Химическое горение. Общие сведения о горении
| Введение……………………………………………………………………….. | ||
| Горение……………………………………………………………… | ||
| 1.1 | Общие сведения о горении…………………………………………. | |
| 1.2 | Процесс горения………………………………………………….… | |
| 1.3 | Расход воздуха при горении………………………………………… | |
| 1.4 | Температура горения………………………………………………… | |
| 1.5 | Диффузионное пламя………………………………………………. | |
| 1.6 | Тепловая теория горения…………………………………………… | |
| 1.7 | Цепная теория горения…………………………………………….. | |
| 1.8 | Горение газовых смесей……………………………………………. | |
| 1.9 | Горение жидкостей………………………………………………… | |
| 1.10 | Горение твердых веществ………………………………………….. | |
| 1.10.1 | Горение металлов…………………………………………………... | |
| 1.10.2 | Горение пластмасс…………………………………………………. | |
| 1.11 | Контрольные вопросы …………………………………………….. | |
| Пожароопасные свойства веществ и материалов………………... | ||
| 2.1 | Горючие газы……………………………………………………….. | |
| 2.2 | Горючие жидкости…………………………………………………. | |
| 2.3 | Твёрдые горючие вещества………………………………………... | |
| 2.4 | Самовозгорание…………………………………………………….. | |
| 2.4.1 | Вещества, самовозгорающиеся под действием воздуха…………. | |
| 2.4.1.1 | Масла и жиры………………………………………………………. | |
| 2.4.1.2 | Каменный уголь и торф …………………………………………… | |
| 2.4.1.3 | Растительные материалы…………………………………………... | |
| 2.4.1.4 | Неорганические вещества ………………………………………… | |
| 2.4.2 | Вещества, самовозгорающиеся под действием воды……………. | |
| 2.4.3 | Вещества, самовозгорающиеся под действием окислителей…… | |
| 2.5 | Воспламеняемость аэрозолей……………………………………… | |
| 2.6 | Определение температуры вспышки и воспламенения расчетным методом……………………………………………………….. | |
| 2.6.1 | Расчет температуры вспышки индивидуальных веществ в закрытом тигле ………………………………………………………. | |
| 2.6.2 | Расчет температуры вспышки смесей горючих жидкостей в закрытом тигле……………………………………………………….. | |
| 2.6.3 | Расчет температуры воспламенения……………………………… | |
| 2.7 | Контрольные вопросы ……………………………………………. | |
| Способы и средства тушения пожаров…………………………… | ||
| 3.1 | Контрольные вопросы……………………………………………... | |
| Врыв………………………………………………………………… | ||
| 4.1 | Физические взрывы и их характеристика………………………… | |
| 4.2 | Взрывчатые вещества……………………………………………….. | |
| 4.3 | Кислородный баланс…………………………………………………. | |
| 4.4 | Чувствительность взрывчатых систем к внешним воздействиям.. | |
| 4.4.1 | Чувствительность взрывчатых систем к тепловому воздействию…. | |
| 4.4.2 | Чувствительность взрывчатых систем к механическим воздействиям………………………………………………………….. | |
| 4.4.3 | Чувствительность взрывчатых систем к электрическому импульсу и взрыву инициирующих взрывчатых веществ…….………….. | |
| 4.5 | Способы взрывания………………………………………………….. | |
| 4.5.1 | Огневой способ взрывания………………………………………….. | |
| 4.5.2 | Электроогневой способ взрывания…………………………………. | |
| 4.5.3 | Взрывание детонирующим шнуром……………………………... | |
| 4.5.4 | Электрический способ взрывания………………………………….. | |
| 4.6 | Средства взрывания………………………………………………….. | |
| 4.7 | Расчет скорости ударной волны…………………………………….. | |
| 4.8 | ||
| Детонация…………………………………………………………….. | ||
| 5.1 | Особенности распространения детонации в смесевых системах…………………………………………………………………….. | |
| 5.2 | Распространение детонации в конденсированных взрывчатых веществах…………………………………………………………. | |
| 5.3 | Передача детонации через различные среды………………………. | |
| 5.3.1 | Бризантность взрывчатых веществ………………………………… | |
| 5.4 | Кумуляция……………………………………………………………. | |
| 5.5 | Контрольные вопросы………………………………………………. | |
| Моделирование пожаров и взрывов………………………………... | ||
| 6.1 | Динамика опасных факторов пожара в протяженных помещениях……………………………………………………………………… | |
| 6.2 | Моделирование пожаров на складах лесоматериалов…………….. | |
| 6.3 | Моделирование взрывов…………………………………………….. | |
| 6.4 | Контрольные вопросы | |
| Фонд контрольных заданий ………………………………………………….. | ||
| Список использованных источников ………………………………………... | ||
| Основные термины и определения ………………………………………… | ||
Введение
Пожарная и взрывная опасность веществ и материалов - близкие характеристики. Различие между характеристиками заключается в скорости распространения пламени, которая для взрывных процессов значительно выше, чем при пожаре. И чем выше скорость распространения пламени, тем более опасно взрывное горение. Значительное количество новых веществ и материалов, ежегодно вводимых в сферу производственной деятельности в нашей стране, пожаровзрывоопасно.
