Для возникновения горения необходимы следующие условия. Общие сведения о горении
ГЛАВА 21. ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
Условия, необходимые для горения. Классификация видов горения
Мероприятия, при которых исключается возможность пожара и взрыва, в случае их возникновения предотвращается воздействие на людей опасных и вредных факторов пожара и взрыва и обеспечивается защита материальных ценностей, называют пожарной безопасностью.
Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб народному хозяйству и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы, а иногда и гибель людей.
В Советском Союзе существует система государственных мер борьбы с огнем, которая осуществляется на стадии проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
В обычных условиях горение представляет собой процесс окисления (ли соединения горючего вещества и кислорода воздуха. Однако известно, что некоторые вещества, например сжатый ацетилен, хлористый азот, взрывчатые вещества, могут гореть, взрываться без кислорода с образованием тепла и пламени. Следовательно, горение может явиться результатом не только реакции соединения, но и разложения.
Горением называют быстро протекающую химическую реакцию, сопровождающуюся выделением большого количества тепла и обычно свечением. В зависимости от скорости процесса процесса горение может происходить в форме собственно гонения, взрыва и детонации.
Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде,
наименьшая - при содержании в воздухе 14-15%(об.) кислорода,
При дальнейшем уменьшении содержания кислорода горение большей
части веществ прекращается. Оно происходит тем быстрее, чем больше
удельная поверхность веществ; при тщательном смешении горючего
вещества и кислорода (окислителя) увеличивается скорость горения.
Для возникновения и развития процесса горения обычно необходимы,
горючее, окислитель и источник загорания. Горение прекращается, если нарушить какое – либо из этих условий. Так при тушении горящего дерева водой происходит охлаждение его ниже температуры воспламенения, при тушении горючих жидкостей пенами прекращается поступление паров горючего в зону горения.
Химический состав горючего вещества и соотношение компонентов горючей смеси имеет важное значение для процесса горения.
Различают два вида горения- полное (при достаточном и избыточном количестве кислорода) и неполное (при недостатке кислорода). Горение может быть диффузионным и кинетическим.
Рис. 21.1. Диффузионное пламя:
a - распределение концентрации газов в пламени; 1 - горючий газ; 2 - продукты сгорания; 3- фронт (поверхность) пламени; б - схематический разрез пламени (4, 5, 6 - зоны диффузионного пламени)
Если кислород проникает в зону гонения вследствие диффузии, то образующееся пламя называется диффузионным (рис. 21.1). В зоне 6 находятся газы или пары; горение в этой зоне не происходит (температура в ней не превышает 500°С). В зоне 5 пары или газы сгорают неполностью и частично восстанавливаются до углерода. В зоне 4 происходит полное сгорание продуктов зоны 5 и наблюдается наиболее высокая температура пламени. Высота пламени обратно пропорциональна коэффициенту диффузии, который в свою очередь пропорционален температуре в степени от 0,5 до 1. Высота пламени возрастает с увеличением скорости потока газов и изменяется обратно пропорционально плотности газов и паров.
От диффузионного отличается пламя, образующееся при кинетическом
горении, т. е. заранее перемешанного горючего газа с воздухом. Это пламя при воспламенении какой-либо части объема горючей смеси представляет собой светящуюся зону, в которой соприкасаются друг с другом свежая смесь и продукты горения; зона горения всегда движется в сторону свежей горючей смеси, а фронт пламени имеет большей частью сферическую форму. При сгорании смеси горючих газов или паров с воздухом, подаваемых с определенной скоростью в зону горения, образуется стационарное пламя, имеющее форму конуса. Во внутренней части конуса смесь подогревается до температуры воспламенения. В остальной части конуса происходит горение, характер которого зависит от состава смеси. Если в смеси недостаточно кислорода, то во внешней части конуса происходит полное сгорание продуктов, образовавшихся при неполном горении во внутренней части конуса.
Таким образом, в пламени одновременно могут происходит процессы диффузионного горения и горения предварительно смешанных компонентов горючей смеси.
Следует различать также гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенным является горение газообразных веществ, гетерогенным - веществ других агрегатных состояний. Гетерогенное горение является одновременно и диффузионным.
Горением – называют физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света
Основа горения – окислительно-восстановительная реакция горючего вещества с окислителем. Окислителями могут быть хлор, бром, сера, кислород, кислородосодержащие и другие вещества.
Однако чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород воздушной среды.
Для возникновения горения необходимо наличие:
горючего вещества;
окислителя;
источника воспламенения.
