Принципы горения и взрыва
Актуальность изучения вопросов теории горения и взрыва для защиты окружающей среды. Горючие и окисляющие вещества, характер и особенности их действия. Общее понятие о цепных реакциях и автокатализе. Ламинарный и турбулентный газодинамические режимы.
| Рубрика | Химия |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.09.2016 |
| Размер файла | 49,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Актуальность изучения вопросов теории горения и взрыва для защиты окружающей среды
Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб, в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1% национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и убытков от них, а количество людей, погибающих на пожарах, превышает 12 тысяч в год.
Наибольшие убытки от пожаров и взрывов отмечаются в энергетике, в нефтегазодобыче и переработке. Колоссальные материальные убытки и экологический ущерб приносят лесные пожары.
С каждым годом увеличиваются объемы обращающихся на объектах экономики горючих веществ и материалов. Знание свойств этих веществ и материалов, влияющих на их пожарную и взрывную опасность, является одним из условий, необходимых для прогнозирования развития пожара и его опасных факторов, а в конечном итоге позволяет планировать противопожарные меры.
2. Понятия горение (10) и горючая система
Горение, сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу Г. составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к Г. (горючего), с окислителем. Современная физико-химическая теория горения относит к горению все химические процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным их ускорением, в том числе разложение взрывчатых веществ, озона, и др.; соединение ряда веществ с хлором, фтором и т.д.; взаимодействие многих металлов с хлором, окисей натрия и бария с двуокисью углерода и т.д. Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т.е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов - переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями.
В большинстве случаев при пожаре окисление горючих веществ происходит кислородом воздуха. Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами и составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию горения. Источником зажигания может быть горящее пли накаленное тело, а также электрический разряд, обладающий запасом энергии, достаточным для возникновения горения и др.
Горючие системы подразделяются на однородные и неоднородные. Однородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом (смеси горючих газов, паров с воздухом). Горение таких систем называют горением кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре. При определенных условиях такое горение может носить характер взрыва или детонации. Неоднородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (твердые горючие материалы и нераспыленные жидкости). В процессе горения неоднородных горючих систем кислород воздуха проникает (диффундирует) сквозь продукты горения к горючему веществу и вступает с ним в реакцию. Такое горение называют диффузионным горением, так как его скорость определяется главным образом сравнительно медленно протекающим процессом-диффузией.
3. Виды реакций горения
Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.
По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают: 1) гомогенное горение - горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (большей частью кислорода воздуха); 2) горение взрывчатых веществ и порохов; 3) гетерогенное горение - горение жидких и твёрдых горючих в среде газообразного окислителя; горение в системе жидкая горючая смесь - жидкий окислитель (например, кислота).
Виды горения
Диффузионное горение Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание комонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.
Горение предварительно смешанной среды (гомогенное горение) Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.
Беспламенное горение В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.
Тление Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями. Тление в определённых условиях приводит к самовозгоранию материалов.
Автогенное горение Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонент: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский ученый Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25%, влаги менее 50%, золы менее 60%.[1]
Горение и взрыв В определённых условиях скорость горения может меняться, при этом можно наблюдать процессы перехода горения во взрыв. При высоких скоростях горения генерируются звуковые волны, например при сжигании смеси водорода с кислородом можно наблюдать изменение частоты звука горения в зависимости от соотношения концентраций.
4. Горение в техногенных устройствах и горение при техногенных пожарах
Техногенная опасность - состояние, внутренне присущее технической системе, промышленному или транспортному объекту, реализуемое в виде поражающих воздействий источника техногенной чрезвычайной ситуации на человека и окружающую среду при его возникновении, либо в виде прямого или косвенного ущерба для человека и окружающей среды в процессе нормальной эксплуатации этих объектов.
К техногенным относятся чрезвычайные ситуации, происхождение которых связано с производственно-хозяйственной деятельностью человека на объектах техносферы. Как правило, техногенные ЧС возникают вследствие аварий, сопровождающихся самопроизвольным выходом в окружающее пространство вещества и (или) энергии.
Наиболее распространенными источниками возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера являются пожары и взрывы, которые происходят: - на промышленных объектах; - на объектах добычи, транспортировки, хранения и переработки легковоспламеняющихся, горючих и взрывчатых веществ; - на транспорте; - в шахтах, горных выработках, метрополитенах; - в зданиях и сооружениях жилого, социально-бытового и культурного назначения, а также в лесных и торфяных массивов.
