Теория горения и взрывов
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине «Теория горения и взрывов»
Выполнила:
Галиуллина Алсу Радисовна
студентка з/о гр. ЗиЗ-т
т.89372839040
Казань
2012
Содержание
1. Физико-химические основы горения ………………………………..Стр.3
2. Гомогенное и гетерогенное горение…………………………………Стр.6
3. Типы взрывов………………………………………………
4. Классификация взрывов по плотности вещества,
по типам химической реакции………………………………………….Стр.10
5.Список литературы……………………………………………………
1. Физико-химические основы горения
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.
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
- 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.
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
- горение взрывчатых веществ и порохов;
- гетерогенное горение
- горение жидких и твердых
горючих веществ в среде
- 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;
- 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 (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 ~0.1 сек, паров ~0.2 – 0.3 сек, пыли ~0.5 сек.
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. Гомогенное и гетерогенное горение.
В зависимости от агрегатного состояния смеси горючего и окислителя, т.е. от количества фаз в смеси, различают:
1). Гомогенное горение газов и паров горючих веществ в среде газообразного окислителя. Таким образом, реакция горения протекает в системе, состоящей из одной фазы (агрегатного состояния).
2). Гетерогенное горение твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя. В этом случае реакция протекает на поверхности раздела фаз, в то время как гомогенная реакция идет во всем объеме.
Это горение металлов, графита, т.е. практически нелетучих материалов. Многие газовые реакции имеют гомогенногетерогенную природу, когда возможность протекания гомогенной реакции обусловлена происхождением одновременно гетерогенной реакции.
Горение всех жидких и многих твердых веществ, из которых выделяются пары или газы (летучие вещества) протекает в газовой фазе. Твердая и жидкая фазы играют роль резервуаров реагирующих продуктов.
Например, гетерогенная реакция самовозгорания угля переходит в гомогенную фазу горения летучих веществ. Коксовый остаток горит гетерогенно.
3. Типы взрывов
Взрыв - это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.
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.
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
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.
Взрывы первого типа
могут осуществляться цепным или
тепловым путем. Цепной взрыв происходит
в условиях, когда в системе
возникают в больших
Тепловой взрыв возникает в условиях, когда выделение тепла в результате химической реакции в заданном объеме вещества превышает кол-во тепла, отводимого через внешнюю поверхность, ограничивающую этот объем, в окружающую среду посредством теплопроводности. Это приводит к саморазогреву вещества вплоть до его самовоспламенения и взрыва.
При взрывах любого типа происходит резкое возрастание давления вещества, окружающая очаг взрыва среда испытывает сильное сжатие и приходит в движение, которое передается от слоя к слою, - возникает взрывная волна. Скачкообразное изменение состояния вещества (давления, плотности, скорости движения) на фронте взрывной волны, распространяющееся со скоростью, превышающей скорость звука в среде, представляет собой ударную волну. Законы сохранения массы и импульса связывают скорость фронта волны, скорость движения вещества за фронтом, сжимаемость и давление вещества.
4. Классификация взрывов по плотности вещества, по типам химических реакций.
Классификация взрывов по плотности вещества, два основных типа.
Существуют два основных типа взрыва:
1) взрыв конденсированного ВВ
2) объемный взрыв.
1) Взрыв конденсированного ВВ.
Взрывы этого типа вызываются всеми твердыми ВВ и относительно незначительным числом жидких ВВ, включая нитроглицерин. Такие ВВ обычно имеют плотность, лежащую в диапазоне 1,5 - 1,80 г/см3 (т.е.1500 - 1800 кг/м). Однако первичные ВВ, содержащие свинец или ртуть, имеют намного большие плотности.
К физическим взрывам следует отнести также явление так называемой физической (или термической) детонации. Это явление возникает при смешении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, при выливании расплавленного металла в воду). В образовавшейся парожидкостной смеси испарение может протекать взрывным образом вследствие развивающихся процессов тонкой фрагментации капель расплава, быстрого теплоотвода от них и перегрева холодной жидкости. Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях тысяч атмосфер. Указанное явление может стать причиной крупных аварий в ядерных реакторах и на промышленных предприятиях металлургической, химической и бумажной промышленности.
2) Объемный взрыв.
Объемный взрыв в разреженной среде возникает от смесей воздуха и некоторых окисляющихся веществ в виде пыли, аэрозоли или пара. Такие смеси имеют плотность, едва отличимую от плотности воздуха. Объемные взрывы в разреженной среде можно разделить на два класса: ограниченные и неограниченные.
Все взрывы, кроме одного - пылевого, подробно описанного ниже, были ограниченными. Известно мало данных (за одним важным исключением) о серьезных взрывах, связанных с аэрозолями, хотя сравнительно небольшие аэрозольные взрывы случаются не так уж редко в системах сжатого воздуха, где аэрозоль представляет собой туман из масляных капелек. Упомянутое исключение - это авария 20 января 1968 г. в Пернисе (Нидерланды), где сильный взрыв при очистке масла произошел после зажигания облака пара, содержащего около 50 т углеводородов.
