17

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА "БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ"

Бажина Татьяна Петровна

Конспект лекций по дисциплине

"Теория горения и взрыва"

для студентов-заочников специальности 280102 – Безопасность технологических процессов и производств

Краснодар, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

1. Процесс горения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1Диффузионное и кинетическое горение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2. Диффузионное пламя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Расход воздуха на горение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4. Продукты сгорания. Дым . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5. Теплота сгорания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6. Температура горения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7. Оценка пожарной опасности веществ и материалов . . . . . . . . . . .15

2 Самовоспламенение и возгорание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1. Кинетика химических реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2. Превращение горючих веществ при нагревании . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3. Теория окисления горючих веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

2.4. Теория самовоспламенения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

2.5. Температура самовоспламенения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6. Процесс возгорания и воспламенения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 Склонность веществ к самовозгоранию . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1 Температура самонагревания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Тепловое самовозгорание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3 Микробиологическое самовозгорание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4 Химическое самовозгорание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 Горение смесей газов и паров с воздухом . . . . . . . . . . . . . . 30

4.1 Теория горения газовых смесей. Давление при взрыве . . . . . . . . . . . 30

4.2 Концентрационные пределы воспламенения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.3 Методы определения концентрационных пределов

воспламенения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5 Горение жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.1 Испарение жидкостей. Насыщенный пар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.2 Температурные пределы воспламенения. Температура вспышки . . . 39

5.3. Процесс горения жидкостей. Скорость выгорания . . . . . . . . . . . . . 42

5.4 Прогрев жидкостей при горении. Вскипание. Выброс . . . . . . . . . 44

6 Горение пылевоздушных смесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.1 Свойства, определяющие пожароопасность пылей . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.2 Теория горения аэровзвесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.3 Пределы воспламенения аэровзвесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7 Горение твердых веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7.1 Состав и свойства твердых горючих веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7.2 Горение древесины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

7.3 Горение металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8 Теория химического строения А.М.Бутлерова и классификация органических веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

8.1 Теория химического строения А. М. Бутлерова. Изомерия . . . . . . 59

8.2 Классификация органических веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9 Свойства и пожарная опасность углеводородов . . . . . . . . . . . . 61

9.1 Предельные углеводороды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.2 Непредельные углеводороды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

9.3. Ароматические углеводороды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

9.4 Нефть и нефтепродукты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10 Свойства и пожарная опасность органических соединений, содержащих кислород и азот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.1 Спирты и простые эфиры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.2 Альдегиды и кетоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

10.3 Карбоновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

10.4 Сложные эфиры карбоновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

10.5 Нитросоединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

10.6 Сложные эфиры азотной кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

10.7 Аминосоединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

11 Свойства и пожарная опасность элемент-

органических соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

11.1 Кремнийорганические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

11.2 Металлорганические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

11.3 Фосфорорганические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

12 Свойства и пожарная опасность полимеров . . . . . . . . . . . . . 92

12.1 Синтетические полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

12.2 Пластические массы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

12.3 Синтетические волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

12.4 Натуральный и синтетический каучук . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

13 Свойства и пожарная опасность веществ, применяемых

в сельском хозяйстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

13.1 Классификация веществ, применяемых в сельском хозяйстве . . 102

13.2 Пестициды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

13.3 Удобрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Горением называют физико-химический процесс, для которого характерны три признака:

• химическое превращение,

• выделение тепла,

• излучение света.

1 Процесс горения

Горение состоит из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного типа, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул.

Окислителями могут быть самые различные вещества: хлор, бром, сера, кислород, кислородсодержащие вещества и т. п. Однако чаще всего окислителем является кислород.

Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот (78%), кислород (21%) и аргон (0,9%).

Чтобы возникло горение, необходимы определенные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника зажигания. Горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником тепла (источником зажигания): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реакции или меха- нической работе. В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания процесса горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном соотношении.

Сгорание веществ может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются продукты, не способные к дальнейшему горению (С0₂, Н₂О, НС1); при неполном — получающиеся продукты способны к дальнейшему горению (СО, Н₂S, НСN, NН₃, альдегиды и т. д.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

В основе процесса горения лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления-восстановления основана на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстановителем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления состоит в присоединении восстанавливающимся веществом (окислителем) электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

Процесс горения — весьма активный процесс, протекающий с выделением значительного количества энергии (в виде тепла и света). Следовательно, в этом процессе происходит такое превращение веществ, при котором из менее устойчивых веществ получаются более устойчивые.

1. Диффузионное и кинетическое горение

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны (смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом). К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела: твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух, и т. д.

Примером горения паров и газов (гомогенное горение) является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости, или горение газа, выходящего из трубы. Так как парциальное давление кислорода воздуха равно 21,2 кПа, а в зоне горения давление равно нулю, кислород из воздуха диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. Следовательно, скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода.

Примером горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы. Концентрация кислорода в объеме воздуха (С₁) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (Со). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится.

Таким образом, полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха _ф, и времени, затрачиваемого на протекание самой химической реакции _х

_г= _ф+ _х

В случае гомогенного горения величина _ф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения — временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.

В зависимости от соотношения _ф и _х горение называют диффузионным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т. е. _ф>> _х, и практически _{ф х},. Это значит, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т. е. _г<< _х, то можно принять _{г х}. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва.