Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
РАЗДЕЛ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОРЕНИЯ
3.1 Общие сведения о возникновении горения
Различная воспламеняющая способность различных физико-
химических процессов связана с энергией, которая выделяется в форме
теплоты и способна нагреть участок горючей смеси.
Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности,
отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ
наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные
материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная
пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью. Большая
поверхность способствует большому теплосъему. Так как искрой нагревается
небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных
продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования
горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением
волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более
мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя,
большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых
веществ с образованием пламени.
Для загорания твердых видов горючих веществ их составляющие
должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в уголь.
Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются
горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются.
Горение жидких горючих веществ и материалов всегда сопровождается
испарением горючего и горением его паров
3.2. Самовоспламенение и самовозгорание
Горение всех веществ начинается с их воспламенения. У большинства
горючих веществ момент воспламенения характеризуется появлением
41
пламени. У тех веществ, которые горят без пламени, например, у термитных
составов, использующихся для сварки металлов, момент воспламенения
характеризуется появлением свечения (накала). Известны два вида
воспламенения веществ – самовоспламенение и зажигание (вынужденное
воспламенение).
При самовоспламенении равномерно нагревается вся горючая смесь.
При зажигании используется явление распространения фронта пламени от
местного относительного небольшого по размерам источника зажигания
(пламя, искра и т.п.). Таким образом, зажигание представляет собой два
последовательных процесса – сначала начальное очаговое зажигание, которое
вызывает первичное пламя, и затем распространение пламени от источника по
всему объему горючей смеси.
Температура самовоспламенения — наименьшая температура
окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний
наблюдается самовоспламенение вещества (ГОСТ 12.1.044-89).
Самовоспламенение — резкое увеличение скорости экзотермических
объемных реакций, сопровождающееся пламенным горением и/или взрывом
(ГОСТ 12.1.044-89).
Химическая реакция может закончиться самовоспламенением при
наличии следующих условий:
– выделение теплоты в результате реакции;
– возможность протекания реакции при температурах более низких, чем
температура самовоспламенения;
–способность реакции к резкому ускорению при повышении
температуры (по закону Аррениуса).
Процесс самовоспламенения веществ происходит следующим образом:
при нагревании горючей смеси (например, смеси паров бензина с воздухом)
можно достигнуть такой температуры, при которой в смеси начинает
протекать медленная реакция – окисление.
42
Эта реакция сопровождается выделением теплоты, и смесь начинает
нагреваться выше той температуры, до которой ее нагрели. Одновременно с
тепловыделением и нагревом смеси происходит теплоотдача от смеси в
окружающую среду за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Если
скорость реакции окисления мала, то теплоотдача превышает выделение
теплоты. Если смесь нагреть извне до более высокой температуры, то вместе
с увеличением скорости реакции увеличивается и количество теплоты,
выделяемой в единицу времени. При достижении определенной температуры
Тв, которая зависит от внешних условий, скорость тепловыделения начинает
превышать скорость теплоотдачи, в результате чего реакция интенсивно
ускоряется. В этот момент происходит самовоспламенение вещества. Таким
образом, температура самовоспламенения реагирующего вещества – это такое
значение температуры, при котором скорость тепловыделения Q+ (Дж/с)
становится равной скорости теплоотвода:
Q – (Дж/с): Q + (Т) = Q – (Т) (3.1)
Зависимости Q+(Т) и Q–(Т), построенные на одном графике, называются
диаграммой Семенова (рис.3.1)
Рисунок 3.1- Диаграмма Семенова
Точка пересечения кривых теплоприхода и теплоотвода определяет
величину температуры самовоспламенения Тв.
43
При тепловом самовоспламенении причиной ускорения реакции
окисления и возникновения горения является превышение скорости
выделения тепла над скоростью теплоотвода.
Согласно механизму цепных реакций, увеличение температуры смеси
ведет к увеличению числа активных молекул и, как следствие, к росту длины
последующих цепи промежуточных реакций, в которых участвуют эти
активные молекулы. При некотором значении температуры Тв число
разветвлений в последовательных промежуточных реакциях становится
больше числа обрывов длина цепи. Реакция при этом приобретает ускорение,
и происходит самовоспламенение смеси.
Из этого следует, что условием цепного самовоспламенения является
превышение числа разветвлений над числом обрывов. Температура
самовоспламенения одного и того же вещества зависит от внешних условий и
может изменяться в широких пределах.
Величина Тв характеризует степень пожароопасности вещества – чем
ниже температура самовоспламенения Тв, тем больше пожароопасность.
Условием цепного самовоспламенения является превышение в системах
числа разветвляющихся цепей над числом обрывающихся цепей.
