Основные понятия

Краткий конспект лекций по теории горения и взрыва

Уфа 2013

Основные понятия

Горение – сложный физико-химический процесс, основой которого яв- ляется быстро протекающая химическая реакция окисления, сопровож- дающаяся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). Химическая реакция горения в большинстве случа- ев является сложной и состоит из большого числа элементарных химиче- ских процессов окислительно-восстановительного типа, приводящих к пе- рераспределению валентных электронов между атомами взаимодействую- щих веществ. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических явлений – переносом тепла и масс и, соответ- ственно, с гидро- и газодинамическими закономерностями. Согласно со- временной физико-химической теории горения, процесс горения – это ре- акции, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузион- ным ускорением [1, 2].

Различают три основных вида самоускорения химических реакций при горении: тепловое, цепное и цепочечно-тепловое (комбинированное). Дру- гими словами, горение – это экзотермическая реакция, протекающая в ус- ловиях ее прогрессивного самоускорения.

Для возникновения и протекания процесса горения необходимы сле- дующие условия:

· наличие в определенный момент в данной точке пространства горю- чего вещества, окислителя и источника зажигания;

· горючее и окислитель должны находиться в определенном количест- венном отношении;

·источник зажигания должен обладать достаточной энергией.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ все вещества и материалы по спо- собности к горению (горючести) делятся на три группы [3]:

· горючие – способные самовозгораться, а также возгораться от источ- ника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления;

· трудногорючие – способные возгораться в воздухе от источников за- жигания, но не способные гореть после его удаления;

· негорючие вещества – неспособные к горению в воздухе. Окислителями в процессах горения могут быть: кислород (воздух),

озон, перекиси, вещества богатые кислородом (нитросоединения, азотная

кислота, перхлораты), галогены. Таким образом, класс веществ, высту- пающий в качестве окислителей, весьма обширный.

В качестве горючего, способного взаимодействовать с окислителем, также могут быть многие вещества: большинство металлов в свободном виде, сера элементарная и связанная (Н2S, FeS), окись углерода, водород и огромное число органических соединений.

Однако наибольшее практическое значение в качестве окислителя при- обрел кислород (воздух), в а качестве горючего – углеводородные вещест- ва (природный газ, нефть, угли, сланцы, торф и т. п.). Процессы сжигания этих горючих в атмосфере кислорода являются и наиболее изученными.

В зависимости от количественного соотношения горючего и окислите- ля различают три разновидности горючих смесей:

· стехиометрическая смесь, которая не содержит в избытке ни горюче- го компонента, ни окислителя;

·богатая смесь, содержащая в избытке горючее;

·бедная смесь, содержащая в избытке окислитель.

Наиболее вероятные источники зажигания в условиях производства:

·открытый огонь и раскаленные продукты горения;

· нагретые до высокой температуры поверхности технологического оборудования;

·тепловое проявление механической и электрической энергии;

· тепловое воздействие химических реакций, а также результаты жиз- недеятельности микроорганизмов.

В некоторых случаях источником зажигания смеси могут служить лучи света (например, для смесей СО + Сl2; H2 + Сl2), или вода для щелочных металлов.

По внешнему виду (признаку) горение может происходить и без пламе- ни, то есть оно может быть пламенным или беспламенным (тлением).

В зависимости от агрегатного состояния исходных веществ (горючего и

окислителя) различают три вида горения:

· гомогенное (однородное) горение газо- и парообразных горючих ве- ществ в среде газообразного окислителя;

· гетерогенное (неоднородное) горение жидких и твердых горючих ве- ществ и материалов в среде газообразного окислителя или горение жидких горючих в жидких окислителях;

· горение взрывчатых веществ (переход вещества из конденсированно- го состояния в газообразное):

тротил: C7H5N3O6 ® 2,5H2O + 3,5CO + 3,5С + 1,5N2

(кислородный баланс меньше нуля);

нитроглицерин: C3H5N3O9 ® 2,5H2O + 3CO2 + 0,25O2 + 1,5N2

(кислородный баланс больше нуля).

По скорости распространения пламени горение подразделяется на три группы:

·дефлаграционное (скорость – несколько м/с);

·взрывное (скорость – несколько десятков или сотен м/с);

·детонационное (скорость – до нескольких тысяч м/с).

Для дефлаграционного горения характерна передача тепла от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой и разбавленной активными ради- калами продуктами реакции смеси, перемещается в направлении исходной горючей смеси. Это объясняется тем, что пламя как бы становится источ- ником, который выделяет непрерывный поток тепла и химически актив- ных частиц. В результате этого фронт пламени и перемещается в сторону горючей смеси.

Дефлаграцонное горение подразделяется на ламинарное и турбулент- ное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начального давления и температуры, а также кинетики химических превращений. Ско- рость распространения турбулентного пламени помимо перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и масштабов турбулентности.

Взрывное горение может быть преднамеренным или случайным (ава- рийным). Преднамеренное взрывное горение характерно для пиротехниче-

ских составов (твердые ракетные топлива, пороха). Случайное взрывное горение следует за аварийным выбросом и образованием газо-, паро- или пылевоздушной смеси при наличии источника зажигания.

Детонационное горение свойственно для бризантных взрывчатых ве- ществ, применяемых в различных отраслях промышленности (например, в горнодобывающей, строительстве) и в военном деле.

В теории горения рассматривается несколько основных типов пламен. Они неодинаковы по своему научному, практическому значению, степени изученности. Неодинаковы параметры, представляющие наибольший ин- терес для данного типа пламени. Наиболее важные для теории горения яв- ляются следующие типы пламен:

1) ламинарное пламя в гомогенной газовой смеси. К этому же типу от- носится пламя при горении летучих взрывчатых веществ;

2) ламинарное диффузионное пламя при горении струи горючего газа в окислительной атмосфере. К этому типу относится пламя при диффузион- ном горении жидкого горючего, налитого в цилиндрический сосуд, и т. п.;

3) пламя при горении капли жидкого горючего или частицы твердого горючего в окислительной атмосфере;

4) турбулентные пламена в гомогенных или в предварительно не сме- шанных газовых смесях;

5) пламя при горении нелетучих взрывчатых веществ, порохов и т. д. в тех случаях, когда существенную роль играет реакция в конденсированной фазе.

Имеется большое число промежуточных случаев, например, горение взвеси частиц твердого горючего или взвеси капель жидкого горючего в потоке газообразного окислителя (этот случай сочетает в себе признаки,

характерные для пламен типа 3 и 1 или 3 и 4). Наибольший технический интерес представляют именно промежуточные случаи.