Горение дисперсного вещества в слое

Размещено на http://www.allbest.ru/

Калининградский колледж сервиса и туризма

Горение дисперсного вещества в слое

Курсовая работа

Горение дисперсного вещества в слое

студента группы ПБ-1-11

Хацевича А.В.



Введение

1. Основные определения

1.1 Горение

1.1.1 Горючие вещества

1.1.2 Окислители

1.1.3 Источники воспламенения

1.1.4 Формы горения

1.2 Дисперсное состояние вещества

2. Основное содержание

2.1 Процессы горения дисперсного вещества

Выводы



1. Основные определения

Горемние - сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление. Таким образом, горение - это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и, в определенных условиях, свечением. Внешнее проявление горения - пламя характеризуется свечением и выделением тепла. Тепловая энергия и свет составляют физическую природу процесса горения. При горении конденсированных систем, т. е. систем, не содержащих газообразных частей и состоящих только из твердых или жидких фаз или их смесей, пламя может и не возникать, т. е. происходит беспламенное горение или тление.

1.1 Горение

Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения.

1.1.1 Горючие вещества

Горючее - вещество, служащее источником энергии при сжигании в двигательных, котельных и других энергетических установках. Различают:

- химическое горючее (топливо);

- ядерное горючее.

В качестве горючего могут выступать органические соединения, а также сера, колчедан, многие металлы, водород и т. д.

Химические горючие вещества основной составной частью имеют углерод.

Топливо применяются с целью получения тепловой энергии, выделяемой при его сжигании. В зависимости от происхождения различают:

- природное топливо (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина);

- искусственное топливо (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.).

При горении углеводородов сильная светимость пламени обеспечивается свечением частиц технического углерода, который образуется в больших количествах. Уменьшение содержания технического углерода в результате его окисления уменьшает светимость пламени, а снижение температуры затрудняет окисление технического углерода и приводит к образованию в пламени копоти.

1.1.2 Окислители

В качестве окислителей могут быть кислород, азотная кислота, пероксид натрия, бертолетова соль и др. вещества. В условиях реального пожара окислителем в процессе горения обычно является кислород воздуха.

В процессе взаимодействия горючего вещества с окислителем образуются продукты сгорания, состав которых зависит от исходных соединений и условий реакции горения, в результате образуются различные промежуточные продукты, а при достаточном содержании окислителя - продукты полного сгорания.

1.1.3 Источники воспламенения

Источник воспламенения может быть как искусственного, так и естественного происхождения. Это могут быть:

*Горячие поверхности, т.е. нагретые до высокой температуры поверхности технологического оборудования

*Электрическая дуга или искры

*Электростатический разряд

*Атмосферный разряд (молния)

*Механическое трение или контактная искра

*Электромагнитное излучение (радио частоты/микроволны)

*Оптическое излучение

*Химические реакции

*Открытое пламя и горячие газы

*Катодная защита против коррозии

*Адиабатическое сжатие или ударная волна (Воспламенение от сжатия) Наиболее распространёнными источниками воспламенения на производствах являются искры, которые образуются при коротких замыканиях электрооборудования и участков электросетей, которые возникают при больших переходных сопротивлениях или перегрузках. Статическое электричество нередко становится причиной взрыва на танкерах. В бытовых, и не только, условиях явный источник воспламенения может возникнуть в процессе курения. В большинстве случаев лесные пожары, например, возникают в результате брошенных в окно автомобиля не затушенных окурков или спичек или недостаточно затушенных туристами костров.

1.1.4 Формы горения

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение. Вспышка - процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения. Возгорание - явление возникновения горения под действием источника зажигания. Воспламенение - возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной. Самовозгорание - явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания. Самовоспламенение - это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин. Взрыв - быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Таким образом, горение может начинаться и протекать по-разному и зависит от ряда причин. В том числе, от агрегатного состояния исходного вещества. Агрегамтное состоямние вещества характеризуется определёнными качественными свойствами этого веществ, например, способностью или неспособностью сохранять объём и форму. Изменение агрегатного состояния сопровождается изменением основных физических свойств вещества. Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Для H2O, например, это лед, вода и пар. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают гомогенное горение, горение взрывчатых веществ и гетерогенное горение.

Гомогенное горение. При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем - обычно, кислородом воздуха).

Горение взрывчатых веществ это переход вещества из конденсированного (жидкого или твердого) состояния в газ под воздействием процесса горения. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-химический процесс, при котором в результате химической реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие на некотором расстоянии. Процесс горения усложняется явлением диспергирования, переходом части конденсированного взрывчатого вещества в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.

Гетерогенное горение. При гетерогенном горении исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения - горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного горения обычно очень сложен. Одним из примеров гетерогенного горения является горение вещества в дисперсном состоянии.

1.2 Дисперсное состояние вещества

Между молекулярным состоянием вещества и состоянием этого же вещества в форме микроскопически видимых частиц находится область раздробленности вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме организации вещества. Это состояние называется дисперсным. В качестве всем знакомых форм такого состояния вещества можно назвать пыль и сажу. Но пыль и сажа, из каких бы мелких частиц они ни состояли, видны невооруженным глазом, когда происходит накопление этого вещества в достаточно больших количествах. На самом деле, дисперсное состояние вещества получается в результате дробления этого вещества на невидимые глазом и даже оптическим микроскопом частицы.