Виды пожаров - характеристики различных пожаров в зависимости от условий их возникновения и развития. В целях детального изучения пожаров и разработки тактики борьбы с ними все пожары классифицируются по группам, классам и видам. По условиям газо- и теплообмена с окружающей средой пожары разделены на 2 большие группы - на открытом пространстве и в ограждениях.
Пожары на открытом пространстве условно могут быть разделены на 3 вида:
распространяющиеся; нераспространяющиеся (локальные); массовые.
Нераспространяющиеся (локальные) - пожары, у которых размеры остаются неизменными. Локальный пожар представляет собой частный случай распространяющегося, когда возгорание окружающих пожар объектов от лучистой теплоты исключено. В этих условиях действуют метеорологические параметры. Так, например, из достаточно мощного очага пожара огонь может распространяться в результате переброса искр и головней в сторону негорящих объектов по направлению ветра. Такой механизм характерен для крупных пожаров лесоскладов, в сельской местности, на открытых складах различных материалов, в районах городской застройки с узкими улицами. На крупных складах нефти и нефтепродуктов пожар одного или группы резервуаров относится к виду нераспространяющихся. Однако при определенных условиях пожары на нефтескладах перерастают в распространяющиеся. Распространение горения на соседние резервуары может происходить при выбросах горящих нефтепродуктов и деформациях металлических резервуаров.
Классификация пожаров по признаку распространения тесно связана со временем их развития. Массовый пожар может возникнуть на больших площадях складов твёрдых и жидких горючих материалов, в лесных массивах, сельских населенных пунктах и рабочих поселках, застроенных зданиями с низкой сопротивляемостью воздействию пожара.
Пожары в ограждениях различают двух видов: открытые и закрытые. Открытым пожарам свойственно свободное выгорание горючих материалов без перехода во взрыв (вспышку). Эти пожары развиваются при полностью или частично открытых проёмах (ограниченная вентиляция). Они характеризуются высокой скоростью распространения горения с преобладающим направлением в сторону открытых проёмов и переброса через них факела пламени, вследствие чего создаётся угроза перехода огня в верхние этажи и на соседние здания (сооружения). При открытых пожарах скорость выгорания материалов зависит от их физико-химических свойств, распределения в объёме помещения и условий газообмена.
Экспериментально установлено, что при закрытых пожарах (в помещениях) скорость выгорания наиболее распространённых горючих материалов не зависит от их физико-химических свойств, распределения в объёме помещения и полностью лимитируется расходом воздуха, поступающего через щели и неплотные соединения окон и дверей. Исключение составляют особо опасные кислородосодержащие горючие материалы (целлулоид, порох и др.), а также некоторые синтетические полимерные материалы, содержащие легколетучие компоненты. Скорость выгорания таких веществ и материалов очень высока и может протекать либо без доступа кислорода, либо при ограниченном доступе. Для закрытых пожаров характерны опасность перехода пожара во взрыв (вспышку) при увеличении поступления воздуха в помещение после периода протекания пожара в условиях ограниченного доступа воздуха, а также опасность разрушения строительных конструкции при превышении пределов их огнестойкости. Вместе с тем тушение пожаров в помещениях достигается легче в связи с возможностью применения высокоэффективного объёмного способа пожаротушения.
От вида пожара, определяемого свойствами горючих веществ и материалов, зависит выбор способов и средств тушения пожара. Так, при горении металлов и металлосодержащих веществ наиболее приемлемыми средствами пожаротушения являются огнетушащие порошки, а при пожарах разливов ЛБЖ и ГЖ основным средством тушения является пена.
5. Горючие и окисляющие вещества
Горючими называются вещества, способные самостоятельно гореть после изъятия источника загорания.
По степени горючести вещества делятся на: горючие (сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и негорючие (несгораемые).
К горючим относятся такие вещества, которые при воспламенении посторонним источником продолжают гореть и после его удаления.
К трудногорючим относятся такие вещества, которые не способны распространять пламя и горят лишь в месте воздействия источника зажигания.
Негорючими являются вещества, не воспламеняющиеся даже при воздействии достаточно мощных источников зажигания (импульсов).
Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном (возможно и 4-ое состояние вещества - плазма)
Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образует газообразные продукты, которые при смешении с воздухом, содержащим определенное количество кислорода, образуют горючую среду. Горючая среда может образоваться при тонкодисперсном распылении твердых и жидких веществ. Из горючих газов и пыли образуются горючие смеси при любой температуре, в то время как твердые вещества и жидкости могут образовать горючие смеси только при определенных температурах.
При горении твердых материалов горючее вещество и воздух не перемешаны, имеют поверхность раздела, и горение протекает в так называемом диффузионном режиме, т.е. скорость реакции определяется скоростью подвода (отвода) продуктов реакции (лимитирующая стадия - диффузия).
Если молекулы кислорода хорошо перемешаны с горючим веществом - горение определяется кинетикой химической реакции (обмен электронами), а режим - кинетическим. Горение такой смеси может происходить в виде взрыва.
Вещества окисляющие (окисляющиеся) - вещества, поддерживающие горение, вызывающие воспламенение и / или способствующие воспламенению др. веществ в результате окислительно-восстановительной экзотермической реакции. (в процессе окислительно-восстановительной реакции окислитель присоединяет электроны).
На основании степени их опасности окисляющие вещества отнесены к одной из следующих групп: а = окислители, сильно способствующие горению
b = окислители, способствующие горению
с = окислители, незначительно способствующие горению
Окислителем в процессе горения может быть кислород, а также хлор, бром и другие вещества.
В большинстве случаев при пожаре окисление горючих веществ происходит кислородом воздуха.
В воздухе содержится около 21% кислорода. Горение большинства веществ становится невозможным, когда содержание кислорода в воздухе понижается до 14-18%, и только некоторые горючие вещества (водород, этилен, ацетилен и др.) могут гореть при содержании кислорода в воздухе до 10% и менее. При дальнейшем уменьшении содержания кислорода горение большинства веществ прекращается.
6. Общее понятие о цепных реакциях и автокатализе
К цепным реакциям относят реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, способных превращать реагенты в конечные продукты, поддерживая постоянство свободных радикалов или даже увеличивая их (разветвленная цепная реакция).
Разветвленные цепные реакции характеризуются тем, что в каждом элементарном акте продолжения цепи происходит увеличение числа активных частиц (напр., окисление водорода кислородом). Это приводит к автокатализу и при критических условиях к самовоспламенению, или цепному взрыву.
В цепных реакциях выделяют три стадии: зарождение цепи, ее развитие и обрыв. Зарождение (иницирование) происходит под воздействием светового, радиационного, термического или другого воздействия.
Цепные реакции - химические и ядерные реакции, в которых появление активной частицы (свободного радикала или атома в химических, нейтрона в ядерных процессах) вызывает большое число (цепь) последовательных превращений неактивных молекул или ядер. Свободные радикалы или атомы в отличие от молекул обладают свободными ненасыщенными валентностями (непарным электроном), что приводит к их взаимодействию с исходными молекулами. При первом же столкновении свободного радикала (R°) с молекулой происходит разрыв одной из валентных связей последней, и, таким образом, в результате реакции образуется новая химическая связь и новый свободный радикал, который в свою очередь реагирует с другой молекулой - происходит цепная реакция
Автокатализ (от авто… и катализ), ускорение химической реакции одним из её продуктов
Катализ (от греч. katбlysis - разрушение), изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов), вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Реакции с участием катализаторов называются каталитическими
Катализаторы, вещества, изменяющие скорость химических реакций посредством многократного промежуточного химического взаимодействия с участниками реакций и не входящие в состав конечных продуктов. Более 70% всех химических превращений веществ, а среди новых производств более 90% осуществляется с помощью К.
7. Деструкция веществ и энерговыделение при горении. Продукты горения
Деструкция - разложение органических веществ и превращение их в неорганические с высвобождением энергии. лат. Destructio - разрушение
При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением.
Образование пламени связано с газообразным состоянием веществ, поэтому горение жидких и твердых веществ предполагает их переход в газообразную фазу. В случае горения жидкостей этот процесс обычно заключается в простом кипении с испарением у поверхности. При горении почти всех твердых материалов образование веществ, способных улетучиваться с поверхности материала, и попадание в область пламени происходит путем химического разложения (пиролиза)
При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.
8. Температуры горения
Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива.
В уравнение теплового баланса реального горения входят составляющие, величина которых зависит не только от теплофизических свойств топлива, но и от условий, при которых протекает горение. Например, от степени подогрева топлива и воздуха, потерь теплоты при горении, тепловосприятия в топке, коэффициента избытка воздуха.
