                         Краткий курс лекций
Производственная безопасность. Часть 3.
Содержание
3.1. Пожарная безопасность.
3.2. Безопасность эксплуатации газового хозяйства предприятия
3.1. ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Физико-химические основы процессов горения и взрыва
Пламя возникает в результате сложного взаимодействия химических и физических процессов.
В литературе нет общепринятого определения пламени.
Фрисом определяет пламя как реакцию горения, которая может распространяться в пространстве с дозвуковой скоростью.
Ксандопуло Г.Н. отмечает, что не все процессы горения сопровождаются возникновением пламени и не все пламена являются результатом горения. Он выделяет пламена рекомбинации атомов или экзотермических реакций распада вещества (распад озона, ацетилена, гидразина и т.п.). Протекание экзотермических реакций – не единственное условие горения и возникновения пламени.
Хитрин Л.Н. определяет пламя как быструю, самоподдерживающуюся химическую реакцию, протекающую в пространственно ограниченной реакционной зоне.
Мальцев В.М. под пламенем понимает газообразную среду, в которой происходят физико-химические превращения компонентов.
Усманов И.Ф. дает следующее определение пламени: «Пламя – это определенный объем газовой среды, в котором протекают гомогенные или гетерогенные процессы горения». Внутри пламени всегда организуются потоки. Это могут быть потоки продуктов горения, исходных компонентов, воздуха и т.п. Следовательно пламя можно определить как излучающую струю, в которой протекают реакции горения.
Хацринов А.Н. дает следующее определение пламени. Пламя – это излучающая струя, в которой протекают реакции горения.
Кутуев Р.Х. характеризует пламя как часть газового пространства, где протекают все физико-химические процессы, собственно горения.
На наш взгляд, с точки зрения специалистов противопожарной службы, наиболее подходят следующие определения пламени.
Пламя – самоподдерживающийся режим распространения зоны химического превращения в пространстве либо пламя можно охарактеризовать как определенный объем газового пространства, в котором протекают все физико-химические процессы горения.
Как уже отмечалось выше, возникновение пламени характерно для гомогенного горения.
Различают два режима гомогенного горения: кинетический и диффузионный.
При гомогенном горении горючие газы или пары могут быть предварительно перемешаны с воздухом перед входом в зону горения (как, например, в горелке Бунзена). Предварительно перемешанная смесь называется однородной. Горение однородной смеси протекает во всем объеме пламени, а скорость горения определяется только кинетикой окислительно-восстановительной реакции. Такой режим горения называется кинетическим. При горении однородных смесей при достаточном количестве окислителя происходит, как правило, полное сгорание горючего газа или пара с образованием летучих продуктов горения СО2, Н2О и др.
В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) из окружающей среды и горючие газы поступают в зону непосредственного взаимодействия преимущественно за счет процесса диффузии.
Непосредственно химическая окислительно-восстановительная реакция протекает в тонком поверхностном слое, ограничивающем пламя, называемом фронтом пламени. Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.
Диффузионное горение – это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии горючих газов и паров и окислителя во фронт пламени.
При диффузионном горении возможно неполное сгорание горючего газа или пара с образованием продуктов горения СО2, Н2О, СО, С и др.
По газодинамическим параметрам различают ламинарное и турбулентное горение.
Ламинарным (от лат. lamina - слой, пластина) называется спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.
Турбулентным (от лат. turbulenze - вихрь) называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.
Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуется критерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):
где v - линейная скорость газового потока, м/с;
d - характерный размер потока, м;
- плотность газа, кг/м3;
- динамический коэффициент вязкости, Нс/м2
Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300, при 2300 < Re < 10000 режим переходный, а при Re > 10000 - турбулентный. Во всех случаях толщина зоны горения (фронта) пламени лам < пepex < тyp.
Область пламени, следующая за фронтом пламени, называется внешним конусом. Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса.
Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.
Главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.
К химическим процессам в пламени относятся:
на подходе к зоне горения термическое разложение исходных веществ с образованием более легких продуктов (водорода, оксидов углерода, простейших углеводородов, воды и т.д.);
во фронте пламени:
термоокислительные превращения с выделением теплоты и образованием продуктов полного (диоксида углерода и воды) и неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.);
диссоциация продуктов горения,
ионизация продуктов горения.
К физическим процессам в пламени относятся:
тепломассоперенос во фронте пламени;
процессы, связанные с испарением и доставкой летучих горючих веществ в зону горения.