В технике и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с веществами, находящимися в измельченном состоянии. Многие технологические процессы направлены на приведение их в такое состояние, например, помол зерна для получения муки.

В результате диспергирования (дробления) вещества получаются пленочно-, волокнисто- и корпускулярнодисперсные (раздробленные) системы. Если толщина пленок, поперечник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обнаружены с его помощью. Такое раздробленное (диспергированное) состояние вещества с размером частиц, приближающимся к размеру молекулы, называют коллоидным состоянием вещества, а невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными. Коллоидное состояние является предельно высокодисперсным состоянием вещества.

Дисперсность в значительной мере определяет свойства вещества. В результате измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано, в основном, тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его суммарная поверхность. Например, при измельчении тела, имеющего форму куба и размеры 20x10x10 мм, и превращении его в частицы кубической формы с размером 1 мкм, суммарная поверхность материала возрастет в 10000 раз и станет равной 6 м² (вместо 600 мм2). Под удельной поверхностью вещества понимают отношение поверхности всех частиц к их массе или объему.

Значение удельной поверхности позволяет судить о дисперсности. От удельной поверхности зависят многие свойства пылевидных материалов, например, прочность бетона, горение пылевидного топлива.

Для определения удельной поверхности дисперсного вещества (пылевидного материала) применяют специальные приборы.

В результате резкого увеличения суммарной поверхности вещества повышается поверхностная энергия, что влечет за собой увеличение физической и химической активности. Очень быстро и интенсивно протекают реакции окисления этих веществ. О повышении физической активности говорит, например, то, что измельченные вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный материал.

Во взвешивающей газообразной среде присутствует влага, пары кислот, щелочей. В результате их поглощения свойства частиц отличаются от свойств исходного материала.

Дисперсные среды находят применение в самых разнообразных технологических процессах: сушка и химико-термическая обработка зернистых материалов, нагрев и термообработка металлических и других изделий в кипящем слое; нагрев и охлаждение в циклонах-пылеуловителях; сжигание твердого топлива в котлах с кипящим и циркуляционным кипящим слоем; в факеле камерных топок; сжигание жидкого распыленного топлива в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках и т.д.

В технологических процессах находят применение как монодисперсные, так и полидисперсные системы. В последнем случае возникают дополнительные задачи, связанные с учетом распределения частиц по размерам. Аналогичные задачи возникают для монодисперсных частиц, различающихся своими свойствами.

В установках с высокотемпературными дисперсными средами, как правило, необходимо учитывать все составляющие процесса теплопереноса -конвективную, кондуктивную и лучистую

Нахождение вещества в дисперсном состоянии в окружающей его среде называется дисперсной системой. Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Например, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия (пищевой соли) в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными. Они состоят из сплошной непрерывной фазы - дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы - дисперсной фазы.



2. Основное содержание

2.1 Процессы горения дисперсного вещества

Как уже было отмечено, при гетерогенном горении исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. И одним из примеров гетерогенного горения является горение дисперсного вещества в слое. Этот процесс гетерогенного горения очень сложен.

Он зависит не только от молекулярного состава вещества, образующего гетерогенную среду, но и от давления внутри этой среды, температуры, количества окислителя и др. причин и факторов.

Полное описание горения, включающее определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло - и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.

В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения.

Диффузионное горение характеризуется раздельной подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Например: горение газа в бытовой газовой плите. Горение предварительно смешанной среды, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после включения зажигания.

Иногда горение в смесях неорганических и органических порошков не сопровождается заметным газовыделением и приводит к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих перенос массы вещества, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. В этих случаях говорят о безгазовом горении.

С повышением дисперсности, т.е. с уменьшением размеров частиц, составляющих массу вещества, все большее и большее число атомов вещества находится в поверхностном слое, на границе раздела фаз, по сравнению с их числом внутри объема частиц дисперсной фазы.

Следовательно, с повышением дисперсности вещества все большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, происходящими в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

Многообразие дисперсных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При схематической записи агрегатного состояния дисперсных систем первым указывают буквами Г( газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсионной среды, затем ставят тире и записывают агрегатное состояние дисперсной фазы.

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Г1 - Ж2), а пыль и дым - аэрозоли с твердой дисперсной фазой (Г1 - Т2); пыль образуется при диспергировании веществ, а дым - при конденсации летучих веществ.

Пены - это дисперсия газа в жидкости (Ж1 - Г2), причем в пенах жидкость вырождается до тонких пленок, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, нерастворяющей ее жидкости (Ж1 - Ж2). Низкодисперсные системы твердых частиц в жидкостях (Ж1 - Т2) называют суспензиями, или взвесями, а предельно-высокодисперсные - коллоидными растворами, или золями, часто лиозолями, чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость (от греч. «лиос» - жидкость). Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость - органозолями.