Самовозгорание представляет собой процесс низкотемпературного
окисления материалов, заканчивающийся тлением или пламенным горением.
Склонность к самовозгоранию веществ определяется комплексом их физикохимических свойств: теплотой сгорания, теплоемкостью, теплопроводностью,
удельной поверхностью, объемной плотностью и условиями теплообмена с
внешней средой.
Для развития процесса самовозгорания решающее значение имеет
возможность накопления в материале тепла, выделяющегося при окислении
(или деятельности микроорганизмов). Чем лучше условия аккумуляции тепла,
тем раньше при более низкой температуре начинается самовозгорание.
Процессы самовозгорания развиваются в материалах при довольно
низкой температуре (до 250 С) в течение длительного времени. В таких
44
условиях для поддержания процесса самовозгорания недостаточно тепла,
выделяющегося при окислении внешней поверхностью.
Самовозгорание — процесс резкого увеличения скорости
экзотермических процессов в веществе, приводящее к возникновению очага
горения. (ГОСТ 12.1.044-89* Пожаровзрывоопасность веществ и материалов.
Номенклатура показателей и методы их определения.)
Процесс самовоспламенения и самовозгорания по сути один и тот же, но
первый термин применяется для веществ, имеющих температуру
самовоспламенения выше температуры окружающей среды, а второй – для
веществ, имеющих температуру самовоспламенения ниже или равную
температуре окружающей среды.
Кроме того, если вспомнить механизм возникновения горения за счет
самовоспламенения, то горение возникает во всем объеме вещества сразу, а
при самовозгорании процесс инициирования горения идет в какой-то точке, а
затем послойно распространяется на всю массу вещества.
К самовозгоранию приводит процесс самонагревания горючего
вещества, который характеризуется температурой самонагревания.
Температурой самонагревания называется самая низкая температура
вещества (материала, смеси), при которой возникает его самонагревание,
обусловленное происходящими в них химическими и физическими
экзотермическими процессами (окисления, разложения, замещения,
адсорбции и др.)
Увеличение температуры окружающей среды сокращает время до
самовозгорания. Можно выделить тепловое самовозгорание. Оно заключается
в следующем. Многие дисперсные материалы взаимодействуют с кислородом
воздуха уже при обычной температуре. В условиях, благоприятствующих
накоплению тепла в массе материала, происходит повышение температуры.
Это в свою очередь увеличивает скорость реакций окисления, повышая при
этом температуру и т.д. В итоге может произойти самовозгорание материала.
45
Тепловое самовозгорание – физико-химический процесс, скорость
которого зависит от скорости химической реакции, поступления кислорода к
реагирующей поверхности и от интенсивности теплообмена материала с
окружающей средой. При хранении дисперсных материалов на воздухе
кислород проникает вовнутрь материала между частицами. Попадая в поры,
кислород адсорбируется в поверхностном слое, что вызывает повышение
температуры.
Наличие развитой поверхности твердого материала с адсорбированным
на ней кислородом является одним из условий для начала теплового
самовозгорания.
Существенную роль в развитии процесса самовозгорания играют
пористость и адсорбционная способность материала. Чем больше пор, тем
больше развита поверхность контакта и адсорбция на ней кислорода.
Поэтому наиболее склонны к самовозгоранию материалы с большей
пористостью. Саморазогрев массы материала неоднороден. Вследствие
разных условий теплоотвода центральная зона объема нагревается быстрее,
чем поверхность, и на начальной стадии самовозгорания характерно
сохранение внешнего вида материала, хотя внутри происходит обугливание.
Затем на обугленной поверхности развиваются процессы тления, которые
могут перейти в пламенное горение.
Поскольку промежуточным продуктом при самовозгорании
большинства органических веществ является уголь, то главную роль играют
закономерности самовозгорания угля. Следует отметить, что значительную
роль в самовозгорании угля играет его способность адсорбировать пары воды
из окружающего воздуха. Установлено, что при этом уголь может нагреваться
до 65–70 С.
Кроме того, самовозгорание развивается и при наличии в веществе
примеси. Например, если в аммиачной селитре (NH4NO3) примесей нет, то ее
перевозка и хранение безопасны. Температура разложения лежит в пределах
200 С. Но при малых добавках органических веществ или частиц металлов
46
(меди, никеля) начинается автокаталитическое разложение, и селитра
самовозгорается при 110 С. С другой стороны алюминий, железо, их оксиды
и соли не взаимодействуют с аммиачной селитрой и не снижают ее
термическую стабильность.
К микробиологическому самовозгоранию склонны, главным образом,
материалы растительного происхождения. Они служат питательной средой
для бактерий и грибов. Возможности развития микробиологического процесса
ограничены, так как температура самонагревания материала не должна
превышать 70 С.
