Главная Коллекция "Otherreferats" Безопасность жизнедеятельности и охрана труда Практикум по теории горения

Практикум по теории горения

Материальный и тепловой балансы процесса горения, концентрационные пределы воспламенения. Температурные параметры пожарной опасности веществ, расчет температур вспышки и воспламенения. Расчет количества воздуха, необходимого для горения вещества.

Рубрика Безопасность жизнедеятельности и охрана труда
Вид учебное пособие
Язык русский
Дата добавления 28.10.2018
Размер файла 520,8 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.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства и продовольствия РФ

ФГОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет»

Кафедра безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии

Учебное пособие для бакалавров

Практикум по теории горения

А.В. Титенок

Брянская область, 2015

Титенок, А.В. Практикум по теории горения: учебное пособие / А.В. Титенок. - Брянск: БГАУ, 2015. - 95 с.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, обучающихся по направлению подготовки 280700 "Техносферная безопасность" профиль "Безопасность технологических процессов и производств" (квалификация "бакалавр"). Рассмотрены общие принципы и фрагменты для выполнения курсовой работы по дисциплине "Теория горения и взрыва".

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры "Механика и основы конструирования" Романеев Н.А.

Рекомендовано к изданию методической комиссией инженерно - технологического факультета от 10 октября 2015 г.

Содержание

Введение в теорию горения

1. Материальный баланс процесса горения

1.1 Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ

1.2 Расчет объема и состава продуктов горения

2. Тепловой баланс процессов горения

2.1 Расчет теплоты сгорания веществ

2.2 Расчет температуры горения

3. Пределы воспламенения

3.1 Концентрационные пределы воспламенения

4. Температурные параметры пожарной опасности веществ

4.1 Расчет температурных пределов воспламенения

4.2 Расчет температур вспышки и воспламенения

4.3 Расчет стандартной температуры самовоспламенения

5. Потенциал горючести

5.1 Расчёт потенциала горючести

Темы для самостоятельного изучения

Контрольные вопросы

Библиографический список

Приложения

Введение в теорию горения

Горение - это процесс изменения материи, физико-химически преобразующий объект воздействия.

Взрыв - это процесс изменения энергиии, физико-механически преобразующий объекта воздействия.

Объект воздействия - это природная или антропогенная среда. Антропогенная среда - это все материальное, что сделано человеком.

Что первично: горение или взрыв?

Горение может предшествовать взрыву, или же наоборот, взрывы сопровождают горение. Оба эти процесса могут быть автономными.

Много лет назад человек впервые взял в руки чоппер для усиления своих рабочих действий и стал homohabilis - человеком умелым. Представьте себе ситуацию, когда сверкнула молния, грянул гром. Молния попала в дерево. Дерево загорелось и это вызвало лесной пожар. Все живое старалось спастись. Среди всех прочих спасался и новый вид - homohabilis.

Мелькали тысячелетия. В отличие от других млекопитающих, у homohabilisкаким-то чудным образом стали развиваться элементы интеллекта, впоследствии преобразовавшие его в homosapiens - человека разумного, приручившего и огонь, и взрыв.

Приручившего, но не обуздавшего эту стихию.

Эти два явления и сейчас проблематичны как в мелких (взрыв на птицефабрике «Снежка»), так и в крупных (Чернобыльский взрыв) масштабах. Уместно вспомнить и ежегодные многочисленные лесные пожары. Так как все это опасно для человека, мы должны разобраться в природе горения и взрыва.

С той целью, чтобы знания свои уметь применять на благо себе и окружающим нас согражданам.

Огонь - это явление природы, которому во многом люди обязаны развитию своей цивилизации, начиная с раннего периода истории человечества. Археологи установили, что люди стали пользоваться огнем 60000 лет назад, а научились получать огонь около 30000 лет назад.

С огнем связаны многие ранние мифы и легенды. Нельзя не вспомнить миф о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям.

Огонь был первым источником энергии первобытного человека. По мере эволюции человек эмпирически познавал процессы горения, находил и применял новые виды горючего. Он открывал термические процессы, протекающие под воздействием теплоты горения. Они были необходимы ему для удовлетворения своих нужд - приготовления пищи, выплавки металлов, изготовления керамики, стекла и т.п.

Без применения процессов горения человечество так и осталось бы в каменном веке, после которого никогда бы не наступил ни бронзовый, ни железный век.

Поэтому огонь привлекал внимание ученых, начиная с глубокой древности.

Еще в V веке до н.э. Эмпедокл утверждал, что существуют 4 начала всех вещей - огонь, воздух, вода и земля. Он считал их материальными субстанциями.

Возможно, эти представления были заимствованы им из древнеиндийских и древнекитайских философских учений.

В IV веке до н.э. древнегреческий философ Аристотель, признавая эти начала, дополнил их пятым принципом - «существо», но он считал их не материальными субстанциями, а лишь носителями некоторых основных свойств веществ, ощущаемых человеком при помощи осязания: теплоты, холода, сухости, влажности.

Долгое время представления об огне и горении оставались столь же наивными с точки зрения современной науки.

В XIII веке Фома Аквинский утверждал, что, если тело подвергается действию огня, то оно становится горячим, принимая на некоторое время «форму тепла». В зависимости от того, восприняло ли оно эту форму полностью или нет, тело охлаждалось при удалении огня или улавливало огонь и, таким образом, могло передавать эту форму другим телам.

Развитие цивилизации требовало все больше энергии, которая получалась, в основном, за счет сжигания древесины, запасы которой были не безграничны. Кроме того, расширялась выплавка различных металлов путем обжига руд, которая также была малоэффективной из-за образования большого количества окалины.

Начало научных разработок, и исследования процессов горения следует отнести к 1660 году к экспериментам представителей оксфордской школы во главе с Робертом Бойлем, отбросившим идеализм древнегреческих натурфилософов, считавших, что «пламя - это элемент».

