0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Физикохимические основы горения и взрыва

Физико-химические основы процессов горения и взрывов

Чрезвычайные ситуации техногенного происхождения. Пожарная безопасность

Лекция №8

8.1. Физико-химические основы процессов горения и взрывов.

8.2. Оценка пожарной опасности предприятий.

В настоящее время вопросы обеспечения пожарной безопасности на предприятиях бытового обслуживания приобретает особое значение. Это связано с широким применением легко воспламеняющих веществ, которые при нарушении технологических процессов и правил пожарной безопасности могут вызывать загорания, приводящие к большой потере материальных ценностей, а часто и к гибели людей.

Меры пожарной профилактики на предприятиях зависит от степени их пожароопасности. Оценка пожароопасности предприятий основывается на данных о пожароопасных свойствах, используемых веществ и материалов.

Горение— сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и света.

Для возникновения горения требуется наличие трех факторов: горючего вещества, окислителя и импульса (источника зажигания). В качестве окислителей могут кислород воздуха, хлор, фтор, окислы азота и др.

В качестве импульса может быть открытый огонь, механическое воздействие (трение, удар), адиабатическое сжатие (Р=3/2 КТ).

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают следующие виды горения:

— гомогенноегорение газови парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя;

— гетерогенноегорение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение взрывчатых веществ и порохов.

В зависимостиот характеристик и сопутствующих факторов различают следующие виды горения: вспышка; возгорание; воспламенение; самовоспламенение; взрыв.

Вспышка— быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.Температура вспышки— низшая температура горючего вещества, при которой образовавшиеся над его поверхностью пары или газы способны вспыхивать от источника зажигания, однако скорость образования паров и газов недостаточна для поддержания устойчивого горения.

По температуре вспышки горючие жидкости делятся на 2 класса: легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ).

К классу ЛВЖ относятся жидкости с температурой вспышки, не превышающей Т 61С, называются ГЖ —это масла, мазут, формалин и др.

Воспламенение— возгорание сопровождающееся появлением пламени.

Температурой воспламенения называют самую низкую температуру вещества, при которой оно загорается в процессе нагрева без непосредственного контакта с огнем. Воспламенение возможно только при определенных соотношения горючего вещества и окислителя. Минимальная концентрация горючих газов и паров в воздухе, при которой они способны загораться и распространять пламя, называется нижним концентрационным пределом воспламенения.Максимальная концентрация горючих газов и паров—верхним пределом воспламенения.Интервал между ними называется областью воспламенения.

Для различных веществ она не одинакова: для дерева—295С, сахара—805С, нефти—420-480С, спирта—27С.

Самовозгорание— явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества при отсутствии внешнего источника зажигания.

В зависимости от вида импульса процессы самовозгорания подразделяются на тепловые, микробиологические и химические. На предприятиях бытового обслуживания чаще всего реализуется тепловой тип (загорание материалов на складах, при неисправной электропроводке и др.).

Примерами микробиологического самовоспламенения могут быть:

1 — самовозгорание зерна, особенно засоренного и влажного, происходит благодаря особым микроорганизмам, которые размножаются в толще зерна, потребляя его жировое вещества , сопровождаемое сильным его разогревом;

2 — самовозгораются растительные масла, олифа, торф, древесные опилки, промасленная ветошь, вследствие окисления (даже при Т=10-15С) выделяется достаточное количества тепла для самовозгорания.

Примеры химического самовоспламенения:

3 — при соприкосновении с воздухом фосфоров (белый, желтый и красный), технический углерод, сернистые соединения металлов.

4 — при соединении с водой щелочных металлов (натрий, калий), карбиды кальция.

Взрыв — процесс быстрого выделения большого количества энергии. В результате взрыва взрывоопасная смесь, заполняющая объем, в котором произошло выделение энергии, превращается в сильно разогретый газ с высоким давлением, вызывая образование взрывной волны.

Возгорание— возникновение горения от источника зажигания.

Зажигание — процесс инициирования начального очага горения в горючей смеси. Зажигание горючей смеси может происходить при их контакте с накаленными поверхностями, при появлении внутри смеси искр различного происхождения или пламени. Температура зажигания изменяется в зависимости от начального давления смеси. Так, например, для пропано-воздушной смеси при снижении давления с 30 до 6 кПа температура зажигания возрастает на 300С.

Если воздействие перечисленных факторов приводит к вовлечению в химическое превращение достаточного количества вещества и температура процесса с ростом объема разогретой смеси стремится к температуре горения, то в системе устанавливается стационарный режим(возникает устойчивый фронт пламени).В этом случае отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла при реакции.

