теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
 Скачать 2.36 Mb.
|
УДК 614 Б БК я ТЗЗ Рецензенты-. Христофоров Е. Н. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии Брянской государственной сельскохозяйственной академии; кафедра радиационной экологии и безопасности жизнедеятельности Брянской инженерно-технологической академии заведующий кафедрой — доктор технических наук, профессор БуглаевА. М.). Теория горения и взрыва : учебники практикум / О. Г. Каза- ТЗЗ ков и др ; под общ. ред. А. В. Тотая, О. Г. Казакова — е изд, перераб. и доп. — М .: Издательство Юрайт, 2013. — 295 с. — Серия Бакалавр. Базовый курс В учебнике рассматриваются процессы неуправляемого горения и взрыва с позиции физико-химических законов. Изложены механизмы возникновения, распространения и прекращения горения, теории цепного, теплового и детонационного взрыва. Описаны положения по механическому действию взрыва. Даны характеристики основных взрывчатых веществ, выпускаемых промышленностью, количественные характеристики процессов, позволяющие определить критические параметры. Рассмотрены примеры решения задач по основным разделам книги. Даны задания для самостоятельной работы студентов. Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения. Для студентов, обучающихся по программе бакалавриата направления «Техносферная безопасноть». УДК 614 Б БК я 978-5-9916-2414-5 © Коллектив авторов, 2013 © ООО Издательство Юрайт», 2013 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие..................................................................................6 Основные обозначения. Глава 1. Возникновение процессов горения 1.1. Описание процессов горения с позиции молекулярно-кинетической теории газов И. Общие положения теории о процессах самовоспламенения. 16 1.3. Цепной механизм самовоспламенения реакционных смесей. 19 1.4. Тепловое самовоспламенение 1.5. Температура самовоспламенения и ее зависимость от природы горючего 1.6. Самовоспламенение гетерогенных систем 1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей. 34 1.8. Концентрационные пределы зажигания газопаровоздушных смесей. Контрольные вопросы и задания. Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел. Виды и режимы распространения горения 2.2. Материальный и тепловой балансы процессов горения. 62 2.3. Тепловая и диффузионная теории распространения пламени по газообразным смесям 2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости. Влияние внешних условий на скорость распространения пламени 2.5. Горение и выгорание твердых веществ. Контрольные вопросы и задания...........................................117 Глава 3. Прекращение и предотвращение процессов горения. 118 3.1. Тепловая теория прекращения горения. 118 Оглавление 5 Глава 7. Практикум по теории горения и взрыва. 251 7.1. Расчет количества воздуха, необходимого длят реп и я веществ им ат ер и а лов. Индивидуальное химическое соединение. 251 7.1.2. Сложная смесь веществ. Задачи для самостоятельного решения. 253 7.2. Расчет объема и состава продуктов горения. 254 7.2.1. Индивидуальное химическое соединение. 254 7.2.2. Сложная смесь химических соединений. 256 7.2.3. Смесь газов. Задачи для самостоятельного решения. 259 7.3. Концентрационные и температурные пределы воспламенения. 262 7.3.1. Концентрационные пределы воспламенения. 262 7.3.2. Температурные пределы воспламенения жидкостей. 262 7.3.3. Задачи для самостоятельного решения. 263 7.4. Теплота и температура горения. 264 7.4.1. Теплота горения. 264 7.4.2. Температура горения. 266 7.4.3. Задачи для самостоятельного решения. 268 7.5. Расчет избыточного давления при взрыве газопаровоздушных, пылевоздушных, газовоздушных смесей и конденсированных взрывчатых веществ 7.5.1. Взрывы газовоздушных смесей в открытом пространстве. 271 7.5.2. Взрывы пылевоздушных смесей в производственных помещениях. Взрывы газопаровоздушных смесей в помещениях. 