Физико-химические процессы горения и взрыва

Физико-химические процессы горения и взрыва

Часть 2

Взрывчатые вещества и смеси

 

Практикум

 

Пермь

ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА»

УДК 621.7.148

ББК 79.3

 

Физико-химические процессы горения и взрыва [ТЕКСТ]: практикум сост. Л. В. Куслина, И.В. Машевская; ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2011.-72.; 20см.- 50 экз.61с.

Практикум составлен Л. В. Куслиной, И.В. Машевской.

 

Рецензенты:

Заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности Пермского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор В.А.Трефилов;

Доцент кафедры неорганической химии Пермского государственного университета, кандидат химических наук В. С. Корзанов.

 

Cборник практических занятий предназначен для студентов очного и заочного обучения инженерного факультета специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере». Книга станет хорошим помощником в изучении дисциплины, при проведении практических занятий, подготовке к сдаче экзаменов и зачетов, в написании рефератов по дисциплине «Физико-химические процессы горения и взрыва» и «Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях». Данное учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту.

 

Рекомендовано к изданию кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» (протокол № от 05.03.2011) и методической комиссией инженерного факультета (протокол № от __.__. 2011).

 

Оглавление

Введение
Глава 1. Взрывчатые вещества
1.1. Характеристика взрывчатых веществ
1.2. Классификация взрывчатых веществ
1.3. Виды взрывов на взрывоопасных объектах (ВОО)
Глава 2. Взрывы паровоздушных и газовоздушных смесей
2.1. Параметры взрыва парогазовых смесей (ПГС)
2.2. Расчет максимального давления взрыва парогазовых смесей
2.3. Расчет тротилового эквивалента взрыва и безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн
2.4. Контрольные задачи и задание для самостоятельной работы
2.5. Методики оценки зон разрушений при взрывах газо-воздушных смесей (ГВС)
2.6. Прогнозирование последствий взрывов газопаровоздушных смесей (ГПВС) в производственных помещениях
2.7. Взрывы газопаровоздушных смесей
2.8. Взрывы пылевоздушных смесей (ПВС)
2.9. Взрывы при аварийной разгерметизации магистрального газопровода
Глава 3. Взрывы конденсированных взрывчатых веществ
3.1. Прогнозирование обстановки при авариях со взрывом на пожароопасных объектах
Литература
Приложение

Введение

Спецкурс ОПД 05 - «Физико-химические основы горения и взрыва», согласно государственному образовательному стандарту представляет собой совокупность следующих вопросов: физико-химические основы горения; теории горения: тепловая, цепная, диффузионная; виды пламени и скорости его распространения; условия возникновения и развития процессов горения; взрывы: типы взрывов, физические и химические взрывы, классификация взрывов по плотности вещества, по типам химических реакций, энергия и мощность, форма ударной волны, длительность импульса.

Данный практикум предназначен для формирования у студентов практических навыков по спецкурсу «Физико-химические основы горения и взрыва».

В практикуме представлены расчетные работы по следующим темам:

· Взрывчатые вещества

· Взрывы паровоздушных и газовоздушных смесей

· Взрывы конденсированных взрывчатых веществ

 

Практикум можно использовать при проведении практических занятий по спецкурсу «Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях», а именно при решении задач по оценке обстановки при ЧС, связанных со взрывчатыми веществами.

Глава 1. Взрывчатые вещества

Взрывчатое вещество (ВВ) - химическое соединение или их смесь, способное в результате определённых внешних воздействий или внутренних процессов взрываться, выделяя тепло и образуя сильно нагретые газы.

Комплекс процессов который происходит в таком веществе, называется детонацией. Традиционно к взрывчатым веществам также относят соединения и смеси, которые не детонируют, а горят с определенной скоростью (метательные пороха, пиротехнические составы).

