Основные термины процессов горения и взрыва

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризую­щийся самоускоряющимися превращениями и сопровождающийся выделением большого количества тепла, света и дыма.

Для возникновения процесса горения необходимо наличие: горючего вещества, окислителя и достаточного по мощности источника зажигания.

Горючим называет­ся вещество (газ, пар, материал, смесь, конструкция), способное самостоя­тельно гореть после удаления источника зажигания.

Источни­к зажигания – горячее или раскаленное тело, а также электрический разряд, обладающие запасом энергии и температу­рой, достаточной для возникновения горения других веществ (пламя, искры, раскаленные предметы, выделяемая при трении теплота и др.).

При горении часто можно наблюдать пламя – видимую зону горения, от которой идет свечение и излучение теплоты, и дым, который представляет собой аэрозоль, образуемую жидкими и твердыми продуктами неполного сгорания веществ.

Если горение происходит вне специального оча­га или наносится при этом материальный ущерб, т. е. идет неконтролируемое горение, то такое горение называют пожаром.

Самовозгорание – явление резкого увеличения ско­рости экзотермических реакций в системе от внесенного источника зажигания, приводящее к горению вещества, и продолжающееся в его отсутствии. Температура, при которой начался процесс увеличения скорости реакции, называется температурой самовозгорания .

Под самовоспламенением горючих смесей понимается такой процесс, когда при нагреве до некоторой температуры замкнутого объема горючей газовоздушной смеси она самостоятельно спонтанно воспламеняется по всему объему.

Самовоспламенение сопровождается исключительно появлением пламени. Температуру реагирующей среды, выше которой в системе возможно самоускорение реакции, называют температурой самовоспламенения .

Температура самовоспламенения всегда выше температуры самовозгорания , а их разность представляет собой температурный интервал саморазогрева системы, предшествующий самовоспламенению.

Взрыв – быстрое неуправляемое физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся образованием большого количества сжа­тых газов, под давлением которых могут происходить разрушения различных объектов.

Взрыв часто может сопровождаться воспламенением материалов, пожаром, разрушениями окружающих предметов и оборудования.

Химический взрыв характеризуется быстрым химическим взаимодействием горючего и окислителя.

Физический взрыв связан с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов, паров или жидкостей из замкнутых объёмов сосудов, машин и аппаратов.

Взрывному горению газо- и пылевоздушных смесей всегда предшествует период дефлаграционного горения, т. е. горения со сравнительно невысокой (до нескольких метров в секунду) переменной (ускоряющейся) скоростью, которая существенно зависит от многих факторов (внешнего давления, температуры, концентраций и др.).

При химических взрывах, когда дос­тигаются ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни до де­сят­ков и со­тен мет­ров в се­кун­ду, но не пре­вы­шаю­щих ско­ро­сти зву­ка в дан­ной сре­де (для воздуха 300 – 320 м/сек), про­ис­хо­дит взрыв­ное го­ре­ние, сопровождаемое удар­ными вол­нами.

Принципиально дефлаграционное и взрывное горение отличаются друг от друга только скоростями распространения пламени. При взрывном горении обычно образуется пламя шарообразной формы, которое называют «огненным шаром». Это пламя создают светящиеся раскаленные продукты взрыва.

Взрывное горение газопаровоздушной смеси при определенных условиях может перейти в детонационное горение.

Де­то­на­ци­онное горение характеризуется высокой ско­ростью рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни, пре­вы­шающей ско­рость рас­про­стра­не­ния зву­ка в окружающей среде, которая является максимально возможной для данного вещества.

Более подробно с основными параметрами и терминологией процессов горения и взрыва можно познакомиться в нормативной и учебной литературе [1–5].

1.2. Уравнения реакций горения

Обычно процесс горения горючего вещества в воздухе представляет собой окислительную реакцию, которую можно всегда описать стехиометрическим уравнением в виде

, (1.1)

где – химические символы реагирующих веществ; , , , – стехиометрические коэффициенты.

Под стехиометрическими понимают уравнения реакций, в которых отношение количеств исходных веществ строго соответствует усло­вию получения конечных продуктов.

Протекание реакции (1.1) в двух противоположных направлениях назы­вается химической обратимостью. Стрелка указывает на образование из исходных веществ конечных продуктов и , и на протекание реакции в сто­рону образования исходных веществ и .

По мере протекания химического процесса при постоянной температуре, вследствие уменьшения количества исходных веществ и , прямая реакция идет все медленнее. Скорость же обратной реакции увеличивается, так как увеличивается количество продуктов прямой реакции – и . Наконец наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций уравновешиваются, количество веществ в системе с течением времени остается неизменным, и кажется, что реакция остановилась. При этом говорят о наступ­лении химического равновесия. В действительности реакция продолжается, при этом в одно и то же время об­разуется столько продуктов, сколько их распадается, т. е. реакции непрерывно идут в обе стороны с одинаковыми скоростями.

Пример. Записать уравнение сгорания метана в кислороде воздуха. Определить, сколько потребуется кг кислорода для сжигания 1 кмоль метана. Рассчитать, сколько потребуется киломолей кислорода для сжигания 1 кг метана.

Решение. Запишем реакцию горения метана при условии полного сгорания элементов в виде:

, (1.2)

где стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением (1.1) были определены и равны: = 1; = 2; = 1; = 2.

В уравнении (1.2) число атомов элементов веществ уравнены в правой и левой частях уравнения. При сгорании метана продуктами полного горения являются газы и .

Согласно уравнению (1.2) для сгорания 1 кмоль газа требуется 2 кмоль , при этом образуется 1 кмоль газа и 2 кмоль газа . Так как молекулярная масса составляет 31, 998 кг/кмоль, то масса 2 кмоль составит 63, 996 кг. Следовательно, для сгорания 1 кмоль метана требуется 63, 996 кг кислорода. Атомные массы элементов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1