Поскольку при более высокой температуре микроорганизмы, как
правило, погибают. Примерами микробиологического самовозгорания можно
назвать обугливание пшеницы в буртах, самонагрев навозной кучи и т.п. В
самовозгорании угля могут участвовать и адсорбция, и микроорганизмы (в
начальной стадии) и примеси.
Основными показателями, характеризующими опасность
самовозгорания веществ, являются:
– температура самонагревания;
– температура тления;
– условия теплового самовозгорания;
– способность взрываться и гореть при контакте с водой, кислородом
воздуха и другими окислителями.
Последний показатель качественно характеризует особую пожарную
опасность веществ, называемую пирофорностью.
К пирофорным относятся вещества, имеющие температуру
самовоспламенения ниже температуры окружающей среды, в отличие от
большинства веществ, которые самовоспламеняются только в результате
нагрева извне. Самовозгорающиеся вещества пожароопасны.
В зависимости от причины выделения тепла в начальной фазе
самонагревания веществ и материалов различают: тепловое,
микробиологическое и химическое самовозгорание
47
Тепловым называют самовозгорание, вызванное самонагреванием,
возникшим под воздействием внешнего нагрева вещества (материала, смеси)
выше температуры самонагревания
Микробиологическое самовозгорание — это самовозгорание в
результате самонагревания, возникшего под воздействием жизнедеятельности
микроорганизмов в массе вещества (материала, смеси).
Химическое самовозгорание — самовозгорание, возникающее в
результате химического взаимодействия.
3.2.2 Лабораторная работа № 4 Исследование процессов химического
самовозгорания
Цель работы: Экспериментальным путем изучить особенности
самовоспламенения веществ.
Материалы и оборудование, используемые в работе:
Керамические чашки, пестик, лопатка, пипетка, груша, фильтровальная
бумага, ватный диск; перманганат калия КMnO4, концентрированная серная
кислота Н2SO4, аммиак NH3, глицерин C3H8O3, оксид хрома CrO
3.
Порядок проведения работы:
1. Самовозгорание глицерина в присутствии сильных окислителей
Поместить примерно 0,5 г кристаллического перманганата калия на
поверхность бумажного фильтра. Прилить к нему 2 капли глицерина. Фильтр
свернуть конвертиком, одновременно надавливая на область, где находятся
реактивы, и поместить его в фарфоровую чашку. Через 1-2 минуты произойдет
самовозгорание глицерина.
14 КMnO4 + 2 C3H8 O3 → 7 K2MnO4 + 7 MnO2 + 6 CO2 + 8 H2O
48
2. Самовозгорание этанола с перманганатом калия в присутствии серной
кислоты
Поместить в фарфоровый тигель 2 крупинки перманганата калия,
прилить 2 капли концентрированной серной кислоты. Смесь размешать
стеклянной палочкой и осторожно внести ее на предварительно смоченный
этанолом ватный диск. (Опыт делать в вытяжном шкафу!). Записать
наблюдаемый эффект самовозгорания этанола.
5С2Н5ОН + 4Н2SO4 + 2КMnO4 → 5CН3СOН + 8H2O + 2MnSO4 + 2KHSO
4
3. Самовозгорание ацетона с оксидом хрома
Поместить в фарфоровую чашку 3 маленьких фарфоровые ложки оксида
хрома (VI). Реакцию самовозгорания ацетона проводить с опущенным стеклом
вытяжного шкафа. Аккуратно (в резиновых перчатках!) с помощью длинной
пипетки внести несколько капель ацетона в содержимое чашки и наблюдать за
процессом самовозгорания ацетона. Записать наблюдения в лабораторный
журнал.
С3Н6О + 6CrO3→ 3Cr2O3 + 3CO2 + 3H2O
Оформление отчета:
1. Записать наблюдения и уравнения происходящих реакций.
Контрольные вопросы:
1. Допускается ли тушение белого фосфора водой, воздушно-
механической пеной, песком?
2. Объясните, почему в случае попадания карбида кальция в
большой объем воды самовозгорания не происходит?
3. Почему алюминий в виде пластин не склонен к самовозгоранию?
4. Порошок алюминия самовозгорается на воздухе при низких
температурах?
49
5. Какие меры необходимо предпринять для предотвращения
самовозгорания щелочных металлов в процессе их хранения?
6. Поясните, почему пожары в деревянных строениях, в которых
хранилась негашеная известь, возникали практически всегда во время дождя
или таяния снега?
7. Почему категорически недопустимо использовать одежду и
рукавицы со следами масел, жиров, бензина, керосина и т.п. при работе с
кислородными баллонами?
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]