Общие сведения о горении

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………..
	Горение………………………………………………………………
1.1	Общие сведения о горении………………………………………….
1.2	Процесс горения………………………………………………….…
1.3	Расход воздуха при горении…………………………………………
1.4	Температура горения…………………………………………………
1.5	Диффузионное пламя……………………………………………….
1.6	Тепловая теория горения……………………………………………
1.7	Цепная теория горения……………………………………………..
1.8	Горение газовых смесей…………………………………………….
1.9	Горение жидкостей…………………………………………………
1.10	Горение твердых веществ…………………………………………..
1.10.1	Горение металлов…………………………………………………...
1.10.2	Горение пластмасс………………………………………………….
1.11	Контрольные вопросы ……………………………………………..
	Пожароопасные свойства веществ и материалов………………...
2.1	Горючие газы………………………………………………………..
2.2	Горючие жидкости………………………………………………….
2.3	Твёрдые горючие вещества………………………………………...
2.4	Самовозгорание……………………………………………………..
2.4.1	Вещества, самовозгорающиеся под действием воздуха………….
2.4.1.1	Масла и жиры……………………………………………………….
2.4.1.2	Каменный уголь и торф ……………………………………………
2.4.1.3	Растительные материалы…………………………………………...
2.4.1.4	Неорганические вещества …………………………………………
2.4.2	Вещества, самовозгорающиеся под действием воды…………….
2.4.3	Вещества, самовозгорающиеся под действием окислителей……
2.5	Воспламеняемость аэрозолей………………………………………
2.6	Определение температуры вспышки и воспламенения расчетным методом………………………………………………………..
2.6.1	Расчет температуры вспышки индивидуальных веществ в закрытом тигле ……………………………………………………….
2.6.2	Расчет температуры вспышки смесей горючих жидкостей в закрытом тигле………………………………………………………..
2.6.3	Расчет температуры воспламенения………………………………
2.7	Контрольные вопросы …………………………………………….
	Способы и средства тушения пожаров……………………………
3.1	Контрольные вопросы……………………………………………...
	Врыв…………………………………………………………………
4.1	Физические взрывы и их характеристика…………………………
4.2	Взрывчатые вещества………………………………………………..
4.3	Кислородный баланс………………………………………………….
4.4	Чувствительность взрывчатых систем к внешним воздействиям..
4.4.1	Чувствительность взрывчатых систем к тепловому воздействию….
4.4.2	Чувствительность взрывчатых систем к механическим воздействиям…………………………………………………………..
4.4.3	Чувствительность взрывчатых систем к электрическому импульсу и взрыву инициирующих взрывчатых веществ…….…………..
4.5	Способы взрывания…………………………………………………..
4.5.1	Огневой способ взрывания…………………………………………..
4.5.2	Электроогневой способ взрывания………………………………….
4.5.3	Взрывание детонирующим шнуром……………………………...
4.5.4	Электрический способ взрывания…………………………………..
4.6	Средства взрывания…………………………………………………..
4.7	Расчет скорости ударной волны……………………………………..
4.8	Контрольные вопросы……………………………………………….
	Детонация……………………………………………………………..
5.1	Особенности распространения детонации в смесевых системах……………………………………………………………………..
5.2	Распространение детонации в конденсированных взрывчатых веществах………………………………………………………….
5.3	Передача детонации через различные среды……………………….
5.3.1	Бризантность взрывчатых веществ…………………………………
5.4	Кумуляция…………………………………………………………….
5.5	Контрольные вопросы……………………………………………….
	Моделирование пожаров и взрывов………………………………...
6.1	Динамика опасных факторов пожара в протяженных помещениях………………………………………………………………………
6.2	Моделирование пожаров на складах лесоматериалов……………..
6.3	Моделирование взрывов……………………………………………..
6.4	Контрольные вопросы
Фонд контрольных заданий …………………………………………………..
Список использованных источников ………………………………………...
Основные термины и определения …………………………………………

Введение

Пожарная и взрывная опасность веществ и материалов - близкие характеристики. Различие между характеристиками заключается в скорости распространения пламени, которая для взрывных процессов значительно выше, чем при пожаре. И чем выше скорость распространения пламени, тем более опасно взрывное горение. Значительное количество новых веществ и материалов, ежегодно вводимых в сферу производственной деятельности в нашей стране, пожаровзрывоопасно.