По скорости распространение пламени горение подразделяется на: нормальное (V- 5-10 м/с); взрывное (V- 20-200 м/с); детонационное (V- до 5000 м/с).

. Для процессов горения характерно наличие критических условий возникновения и распространения пламени ( по составу смеси, давлению, температуре, геометрическим размерам системы). Так например, увеличение. значений, объема от 50-70мл до 3-4дм 3 температура самовоспламенения понижается на десятки градусов. Установлена следующая зависимость между температурой самовоспламенения и давлением смеси в реакционном сосуде:

где А и В -величины, зависящие от объема реакционного сосуда;

Условия теплового самовоспламенения сводятся к достижении критической температуры нагрева смеси Ткр в результате реакции окисления

где Е-энергия активации

Температура самовоспламенения , например парафиновых углеводородов, изменяется в зависимости от длины углеродной цепочки:

3—470С; 3,5—444С; 4—413С; 4,5—370С; 5—287С; 5,5—244С.

Пожар — неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб и создающее опасность для жизни и здоровья людей.

Пожарная опасность веществ, материалов, зданий и сооружений определяется набором показателей, характеризующих критические условия возникновения и развития процесса горения.

Пожароопасность веществ характеризуется линейной или массовой скоростью горения или выгорания веществ.

В соответствии со стандартом «ГОСТ 12.1.044—84 Пожароопасность веществ и материалов» для оценки пожаровзрывоопасности все вещества разделены по агрегатному состоянию на газы, жидкости и твердые.

К газамотносят вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50С превышает 300 кПа, или их критическая температура которых менее 50С.

К жидкостям— вещества с температурой плавления менее 50С ;

К твердым — вещества с температурой плавления от 50С и выше;

К пыли— диспергированные твердые вещества с частицами размером менее 850мкм.

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Теория горения (стр. 1 из 2)

1. Физико-химические основы горения

1. Физико-химические основы горения

Горение — это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением.[2, 7c]

В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Для процесса горения необходимо:

1) наличие горючей среды, состоящей ив горючего вещества и окислителя; 2) источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая — при содержании в воздухе 14 — 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

— полное — горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

— неполное — горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2 ), вода (H2 O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2 ), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода,
но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора,
паров брома, серы и т.д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях:
жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие — разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

— гомогенное горение — горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение взрывчатых веществ и порохов;

— гетерогенное горение — горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение в системе «жидкая горючая смесь — жидкий окислитель».

Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени (горения):

— нормальный режим горения;

а) Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным).

Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит.

б) В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение.

При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1.5-3.0 тысяч °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.б-0.9МПа.

Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет для газов

0.2 – 0.3 сек, пыли

Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 — 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 — 100 кПа.

в) В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1 — 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности.

При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси.

Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.

Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией.

При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени

200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%.[2, 278c]

Взрыв — это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.[3, 4c]

Взрыв приводит к образованию сильно нагретого газа (плазмы) с очень высоким давлением, который при моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие (давление, разрушение) на окружащие тела.

Взрыв в твердой среде сопровождается ее разрушением и дроблением, в воздушной или водной — вызывает образование воздушной или гидравлической ударных волн, которые и оказывают разрушающее воздействие на помещенные в них объекты.

В деятельности, не связанной с преднамеренными взрывами в условиях промышленного производства, под взрывом следует понимать быстрое, неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором удалении от источника.

В результате взрыва вещество, заполняющее объем, в котором происходит высвобождение энергии, превращается в сильно нагретый газ (плазму) с очень высоким давлением, (до нескольких сотен тысяч атмосфер). Этот газ, моментально расширяясь оказывает ударной механическое воздействия на окружающую среду, вызвав ее движение. Взрыв в твердой среде вызывает ее дробление и разрушение в гидравлической и воздушной среде — вызывает образование гидравлической и воздушной ударной (взрывной) волны.

Взрывная волна — есть движение среды, порожденное взрывом, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды.

Фронт (передняя граница) взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область охваченная движением, быстро расширяется.

Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов взрыва — в вакууме) взрыв производит механическое воздействие на объекты, находящиеся на различных удалениях от места взрыва. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.[1, 113c]

Взрыв может быть вызван:

— детонацией конденсированных взрывчатых веществ (ВВ);

— быстрым сгоранием воспламеняющего облака газа или пыли;

— внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью;

— смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д.

В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения, источниками энергии при взрыве могут быть как химические так и физические процессы.

