Сущность процесса горения. Пожаро - и взрывоопасные свойства веществ и материалов. склонность веществ к самовозгоранию основные термины и определения (стр. 1 )

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. ПОЖАРО - И ВЗРЫВООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ. СКЛОННОСТЬ ВЕЩЕСТВ К САМОВОЗГОРАНИЮ ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Горение — сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света.

Пожар — неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства.

Взрыв — быстрое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.

Воспламенение — начало пламенного горения под воздействием источника зажигания.

Самовозгорание — возгорание в результате самоинициирующихся экзотермических процессов.

Самовоспламенение — самовозгорание, сопровождающееся пламенем.

Тление — беспламенное горение материала.

Пожарная безопасность — состояние объекта, при котором исключается возможность пожара, а в случае его возникновения предотвращается воздействие на людей опасных факторов пожара и обеспечивается защита материальных ценностей.

Взрывобезопасность — состояние объекта или производственного процесса, при котором исключается возможность взрыва, а в случае его возникновения предотвращается воздействие на людей вызываемых им опасных и вредных факторов и обеспечивается сохранение материальных ценностей.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРЕНИИ

       Горение представляет собой процесс окисления, или взаимодействия горючего вещества с кислородом воздуха. Окислителями в процессе горения могут быть также хлор, бром, азотная кислота, бертолетова соль, пероксид натрия и некоторые другие вещества.

       Для возникновения и развития процесса горения необходимы горю­чее вещество, окислитель и источник зажигания, инициирующий реакцию между горючим и окислителем.

       Горючее и окислитель должны находиться в определенных соотношениях друг с другом.

       Горение, как правило, происходит в газовой фазе, поэтому горю­чие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии для возникновения и поддержания го­рения должны подвергаться газификации (испарению, разложе­нию), в результате чего они образуют газообразную горючую смесь.

       В зависимости от агрегатного состояния горе­ние бывает гомогенным и гетерогенным.

       Гомогенное горение характерно для горючих смесей, в которых компоненты находятся в газообразном состоянии. Причем если компоненты предвари­тельно перемешаны, то такое горение называют кинетическим. Если компоненты предварительно не перемешаны, то происходит диффузионное горение.

       Гетерогенное горение, характеризуется наличием поверхности раздела фаз в горючей системе.

       Горение различается также по скорости распространения пла­мени:

Дефлаграционное горение (несколько метров в секунду) Взрывное горение (до сотен метров в секунду) Детонационное (скорость детонации несколько тысяч метров в секунду)

       Различают: ламинарное и турбулентное.

Лами­нарное горение характеризуется послойным распространением фронта пламени по свежей горючей смеси.

Турбулентное горение характеризуется перемешиванием слоев потока и повышенной скоростью сгорания.

       В зависимости от соотношения горючего и окислителя горю­чие смеси подразделяются на:

       1. Бедные - содержащие в избытке окислитель по сравнению со стехиометрическим соотношением компонентов.

       2.  Богатые - содержащие в избытке горючее.

       Стехиометрическое отношение - исходное соотношение компонентов го­рючей смеси, при сгорании которой ни один из исходных компо­нентов не остается в избытке в продуктах реакции.

Расчет стехиометрического содержания горючего вещества для наиболее распространённых углеводородов и их производных осуществляется по формуле:

Стехиометрический коэффициент равен: 

здесь nс, nн, n0 — соответственно числа атомов С, Н и О в молекуле горючего.

Для СН4: 

Реальные пожары характеризуются, как правило, диффузион­ным, гетерогенным, турбулентным и дефлаграционным горением.

Взрывное горение происходит при утечке горючего газа из трубопроводов или испарении разлитой жидкости, при содержании горючей пыли в воздухе.