Активное изучение горения и взрывов началось в конце XIX века и продолжается до нашего времени. Это связано с появлением двигателей внутреннего сгорания, с развитием внутренней баллистики артиллерийских орудий и взрывного дела, а в последнее время с широким внедрением в технику реактивных двигателей.

На раннем этапе развития теории горения отметим имена В.А. Михельсона (СССР), Бертло, Жуге, Таффанеля (Франция), Даниэля, Чепмена (Англия). На современном этапе исследований процесса горения в центре внимания стоит вопрос о скорости химического превращения. Сегодня горением и взрывом мы называем быстрое протекание реакции в веществе, которое в исходном состоянии инертно. В современном понимании с понятиями горения, взрыва, пламени, детонации и т.д. связывается характер протекания реакции, а не её химическое содержание. Разумеется, характер протекания реакции можно полностью изучить, лишь зная её элементарные акты, механизм, кинетику химического превращения.

Развитие теории горения оказалось, таким образом, тесно связанным - и логически и исторически - с трудами академика Н.Н. Семёнова и его школы. Основанный Семёновым Институт химической физики АН СССР сохранил ведущее положение и сегодня, когда география учреждений, работающих в области горения и взрывов, расширилась.

Отечественные ученые и специалисты внесли неоценимый вклад в разработку многих проблем, связанных с теорией горения и взрыва: Д.А. Франк-Каменецкий, К.И. Щелкин, К.К. Андреев, А.Я. Апин, А.Ф. Беляев, Л.А. Вулис, Ю.А. Победоносцев, П.Ф. Похил, А.С. Соколик и многие другие. Из зарубежных ученых следует отметить работы Льюиса, Эльбе, Кармана, Пеннера, Опенгейма, Грея.

Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1 % национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и приносимых ими убытков, а количество людей, погибших на пожарах, уже составляет 20 тысяч человек в год.

Специалисту необходимо знать механизм горения и взрыва различных материалов, на основе которого разрабатываются безопасные способы хранения, транспортировки и использования этих веществ.

Дисциплина «Теория горения и взрыва» входит в учебные планы специальности 280101.65 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Оренбургского государственного университета.

Цель курса – дать выпускнику основные сведения по теории горения и взрыва, основным параметрам инициирования горения и взрыва, условиям перехода горения во взрыв, термодинамическим параметрам горения и взрыва.

Горение

 

Общие сведения о горении

 

Для того чтобы началось горение надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не загорается сама, ее надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того, чтобы началась химическая реакция, необходимо предварительное нагревание. Поджигание создает в начальный момент необходимую для реакции температуру. Дальше высокую температуру поддерживает тепло, которое выделяется при реакции.

Начальный местный подогрев должен быть достаточен для того, чтобы выделение тепла при реакции превышало теплоотдачу в окружающую среду. Поэтому каждая реакция имеет свою, как говорят, температуру воспламенения. Горение начинается только тогда, когда начальная температура выше температуры воспламенения. Например, температура воспламенения дерева - 255 ^оС, бензина - около 200 ^оС, белого фосфора – 50 ^оС.

Горение дров, угля, нефти – это химическая реакция соединения этих веществ с кислородом воздуха. Поэтому такая реакция идет с поверхности: пока не выгорит внешний слой, следующий не может принять участие в горении. Этим и объясняется медленность горения. В справедливости сказанного нетрудно убедиться на практике. Если размельчать горючее, то скорость горения может значительно увеличить. Для этой цели производится распыление угля во многих печных устройствах. Так же размельчается и смешивается с воздухом топливо в цилиндре мотора.

