|
|
теория горения и взрыва. Учебника для высших образовательных учреждений мчс россии Москва 2015 удк 614. 841. 41 Ббк 38. 96
Общие сведения о горении и взрыве Химическая и физическая природа горения
Горение– это сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит быстрая химическая реакция, протекающая с выделением большого количества тепла и света.
Самыми распространенными реакциями горения являются реакции взаимодействия веществ с кислородом. Например, при горении водорода происходит реакция
при горении метана
Н2 + 0,5О2 Н2О,
при горении ацетона
СН 4 + 2О 2
С3Н6O + 4О2
CO 2 2H 2О,
3CO2 3H2О.
Эти реакции относят к классу реакций окисления. Окислителем в этих реакциях является кислород, а окисляемое в реакции горения вещество называют горючим. Горючими веществами в приведенных примерах явля- ются водород, метан, ацетон. Реакции горения протекают при высоких температурах ( Т 1000 К), поэтому они происходят быстро и при наличии достаточного количества окислителя до полного окисления горючего вещества. Продуктами полного окисления углерода является СО 2, водорода – Н 2О, серы – SО 2 и т. д. Рассмотрим, чем реакция горения принципиально отличается от дру- гих реакций окисления. Известно, что окисление многих горючих веществ с заметной скоростью происходит при температурах 600–800 К. Например, метан при этих температурах окисляется до метилового спирта (СН 3ОН), который в дальнейшем может окисляться до альдегида (СН 2О), а альдегид до муравьиной кислоты (НСООН). Все эти реакции экзотермические (про- исходят с выделением тепла). Однако скорость выделения тепла в такой реагирующей смеси недостаточна для поддержания температуры реакции. Поэтому для того, чтобы в такой системе происходило окисление, реаги- рующую смесь необходимо подогревать, т. е. сообщать ей дополнительное количество тепла. Если этого не сделать, то температура реагирующей смеси вследствие теплопотерь понизится до температуры окружающей среды (300 К) и реакция окисления прекратится. Если же эту систему (смесь метана с воздухом) нагреть до температуры 810 К, то произойдет резкое ускорение химической реакции, температура смеси повысится до 1500–2000 К и в ней возникнет качественно другая реакция – реакция
горения, которая будет протекать с большой скоростью и образованием продуктов полного окисления. При полном окислении горючего вещества выделяется максимальное количество теплоты, а высокая скорость хими- ческой реакции обеспечивает интенсивное тепловыделение и поддержание в системе высокой температуры. В этом случае реакционную смесь больше подогревать не нужно, собственного тепла достаточно для нагревания этой системы до температуры, при которой происходит химическая реакция го- рения (1500–2000 К).
Таким образом, реакция горения, однажды возникнув, в дальнейшем спо- собна сама себя поддерживать. Именно это является отличительной особенно- стью реакций горения, их фундаментальным свойством. Именно с этим свой- ством реакций горения связана способность пламени самопроизвольно распространяться по смеси горючего с окислителем. Пламя, являющееся зоной химических реакций горения, будет существовать до тех пор, пока обеспечи- вается поступление в эту зону свежих порций горючего и окислителя.
Горение веществ может происходить не только при их взаимодей- ствии с кислородом, но и при взаимодействии с другими окислителями, такими как хлор, фтор, окислы азота.
Например, водород и многие углеводороды хорошо горят в атмосфере хлора. При горении водорода происходит реакция образования хлористого водорода:
H2 Cl2 2HCl .
Горение в хлоре сопровождается меньшим тепловыделением и проис- ходит с меньшей скоростью, чем в кислороде.
Реже встречается такое горение, при котором происходит превраще- ние одного вещества. Примером тому может служить взрывное разложе- ние ацетилена:
СН СН 2С (сажа) + Н2.
К такому же типу реакций можно отнести горение пороха и некото- рых твердых ракетных топлив.
Специалистам, работающим в области пожарной безопасности, при- ходится в основном иметь дело с горением в атмосфере воздуха, где окис- лителем является кислород. Именно реакция горючего вещества с кисло- родом лежит в основе процесса горения, который происходит на пожаре.
