Горение и взрывы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет

РЕФЕРАТ

ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВЫ

8 вариант

Студент:

ГНФ, гр.БТПП-15-1бзу

Округин Сергей Владимирович

Старший преподаватель:

Верещагина Мария Александровна

Пермь 2016

1. Гомогенное и гетерогенное горение

горение кислородный взрыв

К гомогенному относится горение предварительно перемешанных газов. Многочисленными примерами гомогенного горения являются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем является кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида углерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемешивания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.

Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горения за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и соответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов те-пломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбулентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбулентности.

Все параметры гомогенного горения проявляются и в процессах, в которых окислителем выступает не кислород, а другие газы. Например, фтор, хлор или бром.

Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном состоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсированной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует испарение или разложение. От поверхности в зону горения поступает поток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Такое горение можно отнести к диффузионным квазигетерогенным, но не полностью гетерогенным, поскольку процесс горения происходит уже не на границе фаз. Развитие такого горения осуществляется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности материала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетеро-генно - на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно - в объеме газовой смеси.

Примером гетерогенного горения является горение каменного и древесного угля. При сгорании этих веществ протекают реакции двоякого рода. Некоторые сорта каменного угля выделяют при нагревании летучие компоненты. Сгоранию таких углей предшествует их частичное термическое разложение с выделением газообразных углеводородов и водорода, сгорающих в газовой фазе. Кроме того, при сгорании чистого углерода может образовываться оксид углерода СО, догорающий в объеме. При достаточном избытке воздуха и высокой температуре поверхности угля объемные реакции протекают настолько близко от поверхности, что в определенном приближении дает основание считать такой процесс гетерогенным.

Примером действительно гетерогенного горения является горение тугоплавких нелетучих металлов. Эти процессы могут осложняться образованием окислов, покрывающих горящую поверхность и препятствующих контакту с кислородом. При большой разнице в физико-химических свойствах между металлом и его окислом в процессе горения окисная пленка растрескивается, и доступ кислорода в зону горения обеспечивается.

2. Виды пламени, их классификация

Пламя классифицируют по:

· агрегатному состоянию горючих веществ: пламя газообразных, жидких, твёрдых и аэродисперсных реагентов;

· излучению: светящиеся, окрашенные, бесцветные;

· состоянию среды горючее ? окислитель: диффузионные, предварительно перемешанных сред;

· характеру перемещения реакционной среды: ламинарные, турбулентные, пульсирующие;

· температуре: холодные, низкотемпературные, высокотемпературные;

· скорости распространения: медленные, быстрые;

· высоте: короткие, длинные;

· визуальному восприятию: коптящие, прозрачные, цветные.

В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки). Внутри конуса пламени имеются: тёмная зона (300?350 °C), где горение не происходит из-за недостатка окислителя; светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500?800 °C); едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и макс. температурой (900?1500°C). Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя.

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущённой), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой НСРП является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимально возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей ? от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т. д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения, скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин: при дефлаграционном горении ? до 100 м/с; при взрывном горении ? от 300 до 1000 м/с; при детонационном горении ? свыше 1000 м/с.

3. Кислородный баланс: положительный, отрицательный, нулевой

Кислоромдный баламнс -- отношение количества кислорода, содержащегося во взрывчатом веществе (ВВ) к его количеству, необходимому для полного окисления всех остальных компонентов этого ВВ.

Кислородный баланс зависит в основном от состава ВВ, а также от состояния заряда (плотность, влажность, степень измельчения) и условий взрывания (наличие оболочки, материал оболочки и др.).

При полном соответствии количества кислорода количеству окисляемых компонентов ВВ кислородный баланс равен нулю (нулевой кислородный баланс). Соотношение компонентов при этом называют стехиометрическим. При избытке кислорода баланс считается положительным (положительный кислородный баланс), а при недостатке -- отрицательным (отрицательный кислородный баланс).

Обычно кислородный баланс выражают:

· в граммах избытка (+) или недостатка (-) кислорода на 1 грамм ВВ;

· в процентах.

В зависимости от кислородного баланса при взрыве ВВ образуются различные продукты взрыва.