В твердой дисперсионной среде могут быть диспергированы газы, жидкости или твердые тела. К системам T1-Г2 (твердые пены) относятся пенопласты, пенобетон, пемза, шлак, металлы с включением газов. Как своеобразные твердые пены можно рассматривать и хлебобулочные изделия. В твердых пенах газ находится в виде отдельных замкнутых ячеек, разделенных дисперсионной средой. Примером системы T1-Ж2 является натуральный жемчуг, представляющий собой карбонат кальция, в котором коллоидно - диспергирована вода.

Таким образом, многообразие дисперсных систем предполагает и сложность описания процесса горения дисперсных веществ.

Наиболее известными из пожароопасных являются такие дисперсные системы, как пыль, зола и сажа. Они могут иметь естественное (в результате эрозии почвы, лесного пожара или извержения вулкана, например), бытовое (в результате применения бытовых приборов или отопительных систем) и промышленное происхождение (в результате производственной деятельности).

Аэрозоль представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной средой является газ, в частности, воздух, а дисперсной фазой - твердые или жидкие частицы. Наиболее мелкие (тонкие) аэрозольные частицы по размерам близки к крупным молекулам, а для наиболее крупных наибольший размер определяется их способностью более или менее длительное время находиться во взвешенном состоянии. Обычно речь идет о частицах размером до 100- 200 мкм, а по некоторым представлениям до 500 мкм.

Различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твердых и жидких веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных паров, а также в результате газовых реакций.

Дисперсионные частицы обычно значительно грубее, чем конденсационные, обладают большей полидисперсностью, имеют неправильную форму. Конденсационные аэрозоли имеют часто правильную шарообразную или кристаллическую форму и при коагуляции, сливаясь, снова получают шарообразную форму. Пылями называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами, независимо от дисперсности. Пылью обычно также называют совокупность осевших частиц (гель или аэрогель).

Под туманами понимают газообразную среду с жидкими частицами как конденсационными, так и дисперсионными, независимо от их дисперсности.

Дымами называют конденсационные аэрозоли с твердой дисперсной фазой или включающие частицы и твердые, и жидкие.

На практике часто приходится встречаться с аэрозолями, включающими частицы как дисперсионного, так и конденсационного происхождения, обычно ультрамикроскопического размера.

Часто бывает затруднительно провести четкую границу между различными видами аэрозолей. Объясняется это тем, что аэрозольные системы состоят из частиц различного происхождения. Происходит к тому же непрерывное взаимодействие этих частиц, осаждение малых частиц на более крупные и т. д. Аэрозольная система не находится в неизменном состоянии. В результате взаимодействия частиц происходит их укрупнение, разрушение конгломератов, осаждение частиц и т. д.

Аэрозоли обычно полидисперсны, т. е. содержат частицы различных размеров. Монодисперсные частицы встречаются как исключение. Их в некоторых количествах в виде порошков изготовляют для калибровки пылеизмерительных приборов.

К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы. В зависимости от происхождения различают пыль естественного происхождения и промышленную. Первая образуется в результате процессов, не связанных непосредственно с процессом производства, хотя во многих случаях имеется взаимосвязь между этим видом пылеобразования и хозяйственной деятельностью человека.

К пыли естественного происхождения относят пыль, образующуюся в результате эрозии почвы (на этот процесс, конечно, влияет деятельность человека), а также пыль, возникающую при выветривании горных пород, пыль космического происхождения и т. д. Естественное происхождение имеют также органические пылевидные частицы - пыльца, споры растений. К образующейся в результате эрозии почвы, обветривания горных пород и т. п. близка по составу пыль, возникающая при выветривании строительных конструкций, дорог и других сооружений.

С пылью естественного происхождения приходится сталкиваться, главным образом, при решении вопросов очистки приточного воздуха перед поступлением его в вентилируемые помещения. Промышленная пыль возникает в процессе производства. Почти каждому виду производства, каждому материалу или виду сырья сопутствует определенный вид пыли.

Многие технологические процессы направлены на получение различных материалов, состоящих из мелких частиц, например, цемента, строительного гипса, муки и т. д. Совокупность этих частиц правильно называть пылевидным материалом. Соответствующей пылью (например, цементной, мучной и т. д.) обычно называют наиболее мелкие частицы этих материалов, разносимые потоками воздуха.

Большая часть видов пыли возникает в результате процессов, связанных с обработкой материалов (резание, шлифование и т. п.), их сортировкой и транспортированием (погрузка, разгрузка и т. п.).

В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической и неорганической.

В свою очередь органическая пыль бывает растительного (древесная, хлопковая, мучная, табачная, чайная и т. д.) и животного (шерстяная, костяная и др.) происхождения.

Неорганическая пыль подразделяется на минеральную (кварцевая, цементная и др.) и металлическую (стальная, чугунная, медная, алюминиевая и др.).

Значительная часть промышленных пылей - смешанного происхождения, т. е. состоит из частиц неорганических и органических или, будучи органической, включает в себя частицы минеральной и металлической пыли. Например, зерновая пыль, кроме частиц, образующихся при измельчении зерна, содержит также минеральные частицы, попавшие в массу зерна при выращивании и сборе урожая. Пыль, выделяющаяся при шлифовании металлических изделий, кроме металлических частиц, содержит минеральные частицы, образующиеся при взаимодействии обрабатываемого металла и орудий его обработки (абразивного круга и т. д.). Это нужно учитывать при выборе методов очистки и пылеулавливающего оборудования.