Однако во времена Бойля связь науки с практической деятельностью человечества была слабая.

Только к концу XVII века стала отчетливо проявляться потребность свести многообразные изменения веществ, которые происходят в процессе горения, к одному общему принципу.

Это обусловило то, что в XVII веке немецким ученым Георгом Шталем была создана теория флогистона, установившая глубинную связь между процессами горения и окисления.

Флогистон (греческое слово, означающее - «горючий») - это некоторый абстрактный принцип горючести, который становится «горючей субстанцией» только тогда, когда находится в сложном теле в сочетании с другими веществами.

Шталь предполагал, что при нагревании сложных тел флогистон улетучивается и, соединяясь с воздухом, воспламеняется.

Однако этому противоречили факты об увеличении массы металлов при их нагревании на воздухе. По этой причине последователи флогистона объясняли это тем, что флогистон имеет отрицательный вес. Якобы, при прокаливании металлов в воздухе, когда удаляется флогистон, остаток обжигаемого металла становится более тяжелым.

Несмотря на все отмечаемые противоречия, теория флогистона просуществовала более 100 лет.

Лавуазье отмечал, что она получила столь широкое распространение потому, что на ее основе были сделаны два важных открытия.

Одно из них состоит в установлении факта, что металлы - тела горючие и превращение их в окалины - это явление горения, второе - в том, что свойство гореть или быть воспламеняемым может передаваться от одного тела к другому.

Окончательная победа над заблуждениями теории о флогистоне и переход исследований в области горения на правильную научную основу стало возможным только лишь в середине XVIII века в результате бурного развития химии газов и первым ученым, подвергшим основательной и аргументированной критике теорию флогистона был М.В.Ломоносов.

Он впервые показал, что горение - это реакция химического взаимодействия вещества с воздухом.

В дальнейшем практически одновременно с Дж. Пристли и К.В. Шееле, А.Лавуазье получил кислород, установил его химическую природу и способность соединяться с фосфором и серой при горении и с металлами при окислении. Он правильно объяснил процессы горения и окисления и создал основы кислородной теории. А. Лавуазье впервые установил, что воздух имеет сложный состави состоит из «живительного» воздуха (кислорода) и инертной его части (азота), которая не поддерживает горение и не пригодна для дыхания. В 1777 году в мемуаре «О горении вообще» он дал следующее определение явления горения:

· «Первое явление. При всяком горении происходит выделение огненнй материи или света.

· Второе явление. Тела могут гореть только в очень немногих видах воздуха или, вернее, горение может происходить в одном виде воздуха, который я буду называть «чистым воздухом». Тела, которые мы называем горючими, не только не горят в пустоте или каком-либо другом воздухе, но там они гаснут так быстро, как если бы их погрузили в воду или любую другую жидкость.

· Третье явление. При всяком горении происходит разрушение или разложение чистого воздуха, и вес сгоревшего тела увеличивается точно на количество поглощенного воздуха.

· Четвертое явление. При всяком горении горящее тело превращается … в результате прибавления того вещества, которое увеличивает его вес…».

25 мая 1812 года в Англии на одной из угольных шахт произошел взрыв, унесший жизнь 92 человек.

После этой катастрофы в городе Андерленде (Англия) было учреждено общество по предотвращению аварий на угольных шахтах. А двумя годами позже, в 1814 году, по поручению этого общества в Королевском научном обществе сэром Хэмфри Дэви был выполнен ряд исследований пламени.

В дальнейшем ученые инженеры Америки и Европы, связанные с каменноугольными предприятиями, занимающиеся исследованиями в целях борьбы с авариями в шахтах, заложили фундамент науки о горении. М. Фарадей по результатам своих исследований опубликовал книгу «История свечи», переведенную на многие языки.

В начале внимание исследователей процессов горения было направлено на химические аспекты, то есть на изучение преобразования веществ, которое происходит при горении.

Однако для практического использования горения было необходимо исследовать и физику горения, то есть изучить явления воспламенения и распространения пламени, температуру и излучение газов, образовавшихся при сгорании.

В XIX веке исследованием температуры и скорости распространения пламени занимался Р.В. Бунзен.

А.Л. Ле-Шателье совместно с П.Э. М.Бертло и Ф. Малларомизучали процессы воспламенения, горения, взрывов и детонации и впервые сделали попытку рассчитать скорость горения.

В конце XIX века Маллар и А.Л. Ле-Шателье с появлением технических возможностей начали исследования распространения пламени с помощью фотосъемки.

С началом всех этих исследований изучение процессов горения вступило в новый важный этап.

В связи с изобретением во второй половине XIX века двигателей внутреннего сгорания расширяются исследования процессов горения, постепенно выделившись в отдельную область знаний, получивших название физика горения.

Выдающийся вклад в развитие теории горения и взрыва внесли представители русской школы горения.

Русский ученый В. А. Михельсон в 1890 г. открыл закон распространения пламени, носящий его имя и заложил основы тепловой теории взрывного горения.

В конце XIX века в двигателях внутреннего сгорания стали использовать искровое зажигание, однако научные исследования зажигания были начаты лишь примерно в 1910 году Торнтоном.

Теория автоокисления, разработанная русским академиком А.Н.Бахом, позволила объяснить самопроизвольно протекающие процессы окисления, являющиеся причиной самовозгорания различных веществ.

Так начиналось развитие современной теории горения и взрыва. В настоящее время изучение горения успешно развивается в областях фундаментальных исследований и практического применения процессов горения. Заметный качественный и количественный скачок в развитии этих исследований произошел перед самым началом Второй мировой войны в связи с разработкой реактивных и ракетных двигателей.

Работы академика Н.Н.Семенова по изучению механизма разветвленных цепных реакций и теплового самовоспламенения (взрыва) являются выдающимся вкладом в мировую науку, за что он в 1956 году был удостоен Нобелевской премии.