Источником энергии химических взрывов являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или реакции термического разложения нестабильных соединений.

Источниками энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры (оборудования) могут быть как внешние (энергия, используемая для сжатия тазов, нагнетания жидкостей; теплоносители, обеспечивающие нагрев жидкости и газов в замкнутом пространстве) так и внутренние (экзотермические физико-химические процессы и процессы тепломассообмена в замкнутом объеме), приводящие к интенсивному испарению жидкостей или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений.

Источником энергии ядерных взрывов являются быстропротекающие цепные ядерные реакции синтеза легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) или деления тяжелых ядер изотопов урана и плутония. Физические взрывы возникают при смещении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превосходит температуру кипения другой. Испарение в этом случае протекает взрывным образом. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением, достигающим в ряде случаев сотен МПа.

Энергоносителями химических взрывов могут быть твердые, жидкие, газообразные горючие вещества, а также аэровзвеси горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде, в т.ч. и в воздухе.

Таким образом, различаются взрывы двух типов. К первому типу относят взрывы, обусловленные высвобождением химической или ядерной энергии вещества, например взрывы химических взрывчатых веществ, смесей газов, пыли и (или) паров, а также ядерные и термоядерные взрывы. При взрывах второго типа выделяется энергия, полученная веществом от внешнего источника. Примеры подобных взрывов — мощный электрический разряд в среде (в природе — молния во время грозы); испарение металлического проводника под действием тока большой силы; взрыв при воздействии на вещество некоторых излучений большой плотности энергии, напр. сфокусированного лазерного излучения; внезапное разрушение оболочки со сжатым газом.

Физико-химические основы процесса горения и взрыва

Горение есть главный и основной процесс на пожаре.

Горением называется сложный физико-химический процесс превращения исходных горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождающийся интенсивным выделением тепла, дыма и световым излучением факела пламени.

Пожар и взрыв — разные явления, но в терминах теории вероятностей они происходят по одной логической схеме и имеют общую математическую модель. Пожар происходит при случайном появлении опасного источника и случайном нахождении в непосредственной близости горючего материала. Взрыв происходит при случайном появлении опасного источника и случайном появлении опасной концентрации взрывоопасного газа (пыли) в месте появления открытого источника [3].

Взрыв — это относительно большое выделение количества энергии в конечном ограниченном объеме за сравнительно короткий промежуток времени. Это процесс интенсивного выделения тепловой энергии из горючей смеси при ее сгорании в ограниченном объеме.

Горение возможно при наличии трех условий: горючего вещества с определенной температурой воспламенения, достаточного количества окислителя, источника воспламенения определенной мощности.

Взрывоопасной средой являются: смеси веществ (газов, паров и пылей) с воздухом и другими окислителями (кислородом, озоном, окислами азота и др.), способные к взрывчатому превращению; отдельные вещества, склонные к взрывному разложению (ацетилен, озон, аммиачная селитра и др.).

Физико-химические основы горения заключаются в термическом разложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, которые под воздействием высоких температур вступают в химические взаимодействия с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (окись углерода), сажу (углерод) и воду, и при этом выделяется тепло и световое излучение.

По скорости распространения различают дефлаграционное, взрывное и детонационное горение. Важнейшая особенность процесса горения — самоускоряющийся характер химического превращения.

Основными параметрами, характеризующими взрыв (взрывное горение), являются: максимальное давление взрыва, давление на фронте ударной волны, средняя и максимальная скорость нарастания давления при взрыве, фугасные или дробящие свойства взрывоопасной среды.

Детонация — особая форма взрывного горения, при котором импульс воспламенения передается от слоя к слою не за счет теплопроводности, а вследствие импульса давления. Для возникновения детонации требуется сильная ударная волна. Она, как правило, возникает при резком увеличении скорости распространения пламени или при более мощном источнике зажигания [4].

Каждому горению присущ конкретный источник зажигания, при этом всякое горение начинается с самовоспламенения (самовозгорания) или вынужденного воспламенения (зажигания) от пламени (разогретого тела) или электрической искры.

Воспламенение — это возгорание горючей среды под воздействием источника зажигания, сопровождающееся появлением пламени; самовоспламенение — это явление резкого увеличения скорости экзотермической реакции, приводящей к возникновению горения в отсутствие источника зажигания.

Горению присущи опасные факторы, которые называются опасными факторами пожара. Опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ценности, являются:

повышенная температура окружающей среды;

* токсические продукты горения и термического разложения;

* пониженная концентрация кислорода.