Но и в этом случае горение будет возможным, если горючее вещество и кислород или другой окислитель находятся в определенном количественном соотношении, а тепловой импульс имеет запас тепла, достаточный для нагревания веществ до температуры его воспламенения.
Если мало горючего вещества в смеси с воздухом или мало кислорода (менее 14-16% ), процесс горения не начинается.
Горение может быть вызвано непосредственным воздействием на горючее вещество открытого пламени или накаленного тепла, слабым, но беспрерывным и продолжительным нагреванием горючего вещества, самовозгоранием, химической энергией, механической энергией (трение, удар, давление), лучистой энергией тепла, нагретым до высоких температур воздухом и т.д.
Следовательно, следует различать условия, необходимые для возникновения горения и условия необходимые для протекания процесса горения.
Условия протекания горения:
1. Количество кислорода в составе воздуха, поступающего в зону горения, будет не менее 14–16% , т.е. вещество и окислитель находятся в определенном количественном соотношении.
Температура зоны горения, которая является постоянным источником воспламенения и источником нагрева верхнего слоя горючего вещества, выше температуры его воспламенения.
3. Скорость диффузии горючих газов и паров (продуктов разложения вещества) в зону горения будет несколько выше скорости горения.
4. Количества излучаемого зоной горения тепла при горении вещества будет достаточно для нагрева поверхностного слоя до температуры его воспламенения.
Если одно из этих условий отсутствует, то процесса горения не будет.
Пожарной опасностью называется возможность возникновения или развития пожара, заключенная в каком-либо веществе, состоянии или процессе.
Из этого определения можно сделать вывод, что пожарную опасность представляют вещества и материалы, если они в силу своих свойств, благоприятствуют возникновению или развитию пожара. Такие вещества и материалы относятся к пожароопасным.
Классификация пожароопасных веществ
Пожароопасные вещества по способности к горению подразделяются на:
Трудногорючие;
Негорючие.
Горючими называются вещества, способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Горючие вещества в свою очередь разделяются на легковоспламеняющиеся и трудно воспламеняющиеся.
Легковоспламеняющимся веществом называется горючее вещество, способное воспламеняться от кратковременного воздействия пламени спички, искры и тому подобных источников зажигания с низкой энергией.
К ним относятся:
Горючие жидкости (ГЖ):
Анилин ГЖ;
этиленгликоль ГЖ;
моторные и трансформаторные масла ГЖ;
ацетон ЛВЖ;
бензин ЛВЖ;
бензол ЛВЖ;
диэтиловый эфир и др.
ГЖ – жидкость способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки выше 66 0 С .
ЛВЖ – ГЖ, имеющая температуру вспышки не выше 66 0 С.
Горючие газы (ГГ):
пропан и др.
ГГ – газ способный образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 55 0 С .
Горючие вещества:
целлулоид;
полистирол;
нафталин;
древесная стружка;
бумага и т.д.
Трудно воспламеняющимися веществами называются горючие вещества, способные воспламеняться только под воздействием мощного источника зажигания.
К ним относятся:
гетинакс;
полихлорвиниловая плитка;
древесина.
Трудно горючими – называют вещества, способные гореть под воздействием источника зажигания, но не способные к самостоятельному горению после удаления его.
К ним относятся:
трихлорацетат натрия (Nа(СН 3 СОО)Сl 3 );
водные растворы спирта;
аммиачная вода и т.д.
Негорючими называют вещества, не способные к горению в атмосфере воздуха обычного состава. К ним относятся: кирпич, бетон, мрамор, и гипс. Среди негорючих веществ имеются много весьма пожароопасных, которые выделяют горючие продукты или тепло при взаимодействии с водой или друг с другом.
К ним относятся:
Карбид кальция (СаС 2 );
Негашеная известь (СаСО 3 );
Разбавленные кислоты с металлами (серная, соляная);
Окислители КМпО 4 , Са 2 О 2 , О 2 , Н 2 О 2 , НО 3 , сжатый и жидкий кислород.
Для возникновения горения необходимо наличие в одном месте и в одно время трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания (рис 414). Кроме того, нужно, чтобы горючее вещество было наг. Грета до необходимой температуры и находилась в соответствующем количественном соотношении с окислителем, а источник зажигания мало необходимую энергию для начального импульса (зажигания). Так, спичкой можно зажечь лист бумаги, а деревянную колоду - невозможно. Необходимость для горения одновременно трех компонентов, так называемый треугольник огня, обнаружил еще в XVIII в французский ученый. Лавуазьвуазьє.
Рис 414. Условия, необходимые для возникновения горения
После возникновения горения протекает тем интенсивнее, чем больше удельная площадь контакта горючего вещества с окислителем (бумажные обрезки горят интенсивнее, чем пачки бумаги) и чем выше концентрация я окислителя, температура и давление. На пожарах температура достигает 1000-1300 °. С, а в отдельных случаях, например, при горении магниевых сплавов - 3000 °С.
Горючими веществами считаются вещества, которые при воздействии на них высоких температур, открытого пламени или другого источника зажигания могут заниматься и в дальнейшем гореть с образование м тепла и, зазвич чай, излучением света. В горючих веществ относятся: дерево, бумага, ткани, большинство пластмасс, природный газ, бензин, керосин и другие вещества в твердом, жидком, газообразном состоянии. Как правило, наиболее опасными в пожарном отношении являются горючие вещества в газообразном состояниині.
В состав подавляющего большинства горючих веществ входят углерод (Карбон) и водород (водород), которые являются основными горючими составляющими этих веществ. Поэтому и основными продуктами полного горения (при достаточно й количества кислорода) горючих веществ является. С02 и. Н20. Есть также целый ряд горючих веществ, которые представляют собой простые элементы, например, сера (Сера), фосфор (Фосфор), углерод (Карбонн).
Горючие вещества имеют разную теплотворную способность, поэтому температура на пожарах зависит не только от количества вещества, горит, но и от ее качества (химического состава). В табл 44 приведены температуру в пламя при горении некоторых веществ и материалелів.
Таблица 44. Температура пламени при горении некоторых веществ и материалов
окислителя при горении веществ чаще всего выступает кислород воздуха -. О, однако с уменьшением содержания кислорода в воздухе замедляется скорость горения, а при содержании кислорода менее 14% (норма 21%) горение большинства веществ становится невозможным. Кроме кислорода, окислителями могут быть химические соединения, в состав которых входит кислород, например, селитра (KNO3), азотная кислота (HNO3), марганцовокислый калий (КМn2O4) а также отдельные химические элементы (фтор, хлор, бром). Некоторые вещества содержат в своем составе кислорода столько, что его достаточно для горения без доступа воздуха (пыль, взрывчаткавка).
Источником зажигания, т.е. инициатором пожара может быть: открытое пламя, раскаленные предметы, электрические заряды, тепловые процессы химического, электрического и механического происхождения, искры от ударов т и трения, солнечная радиация, электромагнитные и другие излучения. Источники зажигания могут быть высоко-, средне-и маломощными (табл. 45)5):
таблице 45. Мощности некоторых источников зажигания
433 Разновидности горения
Различают следующие разновидности горения: взрыв, детонация, вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, тления
Взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных выполнять механическую работу основном эта механическая работа сводится к разрушения нувань, возникающих при взрыве и обусловлены образованием ударной волны - внезапного скачкоподибного рост давления. При удалении от места взрыва механическое воздействие ударной волны ослабляетсяся.
Детонация - это горение, которое распространяется со скоростью несколько тысяч метров в секунду. Возникновение детонации объясняется сжатием, нагревом и перемещением несгоревшей смеси перед фронтом пламени в приводит к ускорению распространения пламени и возникновения в смеси ударной волны. Таким образом, наличие достаточно мощной ударной волны является необходимой предпосылкой для детонации, поскольку в этом случае передача теплоты в смеси осуществляется не путем медленного процесса теплопроводности, а распространением ударной минлі.
Вспышка - кратковременное интенсивное сгорания ограниченного объема газовоздушной смеси над поверхностью горючего вещества или пылевоздушной смеси сопровождается кратковременным видимым излучением, ал ле без ударной волны и устойчивое горение.