Активное изучение горения и взрывов началось в конце XIX века и продолжается до нашего времени. Это связано с появлением двигателей внутреннего сгорания, с развитием внутренней баллистики артиллерийских орудий и взрывного дела, а в последнее время с широким внедрением в технику реактивных двигателей.
На раннем этапе развития теории горения отметим имена В.А. Михельсона (СССР), Бертло, Жуге, Таффанеля (Франция), Даниэля, Чепмена (Англия). На современном этапе исследований процесса горения в центре внимания стоит вопрос о скорости химического превращения. Сегодня горением и взрывом мы называем быстрое протекание реакции в веществе, которое в исходном состоянии инертно. В современном понимании с понятиями горения, взрыва, пламени, детонации и т.д. связывается характер протекания реакции, а не её химическое содержание. Разумеется, характер протекания реакции можно полностью изучить, лишь зная её элементарные акты, механизм, кинетику химического превращения.
Развитие теории горения оказалось, таким образом, тесно связанным - и логически и исторически - с трудами академика Н.Н. Семёнова и его школы. Основанный Семёновым Институт химической физики АН СССР сохранил ведущее положение и сегодня, когда география учреждений, работающих в области горения и взрывов, расширилась.
Отечественные ученые и специалисты внесли неоценимый вклад в разработку многих проблем, связанных с теорией горения и взрыва: Д.А. Франк-Каменецкий, К.И. Щелкин, К.К. Андреев, А.Я. Апин, А.Ф. Беляев, Л.А. Вулис, Ю.А. Победоносцев, П.Ф. Похил, А.С. Соколик и многие другие. Из зарубежных ученых следует отметить работы Льюиса, Эльбе, Кармана, Пеннера, Опенгейма, Грея.
Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1 % национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и приносимых ими убытков, а количество людей, погибших на пожарах, уже составляет 20 тысяч человек в год.
Специалисту необходимо знать механизм горения и взрыва различных материалов, на основе которого разрабатываются безопасные способы хранения, транспортировки и использования этих веществ.
Дисциплина «Теория горения и взрыва» входит в учебные планы специальности 280101.65 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Оренбургского государственного университета.
Цель курса – дать выпускнику основные сведения по теории горения и взрыва, основным параметрам инициирования горения и взрыва, условиям перехода горения во взрыв, термодинамическим параметрам горения и взрыва.
Горение
Общие сведения о горении
Для того чтобы началось горение надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не загорается сама, ее надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того, чтобы началась химическая реакция, необходимо предварительное нагревание. Поджигание создает в начальный момент необходимую для реакции температуру. Дальше высокую температуру поддерживает тепло, которое выделяется при реакции.
