Историческое развитие науки о горении

Теории горения и взрыва.

 

1. Цель и задачи дисциплины

а) Целью изучения является получение знаний физико-химических основ горения и взрыва.

б) Задачами являются формирование знаний и освоение практических способов действий, необходимых для:

- обеспечения организации эффективной и оперативной ликвидации последствий пожаров и взрывов и их предупреждению;

- обоснованного подхода к выбору пожарно-спасательных средств и организации пожаротушения.

 

Историческое развитие науки о горении

а) в 1783 году Лавуазье и Лаплас обнаружили, что продукт горения водорода — чистая вода. Эти открытия заложили основу современных научных взглядов на природу горения.

в) в 1890 году Михельсон опубликовал работу о распространении пламени в трубах и предложил теорию горелки Бунзена.

г) современная теория горения ведёт начало от работ Н. Н. Семёнова по тепловому взрыву, выполненных в 1920-е годы. Основанный Н. Н. Семёновым в 1931 году Институт химической физики стал ведущим научным центром по химической физике и горению.

д) в 1938 году Д. А. Франк-Каменецкий развил теорию теплового взрыва, и, вместе с Я. Б. Зельдовичем, — теорию распространения ламинарного пламени в предварительно перемешанных смесях.

е) в том же 1938 году в опытах А. Ф. Беляева было показано, что горение летучих взрывчатых веществ происходит в газовой фазе.

ж) в 1940-е годы Я. Б. Зельдович развивает теорию детонации.

Вопросами горения занимались древнегреческие мыслители. С исследования в области горения связаны имена таких ученых как Бойль, Ломоносов, Лавуазье, Томсон, Фарадей. В результате исследований выдающихся советских ученых Семенова, Зельдовича, Ф-К сформулированы важные идеи современной теории горения. Однако многие из основных закономерностей, управляющих процессом горения, до сих пор изучены недостаточно. Отставание в изучении горения объясняется его сложностью. При горении приходится иметь дело с химическими реакциями, протекающими одновременно с процессами аэродинамики и диффузии, с тепло- и массообменом. Поэтому исследования в области горения ведутся в настоящее время во многих институтах, лабораториях и на промышленных предприятиях. Особое значение приобрели в последние десятилетия исследования горения газовоздушных смесей. Горючие газы стали одним из основных и наиболее экономичных видов топлива во многих отраслях народного хозяйства. Поэтому для наиболее рационального их использования необходимо правильно применять законы, управляющие горением.

 

 

3. Термины и определения в области горения и взрыва

а) горение -экзотермическая реакция, проходящая в условиях прогрессивного самоускорения;

б) воспламенение - начало пламенного горения под действием источника зажигания;

в) самовоспламенение - локальное горение в-ва, инициированное физ-хим- ми показателями топлива;

г) самовозгорание - самопроизвольное возникновение горения вследствие постепенного накопления тепла при протекании экзотермических реакций;

д) зажигание – явление возникновения горения от внешних источников с повышенной температурой;

 

Основные физико-химические свойства горючих газов

а) плотностью любого однородного вещества называется физическая величина, представляющая собой отношение массы вещества m к занимаемому им объему V: p=m/V.

б) удельный вес газа можно определить по формуле γ= G/V, где G – вес газа; V – его объем.

в) плотность и удельный вес связаны между собой следующим соотношением: p= γ/ g,

удельный объем, м 3 /кг, определяется по формуле v= V / m.

теплоемкость C= .

теплосодержание энтальпияH = U + pV,

Теплопроводность q=- λ gradT λ- коэф. Теплопроводности.

 

 

Основные газовые законы

а) состояние газа определяется тремя его величинами: T температурой, P давлением и V объемом.

б) нормальными условиями принято считать температуру Т=0 по Цельсию, давление P= 101,325 кПа (атмосферное). При таких условиях приняты следующие обозначения: Vо – объём газа, а давление — через Pо.