Теория цепных реакций горения позволяет объяснить механизм перехода обычного горения во взрывное, а также количественно оценить газовые взрывы.

Академик Я.Б.Зельдович и профессор Д. А. Франк-Каменецкий создали теорию распространения пламени.

Исследования наших ученых получили всемирное признание.

С развитием научно-технического прогресса, появлением интегральных типов научно-исследовательского оборудования и более мощных электронно-вычислительных устройств развитие теории горения заметно ускорилось.

Тем не менее, из-за большой сложности физико-химических процессов горения, разнообразия «топочных» устройств теория еще далека от совершенства.

Можно более конкретно указать причины этого:

Во-первых, главный участник горения - горючее. Оно является комплесом как природных органических, так и неорганических веществ сложного химического строения.

При нагреве и взаимодействии с окислителем происходит распад этих комплексов на более простые соединения и элементы. Но при анализе процесса горения невозможно обойтись без учета поведения горючего в его исходной форме и в промежуточных стадиях.

А это крайне затрудняет изучение процесса.

Во-вторых, в процессе горения, так же, как и в других химических процессах обязательны два этапа:

· физический этап - это создание молекулярного контакта между горючим и окислителем;

· химический этап - это взаимодействия молекул с образованием продуктов реакции.

Причем второй этап протекает только у молекул, находящихся в особом энергетически или кинетически возбужденном состоянии. Возбуждаются же молекулы в результате начавшегося процесса горения из-за повышения общего энергетического уровня (температуры) и взаимодействия молекул. Даже при рассмотрении простейших реакций горения необходимо учитывать различия между отдельными молекулами, составляющими сложную полисистему.

В-третьих, горение принципиально не является равновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности состояния молекул, их концентраций, неравномерности полей температур и скоростей потоков. Существенно изменяются условия взаимной диффузии молекул, находящихся на разных ступенях возбуждения. Из этого вытекает необходимость одновременного решения нестационарной задачи массо- и теплопроводности и химической кинетики, причем наиболее часто при турбулентности вызванной самим процессом горения. Следовательно, задачи теории горения характеризуются как нестационарные задачи турбулентной массо- и теплопроводности при наличии динамических источников вещества и тепла.

Но хотя такое представление и определяет анализы процесса горения, конкретное решение задач теории горения при этом затруднено. Исследование процесса горения по пути составления систем интегрально-дифференциальных уравнений, соответствие которых истинному ходу процессов следует проверять сопоставлением результатов решения этих систем, выполняемого во многих случаях с применением ЭВМ, с данными эксперимента.

Так развивается современная теория горения.

Существуют понятия «контролируемое горение» специально организованное человеком для удовлетворения своих потребностей в тепловой (печи, топки и т.п.), световой (свечи, керосиновые лампы, газовое освещение др.) и механической энергии (двигатели внутреннего сгорания, дизеля и т.п.), и «неконтролируемое горение» - это пожары.

Используя горение как источник энергии в своих целях, человек иногда становился и жертвой этого «джина, самим им выпущенного из бутылки» - пожаров.

Поэтому изучение процессов горения, приобретение умений их регулирования и прекращения стало жизненно важной потребностью. Ежегодно в России случается около 300000 пожаров. В огне гибнут около 20 тысяч человек и примерно столько же получают травмы. В мире на каждые 100 пожаров гибнет 1 человек, в России эта печальная статистика еще выше. Пожар - это горение, способное самостоятельно распространяться вне специально предназначенного для этого места, приводящее к травмированию или гибели людей, уничтожению или повреждению имущества, ухудшению экологической обстановки.

Как следует из этого определения в основе всех явлений, протекающих на пожарах, лежит процесс горения, иногда сопровождающийся возникновением взрыва.

Уяснить сущность процессов, происходящих на пожаре можно только на основе изучения теории горения и взрыва.

Все сопутствующие явления - деформация и обрушение строительных конструкций, вскипание и выбросы и т.п. - они являются следствием процесса горения.

Физико-химические основы горения состоят в следующем.

Процесс горения - это сложный процесс, поэтому однозначного определения горения нет, и разные авторы предлагают собственные определения. Горение - это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя. Он характеризуется ускоряющимся превращением материи и сопровождается выделением большого количества тепла и света.

В определенных условиях может возникать холодное пламя, где химическая реакция протекает с умеренной скоростью и сопровождается свечением без заметного разогрева.

Для горения характерны три признака: химическое преобразование, выделение тепла, излучение света.

Доминирующим процессом при горении является химическая реакция окисления. Именно она влечет появление различных физических процессов: переноса тепла, переноса реагирующих веществ, излучения и др. Эти физические процессы развиваются по своим законам. Химические процессы окисления разнятся по скорости их протекания, но реальная скорость окисления при горении ниже, т.к. лимитируется скоростями физических процессов. Реакции окисления в общем виде можно представить уравнением:

(1.1)

где: гор - горючее вещество, ок - окислитель, ПГ - продукты горения.a, b, ni- соответствующие стехиометрические коэффициенты.

При решении пожарно-технических задач при описании процессовгорения обычно принимают a = 1, тогда b может быть дробной величиной. В таком случае химические процессы при горении можно представить как

(1.2)

Это уравнение является лишь суммарным отражением, происходящих превращений. На самом деле химические реакции при горении являются многостадийными.

Для возникновения горения необходимо наличие:

· горючего вещества;

· окислителя;

· источника зажигания (энергетический импульс).

Эту триаду называют «пожарным» треугольником.

Если исключить из неё одну составляющую, то горения не получится. Это свойство триады используется на практике для предотвращения и тушения пожаров.

Классификация горючих веществ и материалов

Основные классификационные признаки: химическая природа, происхождение, агрегатное состояние, дисперсность.