Предельные значения опасных факторов пожара следующие:

* температура среды — 70 °С;

* тепловое излучение — 500 Вт/м2;

* содержание оксида углерода — 0,1 % (об);

* содержание диоксида углерода — 6 % (об);

* содержание кислорода — менее 17 % (об).

Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения (ВКПВ и НКПВ) — соответственно максимальная и минимальная концентрации горючих газов, паров ЛВЖ, пыли или волокон в воздухе, выше и ниже которых взрыва не произойдет даже при возникновении источника инициирования взрыва.

Взрывоопасная смесь (ВОС) — смесь с воздухом (кислородом или другим окислителем) ГГ, паров ЛВЖ, горючих пыли или волокон с НКПВ не более 65 г/м3 при переходе их во взвешенное состояние, которая при определенной концентрации способна взорваться при возникновении источника инициирования взрыва.

К взрывоопасным относятся:

* горючие газы при любой температуре окружающей среды.

* легковоспламеняющиеся жидкости у которых Гс п 61 °С), нагретые в условиях производства до температуры вспышки и выше.

* горючие пыли и волокна, если их НКПВ не превышает 65 г/м3.

* смесь горючих газов и паров ЛВЖ с кислородом воздуха или другим окислителем.

Взрывоопасная зона — помещение или ограниченное пространство в помещении или наружной установки, в котором имеются или могут образовываться взрывоопасные смеси.

Гражданская оборона

Физико-химические основы горения и взрыва

Горение — это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением.

В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Взрыв — это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света.

Для процесса горения необходимо:

  • 1) наличие горючей среды, состоящей из горючего вещества и окислителя;
  • 2) источник воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения.

Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения.

Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая — при содержании в воздухе 14-15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы и т.д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях:

жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие — разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

горение газов и горючих парообразующих веществ, в среде газообразного окислителя;

горение взрывчатых веществ и порохов;

горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

горение в системе «жидкая горючая смесь жидкий окислитель».

Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени (горения):

нормальный режим горения;

Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения.

Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным).

Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит.

В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 — 320м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение.

При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1,5-3,0 тысяч°С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0,6-0,9 МПа.

Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет приблизительно для газов — 0,1 сек, паров — 0,2-0,3 сек, пыли — 0,5 сек.

Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлеграцией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100-300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20-100 кПа.

В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1-5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени, большое увеличение его поверхности.

При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышаются плотность, давление, температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси.

Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.

Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией.

При детонационном режиме горения облака горючего вещества (ГВ) большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени приблизительно 200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30% до 40%.

Физико-химические основы горения и взрыва. Горение, виды горения

1. Го­ре­ние — это хи­ми­че­с­кая ре­ак­ция оки­с­ле­ния, со­про­во­ж­да­ю­ща­я­ся вы­де­ле­ни­ем боль­шо­го ко­ли­чет­ва те­п­ла и све­че­ни­ем.

2. В за­ви­си­мо­сти от ско­ро­сти про­те­ка­ния про­цес­са, го­ре­ние мо­жет про­ис­хо­дить в фор­ме соб­ст­вен­но го­ре­ния и взры­ва.

3. Взрыв — это ча­ст­ный слу­чай го­ре­ния, про­те­ка­ю­ще­го мгно­вен­но с крат­ко­вре­мен­ным вы­де­ле­ни­ем зна­чи­тель­но­го

ко­ли­че­ст­ва те­п­ла и све­та.

4. Для про­цес­са го­ре­ния не­об­хо­ди­мо:

1) на­ли­чие го­рю­чей сре­ды, со­сто­я­щей ив го­рю­че­го ве­ще­ст­ва и оки­с­ли­те­ля; 2) ис­то­ч­ни­ка вос­пла­ме­не­ния.

Что­бы воз­ник про­цесс го­ре­ния, го­рю­чая сре­да дол­ж­на быть на­гре­та до оп­ре­де­лен­ной тем­пе­ра­ту­ры при по­мо­щи ис­то­ч­ни­ка вос­пла­ме­не­ния (пла­мя, ис­кра элек­т­ри­че­с­ко­го или ме­ха­ни­че­с­ко­го про­ис­хо­ж­де­ния, на­ка­лен­ные те­ла, те­п­ло­вое про­яв­ле­ние хи­ми­че­с­кой, элек­т­ри­че­с­кой или ме­ха­ни­че­с­кой энер­гий).