Скорость переноса (диффузии) веществ имеет решающее значение, например, в неоднородных системах, где она гораздо меньше скорости химических реакций окисления. Соотношение скорости химических превращений и физических процессов определяет режим процесса горения.
Дефлаграционный механизм распространения пламени.
Скорость распространения пламени является одной из важнейших характеристик пожаровзрывоопасности веществ и материалов.
Взрыв является следствием быстропротекающих физических или химических процессов, сопровождающихся переходом внутренней энергии системы в работу расширяющихся продуктов взрыва.
В зависимости от механизма протекающих при этом процессов различают физический и химический взрыв.
Физический взрыв протекает без химических превращений и подчиняется физическим, в основном, газодинамическим законам. К физическим взрывам относятся взрывы паровых котлов и сосудов с высоким внутренним давлением.
Химический взрыв возникает результатом быстропротекающих химических реакций.
Однако при реальных пожарах горение в газовой фазе является наиболее важным видом горения, т.к. касается не только горения горючих газов, но и горения горючих жидкостей и твердых веществ, которые перед непосредственным вступлением в реакцию окисления испаряются или термически разлагаются с образованием газообразных горючих продуктов, рассмотрим подробнее распространение пламени в газовой фазе.
Распространение пламени по горючей среде, при котором зона реакции горения движется вследствие послойного разогрева по механизму теплопроводности, называется нормальным или дефлаграционным горением. Механизм дефлаграционного горения был изучен одним из основоположников теории горения В.А. Михельсоном.
Дефлаграцию можно рассматривать как переходный режим от горения к взрыву.
Взрыв и детонация.
Распространение пламени может происходить не только по механизму дефлаграции. При определенных условиях дефлаграция может перейти во взрыв.
Взрыв – это такой режим химических реакций, при котором скорости химических превращений лежат за пределами дефлаграции и составляют от 2000 м/с до 10000-12000 м/с.
При наличии возмущающих факторов (например, при вынужденном движении горючей среды, за счет силы тяжести и трения) форма пламени будет искривляться, при этом величина поверхности фронта пламени будет резко возрастать, что приводит к резкому возрастанию суммарной скорости горения. Искривление поверхности пламени является следствием турбулизации сгорающего газа. При сильной турбулизации малые элементарные участки горючей смеси перемешаны с горячими продуктами горения и фронт пламени уже не разделяет горящую и холодную горючую смесь. Послойное распространение зоны горения происходит нагреванием последующих слоев горючей смеси за счет быстрого адиабатического сжатия, приводящего к возникновению ударной волны. Такой механизм горения называется взрывом.
Если дефлаграционное пламя распространяется с небольшой скоростью, порядка нескольких метров или десятков метров в секунду, то скорость детонационного горения значительно выше – сотни метров в секунду и может достигать скорости звука. Создаются условия для возникновения взрыва.
Взрыв – это режим горения, при котором фронт пламени распространяется за счет самовоспламенения горючей смеси во фронте бегущей впереди ударной волной.
Подробно о возникновение ударных волн и детонации мы рассмотрим в разделе 3 нашего курса.
Сейчас рассмотрим лишь некоторые отличия в распространении пламени при дефлаграции и детонации. При взрыве газообразных горючих смесей толщина слоя, в котором происходят химические превращения, значительно шире, чем при дефлаграционном режиме горения и измеряется величиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В то же время в газовых смесях детонационной фронт не является гладким. Негладкость фронта в газах является результатом неоднородностей и турбулентностей, взникающих в зоне химической реакции, что приводит к пульсирующему режиму распространения детонационного фронта.
Скорость распространения пламени при взрыве целиком и полностью будет определяться скоростью распространения ударной волны D:
Скорость распространения ударной волны в реальных горючих газовых системах может превышать 1 км/с. Опыт показывает, что для водорода, например, D = 2820 м/с.
Огромный профессиональный интерес для пожарных специалистов представляет явление самопроизвольного возникновения взрыва. Оно становится возможным при скорости распространения пламени порядка тысяч м/с.
Как и дефлаграция, детонация газовых систем возможна только в определенной области концентраций горючего и окислителя, причем всегда в области воспламенения (об этом подробно в следующих лекциях).
Количество горючих веществ, способных образовывать взрывоопасные смеси, достаточно велико, причем способность их к взрыву повышается в смесях с кислородом. Последствия взрыва всегда катастрофичны.
|