Кислородный баланс некоторых ВВ:

· Аммонит скальный № 1 (- 0,8) %

· Аммонал (+ 0,2) %

· Гексоген (- 21,5) %

· Нитроглицерин (+ 3,5) %

· Тротил (- 74,0) %

4. Продукты взрыва (в зависимости от кислородного баланса)

Продукты взрыва являются непосредственными передатчиками энергии взрыва и исполнителями внешней работы. Состав продуктов взрыва определяется реакцией взрывчатого превращения ВВ. Реакция взрывчатого превращения, выражающая распад молекул ВВ и образование продуктов взрыва, может быть представлена в общем виде

ВВ ® ПВ + Q,

где Q - тепловой эффект взрывчатого превращения. Это уравнение дает состав продуктов взрыва и тепловой эффект взрыва. Путем расчетов можно вычислить и другие характеристики взрыва: температуру и давление взрыва, скорость, импульс взрыва. Уравнение взрывчатого превращения дает возможность, не производя опыта, оценить ожидаемое разрушительное действие ВВ. Для написания уравнения необходимо знать части уравнения: левую (формула исходного ВВ) и правую (формулы конечных продуктов взрывчатого превращения), а также тепловой эффект реакции взрывчатого превращения.

Элементарный состав молекул ВВ в значительной степени определяет и состав продуктов взрыва. Но на состав продуктов взрыва влияют такие факторы, как способ возбуждения реакции, температура и давление, при которых она протекает, взаимодействие промежуточных продуктов распада, плотность заряда ВВ, материал оболочки заряда и т.д.

Вывести уравнения взрывчатых превращений весьма сложно. Так, направление и характер химических реакций, составляющих взрывчатое превращение в целом, не поддаются точному экспериментальному и теоретическому исследованию. Имеющиеся способы расчетов, а также опытное определение состава продуктов взрыва дают более или менее приближенное представление о действительном уравнении взрыва.

Уравнения выводятся на основе ряда допущений, в зависимости от элементарного состава молекул ВВ и, главным образом, содержания кислорода в молекулах ВВ.

Бризантные ВВ (индивидуальные) всегда состоят из четырех элементов: углерода (С), водорода (H), кислорода (O) и азота (N). Лишь некоторые (преимущественно инициирующие) имеют иной состав, например гремучая ртуть Hg (ONC)2, азид свинца Pb(N3)2 и др. В основе химических превращений ВВ лежат окислительно-восстановительные реакции за счет собственного кислорода ВВ. Итак, количество кислорода в основном определяет характер взрывчатого превращения, т.е. состав продуктов взрыва.

В зависимости от кислородного баланса все ВВ можно разделить на три группы.

К первой относятся ВВ с положительным или нулевым кислородным балансом, т.е. ВВ с количеством кислорода, избыточным или достаточным для полного окисления горючих элементов. Это нитроглицерин, аммонийно-селитренные ВВ. Ко второй группе относятся ВВ с отрицательным кислородным балансом, т.е. с кислородом, недостаточным до полного окисления, но достаточным для превращения всего углерода в газы. Это гексоген, ТЭН, пироксилин. И к третьей группе относятся ВВ с существенно отрицательным кислородным балансом, когда недостаточно кислорода для окисления всего углерода в угарный газ (CO) и в продуктах детонации есть свободный углерод. Это тротил, тетрил.

Таким образом, обеспеченность состава ВВ кислородом можно характеризовать кислородным балансом (КБ) или кислородным коэффициентом ak, которые в относительных величинах выражают избыток или недостаток кислорода для полного окисления горючих элементов до их высших окислов.

5. Расчет оценки действия взрыва горючих химических газов и жидкостей

Расчеты оценки действия горючих химических газов и жидкостей сводятся к определению избыточного давления в фронте ударной волны (ДРФ) при взрыве газовоздушной смеси на определенном расстоянии от емкости, в которой хранится определенное количество во взрывоопасной смеси.

Расчет по определению избыточного давления взрыва

Расчет избыточного давления взрыва для горючих газов, паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей производится по методике, изложенной в НПБ 105-03 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности».

Задание: определить избыточное давление взрыва сероводорода в помещении.

Исходные условия

Сроводород постоянно находится в аппарате объемом 20 м3. Аппарат расположен на полу. Суммарная длина трубопроводов диаметром 50 мм, ограниченная задвижками (ручными), установленными на подводящем и отводящем участках трубопроводов, составляет 15 м. Расход сероводородаа в трубопроводах 4?10-3 м3/с. Размеры помещения ? 10x10x4 м.