В результате промышленной деятельности возникают особенно опасные с точки зрения пожарной безопасности дисперсионные системы. Среди них:

1. Механическая пыль.

Промышленная пыль, образующаяся в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса. Пыль - это вид аэрозоля, дисперсная система, состоящая из мелких твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Отдельные частицы или их скопления, от ультрамикроскопических до видимых невооруженным глазом, могут иметь любую форму и состав. В большинстве случаев пыль образуется в результате диспергирования твердых тел и включает частицы разных размеров. Они могут нести электрически заряд или быть электронейтральными. Концентрацию пыли (запыленность) выражают числом частиц или их общей массой в единице объема газа (воздуха). Пыль неустойчива: ее частицы соединяются в процессе броуновского движения или при оседании (седиментации).

В зависимости от теплопроводящих свойств исходного материала изменяется и уровень пожарной опасности промышленной пыли. Но в любом случае, скопление пыли ведет к повышению этой опасности.

2. Возгоны.

Промышленная пыль, образующаяся в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат.

3. Летучая зола.

Промышленная пыль в виде несгораемого остатка топлива, образующегося из его минеральных примесей при горении, содержащегося в дымовом газе во взвешенном состоянии.

Кроме аэрозольных дисперсионных систем особую пожарную опасность имеет еще один вид отходов промышленной переработки - промышленная сажа.

Это дисперсный углеродный продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов, состоящий из сферических частиц черного цвета. Частицы сажи образованы из слоев углеродных атомов, подобных слоям в графите. Эти слои состоят из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода, но, в отличии от графита, слои в саже не плоские, а изогнутые, что обуславливает сферическую поверхность частиц. Поверхность частиц в саже может быть шероховатой или гладкой.

Продукты неполного сгорания являются серьезным источником пожарной опасности. На бытовом уровне эта опасность возникает при недостаточно качественной очистке дымоходов и вытяжных устройств. Большинство пожаров в средневековых городах были вызваны именно скоплением сажи и ее возгоранием в трубах домов.

Горение дисперсных веществ в слое предполагает нагрев исходного продукта от начальной температуры до температуры тления (или возгорания, или воспламенения), а также испарение влаги и газификацию материала. При этом в зоне горения обугленный продукт сгорает. В зоне наивысшей температуры горения образуется слой золы, затрудняющий диффузию кислорода в зону горения. Процесс распространения тепла при горении дисперсных сред осуществляется благодаря теплопроводности вещества. При уменьшении расстояния между частицами увеличивается теплоотвод из зоны горения.

Окислителем в процессе горения может служить не только кислород, но и другие вещества, например сера, галогены, сложные кислородсодержащие вещества - перекиси, нитросоединения, азотная кислота, перхлораты. Однако наиболее часто горение протекает с участием кислорода воздуха. Это связано с тем, что кислород является наиболее распространенным окислителем (в воздухе содержится около 21% кислорода по объему, а также входит в состав воды и многих минералов). Поэтому процесс горения в дальнейшем будем рассматривать как горение с участием кислорода.

Размер зоны горения дисперсного вещества составляет два-три линейных размера частиц вещества. Для нее характерны большая линейная и удельная скорости выгорания. Но в зоне на задней кромке фронта горения, тепловыделение полностью компенсируется теплопотерями на излучение и конвекцию. Так, например, для горения дисперсных насыпей растительного происхождения (зерно в зернохранилище или картофель в буртах) характерно протекание процесса с недостатком кислорода в режиме тления. При этом в плотном слое формируется более или менее плоский фронт горения, характерной особенностью которого является образование на поверхности слоя золы, затрудняющего диффузию кислорода в зону горения.

Если внешнее диффузионное сопротивление меньше диффузионного сопротивления слоя золы, то концентрация кислорода на внешней границе слоя может быть принята равна его концентрации в воздухе, на границе же с зоной горения она близка к нулю.

Толщина слоя золы зависит от изменения объема газообразных продуктов в процессе горения, который, в свою очередь, зависит от температуры, линейной скорости выгорания и от времени. Размерность в расчетных формулах соответствует размерности координат.

Если горение слоя сопровождается большим газовыделением, диффузия кислорода через слой золы в зону горении осуществляется навстречу продуктам сгорания легче и, в таком случае, горение протекает более быстро. Что, в свою очередь, повышает газовыделение.

При горении дисперсных веществ в слое с поверхности сверху вниз толщина слоя золы возрастает, а скорость выгорания убывает пропорционально времени горения.

Итак, скорость окисления зависит от концентрации кислорода, которая в объеме материала является непостоянной, зависит от температуры, уровня дисперсности и других свойств материала.

Свежеприготовленные порошки в среде кислорода (воздуха) адсорбируют кислород и интенсивно окисляются, выделяют тепло и самовозгораются. При этом поверхность угля раскалена, излучает свет, пламя почти отсутствует (за исключением случаев, когда горение протекает при недостатке кислорода и вместе с двуокисью углерода выделяется горючая окись углерода, которая догорает уже в воздухе).