274 7.5.4. Взрывы конденсированных взрывчатых веществ. Взрывы на магистральных газопроводах. Задачи для самостоятельного решения. Приложение. Список использованной литературы ПРЕДИСЛОВИЕ Непрерывный рост промышленного производства повышает уровень его негативного воздействия на окружающую среду, увеличивает вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера, связанных с пожарами и взрывами, например, на атомных электростанциях, объектах химической, нефтяной и газовой промышленности, что может нанести не только большой прямой ущербно и многократно превышающий его — косвенный. «Теория горения и взрыва — учебная дисциплина, которая входит в базовую часть математического и естественнонаучного цикла (ФГОС ВПО-3) для бакалавров и является одной из основополагающих дисциплин, способствующих формированию у студентов знаний в области физико химических процессов и навыков технического мышления по предотвращению и прекращению чрезвычайных ситуаций, связанных с пожарами и взрывами. В результате изучения дисциплины Теория горения и взрыва бакалавр должен: знать • основы молекулярно-кинетической теории газов; • общие положения теории воспламенения горючих сме сями; • особенности тепловой и диффузионной теории распространения пламени по газообразным смесям; • особенности распространения горения по поверхности жидких и твердых веществ; • основы тепловой теории прекращения горения; • особенности теорий цепного, теплового и детонационного взрывов; • механизм перехода горения газопаровоздушных смесей в детонацию; умет ь • анализировать влияние ряда факторов на скорость распространения пламени по газообразным, жидкими твердым горючим веществам Предисловие 7 • определять влияние геометрии заряда и его расположения на избыточное давление, рассчитывать импульс ударной волны; владеть • методами качественной оценки температурных икон центрированных пределов горючих систем; • основными методами по предотвращению и прекращению процессов горения; • способами количественной оценки механического воздействия воздушной ударной волны Основные обозначения А т — удельная работа разрушения а Ь — порядок реакции по горючему и окислителю В — толщина пробиваемого слоя с — скорость звука Су, Сэ, Ср, — теплоемкость удельная, эффективная дисперсной фазы, молярная С — концентрация Е.йШ, Езаж, Ек , Еэ — энергия активации, зажигания, критическая, электрическая h — высота пламени г з — глубина заложения заряда / т — удельный испульс ударной волны тротила k — степень жесткости взрывных газов Кудельный расход взрывчатого вещества К п — коэффициент поверхности горения Ку — удельный расход удлиненного заряда Ks — коэффициент взрывоопасности пыли /ср — длина углеводородной цепи L — толщина горючей смеси L3 — длина заряда LK — длина кумулятивной струи ЬТ — масштаб турбулентности m — масса заряда п, щ — число активных центров, углеводородных цепей п — число молекул кислорода Р, Рнп, Рф — давление внешнее, насыщенных паров избыточное давление фронта ударной волны, дл, qT0 — интенсивность тепловыделения, лучистого теплового потока, теплоотвода — интенсивность теплоотдачи за счет конвекции О» Q:r.uv Qu> Qn.r> Gnoi- Qhcx- Q v Qhctt Qt ТвПЛОТа: ХИМИЧв- ской реакции, запасенная в прогретом слое вещества, реакции горения (низшая, продуктов горения, потерь, исходных веществ, г-го компонента, испарения, взрыва тротила Основные обозначения 9 г0, г, гв, гк, гпл, гс — радиус заряда расстояние до центра взрыва радиус воронки, объема воздуха с массой заряда, полости, опасного сейсмического действия взрыва R — универсальная газовая постоянная з — радиус зоны разрушения R3KB — радиус разогретого объема газа — площадь фронта ударной волны Sv Sw S.n S q — площадь горения, проекции зоны горения, при крупномасштабной турбулентности, ламинарно движущейся смеси Т, Тг, Ттз, Тсв, 7’в(н), Тст, Тси, Т — температура термостата, горения, газа, самовоспламенения, верхнего и нижнего пределов воспламенения, стенки, смеси, лучеиспускания гр гт-т rri гт1 m rp rr-i ггт гт-т возд’ вс’ -'заж ’ -* е кип ■* стх’ -п т ’ ^п.г> ф температура воздуха, вспышки, зажигания, взрыва, кипения, стехиометрическая потухания, продуктов, горения, у фронта детонационной волны, UT — удельная энергия взрыва, взрыва тротила V. Vb, V^o), K (C)(H)(S), Vn.r, - объем сосуда, воздуха, воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода, количество воздуха, необходимое для горения единицы массы соответствующего элемента объем продуктов горения, горючего вещества, Wv WK, Wp, Wc p, W7,, Wy, — скорость волны детонации, горения, кумулятивной струи, разряжения, реакции, турбулентного горения, воздушной ударной волны, за фронтом волны , Wrjl, WrM, WH, WCM — скорость движения газов, горения линейная, горения массовая, горения по нормам к поверхности горения, движения смеси, Wr м т, Wn с — скорость газоотвода, горения при мелкомасштабной турбулентности, пульсационная W — влажность а в — коэффициент избытка воздуха а пр — коэффициент теплоотдачи Рп — коэффициент полноты сгорания б, ПЛ, Пс толщина приграничного слоя, фронта пламени, прогретого слоя е — степень черноты А. — теплопроводность ц — молярная масса Ъ, — относительная деформация грунта Основные обозначения р0, ргр, рп, рпр — плотность смеси, горючего, породы, преграды ст — постоянная Стефана — Больцмана т тинд> ХВ’ тг.в> тнр> тсп> Ттш — время реакции, индукционное, воспламенения, гетерогенного воспламенения, нарастания, спада, тушения Фн(В) — нижний и верхний концентрационные пределы X — коэффициент теплопередачи Глава 1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ После изучения этой главы студент должен: знать • механизм процесса горения с позиции молекулярно-кинетической теории газов; • цепной и тепловой механизмы самовоспламенения; • сущность механизма самовоспламенения гетерогенных смесей; • принципиальные различия механизмов самовоспламенения и целенаправленного зажигания горючих смесей; уметь • определять предельные температурные и концентрационные условия самовоспламенения и зажигания; владеть • анализом по влиянию ряда факторов мощности источника зажигания, давления, природы горючего вещества, скорости потока смеси, площади нагретой поверхности, концентрации флегматизатора и его природы — на температурные и концентрационные пределы зажигания. Описание процессов горения с позиции молекулярно-кинетической теории газов С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения материи химические реакции между двумя компонентами, находящимися в газовой фазе, следует рассматривать как взаимодействие молекул реагирующих газов, например взаимодействие молекул горючего — это может быть водород Нс молекулами окислителя 0 2. Известно, что межмолекулярное взаимодействие, те. взаимное притяжение и отталкивание молекул, находящихся в непрерывном хаотическом тепловом движении, возможно только при почти полном их сближении, которое можно рассматривать как соударение. Без соударения молекул невозможно какое- либо их взаимодействие, а тем более химическая реакция, связанная с разрывом существующих в молекуле связей между атомами, их перераспределением и т.д. Следова Глава 1. Возникновение процессов горения тельно, химической реакции взаимодействия горючего с окислителем должны предшествовать процесс смешения горючего с окислителем и физический акт сближения молекул горючего и окислителя, рассматриваемый как упругое соударение молекул. Исследования показывают, что в смеси водорода скис лородом Н 2 + 0 2, находящейся при комнатной температуре и атмосферном давлении, число соударений молекул Низа св см составляет Z = 8,3 • 1028 см с. Если бы все соударения были эффективны, те. приводили к химическому взаимодействию, то вся смесь прореагировала бы за малое время (примерно 1 • 107 с, так как в этом объеме число молекул водорода равно 1,7 Молекулы, обладающие необходимым запасом энергии, достаточным для разрыва или ослабления существующих связей, называют активными молекулами или активными центрами химических реакций Разность между средним уровнем запаса энергии молекулы в активном (возбужденном состоянии) и средним уровнем энергии молекулы, находящейся в нормальном, те. неактивном, невозбужденном состоянии, называется энергией активации EaKT. Чем выше значение £ акт, тем труднее заставить молекулы разных компонентов вступить в химическую реакцию. Поэтому величина энергии активации является косвенным показателем степени пожарной опасности данного вещества. Прочность химических связей находится в пределах сотен килоджоулей на моль (400—700 кДж моль, а энергия (средняя) теплового движения молекул — в пределах единиц килоджоулей на моль (R T « 2,5 кДж/моль). Получается, что разрушения существующих связей не должно происходить. Однако химические реакции протекают, и с повышением температуры скорость их возрастает по экспоненциальному закону. Это свидетельствует о том, что в реакционной смеси имеются частицы с достаточно высокими энергиями Е > Еаш). Они могут образоваться в результате взаимодействия частиц, при котором происходит обмен энергией. Поскольку частиц в единице объема много, то существует вероятность того, что большое число частиц передает энергию какой-нибудь одной. Таким образом, смеси состоят из частиц с разной энергией (рис. Согласно законам