Чтобы выявить потенциальные возможности топлива, вводят понятие горения без подогрева топлива и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т.е. горения с теоретическим количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена в топочной камере и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической.
Калориметрическая температура отражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха б на температуру адиабатического горения. Повышение температуры подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону горения и повышает температуру горения, а увеличение коэффициента избытка воздуха б вызывает увеличение объема продуктов сгорания Vг, что понижает температуру горения. Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической.
В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов реакции, так как часть тепла передается экранной системе топочной камеры и некоторое количество тепла теряется в окружающую среду; кроме того, при высоких температурах происходит диссоциация части продуктов сгорания (СО2 и Н2О), сопровождающаяся поглощением тепла.
Отношение действительной температуры горения топлива к теоретической называется пирометрическим коэффициентом.
9. Ламинарный и турбулентный газодинамические режимы горения
горение окружающий автокатализ турбулентный
Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому - детонацию.
Ламинарное пламя обладает вполне определённой скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая зависит от состава смеси, давления и температуры и определяется только химической кинетикой и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физико-химической константой смеси.
Скорость распространения турбулентного пламени зависит от скорости потока, а также степени и масштаба турбулентности. Горение в потоке (факельный процесс) - это Г. струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или камеру - очень распространённый в технике вид Г. Различают Г. при истечении заранее перемешанной смеси и Г. при раздельном истечении горючего и окислителя, когда процесс определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.
10. Гомогенное и гетерогенное горение
Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. (Обычно в качестве окислителя участвует кислород воздуха, которого содержится около 21%).
Для возникновения и развития процесса горения необходимы: горючее вещество, окислитель и источник воспламенения, инициирующий реакцию.
Горючее вещество и окислитель должны находиться в определенных соотношениях друг с другом.
Горение, как правило, происходит в газовой фазе. Поэтому горючие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии (жидкие, твердые материалы), для возникновения и поддержания горения должны подвергаться газификации (испарению, разложению), в результате которой образуются горючие пары и газы в количестве, достаточном для горения.
В зависимости от агрегатного состояния горючих веществ горение может быть гомогенным и гетерогенным.
Гомогенное горение: компоненты горючей смеси находятся в газообразном состоянии. Причем, если компоненты перемешаны, то горение называют кинетическим. Если не перемешаны - диффузионное горение.
Гетерогенное горение: характеризуется наличием раздела фаз в горючей смеси (горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя).
Горение различается также по скорости распространения пламени и в зависимости от этого фактора оно может быть:
- дефляграционным (скорость пламени в пределах нескольких метров с секунду);
- взрывным (скорость пламени до сотен метров в секунду);
- детонационным (скорость пламени порядка тысяч метров в секунду).
Кроме того различают: ламинарное горение, характеризуемое послойным распространением фронта пламени по горючей смеси; турбулентное, характеризуемое перемешиванием слоев потока и повышенной скоростью выгорания.
Равномерное распространение горения устойчиво лишь в том случае, если оно не сопровождается повышением давления. Когда горение происходит в замкнутом пространстве, или выход газообразных продуктов затруднителен, то повышение температуры приводит к интенсивному расширению газовых объемов и взрыву.
Под взрывом понимают быстрое превращение веществ, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.
Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб и представляющее опасность для людей.
11. Кинетический и диффузионный режимы горения
Горючие системы подразделяются на однородные и неоднородные. Однородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом (смеси горючих газов, паров с воздухом). Горение таких систем называют горением кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре. При определенных условиях такое горение может носить характер взрыва или детонации. Неоднородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (твердые горючие материалы и не распыленные жидкости). В процессе горения неоднородных горючих систем кислород воздуха проникает (диффундирует) сквозь продукты горения к горючему веществу и вступает с ним в реакцию. Такое горение называют диффузионным горением, так как его скорость определяется главным образом, сравнительно медленно протекающим процессом-диффузией.
12. Состав горючих веществ и окислителя при расчётах параметров горения в атмосфере
При большинстве пожаров в основе горения лежат реакции соединения горючих веществ с кислородом воздуха и только в отдельных случаях, когда горят взрывчатые вещества, пиротехнические изделия и другие материалы с положительным кислородным балансом, горение происходит за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего вещества или кислорода окислителя.