В реакцию с кислородом вступают те молекулы вещества и кислорода, суммарная энергия активации которых достигает энергии межатомной химической связи, в результате чего возникают условия для ее разрыва и образования свободных радикалов и новых молекул.

Например, при недостаточном подводе кислорода к окисляющемуся материалу (веществу) выделяются продукты неполного окисления, и скорость реакции уменьшается.

Кроме того, ряд факторов, участвующих в процессе горения дисперсного вещества в слое, участвует в ускорении/снижении скорости самовозгорания и горения. Этими факторами являются дисперсность, геометрическая форма, пористость, способность к адсорбции кислорода, плотность, теплопроводность и др. С увеличением дисперсности частиц резко возрастает их общая поверхность в объеме и соответственно увеличивается число молекул, реагирующих с кислородом воздуха в слое дисперсного материала.

На поверхности пылевидных частиц адсорбируются газообразные продукты окружающей среды (в том числе кислород воздуха). Если кислорода в зоне реакции достаточно, а отвод тепла в окружающую среду затруднен, то при непрерывном самонагревании может возникнуть качественно новая стадия экзотермической реакции окисления - самовозгорание.

Большинство самовозгорающихся твердых дисперсных и волокнистых материалов содержат достаточный запас адсорбированного на поверхности частиц или волокон кислорода, чтобы необратимый процесс перехода в самовозгорание (индукционный период) начался в кинетической области реакции.

Воздух, накапливаясь в пространстве между зернами или волокнами и в порах, является источником кислорода, который в результате диффузии проникает в поверхностную зону реакции. Это увеличивает опасность самовозгорания слоя.

В отличие от реагирующей жидкой или газообразной смеси, заключенной в замкнутую емкость и не имеющей проницаемой для воздуха границы с окружающей средой, слой твердой дисперсной или волокнистой массы материала имеет внешнюю границу соприкосновения с окружающей воздушной средой.

Эта граница проницаема для воздуха, который через неплотности и каналы между частицами дисперсной массы или между волокнами волокнистой массы проникает внутрь объема в результате диффузии.

Естественно полагать, что максимальная температура разогрева реагирующей массы (при изотропности ее свойств и одинаковых условиях на границе с окружающей средой) будет наблюдаться в наиболее удаленной от границ точке объема.

Минимальные температуры будут на границе с окружающей средой, так как условия теплоотвода в окружающую среду здесь самые благоприятные.

В плоскопараллельном слое материала с изотропными свойствами «горячие точки» будут располагаться на поверхности, равноудаленной от его границ (при идентичности условий на границах).

При расчетах горючести учитываются выгорание исходных веществ, толщина слоя и зависимость от температуры. Изменяя величину образца и температуру окружающей среды при постоянных газодинамических и других условиях теплоотвода на границе материала, находят для каждого объема образца минимальную температуру окружающей среды, при которой возможно тепловое самовозгорание в тепловом центре.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризует электрическую проводимость слоя. Электрические свойства оказывают значительное влияние на поведение частиц вещества. Электрические силы во многом определяют процесс коагуляции, устойчивость частиц вещества, взрывоопасность вещества, воздействие на живые организмы. Электрические свойства дисперсионного слоя должны быть учтены при решении вопросов, связанных с горючестью вещества. Электрическое сопротивление дисперсного вещества в слое обусловлено поверхностной и объемной проводимостью. Поверхностный слой пылинок по своим электрическим свойствам отличается от основной массы вследствие того, что на поверхности адсорбируются влага и газы. Объемная (внутренняя) проводимость определяется проводимостью материала частицы. Она возрастает с повышением температуры в результате энергии электронов.

При комнатной температуре дисперсное вещество адсорбирует из воздуха влагу. Поверхностная проводимость повышается, сопротивление понижается. По мере повышения температуры происходит испарение влаги и сопротивление возрастает. Затем, при дальнейшем повышении температуры до 90- 180°С, благодаря тепловому возбуждению электронов вещества, происходит уменьшение сопротивления. Рассматриваемая кривая отражает два вида электропроводимости - поверхностную и объемную. Таким образом, зная зависимость между температурой и сопротивлением, можно в определенных пределах воздействовать на проводимость и на горючесть дисперсного вещества в слое.

УЭС зависит также от химического состава, размера и упаковки частиц.

Аэрозольная система может иметь в своем составе частицы, заряженные положительно, отрицательно, нейтральные. Соотношение этих частиц определяет суммарный заряд системы. И. соответственно, ее свойства, определяющие горючесть.

Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли. Ни в чем так не проявляется отличие физико-химических свойств пыли от свойств твердых веществ, из которых она образована, как в ее пожаро - и взрывоопасности. Такие вещества, как зерно и сахар, хотя и способны сгорать при определенных условиях, не являются взрывоопасными веществами. Будучи же приведенными в пылевидное состояние, они становятся не только пожароопасными, но и взрывоопасными.

Многие виды пыли образуют с воздухом взрывоопасные смеси, которые способны взрываться. При взрывах пыли возможны весьма тяжелые последствия - несчастные случаи с людьми, разрушение и повреждение оборудования, строительных конструкций и т. д.

Пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе помещений, взрывоопасна. Осевшая пыль (гель) пожароопасна.

Однако при определенных условиях осевшая пыль способна переходить во взвешенное состояние, образуя взрывоопасные смеси. Может происходить как взрыв, так и горение пыли, находящейся во взвешенном состоянии. При взрыве реакция протекает значительно быстрее распространяясь со скоростью сотни и тысячи метров в секунду, при горении - со скоростью несколько десятков метров в секунду. Процесс горения пыли, находящейся во взвешенном состоянии, протекает гораздо интенсивнее, чем горение осевшей пыли (аэрогель).

Горение аэрогеля происходит с поверхности, однако при подъеме этой пыли в результате локального взрыва, удара и т. д. аэрогель переходит во взвешенное состояние, и может произойти интенсивный взрыв.

Локальный взрыв пыли может перевести во взвешенное состояние осевшую пыль, в результате фронт взрыва расширится. При первом или последующем взрыве происходит встряхивание здания и расположенного в нем оборудования. Пыль, покрывающая тонким слоем их поверхности, переходит во взвешенное состояние, образуя взрывоопасную смесь, которая вновь становится питательной средой для следующего взрыва. Последующий более мощный взрыв способен разрушить емкости, где хранятся пылевидные материалы. Это уже будет средой для мощного взрыва, способного разрушить здание.

Нижний концентрационный предел распространения пламени по пылевоздушным смесям (НКПРП), г/м3, - минимальное содержание пыли в воздухе, достаточное для возникновения взрыва (при наличии других условий).

НКПРП соответствует определенному среднему значению расстояния между пылевыми частицами, при котором происходит достаточно интенсивный теплообмен между частицами. При этом накапливается необходимая для взрыва тепловая энергия. Если концентрация пыли в воздухе незначительна, расстояния между частицами велики и теплообмен ограничен.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП), г/м3, пылевоздушных смесей - максимальное содержание пыли в воздухе, при котором взрывообразование прекращается, несмотря на наличие прочих необходимых условий.

При концентрациях больше ВКПРП кислорода становится недостаточно для реакции, и процесс прекращается.

Между НКПРП и ВКПРП находится концентрация пыли в воздухе, которая является наиболее взрывоопасной. Ей соответствует наибольшее значение взрывного давления. Такое значение, естественно, имеется для каждого вида пыли. НКПРП зависит от химического состава, от дисперсности пыли. Высокодисперсный материал имеет большую поверхность контакта с окислителем (кислородом воздуха). У материала с развитой поверхностью большая электрическая емкость, следовательно, значительная способность получать заряды статического электричества вследствие трения частиц, что увеличивает пожарную опасность вещества. На Горением называется физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Под возгоранием понимают начальную стадию горения, которая возникает под действием источника зажигания. Возгорание, которое сопровождается появлением пламени, называется воспламенением.

Самовозгорание - возникновение горения вещества в отсутствие источника зажигания. Самовозгорание может быть тепловым, микробиологическим и химическим.

Тепловое самовозгорание происходит в результате нагрева вещества до определенной температуры.

Микробиологическое самовозгорание возникает в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Химическое самовозгорание происходит в результате химического взаимодействия веществ. Все эти формы самовозгорания облегчает пылевидная структура вещества.

Самовоспламенение - это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.

Взрыв - одна из разновидностей реакции горения. Ее характерным отличием является исключительно быстрое, практически мгновенное протекание реакции в объеме. Поэтому эту форму горения мы не будем подробно рассматривать в данной работе. Однако, надо отметить следующее:

При взрыве мгновенно образуется большое количество продуктов сгорания - газов. Давление внезапно появившихся газов, их быстрое, резкое движение, которое происходит волнами, толчками, приводит к разрушению окружающих конструкций, оборудования и т. д.

Возбуждение взрыва пыли возможно при сочетании определенных условий, необходимых для взрыва. Если отсутствует хотя бы одно из этих условий, взрыв не произойдет, несмотря на наличие остальных.

Этими условиями являются следующие:

- концентрация пыли в воздухе между нижним и верхним пределами;

- наличие источника возбуждения взрыва достаточной температуры и мощности в запыленной зоне;

- питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения.

На горючесть пылевых частиц влияет также наличие в их составе минеральных добавок, не участвующих во взрывообразовании. Являясь инертным компонентом, минеральная составляющая сдерживает взрывообразование в результате экранирования и поглощения теплоты.