статистической физики (в частности, в соответствии с законом Больцмана) доля молекул, име- 1.1. Описание процессов горения с позиции. теории газов Рис. 1.1. Закон распределения частей энергии Максвелла - Больцмана N — концентрация частиц Е -^акт ющих энергию, близкую к Еаш, равна е RT . Распределение энергии между хаотически движущимися молекулами подчиняется статистическому закону Максвелла — Больцмана распределения скоростей молекул в газе Поскольку при комнатной температуре доля возбужденных молекул ничтожном ала, точи сл о эффективных соударений эфф * акт будет мало примерно, особенно при достаточно большом значении £ акт (примерно 100— 200 кДж/моль), как это наблюдается для реакции горения. Поэтому и химической реакции не происходит. При повышении температуры доля активных молекул существенно возрастает при нагревании до 500 Кв раза при нагревании от 500 до 1000 К — более чем в 1 млрд раз. Время полного реагирования водорода с кислородом при температуре Т « 1000 К составляет примерно 1 с, так как число атомов водорода в 1 см равно 1 • 1019. Если два вещества-реагента, например горючее и окислитель условно Аи Б, вступают в реакцию, в результате которой образуются два новых вещества — продукты горения условно Ми Ни возникает какой-то тепловой эффект ±Q, то можно записать A + B = M + H ± Q В этом уравнении знак перед Q означает (+ ) — экзотермическую или ( - ) — эндотермическую реакции Как известно, реакции горения, как правило, экзотермичны. Если концентрация реагентов и продуктов горения соответственно равны СА, СБ, См Сн, то скорость химических Глава 1. Возникновение процессов горения реакции можно выразить через скорость превращения исходных компонентов смеси или, наоборот, через скорость возникновения новых веществ — продуктов реакции. Если изменение концентрации С того или иного вещества в рассматриваемом объеме происходит только в результате химической реакции, то ее скорость определяется по формуле = ^ - . ( 1.1) ах Используя концентрацию исчезающих реагентов (горючего и окислителя, скорость реакции можно записать dC в виде W = — = ---- -S-, а используя концентрацию образующихся веществ (которая возрастает) — в виде W = ..= dCn - —-— . 1 ак как реакции горения обратимы только в тео- ят рии и при пожаре образуются продукты горения и выделяется тепло, количество которого определяется количеством прореагировавших веществ, то скорость реакции является одновременно и показателем скорости тепловыделения при горении = = ах ах Скорость протекания химических реакций горения зависит от температуры, вида реагентов, концентрационного состава смеси и давления. Реакции горения практически можно считать необратимыми в реальных условиях. Обратимая реакция диссоциации может протекать только при очень высоких температурах. Существует несколько типов необратимых реакций. Отличаются они порядком, под которым понимают число молекул, сталкивающихся между собой одновременно водной точке пространства. • Первый вид необратимых реакций — мономолекулярные А = МН, или реакции первого порядка К ним относятся реакции разложения, когда сложная молекула вещества А распадается на две молекулы Ми Н (или более. Например, так идет реакция разложения озона Оэ или распад ацетилена С2Н 2. 1.1. Описание процессов горения с позиции. теории газов Второй вид необратимых реакций — бимолекулярные А + Б = МН, или реакции второго порядка которые происходят лишь при соударении двух различных молекул Аи Б, например реакция окисления водорода Н + 0 Третий вид — тримолекулярные реакции А + Б + Ф = = МН+ или реакции третьего порядка те. такие реакции, которые протекают лишь при одновременном соударении трех молекул. Реакции более высокого порядка считаются невероятными, так как согласно молекулярно кинетической теории газов одновременное соударение четырех молекул определенного вида считается маловеро ятным. Используя основной закон химии — закон действующих масс, кинетические уравнения, характеризующие скорость течения реакции, можно записать в виде мономолекулярные реакции = kCA; — бимолекулярные реакции w = kcAcB-, — тримолекулярные реакции = kCACBC0 Зависимость скорости химической реакции от концентрации и температуры может быть записана в виде яА + ЬЪ —> тМ + Факт где СА, Съ — концентрации реагентов а, b — показатели порядка реакции. Скорости химических реакций и самого процесса горения зависят от кинетики