в) закон Бойля — Мариотта: при T= const давление газа обратно пропорционально объему газа:

 

Р2/Р1 = V1/V2 или PV = const.

 

г) закон Гей - Люссака: при Р=const объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре:

 

V1/T1 = V2/T2 или V/T = const.

 

д) при V=const давление газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре:

 

Р1/Т1=P2/Т2.

 

е) объединяя эти законы, получим универсальный газовый закон:

 

PV/T = P0V0/T0

 

Горение газов, понятие теплоты сгорания

а) теплота́ сгорания — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества.

б) измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг,м³ или моль).

в) теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества.

г) горение газов — это превращение смеси горючих газов и окислителя в продукты сгорания.

 

Зависимость скорости химической реакции от температуры

С увеличением температуры скорость химической реакции горения возрастает. Для нахождения зависимости скорости химической реакции от температуры достаточно определить температурную зависимость константы.

Чем выше уровень энергии активации, тем медленнее скорость реакции.

Оценка и расчет взрывобезопасности на объектах экономики

 

 

Энергия и мощность взрыва.

Характеристика разрушительного действия боеприпасов, в которых эффект

поражения обеспечиваетсяподрывом заряда взрывчатого вещества.

Мощность взрыва ядерного заряда характеризуется тротиловым

эквивалентом.

Энергия взрыва определяется физико-химическими превращениями, протекающими при различных типах взрывов.

 

 

Принципы горения газов.

Для оптимального горения необходимо использовать большее количество воздуха, чем следует из теоретического расчёта химической реакции (стехиометрический воздух).

Это вызвано необходимостью окислить всё имеющееся в наличии топливо.

Разница между реальным количеством воздуха и стехиометрическим количеством воздуха называется избытком воздуха. Как правило, избыток воздуха находится в пределах от 5% до 50% в зависимости от типа топлива и горелки.

Обычно, чем труднее окислить топливо, тем большее количество избыточного воздуха требуется.

Избыточное количество воздуха не должно быть чрезмерным. Чрезмерное количество подаваемого воздуха для горения снижает температуру дымовых газов и увеличивает тепловые потери теплогенератора. Кроме того, при определённом предельном количестве избыточного воздуха, факел слишком сильно охлаждается и начинают образовываться CO и сажа. И наоборот, недостаточное количество воздуха вызывает неполное сгорание и те же самые проблемы, указанные выше. Поэтому, чтобы обеспечить полное сгорание топлива и высокую эффективность горения количество избыточного воздуха должно быть очень точно отрегулировано.

Полнота и эффективность сгорания проверяются измерениями концентрации угарного газа CO в дымовых газах. Если угарного газа нет, значит сгорание произошло полностью.

Косвенно уровень избыточного воздуха можно рассчитать, измеряя концентрацию свободного кислорода O₂ и/или двуокиси углерода СO₂ в дымовых газах.

Количество воздуха будет примерно в 5 раз больше, чем измеренное количество углерода в объёмных процентах.

Что касается СO₂, то его количество в дымовых газах зависит только от количества углерода в топливе, а не от количества избыточного воздуха. Его абсолютное количество будет постоянным, а процент от объёма будет изменяться в зависимости от количества избыточного воздуха, находящегося в дымовых газах. При отсутствии избыточного воздуха количество СO₂ будет максимальным, при увеличении количества избыточного воздуха, объёмный процент СO₂ в дымовых газах понижается. Меньшее количество избыточного воздуха соответствует большему количеству СO₂ и наоборот, поэтому горение идет более эффективно, когда количество СO₂ близко к своему максимальному значению.

Состав дымовых газов можно отобразить на простом графике с помощью "треугольника горения" или треугольника Оствальда, который строится для каждого типа топлива.

С помощью этого графика, зная процентное содержание СO₂ и O₂, мы можем определить содержание CO и количество избыточного воздуха.