Взрыво- и пожароопасность уменьшается также с увеличением влажности пыли. Выделение из пыли летучих горючих газов повышает взрываемость. Пыль каменного угля при содержании в ней менее 10 % летучих газов не взрывоопасна. Не взрываются и пыли антрацита и древесного угля. При содержании в воздухе кислорода до 11- 13 % не происходит воспламенения пыли. При движении воздуха со скоростью 5 м/с нижний предел повышается в 2-3 раза. В зависимости от основного физического состава дисперсного вещества можно расположить их в порядке повышения горючести следующим образом:



Таблица:

Сера
Шрот подсолнечный
Эбонитовая пыль
Молоко сухое
Сахар свекловичный
Камфара
Пыль мельничная серая
Мясокостная мука
Горох.
Жом свекловичный
Казеин технический
Крахмал картофельный
Чайная пыль

Табл - Сланцевая пыль:

Табачная пыль
Элеваторная пыль
Угольные пыли (высокозольные)
Древесные опилки

Тепловое самовозгорание выражается в аккумуляции материалом тепла, в процессе которого происходит самонагревание материала. Химическое самовозгорание сразу проявляется в пламенном горении и обусловлено характером химических реакций при взаимодействии различных веществ друг с другом. Для органических веществ данный вид самовозгорания происходит при контакте с кислотами азотной, серной), растительными и техническими маслами. Масла и жиры, в свою очередь, способны к самовозгоранию в среде кислорода. Неорганические вещества способны самовозгораться при контакте с водой ( например, гидросульфит натрия) и пр. На практике чаще всего проявляются комбинированные процессы самовозгорания: тепловые и химические.

Тепловое самовозгорание присуще дисперсным веществам, обладающим сильно развитой поверхностью, способным адсорбировать кислород и вступать с ним в реакцию, а теплообмен веществ с внешней средой не является интенсивным.

Тепловое самовозгорание - физико-химический процесс, скорость которого зависит от скорости химической реакции, поступления кислорода к реагирующей поверхности и от интенсивности теплообмена самонагревающегося материала с внешней средой. Тепловое самовозгорание происходит в результате продолжительного действия незначительного источника тепла. При этом вещества разлагаются, адсорбируются и в результате действия окислительных процессов самонагреваются.

Тепловое самовозгорание вещества возникает в результате самонагревания под воздействием скрытого или внешнего источника нагрева. Самовоспламенение возможно только в том случае, если количество тепла, выделяемого в процессе самоокисления, будет превышать отдачу тепла в окружающую среду.

Тепловое самовозгорание отложений пыли толщиной в несколько сантиметров может возникнуть при попадании в них источников зажигания с температурой, соответствующей температуре тления при самовозгорании. С увеличением толщины отложений температура источника зажигания, достаточная для инициирования горения, снижается, достигая в пределе температуры самонагревания.

Тепловому самовозгоранию предшествует относительно длительный ( до нескольких месяцев) процесс самонагревания вещества. Самонагревание может быть результатом как окислительных процессов, так и сопутствующих им экзотермических реакций. Самонагревание твердого дисперсного вещества, в котором протекают экзотермические реакции, при создании определенных условий (толщины слоя, температуры, интенсивности теплообмена на границе с окружающей средой) по истечении некоторого времени ( периода индукции) заканчивается самовозгоранием. Для процесса самовозгорания решающее значение имеют условия аккумуляции тепла: чем меньше рассеивается тепла, тем при более низких температурах начинается процесс самовозгорания. Поэтому увеличение количества материала повышает вероятность его самовозгорания.

Тепловому самовозгоранию предшествует сравнительно длительный процесс самонагревания дисперсного твердого вещества. Самонагревание может быть результатом не только окислительных процессов, но и сопутствующих им экзотермических реакций (разложения, соединения), протекающих в объеме или слое материала. Все химические реакции, протекающие с выделением тепла, составляют химическую основу процесса самонагревания.

Весьма важной особенностью теплового самовозгорания твердых веществ является то, что с увеличением толщины слоя материала требуемая температура источника зажигания снижается до температуры самонагревания.

Практически все виды зернопродуктов склонны к тепловому самовозгоранию.

Внешняя поверхность реагирующего материала является одним из основных физических параметров, от которого зависит протекание экзотермической реакции в слое. Если экзотермическая реакция окисления в объеме слоя (еще до момента самовозгорания) переходит из кинетической в диффузионную область, то место возникновения наиболее горячих точек в объеме будет зависеть также от скорости поступления кислорода воздуха в слой материала извне.

В этом случае горячие точки могут возникнуть в разных местах объема независимо одна от другой. Это связано с влиянием, на процесс самонагревания различных факторов, определяющих диссипацию (рассеивание тепла) и генерацию тепла реакции окисления. Количество генерируемого тепла в свою очередь зависит от скорости диффузии кислорода по толщине слоя, и прежде всего от проницаемости пограничных зон слоя. В реальных условиях производственного процесса термическое сопротивление и проницаемость внешней поверхности не являются однородными, что вносит дополнительные трудности в определение точного местонахождения теплового центра слоя.

Термофильные микроорганизмы, находящиеся в объеме органического материала, могут также вызвать образование нестабильных горючих соединений, которые в свою очередь окисляются кислородом воздуха с выделением большого количества тепла. В условиях дисперсного состояния вещества возрастает возможность повышения количества микроорганизмов, обитающих в этом веществе. Соответственно, возрастает и пожарная опасность или горючесть материала.



Выводы

Существуют специальные методы оценки относительной склонности материалов к самовозгоранию и к горению в слое этих материалов. (Эти методы оценки пожарной опасности не распространяются на пирофорные и взрывчатые вещества). горение окислитель взрывоопасный

Механизм процесса окисления (а, следовательно, самонагревания и самовозгорания) зависит не только от количества ранее адсорбированного кислорода материалом, но и от вносимого в результате диффузии и конвекции (при продувании слоя).

Интенсивность процесса горения в этом случае будет снижена, так как кислород будет поступать в слой с меньшей скоростью, а потери или накопление тепла в слое изменяются не намного.

Негорючими веществами и материалами считаются такие, которые не способны гореть в воздушной атмосфере нормального состава.

Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц вещества по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данная дисперсная система, и массу или количество частиц соответствующего размера.

Дисперсный состав характеризует вещество с различных сторон. Кроме физических и химических свойств, дисперсный состав определяет в значительной мере характер и условия распространения вещества в воздушной среде. Мелкодисперсная вещество осаждается значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Таким образом, рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом вещества. Дисперсность - степень измельчения вещества, определяет в числе прочих характеристик и горючесть материала, т.е. его способность к горению.

Основная опасность связана с притоком кислорода воздуха к местам скопления пыли, способной к самовозгоранию. Это может быть угольная пыль или зерновая мука. Особенно опасно хранение этих продуктов промышленной переработки в сырых помещениях.

Наличие влаги повышает способность дисперсионного вещества к самовозгоранию.

Сконденсированные горючие частицы, отлагаясь на пористых телах, например на изоляционных волокнистых материалах, образуют слой с большой поверхностью контакта с кислородом воздуха, что способствует созданию благоприятных условий самовозгорания.

По мере сгорания продуктов горения кислород воздуха свободнее может достигать поверхности твердого горючего остатка или кокса. Начинается горение твердого вещества, которое происходит на поверхности раздела фаз и, следовательно, представляет собой гетерогенное горение.

Определив скорость притока кислорода, можно ориентировочно оценить опасность самовозгорания.

При недостатке кислорода в зоне горения не происходит образования горючей смеси из продуктов разложения и кислорода воздуха.

При недостатке выделяющегося тепла в зоне горения горючих продуктов также может быть недостаточно для образования с кислородом воздуха горючей смеси.

В этих случаях кислорода достаточно, однако пламя также не возникает.

Скорость окисления зависит также от скорости процессов доставки кислорода воздуха к поверхности горючего вещества и вывода продуктов окисления в окружающую среду.

Горение пористого дисперсного слоя твердого вещества, имеющего большую удельную поверхность, полностью зависит от количества кислорода в объеме слоя.

При медленном окислении кислородом воздуха твердой дисперсной фазы процесс происходит на границе раздела фаз, величина которой зависит от степени развития поверхности межфазного контакта.

Поверхность материала на разных участках неоднородна и неодинаково доступна для кислорода воздуха (малые, замкнутые и полузамкнутые поры). Это приводит к тому, что дисперсионные вещества в слое имеют разную скорость возгорания и горения.

Большинство самовозгорающихся твердых дисперсных материалов уже при их измельчении и переработке адсорбирует из воздуха кислород, которого достаточно для начальной кинетической стадии реакции.

Дальнейший ход реакции окисления будет зависеть от транспорта кислорода из газовой фазы к поверхности окисляющегося вещества и обратного переноса газообразных продуктов реакции.

Механизм переноса кислорода к поверхности фазового контакта и газообразных продуктов реакции в обратном направлении осложняется дополнительными явлениями, сопровождающими химические превращения веществ (изменение давлений, температур и т.д.).

Поверхность ультрапор может участвовать в реакциях окисления, так как она доступна для кислорода воздуха.

С увеличением пористости слоя в нем возрастает содержание кислорода и улучшается дальнейшее транспортирование его к межфазовой поверхности в зону реакции окисления.

Если экзотермическая реакция окисления в объеме слоя (еще до момента самовозгорания) переходит из кинетической в диффузионную область, то место возникновения наиболее горячих точек будет зависеть также от скорости поступления кислорода воздуха в слой материала извне.

Кислород воздуха, проникая в поры частиц или волокон, адсорбируется на их поверхности. Процесс накопления кислорода на поверхности межфазового контакта происходит с момента образования этой поверхности до ее насыщения. Некоторые твердые (кислородсодержащие) материалы дополнительно содержат кислород в связанном состоянии, который при определенных условиях также может участвовать в экзотермических реакциях окисления.

Таким образом, одним из основных условий протекания гетерогенной экзотермической реакции окисления в слое дисперсного материала является наличие развитой поверхности с достаточным запасом на ней адсорбированного кислорода.

Итак, наиболее пожароопасны материалы, обладающие большой пористостью и структурой, обеспечивающей беспрепятственную диффузию кислорода в зону реакции, а также проникновение окружающего воздуха в объем дисперсного материала.

Неподвижная (без перемешивания) масса твердого дисперсного или волокнистого материала, реагируя с кислородом и генерируя тепло реакции в объеме, будет иметь в каждой точке объема разную температуру, поскольку условия теплоотвода различны.

Но возможен и другой характер процесса, если горение возникло в кинетической области реакции, когда скорость реакции не зависит от скорости диффузии кислорода.

Дисперсный состав вещества определяют на основе лабораторных исследований. Выбор метода определяется видом пыли, требуемой точностью, наличием соответствующего оборудования и др.