Химия процессов горения. Учебное пособие

51

Врезультате разложения полимера образуются летучие продукты (горючие и негорючие) и обугленный (карбонизированный остаток).

Всостав горючих летучих продуктов входят водород Н2, угарный газ СО, метан СН4, ацетилен С2Н2, этилен С2Н4, этан С2Н6, пропен С3Н6, бутен С4Н8. Кроме этого,

летучие продукты термоокислительной деструкции полимеров могут содержать различное количество мономеров: от 1 % при разложении полиэтилена до 90 % при разложении полиметилметакрилата (оргстекла).

Результатом протекающей термоокислительной деструкции может быть воспламенение полимеров.

Таким образом, горение полимерных материалов имеет свои особенности:

1.Температура на пожаре с участием синтетических полимеров быстро достигает 11000с и выше.

2.Синтетические полимеры при горении выделяют огромное количество тепла.

Низшая теплота сгорания составляет 37000 кДж/кг. Эта величина в два раза превышает теплоты сгорания древесины.

3.Дымообразующая способность полимеров в 10 – 250 раз больше по сравнению с той же древесиной.

4.Выделение токсичных продуктов разложения и горения (HCl, HCN, CO, SO2 и

т.д.).

Волокна – протяженные гибкие и прочные тела малых поперечных размеров,

пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.

Существует два метода получения волокон из полимеров: прядение из раствора и прядение из расплава или пластического состояния.

При прядении из расплава полимер переводят в плавкое состояние; полученный расплав продавливают через фильеры; образующиеся нити затвердевают на воздухе или в атмосфере инертного газа. Полученный тем или иным способом прядения пучок волокон образует некрученую нить, которая проходит через направляющиеся ролики подвергается вытягиванию для увеличения прочности волокна. Затем волокно

52

подвергается специальной обработке для придания ему определенных физико-

механических свойств, улучшают его качество (кручение, термофиксация и т.д.). Все процессы получения волокон пожароопасные производства, требующие выполнять все мероприятия противопожарной безопасности.

По данному описанию технологического процесса самостоятельно составляется схема получения ацетатного шелка [3] определяется пожароопасность исходных веществ, участвующие в процессе, определяются пожароопасные участки,

предлагается способ тушения. В профессии применяют как натуральные, так и химические волокна: спецодежда, принадлежности, пожарное оборудование и пр.

Задания, рассматриваемые на теме 6.

1.Реакции полимеризации и поликонденсации, полимерные материалы, их свойства и применение в профессии.

2.Способы получения волокон и их пожароопасность.

3.Генетическая связь между классами органических соединений.

Примеры решения задач по т.6.

Задача 1. Акрилонитрил CN-CH=CH2 и винилхлорид CH2=CHCI могут вступать в реакцию сополимеризации. Напишите структуру возможного сополимера.

Решение

Записываем уравнение реакции сополимеризации данных соединений: nCN-CH=CH2 + nCH2=CHCI → nCN-CH-CH2- + n-CH2- CHCI→

Задача 2. Осуществить цепочку превращения алкана в полимер, привести уравнения, если исходным веществом является метан:

Решение

53

СН4 + CI2 → CH3 CI +HCI

2CH3CI + 2 Na →C2H6 + 2NaCI

2CH4 → C2H4 + 4H2

C2H4 + H2 → C2H6

CH2 = CH2 + HCI → CH3 - CH2CI

CH3 – CH2CI + KOH → CH2=CH2 + KCI + H2O

CH2 = CH2 + HOH → CH3-CH2OH

C2H5OH → C2H4 + H2O N(CH2 = CH2) →(-CH2- CH2-)n

Задача 3. Записать уравнение получения сополимера из акрилонитрила и

винилхлорида:

Решение

nCN-CH=CH2 +n CH2=CH-CL →n (N≡CH-CH-CH2-CH2-) и т.д.

│

─ CH-CL

Задача 4. Записать формулу мономера поливинилхлорида, указать области применения материалов на его основе.

Решение

CH2=CHCl винилхлорид – мономер для получения поливинилхлорида реакцией полимеризации. Применяется для изготовления изоляционных материалов,

полимерных оконных проемов, напольных покрытий, деталей машин и многого другого. Особенность горения данного материала – выделение токсичного хлористого водорода и других веществ термической деструкции.

Задача 5. Записать краткие уравнения реакции процесса получения синтетического каучука (по реакции С.В.Лебедева) из этанола.

