Материал: Ответы экзамен горения и взрыва

    При горении твердых материалов горючее вещество и воздух не перемешаны, имеют  поверхность  раздела,  и   горение   протекает   в   так   называемом диффузионном режиме, т.е. скорость реакции  определяется  скоростью  подвода (отвода) продуктов реакции (лимитирующая стадия - диффузия).

    Если молекулы кислорода хорошо перемешаны с горючим веществом – горение определяется кинетикой химической реакции (обмен  электронами),  а  режим  -кинетическим. Горение такой смеси может происходить в виде взрыва.

Вещества окисляющие (окисляющиеся) — вещества, поддерживающие горение, вызывающие воспламенение и / или способствующие воспламенению др. веществ в результате окислительно-восстановительной экзотермической реакции. (в процессе окислительно-восстановительной реакции окислитель присоединяет электроны).

На основании степени их опасности окисляющие вещества  отнесены к одной из следующих групп:   а = окислители, сильно способствующие горению

     b = окислители, способствующие горению

     с = окислители, незначительно способствующие горению

Окислителем в процессе  горения  может быть кислород, а также хлор, бром и другие вещества.

В большинстве случаев при пожаре окисление горючих веществ происходит кислородом воздуха.

В воздухе содержится около 21% кислорода.  Горение  большинства веществ становится невозможным, когда содержание кислорода в воздухе понижается до 14-18%, и только некоторые горючие вещества (водород, этилен, ацетилен и др.) могут гореть при содержании кислорода в воздухе до 10% и менее. При дальнейшем уменьшении содержания кислорода  горение  большинства веществ прекращается.

6. Общее понятие о цепных реакциях и автокатализе.

       К цепным   реакциям  относят реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, способных превращать реагенты в конечные продукты, поддерживая постоянство свободных радикалов или даже увеличивая их (разветвленная  цепная   реакция ).

Разветвленные цепные реакции характеризуются тем, что в каждом элементарном акте продолжения цепи происходит увеличение числа активных частиц (напр., окисление водорода кислородом). Это приводит к автокатализу и при критических условиях к самовоспламенению, или цепному взрыву.

В  цепных   реакциях  выделяют три стадии: зарождение цепи, ее развитие и обрыв. Зарождение (иницирование) происходит под воздействием светового, радиационного, термического или другого воздействия.

Цепные   реакции  — химические и ядерные реакции, в которых появление активной частицы (свободного радикала или атома в химических, нейтрона в ядерных процессах) вызывает большое число (цепь) последовательных превращений неактивных молекул или ядер. Свободные радикалы или атомы в отличие от молекул обладают свободными ненасыщенными валентностями (непарным электроном), что приводит к их взаимодействию с исходными молекулами. При первом же столкновении свободного радикала (R°) с молекулой происходит разрыв одной из валентных связей последней, и, таким образом, в результате реакции образуется новая химическая связь и новый свободный радикал, который в свою очередь реагирует с другой молекулой — происходит  цепная   реакция 

Автокатализ (от авто... и катализ), ускорение химической реакции одним из её продуктов

Катализ (от греч. katálysis — разрушение), изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов),вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Реакции с участием катализаторов называются каталитическими

Катализаторы, вещества, изменяющие скорость химических реакций посредством многократного промежуточного химического взаимодействия с участниками реакций и не входящие в состав конечных продуктов. Более 70% всех химических превращений веществ, а среди новых производств более 90% осуществляется с помощью К.

7. Деструкция веществ и энерговыделение при горении. Продукты горения.

      Деструкция - разложение органических веществ и превращение их в неорганические с высвобождением энергии. лат.Destructio – разрушение

При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением.

      Образование пламени связано с газообразным состоянием веществ , поэтому  горение  жидких и твердых  веществ  предполагает их переход в газообразную фазу. В случае  горения  жидкостей этот процесс обычно заключается в простом кипении с испарением у поверхности. При  горении  почти всех твердых материалов образование  веществ , способных улетучиваться с поверхности материала, и попадание в область пламени происходит путем химического разложения (пиролиза)

      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.

8. Температуры горения.

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной  температуры , называемой  температурой   горения . Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива.

В уравнение теплового баланса реального  горения  входят составляющие, величина которых зависит не только от теплофизических свойств топлива, но и от условий, при которых протекает  горение . Например, от степени подогрева топлива и воздуха, потерь теплоты при  горении , тепловосприятия в топке, коэффициента избытка воздуха.

Чтобы выявить потенциальные возможности топлива, вводят понятие  горения  без подогрева топлива и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т. е.  горения  с теоретическим количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена в топочной камере и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической.

Калориметрическая  температура  отражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха α на  температуру  адиабатического  горения . Повышение  температуры  подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону  горения  и повышает  температуру   горения , а увеличение коэффициента избытка воздуха α вызывает увеличение объема продуктов сгорания V_г, что понижает  температуру   горения . Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической.

В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при  горении , идет на нагрев продуктов реакции, так как часть тепла передается экранной системе топочной камеры и некоторое количество тепла теряется в окружающую среду; кроме того, при высоких  температурах  происходит диссоциация части продуктов сгорания (СО₂ и Н₂О), сопровождающаяся поглощением тепла.

Отношение действительной  температуры   горения  топлива к теоретической называется пирометрическим коэффициентом.

9. Ламинарный и турбулентный газодинамические режимы горения

Дозвуковое  горение  (дефлаграция) в отличие от взрыва  и  детонации протекает с низкими скоростями  и  не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому  горению  относят нормальное  ламинарное   и   турбулентное  распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

 Ламинарное  пламя обладает вполне определённой скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая зависит от состава смеси, давления  и  температуры и определяется только химической кинетикой и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физико-химической константой смеси.