Газовые или паровые взрывы могут быть как ограниченными (их большинство), так и неограниченными, когда количество газа/пара достигает по крайней мере 3 т.
Классификация по типам химических реакций
1) Реакции разложения
Самый простой случай взрыва - это процесс разложения, который дает газообразные продукты. Один из примеров - пероксид водорода, который разлагается со значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:
2Н2О2 Н2О + О2 - 23,44 ккал/моль
Как бытовой продукт пироксид водорода продается в виде 3% -ного водного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пироксидом водорода "высокой пробы", концентрация которого составляет 90% или более. Разложение Н2О2 высокой пробы ускоряется рядом веществ, что используется в качестве реактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям. Второй пример - это азид свинца, который легко разлагается при трении или ударе:
PbN6 Pb + 3N2 - 115,5 ккал/моль
Азид свинца - это первичное ВВ, или детонатор. Подавляющее большинство ВВ после детонации дает различные продукты. Например, ТНТ высокой плотности (1,59 г/см3) при детонации дает, согласно [Cook. 1966], продукты реакции разложения, указанные в табл.1. Надо отметить, что ТНТ является веществом.
ТАБЛИЦА 1. Продукты разложения
Продукт |
CO |
CO2 |
H2O |
N2 |
NH3 |
CH3OH |
HCN |
C |
Количество моль/кг |
0,6 |
10,0 |
0,8 |
6,0 |
0,4 |
4,7 |
1 |
14,9 |
С "дефицитом кислорода", и поэтому одним из основных продуктов его распада является углерод. При взрывах ТНТ образуется, таким образом, очень много дыма. Большинство бризантных ВВ (за исключением нитроглицерина) - вещества с дефицитом кислорода, т.е. в их молекулах недостаточно атомов кислорода, чтобы образовался 1 моль СО2 на каждый атом углерода, присутствующий в молекуле, и 1 моль Н2О на каждые два атома водорода. Ряд промышленно важных веществ, не классифицируемых как ВВ, ведет себя сходным образом. Они перечислены в [ECD. 1982]; во многих случаях они являются органическими пероксидами.
На основе законов термохимии можно выявить, будет или нет данное соединение способным к взрыву. Согласно [Stull. 1977], если в данной реакции сумма теплот образования продуктов имеет более низкое значение, чем теплота образования исходного соединения, то тогда это вещество потенциально взрывоопасно.
Таким образом, для реакции
А В + С + D
Должно быть
Где δf - теплота образования. * δf имеет положительное значение для соединений, которые поглощают тепло в процессе образования (эндотермическая реакция), и наоборот, отрицательное значение для соединений, которые выделяют тепло в процессе образования (экзотермическая реакция). Например:
Для составных частей в их обычном молекулярном состоянии, например О2, N2, Н2 (но не О3), δf считается равной нулю.
Следует иметь в виду, что применение термохимии может лишь указать на возможность взрывного процесса, тогда как скорость реакции определяет мощность, т.е. силу эффекта. Реакция между воском свечи и кислородом - это реакция высокоэкзотермическая, но обычно не приводит к взрыву.
2) Окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-
3) Реакции полимеризации, изомеризации и конденсации
Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно, и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер - летучий, как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах, но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию. Этиленоксид может также изомеризоваться в ацетальдегид экзотермическим путем:
Эта реакция, а также реакция разложения ацетальдегида с образованием двух молей постоянных газов обсуждаются в работе:
Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широко применяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов в реакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрировано много примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переноса тепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость реакции - это экспоненциальная функция температуры реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучи функцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательный эффект до некоторой степени компенсируется.
4) Реакции смесей.
Наиболее наглядный пример смеси, которая реагирует со взрывом, - это смесь, известная первоначально под названием "черный порох", а позднее - "дымный порох".
Типичный состав ружейного пороха таков:
Компонент |
Содержание, в % |
|
Нитрат калия (селитра)
Древесный уголь
Сера |
75
15
10 |
В этой смеси богатая кислородом селитра окисляет углерод и серу.
Аналогичные эффекты характерны для детонации смесей органических соединений с другими окислителями, такими, как перхлораты или хлораты. Некоторые органические вещества, если намочить их в жидком кислороде и подходящим образом инициировать, взрываются. Древесина, намоченная в жидком кислороде, используется для взрывов в минном деле.
Интересно отметить, что высокоэкзотермичная реакция:
Не будет сама по себе приводить к взрыву, так как не образуется газообразных продуктов.
Список литературы
1. Зельдович Я.Б., Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наука, 2000. - 478 с.
2. Вильямс Ф.А., Теория горения. - М.: Наука, 2001. - 615 с.
3. Хитрин Л.Н., Физика горения и взрыва. - М.:ИНФРА-М, 2007. - 428 с.
