалы для отделки помещения хранения муки, которые не скапливают на себе пыль и легко поддаются уборке

2.найти объём производственного помещения

3.по данным итоговой таблицы найти НКПР необходимого вида муки

4.вычислить по выведенной формуле максимальное количество муки (в кг), которое можно хранить в данном помещении

5.хранить муку только в не взрывоопасном количестве 

6.проводить постоянную влажную уборку помещения (всех поверхностей, вентиляционных отверстий и мест, где возможно скопление пыли) 

7.не создавать условия, которые могут привести к возникновению какой-либо искры, которая может стать причиной одного или серии взрывов. А именно: следить за качеством работы оборудования и сотрудников, которые работают за ним, не нарушать правила использования техники.

Заключение: В данной исследовательской работе рассчитан НКПР для различных видов муки, применяемой в данное время на мелких и крупных производствах. Выведена формула для перерасчёта количества муки, не вызывающей возгорания, для любого помещения. Составлены рекомендации для использования на практике производств с мукой.

Литература

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Mill_Disaster

6.https://www.tokoch.ru/flour/605.html

7.https://pozhproekt.ru/books/korolchenko-pvo-materialov?ysclid=m57vt3gaw6210492502

8.https://gospromnadzor.mchs.gov.by/upload/iblock/ace/vzryvoopasnost-pylevozdushnykh-smesey-gurina.pdf

9.https://studopedia.ru/7_166294_osobennosti-goreniya-pilevozdushnih-sistem.html?ysclid=m5ord5ytn5345795737

10.https://rosgosts.ru/file/gost/13/220/gost_12.1.044-84.pdf?ysclid=m5vrkxylo8942945922

Приложение

*таблица 1

*таблица 2

*таблица 3

*таблица 4

*таблица 5

*таблица 6

*таблица 7

*фото 1

* фото 2

* фото 3

*фото 4