Горение вызывало к себе внимание у передовых умов человечества с древних времён, однако, правильное представление о горении сложилось сравнительно недавно. По господствовавшим представлениям в химии XVII- XVIII веков теория флогистона (от греч. рhlogistos – воспламеняемый, горючий) объясняла, что существует «огненная материя», которая, якобы, содержится во всех горючих веществах, в том числе и в металлах, и выделяется из них при горении. В конце XVIII в. взамен её принята новая научная теория горения – кислородная. М. В. Ломоносов (1711-1765 г.г.) впервые доказал, что сущность процесса горения заключается в химическом соединении горючего вещества с воздухом. В 1773 г. французский ученый А.Л. Лавуазье экспериментальным путём установил, что при горении не весь воздух соединяется с горючим веществом, а только входящий в его состав кислород. Так во второй половине XVIII века было научно доказано, что горение - это реакция окисления. Далее было установлено, что окисление в природе широко распространено. Это ржавление, гниение и другие процессы, которые в отличие от горения происходят в обычных температурных условиях. Общую теорию таких процессов разработал в конце XIX в. А.Н. Бах. Но теория А.Н. Баха не смогла объяснить ряд явлений, связанных с окислением (действие катализаторов, антиокислителей и др.)

Горением называется сложный физико-химический процесс, основой которого является быстро протекающая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.

Есть и другие трактовки термина «горение». Горением называется физико-химический процесс, для которого характерны три признака:

- химическое превращение;

- выделение тепла;

- излучение света.

Например, «горение» электрической лампочки нельзя назвать горением, хотя при этом выделяются тепло и свет. В этом явлении нет одного из признаков горения - химического процесса. Свечение нити лампочки – это накаливание ее при пропускании электрического тока.

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света.

Наука о горении - чрезвычайно многосторонняя область, весьма обширная и во многом ещё противоречивая. Поэтому некоторые специалисты считают, что термину «горение» трудно дать чёткую трактовку. В обычных условиях, т.е. при нахождении горючих веществ и материалов в воздухе, горение представляет собой реакцию их взаимодействия с кислородом воздуха. Для возникновения и продолжения процесса горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. При этом эти обязательные компоненты составляют горючую систему (рисунок 1.1), а источник воспламенения является импульсом, вызывающим в ней реакцию горения. Система является горючей только при определенном соотношении в ней горючего вещества и воздуха. Так, например, система, состоящая из паров бензина и воздуха, является горючей только при содержании в ней от 0,76 до 5,4 % бензина.

Источником воспламенения называется любое тело, имеющее температуру и запас тепла, достаточный для нагревания некоторого объёма горючей системы до возникновения в ней горения.

К источникам воспламенения относятся:

1) источники тепла (пламя, искра, нагретое тело);

2) тепловое проявление видов энергии:

а) химической (экзотермическая реакция);

б) механической (удар, сжатие, трение);

в) электрической (электрический разряд).

В качестве окислителя, помимо кислорода (воздуха), могут участвовать в процессе горения хлор (Cl), фтор (F), сера (S), бром (Br), а так же кислородосодержащие вещества: перманганат калия (KМnO₄), селитры (KNO_3, NaNO_3, NH₄NO₃), бертоллетова соль (KClO₃), азотная кислота (HNO₃). Необходимо отметить, что магний (Mg) горит в углекислом газе (CO₂).

 

 

Рисунок 1.1 – Горючая система

 

Как видно из таблицы 1.1, для возгорания смеси пропан-воздух в реакции

 

C₃H₈ + 5O₂ + 18,8 N₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 18,8N₂

 

достаточен электрический заряд всего в 0,3 мДж. Он даёт хорошо различимую статическую искру, которую мы чувствуем, когда идём по синтетическому ковру, а затем дотрагиваемся до заземлённого предмета. А для некоторых реактивных газов, таких как водород, этилен и ацетилен для возгорания смеси с воздухом требуются еще меньшие количества энергии.

Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами в горючей системе, а источник воспламенения вызывает в ней реакцию горения. При установившемся горении источником воспламенения служит зона реакции.