Решение

2С2Н5ОН → СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2О + Н2↑ nCH2=CH-CH=CH2 → (-CH2-CH=CH-CH2) n

54

Вопросы для самоконтроля.

1.Что такое полимеры и вещества на полимерной основе? Привести примеры этих веществ. Реакции полимеризации и поликонденсации.

2.Полипропилен с молярной массой 1000 представляет собой вязкую маслянистую жидкость. Рассчитать степень полимеризации, записать уравнение реакции полимеризации пропилена.

3.Записать стадии получения ацетатного волокна, указать пожароопасные вещества,

применяемые для этого технологического процесса.

4.Записать уравнения реакции получения лавсана, указать области применения его в профессии и быту.

5.Деструкция полимеров, современные способы утилизации.

6.Сколько м3 продуктов сгорания образовалось при горении 20кг изопрена?

Т=1300К.

7.Записать уравнения реакций по цепочке: пропан →пропен→ полипропилен→ углекислый газ. Указать условия реакций.

8.Классификация волокон. Примеры применения в профессии волокон,

теплоотражающие костюмы, их характеристика.

Распределение учебного времени по изучению темы 6.

Лекций – 2часа.

Практических занятий – 4часа.

Лабораторных работ – 6 часов.

Самостоятельной работы – 14 часов.

Всего по теме: 26 часов.

Рекомендуемая литература:

Основная: [1- 4,7].

Дополнительная:[1,2].

55

Тема 7. Химия огнетушащих веществ

Вопросы, рассматриваемые на теме 7.

1.Классификация ОТВ, механизмы прекращения горения.

2.Вода как огнетушащее вещество. Положительные и отрицательные свойства воды как ОТВ. Химический состав и механизм действия добавок, повышающих огнетушащую способность воды.

3.Пены: способы получения и строение. Дисперсность, кратность, устойчивость и процессы разрушения пен.

4.Негорючие газы и галогенопроизводные углеводородов как огнетушащие вещества. Хладоны, их классификация, свойства и применение в пожарной охране.

5.Классификация и особенности применения порошковых составов.

Комбинированные методы тушения сложных пожаров. Особенности горения и тушения лесных пожаров.

По теме 7 необходимо изучить:

1.Классификацию ОТВ.

2.Вода как основное ОТВ. Преимущества и недостатки.

3.Пены как огнетушащее вещество, ее свойства и применение.

4.Тушение негорючим газами и хладонами.

5.Тушение порошковыми составами.

Теоретическая часть

Огнетушащие вещества и составы (ОТВ) – химические соединения и их

смеси, прекращающие горение.

Наиболее применяемые огнетушащие вещества: вода, пены, хладоны,

инертные газы и порошковые составы.

56

Из курса химической кинетики известно, что для уравнения реакции горения,

например, пентана

С5Н12 + 8О2 = 5СО2 + 6Н2О

Формальное кинетическое уравнение будет иметь вид

Управляемыми параметрами в этом процессе являются:

1.температура;

2.концентрация горючего;

3.концентрация окислителя.

Существует несколько механизмов прекращения горения.

1.Охлаждение зоны горения или поверхности горящего материала – воздействие на температуру.

2.Разбавление горючей среды (например, введением негорючего компонента,

осланцеванием).

3.Изоляция зоны реакции от воздуха или горючих паров.

4.Ингибирование химической реакции. Перечисленные способы 1-4 – это влияние на управляемые параметры с помощью ОТВ.

5.Механический срыв пламени (примером могут служить задувание пламени спички, или пикирование летчиком горящего самолета).

6.Создание условий огнепреграждения. На практике, как правило, реализуется несколько механизмов прекращения горения. Однако для каждого способа можно

указать наиболее характерный вид огнетушащих веществ.

Все способы тушения подразделяются на поверхностные и объемные. При

поверхностном способе ОТВ подается непосредственно на поверхность горящего материала, а при объемном – с помощью ОТВ создается негорючая среда в районе очага пожара (локальное тушение) или во всем объеме помещения. Однако такое разделение весьма условно.

57

Основными характеристиками ОТВ являются огнетушащая эффективность и интенсивность подачи.

Огнетушащая эффективность – это минимальное количество ОТВ, пошедшее на тушение модельного очага пожара данного класса.

Интенсивность подачи ОТВ – это расход ОТВ во времени на единицу защищаемой поверхности или объема. Размерность [кг/м2 с] или [л/м2 с].

Задания, рассматриваемы на теме 7.

1.Вода, ее огнетушащие свойства.

2.Тушение порошковыми составами.

3.Объемное тушение инертными газами.

4.Пены – огнетушащие средства.