5. По­с­ле воз­ни­к­но­ве­ния го­ре­ния по­сто­ян­ным ис­то­ч­ни­ком вос­пла­ме­не­ния яв­ля­ет­ся зо­на го­ре­ния. Воз­ни­к­но­ве­ние и

6. про­дол­же­ние го­ре­ния воз­мо­ж­но при оп­ре­де­лен­ном ко­ли­че­ст­вен­ном со­от­но­ше­нии го­рю­че­го ве­ще­ст­ва и ки­с­ло­ро­да, а так­же при оп­ре­де­лен­ных тем­пе­ра­ту­рах и за­па­се те­п­ло­вой энер­гии ис­то­ч­ни­ка вос­пла­ме­не­ния. Наи­боль­шая

ско­рость ста­ци­о­нар­но­го го­ре­ния на­блю­да­ет­ся в чи­с­том ки­с­ло­ро­де, наи­мень­шая — при со­дер­жа­нии в воз­ду­хе 14 — 15% ки­с­ло­ро­да. При мень­шем со­дер­жа­нии ки­с­ло­ро­да в воз­ду­хе го­ре­ние боль­шей ча­с­ти ве­ществ пре­кра­ща­ет­ся.

6. Раз­ли­ча­ют сле­ду­ю­щие ви­ды го­ре­ния:

— по­л­ное — го­ре­ние при до­с­та­то­ч­ном ко­ли­че­ст­ве или из­быт­ке ки­с­ло­ро­да;

— не­по­л­ное — го­ре­ние при не­до­с­тат­ке ки­с­ло­ро­да.

При по­л­ном го­ре­нии про­ду­к­та­ми сго­ра­ния яв­ля­ют­ся дву­окись уг­ле­ро­да (CO2), во­да (H2O), азот (N), сер­ни­стый ан­ги­д­рид (SO2), фо­с­фор­ный ан­ги­д­рид. При не­по­л­ном го­ре­нии обы­ч­но об­ра­зу­ют­ся ед­кие, ядо­ви­тые го­рю­чие и взры­во­о­па­с­ные

про­ду­к­ты: окись уг­ле­ро­да, спир­ты, ки­с­ло­ты, аль­де­ги­ды.

7. Го­ре­ние ве­ществ мо­жет про­те­кать не толь­ко в сре­де ки­с­ло­ро­да, но так­же в сре­де не­ко­то­рых ве­ществ, не со­дер­жа­щих ки­с­ло­ро­да, хло­ра, па­ров бро­ма, се­ры и т.д.

8. Го­рю­чие ве­ще­ст­ва мо­гут быть в трех аг­ре­гат­ных со­сто­я­ни­ях:
жид­ком, твер­дом, га­зо­об­раз­ном. От­дель­ные твер­дые ве­ще­ст­ва при на­гре­ва­нии

пла­вят­ся и ис­па­ря­ют­ся, дру­гие — раз­ла­га­ют­ся и вы­де­ля­ют га­зо­об­раз­ные про­ду­к­ты и твер­дый ос­та­ток в ви­де уг­ля и шла­ка, тре­тьи не раз­ла­га­ют­ся и не пла­вят­ся. Боль­шин­ст­во го­рю­чих ве­ществ не­за­ви­си­мо от аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния при

на­гре­ва­нии об­ра­зу­ют га­зо­об­раз­ные про­ду­к­ты, ко­то­рые при сме­ши­ва­нии с ки­с­ло­ро­дом воз­ду­ха об­ра­зу­ют го­рю­чую сре­ду.

По аг­ре­гат­но­му со­сто­я­нию го­рю­че­го и оки­с­ли­те­ля раз­ли­ча­ют;

— го­мо­ген­ное го­ре­ние — го­ре­ние га­зов и го­рю­чих па­ро­об­ра­зу­ю­щих ве­ществ в сре­де га­зо­об­раз­но­го оки­с­ли­те­ля;

— го­ре­ние взрыв­ча­тых ве­ществ и по­ро­хов;

— ге­те­ро­ген­ное го­ре­ние — го­ре­ние жид­ких и твер­дых го­рю­чих ве­ществ в сре­де га­зо­об­раз­но­го оки­с­ли­те­ля;

— го­ре­ние в си­с­те­ме «жид­кая го­рю­чая смесь — жид­кий оки­с­ли­тель»
9. Ва­ж­ней­шим во­п­ро­сом те­о­рии го­ре­ния яв­ля­ет­ся рас­про­стра­не­ние пла­ме­ни (зо­ны ре­з­ко­го воз­рас­та­ния тем­пе­ра­ту­ры и ин­тен­сив­ной ре­ак­ции). Раз­ли­ча­ют сле­ду­ю­щие ре­жи­мы рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни (го­ре­ния):

— нор­маль­ный ре­жим го­ре­ния;

— де­фле­гра­ци­он­ное го­ре­ние;
— де­то­на­ция.

