Вопрос № 1. Химические и физические процессы, протекающие при горении (55 мин.)

(Повторение лекционного материала).

В пламени одновременно протекают химические и физические процессы, между которыми существуют определенные причинно-следственные связи.

К химическим процессам в пламени относятся:

на подходе к зоне горения:

- термическое разложение исходных веществ с образованием более легких продуктов (водорода, оксидов углерода, простейших углеводородов, воды и т.д.);

во фронте пламени:

- термоокислительные превращения с выделением теплоты и образованием продуктов полного (диоксида углерода и воды) и неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.);

- диссоциация продуктов горения,

- ионизация продуктов горения.

К физическим процессам в пламени относятся:

- тепломассоперенос во фронте пламени;

- процессы, связанные с испарением и доставкой летучих горючих веществ в зону горения.

Скорость переноса (диффузии) веществ имеет решающее значение, например, в неоднородных системах, где она гораздо меньше скорости химических реакций окисления. Соотношение скорости химических превращений и физических процессов определяет режим процесса горения.

Полное время горения t_г, складывается из длительности физических и химических процессов:

= +

Кинетический режим горения характеризуется длительностью

t_г» t_х, поскольку в этом случае физических процессов подготовки (перемешивания) не требуется, т.е. t_ф» 0

Диффузионный режим горения, наоборот, зависит в основном от скорости подготовки однородной горючей смеси, т.е. длительность его

t_г» t_ф. В этом случае t_ф >> t_х, и поэтому последним можно пренебречь.

Если t_ф» t_х, т.е. они соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области.

Вспомним, что для процесса горения необходимы горючее вещество, окислитель и источник тепла (зажигания).

Горючие вещества и материалы классифицируют по химической природе, происхождению, агрегатному состоянию, дисперсности и т.д.

По химической природе горючие вещества и материалы подразделяются на два основных класса: органические и неорганические (рис.1.). Такое подразделение весьма условно, поскольку 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 и материалы представляют собой все простые и сложные вещества неорганической природы, способные к реакциям горения. По современной химической классификации это металлы и неметаллы, 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.

Рис. 1. Классификация горючих веществ и материалов.

Все индивидуальные вещества могут быть охарактеризованы коэффициентом горючести.

Коэффициент горючести К является безразмерным коэффициентом и служит для определения горючести вещества. Рассчитанный коэффициент горючести может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества, а также величины нижнего концентрационного коэффициента распространения пламени.

Коэффициент горючести рассчитывается по следующей формуле:

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 К больше единицы (К ³ 1), то вещество является горючим; при значении К меньше единицы (К < 1) – вещество негорючее.

Расчет коэффициента горючести

Пример 1. Рассчитать коэффициент горючести анилина С₆Н₅NH₂ и хлорной кислоты HClO₄.

Решение:

1. В молекуле анилина

n(C) = 6; n(Н) = 7; n(N) = 1;

К = 4 × 6 + 7 + 1 = 32

К > 1, следовательно, анилин – горючее вещество.

2. В молекуле хлорной кислоты

n(Н) = 1; n(Cl) = 1; n(О) = 4;

К = 1 – 2 × 4 – 2 × 1 = - 9

К < 1, хлорная кислота – негорючее вещество.

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 - 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.

Состав продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

Элементы, входящие в состав горючего вещества	Продукты горения
Углерод С	Углекислый газ СО₂
Водород Н	Вода Н₂О
Сера S	Оксид серы (IV) SO₂
Азот N	Молекулярный азот N₂
Фосфор Р	Оксид фосфора (V) Р₂О₅
Галогены F, Cl, Br, I	Галогеноводороды HCl, HF, HBr, HI

Составление уравнений реакций горения в воздухе

Пример 2. Составить уравнение реакции горения в воздухе водорода Н₂, анилина С₆Н₅NH₂, пропанола С₃Н₇ОН, угарного газа СО, хлорметана СН₃Сl, диэтилтиоэфира (С₂Н₅)₂S, диметилфосфата (СН₃)₂НРО₄.

Решение:

Составление реакций горения веществ в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 2000⁰С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Горение водорода в воздухе

Н₂ + 0,5(О₂ + 3,76N₂) = Н₂О + 0,5×3,76N₂b = 0,5.

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом

b = 0,5 необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.

Горение пропанола в воздухе

С₃Н₇ОН + 4,5(О₂ + 3,76N₂) =3СО₂ + 4Н₂О +4,5×3,76N₂

b = 4,5.

В составе горючего есть кислород, поэтому расчет коэффициента b проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9: 2 = 4,5.

Горение анилина в воздухе

С₆Н₅NН₂ + 7,75(О₂ + 3,76N₂) =6СО₂ + 3,5Н₂О + 0,5N₂+7,75×3,76N₂

b = 7,75.

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.