Глава 14 пожарная безопасность

14.1. Общие сведения о процессе горения

Горением принято называть быстропротекающую химическую реак­цию, сопровождающуюся выделением тепла и излучением света. Для про­текания процесса горения необходимым условием является наличие сме­си реакционноспособных веществ, содержащей окислитель и горючее. Окислителем обычно служит кислород воздуха» хотя некоторые материа­лы (например, металлы) могут гореть при взаимодействии с галогенами и в среде углекислого газа; окислителями также могут служить кислородосодержащие жидкие (например азотная кислота, перекись водорода, четырехокись азота) и твердые (например, хлорноватокислый калий, пер-манганаты) вещества.

Горючими, как правило, являются углеродо-водородосодержащие ве­щества, которые также могут быть в газообразном, жидком или твердом состоянии.

Наличие смеси окислителя с горючим не является, однако, доста­точным условием для возникновения горения. Окислитель (например, кислород воздуха) и горючее (например, пары бензина) могут находить­ся в перемешанном состоянии, никак не проявляя своей способности к горению» Но при появлении какого-либо высокотемпературного источни­ка (искры, открытого пламени) эта смесь сгорает с большой скоростью. Источником зажигания смеси может следить вода (для щелочных метал­лов), луч света (например, для смесей хлора с окисью углерода или водородом), механический импульс, ударная волна и т.д.

Горение, как следует из определения, сопровождается выделением тепла. Тепловой эффект реакции зависит от разности энергии исход­ных компонентов и конечных продуктов реакции (рис 14.1). Если ба­ланс энергий положительный, то реакция идет с выделением тепла и на­зывается экзотермической. При отрицательном – реакция может идти только при условии постоянного подвода к реагирующей системе энергии извне, а реакция называется эндотермической. Следовательно, реакции горения относятся к экзотермическим»

Закономерности протекания процесса горения зависят от химичес­кой природы реагирующих веществ, состояния и состава горючей сме­си, вида источника зажигания. Характерные виды процесса горения представлены в табл. 14.1.

В зависимости от причины возникновения горения различают вынужденное зажигание и самовозгорание. При вынужденном зажигании на горючую смесь действует тепловой им­пульс, вызывающий ускорение протекания химической реакции. Основны­ми источниками теплового импульса являются открытое пламя, нагре­тая поверхность, искра, резкое сжатие.

Ускорение химической реакции может возникнуть и в результате протекания химических или микробиологических процессов, способствую­щих образованию тепла» Явление резкого увеличения скорости химичес­кой реакции, приводящее к возникновению горения вещества в отсутст­вие источника зажигания, называется самовозгоранием (рис.14.2).

Период индукции (время с начала повышения температуры над температу­рой окружающей среды и до момента достижения температуры самовозгорания) может быть очень велик и зависит от условий накопления тепла. Начавшееся повышение температуры может прекратиться или да­же температура может начать падать при изменении условий, влияющих на скорости образования и рассеивания тепла. Начавшиеся в материале реакции окисления могут завершиться при этом лишь процессом самонагревания без перехода к самовозгоранию.

Таким образом, как при вынужденном зажигании, так и при самовоз­горании в горючей смеси должны возникнуть условия, при которых ско­рость тепловыделения должна превысить скорость теплоотвода. Это условие определяет явление самовоспламенения горю­чей смеси.

Таблица 14.1. Классификация видов процессов горения

Признак классификации	Виды горения	Необходимые условия
Агрегатное состояние компонентов горючей смеси	гомогенное	Окислитель и горючее находятся в газовой или паровой фазе
	гетерогенное	Один из компонентов горючей смеси находится в твердом или жидком состоянии, другой – в газообразном
Фактор, лимитирующий скорость горения	кинетическое	Однородная горючая смесь (например, заранее перемешанные горючий газ с воздухом). Скорость горения определяется только скоростью химической реакции
	диффузионное	Горючее вещество и окислитель не перемешаны и имеют поверхность раздела (например, твердые и жидкие вещества, струи газов и паров, поступающие в воздух). Горение лимитируется скоростью образования горючей смеси (разложения твердого вещества, испарения жидкости, перемешивания газов и т.д.)

Продолжение Табл. 14.1.