Поскольку воздух состоит из 21% (об.) кислорода и 79% (об.) азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21 = 3,76 молей азота, то уравнение реакции горения вещества в воздухе составляют с учетом того, что на каждый моль кислорода приходится по 3,76 моля азота.
Например, реакции горения водорода, метана, этана, пропана, ацитилена и спирта, и запишутся в виде следующих уравнений:
2Н2 +02 +3,76N2 = 2H2 0 + 3,76N2.
СН4 + 202 + 2 * 3,76N2 = С02 + 2Н20 + 2 * 3,76N2;
С2Н6 + 3,502 + 3,5* 3,76N2 = 2С02 + 3Н20 + 3,5 * 3,76N2;
С3Н8 + 502 + 5* 3,76N2 = 3С02 + 4Н20 + 5 * 3,76N2;
С2Н6 + 3,502 + 3,5* 3,76N2 = 2С02 + 3Н20 + 3,5 * 3,76N2;
С2Н50Н + 302 + 3 * 3/76N 2 = 2С02 + ЗН20 + 3 * 3,76N2;
Азот в уравнениях химических реакций горения учитывается потому, что он поглощает часть теплоты, выделяемой в результате реакций горения, и входит в состав продуктов сгорания - дымовых газов. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО2 и Н2О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО2 - его также записывают. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N2). Объясняется это тем, что при горении в воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при такой температуре окислы азота не образуются. По уравнениям химических реакций горения рассчитывается количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы или единицы объема горючего вещества, а также состав и количество продуктов сгорания.
13. Влажность, летучие продукты пиролиза и межфазовые переходы
Пиролиз (от греч. руr-огонь и lysis-разложение, распад) - разложение или др. превращения хим. соединений при нагревании.
Образование пламени связано с газообразным состоянием вещества, поэтому горение жидких и твердых веществ, сопровождающееся возникновением пламени, предполагает их предварительный переход в газообразную фазу. В случае горения жидкостей этот процесс обычно заключается в простом кипении с испарением у поверхности, в то время как при горении почти всех твердых веществ образование продуктов, способных улетучиваться с поверхности материала и попадание в область пламени, происходит путем химического разложения или пиролиза.
Для протекания процесса горения необходимо горючее вещество, кислород (воздух) и источник воспламенения. Горючее вещество и кислород составляют горючую систему. Источник воспламенения вызывает в ней реакцию окисления. При установившемся горении источником воспламенения служит теплота зоны реакции.
Горючие системы могут быть однородными (однофазными, гомогенными) и неоднородными (многофазными, гетерогенными, гетерофазными). К гомогенным относятся газообразные системы, в которых горючее вещество и окислитель перемешаны друг с другом, например, смеси горючих газов с воздухом. К неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и окислитель находятся в разных фазах, отделены друг от друга поверхностью раздела, например твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в соприкосновении с воздухом, струи горючих газов, поступающие в воздух.
При горении гетерогенных горючих систем кислород, для того чтобы вступить в реакцию с горючим веществом, должен продиффундировать через область пространства, занятую смесью воздуха и продуктов горения.
При высоких температурах наблюдается диффузионное горение, при низких - кинетическое
Горение всех видов газов, жидкостей и твердых веществ на пожарах (за исключением некоторых взрывчатых веществ и пиротехнических изделий) является диффузионным. Так как наблюдаемая скорость химической реакции в диффузионной области определяется скоростью диффузии кислорода в зону реакции, то все реакции горения в этой области имеют одинаковую скорость, не зависящую от природы горючего. Температурная зависимость скорости реакции в этой области сравнительно невелика и определяется изменением физических констант (коэффициента диффузии, вязкости и т.д.) от температуры.
При горении гомогенных горючих систем, в которых окислитель и горючее вещество находятся в одной фазе, диффузионные явления обычно роли не играют.
Горение, зависящее только от скорости химической реакции, называется кинетическим. Скорость кинетического горения смесей значительно превышает скорость диффузионного горения горючих веществ, находящихся в них. Горение таких смесей в замкнутом объеме представляет взрыв. На практике кинетическое горение наблюдается только в начальной фазе пожара. Так, пожар ЛВЖ в резервуарах часто возникает в результате взрыва образовавшейся в них смеси паров жидкости с воздухом. При взрыве смеси крыша резервуара сбрасывается и горение паров жидкости происходит в диффузионной области.