По химической природе горючие вещества и материалы подразделяются на два основных класса: органические и неорганические.

Такое подразделение условно: многие органические вещества содержат как в химически связанном, так и в виде примесей неорганические компоненты, нелетучая часть которых остается в виде золы, шлаков и.т.п.

Органические горючие вещества - это все вещества на основе углерода, представляющие собой материалы растительного и животного происхождения, или же ископаемые вещества, т.е. добываемые из недр земли. Все они применяются как в натуральном виде, так и после соответствующей обработки.

Неорганические горючие вещества представляют собой все простые и сложные вещества неорганической природы, способные к реакциям горения.

По современной химической классификации это металлы и неметаллы, а также их различные производные.

К горючим металлам и их производным относятся все щелочные и щелочноземельные металлы, а также металлы других групп периодической системы Д.И. Менделеева и их производные - карбиды, сульфиды и т.п.

К горючим неметаллам и их производным относятся бор, кремний, фосфор, мышьяк, сера, селен, теллур, их карбиды, гидриды, сульфиды и т.д.

По агрегатному состоянию горючие вещества и материалы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые.

Горючие вещества характеризует коэффициент горючести К.

Этот безразмерный показатель может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества и величины нижнего концентрационного коэффициента распространения пламени.Коэффициент горючести рассчитывается по следующей формуле:

К = 4n(C) + 4n(S) + n(H) + n(N) - 2n(O) - 2n(Cl) - 3n(F) - 5n(Br)… (1.3)

где: n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), 2 n(Cl), n(F), n(Br) - число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле вещества. Если коэффициент горючести Кбольше единицы (К >?1), то вещество является горючим; при значении Кменьше единицы (К < 1) - вещество негорючее.

Окислители

Основными химическими процессами при горении являются межмолеулярные окислительно-восстановительные реакции между горючими веществами и окислителями, например:

С + О2 = СО2; Н2 + Cl2 = 2НСl.

Во втором уравнении окислителем является хлор. Но чаще всего в процессах горения и на реальных пожарах окислителем бывает кислород воздуха.

Окислители - это вещества, атомы которых в химических превращениях принимают электроны.

Среди простых веществ к ним относятся все галогены и кислород.Наиболее распространенным в природе окислителем является кислород воздуха. Именно ему человечество обязано широким распространением пожаров на Земле. Воздух содержит 21 % по объему кислорода и 79 % азота. На один объем (моль) кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема (моля) азота, который не вступает в реакции горения. Однако его приходится учитывать при составлении уравнения материального и теплового баланса процессов горения, поскольку часть теплоты расходуется на его нагревание. Горение в воздухе- это основной процесс на пожаре, однако во многих технологических процессах используется воздух, обогащенный кислородом, и даже чистый кислород (например, металлургические производства, газовая сварка, резка и т.д.).

С атмосферой, обогащенной кислородом, можно встретиться в подводных и космических аппаратах, доменных процессах и т.д. Такие горючие системы имеют повышенную пожарную опасность. Это необходимо учитывать при разработке систем пожаротушения, пожарно-профилактических мероприятий и при пожарно-технической экспертизе пожаров.

Помимо кислорода воздуха и галогенов окислителями в реакциях горения могут выступать и сложные вещества, например, соли кислородсодержащих кислот - нитраты, хлораты и т.п., применяемые в производстве порохов, боевых и промышленных взрывчатых веществ и различных пиротехнических составов.

Процессы, происходящие при горении. Виды горения

Для возникновения процессов горения необходимо наличие горючего вещества и окислителя. Для инициирования возникновения горения необходимо наличие источника тепловыделения (зажигания). Иногда горение может возникать самопроизвольно без источника зажигания (самовоспламенение и самовозгорание). Для возникновения горения должны быть соблюдены следующие условия:

· непосредственный контакт горючего и окислителя;

· горючее и окислитель должны находиться в определенных количественных соотношениях;

· источник зажигания должен обладать достаточной энергией.

При температурах, характерных для горячего пламени (они возникают в подавляющем большинстве случаев на реальных пожарах), скорость химической реакции окисления при горении потенциально может быть очень высокой. Это вызвано тем, что при повышении температуры на каждые 1000 скорость реакции увеличивается в 2…4 раза.

Скорость процесса горения в целом ограниченна скоростью конкретного физического процесса, сопровождающего горение.

Основные физические процессы при горении - это тепло- и массообмен с окружающей средой за счет конвекции, диффузии и излучения. При горении органических веществ образуются нагретые до высокой температуры летучие продукты горения: СО2, Н2О, СО и др. При горении некоторых неорганических веществ, например, некоторых металлов могут образовываться наряду с летучими и нелетучие продукты горения.

Плотность летучих продуктов горения в 3…5 раз меньше плотности окружающего воздуха, поэтому над очагом горения существует конвективный (непрерывно поднимающийся вверх) поток горячей парогазовой смеси продуктов горения. Он всасывает свежий воздух снизу к очагу горения. Этими процессами обусловлен массо-, газо- и теплообмен очага горения с окружающей средой.

Теплообмен с окружающей средой происходит и счет теплового (невидимого инфракрасного) светового изучения.

Лучистый поток распространятся во все стороны от зоны горения, в том числе и падает вниз на поверхность горящего вещества. Нагреваясь под воздействием лучистого теплового потока, горючее вещество испаряется или разлагается и испаряется с выделением горючих газообразных продуктов. Они, смешиваясь с воздухом, поступают в зону горения. Такое горение сопровождается образованием пламени.

Пламя -это часть реакционного объ?ма, в котором протекают все физико-химические процессы, связанные с горением.

Пламя, как правило, излучает свет, лишь в редких случаях оно невидимо, например, при горении водорода.

Наиболее высокотемпературная часть пламени, где протекают окислительно-восстановительные реакции, называется реакционной зоной или фронтом пламени.