Возгорание - начало горения под воздействием источника зажигания
воспламенения - возгорание, сопровождающееся появлением пламени
Тление - беспламенное горения материала (вещества) в твердой фазе с видимым излучением света из зоны горения
Самовозгорание - начало горения вследствие самоиницийованих экзотермических процессов
самовоспламенения - самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени
Самовозгорание возникает тогда, когда в результате экзотермических процессов скорость выделения тепла в массе горючего вещества превышает скорость его рассеивания в окружающую среду. Инициировать экзотермических процессы, а затем вызвать самовозгорание могут:
высокая температура горючего вещества, обусловлена??действием внешнего источника нагрева (тепловое самовозгорание);
Жизнедеятельность микроорганизмов в массе горючего вещества, что приводит к ее самонагревания (микробиологическое самовозгорание);
Химические реакции, в результате воздействия на вещество воздуха, воды или химически активных веществ (химическое самовозгорание)
Тепловое самовозгорание возникает в массе материалов, находящихся в энергетически благоприятном исходном состоянии для вступления в реакцию обмена с кислородом воздуха, при нагревании извне. Такой нагрев может осуществляться следующими путями:
Контактным (вследствие теплообмена при контакте с нагретым предметом);
Радиационным (вследствие лучистого тепла);
Конвективным (вследствие передачи тепла воздушным потоком)
"Механизм"теплового самовоспламенения заключается в следующем. Во время внешнего нагрева материала. Его температура постепенно повышается (фаза а, рис 415). После достижения температуры самонагревания. ТСН в материале происходит резкая интенсификация экзотермических процессов окисления и разложения, что приводит к самонагревания и повышения температуры материала (фаза б). Наиболее интенсивное самонагриван ния возникает в месте, где достигаются наилучшие условия аккумуляции тепла. Таким условиям отвечают глубинные места, поскольку именно в них наихудшие условия рассеивания тепла в окружающую среду. Так, ячейка самонагревания каменного угля, составленного в кучу, находится обычно на глубине 0,5-0,8 м от поверхн,8 м від поверхні.
При достижении температуры самовоспламенения. ТСЗ возникает горения материала без источника зажигания (фаза в)
Рис 415. Типичный график зависимости температуры горючего материала от времени при тепловое самовозгорание
Тепловое самовоспламенение наблюдается при хранении в кучах каменного угля (Та = 50-60 °. С) и хлопка (Та = 120-125 °. С), а также в кипах газетного (обойной) бумаги и гофрированного картона (Т. Три = 100-110 °. С.
Профилактика теплового самовоспламенения - предотвращение нагрева материалов (веществ) от внешних источников тепла
К микробиологического самовозгорания способны органические дисперсные и волокнистые материалы, внутри которых возможна жизнедеятельность, так называемых термофильных микроорганизмов. Именно жизнедеятельность таких микроор рганизмив приводит к первичному самонагревания массы материала. Особенно подвержены микробиологического самовозгорания невысушенные вещества растительного происхождения, сложенные в кучу (сено, солома, зерно, ле н, хлопок, торф и др.). Микробиологическое самовозгорание возникает в период от 10 до 30 суток с момента начала процессесу.
На рис 416 приведена типичная кривая развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенной сена, заложенного на хранение
Рис 416. Типичная кривая развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенной сена, заложенного на хранение
Химическое самовозгорание возникает в результате действия на горючее вещество воздуха, воды или химически активных веществ
К веществам, способные самовозгораться результате воздействия на них кислорода воздуха, относятся масла, жиры и олифы. Однако для этого необходимы соответствующие условия. Так, при хранении этих веществ в таре самовозгорания не в происходит, поскольку поверхность их соприкосновения с воздухом слишком мала. В то же время пропитанные ими волокнистые материалы имеют развитую поверхность окисления, что существенно увеличивает их способность к самовозгоранию. Пр оте еще одним непременным условием является составление пропитанных материалов в кучу, штабеля, пакеты. В этом случае поверхность окисления значительно превышает поверхность теплоотдачи, что приводит к самонагревания реч овин с последующим их самовозгораниеанням.
По опытным данным, 50 г ваты, пропитанной 100 г льняного масла, показали такой рост температуры (табл. 46)
таблице 46. Рост температуры образца после его утечки
Через 15 ч от момента утечки образца его температура достигнет 170 °. С и он вспыхнет без источника зажигания
К веществам, которые способны самовозгораться при действии на них воды, относятся калий, натрий, цезий, карбиды кальция и щелочных металлов и т.п.. Эти вещества при взаимодействии с водой выделяют горючие газы, которые нагревают иваються за счет теплоты реакции и. Самовозгораютсяя.
К химически активных веществ, которые могут вызвать самовозгорание, принадлежат главным образом окислители: сжатый кислород, азотная кислота, перманганат калия, перекись натрия, селитры, хлорная известь и др.
Например, сжатый кислород приводит к самовозгоранию минеральных масел, которые не занимаются на воздухе. А растительные материалы (солома, сено, лен, хлопок, опилки), скипидар, этиловый спирт самозаймають ься в результате контакта с азотной кислотойю.
Способность самовозгораться веществ и материалов необходимо учесть при разработке мер пожарной профилактики во время их хранения, транспортировки, термообработки, выполнения технологических опера этой тощ.