Пример доклада на семинарском занятии

Пена – структурированная дисперсная система, состоящая из деформированных пузырьков воздуха и жидкости, содержащейся в пленках и каналах. Пены – сравнительно грубодисперсные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой.

Для понимания механизма действия пен как ОТВ и эффективного их использования необходимо знать основные их характеристики.

Отношение объема пены Vп к объему жидкости в пене Vж называется

кратностью К:

К = Vп/ Vж.

Кратность характеризует оъемной содержание дисперсионной среды.

По кратности пены разделяют на 4 группы:

1.пеноэмульсии, К <3;

2.низкократные пены, 3 < K < 20;

3.пены средней кратности, 20 < K < 200;

58

4. пены высокой кратности, K > 200.

Пена является неустойчивой дисперсной системой. С момента образования в пене начинается процесс переноса воздуха из маленьких пузырьков в большие, в

результате чего число пузырьков со временем уменьшается, а их средний размер увеличивается.

Водный раствор через систему каналов постепенно выделяется из пены. Такой процесс традиционно называют синерезисом, по аналогии с термином, принятым для обозначения потери воды в студнях.

1.Устойчивость объема пены характеризуется временем разрушения 25 % от исходного объема.

2.Устойчивость к обезвоживанию (синерезису) характеризуется временем выделения из пены 50 % жидкости. Устойчивость пены к обезвоживанию во многом определяет их изолирующее действие, которое выражается в снижении скорости поступления паров в зону горения. Чем больше пена теряет жидкости,

тем тоньше становятся пленки пены, тем меньше они препятствую испарению горючего.

3.Структурная устойчивость характеризуется временем изменения среднего диаметра пузырьков на 25 % от исходной величины.

4.Различают пены малоустойчивые (существуют лишь при непрерывном перемешивании газа и жидкости) и высокостабильные (существуют от нескольких минут до нескольких часов).

5.Контактная устойчивость на поверхности полярных жидкостей характеризуется временем полного разрушения пены.

6.Термическая устойчивость характеризуется временем разрушения всего объема пены под действием теплового потока от факела пламени.

Недостатки пены аналогичны недостаткам воды как ОТВ: электропроводность,

нельзя применять для тушения горючих металлов, нельзя подавать на горящие

59

жидкости с температурой выше 1000С из-за опасности разбрызгивания горящей

жидкости. Многие типы пен нельзя использовать с огнетушащими порошками.

Вопросы для самоконтроля.

1.Классификация пожаров по ФЗ №123 Р.Ф.

2.Записать пожароопасные свойства бензола, выбрать для него огнетушащее средство.

3.Какими ОТВ можно потушить спирт, ацетон, бензин?

4. Перечислить свойства хладонов и области применения. Преимущества и

недостатки этих ОТВ.

5.Виды порошковых составов и области их применения.

6.Тушение углекислым газом, преимущества и недостатки, способы получения СО2.

7.Сколько л фосгена образуется из 35 л хлора по реакции: СО + Cl2 →COCl2 при температуре 23оС, давлении 1 атм? Записать опасные свойства фосгена и методы

его ликвидации при Ч.С.

8.Силан магния разлагается водой с выделением силана водорода. Записать пожароопасные свойства силанов и методы их ликвидации при Ч.С.Записать взрывопожароопасные свойства порошковых металлов и средства их тушения.

Распределение учебного времени по изучению темы 7.

Лекций – 2часа.

Семинарских занятий – 4часа.

Самостоятельной работы – 10 часов.

Всего: 16 часов.

Рекомендуемая литература:

Основная: [1, 2,3,7].

Дополнительная: [1,2].

60

Нормативно-правовые акты: [1- 4].

Вопросы расчетного индивидуального задания

1.Общие сведения о веществе.

2.Физико-химические и пожароопасные свойства. ПДК.

3.Способы получения и применение.

4.Мероприятия при Ч.С.

5.Расчет технических характеристик:

a)плотность паров при нормальных условиях;

b)относительная плотность паров по воздуху;

c)расчет процентного элементного состава вещества;

d)расчет коэффициента горючести.

6.Расчет характеристик горения:

a)уравнения горения вещества в кислороде и в воздухе;

b)расчет молей веществ, участвующих в процессе горения.

c)определение характера свечения пламени

d)определение низшей теплоты сгорания

e)определение стехиометрических концентраций

f)определение КПР

g)определение объема воздуха на горение при нормальных и нестандартных условиях.

h)определение объема продуктов сгорания 100 м3 вещества.