Начальный местный подогрев должен быть достаточен для того, чтобы выделение тепла при реакции превышало теплоотдачу в окружающую среду. Поэтому каждая реакция имеет свою, как говорят, температуру воспламенения. Горение начинается только тогда, когда начальная температура выше температуры воспламенения. Например, температура воспламенения дерева - 255 о С, бензина - около 200 о С, белого фосфора – 50 о С.
Горение дров, угля, нефти – это химическая реакция соединения этих веществ с кислородом воздуха. Поэтому такая реакция идет с поверхности: пока не выгорит внешний слой, следующий не может принять участие в горении. Этим и объясняется медленность горения. В справедливости сказанного нетрудно убедиться на практике. Если размельчать горючее, то скорость горения может значительно увеличить. Для этой цели производится распыление угля во многих печных устройствах. Так же размельчается и смешивается с воздухом топливо в цилиндре мотора.
Горение вызывало к себе внимание у передовых умов человечества с древних времён, однако, правильное представление о горении сложилось сравнительно недавно. По господствовавшим представлениям в химии XVII- XVIII веков теория флогистона (от греч. рhlogistos – воспламеняемый, горючий) объясняла, что существует «огненная материя», которая, якобы, содержится во всех горючих веществах, в том числе и в металлах, и выделяется из них при горении. В конце XVIII в. взамен её принята новая научная теория горения – кислородная. М. В. Ломоносов (1711-1765 г.г.) впервые доказал, что сущность процесса горения заключается в химическом соединении горючего вещества с воздухом. В 1773 г. французский ученый А.Л. Лавуазье экспериментальным путём установил, что при горении не весь воздух соединяется с горючим веществом, а только входящий в его состав кислород. Так во второй половине XVIII века было научно доказано, что горение - это реакция окисления. Далее было установлено, что окисление в природе широко распространено. Это ржавление, гниение и другие процессы, которые в отличие от горения происходят в обычных температурных условиях. Общую теорию таких процессов разработал в конце XIX в. А.Н. Бах. Но теория А.Н. Баха не смогла объяснить ряд явлений, связанных с окислением (действие катализаторов, антиокислителей и др.)
Горением называется сложный физико-химический процесс, основой которого является быстро протекающая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.
Есть и другие трактовки термина «горение». Горением называется физико-химический процесс, для которого характерны три признака:
Химическое превращение;
Выделение тепла;
Излучение света.
Например, «горение» электрической лампочки нельзя назвать горением, хотя при этом выделяются тепло и свет. В этом явлении нет одного из признаков горения - химического процесса. Свечение нити лампочки – это накаливание ее при пропускании электрического тока.
Горение представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света.
Наука о горении - чрезвычайно многосторонняя область, весьма обширная и во многом ещё противоречивая. Поэтому некоторые специалисты считают, что термину «горение» трудно дать чёткую трактовку. В обычных условиях, т.е. при нахождении горючих веществ и материалов в воздухе, горение представляет собой реакцию их взаимодействия с кислородом воздуха. Для возникновения и продолжения процесса горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. При этом эти обязательные компоненты составляют горючую систему (рисунок 1.1), а источник воспламенения является импульсом, вызывающим в ней реакцию горения. Система является горючей только при определенном соотношении в ней горючего вещества и воздуха. Так, например, система, состоящая из паров бензина и воздуха, является горючей только при содержании в ней от 0,76 до 5,4 % бензина.
Источником воспламенения называется любое тело, имеющее температуру и запас тепла, достаточный для нагревания некоторого объёма горючей системы до возникновения в ней горения.
К источникам воспламенения относятся:
1) источники тепла (пламя, искра, нагретое тело);
2) тепловое проявление видов энергии:
а) химической (экзотермическая реакция);
б) механической (удар, сжатие, трение);
в) электрической (электрический разряд).
В качестве окислителя, помимо кислорода (воздуха), могут участвовать в процессе горения хлор (Cl), фтор (F), сера (S), бром (Br), а так же кислородосодержащие вещества: перманганат калия (KМnO 4), селитры (KNO 3, NaNO 3, NH 4 NO 3), бертоллетова соль (KClO 3), азотная кислота (HNO 3). Необходимо отметить, что магний (Mg) горит в углекислом газе (CO 2).
