Физико-химические основы процессов горения и взрыва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЕ  И НАУКИ 

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

имени ШАКАРИМА

 

 

Аграрный факультет

^{(наименование  факультета)}

 

 

 

 

Экологии  и защиты окружающей среды

                                                                                                                            ^{(наименование кафедры)}

 

 

 

СРС №2

^{(наименование  работы)}

 

Теория горения  и взрыва

^{(наименование  дисциплины)}

 

 

Физико-химические основы процессов горения и взрыва

^{(наименование  работы)}

 

 

 

Выполнила:                                                                                         Проверил:

 

Студентка группы БЖ-016                                           Руководитель Скрипникова Л.В.

_________    Касымханова З.                                                                ^{(Ф.И.О. преподавателя)}

   ^{(подпись)                (Ф.И. студента)}

_________    _____________                                        ___________   _____________

     ^{(оценка)                      (дата)                                                                                          (подпись)                            (дата)}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Сущность процесса горения
2. Условия необходимые для горения
3. Условия прекращения процесса горения
4. Виды и характеристика горючих веществ

            Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Сущность процесса горения 

 

Горение – это физико-химический процесс, сложное быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и продуктов горения.

Для процесса горения необходимо  соблюдение  одновременно  трех  условий:

-         наличие горючего вещества;

-         достаточное количество (не менее 12%) кислорода в воздухе  или  окислителя;

-         необходимая температура  (или  давление) для возгорания.         

При  отсутствии  одного  любого  из  условий  возгорание  и  сам процесс  горения невозможны,  поэтому  ликвидировав  любое  условие,  добиваются прекращения  процесса  горения  (например,  при  тушении  пожара).  Кроме  того,  на  этом  основаны  все  принципы  и  методы  тушения  пожара  и противопожарной  защиты  объектов.   

Вспышка -горение  без  свечения,  обычно  опознаваемое  по  появлению  дыма.  Температура  вспышки – самая  низкая  (в  условиях  специальных испытаний)  температура  горючего  вещества,  при  которой  над  его  поверхностью  образуются  пары  и  газы,  способные  вспыхивать  от  источника зажигания,  но  скорость  их  образования  еще  недостаточная  для  последующего  горения.

Температура  воспламенения – температура  горючего  вещества,  при  которой  оно  выделяет  горючие  пары  или  газы  с  такой  скоростью,  что  после воспламенения  их  от  источника  зажигания  возникает  устойчивое  горение.

Тление -горение  без  свечения,  обычно  опознаваемое  по  появлению  дыма.

Легковоспламеняющаяся  жидкость  (ЛВЖ) – жидкость,  способная  самостоятельно  гореть  после  удаления  источника  зажигания  и  имеющая температуру  вспышки  не  выше  61  градус  по  Цельсию.

 Взрыв – процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физико-химическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давления газов, способных производить работу.

Как  уже  было  сказано  выше, горением и взрывом называют быстрое протекание реакции в веществе, которое в исходном состоянии инертно. В зависимости от скорости протекания реакции, ее характера и ряда других факторов эти процессы в одном случае можно отнести к горению, в другом к взрыву, а иногда грань между этими понятиями провести очень трудно.

В зависимости от агрегатного  состояния вещества и окислителя различают:

·        гомогенное горение, когда исходные вещества (продукты горения) и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенные энергоносители – это смеси горючих газов (паров) с газообразными окислителями – воздухом, кислородом, хлором и др.; это могут быть и соединения, склонные к термическому разложению в отсутствие окислителей (например, ацетилен, этилен);

·        гетерогенное горение – исходные вещества и окислитель в разных агрегатных состояниях. Это наиболее распространенный вид горения;

·        горение взрывчатых веществ – реакция, связанная с переходом твердого либо жидкого вещества (конденсированной системы) в газ.

Движение пламени по газовой  смеси называют распространением пламени, которое в зависимости от скорости может быть:

·        дефлаграционным (скорость несколько метров в секунду);

·        взрывным (скорость сотни метров в секунду);

·        детонационным (скорость тысячи метров в секунду).

Горению характерно дефлаграционное (нормальное) распространение пламени, которому, в свою очередь, характерна передача тепла от слоя к слою, т.е. пламя перемещается в направлении исходной горючей смеси.

В свою очередь такое горение  может быть:

·        ламинарным, когда распространение пламени происходит от каждой точки фронта перпендикулярно к его поверхности. Для смесей углеводородных газов с воздухом нормальные скорости горения составляют от 0,3 м/сек до 1,5 м/сек, для водорода 2,7 м/сек. При таких малых скоростях повышения давления и образования ударной волны не происходит;

·        турбулентное горение возникает при возрастании скорости горения за счет увеличения плоскости соприкосновения фронта пламени с окислителем при искривлении его сферической формы после зажигания за счет различных внешних возмущений (например, неоднородности газовой массы).