В газообразных горючих системах все процессы горения, в том числе и подготовительные, протекают в пламени. Поэтому для них понятия горение и пламя часто отождествляют и используют как синонимы. При горении конденсированных систем (жидких и твердых) подготовительные процессы (нагревание, плавление, испарение, термическое разложение) протекают вне пламени непосредственно на поверхности горящего вещества.Горение может происходить и за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего вещества. В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси горение подразделяется на два вида: гомогенное и гетерогенное. Гомогенное горение -это процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Оно бывает кинетическим и диффузионным в зависимости от однородности горючей смеси.

Однородной смесью называется предварительно перемешанная смесь горючего с окислителем. Скорость ее горения определяется только кинетикой окислительных реакций. Поэтому процесс горения гомогенной однородной (предварительно перемешанной) горючей смеси называется ещё и кинетическим горением(пламенем).В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) поступает в пламя из окружающей среды преимущественно за счет процессов диффузии.

Диффузионное горение (пламя)-это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии окислителя к фронту пламени.

Наиболее широко распространено гомогенное горение газов и паров в воздухе. Пары могут быть предварительно перемешаны или же нет. Гомогенное горение характерно для всех газообразных и большинства жидких и твердых горючих материалов. Отличительным признаком такого горения является возникновение пламени над поверхностью конденсированного горючего вещества.

Часто на пожарах гомогенное горение твердых горючих материалов на заключительной стадии после выгорания летучих веществ или после ликвидации пожара переходит в гетерогенное горение (догорание) углеродных остатков и в ряде случаев (при определенных условиях) может снова привести к открытому горению, через стадию возникновения повторных очагов горения.

Гетерогенное горение -это горение твердых горючих материалов на границе раздела фаз, т.е. горение происходит практически непосредственно на их поверхности. Характерной особенностью гетерогенного горения является небольшая высота (до 2 мм) пламени или его отсутствие. Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением.

Тление -особый вид гетерогенного(беспламенного)горения.

Такому виду горения подвержены только диспергированные пористые вещества и материалы, образующие твердый углеродный остаток при нагревании, а в ряде случаев и горючие жидкости, пропитавшие твердые пористые материалы. Примеры - горение торфа, кокса, древесного угля. При тлении образуются высокотоксичные продукты неполного сгорания. Они способны привести к пламенному горению и (или) взрыву. Этот вид горения будет более подробно рассмотрен в разделе, посвященном горению твердых веществ и материалов.

Опасные факторы пожара

Тяжелые последствия пожаров связаны с действием протекающих на нем явлений. При достаточной мощности пожара в здании конвективный и лучистый тепловые потоки будут:

· нагревать и рушить негорючие ограждающие конструкции;

· воспламенять конструкции удаленные от очага горения.

Это способствует распространению пожара.

Если же горит достаточно большая постройка, например, из древесины, то часто возникают мощные конвективные потоки продуктов горения. Они способны разносить на значительное расстояние искры, угли, горящие куски кровли. Падая на удаленные постройки (до 3-х км), они могут способствовать быстрому распространение пожара.

Опасными факторы при пожаре:

· пламя и искры;

· повышенная температура окружающей среды;

· токсичные продукты горения и термического разложения, дым;

· пониженная концентрация кислорода.

Вторичные проявления опасных факторов пожара:

· осколки, части строительных конструкций;

· радиоактивные и токсичные вещества и материалы;

· электрический ток, возникший в результате выхода из строя ЛЭП высокого напряжения на токопроводящие части конструкций;

· огнетушащие вещества.

Опасные факторы взрыва, происшедшего вследствие пожара (ГОСТ 12.1.010): ударная волна, во фронте которой давление превышает допустимое значение; пламя; обрушивающиеся конструкции и их разлетающиеся части; образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества.

1. Материальный баланс процесса горения

Горение - это важнейший из применяемых человеком физико-химических процессов. Несмотря на интенсивное развитие атомной, гидро-, гелио- и геотермальной энергетики, за счёт сжигания топлива производится основная доля энергии, обеспечивающей потребности человеческого общества. Все остальные источники, включая продукты питания, дают человечеству менее десяти процентов необходимой ему энергии.

Горение - это режим протекания экзотермических химических реакций, характеризующийся значительной скоростью химического превращения, излучением тепла и света и способностью реакции к прохождению в самоподдерживающемся или самораспространяющемся режиме.Материальный баланс процесса горения- соотношение (равенство) между количеством веществ, которые вступают в реакцию горения, и количеством веществ (продуктов горения), которые получаются вследствие этой реакции.

1.1 Расход воздуха на горение

При горении происходит взаимодействие между молекулами горючего вещества и окислителя, при этом получаются продукты сгорания. Горючее вещество + Окислитель= Продукты сгорания.

Как правило, окислителем при горении выступает кислород воздуха. Схематично химическую реакцию сгорания одного моля вещества в воздухе можно представить уравнением:

ГВ + в(О2 + 3,76 N2) = ? ni·ПГi + в·3,76N2,

в котором символами ГВ, О2, N2, ПГi обозначены молекулы, соответственно горючего вещества, кислорода, азота и i-го продукта горения; ni- количество молекул i-го продукта горения, приходящееся на одну молекулу горючего; в- стехиометрический коэффициент реакции горения. Это лишь суммарная реакция, но она достаточна для проведения практических расчетов и является обобщенной записью материального баланса реакции горения. Минимальный объем воздуха, который необходим для полного сгорания единицы количества горючего вещества, называется удельным теоретическим объемом воздуха и обозначается V0в. В зависимости от единиц измерения количества горючего вещества (1 моль, 1 мі, 1 кг) удельный объем измеряется в мі/моль, мі/мі, мі/кг.