 

Образование сажи и оксида углерода при горении.

Оксид углерода содержится в продуктах сгорания из перечисленных веществ в наибольшем количестве. Схема образования и выгорания СО имеет следующий характер: на начальном участке выгорания идёт накопление СО, а затем его окисление по длине факела или камеры сгорания. Высокие концентрации СО сохраняются, если происходит «замораживание» продуктов сгорания, т.е. быстрое охлаждение в результате расширения или соприкосновения с относительно холодными поверхностями теплообмена.

(В атмосфере оксид углерода окисляется до диоксида.)

Сажа обнаруживается в продуктах сгорания углеводородных газов при низком качестве смесеобразования и при значительном недостатке кислорода в зоне горения, а также вследствие резкого локального охлаждения пламени. Причина образования сажи заключается в том, что под воздействием высокой температуры углеводородные молекулы полностью разрушаются. Более лёгкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородный слой и окисляются. А атомы углерода образуют аморфные частицы сажи.

 

Образование оксидов азота при сжигании газов.

Оксиды азота образуются в промышленных печах при высоких температурах 1800-2000 °С. Обычно концентрация оксида NO при выходе из дымовой трубы превышает в 1000-20000 раз ПДК. После выхода из дымовой трубы оксид азота переходит в диоксид NO ₂ по двум реакциям:

1 В корне дымового факела протекает окисление кислородом

2 NO + O ₂ = 2 NO ₂

2 При низких концентрациях окисление идет за счет атмосферного воздуха

NO + O ₃ = NO ₂ + O ₂.

39. Тепловой механизм Я.Б. Зельдовича образования NO при горении

Высокотемпературный механизм окисления азота в зоне горения был предложен Я. Б. Зельдовичем в середине 1940-х годов и считается основным механизмом образования оксидов азота при горении. Этот механизм включает следующие элементарные стадии:

к которым добавляется реакция (Фенимор и Джонс, 1957 ):

Совокупность реакций (1-3) называется расширенным механизмом Зельдовича. В силу того что энергия тройной связи в молекуле N ₂составляет около 950 кДж/моль, реакция (1) имеет большую энергию активации и может проходить с заметной скоростью только при высоких температурах. Поэтому этот механизм играет важную роль в случае высоких температур в зоне реакции, например, при горении околостехиометрических смесей или при диффузионном горении. Считается, что повышение максимальной температуры в зоне горения свыше 1850 К приводит к недопустимо высоким выбросам NO _x, и одним из основных способов снижения выбросов по тепловому механизму является недопущение образования очагов высокой температуры во фронте пламени.

 

Образование канцерогенных ПАУ при горении.

Полициклические ароматические углеводороды – нежелательный побочный продукт сжигания ископаемого топлива, в первую очередь угля и нефтепродуктов. Уголь считается смесью огромного количества поликонденсированных ароматических бензольных ядер с минимальным содержанием водорода. При сжигании этих веществ в печах, электростанциях, двигателях внутреннего сгорания эти соединения разлагаются. При низких температурах сгорания и недостаточном поступлении атмосферного кислорода образуется очень реактивный ацетилен, равно как и различные алифатические фрагменты углеводородов. Ацетилен полимеризуется в бутадиен, который в дальнейшем образует ядро ароматического углеводорода. При добавлении его к существующим ароматическим ядрам возникает ПАУ, например пирен, из которого путем добавления еще одной молекулы бутадиена выделяется наиболее известный канцероген – бензо[а]пирен (БаП). При сжигании при высокой температуре и обильном поступлении атмосферного кислорода образуется мало ПАУ, потому что практически весь углерод сгорает, превращаясь в оксид углерода.