Рисунок 1.1 – Горючая система
Как видно из таблицы 1.1, для возгорания смеси пропан-воздух в реакции
C 3 H 8 + 5O 2 + 18,8 N 2 = 3CO 2 + 4H 2 O + 18,8N 2
достаточен электрический заряд всего в 0,3 мДж. Он даёт хорошо различимую статическую искру, которую мы чувствуем, когда идём по синтетическому ковру, а затем дотрагиваемся до заземлённого предмета. А для некоторых реактивных газов, таких как водород, этилен и ацетилен для возгорания смеси с воздухом требуются еще меньшие количества энергии.
Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами в горючей системе, а источник воспламенения вызывает в ней реакцию горения. При установившемся горении источником воспламенения служит зона реакции.
Таблица 1.1 - Минимальные энергии зажигания парогазовоздушных смесей
Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом, например, смесь горючих газов, паров или пылей с воздухом.
К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела, например, твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся на воздухе, струи горячих газов и паров, поступающие в воздух. При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха непрерывно диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу и затем вступает с ним в реакцию.
Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т.е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов, например, переносом тепла и масс, и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения, суммарная скорость горения практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы.
К особому виду горения относится тление, для которого характерны как накал конденсированной фазы, так и близко примыкающее к твердой поверхности галогенное пламя. Сущность этого вида горения изучена недостаточно. Наиболее часто с ним встречаются при горении целлюлозных материалов (древесина, хлопок). По видимому, к тлению склонны также материалы, которые имеют в составе своих молекул небольшое (по сравнению с массой остальных элементов) количество кислорода. Нередко под тлением понимают беспламенное горение. Это определение является недостаточно точным, поскольку известны не подверженные тлению, но способные беспламенно (в виде накала) гореть материалы (например, некоторые металлы). Очевидно, только высокопористые неплавящиеся горючие материалы, в порах которых имеется некоторое количество кислорода, достаточное для окисления некоторой части газообразных продуктов пиролиза, склонны к тлению. Режим горения в виде тления занимает, очевидно, промежуточное положение между режимами сугубо гетерогенного горения (в виде накала поверхности материала) и обычного диффузионного горения. Основным условием горения материалов в виде тления является недостаток поступающих к горящему материалу кислорода и тепла.
Кинетическим называется горение заранее приготовленной горючей смеси, скорость которого не зависит от диффузии кислорода в зону горения и определяется только скоростью передачи тепла теплопроводностью от зоны горения к негорящей ещё смеси. Поэтому скорость кинетического горения характеризуется нормальной скоростью распространения пламени, которая не превышает нескольких метров в секунду. Горение с такой скоростью в замкнутом объеме представляет собой взрыв, поэтому смеси паров, газов и пыли с воздухом называют взрывоопасными.
Основными термодинамическими характеристиками горючей смеси являются:
Теплотворная способность;
Теоретическая (адиабатическая) температура горения, т.е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.
По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:
1) гомогенное горение - горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (кислород воздуха);
2) гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих в среде газообразного окислителя;
3) горение взрывчатых веществ и порохов.
Для любого вида горения характерны две стадии: воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время горения. Основной задачей техники сжигания является обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальной полноте горения (полноте тепловыделения):
где - время полного сгорания какого-либо вещества, с;
Время, необходимое для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха (при газообразном состоянии горючих веществ - время смесеобразования), с;
Время, затрачиваемое на протекание самой химической реакции, с.
Для неоднородной смеси (горючей системы) >> и, следовательно, практически . Такое горение, которое определяется главным образом скоростью сравнительно медленно протекающего процесса диффузии, называют диффузионным.
При горении однородных горючих систем, когда , можно считать . Такое горение называют кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре.
Процесс горения
Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов. Вспышка – быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов. Температура вспышки - это наименьшая температура вещества смеси, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для возникновения устойчивого горения.
Возгорание - возникновение горения под воздействием источника зажигания.