1Процесс горения требует наличия трех компонентов: вещества, способная гореть; источника огня с необходимым запасом энергии горения, определенного количества окислителяокислителя является кислород, в котором наиболее бурно происходят процессы горения окислителя могут быть кислородом вещества, такие как марганцовокислый калий КМn2О4 селитра КNО3, азотная кислота НМ03 и др.
2
Несмотря на большой опыт использования на практике, процессы горения остаются одними из наиболее сложных для научного изучения. Наука о горении является в высшей степени междисциплинарной, лежащей на стыке таких научных дисциплин, как газодинамика, химическая термодинамика, химическая кинетика, молекулярная и химическая физика, тепломассообмен, квантовая химия и физика, материаловедение и компьютерное моделирование
3
Прекращение горенияПрекращение горения любого вещества достигается путём физического или химического воздействия на реакцию горения, в результате чего происходит уменьшение количества выделяющегося тепла, снижение температуры горения и в конечном счете прекращение реакции.Прекращение горения достигается по нескольким механизмам. Исходя из этого различают следующие механизмы прекращения горения: разбавление концентраций реагирующих веществ; изоляция реагирующих веществ; охлаждение реагирующих веществ; химическое торможение реакции горения.
На практике, часто совмещают одновременно несколько методов прекращения горения. Прекращение горения путём разбавления концентрации реагирующих веществ основано на разбавлении воздуха или горючего вещества, поступающего в зону горения, негорючими веществами до тех пор, пока образующаяся в зоне реакции смесь станет негорючей. Условия прекращения горения в таком случае требуют, чтобы используемые для этой цели вещества были негорючими, низкотеплопроводными, обладать большой теплоемкостью и не поддерживать горения. К таким веществам относятся: азот, продукты сгорания, двуокись углерода, водяной пар.
Их можно вводить непосредственно в факел пламени, а также в объем помещения, где происходит горение. Прекращение горенияпутём изоляции реагирующих веществ. В этом случае горючее вещество или зону горения отделяют от воздуха. Огнетушащие средства: твердые листовые материалы (войлок, асбест, металлические крышки и др.), негорючие сыпучие материалы (песок, тальк и др.), жидкие вещества (химическую и воздушно-механическую пену, воду в чистом виде и с добавками, повышающими ее вязкость и смачивающую способность), газообразные вещества (продукты сгорания, азот, двуокись углерода).
Тушение методом охлаждения реагирующих веществ - до такого состояния, когда выделяющиеся пары не в состоянии будут воспламениться. Условия прекращения горения, которое осуществляется огнетушащими средствами, состоят в их высокой теплоёмкости, величиной удельной теплоты плавления и парообразования, способности равномерно распределяться на поверхности горящего вещества.
Условия возникновения горения
Физической основой пожара является горение. По определению «горение - физико-химическое превращение, характеризующееся выделением тепла и света». Процесс горения может возникать как в реакциях соединения так и разложения. В общем случае для возникновения горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя и источника воспламенения.
Окислителями в горении может быть кислород, находящийся в воздухе или в составе вещества, галогены, перекись водорода, азотная и серная кислоты, перманганат калия, хромовый ангидрид и другие соединения. Кроме того некоторые вещества горят в реакциях соединении, например, меди с серой, магния с углекислым газом. Группа веществ горит при взаимодействии с водой или ее парами. Сюда относятся щелочные, щелочноземельные металлы (калий, натрий и др.), гидриды, карбиды, фосфиды указанных металлов, низкомолекулярные металлоорганические соединения (триэтилбор, триэтилаллюминий) и другие.
Сгорание веществ может происходить также за счёт кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его отдавать. Такими веществами являются азотная кислота , бертолетова соль , селитры , , , и др. Смеси этих окислителей с горючим веществом взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом .
Источниками воспламенения являются – открытый огонь (пламя), искры (электрические, металла) и нагретые поверхности. Источник воспламенения должен иметь температуру выше температуры самовоспламенения горючей смеси и обладать энергией выше минимальной энергии зажигания. К обычным источникам относятся пламя спички (700 С), электрическая искра (1000 С), поверхность лампы накаливания (до 350 С).
Все вещества и материалы в зависимости от агрегатного состояния различают на:
газы-вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25 °С и давлении 101,3 жидкости-вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50 °С;
твердые вещества и материалы-индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50 °С, а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т. п.);
пыли-диспергированные твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм.
Вид агрегатного состояния участвующих в горении веществ определяет механизм горения, который подразделяют на три типа:
Гомогенное горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя;
Гетерогенное горение твердых и жидких горючих веществ в среде газообразного окислителя;
Взрывчатое горение.
| | | следующая лекция ==> | |