химических реакций, поэтому сам процесс горения называется кинетическим. С корость протекания химической реакции зависит не только от температуры, но и от давления в зоне реакции и состава смеси. Работников пожарной охраны интересуют, как правило, процессы горения, происходящие при нормальном атмосферном давлении. Однако необходимо заметить, что в физике горения установлено, что скорость химических реакций пропорциональна давлению в степени порядка реакции Глава 1. Возникновение процессов горения реакц исход рость Если в pact хими муле 14_____ И' чего в вщ зуюи _ d C d- рии ется про} одн< при ( зав! ног< 1 М Ы ! цго тур От. M O в о, НЫ1 О Т ! вел На па. Общие положения теории о процессах самовоспламенения В физике горения различают две причины возникновения процесса горения самовоспламенение и вынужденное (принудительное) воспламенение, которые иногда для краткости называют воспламенением и зажиганием. На практике чаще встречается вторая причина, те. вынужденное воспламенение — зажигание. При рассмотрении условий возникновения реальных процессов горения анализ следует проводить на термодинамическом уровне, позволяющем установить количественные закономерности, связывающие между собой параметры горючей смеси и условий воспламенения. Процесс самовоспламенения горючей смеси является наиболее научно разработанными легко описывается математически. Поэтому сего рассмотрения обычно начинают изучение вопросов возникновения процессов горения. В основе процесса самовоспламенения горючих смесей лежит особенность кинетики химических реакций окисления неравномерность изменения скорости протекания этих реакций в зависимости от изменения условий, при которых они реализуются. В химической кинетике различают два типа реакций медленно развивающиеся во времени (спокойный тип) при изменении условий протекания и взрывообразно изменяющие скорость течения при самом незначительном изменении какого-либо из определяющих (лимитирующих) условий. Взрывообразное изменение скорости течения реакции сопровождается иногда неожиданными проявлениями в виде вспышек, звуковых эффектов, скачкообразного роста давления или температуры в зоне реакции. Отличительные особенности течения реакций спокойного типа легко определяются при сравнении рис. В процессе реакции спокойного типа концентрация реагентов постепенно снижается, что приводит к уменьшению скорости реакции. При повышении температуры реагирующей смеси происходит плавное увеличение скорости реакции (для реакций, показанных на рис. 1.3, скорость реакции возрастает примерно вдвое на каждые С повышения температуры). В отличие от реакций спокойного типа реакции взрывного характера, наоборот, практически не проте- 1.2. Общие положения теории о процессах самовоспламенения 17 Рис. 1.2. Изменение концентрации реагентов во времени: т , < т 2 < г3 Рис. 1.3. Изменение скорости реакции во времени Рис. 1.4. Изменение скорости реакции взрывного типа во времени: т ияд индукционный период (время, в течение которого скорость реакции меняется незначительно Теория горения и взрыва 1В |
Контрольные вопросы и задания. Глава 4. Формы взрывчатых превращений. Общая характеристика взрывчатых веществ. 138 4.2. Классификация взрывчатых процессов. 140
4.2.1. Цепной взрыв. 141
4.2.2. Тепловой взрыв. Основные положения теории детонации 4.3. Факторы, влияющие на скорость и устойчивость детонации зарядов взрывчатых веществ. 153 4.4. Переход горения газопаровоздушных смесей во взрыв..........................................................................158
Контрольные вопросы и задания...........................................161
Глава 5. Механическое действие взрыва. Механическое действие взрыва в воздухе 5.2. Механическое действие взрыва вводе. Механическое действие взрыва в твердой среде. 194 5.4. Взрывы газопаровоздушных и пылевоздушных смесей в закрытом помещении и открытом пространстве. Взрывы газопаровоздушных смесей. 208
5.4.2. Взрывы пылевоздушных смесей. Контрольные вопросы и задания...........................................223
Глава 6. Промышленные взрывчатые вещества. Классификация промышленных взрывчатых веществ 6.2. Физико-химические характеристики взрывчатых веществ 6.3. Основные компоненты конденсированных взрывчатых веществ 6.4. Инициирование взрыва промышленных взрывчатых веществ......................................................245
Контрольные вопросы и задания. 250