Физико-химические основы горения и взрыва
Условия, необходимые для горения и взрыва.
1. Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением.
2. В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.
3. Взрыв - это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света.
4. Для процесса горения необходимо:
1) наличие горючей среды, состоящей ив горючего вещества и окислителя; 2) источника воспламенения.
Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).
5. После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 - 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.
6. Различают следующие виды горения:
- полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода;
- неполное - горение при недостатке кислорода.
При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.
7. Горение веществ может протекать не только в среде кислорода,
но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора,
паров брома, серы и т.д.
8. Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях:
жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании
плавятся и испаряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.
По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают;
- гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;
- горение взрывчатых веществ и порохов;
- гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;
- горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель»
9. Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени (горения):
- нормальный режим горения;
- дефлеграционное горение;
- детонация.
а) Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным).
Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит.
б) В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 - 320м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение.
При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1.5-3.0 тысяч °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.б-0.9МПа.
Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет для газов ~0.1 сек, паров ~0.2 - 0.3 сек, пыли ~0.5 сек.
Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 - 100 кПа.
в) В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс,
при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1 - 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности.
При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси.
Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.
Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией.
При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени ~200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%.
Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов
Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов определяются с целью получения исходных данных для определения категории производства и разработки систем обеспечения пожарной безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.I.004-85 и ГОСТ 12.I.010-76.
Пожаро- и взрывоопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества и условий его применения.
Количество показателей, необходимых и достаточных для характеристики пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов в условиях их производства, переработки, транспортировки и хранения, как правило, определяется разработчиком системы обеспечения пожарной безопасности объекта.
Номенклатура и применяемость показателей пожароопасности веществ и материалов приведены в табл.
Ниже приведены понятия основных показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов и область их практического применения.
Одним из основных показателей пожароопасности, применяемых при классификации веществ и материалов по способности их к горению, является группа горючести. По горючести и вещества и материалы подразделяются на три группы: негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например: окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом); трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления; горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющееся вещества и материалы.
Легковоспламеняющиеся называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). Легковоспламеняющимися называются жидкости с температурой вспышки не более 61 °С в закрытом тигле или 66 °С в открытом тигле.
Группа горючести применяется при подразделении материалов по горючести, при определении категории помещений, зданий по взрыво- и пожароопасности, а также классов взрывоопасных зон; при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.
Температура вспышки - самая низкая температура горючего вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще не достаточна для устойчивого горения. Значение температуры вспышки применяется при классификации жидкостей по степени пожароопасности, при определении категории производств по взрывопожарной и пожарной опасности, а также классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ при разработке пожарной безопасности и взрывобезопасности.
Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение. Значение температуры воспламенения применяется при установлении группы горючести веществ, оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ, при разработке мероприятий по обеспечению пожаро - и взрывоопасности технологических процессов.
Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением. Значение температуры самовоспламенения применяется при оценке пожаро - и взрывоопасности веществ, при определении группы взрывоопасной смеет по ГОСТ 12.1.011-78 для выбора типа взрывозащищенного электрооборудования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаро - и взрывоопасности технологических процессов.
Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси "горючее вещество - окислительная среда", при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Значения нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени (воспламенения) используются: при определении классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ; при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов; при проектировании вентиляционных систем; при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов и паров в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.010-76.
Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) - такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени. Значение температурных пределов распространения пламени применяется при расчете пожаро - и взрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования, при оценке аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей, и для расчета концентрационных пределов распространения пламени.
Температурой самонагревания - называется самая низкая температура вещества, при которой самопроизвольный процесс его нагревания не приводит к тлению или пламенному горению. Значение температуры самонагревания применяется при выборе безопасных условий нагрева вещества, при разработке мероприятий по обеспечению пожаробезопасности технологических процессов. Безопасной температурой длительного нагрева вещества считают температуру, не превышающую 90% температуры самонагревания.
Температура тления - температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления. Значение температуры тления следует применять при экспертизах причин пожаров, при выборе взрывозащищенного электрооборудования и разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и технологических процессов.
Условия теплового самовозгорания - экспериментально выявленная зависимость между температурой окружающей среды, массой вещества и временем до момента его самовозгорания. Результаты оценки условий теплового самовозгорания следует применять при выборе безопасных условий хранения и переработки самовозгорающихся веществ.
Минимальная энергия зажигания - наименьшее значение энергии электрического разряду, способной воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь газа, пара, пыли с воздухом. Значение минимальной энергии зажигания следует применять при разработке мероприятий по обеспечению пожаро - и взрывобезопасных условий переработки горючих веществ и электростатической искробезопасности технологических процессов.
Кислородный индекс - минимальное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материалов в условиях специальных испытаний. Значение кислородного индекса применяется при разработке полимерных композиций пониженной горючести и контроле горючести твердых материалов.