Действительное количество воздуха, который поступает в зону горения, отличается от теоретического. Соответствующий объем называется удельным действительным объемом воздуха и обозначается vв. Разность между количеством воздуха, который идет на горение и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Для характеристики процесса горения используют понятие коэффициент избытка воздуха -бв., который показывает, во сколько раз количество воздуха, который действительно поступает в зону горения, отличается от теоретически необходимого количества для полного сгорания единицы количества горючего вещества.

Таким образом, действительный удельный объем воздуха равняется: Vв = v0в · бв.Часть воздуха, неизрасходованная на горение, переходит в продукты горения. В случае кинетического горения, при бв = 1, смесь горючего с воздухом является стехиометрической. Величина тепловыделения на единицу продуктов сгорания при этом максимальна, вследствие чего температура в зоне горения также максимальна. При бв< 1 в смеси недостаток окислителя и излишек горючего вещества. Такая смесь - называется богатой. Характерной особенностью процесса горения в этом случае является образование продуктов неполного сгорания. При бв > 1 смесь называется бедной. В ней недостаток горючего вещества и излишек окислителя. При этом продукты горения включают в себя избыток воздуха. Продукты горения- это газообразные, твердые и жидкие вещества, образующиеся в процессе горения. Состав продуктов горения зависит от состава горючего вещества и условий протекания реакции горения. Продукты горения образуют дым.

Дым - дисперсная система, состоящая из твердых и жидких частиц (дисперсной фазы), находящихся в газовой дисперсионной среде. Свойства дыма характеризуются следующими параметрами:

· Концентрация дыма - это масса продуктов горения, находящихся в единице объема. В зоне задымления концентрация продуктов горения находится в интервале от 1·10-4 до 5·10-3 кг/мі.

· Наличие конденсированной фазы обуславливает непрозрачность дыма. Степень снижения прозрачности зависит от концентрации, размера и природы частиц дисперсной фазы. Параметром, характеризующим оптические свойства дыма, является плотность задымления.

· Плотность задымления- отношение интенсивности света Iп, прошедшего через слой дыма, к интенсивности падающего света Ij. Dд = Iп/Iо.

· Содержание кислорода. В обычных условиях содержание кислорода в воздухе составляет 21% (объемный). Снижение концентрации кислорода в воздухе приводит к кислородному голоданию людей. Так, при снижении концентрации ниже 16%, работа без индивидуальных средств защиты органов дыхания невозможна.

· Токсичность продуктов горения - способность продуктов горения вызвать отравления людей, находящихся без индивидуальных средств защиты органов дыхания.

· Температура дыма. Температура продуктов горения непосредственно возле зоны горения может достигать 1000°С, но в помещениях температура дыма обычно существенно ниже. Основным фактором, влияющим на температуру дыма, являются условия газообмена. При увеличении коэффициента избытка воздуха температура продуктов горения снижается. Опасной для людей, считается температура выше 70°С. Продолжительное пребывание людей при такой температуре, связано с риском для жизни из-за перегрева организма.Стойкость дыма определяют такие параметры дымовых частиц, как:

· маленькая масса;

· высокая удельная поверхность;

· броуновское движение, в котором они находятся;

· наличие на их поверхности электрического заряда.

Продукты неполного сгорания, образующиеся при горении веществ и материалов в закрытых помещениях, при поступлении свежего воздуха могут образовывать горючую смесь. Горение при этом происходит в кинетическом режиме (взрыв).

1.2 Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ

Цель работы: Ознакомиться с классификацией процессов горения, сформировать представления про основные параметры, характеризующие пожарную опасность веществ в разных агрегатных состояниях, освоить способы определения этих параметров. Освоить расчеты необходимого количества воздуха для горения.

Расчётные формулы для расчета количества воздуха, необходимого для горения.

Для практических расчётов принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. Таким образом, объёмное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:

(1.1)

где 2, 2- это объёмное (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде.

Следовательно, на 1м3 (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76м3(кмоль) азота.

Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе можно определить, исходя из соотношения:

=

где МN2, 2-молекулярные массы соответственно кислорода и азота.

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на три типа (таблица.1.1).Индивидуальные химические соединения (метан, уксусная кислота и т.п., вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.),смесь газов (генераторный газ и т.д.)

Таблица 1.1

Тип горючих

вевеществ

Расчетные формулы

№ Формулы

Размерность

Индивидуальное

вещество

V0B =

(1.3а)

М3;

V0B =

(1.3б)

Вещества сложного состава

V0B =0,269•()

(1.4)

Смесь газов

V0B =

(1.5)

Здесь: V0B-теоретическое количество воздуха;

nr,2 2количество горючего, кислорода. и азота получаемые из уравнения химической реакции горения кмоль;

М- молекулярная масса горючего;

V0-объем 1 моля газа при нормальных условиях (22,4 м3)

C, H, S, O-весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %;

ri-коцентрация i-того горючего компонента, %;

О 2 концентрация кислорода в составе горючего газа, %об.;

2 i-количество кислорода необходимое для окисления одного i-того кмоля горючего компонента, ккмоль.

Для определенного объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются следствием из уравнения состояния идеальных газов:

= (1.6)

где, нормальное давление, Па.

температура, К.

объем воздуха при нормальных условиях;

11Т1 заданные условия горения.

Практическое количество воздуха V0 это объем воздуха, фактически поступивший в зону горения.

Отношение практического объема воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :

= (1.7)

Разность между практическим и теоретическим объемами воздуха называется избытком воздуха ?:

? (1.8)

Из (1.7) и (1.8) следует, что

?-1) (1.9)

Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

=1+ (1.10)

гдеконцентрация кислорода в составе горючего газа, % об.;

теоретический объем продуктов горения.

Для вещества, у которых объем продуктов горения равен объему израсходованного воздуха(например, горение серы и углерода),формула (1.10) упрощается:

= (1.11)

Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе, то формулу(1.10) можно записать в виде:

=1+ (1.12)

и соответственно формулу (1.11)

= (1.13),

где 2-содержание кислорода в окислительной среде, % об.

Примеры решения задач

Определить теоретическое количество воздуха, необходимого для горения 1м3 метана при нормальных условиях.

Решение: Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчета его объема надо пользоваться формулой (1.3.а). Запишем уравнение химической реакции горения СН4 в воздухе:

СН4+ 2О2+2•3,76N2=CО2+2Н2О+2•3,76N2

Из уравнения находим: no2=2; nN2=2•3,76=7,52; nCH2=1;тогда

V0B=м3/ м3 или кмоль/кмоль

Определить объем теоретического количества воздуха, необходимого для горения 1кг бензола.

Решение: горючее - индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчета по формуле (1.3.б) запишем уравнение химической реакции горения:

С2Н2+7,75O2+7,75•3,76N2=6CO2+3H2O+7,75•3,75N2 и найдем:

nО2=7,75; nN2=7,5•3,76=28,2; nr=1,

Молекулярная масса бензола М=6•12+6•1=78 объем 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22.4м3:

V0B= м3/кг

Определить объем воздуха, необходимого для горения 1кг органической массы состава: С-60%, О-25%, N-5%, W-%(влажность), если коэффициент избытка воздуха а температура воздуха 305К, давление 995ГПа.

Решение: Так как горючее вещество сложного состава, то теоретическое количество воздуха при нормальных условиях определим по формуле (1.4):

V0B=0,269()=5,9 м3/кг

Из формулы (1.7) рассчитаем практическое количество воздуха при нормальных условиях:

V0B=V0B=2,5•5,9=14,75 м3/кг

Находим количество воздуха, пошедшего на горение вещества при заданных условиях горения; используя формулу (1.6), получим:

VB(р,т)==16,8 м3/кг

Определить объем воздуха, необходимого для горения 5м3смеси газов, состоящих из 20% СН4, 10% СО, 5%N, 35%О2, если коэффициент избытка воздуха равен 1,8.

Решение: Горючее - смесь газов. Поэтому для расчета объема воздуха, пошедшего на сгорание, воспользуемся формулой (1.5). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде nо2 запишем уравнение реакции горения горючих компонентов в кислороде:

СН4+2О2=СО2+2Н2О;

С 2Н2+2,5О2=2СО2+Н2О; СО+0,5О2=СО2 тогда

V0B==5,7 м3/кг

Для горения 5м3 газовой смеси необходимый теоретический объем воздуха составит: V0B=5•5,7 =32,5 м3 Практическое количество воздуха: V0B=1,8•32,5=58,5 м3.

Определите коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1кг поступило 3 м3 воздуха.

Решение: Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.7) необходимо рассчитать его теоретическое количество. Молекулярная масса уксусной кислоты-60.

СН3СООН+2О2+2•3,76N2=2СО2+2•3,76 N2;

V0B= м3/кг

тогда коэффициент избытка воздуха равен:

Горение протекало при недостатке воздуха.

Определить объем воздуха, пошедшего на окисление 1м3 аммиака:

NН3+0,75О2 +0,75 3,76 N2=1,5Н2О+0,5N2+0,75•3,76N2,

тогда

V0B= м3/кг

Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.10) необходимо рассчитать теоретическое количество продуктов горения 1м3аммиака (см. след параграф 1.2 формула (1.14)):

V0пр= м3/кг

Определить объем окислительной среды, состоящей из 60%О2 и 40%N2,необходимый для горения 1 кг изопропилового спирта, если ее температура равна 295К, давление 620гПа.

Решение: так как окислительная среда отличается по составу от воздуха, определим по формуле (1.1) объемное соотношение кислорода и азота: 40:60+0,67

Уравнение реакции горения изопропилового спирта:

С3Н7ОН+4,5О2+4,5 0,67N2=3СО2+4Н2О+4,5?0,67 N2

Теоретический объем окислительной среды при нормальных условиях рассчитаем по формуле (1.3). Молекулярная масса горючего-60.

V0ос==2,8 м3/кг

Объем окислительной среды при заданных условиях горения определим из формулы (1.6):

V0ос(рr)= м3/кг

Определить сколько кг динитротолуола сгорело в герметичном объеме 100м3, если содержание кислорода в продуктах сгорания составило 12%.

Решение: Так как в продуктах горения содержится кислород, то горение протекало в избытке воздуха, коэффициент избытка которого определим по формуле (1.10). Для этого запишем уравнение горения:

С7Н6(NO2)2+6,5O2+6,5•3,76N2=7CO2+3H2O+N2+6,5•3,76N2

Молекулярная масса горючего-182.Теоретический объем воздуха равен:

V0B= =3,8 м3/кг

Теоретический объем продуктов горения (формула 1.14):

V0пr=4,4 м3/кг

Практический объем воздуха, пошедший на горение: VB= 2,55 •3.8=9,7 м3/кг

Тогда массу сгоревшего динитротолуола Р определим из соотношения:

Рr=, Рr==10,3 кг

Контрольные задачи

1. Определить количество (теоретическое) воздуха, необходимое для горения 1кг: метилового, этилового, пропилового и амилового спиртов. Построить график зависимости объема воздуха от молекулярной массы спирта.

2. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для горения 1м3: метана, этана, пропана, бутана и пентана. Построить график зависимости объема воздуха от положения вещества в гомологическом ряду (содержания углерода в молекуле вещества).

3. Определить теоретический объем воздуха, пошедший на горение 1кг: метана, метилового спирта. Объяснить причину влияния состава вещества на объем воздуха, требуемый для их горения.

4. Определить объем воздуха, пошедший на горение 1 кг древесины состава: С-47%, Н-8%, О-40%, W-5% если коэффициент избытка воздуха равен 2,8; давление 900ГПа, температура 285К.