Взрывное горение возникает  при достижении скоростей распространения  пламени десятков и сотен м/сек, но не превышающей скорости звука (300-320 м/сек). Нагрев может происходить до 1500-3000 ⁰С, а в окружающей среде распространяется ударная волна.

Детонационное горение –  взрывное горение с большой скоростью, превосходящей скорость звука (обычно это 1000-5000 м/сек). Это происходит из-за того, что воспламенение последующих  слоев происходит в результате сжатия и нагрева ударной волны, т.е. ударная  волна и зона химической реакции  следуют неразрывно друг за другом  со сверхзвуковой скоростью. На фронте ударной волны резко повышается плотность, давление и температура смеси достаточные для возникновения процесса самовоспламенения горючего вещества, т.е. возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой, быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси.

Скорость реакции чрезвычайно  сильно зависит от температуры (например, ее увеличение в два раза для некоторых  веществ увеличивает скорость реакции  в миллиард раз).

Зависимость скорости реакции  является фундаментальной характеристикой  химических процессов при неизотермических условиях, что имеет место при  горении и взрыве.

В зависимости от источника  энергии различают виды взрывов:

·                   ядерный;

·                   физический;

·                   химический;

·                   лазерный;

·                   механический и т.д.

В дальнейшем будем рассматривать  химический взрыв, т.к. он наиболее распространен  и имеет наибольшее число возможных  источников.

Большинство химических реакций  являются сложными, т.е. включают в себя целый ряд элементарных стадий. Одним  из основных классов сложных реакций  являются цепные реакции.

Существуют химические реакции, медленно развивающиеся во времени  и протекающие «взрывообразно»  и последние сопровождаются обычно какими-либо проявлениями – вспышкой, хлопком и т.п.

Для «медленных» реакций  характерно, что при повышении  температуры увеличение скорости реакции  происходит постепенно и плавно (на каждые 10⁰скорость реакции увеличивается примерно вдвое).

Особенностью взрывных реакций  является то, что при повышении  температуры скорость реакции остается неизменной малой вплоть до некоторого критического значения. Например, при смеси водорода и кислорода (гремучей смеси) – при атмосферном давлении это критическое значение составляет ~ 550⁰. при более высоких температурах смесь реагирует очень быстро, давление резко повышается, что может привести к взрыву сосуда (примеры – взрыв вакуумной печи при разрыве охлаждающей рубашки; взрыв при сливании горячего металла в холодный ковш и т.д.).

Взрывная реакция характеризуется  основным признаком – температурой воспламенения, т.е. температура при  которой очень резко, скачком, меняется скорость реакции.

Такое же резкое изменение  скорости реакции можно получить, если менять давление при определенной температуре. При некотором давлении до определенного предела реакция  идет медленно, но при даже незначительном превышении некоего порога, реакция  произойдет за очень короткое время. При давлении и температуре ниже критической в смеси практически  не наблюдается особых изменений, но по достижении критических параметров, мгновенно реагирует сразу все. Такая закономерность дала возможность  называть реакции взрывными.

В связи с тем, что подобные реакции выделяют тепло, то очевидно, что с ростом температуры скорость реакции должна увеличиваться, т.е. происходит (до взрыва) само ускорение  химической реакции во времени, если смесь содержала определенный запас  энергии, выделяющейся в ходе реакции  в виде тепла.

Любая хорошо перемешанная горючая смесь и окислителя с  химической точки зрения содержит все  необходимое для горения, однако при обычных условиях (атмосферное  давление, комнатная температура) скорость, обычно, ничтожна. При цепном и тепловом воспламенении горючая смесь  воспламеняется только при определенных условиях – ее нужно подогреть, либо ввести активатор. Это достаточно сделать  где-то в одном месте – например, искрой – такое локальное инициирование  создаст волна реакции, которая  охватит всю смесь, произойдет взрыв.

Волна реакции в пространстве может распространяться с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью.

В первом случае тепло химической реакции теплопроводностью передается в соседние участки, т.е. реакция  идет только в зоне реакции –  тонком пограничном слое.

Во втором случае происходит быстрое сжатие вещества в ударной  волне, которая поддерживает нагрев, а тепло поддерживает постоянную активность ударной волны и обеспечивает ее распространение на большие расстояния.

Взрывчатое вещество (ВВ) – химическое соединение или смесь веществ, способных в определенных условиях к крайне быстромусамораспространяющемуся химическому превращению с выделением тепла и образованием большого количества газообразных продуктов.

Взрывоопасная горючая смесь  – смесь горючего вещества с окислителем (чаще с воздухом).

Взрывоопасная система –  термодинамическая система, состоящая  из ВВ, взрывоопасных горючих смесей пыли, а также сосуды, работающие под давлением, обладающие способностью выделять энергию в виде взрыва.

Детонация – распространение взрыва по ВВ, обусловленное прохождением ударной волны с постоянной сверхзвуковой скоростью, обеспечивающей быструю химическую реакцию.

Физическая детонация  – процесс возникающий при смешении жидкостей с разними температурами, когда температура кипения одной из них значительно превышает температуру кипения другой.

Источником химического  взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений (ацетилен, этилен).

Энергоносители химических взрывов могут быть твердыми, жидкими, газообразными веществами, а также аэровзвесями горючих веществ (жидких, твердых) в окислительной среде (чаще в воздухе). Твердые и жидкие энергоносители относятся в большинстве случаев к классу конденсированных ВВ.

Взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей («туманов») или твердых веществ (пыли) в окислительной среде (в основном в воздухе).

При химических взрывах скорость энерговыделения можно определить по скоростям распространения детонации или пламени в газовой среде.

В твердом или жидком ВВ скорость распространения детонации примерно соответствует скорости звука в веществе и находится в интервале от 2000 до 9000 м/сек.

Важнейшей характеристикой  энергии взрыва является суммарное энерговыделение.

Для оценки взрывов широко применяется метод адекватности разрушений, вызванных различными ВВ и средствами. По этому методу мощность взрыва характеризуют тротиловым эквивалентом, т.е определяют массу тротила (ТНТ) которая требуется, чтобы вызвать данный уровень разрушений.

При взрывах в воздухе  происходит быстрое изменение давления, плотности, температуры и массовой плотности.

Разрушающая способность  взрывов парогазовых смесей и  аэрозолей на промышленных объектах часто сопоставима со взрывами типичных ВВ, применяемых в военных целях.

Для предотвращения самопроизвольных взрывов в вещества могут добавляться флегматизаторы, которые при их определенной концентрации в смеси с горючим и окислителем делают смесь не способной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя.

Минимальное взрывоопасное  содержание кислорода – такая концентрация кислорода и горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха ифлегматизатора, меньше которой распространение пламени в смеси становиться не возможным.

Максимальное  давление взрыва – наибольшее избыточное давление, возникающее при сгорании газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа.

Скорость нарастания давления взрыва – производная давления взрыва по времени на восходящем участке этой зависимости.

 

2. Условия процесса горения 

 

Для протекания процесса горения необходимо наличие  горючей среды, включающей в себя горючее вещество и кислород (воздух), и источника воспламенения. Для  того 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 энергии). После  возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. Е. Тот участок, где  протекает экзотермическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла  и света.

Горение веществ  может протекать не только в среде  кислорода, но также и при соединении с другими веществами. Так, многие вещества горят в атмосфере хлора, паров брома, серы и т. Д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

Большинство горючих  веществ независимо от агрегатного  состояния при нагревании образует газообразные продукты. При смешении этих продуктов с воздухом, содержащим определенное количество кислорода, возникает  горючая среда. Она может образоваться также при тонкодисперсном распылении твердых и жидких веществ.

Наличие горючей  среды, т. Е. Определенной композиции горючего вещества и кислорода, представляет значительную пожарную опасность, поскольку  воспламенение горючей смеси  может произойти даже от маломощного  и кратковременного источника воспламенения (например, от искры).

 

3. Условия прекращения горения

 

В основе процесса горения  лежат реакции окисления, Т.е. соединения горючих веществ с кислородом. При горении на пожарах окислителем  чаще всего бывает кислород воздуха. Чтобы прекратить горение, надо остановить химическую реакцию в его зоне. Реакция происходит при определенной температуре, зависящей от тепловыделения и теплоотдачи. 
При свободном установившемся горении тепловыделение равно теплоотдаче. Такое равновесие называется тепловым. Температура, при которой создалось тепловое равновесие, называется температурой зоны горения, а протекающая реакция - реакцией горения. 
Температура горения вещества не постоянна и изменяется в зависимости от скоростей выделения и отдачи теплоты в зоне реакции. Снизить температуру горения и прекратить горение можно как увеличением скорости теплоотвода, так и уменьшением скорости тепловыделения. Этого, как сказано в БУПО, можно достигнуть: 
-воздействием на поверхность горящих материалов охлаждающими огнетушащими средствами; 
-созданием в зоне горения или вокруг нее негорючей газовой или паровой среды; созданием между зоной горения и горючим материалом или воздухом изолирующего слоя из огнетушащих средств. 
При горении в зоне реакции (тонкий светящийся слой пламени) выделяется теплота. 
Часть этого тепла передается внутрь зоны горения, а другая - в окружающую среду. Внутри зоны горения теплота расходуется на нагрев горючей системы, способствует продолжению процесса горения, а в окружающей среде тепловые потоки воздействуют на горючие материалы, конструкции и при определенных условиях могут вызвать воспламенение их или деформацию. 
Каждому тепловому равновесию соответствует определенная температура горения, которая иначе называется температурой теплового равновесия. При этом состоянии скорость тепловыделения равна скорости теплоотдачи. Данная температура не является постоянной, она изменяется с изменением скоростей тепловыделения и теплоотдачи. 
Задача подразделений пожарной охраны заключаются в том, чтобы конкретными действиями добиться такого понижения температуры в зоне реакции, при которой горение прекратиться. Абсолютный предел такой температуры называется температурой потухания. В процессе тушения пожара условия потухания создаются: охлаждением зоны горения или горящего вещества; изоляцией реагирующих веществ от зоны горения; разбавлением реагирующих веществ; химическим торможением реакции горения.

