7889

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный

университет»

С.В. Митрофанова, В.А. Яблоков

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Учебно-методическое пособие

по:

-подготовке к лекциям (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы)

для обучающихся по дисциплине «Теория горения и взрыва» направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность направленность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств специальность 20.05.01 Пожарная безопасность специализация Пожарная безопасность

Нижний Новгород

2022

2

УДК

Митрофанова С.В., Яблоков В.А.

учебно-методическое пособие / С. В. Митрофанова, В.А. Яблоков; Нижегородский государственный архитектурностроительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 100 с.: ил. – Текст: электронный.

.

В учебно-методическом пособии изложены физикохимические аспекты процессов горения и взрыва. Рассматриваются особенности горения гомогенных и гетерогенных систем, основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива, тепловой и цепной взрыв, а также экологические проблемы, связанные с сжиганием топлива и способами снижения вредных выбросов.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям и лабораторным работам по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность направленность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств, специальность 20.05.01 Пожарная безопасность специализация Пожарная безопасность.

© С.В. Митрофанова, 2022 © В.А. Яблоков, 2022

3

5

ВВЕДЕНИЕ

Горение – один из главных источников получения энергии в форме теплоты, работы, электричества при сжигании различных видов топлива (природный газ, мазут, бензин, керосин, дизельное топливо, каменный уголь и др.). В ряде производств горение является не только источником энергии, но и непосредственным участником технологического процесса, как это происходит, например, в металлургической промышленности.

Изучение теоретических основ горения связано с широким распространением этих процессов, с необходимостью повышения эффективности генерирования энергии, регулирования и оценки условий протекания горения, сопровождающегося в некоторых случаях цепным или тепловым взрывом.

Описание механизма горения сталкивается с трудностями выявления элементарных стадий реакции с участием атомов, молекул и радикалов. Сложные дифференциальные уравнения, описывающие скорости реакций, часто не имеют точного решения. Приходится применять приближенные методы, которые снижающие точность расчетов. К тому же применяемое топливо представляет собой смесь индивидуальных веществ. Его состав разнообразен и зависит от способа переработки.

Большое влияние на скорость горения оказывают физические процессы: испарение топлива, взаимная диффузия окислителя и восстановителя, отвод продуктов из сферы реакции, теплоотвод, перемешивание и ряд других факторов. Поэтому скорость горения относится к совокупности значительного количества параллельно и последовательно протекающих элементарных реакций.

При горении в конкретных топочных устройствах возникают сложные вихревые движения, описывающиеся сложными аэродинамическими уравнениями. Это также влияет на протекание процесса и определяется, прежде всего,

6

конструкцией горелки. При этом в пламени возникают различные неоднородности давлений, температур, концентраций

вразных участках.

Вучебно-методическом пособии изложены физикохимические аспекты процессов горения и взрыва. Рассматриваются особенности горения гомогенных и гетерогенных систем, основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива, тепловой и цепной взрыв, а также экологические проблемы, связанные с сжиганием топлива, и способам снижения вредных выбросов.

Учебно-методическое пособие предназначена для студентов, обучающихся по направлению 20.03.01 Техносферная безопасность.

7

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Горение

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света.

Обычно рассматривают химические реакции газообразных, жидких и твердых горючих веществ с кислородом воздуха.

Горение природного газа используется в паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения, двигателях автомобилей, кухонных газовых горелках и в других теплогенерирующих установках. Реакция горения природного газа, содержащего до 98 об.% метана, сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:

СН4(г) + 2О2(г) 2Н2О(ж) + СО2(г); ∆rН = 890.3 кДж/моль.

Горение жидких углеводородов широко используется в двигателях внутреннего сгорания, например, сгорание смеси углеводородов в составе бензина, керосина, дизельного топлива или мазута. Так, при сгорании одного из компонентов топлива – изооктана (2,2,4-триметилпентан) выделяется количество энергии, равное ∆rН = 5463 кДж/моль:

С(СН3)3СН2СН(СН3)2(ж)+12.5О2(г) 9Н2О(ж)+8СО2(г). Среди твердых горючих веществ особое место занимает

каменный уголь – невозобновляемый источник энергии, хранящийся в недрах земли, применяющийся в топочных устройствах, металлургии и других сферах хозяйственной деятельности человека. В каменном угле содержится от 75 до 90 мас.% углерода:

С(т) + О2(г) СО2(г); ∆rН = 393.5 кДж/моль.

Горение представляет собой окислительновосстановительную реакцию, сопровождающуюся изменением

8

степени окисления элементов. Так происходит при горении водорода в среде кислорода:

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(ж) или

2Н20 + О20 = 2Н2+1О-2.

Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.

Отступление. Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение.

Мы видели на примере реакции горения водорода, что образуется совсем не ионное соединение (Н2О), но использование степени окисления представляет собой прием, который позволяет установить реагент-окислитель и реагент-восстановитель.

Другой пример – горение оксида углерода:

2С+2О-2 + О20 = 2С+4О2-2.

В этом процессе окисляется углерод и восстанавливается кислород. Таким образом, горением может называться любая реакция, в которой выделяется теплота и образуется пламя. Это может быть и реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора:

Н2(г) + Cl2(г) = 2НCl(г)

или реакция разложения (горения взрывчатых веществ).

Для жидких и твердых веществ горению предшествует окислительно-восстановительная реакция, которая сразу же прекращается (это вспышка).

Вспышка

Вспышка – быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением.

При этом сгорание смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом происходит без загорания жидкости или твердого тела. Фактически вспышка соответствует процессу неустойчивого, быстро прекращающегося горения. Такой процесс происходит потому, что скорость поступления

9

горючей газопаровой смеси над поверхностью жидкого или твердого материала существенно ниже скорости окислительновосстановительной реакции. Создается ситуация, когда окислитель, например, кислород воздуха над поверхностью есть, но нет окисляемого вещества (восстановителя).

При достижении условий, когда нагретый жидкий или твердый горючий материал поставляет в газовую фазу пары со скоростью, равной скорости окислительно-восстановительной реакции, происходит воспламенение.

Воспламенение

Воспламенение – пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. Вслед за воспламенением развивается устойчивое, непрекращающееся горение.

Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.

При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего и окислителя находилась в определенном соотношении.

Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества). К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.

10