Существует ряд веществ, также способных к взрыву (например, ядерные и термоядерные материалы, антивещество). Также существуют методы воздействия на различные вещества, приводящие к взрыву (например, лазером или электрической дугой). Обычно такие вещества не называют «взрывчатыми» [1].

 

Характеристика взрывчатых веществ

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;

· критический диаметр детонации;

· критическая плотность детонации.

При детонации разложение ВВ происходит настолько быстро (за время от 10⁻⁶ до 10⁻² с), что газообразные продукты разложения с температурой в несколько тысяч градусов оказываются сжатыми в объёме, близком к начальному объёму заряда. Резко расширяясь, они являются основным первичным фактором разрушительного действия взрыва.

Различают 2 основных вида действия ВВ:

· бризантное (местного действия);

· фугасное (общего действия).

Существенное значение при обращении и хранении ВВ имеет их стабильность.

ВВ широко используются и в промышленности для производства различных взрывных работ. Ежегодный расход ВВ в странах с развитым промышленным производством даже в мирное время составляет сотни тысяч тонн. В военное время расход ВВ резко возрастает. Так, в период 1-й мировой войны в воюющих странах он составил около 5 миллионов тонн, а во 2-й мировой войне превысил 10 миллионов тонн.

В Российской Федерации запрещена свободная реализация взрывчатых веществ, средств взрывания, порохов, всех видов ракетного топлива, а также специальных материалов и специального оборудования для их производства, нормативной документации на их производство и эксплуатацию.

Классификация взрывчатых веществ (ВВ)

Взрывчатые вещества имеют весьма разнообразную классификацию [1].

По составу

· Индивидуальные химические соединения. Большинство таких соединений представляют собой кислородосодержащие вещества, обладающие свойством полностью или частично окисляться внутри молекулы без доступа воздуха. Существуют соединения, не содержащие кислород, но обладающие свойством взрываться (разлагаться) (азиды, ацетилениды, диазосоединения и др.). Они, как правило, обладают неустойчивой молекулярной структурой, повышенной чувствительностью к внешним воздействиям (трению, удару, нагреву, огню, искре, переходу между фазовыми состояниями, другим химическим веществам) и относятся к веществам с повышенной взрывоопасностью.

· Взрывчатые смеси-композиты. Состоят из двух и более химически не связанных между собой веществ. Многие взрывчатые смеси состоят из индивидуальных веществ, не имеющих взрывчатых свойств (горючих, окислителей и регулирующих добавок).

При использовании взрывчатых смесей применяют:

1. для снижения чувствительности ВВ к внешним воздействиям. Для этого добавляют различные вещества - флегматизаторы (парафин, церезин, воск, дифениламин и др.);

2. для увеличения теплоты взрыва добавляют металлические порошки, например, алюминий, магний, цирконий, бериллий и прочие восстановители);

3. для повышения стабильности при хранении и применении;

4. для обеспечения функций контроля над применением ВВ В состав ВВ могут вводиться специальные вещества-маркеры, по наличию которых в продуктах взрыва устанавливается происхождение ВВ.

 

По физическому состоянию

· газообразные;

· жидкие (при нормальных условиях таким ВВ является, например, индивидуальные вещества нитроглицерин, этиленгликольдинитрат (нитрогликоль), этилнитрат и другие);

· гелеобразные (при растворении нитроцеллюлозы в нитроглицерине образуется гелеобразная масса, получившая название «гремучий студень»);

· суспензионные (большая часть современных промышленных ВВ представляют собой суспензии смесей аммиачной селитры с различными горючими и добавками в воде (акватол, ифзанит, карбатол);

· эмульсионные;

· твердые (в военном деле применяются преимущественно твёрдые (конденсированные) ВВ). Твердые ВВ могут быть:

§ монолитными (тротил);

§ порошкообразными (гексоген);

§ гранулированными (аммиачно-селитренные взрывчатые вещества);

§ пластичными;

 