Горение может осуществляться в двух режимах:

1. В режиме само­воспламенения, заключающемся в самопроизвольном возникнове­нии пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси (называемой темпера­турой самовоспламенения) и проявляющегося в одновременном (в виде вспышки) сгорании всей горючей смеси;

2. В режиме рас­пространения волны горения (распространения фронта пламени) по холодной смеси при ее локальном зажигании (воспламенении) внешним источником.

Пламя — это видимая зона горения, в которой наблюдаются свечение и излучение тепла. Возникшее в результате воспламене­ния пламя само становится источником потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси.

Для изучения распространения волны горения поставим опыт. Поместим гомогенную горючую смесь в стеклянную трубку, открытую с одного конца и воспламеним ее источником зажигания у открытого конца. Тепло из зоны реакции благодаря теплопроводности распространяется на исходную холодную смесь и нагревает ее.

Свежая горючая смесь и продукты сгорания разделены узкой зоной, называемой фронтом пламени, представляющим собой тонкий сферический слой (толщиной менее 10-6 м), где происходит прогрев горючей смеси и быстрая химическая реакция. Тепло из зоны реакции благодаря теплопроводности распространяется на исходную холодную смесь и нагревает её. Происхо­дит также диффузия продуктов реакции и активных радикалов из зоны реакции в исходную смесь и исходной смеси в зону реакции. Таким образом, зона реакции перемещается в на­правлении исходной горючей смеси. Такое ламинарное горение на­зывается нормальным.

Рис. 1. Изменение температуры перед фронтом пламени и за ним:

1 — зона продуктов горения; 2 — фронт пла­мени; 3 — зона самовоспламенения;

4 — зона предварительного прогрева; 5 — исходная смесь.

Ско­рость перемещения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности — нормаль­ной скоростью распространения пламени Uн. Величина Uн, являясь физико-химической константой горючей смеси, представляет со­бой минимально возможную величину, которая не зависит от ус­ловий, а определяется лишь химическим составом горючей смеси и соотношением горючего и окислителя.

При закрытой трубке продукты горения давят на фронт пламени и стенки, увеличивая скорость его перемещения. Суммарная скорость такого перемещения называется видимой скоростью.

где ., е – степень расширения продуктов сгорания; ТГ и TН — температуры горения и начальная; з – отношение числа молей про­дуктов сгорания к числу молей исходной смеси (для углеводородных горючих ве­ществ значение з близко к единице).

При воспламенении горючей смеси в длинной трубе в резуль­тате расширения продуктов сгорания возникают волны сжатия; фронт пламени вместе с горючей смесью вовлекается в быстрое движение со скоростью, в 10—20 раз выше чем величина .

Дальнейшее развитие процесса связано с турбулизацией потока газа перед фронтом пламени и увеличением скорости распространения пламени. В конечном счёте, возникают условия для адиабатического самовоспламенения горючей смеси – т. е. детонации.

Таким образом, при детонации пламя распространяется не в результате теплопроводности, а вследствие ударной волны, приводящей к быстрому нагреву и самовоспламенению смеси. За ударной волной возникает зона быстрой реакции; вместе они образуют детонационную волну, которая распространяется со скоростью 1,5—3,5 км/с.

         В случае диффузионного горения, схема которого показана на рис., пламя как бы стоит на месте, а в него втекают с одной стороны (область а) горючие пары, а с другой стороны (область в) — воздух. Наиболее характерным примером диффузионного пламени является горящая свеча.

Схема диффузионного ламинарного горения:

а — зона горючих паров;

б — зона горения;

в — окружаю­щая среда (воздух).

Важнейшей особенностью процесса горения является самоускоряющийся характер химического превращения, переходящего в реакцию горения. Такой процесс возникновения горения называется самовоспламенением. Самовоспламенение может быть тепловое и цепное. При тепловом самовоспламенении причиной ускорения реакции окисления и возникновения горения является превышение скорости выделения тепла над скоростью теплоотвода, а при цепном — превышение вероятности разветвления цепей над вероятностью их обрывов.