Признак классификации	Виды горения	Необходимые условия
Скорость распространения пламени	дефлаграционное	Передача тепла и, следовательно, распространение пламени по горючей смеси происходит путем молекулярной диффузии, теплопроводности, а также за счет турбулентного движения молей газа (скорость нормального распространения пламени невелика – дециметры в секунду)
	взрывное	Скорость распространения горения по горючей смеси составляет десятки и сотни метров в секунду с образованием ударной волны
	детанационное	Чрезвычайно быстрое (тысячи м/с) распространение горения, связанное с воспламенением горючей смеси ударной волной

Тепловая теория самовоспламенения разработана Н.Н.Семеновым и заключается в следующем.

В химическую реакция может вступить не всякая частица горючей смеси, а только так называемая "активная", обладающая достаточным запасом энергии. Взаимодействие (реагирование) частиц произойдет, ес­ли энергия соударения не ниже энергии активации реакции.

Доля активных молекул и, следовательно, скорость химической реак­ции возрастает при увеличении температуры горючей смеси экспоненци­ально (закон Аррениуса):

(14.1.)

где k - коэффициент» учитывающий физические условия протекания химической реакции в горючей смеси;

E₀ - энергия активации реакции;

R - универсальная газовая постоянная;

Т – температура.

Если на графике, характеризующем закон распределения энергии по атомам и молекулам в гомогенной смеси (рис.14.2), на шкале абсцисс отметить значение» равное энергии активации Е₀, то правая "хвостовая" часть кривой будет характеризовать долю реакционноспособных частиц в смеси при заданной температуре Т₁. Если темпе­ратуру смеси увеличить до значения Т₂, то соответственно возрас­тет по экспоненте доля активных молекул и» следовательно, скорость реакции.

Например, в горючей смеси с энергией активации Е₀ = 83800 МДж/моль при Т₁ = 300 К доля молекул, обладающих энергией не меньшей Е₀, составляет

,

а при Т₂ = 1000 К

.

Следовательно при повышении температуры от 300 до 1000 К число активных молекул увеличивается в е^-10 : е^-33,3 = 1,65  10¹⁰ раза, тогда как число столкновений при этом увеличивается лишь в 1,83 раза, а общая энергия газа - всего лишь в 3,3 раза.

Так как каждый элементарный акт экзотермической химической ре­акции сопровождается выделением тепла, то скорость тепловыделения в реагирующем объеме V горючей смеси с учетом (14.1.) составит

, (14.2)

где q - тепловой эффект реакции.

Выделившееся тепло q₁ расходуется на нагрев смеси и на поте­ри в окружающую среду. Скорость теплопотерь может быть определена следующим образом

, (14.3)

где - коэффициент теплоотдачи;

S - площадь поверхности теп­лообмена.

Графики функций, представленных выражениями (14.2) и (14.3), показаны на рис. 14.3 и 14.4. Пусть, например, задана горючая смесь, скорость тепловыделения в которой с ростом температуры ха­рактеризуется кривой q₁ (рис.14.3). Скорость теплопотерь в зави­симости от конкретных условий опыта (например, материала стенок сосуда) может изменяться (семейство прямых q₂).

Превышение скорости тепло выделения над теплопотерями, соответ­ствующее самовоспламенению горючей смеси, будет происходить, если

(14.4)

Аналогичный результат получим, рассматривая поведение различных горючих смесей (семейство кривых q₁) при постоянных условиях теп­лоотдачи q₂ (риc. 14.4).

Как видно из определения, для возникновения самовоспламенения горючая смесь нуждается в предварительном разогреве до температуры, не меньшей Т_св. Отсюда же следует, что только такой источник за­жигания способен воспламенить горючую смесь, температура которого, по крайней мере, не ниже температуры самовоспламенения, а запас тепла достаточен для нагрева локального объема горючей смеси до этой темпе­ратуры.

Однако, существуют химические реакции, которые не нуждаются для своего развития в предварительном разогреве» При протекании та­ких реакций исходные вещества превращаются в конечный продукт посред­ством образования очень активных промежуточных продуктов - атомов и радикалов, легко вступающих в дальнейшие соединения* В результате этих соединений образуется не только конечный продукт, но и некото­рое число новых активных частиц, которые вновь вступают в соединения» Такие реакции называют цепными*

Реальные процессы горения имеют, как правило, одновременно при­знаки теплового и цепного механизма протекания реакции* Зарождение активных центров может иметь тепловой характер, а реагирование возникших активных частиц по цепному механизму приводит к выделению тепла, разогреву горючей смеси и термическому зарождению новых цент­ров.