4. Характеристика горючих веществ

 

Вещества, способные  самостоятельно гореть после удаления источника зажигания, называются горючими в отличие от веществ, которые  на воздухе не  горят и называются негорючими. Промежуточное положение занимают трудно горючие вещества, которые возгораются при действии источника зажигания, но прекращают горение после удаления последнего.

Все горючие  вещества делятся на следующие основные группы.

1. ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ (ГГ) - вещества, способные образовывать с воздухом  воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 50° С. К горючим газам относятся индивидуальные вещества: аммиак, ацетилен, бутадиен, бутан, бутилацетат, водород, винилхлорид, изобутан, изобутилен, метан, окись углерода, пропан, пропилен, сероводород, формальдегид,  а также пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей.

2. ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИЕСЯ  ЖИДКОСТИ (ЛВЖ) - вещества, способные  самостоятельно гореть после  удаления источника зажигания  и имеющие температуру вспышки  не выше 61° С ( в закрытом тигле ) или 66° ( в открытом ). К таким жидкостям относятся   индивидуальные вещества: ацетон, бензол, гексан, гептан, диметилфорамид, дифтордихлорметан, изопентан, изопропилбензол,  ксилол, метиловый спирт, сероуглерод,  стирол, уксусная кислота, хлорбензол, циклогексан, этилацетат, этилбензол, этиловый спирт, а также смеси и технические продукты бензин, дизельное топливо, керосин, уайтспирт, растворители.

3. ГОРЮЧИЕ ЖИДКОСТИ (ГЖ) - вещества, способные самостоятельно  гореть после удаления источника  зажигания и имеющие температуру  вспышки выше 61° ( в закрытом тигле ) или 66° С ( в открытом ). К горючим жидкостям относятся следующие индивидуальные вещества: анилин, гексадекан, гексиловый спирт, глицерин, этиленгликоль, а также смеси и технические продукты, например, масла:  трансформаторное, вазелиновое, касторовое.

4. ГОРЮЧИЕ ПЫЛИ (ГП) - твердые вещества, находящиеся  в мелкодисперсном состоянии.  Горючая пыль, находящаяся в воздухе  ( аэрозоль), способна образовывать с ним взрывчатые смеси. Осевшая на стенах, потолке, поверхностях оборудования пыль ( аэрогель ) пожароопасна.

Горючие пыли по степени взрыво- и пожароопасности делятся на четыре класса.

1-й класс  - наиболее взрывоопасные - аэрозоли, имеющие  нижний концентрационный предел воспламенения ( взрываемости ) ( НКПВ)  до 15 г/м³ ( сера, нафталин, канифоль, пыль мельничная, торфяная, эбонитовая ).

2-й класс  - взрывоопасные  - аэрозоли имеющие величину НКПВ от 15 до 65 г/м³ (алюминиевый порошок, лигнин, пыль мучная, сенная, сланцевая).

3-й класс  - наиболее пожароопасные - аэрогели, имеющие величину НКПВ, большую 65 г/м³ и температуру самовоспламенения до 250° С ( табачная, элеваторная пыль ).

4-й класс  - пожароопасные - аэрогели, имеющие величину  НКПВ большую 65 г/м³ и температуру самовоспламенения, большую 250° С (древесные опилки, цинковая пыль).

Ниже приводятся некоторые характеристики горючих  веществ, необходимые для прогнозирования  аварийных ситуаций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Архипов В.А., Синогина Е.С. Горение и взрывы. Опасность и анализ

последствий: Учебное пособие. Томск: Издательство Томского государственного педагогического университет а, 2008. – 156 с.