5. Сколько воздуха поступило на горение 1кг углерода, если в продуктах горения содержание кислорода составило 17%?

6. Сколько воздуха требуется подать на сжигание 200м3 генераторного газа состава: СО-29%, Н2-14%, СН4-3%, СО2-6,5%, N2-45%, O2-2,5% если коэффициент избытка воздуха равен 2,5?

7. Определить количество сгоревшего толуола, кг. в помещении объемом 400м3,если после пожаре при отсутствии газообмене установлено, что содержание кислорода снизилось до 17%.

8. Сколько м3хлора поступило на горение 300м3 водорода, если в продуктах горения избыток окислителя составил80м3?

9. Определить избыток воздуха в продуктах горения газовой смеси состава: СО-15%, С4Н10-45%,О2-30%,N2-10% если коэффициент избытка равен 1,2;температура 265К; давление 850ГПа

10. Сколько м3 окислительной среды, состоящей из 50% кислорода, 50% азота, необходимо для горения 8кг этилацетата, если коэффициент избытка равен 1,2; температура 265К; давление 850 ГПа.

11. Определить коэффициент избытка окислительной среды, состоящей из 70% кислорода и 30% азота, если при горении серы содержание кислорода снизилось до 55%. Определить количество сгоревшей серы, кг, если объем помещения равен 180м3.

12. Сколько антрацита (принять, что содержание углерода равно 100%) сгорело в помещении объемом 150м3, если прекращение горения наступило при снижении кислорода до 13%, газообмен не учитывать

Домашнее задание 1

Рассчитать объем окислительной среды, м3, необходимый для горения i-того горючего вещества (таблица 1.2.).

Таблица 1.2

№

Вари-анта

Горючее

вещество

Химическая

формула

Количество

горючего вещества

Состав

окислительной

среды

Условия

горения

1

Метиловый спирт

СН4О

2кг

воздух

Т=1013ГПа

Р=300К

=3

2

Анилин

С6Н7N

1 кг

Кислород70%

Азот30%

Т=290

Р=900

=2,5

3

Смесь газов

СО-45%

N2-15%

C4H8-10%

O2-30%

1м3

Воздух

Нормальные

=2,5

4

Нитробензол

С6Н5NO2

30кг

Воздух

Т=280

Р=950

=2,5

5

Сложное вещество

С=65%

О=20%

Н=5%

S=10%

1 кг

Воздух

=1,4

Нормальные

6

Этилен

С 2Н4

5 м3

Кислород %

Азот%

Нормальные

=2,5

7

Сера

S

2 кг

Кислород %

Азот%

Т=300

Р=1200

=1,8

8

Сложное вещество

С -90%

Н-3%

N-5%

O-2%

1 кг

Воздух

Т=300

Р=950

=1,5

9

Смесь газов

СН4-15%

С3Н8-70%

О2-10%

Н2-5%

5 м3

Воздух

Нормальные

=1,9

10

Алюминий

Аl

15 кг

Кислород42 %

Азот58%

Нормальные

=2,8

11

Сплав

Мg-20%

Al-80%

1 кг

Воздух

Т=265

Р=920

=1,5

12

Муравьиная кислота

СН2О2

1 кг

Воздух

Нормальные

=1,2

13

Диметиловый

эфир

(СН3)2О

10 кг

Воздух

Т=283

Р=1016

=4,2

14

Смесь газов

Н2S-25%

SO2-15%

CO2-15%

H2-30%

O2-15%

15 м3

Воздух

Нормальные

=1,4

15

Сложное вещество

С-82%

Н-8%

W-10%

1 кг

Воздух

Т=260

Р=1100

=1,4

16

Глицерин

С3Н8О3

1 кг

Воздух

Т=305

Р=1013

=1,9

17

Ацетилен

С2Н2

1 м3

Хлор 18 %

Азот82%

Нормальные

=1,9

18

Смесь газов

СН4-30%

O2-8%

N2-15%

Н2-47%

1 м3

Воздух

Нормальные

=3,2

19

Этиловый

эфир

уксусной к-ты

С4Н8О2

1 кг

Воздух

Т=270

Р=850

=1,5

20

Метилэтил-

кетон

С4Н8О

5 кг

Воздух

Нормальные

=2,5

21

Хлорбензол

С6Н5Cl

1 кг

Воздух

Т=305

Р=1000

=2,8

22

Нитротолуол

С7Н7NO2

1 кг

Кислород25 %

Азот75%

Т=280

Р=980

=1,4

Домашнее задание 2:

Сколько воздуха требуется подать на сжигание n-го объема (м3) генераторного газа при нормальных условиях.

Таблица 1.3

№

Вар-

та

n-й объем

генераторного газа

Коэф-фициент избытка

воздуха

СО%

Н2-%

N%

O2%

CH4%

СО2%

1

200

2,5

29

14

45

2,5

3

6.5

2

500

3,2

14

29

45

3

2,5

6,5

3

450

1,8

10

30

50

2

2

6

4

368

1,7

25

35

20

5

5

10

5

400

1,9

20

45

25

5

2

3

6

800

1,5

12,5

35

12,5

12

8

10

7

1000

2,3

10

30

50

2

2

6

8

900

2,5

15

28

45

3

2,5

6,5

91

890

2.6

27

16

45

2,5

3

6.5

10

530

3.0

12,5

34,5

12,5

13

8

10

11

456

3,1

29

14

43

2,5

5

6.5

12

450

3,3

14

29

45

3

2,5

6,7

13

470

3,5

27

14

47

2,5

3

6.5

14

760

2,4

29

14

45

2,5

3

6.5

15

267

5,0

29

14,5

44

2,5

3,5

6.5

16

400

2,0

10,5

32,5

50

2

2

6

17

580

2,1

25

35

20

5

5

10

18

230

2.2

28

47

24,5

5,5

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены