7983

М И Н О Б Р Н А У К И Р О С С И И Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В. Митрофанова

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Учебно-методическое пособие

по:

-подготовке к практическим занятиям и лабораторным работам для обучающихся по дисциплине «Теория горения и взрыва» направления подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность

направленность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств специальности 20.05.01 Пожарная безопасность

специализация Пожарная безопасность

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

2

УДК

Митрофанова, С. В. Теория горения и взрыва : учебно-методическое пособие / С. В. Митрофанова ; Нижегородский государственный архитектурностроительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 50 с. : ил.

– Текст : электронный.

Приведены указания по подготовке к практическим занятиям и лабораторным работам по дисциплине «Теория горения и взрыва», рассмотрены методы расчета материального и теплового баланса процессов горения, температуры вспышки и горения, температуры и давления взрыва, расчет тротилового эквивалента взрыва.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям и лабораторным работам по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность направленность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств, специальность 20.05.01 Пожарная безопасность специализация Пожарная безопасность.

© С. В. Митрофанова 2022

© ННГАСУ, 2022.

3

3.1ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Реакции самовоспламенения и

3.5ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. Изменение давления взрыва

4

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

1.1Некоторые понятия и определения

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света.

Обычно рассматривают химические реакции газообразных, жидких и твердых горючих веществ с кислородом воздуха.

Горение природного газа используется в паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения, двигателях автомобилей, кухонных газовых горелках и в других теплогенерирующих установках. В природном газе метан является основным компонентом (до 98 об.%). Реакция горения природного газа, содержащего до 98 об.% метана, сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:

СН4(г) + 2О2(г) 2Н2О (ж) + СО2(г); ∆rН = 890.3 кДж/моль

При неполном сгорании газа в двигателях внутреннего сгорания происходит образование оксида углерода (II), а также оксида азота (II):

СН4(г) + 1,5О2(г) 2Н2О (ж) + СО (г) N2(г) + О2(г) 2NО (г)

Чтобы исключить попадание в атмосферу таких вредных вещества, как СО и NO в современных автомобилях используется катализатор дожига:

NО (г) + СО (г) → 0,5N2(г) + СО2 (г)

Горение жидких углеводородов широко используется в двигателях внутреннего сгорания. Например, сгорание смеси углеводородов в составе бензина, керосина, дизельного топлива или мазута. Так при сгорании одного из компонентов топлива – изооктана (2,2,4-триметилпентан) выделяется количество энергии, равное ∆rН = 5463 кДж/моль:

С(СН3)3СН2СН(СН3)2(ж)+12,5О2(г) 9Н2О(ж)+8СО2(г)

Среди твердых горючих веществ особое место занимает каменный уголь – невозобновляемый источник энергии, хранящийся в недрах земли, применяющийся в топочных устройствах, металлургии и других сферах хозяйственной деятельности человека. В каменном угле содержится от 75 до 90 мас.% углерода:

С(т) + О2(г) СО2(г); ∆rН = 393.5 кДж/моль

Горение представляет собой окислительно-восстановительную реакцию,

сопровождающуюся изменением степени окисления элементов. Так происходит при горении водорода в среде кислорода:

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(ж) или

2Н20 + О20 = 2Н2+1О-2.

Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.

Для жидких и твердых веществ горению предшествует окислительновосстановительная реакция, которая сразу же прекращается, это вспышка.

Вспышка – быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением.

При этом сгорание смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом происходит без загорания жидкости или твердого тела. Фактически вспышка соответствует

5

процессу неустойчивого, быстро прекращающегося горения. Такой процесс происходит потому, что скорость поступления горючей газопаровой смеси над поверхность жидкого или твердого материала существенно ниже скорости окислительно-восстановительной реакции. Создается ситуация, когда окислитель, например, кислород воздуха над поверхностью есть, но нет окисляемого вещества (восстановителя).

При достижении условий, когда нагретый жидкий или твердый горючий материал поставляет в газовую фазу пары со скоростью, равной скорости окислительновосстановительной реакции, происходит воспламенение.

Воспламенение – пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. Вслед за воспламенением развивается устойчивое, непрекращающееся горение.

Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.

При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего и окислителя находилась в определенном соотношении.

Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества). К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.

При воспламенении накаленными телами, чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.

Самовоспламенение – явление быстрого нарастания скорости окислительновосстановительной реакции, приводящее при определенных внешних условиях к воспламенению горючего вещества без соприкосновения с пламенем или раскаленным телом.

Самовоспламенение - распространенный процесс, присущий очень многим веществам. Обычно самовоспламенение веществ происходит при достижении определенной температуры, которая называется температурой самовоспламенения.

Температура самовоспламенения — это наименьшая температура горючего вещества, при достижении которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, приводящее к появлению пламенного горения.

Но существуют вещества и смеси способные самовоспламенятся и при комнатной (и даже ниже) температуре без воздействия видимого источника тепла. Такие реакции выглядят довольно эффектно, а процесс называется самовозгоранием.

6

Самовозгорание представляет собой процесс горения, происходящий вследствие накопления тепла от внутренних экзотермических химических, физико-химических или биологических процессов.

Механизм работы таких смесей - самоускоряющаяся экзотермическая реакция, протекающая с воспламенением смеси. Вследствие этого, время воспламенения таких смесей зависит от внешней температуры (чем она выше, тем время воспламенения меньше). При очень высокой скорости развития процесса самовозгорания могут быть получены и самодетонирующие смеси (например, смесь алюминиевой пыли, угля и перекиси водорода или смесь нитрата аммония с перманганатом калия). Есть материалы, которые при известных условиях могут самовоспламеняться и самовозгораться. Среди материалов, используемых на строительстве, особенно подвержены самовозгоранию волокнистые: пакля, тряпки, опилки, пропитанные различными маслами.

Начало самовозгорания характеризуется температурой самовозгорания (Tсв,) представляющей собой минимальную в условиях опыта температуру, при которой обнаруживается тепловыделение. При достижении в процессе самонагревания температуры Tсв. возникает либо тление, либо пламенное горение.

По скорости воспламенения вещества и смеси можно разделить на: воспламеняющиеся немедленно (1-2 секунды после смешивания реагентов), воспламеняющиеся через непродолжительное время (0,1-5 минут после смешивания реагентов) и воспламеняющиеся через продолжительное время (более 5 минут после смешивания реагентов). Следует заметить, что эта классификация очень условна, вследствие сильной зависимости времени воспламенения от внешних условий (состав смеси, температура воздуха, влажность воздуха и реагентов, их концентрация). Большинство смесей и веществ воспламеняются немедленно после смешивания или попадания на воздух.

Тлением называют беспламенное горение твердых тел. Так горит кокс,

применяемый в металлургии. (Кокс – каменный уголь, из которого предварительно выжгли летучие соединения). При тлении процессы имеют низкую интенсивность и свечение красного типа.

Взрыв – окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

Один и тот же вид горючего может гореть обычным путем и в виде взрыва. Например, при использовании в быту газовых горелок мы проводим обычный процесс горения. Но если природным газом заполняется все пространство кухни, то при возникновении искры или пламени произойдет взрыв.

Горение и взрыв в большинстве случаев представляют собой окислительновосстановительные реакции. Под этим понимаются процессы изменения степени окисления элементов. Есть окислитель (например, кислород в обычном процессе горении топлива), который восстанавливается и снижает свою степень окисления. С ним взаимодействует восстановитель, который окисляется и увеличивает свою степень окисления.

7

Горение возникает при определенных (критических) условиях (температура, размеры реакционного сосуда и др.) из-за того, что тепловыделение в ходе реакции превышает теплоотдачу в окружающую среду. В зависимости от начальных условий, в которых находится горючая система, и природы первоначального теплового импульса различают три вида возникновения горения: самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание.

Самовоспламенение – явление быстрого нарастания скорости окислительновосстановительной реакции, приводящее при определенных внешних условиях к воспламенению горючего вещества без соприкосновения с пламенем или раскаленным телом. Условиями самовоспламенения могут быть резкое повышение температуры или давления, а также введение смеси в нагретый сосуд. Необходимо, чтобы при этом смесь находилась в концентрационных пределах воспламенения и была достигнута температура самовоспламенения, характерная для данной горючей смеси и конструкции конкретного устройства. Самовоспламенение характерно и для гомогенных и для гетерогенных смесей. Отличие гомогенного от гетерогенного самовоспламенение в том, что для гомогенного это чисто химический процесс, а для гетерогенного состоит из двух стадий – физической и химической. Отличительная особенность самовоспламенения является загорание всей смеси сразу. В этом его отличие от воспламенения. Для того, чтобы самовоспламенение произошло, требуется достижение определенной температуры – температуры самовоспламенения

1.2 Топливо

Топливо – горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии (например, в механическую на транспорте, в электрическую на тепловых электростанциях и др.).

Для загорания твердых видов топлива их составляющие должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.

Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к.п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.

1.3 Важнейшие свойства топлива

Основные характеристики топлива, определяющие его ценность, удобство использования, эффективность и др., приведены ниже:

8

Теплотворная способность, или теплота сгорания. Представляет собой количество теплоты, которое выделяется при сгорании либо 1 кг, либо 1м3 топлива. Эта характеристика определяет расход топлива и транспортные расходы на единицу энергии.