14. Теплота сгорания горючих веществ
Горючее, имеющее в своем составе водород, при сгорании образует воду в газообразном состоянии, которая, охлаждаясь, будет конденсироваться. Так как в процессе конденсации паров тепло выделяется, то общее количество теплоты, полученное при сгорании вещества, будет больше на эту величину, при этом количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров, равно количеству теплоты, затраченному на парообразование. Тогда Qв = Qн+r, где - Qв высшая теплота сгорания вещества, r - удельная теплота парообразования воды, а Qн - низшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы количества горючего вещества (моль, кг или м3).
Qн может быть рассчитана по закону Гесса, который говорит о том, что тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты образования продуктов реакции и теплоты образования исходных веществ, при этом надо учитывать, что теплота образования простого вещества (вещества, молекулы которого состоят из атомов одного элемента, например, N2, O2, H2, S, C…) принимается равной нулю. Удельная теплота сгорания (формулы Д.И. Менделеева).
Высшая:
Низшая:
где C, H, W, S - суммарное содержание веществ в% по массе, 25,1*(9Н+W) - теплота затраченная на испарение влаги W вещества и воды, образующейся при сгорании водорода Н горючего вещества (кДж/кг)
15. Стехиометрия горения. Удельный расход окислителя на горение техногенного вещества
Уравнение реакции горения вещества в воздухе составляется с учетом того, что в нем на 1 моль кислорода приходится 3,76 молей азота. Например, реакции горения водорода, метана, этана, пропана, ацитилена и спирта, и запишутся в виде следующих уравнений:
2Н2 +02 +3,76N2 = 2H2 0 + 3,76N2.
СН4 + 202 + 2 * 3,76N2 = С02 + 2Н20 + 2 * 3,76N2;
С2Н6 + 3,502 + 3,5* 3,76N2 = 2С02 + 3Н20 + 3,5 * 3,76N2;
С3Н8 + 502 + 5* 3,76N2 = 3С02 + 4Н20 + 5 * 3,76N2;
С2Н2 + 2,502 + 2,5* 3,76N2 = 2С02 + Н20 + 2,5 * 3,76N2;
С2Н50Н + 302 + 3 * 3/76N 2 = 2С02 + ЗН20 + 3 * 3,76N2;
Азот в уравнениях химических реакций горения учитывается потому, что он поглощает часть теплоты, выделяемой в результате реакций горения, и входит в состав продуктов сгорания - дымовых газов. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО2 и Н2О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО2 - также записывают. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N2). Объясняется это тем, что при горении в воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при такой температуре окислы азота не образуются. По уравнениям химических реакций горения рассчитывается количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы или единицы объема горючего вещества, а также состав и количество продуктов сгорания.
Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы (кг) или объёма (м3) горючего вещества, называется теоретически необходимым и обозначается Vв0.
Для горения индивидуального вещества(газа) потребуется удельный объём воздуха, рассчитываемый по формуле: Vв0 = 4,76*О/ Z (м3воздуха/м3газов), где О - количество молей кислорода, Z - количество молей горючего, 4,76 - количество молей воздуха, приходящихся на один моль кислорода.
Например: Определить удельный объём воздуха Vв0 для горения водорода, метана, этана, пропана и ацитилена. Решение: Из уравнений реакций горения (см. уравнения выше, без записи азота):
для водорода: 2Н2 +02 = 2H2 0 4,76*1/2=2,38 м3воздуха/м3водорода
для метана: СН4 + 202 = С02 + 2Н20 4,76*2/1=9,52 м3воздуха/м3метана
для этана: С2Н6 + 3,502 = 2С02 + 3Н20 4,76*3,5/1=16,66 м3воздуха/м3этана
для пропана: С3Н8 + 502 = 3С02 + 4Н20 4,76*5/1= 23,8 м3воздуха/м3пропана
для ацителена: С2Н2 + 2,502 = 2С02 + Н20 4,76*2,5/1= 11,9 м3воздуха/м3ацитилена
Для горения смеси химических соединений (древесина, торф, нефть, смесь газов и др.)
- для сгорания 1 кг жидких и твердых веществ потребуется:
Vв0 = 0,269*(С/3+Н+S/8 - О/8) м3воздуха/кг горючего,
горение окружающий автокатализ турбулентный
где С, Н, S, О - процентное содержание соответствующего элемента по массе.