При неполном сгорании возникают частички углерода – сажа. Можно предположить, что образующиеся ПАУ, адсорбированные на поверхности частичек сажи и дыма, вместе с ними попадают в окружающую нас среду. Сажа, твердые частички дыма и выхлопных газов содержатся в дорожной пыли, смоге больших городов, пыльном воздухе коксовых заводов. Вместе с пылью они попадают на одежду, кожу, в дыхательные пути. Сегодня известно уже несколько сот различных полициклических ароматических веществ: несколько десятков из них – канцерогены. Однако их действие неодинаково и зависит от строения соответствующего вещества.

 

Общая характеристика

Любое взрывчатое вещество обладает следующими характеристиками:

способность к экзотермическим химическим превращениям

способность к самораспространяющемуся химическому превращению

Важнейшими характеристиками взрывчатых веществ являются:

скорость взрывчатого превращения (скорость детонации или скорость горения)

давление детонации

теплота (удельная теплота) взрыва

состав и объём газовых продуктов взрывчатого превращения

максимальная температура продуктов взрыва (температура взрыва).

чувствительность к внешним воздействиям^[6]

критический диаметр детонации

критическая плотность детонации

Теории горения и взрыва.

 

1. Цель и задачи дисциплины

а) Целью изучения является получение знаний физико-химических основ горения и взрыва.

б) Задачами являются формирование знаний и освоение практических способов действий, необходимых для:

- обеспечения организации эффективной и оперативной ликвидации последствий пожаров и взрывов и их предупреждению;

- обоснованного подхода к выбору пожарно-спасательных средств и организации пожаротушения.

 

Историческое развитие науки о горении

а) в 1783 году Лавуазье и Лаплас обнаружили, что продукт горения водорода — чистая вода. Эти открытия заложили основу современных научных взглядов на природу горения.

в) в 1890 году Михельсон опубликовал работу о распространении пламени в трубах и предложил теорию горелки Бунзена.

г) современная теория горения ведёт начало от работ Н. Н. Семёнова по тепловому взрыву, выполненных в 1920-е годы. Основанный Н. Н. Семёновым в 1931 году Институт химической физики стал ведущим научным центром по химической физике и горению.

д) в 1938 году Д. А. Франк-Каменецкий развил теорию теплового взрыва, и, вместе с Я. Б. Зельдовичем, — теорию распространения ламинарного пламени в предварительно перемешанных смесях.

е) в том же 1938 году в опытах А. Ф. Беляева было показано, что горение летучих взрывчатых веществ происходит в газовой фазе.

ж) в 1940-е годы Я. Б. Зельдович развивает теорию детонации.

Вопросами горения занимались древнегреческие мыслители. С исследования в области горения связаны имена таких ученых как Бойль, Ломоносов, Лавуазье, Томсон, Фарадей. В результате исследований выдающихся советских ученых Семенова, Зельдовича, Ф-К сформулированы важные идеи современной теории горения. Однако многие из основных закономерностей, управляющих процессом горения, до сих пор изучены недостаточно. Отставание в изучении горения объясняется его сложностью. При горении приходится иметь дело с химическими реакциями, протекающими одновременно с процессами аэродинамики и диффузии, с тепло- и массообменом. Поэтому исследования в области горения ведутся в настоящее время во многих институтах, лабораториях и на промышленных предприятиях. Особое значение приобрели в последние десятилетия исследования горения газовоздушных смесей. Горючие газы стали одним из основных и наиболее экономичных видов топлива во многих отраслях народного хозяйства. Поэтому для наиболее рационального их использования необходимо правильно применять законы, управляющие горением.

 

 

3. Термины и определения в области горения и взрыва

а) горение -экзотермическая реакция, проходящая в условиях прогрессивного самоускорения;

б) воспламенение - начало пламенного горения под действием источника зажигания;

в) самовоспламенение - локальное горение в-ва, инициированное физ-хим- ми показателями топлива;

г) самовозгорание - самопроизвольное возникновение горения вследствие постепенного накопления тепла при протекании экзотермических реакций;

д) зажигание – явление возникновения горения от внешних источников с повышенной температурой;