10.  Гомогенное и гетерогенное горение.

Горением  называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества  и  окислителя, характеризующийся самоускоряющимся превращением  и  сопровождающийся выделением большого количества тепла  и  света. (Обычно в качестве окислителя участвует кислород воздуха, которого содержится около 21%).

Для возникновения  и  развития процесса  горения  необходимы: горючее вещество, окислитель  и  источник воспламенения, инициирующий реакцию.

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

 Горение , как правило, происходит в газовой фазе. Поэтому горючие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии (жидкие, твердые материалы), для возникновения  и  поддержания  горения  должны подвергаться газификации (испарению, разложению), в результате которой образуются горючие пары  и  газы в количестве, достаточном для  горения .

В зависимости от агрегатного состояния горючих веществ  горение  может быть  гомогенным   и   гетерогенным .

 Гомогенное   горение : компоненты горючей смеси находятся в газообразном состоянии. Причем, если компоненты перемешаны, то горение называют кинетическим. Если не перемешаны – диффузионное горение.

 Гетерогенное   горение : характеризуется наличием раздела фаз в горючей смеси (горение жидких  и  твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя).

Горение различается также по скорости распространения пламени и в зависимости от этого фактора оно может быть:

-   дефляграционным (скорость пламени в пределах нескольких метров с секунду);

-   взрывным (скорость пламени до сотен метров в секунду);

-   детонационным (скорость пламени порядка тысяч метров в секунду).

Кроме того различают: ламинарное горение, характеризуемое послойным распространением фронта пламени по горючей смеси; турбулентное, характеризуемое перемешиванием слоев потока и повышенной скоростью выгорания.

Равномерное распространение горения устойчиво лишь в том случае, если оно не сопровождается повышением давления. Когда горение происходит в замкнутом пространстве, или выход газообразных продуктов затруднителен, то повышение температуры приводит к интенсивному расширению газовых объемов и взрыву.

Под взрывом понимают быстрое превращение веществ, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.

Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб и представляющее опасность для людей.

            11. Кинетический и диффузионный режимы горения.(2)

Горючие системы подразделяются на однородные и неоднородные. Однородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом (смеси горючих газов, паров с воздухом). Горение таких систем называют горением кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре. При определенных условиях такое горение может носить характер взрыва или детонации. Неоднородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (твердые горючие материалы и не распыленные жидкости). В процессе горения неоднородных горючих систем кислород воздуха проникает (диффундирует) сквозь продукты горения к горючему веществу и вступает с ним в реакцию. Такое горение называют диффузионным горением, так как его скорость определяется главным образом, сравнительно медленно протекающим процессом-диффузией.

12. Состав горючих веществ и окислителя при расчётах параметров

 горения в атмосфере.

При большинстве пожаров в основе горения лежат реакции со­единения горючих веществ с кислородом воздуха и только в отдельных случаях, когда горят взрывчатые вещества, пиротехнические изделия и другие материалы с положительным кислородным балансом, горение происходит за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего ве­щества или кислорода окислителя.

Поскольку воздух состоит из 21 % (об.) кислорода и 79 % (об.) азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21 = 3,76 молей азота, то уравнение реакции горения вещества в воздухе составляют с уче­том того, что на каждый моль кислорода приходится по 3,76 моля азота.

Например, реакции горения водорода, метана, этана, пропана, ацитилена и спирта, и запишутся в виде следующих уравнений:

2Н₂ +0₂ +3,76N₂ = 2H₂ 0 + 3,76N₂.

СН₄ + 20₂ + 2 * 3,76N₂ = С0₂ + 2Н₂0 + 2 • 3,76N₂;

С₂Н₆ + 3,50₂ + 3,5* 3,76N₂ = 2С0₂ + 3Н₂0 + 3,5 • 3,76N₂;

С₃Н₈ + 50₂ + 5* 3,76N₂ = 3С0₂ + 4Н₂0 + 5 • 3,76N₂;

С₂Н₆ + 3,50₂ + 3,5* 3,76N₂ = 2С0₂ + 3Н₂0 + 3,5 • 3,76N₂;

                                         С₂Н₅0Н + 30₂ + 3 • 3/76N ₂ = 2С0₂ + ЗН₂0 + 3 • 3,76N₂; 

Азот в уравнениях химических реакций горения учитывается по­тому, что он поглощает часть теплоты, выделяемой в результате реакций горения, и входит в состав продуктов сгорания — дымовых газов. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО₂ и Н₂О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО₂ –  его также записывают. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N₂). Объясняется это тем, что при горении в воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при такой температуре окислы азота не образуются. По уравнениям химических реакций горения рассчитывается ко­личество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы или единицы объема горючего вещества, а также состав и количество продуктов сгорания.

13. Влажность, летучие продукты пиролиза и межфазовые переходы

Пиролиз (от греч. руr-огонь и lysis-разложение, распад)– разложение или др. превращения хим. соединений при нагревании.

Образование пламени связано с газообразным состоянием вещества, поэтому горение жидких и твердых веществ, сопровождающееся возникновением пламени, предполагает их предварительный переход в газообразную фазу. В случае горения жидкостей этот процесс обычно заключается в простом кипении с испарением у поверхности, в то время как при горении почти всех твердых веществ образование продуктов, способных улетучиваться с поверхности материала и попадание в область пламени, происходит путем химического разложения или пиролиза.