Д.И. Менделеев вывел формулу на основании изучения теплоты сгорания различных видов твердого топлива. В формулу входит т.н. рабочее содержание компонентов, то есть содержание компонентов в массе топлива с водой и минеральными веществами. Рабочее содержание обозначается с помощью верхнего индекса "р".

Существует два вида теплоты сгорания – высшая и низшая. Низшая теплота характеризует теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива с выделением воды в газообразном состоянии, а высшая – с выделение воды в жидком состоянии. Высшая теплота больше низшей на величину энергии испарения воды, содержащейся в топливе, а также воды, образующейся при его сгорании.

Для расчета низшей теплоты сгорания используется формула:

Qнр = 339Cр + 1025Нр – 109 (Op – Sp) -25Wp, кДж/кг Где Wp – содержание влаги.

Формула применяется в основном для твердого и жидкого топлива, но дает достаточную точность и для расчета теплоты сгорания и газообразного топлива.

Для примера, низшая теплота сгорания древесины и торфа равна примерно 10,5мДж/кг, бурых углей 6-17, каменных углей 17-28, антрацита 25-27, нефти 42-44, мазута 42, а природного газа 60мДж/кг.

Формула Менделеева, хоть и была создана очень давно, широко применяется по настоящее время.

Для расчета высшей теплоты сгорания из низшей применяется формула: Qвр = Qнр + 25,14(9Нр + Wp)

Жаропроизводительность. Представляет собой максимальную температуру, которой можно достигнуть при сжигании топлива в адиабатических условиях. Определяет эффективность топлива в высокотемпературных процессах.

Содержание балласта, т.е. минеральной несгораемой массы, а также влаги в твердом и жидком топливе, а азота и углекислого газа – в газообразном топливе. Чем выше содержание балласта, тем ниже теплотворная способность и жаропроизводительность.

Содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива и обуславливающих загрязнение окружающей среды (например, серы).

Выход летучих веществ и обуглероженных остатков (например, кокса), определяющий легкость его зажигания и целесообразность применения в данном технологическом процессе.

Удобство сжигания топлива (простота устройств для сжигания, легкость регулировки процесса горения).

Сложность и затраты подготовки топлива к сжиганию.

Степень сложности разведки, трудности добычи и себестоимость топлива.

Удаленность месторождения от районов потребления и стоимость перевозки,

транспортировки.

1.4 Важнейшие компоненты топлива Углерод. Имеет наибольшее значение. Его содержание в горючей массе (массе за

вычетом воды и минеральных примесей) находится обычно в пределах от 50 до 99%.

9

Далее в тексте содержание какого-либо компонента в горючей массе обозначается верхним индексом "г".

В таблице 1 приведено содержание углерода и других важных компонентов в некоторых твердых видах топлива.

Таблица 1- Содержание важных компонентов в некоторых твердых видах топлива (в горючей массе), %

Вприродном газе содержится 75-90% углерода, в бензине 85%, в керосине – 86%.

Всреднем горение углерода в различных видах топлива, независимо от его состава, дает около 33мДж/кг.

Жаропроизводительность углерода равна 2240°С (средняя по всем видам топлива). Водород. Второй по значению компонент. Содержание в твердых видах топлива см.

табл. 1. В дизельном топливе содержится 13%, в мазуте – 11-12%, в керосине 14%, в бензине 15%, в сжиженном газе 18%, а в природном газе до 25%.

Всреднем сгорание 1 кг водорода в составе топлива дает 141,5мДж теплоты, что в 4,2 раза выше теплоты сгорания углерода. Поэтому с увеличение содержания водорода в топливе растет его теплотворная способность и жаропроизводительность. Из углеводородов наибольшая теплотворная способность у метана (50мДж/кг). У мазута, к примеру, она равна 42мДж/кг.

Жаропроизводительность водорода равна 2235°С.

Кислород. Третий важнейший компонент горючей массы. Его практически нет в жидком и газообразном топливе.

Чем моложе твердое топливо, тем больше оно содержит кислорода (см. таблицу 1, в которой сверху вниз растет возраст топлива).

Кислород в топливе снижает теплоту сгорания. В этом смысле он является балластом. В основном он находится в составе таких функциональных групп, как -ОН, - СООН, и уже не способен окислять углерод и водород топлива.

С другой стороны, топливо с высоким содержанием кислорода характеризуется высоким выходом летучих веществ и легко зажигается.

Сера. Сера может содержаться в трех состояниях:

Органическая – в составе сложных органических соединений. Встречается в жидком и твердом топливе. Колчеданная, или пиритная. Содержится в виде железного колчедана FeS2. Содержится только в твердом топливе.

Сульфатная – в составе сульфатов различных металлов (кальция, железа и др.). Содержится только в твердом топливе.

10