По форме работы взрыва

· инициирующие (первичные). Инициирующие ВВ предназначаются для возбуждения взрывчатых превращений в зарядах других ВВ. Они отличаются повышенной чувствительностью и легко взрываются от простых начальных импульсов (удара, трения, накола жалом, электрической искры и т. д.). Основой инициирующих ВВ являются гремучая ртуть, азид свинца, тринитрорезорцинат свинца (ТНРС), тетразен, диазодинитрофенол (или их смеси) и прочие с высокой скоростью детонации (свыше 5000 м/с);

· бризантные (вторичные). Бризантные ВВ менее чувствительны к внешним воздействиям, и возбуждение взрывчатых превращений в них осуществляется главным образом с помощью инициирующих ВВ. В качестве бризантных ВВ применяются обычно различные нитросоединения (тротил, нитрометан и др.), N-нитрамины (тетрил, гексоген, октоген, этилен-N,N'-динитрамин и др.), нитраты спиртов (нитроглицерин, нитрогликоль), нитраты целлюлозы и др. Часто эти соединения применяют в виде смесей между собой и с другими веществами.

Бризантные взрывчатые смеси часто называют по виду окислителя:

· хлоратиты (окислитель - хлорат калия)

· перхлоратиты (окислитель - перхлорат калия, перхлорат аммония)

· аммониты (окислитель - нитрат аммония)

· оксиликвиты (окислитель - жидкий кислород) и др.

Бризантные ВВ применяют для снаряжения боевых частей ракет различных классов, снарядов реактивной и ствольной артиллерии, артиллерийских и инженерных мин, авиационных бомб, торпед, глубинных бомб, ручных гранат и т. д.

В ядерных боеприпасах бризантные ВВ используются в зарядах, предназначенных для перевода ядерного горючего в надкритическое состояние.

В различных вспомогательных системах ракетно-космической техники бризантные ВВ применяют в качестве основных зарядов для разделения конструкционных элементов ракет и космических аппаратов, отсечки тяги, аварийного выключения и подрыва двигателей, выброса и отсечки парашютов, аварийного вскрытия люков и др.

В авиационных системах пироавтоматики бризантные ВВ используются для аварийного отделения кабин, взрывного отброса винтов вертолётов и т. д.

Значительное количество бризантных ВВ расходуется в горном деле (вскрышные работы, добыча полезных ископаемых), в строительстве (подготовка котлованов, разрушение скальных пород, разрушение ликвидируемых строительных конструкций), в промышленности (сварка взрывом, импульсная обработка металлов и др.).

· Метательные взрывчатые вещества. Метательные ВВ (пороха и ракетные топлива) служат источниками энергии для метания тел (снарядов, мин, пуль и т. д.) или движения ракет. Их отличительная особенность - способность к взрывчатому превращению в форме быстрого сгорания, но без детонации.

· Пиротехнические составы. Пиротехнические составы применяются для получения пиротехнических эффектов (светового, дымового, зажигательного, звукового и т. д.). Основной вид взрывчатых превращений пиротехнических составов - горение.

По направлениям применения

· военные;

· промышленные:

o для горного дела (добыча полезных ископаемых, производство стройматериалов, вскрышные работы);

o для строительства (плотин, каналов, котлованов, дрожных выемок и насыпей);

o для сейсморазведки;

o для разрушения строительных конструкций;

o для обработки материалов (сварка взрывом, упрочнение взрывом, резание взрывом);

o специального назначения (например, средства расстыковки космических аппаратов).

· антисоциального применения (терроризм, хулиганство), при этом часто используются низкокачественные вещества и смеси кустарного изготовления;

· опытно-экспериментальные.

 

Р е ш е н и е.

1. Определяем состав и объем исходной смеси и продуктов горения.

Запишем уравнение химической реакции:

 

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ + (6,5·3,76)N₂ = 4СО₂ +5Н₂О + (6,5∙3,76)N₂.

 

Из уравнения реакции следует: количество исходной смеси стехио-

метрического состава равно 31,9 моля, количество продуктов сгорания 33,4 моля.

2. Рассчитываем максимальное давление взрыва бутано-воздушной

смеси (формула 1.1).

 

= = =11,14∙10⁵Па

 

4. Избыточное давления взрыва Δ Р будет равно:

 

P= - 1·10⁵ Па = 11,14·10⁵ - 1×10⁵ = 10,14·10⁵ Па.

 

Р е ш е н и е.

1. Тротиловый эквивалент взрыва бутана в смеси стехиометрического

состава равен 10,9 (см. пример 1).

2. Тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве

в технологическом оборудовании рассчитывается по формуле (2.3б), при

условии g=1.

М _ТНТ = η ∙ m ∙g = 10,9∙20∙1 = 220 кг (тротила).

 

3. Тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве

облака рассчитывается по формуле (2.3, б) при условии g=0,4.

 

М _ТНТ = η ∙ m ∙g = 10,9∙20∙0,4 = 90 кг (тротила).

 

П р и м е р 3. Для случаев взрывов, рассмотренных в примере 2, рас-

считать безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны.

Р е ш е н и е.

1. Безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны при

взрыве в технологическом оборудовании (согласно 2.4) будет равно:

 

R_без=15 =15 91 м.

 

2. Безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны при

взрыве облака (согласно 2.4) будет равно:

 

R_без=15 =15 67 м.

 

Контрольные задачи

1. Определить тротиловый эквивалент аварийного взрыва облака из

смеси паров ацетона с воздухом и безопасное расстояние по действию

ударной волны взрыва. Концентрация паров горючего в смеси 0,2 кг/м³.

Объем облака 2500 м³.

2. Определить количество взорвавшихся паров бензола, если после

аварии отмечены разрушения на расстоянии 100 м от эпицентра взрыва.

Взрыв произошел в помещении.

3. Определить возможность разрушения металлического резервуара,

рассчитанного на давление 5·10⁵ Па, при взрыве паров толуола.

 

Задание для самостоятельной работы

Рассчитать максимальное давление взрыва и безопасное расстояние

по действию ударной волны взрыва для парогазовоздушной смеси i -го ве-

щества. При расчете максимального давления взрыва принять давление и

температуру до взрыва равными: Р _о = 10⁵ Па, Т _о = 273 К.

Расчет безопасного расстояния выполнить как для условия взрыва в

ограниченном объеме, так и для взрыва в открытом пространстве. Расчет

выполнить для горючего вещества массой m_i.

Т а б л и ц а 1

№ варианта	Горючее вещество	Брутто-формула	Масса горючего, кг
	диметиловый эфир диэтиловый эфир н-бутиловый спирт нитроэтан окись углерода н-пентан пропан сероводород этилбензол ацетилен толуол этиленгликоль этан уксуснобутиловый эфир н-гексиловый спирт уксусноэтиловый эфир метиловый спирт пропиловый спирт метан	С2Н6О С4Н10О С4Н10О C2H5NO2 CO C5H12 C3H8 H2S C8H10 C2H2 C7H8 C2H6O C2H6 C6H12O2 C6H14O C4H8O2 CH4O C3H8O СН4

Список литературы

 

1. Денисов Е.Т., Саркисов О.М., Лихтенштейн Г.И. Химическая кинетика. М.: Химия, 2000.

2. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. – М.: изд-во МГУ, 1997.

3. Краткие справочные данные о ЧС техногенного, антропогенного и природного происхождения. М.: Штаб ГО РФ, 1990.

4. Безопасность в чрезвычайных ситуациях /под ред. Н. К. Шишкина. -М.:ГУУ, 2000.

5. Гражданская оборона /под ред. Е. П. Шубина. - М.:Просвещение,1991.

6. Мастрюков, Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях/ Б.С. Мастрюков - М.: Изд. Центр "Академия", 2003.

7. Основы защиты населения и территорий в ЧС / под ред. В. В. Тарасова. - М.:МГУ,1998

8. Цивилёв, М. Размеры зон разрушений при детонационных взрывах газо- и паровоздушных смесей углеводородных веществ. Гражданская защита. 1995. №11. с. 57-60.

9. Чрезвычайные ситуации (источники, прогноз, защита): учеб. пособие/ М.П. Пьянзин, А.Ф. Борисов. НГАСУ, Вента, Н.Новгород, 2004

10. Гражданская защита: учеб. пособие/ П.П. Титоренко. - М.: МГТУ,1997.

11. Устойчивость объектов экономики в ЧС.: учеб. пособие/ В.И. Васильев. - СПб: СПб ГПУ, 2002.

12. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение / М. В. Бесчастнов. - М.: Химия, 1991.

13. Стихийные бедствия, аварии, катастрофы. Вып.1//Библиотечка журнала "Военные знания".- М., 1998.

14. Справочные данные по расчету ЧС техногенного и экологического происхождения. - М.: Штаб ГО СССР, 1990.

15. Демиденко Г. П. Защита объектов народного хозяйства от оружия мас-сового поражения: Справ., Киев: ВШ, 1989.

16. http://bgd.iate.obninsk.ru/next.htm. Расчетные работы «Прогнозирование состояния объекта экономики при аварии со взрывом». Сайт штаба БЖД Обнинского государственного технического университета атомной энергетики (ИАТЭ).2010.

17. http://ru.wikipedia.org/wiki/Взрывчатка

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Теплосодержание некоторых веществ

Темпе-ратура ^0С	Теплосодержание, кДж/моль
О2	N2	Воздух	СО2	Н 2О	SO2
	3.0	2.9	2.9	3.8	3.3	4.1
	6.0	5.8	5.8	8.0	6.8	8.5
	9.1	8.8	8.9	12.5	10.4	13.2
	12.4	11.8	11.9	17.3	14.0	18.2
	15.7	14.9	15.1	22.3	17.8	23.3
	19.1	18.1	18.3	27.5	21.7	28.5
	22.5	21.3	21.5	32.8	25.8	33.9
	26.0	24.6	24.8	38.2	29.9	39.3
	29.6	28.0	28.2	43.8	34.8	44.8
	33.1	31.3	31.6	49.4	38.6	50.3
	36.8	34.8	35.1	55.1	43.2	55.9
	40.4	38.2	38.6	60.9	47.8	61.5
	44.0	41.7	42.1	66.8	52.6	67.2
	47.7	45.0	45.6	72.7	57.4	72.8
	51.5	48.8	49.2	78.6	62.3	78.4
	55.2	52.4	52.8	84.6	67.3	84.1
	59.0	55.9	56.4	90.5	72.4	89.8
	62.8	69.5	60.0	96.6	77.6	95.6
	66.6	63.1	63.6	102.6	82.8	101.2
	70.4	66.8	67.3	108.6	88.1	107.1
	74.2	70.4	71.0	114.7	93.4	112.7
	78.1	74.1	74.7	120.8	98.8	120.3
	78.1	74.1	74.1	126.9	104.2	124.2

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении

Температура, ^0С	Теплосодержание, кДж/м^3*10^-2	Температура, ^0С
O2	N2	Воздух	CO2	H2O	SO2
	1.3	1.3	1.3	1.7	1.5	1.8
	2.7	2.6	2.6	3.6	3.0	3.8
	4.1	3.9	3.9	5.6	4.7	5.9
	5.5	5.3	5.3	7.7	5.9	8.2
	6.7	6.7	6.7	9.3	6.3	10.3
	8.5	8.1	8.1	12.3	9.7	12.7
	10.0	9.5	9.6	14.6	11.5	15.1
	11.6	11.0	11.1	17.1	13.4	17.5
	13.2	12.5	12.6	19.5	15.3	19.9
	14.8	14.0	14.1	22.1	17.2	22.4
	16.4	15.5	15.6	24.6	19.3	24.9
	18.0	17.1	17.2	27.2	21.3	27.4
	19.7	18.6	18.8	29.8	23.5	29.8
	21.3	20.1	20.4	32.4	25.6	32.4
	23.0	21.8	21.9	35.1	27.8	34.9
	24.6	23.4	23.6	37.7	30.0	37.5
	26.3	25.0	25.2	40.4	32.3	40.0
	28.0	26.6	26.8	43.1	34.6	42.6
	29.7	28.2	28.4	45.8	36.9	45.3
	31.4	29.8	30.0	48.5	39.3	47.9
	33.1	31.4	31.7	51.2	41.7	50.6
	35.0	33.0	33.3	53.9	44.1	53.4
	36.6	34.7	35.0	56.6	46.7	56.1
	38.3	36.3	36.6	59.3	48.9	58.9
	40.0	38.0	38.3	62.1	51.4	61.7
	41.8	39.5	40.0	64.9	53.9	64.6
	43.7	41.4	41.6	67.6	56.4	67.5
	45.5	43.0	43.2	70.3	59.0	70.5
	47.3	44.7	44.8	73.1	61.6	73.5
	49.4	46.3	46.5	75.9	64.3	76.6

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Вещество	Теплота образования, кДж/моль	Теплота сгорания, кДж/моль
Альдегид
Муравьиный (ж)	121,1	561,5
Уксусный (ж)	166,3	1173,2
Аммиак (газ)	46,1	384,2
Анилин (ж)	29,7	3484,0
Антрацен (тв)	-101,4	7102,0
Ацетилен (газ)	-224,6	1307,3
Ацетон (ж)	248,1	1789,1
Бензол (ж)	-34,8	3282,4
Бутадиен-1,3 (ж)	-104,3	2547,9
Н-Бутан (газ)	132,4	2882,3
Н-Бутан (ж)	153,8	2863,0
Бутен-1 (газ)	6,3	2723,9
Винилхлорид (газ)	-37,7	1259,9
Винилхлорид (ж)	-17,2	123,4
Вода (ж)	286,6	-
Вода (газ)	242,2	-
Н-Гексан (ж)	211,2	4150,6
Н-Гептан (ж)	239,7	4814,3
Глицерин (ж)	675,4	1658,8
Двуокись
Серы	297,5	-
Углерода	396,6	-
Диоксон (ж)	375,4	2354,8
Дифенил (тв)	-80,4	6258,2
Изобутан (ж)	159,2	2857,6

Теплота образования и сгорания некоторых веществ

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Величины параметров К и l для вычисления температурных пределов воспламенения некоторых жидкостей

Гомологический ряд	Формула n=0.1.2.3.4…	Параметры для
К	l
нормальные алканы	СН3-(СН2)n-СН3
2-метилалканы	(СН3)2-(СН2)n-CH3
нормальные 1-алкены	СH2=СН-(СН2)n-СН3
норм. жирные спирты	СН3-(СН2)n-ОН
2-метилкарбинолы	(СН3)2СН-(СН2)n-ОН
н-алкилформиаты	НСОО-(СН2)n-СН3
н- алкилацетаты	СН3СОО-(СН2)n-СН3

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

ПРИЛОЖЕНИЕ 10

ПРИЛОЖЕНИЕ 11

ПРИЛОЖЕНИЕ 12

ПРИЛОЖЕНИЕ 13

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ

Физико-химические процессы горения и взрыва

Часть 2

Взрывчатые вещества и смеси

 

Практикум

 

Пермь

ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА»

УДК 621.7.148

ББК 79.3

 

Физико-химические процессы горения и взрыва [ТЕКСТ]: практикум сост. Л. В. Куслина, И.В. Машевская; ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2011.-72.; 20см.- 50 экз.61с.