Например: Определить объём воздуха, теоретически необходимого для горения для 5 кг торфа состава: С - 40%, Н - 4%, О - 13%, N - 20%, А (зола) - 10%, W - 13%. Решение: Так как азот, зола и влага топлива не принимают участие в горении, то на 1 кг торфа потребуется
Vв0 = 0,269*(40/3+4 - 13/8) = 4,23 м3/кг, а на 5 кг - 4,23*5 = 21,15 м3воздуха.
- для сгорания 1 м3 смеси газов потребуется:
Vв0 =(?Ki*Гi)/21 (м3воздуха/м3смеси газов),
где Ki - количество молей кислорода, расходуемых на 1 моль i-го газа, Гi - процентное содержание i-го газа в смеси газов (%).
Например: Определить объём воздуха, теоретически необходимого для горения 1м3 природного газа состава: СН4 - 86,5%, С2Н6 - 3%, С3Н8 - 1%, СО2 - 7,3%, N2 - 2,2%.
Решение. Из уравнений реакций горения соответствующих газов определяем коэффициенты Ki для метана, этана и пропана (СО2 и N2 не принимают участие в горении).
для метана: СН4 + 202 = С02 + 2Н20, откуда Кметана = 2;
для этана: С2Н6 + 3,502 = 2С02 + 3Н20 откуда Кэтена = 3,5;
для пропана: С3Н8 + 502 = 3С02 + 4Н20 откуда Кпропана = 5;
Для сгорания 1 м3 природного газа указанного состава потребуется:
Vв0 = (2*86,5+3,5*3+5*1) /21= 8,98 (м3воздуха/м3 природного газа)
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Вид горения и его основные параметры. Химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Уравнения материального и теплового баланса реакции горения. Влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения.
контрольная работа [46,0 K], добавлен 17.01.2013Расчет объема воздуха и продуктов горения, образующихся при сгорании вещества. Уравнение реакции горения этиленгликоля в воздухе. Горение смеси горючих газов. Расчет адиабатической температуры горения для стехиометрической смеси. Горение пропанола.
контрольная работа [76,8 K], добавлен 17.10.2012Расчет коэффициента горючести нитробензола С6Н5NО2 и сероуглерода CS2. Уравнение реакции горения пропилацетата в воздухе. Расчет объема воздуха и продуктов горения при сгорании горючего газа. Определение температуры вспышки толуола по формуле В. Блинова.
контрольная работа [204,4 K], добавлен 08.04.2017Общие сведения о пиротехнических составах и их компонентах. Реакции горения, составление основных пиротехнических смесей. Образование пиротехнических составов, их компоненты, чувствительность, скорость горения. Изучение продуктов реакции горения.
реферат [258,1 K], добавлен 16.10.2011Закон сохранения массы как важнейшее открытие атомно-молекулярной теории. Особенности изменения массы в химических реакциях. Определение молярной массы вещества. Составление уравнения реакции горения фосфора. Решение задач на "избыток" и "недостаток".
контрольная работа [14,2 K], добавлен 20.03.2011Горение как мощный процесс окисления. Типы горения: тление и горение с пламенем. Взрыв как частный случай горения. Электрические свойства пламени. Многообразие продуктов горения как следствие неполного сгорания топлива. Фильтрация дыма через воду.
научная работа [293,6 K], добавлен 29.07.2009Разработка мер предотвращения возникновения пожаров и взрывов, оценка условий их развития и подавления. Понятие скорости выгорания, способ ее определения. Порядок составления уравнения реакции горения. Расчет объема воздуха, необходимого для возгорания.
курсовая работа [223,7 K], добавлен 10.07.2014Методика расчета теоретического расхода воды, требуемой для прекращения горения жидкости в резервуаре. Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях. Твердотопливные аэрозолиобразующие составы. Содержание тепловой теории прекращения горения.
контрольная работа [386,0 K], добавлен 17.01.2013Определение количества диоксида углерода, необходимого для предотвращения взрыва в помещении. Расчёт минимальной флегматизирующей концентрации азота. Определение тротилового эквивалента 4-метил-2-этилпентанола при взрыве. Расчёт температуры горения.
курсовая работа [73,4 K], добавлен 03.11.2014Теплота взрыва как суммарный тепловой эффект первичных химических реакций, протекающих во фронте детонационной волны, и вторичных равновесных реакций, происходящих при расширении продуктов взрыва после завершения детонации. Ее расчет различными методами.
методичка [136,4 K], добавлен 22.12.2013