 

Таблица 1.1 - Минимальные энергии зажигания парогазовоздушных смесей

Паровоздушная смесь	Энергия зажигания, мДж	Паровоздушная смесь	Энергия зажигания, мДж
Аммиак	0,680	Метан	0,29
Ацетилен	0,011	Метиловый спирт	0,14
Ацетон (при 25 °С)	0,406	Пропан	0,26
Бензин Б-70	0,15	Этан	0,24
Бензол	0,21	Этилен	0,095
Бутан	0,26	Этиловый спирт	0,14
Водород	0,013

 

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом, например, смесь горючих газов, паров или пылей с воздухом.

К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела, например, твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся на воздухе, струи горячих газов и паров, поступающие в воздух. При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха непрерывно диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу и затем вступает с ним в реакцию.

Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т.е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов, например, переносом тепла и масс, и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения, суммарная скорость горения практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы.

К особому виду горения относится тление, для которого характерны как накал конденсированной фазы, так и близко примыкающее к твердой поверхности галогенное пламя. Сущность этого вида горения изучена недостаточно. Наиболее часто с ним встречаются при горении целлюлозных материалов (древесина, хлопок). По видимому, к тлению склонны также материалы, которые имеют в составе своих молекул небольшое (по сравнению с массой остальных элементов) количество кислорода. Нередко под тлением понимают беспламенное горение. Это определение является недостаточно точным, поскольку известны не подверженные тлению, но способные беспламенно (в виде накала) гореть материалы (например, некоторые металлы). Очевидно, только высокопористые неплавящиеся горючие материалы, в порах которых имеется некоторое количество кислорода, достаточное для окисления некоторой части газообразных продуктов пиролиза, склонны к тлению. Режим горения в виде тления занимает, очевидно, промежуточное положение между режимами сугубо гетерогенного горения (в виде накала поверхности материала) и обычного диффузионного горения. Основным условием горения материалов в виде тления является недостаток поступающих к горящему материалу кислорода и тепла.

Кинетическим называется горение заранее приготовленной горючей смеси, скорость которого не зависит от диффузии кислорода в зону горения и определяется только скоростью передачи тепла теплопроводностью от зоны горения к негорящей ещё смеси. Поэтому скорость кинетического горения характеризуется нормальной скоростью распространения пламени, которая не превышает нескольких метров в секунду. Горение с такой скоростью в замкнутом объеме представляет собой взрыв, поэтому смеси паров, газов и пыли с воздухом называют взрывоопасными.

Основными термодинамическими характеристиками горючей смеси являются:

- теплотворная способность;

- теоретическая (адиабатическая) температура горения, т.е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

1) гомогенное горение - горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (кислород воздуха);

2) гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих в среде газообразного окислителя;

3) горение взрывчатых веществ и порохов.

Для любого вида горения характерны две стадии: воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время горения. Основной задачей техники сжигания является обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальной полноте горения (полноте тепловыделения):

 

_, (1.1)

 

где - время полного сгорания какого-либо вещества, с;

- время, необходимое для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха (при газообразном состоянии горючих веществ - время смесеобразования), с;

- время, затрачиваемое на протекание самой химической реакции, с.

Для неоднородной смеси (горючей системы) >> и, следовательно, практически . Такое горение, которое определяется главным образом скоростью сравнительно медленно протекающего процесса диффузии, называют диффузионным.

При горении однородных горючих систем, когда , можно считать . Такое горение называют кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре.

 

Процесс горения

 

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов. Вспышка – быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов. Температура вспышки - это наименьшая температура вещества смеси, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для возникновения устойчивого горения.

Возгорание - возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенение - возгорание, сопровождающееся появлением пламени. Температура воспламенения – температура горючего вещества, при которой оно выделяет пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

Самовозгорание – явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания. Самовозгорание может быть результатом воздействия внешнего нагрева вещества, а также происходит под влиянием биохимических, химических и физических процессов.

Самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

При составлении уравнений химических реакций горения веществ в воздухе поступают следующим образом: го­рючее вещество и участвующий в горении воздух записывают в левой части, после знака равенства пишут образующие­ся продукты реакции. Например, необходимо составить уравнение реакции горения метана в воздухе. Сначала записывают левую часть уравнения реакции: химическую формулу метана плюс химические формулы веществ, входящих в состав воздуха. Для простоты расчетов при­нимают, что воздух состоит из кислорода (21 %) и азота (79 %), т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21=3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О₂ + 3,76 N₂. Тогда левая часть уравнения будет иметь вид:

 

СН₄ + О₂ + 3,76 N₂ =

 

Какие будут получаться продукты? Ориентироваться необходимо на состав горючего вещества. Углерод горю­чего всегда при полном сгорании превращается в дву­окись углерода (CO₂), водород - в воду (Н₂О). Так как в данном горючем веществе нет других элементов, то в продуктах сгорания будет двуокись углерода и вода. Азот воздуха (3,76 N₂) в процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания. Таким образом, правая часть уравнения реакции сгорания мета­на будет следующей:

 

= СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

 

Написав левую и правую части, необходимо уравнять коэффициенты перед формулами. Известно, что суммар­ная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции. Это означает, что число атомов одного и того же элемента в правой и левой части уравнения должно быть одинаковым, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, потом кислорода. Множитель перед коэффициентом (3,76), поставленный у молекулы азота, всегда будет равен коэффициенту перед кислородом. Уравнение реакции будет иметь вид:

 

СН₄ + 2 О₂ + 2 × 3,76 N₂ = CO₂ + 2 Н₂О + 2 × 3,76 N₂

 

Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м³ горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят. В связи с этим в некоторых уравнениях реакций горения могут появить­ся перед кислородом или другим веществом дробные коэффициенты; например, уравнение реакции горения ацетилена в воздухе будет иметь вид:

 

С₂Н₂ + 2,5 О₂ + 2,5 ×3,76 N₂ = 2 СО₂ + Н₂О + 2,5 ×3,76 N₂

 

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде (N₂), например, при горении пиридина:

 

C₂H₅N + 6,25 О₂ + 6,25 × 3,76 N₂ = 5 СО₂ + 2,5 Н₂О + 6,25 × 3,76 N₂ + 0,5 N₂

 

Если в состав горючего вещества входит хлор, то он при горении обычно выделяется в виде хлористого водо­рода, например, при горении хлористого винила:

 

С₂Н₃С1 + 2,5О₂ + 2,5 × 3,76 N₂ = 2СО₂ + Н₂О + 2,5 × 3,76 N₂ + НС1

 

Сера, входящая в состав горючего вещества, выде­ляется в виде SO₂.

Содержащийся в горючем веществе кислород выде­ляется в виде соединений с другими элементами горю­чего, например СО₂ или Н₂О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание ве­ществ может происходить также за счет кислорода, на­ходящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота (HNO₃), бертоллетова соль (КСlOз), селитры (КNОз, NаNОз, NН₄NОз), перманганат калия (KМnO₄), перекись бария (ВаО₂) и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом. Примерами та­ких смесей могут служить черный порох, сигнальные осветительные составы и т. п.

Для возникновения горения необходимы определен­ные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника воспламенения. Горючее ве­щество и окислитель должны быть нагреты до опреде­ленной температуры источником тепла (источником вос­пламенения): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реак­ции или механической работе. В установившемся про­цессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном со­отношении. Так, при горении в воздухе концентрация кислорода должна быть не ниже определенной величины (от 16 до 18 %).

Сгорание веществ может быть полным и неполным. В процессе полного сгорания образуются продукты, не способ­ные к дальнейшему горению (CO₂, H₂O, HC1). При неполном сгорании получающиеся продукты способны к дальней­шему горению (СО, H₂S, HCN, NH₃, альдегиды и т. п.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

Однако, как бы ни проходил процесс горения, в основе его лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления - восстановления ос­нована на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстанови­телем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность вос­становления состоит в присоединении восстанавливаю­щимся веществом (окислителем) электронов восстанови­теля, который, отдавая электроны, окисляется.

В результате передачи электронов изменяется струк­тура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом стремится перейти в наиболее устойчивое в данных условиях валентное состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. При этом образуется ионное соединение. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному элек­трону атомам хлора. При этом атом натрия создает восьмиэлектронную структуру и, получив положитель­ный заряд, превращается в положительно заряженный ион.