Воспламенение - возгорание, сопровождающееся появлением пламени. Температура воспламенения – температура горючего вещества, при которой оно выделяет пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.
Самовозгорание – явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания. Самовозгорание может быть результатом воздействия внешнего нагрева вещества, а также происходит под влиянием биохимических, химических и физических процессов.
Самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.
При составлении уравнений химических реакций горения веществ в воздухе поступают следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух записывают в левой части, после знака равенства пишут образующиеся продукты реакции. Например, необходимо составить уравнение реакции горения метана в воздухе. Сначала записывают левую часть уравнения реакции: химическую формулу метана плюс химические формулы веществ, входящих в состав воздуха. Для простоты расчетов принимают, что воздух состоит из кислорода (21 %) и азота (79 %), т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21=3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О 2 + 3,76 N 2 . Тогда левая часть уравнения будет иметь вид:
СН 4 + О 2 + 3,76 N 2 =
Какие будут получаться продукты? Ориентироваться необходимо на состав горючего вещества. Углерод горючего всегда при полном сгорании превращается в двуокись углерода (CO 2), водород - в воду (Н 2 О). Так как в данном горючем веществе нет других элементов, то в продуктах сгорания будет двуокись углерода и вода. Азот воздуха (3,76 N 2) в процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания. Таким образом, правая часть уравнения реакции сгорания метана будет следующей:
СО 2 + Н 2 О + 3,76 N 2
Написав левую и правую части, необходимо уравнять коэффициенты перед формулами. Известно, что суммарная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции. Это означает, что число атомов одного и того же элемента в правой и левой части уравнения должно быть одинаковым, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, потом кислорода. Множитель перед коэффициентом (3,76), поставленный у молекулы азота, всегда будет равен коэффициенту перед кислородом. Уравнение реакции будет иметь вид:
СН 4 + 2 О 2 + 2 × 3,76 N 2 = CO 2 + 2 Н 2 О + 2 × 3,76 N 2
Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м 3 горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят. В связи с этим в некоторых уравнениях реакций горения могут появиться перед кислородом или другим веществом дробные коэффициенты; например, уравнение реакции горения ацетилена в воздухе будет иметь вид:
С 2 Н 2 + 2,5 О 2 + 2,5 ×3,76 N 2 = 2 СО 2 + Н 2 О + 2,5 ×3,76 N 2
Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде (N 2), например, при горении пиридина:
C 2 H 5 N + 6,25 О 2 + 6,25 × 3,76 N 2 = 5 СО 2 + 2,5 Н 2 О + 6,25 × 3,76 N 2 + 0,5 N 2
Если в состав горючего вещества входит хлор, то он при горении обычно выделяется в виде хлористого водорода, например, при горении хлористого винила:
С 2 Н 3 С1 + 2,5О 2 + 2,5 × 3,76 N 2 = 2СО 2 + Н 2 О + 2,5 × 3,76 N 2 + НС1
Сера, входящая в состав горючего вещества, выделяется в виде SO 2 .
Содержащийся в горючем веществе кислород выделяется в виде соединений с другими элементами горючего, например СО 2 или Н 2 О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание веществ может происходить также за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота (HNO 3), бертоллетова соль (КСlOз), селитры (КNОз, NаNОз, NН 4 NОз), перманганат калия (KМnO 4), перекись бария (ВаО 2) и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом. Примерами таких смесей могут служить черный порох, сигнальные осветительные составы и т. п.
Для возникновения горения необходимы определенные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника воспламенения. Горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником тепла (источником воспламенения): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реакции или механической работе. В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном соотношении. Так, при горении в воздухе концентрация кислорода должна быть не ниже определенной величины (от 16 до 18 %).
Сгорание веществ может быть полным и неполным. В процессе полного сгорания образуются продукты, не способные к дальнейшему горению (CO 2 , H 2 O, HC1). При неполном сгорании получающиеся продукты способны к дальнейшему горению (СО, H 2 S, HCN, NH 3 , альдегиды и т. п.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.