Горение в воздухе
В воздухе содержится 21 % (об.) кислорода, 78 % (об.) азота и около 1 % (об.) аргона и других инертных газов. Если инертные газы условно объединить с азотом, то можно принять, что воздух состоит только из кис- лорода – 21 % (об.) и азота – 79 % (об.).
При горении веществ в воздухе азот играет роль инертного разбавите- ля, который уменьшает скорость и температуру горения. Под температу- рой горения понимают максимальную температуру газовой среды в зоне химических реакций, т. е. в зоне, где и происходит выделение тепла и све- та. Эту светящуюся зону, где протекает химическая реакция горения, называют пламенем.
В табл. 1.1 приведены максимальные значения температур пламени, измеренные при сгорании веществ в смеси с кислородом и воздухом.
Таблица 1.1
Температура горения различных веществ
Горючее вещество
|
Температура пламени, °С*
|
горение в кислороде
|
горение в воздухе
|
Водород Н2
|
2660
|
2045
|
Метан СН4
|
2930
|
1875
|
Ацетилен С2Н2
|
3137
|
2325
|
*В книге: ПохилП.Ф. Физика взрыва. – Изд-во АН СССР, 1953.
При температурах горения, которые характерны для смесей горючего вещества с воздухом, азот не окисляется в пламени до окислов, т. е. уча- стие в химических превращениях не принимает. При горении в воздухе происходит лишь образование продуктов реакции окисления горючего ве- щества. Однако при составлении материального баланса процесса горения в уравнение для удобства выполнения некоторых расчетов (для определе- ния количества воздуха, необходимого для горения, объема продуктов го- рения, температуры горения) записывают и азот. Так как на 1 кмоль кис- лорода в воздухе приходится 79 : 21 = 3,76 кмоль азота, то в уравнении материального баланса процесса горения перед азотом ставят коэффици- ент 3,76. Например, при горении метана в воздухе уравнение горения за- пишется в следующем виде:
СН4 + 2О–2 +–2·3–,7–6N2 СО2 + 2Н 2О + 2·3,76N2 .
воздух
Уравнивая правую и левую часть, необходимо перед азотом дополни- тельно поставить такой же коэффициент, как и перед кислородом. Это означает, что если для горения будет взято кислорода в два раза больше, то вместе с ним в зону горения в два раза больше попадет и азота.
Итак, в основе процесса горения лежит химическое превращение одних веществ в другие, происходящее с большим выделением тепла. Интенсивное тепловыделение и образование новых химических веществ приводит к появлению больших пространственных неоднородностей – температурных и концентрационных полей с высокими градиентами тем- пературы (dT/dx) и концентраций (dс/dx). Эти неоднородности вызывают
мощные физические процессы тепло- и массопереноса. Из высокотемператур- ной зоны горения тепло излучается в окружающее пространство и по меха- низму теплопроводности передается близлежащим слоям газа. Разогретые до высокой температуры газообразные продукты, имея меньшую плот- ность, поднимаются вверх, образуя конвективные потоки. Таким образом, передача тепла из зоны горения происходит всеми возможными механиз- мами: излучением, теплопроводностью и конвекцией. Конвективными потоками осуществляется не только перенос тепла, но и перенос массы. Разогретые продукты горения, поднимаясь вверх, обеспечивают также приток свежего вещества к зоне горения. Такой перенос массы называют конвективнойдиффузией. Конвективная диффузия играет чрезвычайно важную роль на пожаре, особенно в случае горения жидких и твердых ве- ществ. Конвективные потоки в основном определяют интенсивность горе- ния, формируют размеры, форму пламени, его температуру.
В процессах горения большое значение имеет и молекулярная диффу- зия, скорость которой пропорциональна градиенту концентрации вещества. Молекулярная диффузия наряду с теплопроводностью имеет решающее значение в процессе распространения горения.
|
|
|
Скачать 178.42 Kb.