а) Нор­маль­ный ре­жим го­ре­ния на­блю­да­ет­ся при спо­кой­ном ге­те­ро­ген­ном двух­фаз­ном диф­фу­зи­он­ном го­ре­нии. Ско­рость го­ре­ния бу­дет оп­ре­де­лять­ся ско­ро­стью диф­фу­зии ки­с­ло­ро­да к го­рю­че­му ве­ще­ст­ву в зо­ну го­ре­ния.

Рас­про­стра­не­ние пла­ме­ни про­ис­хо­дит от ка­ж­дой то­ч­ки фрон­та пла­ме­ни по нор­ма­ли к его по­верх­но­сти. Та­кое го­ре­ние и ско­рость рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни по не­под­ви­ж­ной сме­си вдоль нор­ма­ли к его по­верх­но­сти на­зы­ва­ют нор­маль­ным

Нор­маль­ные ско­ро­сти го­ре­ния не­ве­ли­ки. В этом слу­чае по­вы­ше­ния да­в­ле­ния и об­ра­зо­ва­ния удар­ной во­л­ны не

б) В ре­аль­ных ус­ло­ви­ях вслед­ст­вие про­те­ка­ния вну­т­рен­них про­цес­сов и при внеш­них ос­ло­ж­ня­ю­щих фа­к­то­рах про­ис­хо­дит ис­кри­в­ле­ние фрон­та пла­ме­ни, что при­во­дит к ро­с­ту ско­ро­сти го­ре­ния. При до­с­ти­же­нии ско­ро­стей

рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни до де­сят­ков и со­тен ме­т­ров в се­кун­ду, но не пре­вы­ша­ю­щих ско­ро­сти зву­ка в дан­ной сре­де (300 – 320м/сек) про­ис­хо­дит взрыв­ное (де­фле­гра­ци­он­ное) го­ре­ние.

При взрыв­ном го­ре­нии про­ду­к­ты го­ре­ния на­гре­ва­ют­ся до 1.5-3.0 ты­сяч °С, а да­в­ле­ние в за­кры­тых си­с­те­мах

уве­ли­чи­ва­ет­ся до 0.б-0.9МПа.

Про­дол­жи­тель­ность ре­ак­ции го­ре­ния до взрыв­но­го ре­жи­ма со­ста­в­ля­ет для га­зов

0.2 – 0.3 сек, пы­ли

При­ме­ни­тель­но к слу­чай­ным про­мыш­лен­ным взры­вам под де­фле­б­ра­ци­ей обы­ч­но по­ни­ма­ют го­ре­ние об­ла­ка с ви­ди­мой ско­ро­стью по­ряд­ка 100 — 300 м/сек, при ко­то­рой ге­не­ри­ру­ют­ся удар­ные во­л­ны с ма­к­си­маль­ным да­в­ле­ни­ем 20 — 100 кПа.

в) В оп­ре­де­лен­ных ус­ло­ви­ях взрыв­ное го­ре­ние мо­жет пе­рей­ти в де­то­на­ци­он­ный про­цесс,

при ко­то­ром ско­рость рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни пре­вы­ша­ет ско­рость рас­про­стра­не­ния зву­ка и до­с­ти­га­ет 1 — 5 км/сек. Это про­ис­хо­дит при силь­ной тур­бу­ли­за­ции ма­те­ри­аль­ных по­то­ков,

вы­зы­ва­ю­щей зна­чи­тель­ное ис­кри­в­ле­ние фрон­та пла­ме­ни боль­шое уве­ли­че­ние его по­верх­но­сти.

При этом воз­ни­ка­ет удар­ная во­л­на, во фрон­те ко­то­рой ре­з­ко по­вы­ша­ет­ся плот­ность, да­в­ле­ние тем­пе­ра­ту­ра сме­си. При

воз­рас­та­нии этих па­ра­ме­т­ров сме­си до са­мо­вос­пла­ме­не­ния го­ря­чих ве­ществ воз­ни­ка­ет де­то­на­ци­он­ная во­л­на, яв­ля­ю­ща­я­ся ре­зуль­та­том сло­же­ния удар­ной во­л­ны и об­ра­зу­ю­щей­ся зо­ны сжа­той бы­ст­ро­ре­а­ги­ру­ю­щей (са­мо­вос­пла­ме­ня­ю­щей­ся) сме­си.

Из­бы­то­ч­ное да­в­ле­ние в пре­де­лах де­то­ни­ру­ю­ще­го об­ла­ка сме­си мо­жет до­с­ти­гать 2 МПа.

Про­цесс хи­ми­че­с­ко­го пре­вра­ще­ния го­рю­чих ве­ществ, ко­то­рый вво­дит­ся удар­ной во­л­ной и со­про­во­ж­да­ет­ся бы­ст­рым вы­де­ле­ни­ем энер­гии, на­зы­ва­ет­ся де­то­на­ци­ей.

При де­то­на­ци­он­ном ре­жи­ме го­ре­ния об­ла­ка ГВ боль­шая часть энер­гии взры­ва пе­ре­хо­дит в воз­душ­ную удар­ную во­л­ну, при де­фле­гра­ци­он­ном го­ре­нии со ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни

200 м/сек пе­ре­ход энер­гии в во­л­ну со­ста­в­ля­ет от 30 до 40%.

Основные понятия о процессах горения и взрыва. Особенности горения веществ в различных агрегатных состояниях.

Пожарная безопасность – это состояние помещения в котором с установленной вероятностью исключается возможность возникновения пожара.
Пожар – это неконтролируемое горение в результате которого повреждаются материальные ценности и создаётся угроза жизни человека.
Горение – это быстро протекающая реакция окисления в результате которой выделяется большое количество тепла.
Горение различают по скорости:
— горение;
— взрыв;
— детонация.
Все горючие вещества обладают определёнными характеристиками, которые объясняют их опасность:
Вспышка – это быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающие образование сжатых газов.
Температура вспышки (основная характеристика горючих жидкостей) – это наименьшая температура, при которой происходит процесс вспышки, но нет устойчивого горения.
Температура воспламенения – это температура, при которой начинается процесс горения вещества.
Нижний концентрационный придел воспламенения (основная характеристика воспламенения пыли) – это минимальное содержание горючего вещества в воздухе при котором начинается процесс воспламенения.
Из группы горючих веществ выделяют легко воспламеняющие вещества:
— жидкости;
— газы;
— твёрдые.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов Г. различают три основных типа Г.: гомогенное Г., Г. взрывчатых веществ и порохов, гетерогенное Г. Гомогенное горение. Исходные вещества и продукты при таком Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем — обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. веществ (напр., термитов — смесей алюминия с окислами разл. металлов) и изотермическое Г.- распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рис. изображена структура фронта Г. в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в очень узкой зоне (10 -5 м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: (T0 — темп-pa исходной смеси, Q — теплота сгорания, ср — теплоёмкость газа при пост. давлении). В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт тепла, выделившегося при Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного вещества, хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г. , где — коэффициенттемпературопроводности, а — характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в основном энергией активации и темп-рой Г. (R — универсальная газовая постоянная).

Гетерогенное горение. Исходные вещества при этом находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.: Г. угля, частиц металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, нек-рых двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением и испарением капель и частиц, образованием окисных плёнок на частицах металла, турбулизацией газовой смеси и т. п.

Горение взрывчатых веществ и пороков. Mн. конденсиров. взрывчатые вещества (BB), кроме быстрого (взрывного) протекания реакции (см. Взрыв, Детонация), способны к значительно более медленному хим. превращению путём Г. В отличие от обычных твёрдых и жидких топлив при горении BB не требуется подводить извне окислитель, т. к. горючее и окислитель во BB перемешаны на молекулярном уровне.

Г. BB связано с переходом вещества из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяется теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г., отстоящей от поверхности на нек-ром расстоянии. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования — переходом части конденсиров. вещества в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.

Важной особенностью процесса Г. является наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь в нек-рых интервалах изменения состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду. Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. Скорость Г. на пределе отлична от нуля, а при переходе через предел Г. прекращается.

При эксперим. исследовании Г. изучается зависимость скорости Г. от разл. параметров Г.: состава смеси, дисперености компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакций, пределов Г. При этом используются оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары (толщина их измеряется микронами), манометрические и калориметрич. бомбы.

Охрана труда

Физико-химические основы процессов горения и взрывов. Условия возникновения и виды горения

Горение — сложное быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и (обычно) свечением.

В большинстве случаев горение представляет собой экзотермическое окислительное взаимодействие горючего вещества с окислителем. Согласно современным представлениям, к горению относят не только процессы взаимодействия веществ с кислородом (кислородом воздуха), но и разложение взрывчатых веществ, соединение ряда веществ с хлором и фтором, оксидов натрия и бария с диоксидом углерода и т. д.

Для расчета объема воздуха, необходимого для сгорания одной массовой или объемной единицы вещества, объема продуктов сгорания, температуры горения составляют уравнения реакций горения веществ.

При этом принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота (0,9% аргона, содержащегося в воздухе, в расчет не принимают, так как он не участвует в процессе горения), 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. Тогда состав воздуха можно выразить следующим образом: О2 + 3,76N2.

Химическая реакция горения всегда является сложной, т. е. состоит из ряда элементарных химических превращений. Например, горение простейшего горючего — водорода — протекает в более чем двадцать элементарных стадий. Кроме того, химическое превращение при горении происходит одновременно с физическими процессами: переносом тепла и массы. Поэтому скорость горения всегда определяется как условиями тепло- и массопередачи, так и скоростью протекания химических превращений.

В некоторых случаях, например при гетерогенном горении на поверхности твердого вещества, скорость горения целиком определяется скоростью физических процессов испарения и диффузии.

Ведущая роль в создании и развитии современной теории горения принадлежит ученым Н.Н. Семенову, В.Н. Кондратьеву, Я.Б. Зельдовичу, Д.А. Франк-Каменецкому, В.В. Воеводскому.

Условия возникновения и виды горения

Все разнообразие процессов горения может быть сведено к двум основным явлениям: возникновению и распространению пламени. Появлению пламени всегда предшествует процесс прогрессирующего самоускорсния реакции, вызванный изменением внешних условий: появлением в горючей среде источника зажигания, нагревом смеси горючего с окислителем до некоторой критической температуры стенками аппарата или в результате адиабатического сжатия и т. д.

Общая схема возникновения пламени показана на рис. 9.1. Зажигание горючей смеси инициируется внешним источником зажигания (электрической или фрикционной искрой, высоконагретой поверхностью, открытым пламенем). Если ограничиться рассмотрением зажигания газовой смеси искрой, то процесс зажигания может быть представлен в следующем виде.

Температура в канале электрической искры достигает 10000 °С. В этой зоне происходит термическая диссоциация и ионизация молекул, что приводит к интенсивному протеканию химических реакций. Однако, вызвав горение в зоне разряда, искра может не вызвать дальнейшего распространения пламени по смеси. Горючую смесь может зажечь только такая искра, в канале которой выделяется энергия, достаточная для обеспечения условий распространения пламени на весь объем смеси.

В модели зажигания, предложенной Я.Б. Зельдовичем, действие искрового разряда приравнено к действию точечного теплового источника, который в момент времени т = 0 выделяет Q кДж тепла.

За счет этого тепла он нагревает вокруг себя до достаточно высокой температуры сферический объем газа радиусом г. За счет теплообмена с окружающим газом температура первоначального объема будет понижаться. Критические условия зажигания искровым разрядом газовой смеси характеризуются следующим выражением:

, 9.1

где r — радиус начального ядра пламени; бпл — ширина фронта ламинарного пламени.

Рис. 9.1. Схема процессов самовоспламенения и зажигания

При выполнении условия (9.1) близлежащие слои горючей смеси успевают воспламениться прежде, чем нагретый искрой объем остынет.

Если для процесса зажигания решающими факторами являются температура источника зажигания и величина первоначально нагретого объема, то для процесса самовоспламенения основное значение имеют условия концентрации тепла. Процесс самовоспламенения будет рассмотрен далее.

При горении химически неоднородных горючих систем, т. е. систем, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела (твердые материалы и жидкости; струи паров и газов, поступающие в воздух), время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции. В этом случае процесс протекает в диффузионной области. Такое горение называют диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, то можно принять, что время сгорания химически неоднородной системы примерно равно времени протекания самой химической реакции. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции.

Такое горение называют кинетическим, например горение химически однородных горючих систем, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества и не затрачивается время на смесеобразование. Поскольку скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно, в виде взрыва.

Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.

Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем, или факелом. В случае, когда горит заранее не подготовленная смесь паров или газов с воздухом, пламя называют диффузионным. Если такая смесь образуется в пламени в процессе горения, — пламя кинетическое. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Наиболее характерным свойством возникновения очага пламени является его способность к самопроизвольному распространению по горючей смеси. В понятие распространение пламени объединены разнообразные явления, сопровождающиеся образованием дефлаграционных (распространяющихся с дозвуковой скоростью) и детонационных (распространяющихся со сверхзвуковой скоростью) пламен.

Дефлаграционные пламена в свою очередь подразделяются на ламинарные и турбулентные. Для объяснения процессов, приводящих к возникновению горения и развитию процессов горения, предложены так называемые тепловая и цепная теории.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector