Теория горения и взрыва

Влажность пыли и воздуха: Вода, содержащаяся в пыли, затрудняет ее воспламенение и распределение пламени. Это объясняется тем, что в процессе нагревания частиц аэровзвеси часть тепла расходуется на испарение воды.

Зольность пыли. Под зольностью пыли понимается остаток негорючих частиц твердого вещества. твердого вещества. Увеличение зольности пыли приводит к увеличению расстояния между горючими пылинками, поэтому при разложении их не образуется необходимой газо-паро-воздушной смеси, способной воспламеняться под действием источника зажигания данной мощности. Вместе с тем, увеличение зольности приводит к увеличению теплопотерь из зоны реакции, что также затрудняет распространение фронта пламени на весь объем пыле-воздушной смеси. Пыль каменного угля с выходом летучих продуктов до 40 % при зольности от 15 до 30 % не взрывается. Следовательно, чем выше зольность частиц твердого тела, составляющих аэровзвесь, тем меньше ее взрывчатость. Если содержание      минеральных веществ в пыли 50 % и выше, то такие пыли имеют слабую способность   взрываться    или   вообще  не способны взрываться.

Дисперсность пыли. С увеличением дисперсности аэровзвеси увеличивается поверхность окисления и скорость химической реакции. С увеличением дисперсности возрастает линейная скорость горения пыле-воздушной смеси, что приводит к уменьшению периода термического распада пылинок и увеличению полноты их сгорания. Поэтому нижний концентрационный предел воспламенения пыли понижается.

Высокие взрывные давления алюминиевой пыли можно объяснить ее большой теплотой сгорания.

Состав воздуха. Примесь негорючих паров и газов в пылевой смеси снижает ее взрывчатость. Объясняется это тем, что введение негорючих паров и газов снижает концентрацию кислорода в смеси, а согласно закону действия масс для гетерогенных систем, скорость химической реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

Начальная температура пыле-воздушной смеси. С повышением начальной температуры смеси уменьшается количество кислорода в единице ее объема. Скорость химической реакции при этом уменьшается, а следовательно, нижний концентрационный предел воспламенения аэровзвеси повышается. Концентрация пыли в этих опытах составляла 1,16 кг/м3, что соответствовало условиям наибольшего взрывного давления.

В зависимости от величины нижнего концентрационного предела воспламенения пыли разделяют на два класса: взрывоопасные НКПВ<6 г/м3 и пожароопасные НКПВ >65 г/м3. Чем меньше величина нижнего концентрационного предела пыли, тем больше вероятность образования взрывоопасных концентраций.

 

 

 

 

 

Вопрос 41. Состав и свойства твердых горючих веществ

Химический состав твердых горючих веществ очень разнообразен. Большинство из них относится к классу органических веществ, состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих органических веществ входят также хлор, фтор, кремний и другие химические элементы. Значительно меньшее количество твердых горючих веществ относится к классу неорганических веществ. Среди них — металлы (калий, натрий, магний, алюминий, титан и др.), неметаллы (сера, фосфор, кремний), а также их соединения.

Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при малой скорости теплоотвода возможно самонагревание и горение их. Самый высокий тепловой эффект разложения (1088 Дж/кг) у древесины, поэтому надо следить, чтобы она не нагревалась в больших массах (при плотной укладке) выше 100 °С. Несколько иные свойства имеют полимерные материалы; Полимеры отличаются высоким содержанием углерода, и большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объем воздуха (10—12 м3/кг). Горение полимеров происходит с образованием продукта  неполного  сгорания — сажи.

 Практическое определение удельной скорости выгорания твердых материалов очень затруднено, так как поверхность горения  многих из них  не представляет ровную плоскость. В связи с этим расчет скорости выгорания ведут на единицу площади пожара, т. е. на единицу площади проекции поверхности горения на горизонтальную плоскость. Такую величину принято называть приведенной массовой скоростью выгорания и обозначать ум. Эту величину можно определять из опыта на специальной установке, называемой камера-весы. Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых материалов, происходит не только выгорание их, но и перемещение фронта пламени по еще не горящей поверхности. Перемещение фронта пламени по поверхности твердых веществ называется распространением горения и характеризуется скоростью распространения горения υ (в м/мин) .Различают две скорости распространения горения — по вертикальной (вниз и вверх) и горизонтальной поверхности. Однако в расчетах по тушению пожаров практически применяют только скорость распространения по горизонтальной поверхности.

 

 

 

 

 

Вопрос 42. Горение древесины

Древесина является самым распространенным горючим материалом в условиях пожара. По структуре она представляет собой пористый материал с множеством ячеек, заполненных воздухом. Стенки ячеек состоят из целлюлозы и лигнина. Объем пустот в древесине превышает объем твердого вещества. Характер строения древесины определяет весьма низкую ее теплопроводность и связанные с нею быструю воспламеняемость и медленный прогрев внутренних слоев. При соприкосновении древесины с источником воспламенения, например, пламенем, происходит быстрое нагревание тонкого поверхностного слоя ее, испарение влаги и затем разложение. Продукты разложения древесины, полученные при температуре ниже 250°С, содержат в основном водяной пар, диоксид углерода СО2 и немного горючих газов, поэтому гореть не способны

 Продукты разложения, полученные при 250—260 °С, содержат большое количество оксида углерода СО и метана и становятся горючими. Они воспламеняются от источника зажигания (пламени) и с этого момента древесина начинает самостоятельно гореть. Как и у жидкостей, наименьшая температура древесины, при которой продукты разложения способны воспламеняться от источника зажигания, называется температурой воспламенения древесины.

 

 

 

 

 

Вопрос 43. Горение металлов

Металлы отличаются от других твердых горючих веществ тем, что на их поверхности в процессе окисления образуются твердые оксиды, пленка которых препятствует прямому контакту реагирующих веществ. Опыты по возгоранию металлов показали, что некоторые из них (Fe, Al, Zn, Sn) в компактном состоянии способны гореть только в виде кусочков, проволочек, фольги, ленты. В виде же порошка они способны даже самовозгораться и гореть в большой массе. Другие металлы (К, Na, Li) способны возгораться и гореть в компактном состоянии и в большой массе .На способность металлов возгораться и гореть большое влияние оказывают химические и физические свойства как самих металлов, так и их оксидов. Особенно большое влияние на возгораемость и характер горения оказывают температуры плавления и кипения металлов и их оксидов. По этим физическим свойствам металлы подразделяются на летучие и нелетучие. Все эти металлы имеют низкую температуру плавления и при горении находятся в жидком состоянии. Температура кипения их (кроме калия) ниже температуры плавления оксидов, поэтому на жидком металле могут находиться твердые оксиды.

 

 

 

 

 

 Вопрос 44 Краткие  сведения о взрывчатых веществах (ВВ)

Взрывчатыми веществами называются неустойчивые химические соединения или смеси, чрезвычайно быстро переходящие под воздействием определенного импульса в другие устойчивые вещества с выделением значительного количества тепла и большого объема газообразных продуктов, которые находятся под очень большим давлением и, расширяясь, выполняют ту или иную механическую работу. Первым взрывчатым веществом был дымный (черный) порох, появившийся в Европе в XIII веке. В течение 600 лет дымный порох был единственным ВВ. В XIX веке с развитием химии были получены другие ВВ, называемые в настоящее время бризантными. Они были безопасными при обращении с ними, обладали большой мощностью и стойкостью при хранении.

В 1832 г из древесины был получен пироксилин, а в 1846 г - из ваты. В 1847 г изобрели жидкий нитроглицерин, на основе которого русский академик Н.Н. Зинин совместно с В.Ф. Петрушевским разработали динамиты, применяющиеся в различных рецептурах и в наше время. Во второй половине XIX века были получены пикриновая кислота, тротил, аммиачно-селитренные вещества, а в XX веке более мощные ВВ, такие, как гексоген, тэн, азид свинца. Развитие ВВ шло в направлении получения веществ, обладающих меньшей чувствительностью и большей стойкостью. Однако бризантные взрывчатые вещества не взрывались от искры и пучка (луча) пламени, достаточного для дымного пороха, а потому применять их стали лишь тогда, когда шведский промышленник А. Нобель предложил в 1867 г. использовать для этого гремучую ртуть, т.е. по сути дела создал современный капсюль- детонатор. Современные ВВ представляют собой или химические соединения (гексоген, тротил и др.), или механические смеси (аммиачно-селитренные и нитроглицериновые).

 

 

Вопрос 45. Характеристика взрывчатых веществ и взрывных работ

Современные вв могут пребывать в газообразном, жидком, пластичном и твердом состоянии. Газопаровоздушных (ГПВС) и пылевоздушные смеси образуют класс объемных взрывов.

Взрывы ГПВС могут происходить в:

• помещениях вследствие утечки газов из бытовых приборов;

• емкостях их хранения и транспортировки (спецрезервуарах, цистернах, танкерах - грузовых отсеках танкеров);

• глубинных штреках горных выработок;

• в природной среде вследствие повреждений трубопроводов, труб буровых скважин, при интенсивных утечках сжиженных и горючих газов.

Сжиженные углеводородные газы, аммиак, хлор, фреоны хранятся в технологических емкостях под сверхатмосферным давлением при температуре выше или равной температуре окружающей среды, и по этим причинам они являются взрывоопасными жидкостями. В теплоизолированных ("изотермических") сосудах и резервуарах при отрицательных температурах хранятся сжиженные газы метан, азот, кислород, которые называют криогенными веществами. Вещества другой характерной группы пропан, бутан, аммиак, хлор хранят в жидком состоянии под давлением в однослойных сосудах и резервуарах при температуре окружающей среды.

В соответствии с нормативами ГОСТа разработана классификация, объединяющая вещества в четыре основные категории.

К первой категории отнесены вещества с критической температурой ниже температуры среды (криогенные вещества - сжиженный природный газ, содержащий в основном метан, азот, кислород).

