Теория горения и взрыва

 

 

 

 

 

Вопрос 9 Диффузионное и кинетическое горение.

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. Химически однородные- системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом. Химически неоднородные -системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела:  твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух, и т. д.

Полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха tф, и времени, затрачиваемого на протекание - самой химической реакции tх

tТ = tх + tф

В случае гомогенного горения величина tф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения — временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.

В зависимости от соотношения  tф и тх горение называют диффузионным или кинетическим.   При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. tф >> tх, и практически tT ~tф. Это значит, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

  Если время физической  стадии процесса оказывается  несоизмеримо меньше времени, необходимого  для протекания химической реакции, т.е. tф <<tX, то можно принять tT«tX. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер 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.

 

 

 

 

 

Вопрос 10. Диффузионное пламя

Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем. Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички газа в горелке небольшого  диаметра и т.д.). При пожарах образуется турбулентное пламя.

Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 °С для бензина, 1100 °С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 °С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200—1300 °С.

 

 

 

 

Вопрос 11. Расход воздуха на горение

Минимальное количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м3) горючего вещества, называется теоретически необходимым и обозначается VI. Вид формулы для расчета теоретически необходимого количества воздуха зависит от состава горючего вещества.

Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение. Для таких горючих веществ независимо от их агрегатного состояния теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакции горения. На m кмоль горючего вещества приходится п кмоль кислорода и азота из уравнения реакции горения. масса (в кг) горючего вещества, молекулярная  масса М

Горючее вещество — сложная смесь химических соединений. Такими веществами являются древесина, торф, каменный уголь и др. Для определения теоретически необходимого объема воздуха нужно знать элементный состав горючего вещества, выраженный в массовых процентах, т. е. содержание С, Н, О, S, N, золы (А), влаги (W). Элементный состав вещества определяют в аналитической лаборатории.

Горючее вещество — смесь газов. К этой группе веществ относятся горючие газы, например природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином количестве содержат СО, СН4, Н2, H2S, C2H4 и др. Состав горючих газов обычно выражают в объемных процентах. Числа в числителе есть коэффициенты при кислороде в уравнениях реакций горения. Поэтому если в составе газа будут другие горючие компоненты, они могут быть поставлены в уравнение  с коэффициентами, взятыми из их уравнений горения. Разность между количеством воздуха, практически расходуемым на горение, и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. В условиях пожара, когда горение протекает с естественным притоком воздуха, коэффициент избытка воздуха в большинстве случаев больше единицы и колеблется в широких пределах (2—20 и выше). Коэффициент избытка воздуха можно определить по составу продуктов сгорания, если произвести их газовый анализ. Учитывая, что концентрация кислорода в воздухе составляет 21% (об.), а процентное содержание свободного кислорода в продуктах сгорания определится из анализа, можно легко найти коэффициент избытка воздуха ( смотри формулы).

 

 

 

 

 

 

Вопрос 12. Продукты сгорания. Дым

Продуктами сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом в процессе горения. Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. В условиях пожара чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, керосин, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, кислород и азот. При горении их в достаточном количестве воздуха и при высокой температуре образуются продукты полного сгорания: СО2, Н2О, N2. При горении в недостаточном количестве воздуха или при низкой температуре кроме продуктов полного сгорания образуются продукты неполного сгорания: СО, С (сажа).

Продукты сгорания называют влажными,  если при расчете их состава учитывают содержание паров воды, и сухими, если содержание паров воды не входит в расчетные формулы.

Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 1 до 0,01 мкм.

Вид формулы для расчета объема продуктов полного сгорания при теоретически необходимом количестве воздуха зависит от состава горючего вещества.

Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение. В этом случае расчет ведут, исходя из уравнения реакции горения.

 

 

 

 

Вопрос 13. Теплота сгорания

Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими. При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается. Реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими. Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ. Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м3) горючего вещества, называется теплотой сгорания.

Закон Гесса: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и конце реакции одинаковы.

Теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь).

Теплота образования — теплота, выделяющаяся или поглощающаяся при образовании 1 моля соединения из простых веществ

Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания QB называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания QH называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха. Эксперименты показывают, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Следовательно, теплота сгорания может служить для ориентировочной оценки горючести веществ. Горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния. Горючесть веществ зависит также от скорости отвода тепла из зоны горения.