В помещении имеется аварийная вентиляция с кратностью воздухообмена 8 ч-1. Аварийная вентиляция обеспечена резервными вентиляторами, автоматическим пуском при превышении предельно допустимой взрывоопасной концентрации и электроснабжением по первой категории надежности (ПУЭ). Устройства для удаления воздуха из помещения расположены в непосредственной близости от места возможной аварии.

Основные строительные конструкции здания железобетон.

Обоснование расчетного варианта

Согласно НПБ 105-03 в качестве расчетного варианта аварии следует принимать наиболее неблагоприятный вариант аварии, при котором участвует наибольшее количество веществ, наиболее опасных в отношении последствий взрыва.

И в качестве расчетного варианта принят вариант разгерметизации емкости с сероводородом и выход из неё и подводящею и отводящего трубопроводов сероводорода в объем помещения.

1) Избыточное давление взрыва для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов C, H, O, N, Cl, Br, I, F, определяется по формуле

(1)

где - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочным данным в соответствии с требованиями п.3 НПБ -105-03. При отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа;

- начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

- масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся(ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате аварии в помещение, кг;

- коэффициент участия горючего во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения согласно приложению. Допускается принимать значение по табл. 2 НПБ 105-03. принимаю равным 0,5;

- свободный объем помещения, ;

За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха для г.Уфа равная 39°С (согласно СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»).

Ниже приведен расчет величин, необходимых для определения избыточного давления взрыва сероводорода в помещении.

Плотность сероводорода при расчетной температуре:

где М ? молярная масса сероводорода, 34,08 кг/кмоль;

v0 ? мольный объем, равный 22,413 м3/кмоль;

0,00367? коэффициент температурного расширения, град -1;

tp ? расчетная температура, 390С (абсолютная максимальная температура воздуха для г. Уфы).

Стехиометрическая концентрация сероводорода рассчитывается по формуле:

;

где в ? стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

nc, nн, n0, nх, ? число атомов С,Н,О и галоидов в молекуле горючего;

Для сероводорода (Н2S) nc= 1, nн = 4, n0 = 0, nх = 0, следовательно,

Подставим найденное значение в, получим значение стехиометрической концентрации сероводорода:

Объем сероводорода поступившего при расчетной аварии в помещение, состоит из объема газа, вышедшей из аппарата, и объема газа, вышедшей из трубопровода до закрытия задвижек и после закрытия задвижек:

где Va? объем газа вышедшей из аппарата, м3;

V1T? объем газа вышедшей из трубопровода до его отключения, м3;

V2T ? объем газа вышедшей из трубопровода после его отключения, м3;

где q? расход жидкости, определяемый в соответствии с технологическим регламентом, м3/с;

T ? продолжительность поступления газа в объем помещения, определяемое по п.38 НПБ 105-03 с;

где d ? внутренний диаметр трубопроводов, м;

Ln ? длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м;

Таким образом, объем сероводорода, поступившего в помещение при рассматриваемом варианте аварии:

Масса сероводорода в помещении:

.

.

В случае обращения в помещении горючих газов, легковоспламеняющихся или горючих газов, легковоспламеняющихся или горючих жидкостей при определении значения массы , допускается учитывать работу аварийной вентиляции, если она обеспечена резервными вентиляторами, автоматическим пуском при превышении предельно допустимой взрывобезопасной концентрации и электроснабжением по первой категории надежности (ПУЭ), при условии расположения устройств для удаления воздуха из помещения в непосредственной близости от места возможной аварии.

При этом массу горючих газов или паров легковоспламеняющихся или горючих жидкостей, нагретых до температуры вспышки и выше, поступивших в объем помещения, следует разделить на коэффициент , определяемый по формуле

,

где - кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, 1/c. В данном помещении имеется вентиляции с кратностью воздухообмена - 8 (0,0022с);

- продолжительность поступления горючих газов и паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в объем помещения, с, принимаю равным 300 с. (п.7 НПБ 105-03)

Масса сероводорода, находящихся в помещении при рассматриваемом варианте аварии:

Результаты расчетов при взрыве

Таблица. Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве

Исходные и расчетные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Исходные и расчетные данные

Размещено на Allbest.ru