Однако, как бы ни проходил процесс горения, в основе его лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.
Современная теория окисления - восстановления основана на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстановителем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления состоит в присоединении восстанавливающимся веществом (окислителем) электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется.
В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом стремится перейти в наиболее устойчивое в данных условиях валентное состояние.
В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. При этом образуется ионное соединение. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом атом натрия создает восьмиэлектронную структуру и, получив положительный заряд, превращается в положительно заряженный ион.
Cтраница 1
Явление горения представляет собой химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света. Так, например, при горении метана, паров нефти и других веществ выделяется тепло, которое нагревает продукты реакции до свечения. При этом между горючим и окислителем протекает реакция соединения. Горение может иметь место также при разложении веществ, в результате которого из одного вещества получаются два или больше других веществ. Так, сжатый ацетилен, хлористый азот, окись этилена и ряд других веществ способны взрываться без постороннего источника зажигания. При этом они разлагаются с выделением тепла и образованием пламени. Горение возможно при наличии горючего вещества, кислорода воздуха или другого окислителя и при достижении температуры или сжатия вещества, способных вызвать процесс горения. Воздух и горючее вещество образуют взрывоопасную смесь, способную гореть, а температурные условия обусловливают возможность воспламенения и горения этой смеси. При установившемся режиме горения изменение концентрации смеси и температурных условий ведет к изменению скорости горения или его прекращению.
Явление горения представляет собой химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света. Так, при горении метана, нефти и других веществ выделяется тепло, которое нагревает продукты реакции до свечения. При этом между горючим и окислителем протекает реакция соединения. Горение может иметь место также при разложении веществ. Так, сжатый ацетилен, хлористый азот и ряд других веществ способны взрываться, при этом они разлагаются с выделением тепла и образованием пламени. Горение веществ в воздухе возможно только при наличии горючего вещества, кислорода воздуха или другого окислителя и при достижении температуры, способной вызвать процесс горения. Воздух плюс горючее составляют систему, способную гореть, а температурные условия обусловливают возможность самовоспламенения и горения системы. При установившемся режиме горения изменение системы и температурных условий ведет к изменению скорости горения или его прекращению. Из составных частей воздуха в процессе горения участвует только кислород. Азот и другие газы (аргон, неон и пр.
Явление горения было правильно объяснено Лавуазье, что стало основой современной химии. Большая часть данных, на которых Лавуазье основал свою новую концепцию, была известна и до него. Новое, что внес Лавуазье, - это теоретические воззрения. Он дал уже известным фактам совсем иное объяснение, отличавшееся от взглядов его предшественников.
Впервые явление горения электрической дуги было открыто в 1802 г. великим русским физиком, проф.
Классификацию явлений горения и воспламенения производят по той роли, которую играет тепло - и массообмен в этих процессах.
Кармана классификации явлений горения, который мы изложим в следующей главе.
Изучение таких явлений горения, как тепловой взрыв (самовоспламенение), зажигание (вынужденное воспламенение), распространение пламени, в рамках уравнений (1.7), (1.8) (или (1.7), (1.9)) математически сводится к исследованию различных постановок начальных и граничных условий.
Основная особенность явлений горения заключается в том, что условия, необходимые для быстрого протекания реакции, созданы ею самою. Если сама реакция создает условия для своего собственного быстрого протекания, то возникает то, что в кибернетике называется обратной связью.
Кинетике и явлениям горения гремучей смеси (как принято называть смесь4 водорода с кислородом) посвящено громадное количество работ.
Кинетике и явлениям горения гремучей смеси (как принято называть смесь водорода с кислородом) посвящено громадное количество работ.
Первая попытка объяснить явление горения была сделана химиками в начале XVIII века при помощи теории флогистона. Процесс горения по этой теории заключался в разложении вещества на флогистон - вещество, улетучивающееся в атмосферу, и остаток - землю.
