Теоретические основы механизма взрыва и горения

В основе современных представлений о механизме процесса горения лежат теории самовоспламенения, которые построены на трех видах механизма самовоспламенения: тепловом, автокаталитическитепловом и цепном самоускорении.

Причиной теплового самовоспламенения может бытьразогрев реагирующих веществ теплотой реакции.Для этого необходимпредварительный разогрев системы и достижение такого состояния, при котором приход тепла в результате реакции станет выше отвода тепла из зоны реакции. При этом условии начнется саморазгон реакции и произойдет самовоспламенение.

Явление, при котором каталитическое действие на реакцию оказывает какой-либо из ее продуктов, называют автокатализом.Особенность этой реакции заключается в том, что она идет при непременной возрастающей концентрации катализатора. Для того,чтобы развивалась автокаталитическая реакция, необходимолибо превращение в конечный продукт, либо существование в начальный момент некоторого количества продукта для реакции в виде начальной «затравки».

Для автокаталитического самовоспламенения характеренболее длительный начальный период реакции, в течение которого ее скорость несоизмеримо мала и который далее сменяется периодом быстрого развития химического превращения, однако самоускорение происходит с самого начала реакции.При достижении критической скорости реакциидальнейшее самоускорение будет проходить не только в результате автокатализа, но и повышения температуры.

Цепное самовоспламенениеимеет природу, отличную от теплового самовоспламенения. В случае ценных реакцийвыделение тепла происходит в результатеразветвления реакционных цепей и накопления химически активных частиц.

К цепным относятсяхимические процессы, в которых в качестве промежуточных частиц выступают свободные радикалы, или, как их еще называют, активные частицы. Обладая свободными ненасыщенными связями и вступая во взаимодействие с исходными молекулами эти активные частицы вызывают разрыв одной из валентных связей этой молекулы и образуют новую активную частицу. Последняя, в свою очередь, вступает во взаимодействие с новой исходной молекулой, таким образом распространяется реакционная цепь и возникает цепная реакция.

В условиях промышленного производства под взрывом следует пониматьбыстрое неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором расстоянии от источника.Взрыв может быть вызван:

• детонацией конденсированного ВВ, быстрым сгоранием воспламеняющегося облака газа;

• внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или перегретой жидкостью;

• смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д.

Источниками энергии при взрыве могут бытькак химические, так и физические процессы.

Источником химического взрываявляются быстропротекающие экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений.

Физические взрывывозникают при смешивании горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, при вливании расплавленного металла в воду). Испарение в этом случае протекает взрывным образом.

Способность веществ к взрывному процессу подчиняется законам термохимии, согласно которым, если в данной реакции сумма теплот образования продуктов меньше теплоты образования исходного соединения, то это вещество потенциально взрывоопасно.

Источниками энергии взрывов могут бытьокислительно-восстановительные химические реакции, в которых воздух или кислород взаимодействуют с восстановителем. Окислительно-восстановительные реакции в этих условиях могут протекать с достаточно высокими скоростями, при которых генерируются ударные волны, способные вызвать ощутимые разрушения.

Ламинарное, дефлаграционное горение и детонация. Горение и взрыв веществ в разных агрегатных состояниях

В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть дефлаграционнымсо скоростью несколько м/с,взрывным- порядка десятков и сотен м/с идетонационным- тысяч м/с.

При ламинарном горениираспространение пламени происходит от каждой точки фронта по нормали к его поверхности, так же, как и распространение сферического пламени при центральном зажигании. Такое горение и скорость перемещения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называетсянормальным.

Скорость горения горючих веществ в смеси с воздухом для предельных углеводородов составляет 0,32-0,4 м/с, для водорода - 2,7 м/с. При столь малых скоростях распространения пламени образование ударной волны перед фронтом пламени не происходит.

При достижении скоростей распространения пламени, составляющих десятки и сотни метров в секунду, но не превышающих скорость распространения звука в данной среде (300-320 м/с), происходит взрывное, или дефлаграционное горение.

При взрывном горениипродукты горения могут нагреваться до 1500-3000°С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0,6-0,9 мПа. Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлеграцией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100-300 м/с, при которой генерируются ударные полны с максимальным давлением 20-100 кПа.

Разрушающее давление (~30кПа) достигается при скорости распространения пламени 150-200 м/с. В определенных условиях дефлаграционное (взрывное) горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1-5 км/с. Пиковое давление, создаваемое при детонации, достигает 200 кПа. Большинство промышленных зданий разрушается при давлениях 25-30 кПа при внешних взрывах и 20-25 кПа - при внутренних.

При детонационном режиме горения облака большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну;при дефлаграционном горении переход энергии в ударную волну составляет примерно 30%, максимальный к.п.д. энергии взрыва парогазовых сред составляет примерно 40%.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают:

• гомогенное горение;

• горение взрывчатых веществ;

• гетерогенное горение.

При гомогенном горенииисходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии.К этому типу относится горение газовых смесей(природного газа с окислителем - обычно кислородом воздуха),горение негазифицирующихся конденсированных веществ(например, термитов - смесей алюминия с оксидами различных металлов), а такжеизотермическое горение- распространение цепной разветвленной реакции в газовой смеси без значительного разогрева.

Горение взрывчатых веществсвязано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-химический процесс, при котором в результате химической реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие в зоне горения на некотором расстоянии от поверхности.

При гетерогенном горенииисходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения - горение угля, металлов, сжигания жидких топлив и т.д. Процесс гетерогенного горения очень сложен, химическое превращение сопровождается дроблением горючего вещества и переходом его в газовую фазу в виде капель частиц, образованием оксидных пленок на частицах металла, турбулизацией и т.д.