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 14. Температура горения

Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, поэтому они нагреваются до высокой температуры. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты сгорания, называется температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения. Действительная температура горения для условий пожара называется температурой пожара.

Под калориметрической температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания при следующих условиях:

1) все выделяющееся при  горении тепло расходуется на  нагревание продуктов сгорания (потери  тепла равны нулю);

2) начальные температуры  воздуха и горючего вещества  равны 0 °С;

3) количество воздуха равно  теоретически необходимому (a=1);

4) происходит полное сгорание.

Теоретическая температура в отличие от калориметрической характеризует горение с учетом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре

2СО2 à 2CO+ О2 — 566,5 кДж

2НаО à 2Н2+О2 — 478,5 кДж.

. Различают температуру внутреннего и наружного пожара. Температура внутреннего пожара — это средняя температура дыма в помещении, где происходит пожар. Температура наружного пожара — температура пламени.

При расчете калориметрической температуры горения и температуры внутреннего пожара исходят из того, что низшая теплота сгорания QH горючего вещества равна энергии qT, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0 °С до калориметрической температуры горения

 

 

 

 

 

 

Вопрос 15. .Оценка пожарной опасности веществ и материалов

Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб (Ост 78 2—73). Ранее были указаны условия, необходимые для возникновения горения, а следовательно, для возникновения пожара. В отсутствие контроля при создании этих условий возникает пожар, который может развиться до больших размеров и нанести значительный материальный ущерб. Следовательно, возможность создания условий возникновения пожара или его быстрого развития представляет собой пожарную опасность.

Пожарной опасностью называется возможность возникновения или развития пожара, заключенная в каком-либо веществе, состоянии или процессе (Ост 78 2—73). Пожарную опасность представляют вещества и материалы, если они в силу своих свойств благоприятствуют возникновению или развитию пожара. Такие вещества и материалы относятся к пожароопасным.

Классификация пожароопасных веществ:

Пожароопасные вещества, по способности к горению, подразделяются на горючие, трудногорючие и негорючие.

Горючими называются вещества (материалы, смеси, изделия), способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Среди пожароопасных веществ  большинство являются горючими,  Горючие  вещества в свою очередь разделяются на легковоспламеняющиеся и трудновоспламеняющиеся.

Легковоспламеняющимся веществом (материалом, смесью) называется горючее вещество (материал, смесь), способное воспламеняться от кратковременного воздействия пламени спички, искры, накаленного электропровода и тому подобных источников зажигания с низкой энергией (Ост 78 2—73). Следует отметить, что воспламенение этих веществ происходит при хранении на открытом воздухе или в помещении без предварительного подогрева. К легковоспламеняющимся веществам относятся все горючие газы (водород, метан, этан, пропан и др.), горючие жидкости (ацетон, бензин, бензол, диэтиловый эфир и др.) и горючие твердые вещества (целлулоид, полистирол, древесная стружка, лист бумаги и др.).

Трудновоспламеняющимся веществом (материалом, смесью) называется горючее вещество (материал, смесь), способное воспламеняться только под воздействием мощного источника зажигания. К таким веществам относятся гетинакс, полихлорвиниловая плитка, фенольноформальдегидный стеклопластик, древесина, подвергнутая поверхностной огнезащитной обработке, и другие.

Трудногорючими называют вещества (материалы, смеси, изделия), способные гореть под воздействием источника зажигания, но не способные к самостоятельному горению после удаления его.По пожарной опасности их можно подразделить на три группы:

• вещества, горение которых происходит только при нагреве до температур, близких к температуре их самовоспламенения   (трихлорацетат натрия, дихлоральмочевина и др.);
• вещества, имеющие определенную область зажигания при температурах, до которых возможен их нагрев в производстве,  а также имеющие   температуру вспышки в закрытом тигле (дихлорметан);
• вещества, выделяющие пары или газы, обладающие определенной областью воспламенения в  воздухе (слабые водные растворы спиртов, кетонов, альдегидов, органических кислот, аммиачная вода).