Во вторую категорию входят вещества с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем в окружающей среде (сжиженный нефтяной газ, пропан, бутан, аммиак, хлор). Их особенностью является "мгновенное" (очень быстрое) испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении,

Третью категорию составляют жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и точка кипения выше температуры окружающей среды (вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии). К этой группе относятся некоторые вещества из предыдущей категории, например, бутан в холодную погоду и этиленоксид при теплых природных условиях.

Четвертую категорию - вещества, содержащиеся при повышенных температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости под давлением и при температуре, превышающей точку кипения при атмосферном давлении).

При значительных разрушениях емкостей с криогенными жидкостями и веществами второй категории происходит их вскипание с быстрым испарением и образованием облаков газопаровоздушных смесей. Аварийное вскрытие емкостей с негорючими или горючими перегретыми жидкостями сопровождается взрывами и опасными осколочными повреждениями. Огненный шар детонации возникает в результате горения газопаровоздушных смесей, переобогащенных углеводородными соединениями. Переходу к детонации способствуют препятствия: стены строений, предметы, пересеченная местность на пути распространения пламени, вызывающие явление турбулентности.

Взрывы пыли (пылевоздушных смесей - аэрозолей) представляют одну из основных опасностей химических производств и происходят в ограниченных пространствах (в помещениях зданий, внутри различного оборудования, штольнях шахт). Возможны взрывы пыли в мукомольном производстве, на зерновых элеваторах (мучная пыль) при ее взаимодействии с красителями, серой, сахаром с другими порошкообразными пищевыми продуктами, а также при производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольной пыли), в текстильном производстве.

 

 

 

 

 

 

Вопрос 46. Чрезвычайные ситуации, связанные с взрывами

Взрывы чаще всего происходят на пожаро-взрывоопасных объектах, где могут возникнуть условия для образования газопаровоздушных смесей, пылевоздушных смесей, где в больших количествах применяются углеводородные газы (метан, этан, пропан). Возможны взрывы котлов в котельных, газовой аппаратуры, продукции и полуфабрикатов химических заводов, паров бензина и других компонентов, муки на мельницах, пыли на элеваторах, сахарной пудры на сахарных заводах, древесной пыли на деревообрабатывающих предприятиях. Могут быть взрывы в жилых помещениях, когда люди забывают выключить газ. Взрывы происходят на газопроводах при плохом контроле за их состоянием и несоблюдении требований техники безопасности при их эксплуатации. К тяжелым последствиям приводят взрывы рудничного газа в шахтах.

Вопрос 47. Явление взрыва

Взрывом называют процесс крайне быстрого физического или химического превращения вещества, сопровождающийся переходом его потенциальной энергии в механическую работу. Признаком взрыва является резкий скачок давления, что служит причиной возникновения в окружающей среде ударной волны, переходящей в волну напряжений. Взрывы могут быть физическими и химическими. При физических взрывах изменяется лишь физическое состояние вещества. Примерами таких взрывов могут быть взрывы баллонов со сжатыми газами, паровых котлов, взрывы закрытых емкостей с водой при ее замерзании и т. п. К физическим взрывам можно также отнести взрыв патрона кардокс в результате расширения и быстрого испарения жидкой углекислоты. В практике производства взрывных работ в основном используют химические взрывы, при которых изменяется химический состав вещества с выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Химическим взрывом называют крайне быстрое самораспространяющееся превращение некоторых химических веществ или смесей с выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Вещества или смеси, способные при взаимодействии на них начального импульса к самораспространяющимся химическим превращениям в форме взрыва, называют взрывчатыми   веществами  (ВВ). Экзотермичность взрывчатого превращения обеспечивает высокую температуру взрывных газов или паров, образующихся в результате взрывчатого химического превращения. Необходимым условием для самораспространения реакции взрывчатого превращения является наличие в продуктах сильно нагретых и сжатых газов, при расширении которых потенциальная химическая энергия превращается в тепловую и механическую работу. Наиболее существенным признаком взрыва является скачкообразное повышение давления до весьма высоких значений. Большая скорость превращения ВВ в конечные газообразные продукты реакции способствует чрезвычайно быстрому росту давления взрывных газов и огромного разрушающего действия взрыва. Поэтому выделение большого количества тепла и появление большого объема газов при малой скорости взрывчатого превращения не может рассматриваться в качестве самораспространяющегося взрыва. В данном случае медленный процесс превращения вещества не обеспечивает условий для разрушающего действия.В условиях практического применения ВВ реакцию взрывчатого превращения возбуждают в какой-либо небольшой части заряда, после чего она самопроизвольно распространяется с максимальной для данного ВВ скоростью по всему заряду. При отсутствии способности химического превращения к такому самораспространению или при утрате ее ВВ не может применяться для взрывных работ. Например, при введении в состав ВВ слишком большого количества инертных веществ, при сильном уплотнении аммонита или уменьшении диаметра заряда менее критического способность реакции к самораспространению резко снижается или полностью исчезает.