МЧС РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Санкт-петербургский университет государственной противопожарной службы мчс россии
ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Курс лекций
по специальности
280705.65 «ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»
КВАЛИФИКАЦИЯ (степень) «СПЕЦИАЛИСТ»
Санкт-Петербург 2011
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки РФ И. Д. Чешко,
(Санкт-Петербургский филиал ФГУ ВНИИПО МЧС России);
кандидат технических наук, доцент Е.В. Любимов
(Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России).
Коробейникова Е.Г., Кожевникова Н.Ю., Винокурова Н.Г.
Химия процессов горения.Курс лекций по специальности 280705.65 «Пожарная безопасность». - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. - 195 с.
Учебная дисциплина «Химия процессов горения» относится к вариативной части естественнонаучного цикла. Курс лекций разработан в соответствии с Федеральным Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования «Требования к результатам освоения основных образовательных программ по направлению 280705.65 «Пожарная безопасность» (квалификация (степень) специалист).
© Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011
Тема 1. Физико-химическая природа горения Введение
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 600000 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, открывал термические процессы, протекающие под воздействием теплоты горения, необходимые ему для удовлетворения своих нужд – приготовления пищи, выплавке металлов, изготовлению керамики, стекла и многое другое. 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. Так еще в V веке до н.э. Эмпедокл утверждал, что существуют 4 начала всех вещей – огонь, воздух, вода и земля, считая их материальными субстанциями. Возможно, такие 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.. Так в XIII веке Фома Аквинский утверждал, что, если тело подвергается действию огня, то оно становится горячим, принимая на некоторое время «форму тепла» и в зависимости от того, восприняло ли оно эту форму полностью или нет, тело охлаждалось при удалении огня или улавливало огонь и т.о. могло передавать эту форму другим телам.
Развитие цивилизации требовало все больше энергии, получалась, в основном, за счет сжигания древесины, запасы которой были не безграничны. Жизнь ставила вопросы о более рациональной организации горения. Кроме того, расширялась выплавка различных металлов путем обжига руд, которая также была малоэффективной из-за образования большого количества окалины.
К концу XVII века стала отчетливо проявляться потрбность 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
(термин происходит от греческого слова
- горючий) – некоторый абстрактный
принци 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, поэтому
последователи флогистона объясняли
это тем, что флогистон имеет отрицательный
вес, поэтому 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. А.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 представляет явление горения, второе - в том, что свойство гореть или быть воспламеняемым может передаваться от одного тела к другому.
В середине XVIII века в эпоху господства теории флогистона М.В.Ломоносов был первым ученым, подвергшим основательной и аргументированной критике теорию флогистона. Он впервые показал, что горение – это реакция химического взаимодействия 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 металлами при окислении, правильно объяснил процессы горения и окисления и создал основы кислородной теории.
А.Лавуазье впервые установил, что воздух имеет сложный состав исостоит 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 огненной 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…».
Дальнейшие исследования процессов горения проводили многие ученые. М.Фарадей по результатам своих исследований опубликовал книгу «История свечи», переведенную на многие языки. В том же XIX веке исследованием температуры и скорости распространения пламени занимался Р.В.Бунзен. А.Л.Ле-Шателье совместно с П.Э.М.Бертло и Ф.Малларом изучали процессы воспламенения, горения, взрывов и детонации и впервые сделали попытку рассчитать скорость горения. Так начиналось развитие современной теории горения и взрыва.
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.
Теория автоокисления, разработанная русским академиком А.Н.Бахом, позволила объяснить самопроизвольно протекающие процессы окисления, являющиеся причиной самовозгорания различных веществ.
Работы академика Н.Н.Семенова по изучению механизма разветвленных цепных реакций и теплового самовоспламения (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.
В современном обществе существует 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 – пожары.
Но 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. - являются следствием процесса горения.
В настоящее время продолжаются исследования процессов горения и взрыва, а также способов их предотвращения и прекращения во ВНИИПО (Москва) и Санкт-Петербургском филиале ВНИИПО, в Академии ГПС МЧС (Москва), в Санкт-Петербургском институте ГПС МЧС России, в испытательных пожарных лабораториях, в научно-исследовательских институтах и учебных заведениях.
