Контрольная работа: Теория горения и взрыва
К веществам не взрывоопасным, которые теряют тепло в процессе образования (экзотермическая реакция), относятся, например, диоксид углерода
С + О2 → СО2 + 394 кДж/моль.
Следует учитывать, что применение законов термохимии позволяет лишь выявить возможность взрывного процесса. Осуществление его зависит от скорости реакции и образования летучих продуктов. Так, например, реакция парафина свечи с кислородом, несмотря на высокую экзотермичность, не приводит к взрыву из-за ее низкой скорости.
Реакция 2Аl+ 4АС2О2 → Аl2О3 + 2Fе сама по себе, несмотря на высокую экзотермичность, также не приводит к взрыву, так как не образуются газообразные продукты.
Окислительно-восстановительные реакции, составляющие основу реакций горения, по указанной причине могут приводив к взрыву только в условиях благоприятствующих достижению высоких скоростей реакции и росту давления. Сгорание сильно диспергированных твердых веществ и жидкостей может привести в условиях закрытого объема к росту избыточного давления вплоть до 8 бар Сравнительно редко, например в системах жидкого воздуха, где аэрозоль представляет собой туман из масляных капель.
При реакциях полимеризации, сопровождаемых экзотермическим эффектом, и наличии летучего мономера часто достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления, для некоторых веществ таких как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию. Этиленоксид может также изомеризоваться в ацетальдегид экзотермическим путем:
СН2СН2О — СН3НС = О + 113,46 кДж/моль
Реакции конденсации широко применяются в производстве красок, лаков и смол и вследствие экзотермичности процесса и наличия летучих компонентов приводят подчас к взрывам
Для выяснения общих условий, благоприятствующих возникновению горения и его переходу во взрыв, рассмотри график (рисунок 1) зависимости температуры, развиваемой в горючей системе, от времени при наличии с ней объемного тепловыделения за счет химической реакции и теплопотерь.
Если представить температуру Т1 на графике как критическою точку, при которой возникает горение в системе, становится очевидным, что в условиях, когда имеет место превышение теплопотерь над теплоприходом, такое горение возникнуть не может. Этот процесс начинается лишь при достижении равенства между скоростями тепловыделения и теплопотерь (в точке касания соответствующих кривых) и дальше способен ускоряться с повышением температуры и. тем самым, давления до взрыва.
Таким образом, при наличии условий, благоприятствующих теплоизоляции, протекание экзотермической реакции в горючей системе может привести не только к горению, но и к взрыву.
Возникающие неконтролируемые реакции, благоприятствующие взрыву, обусловлены тем, что скорость переноса тепла, например, и сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость экзотермической реакции и, тем самым, приток тепла от нее растет по степенному, закону с увеличением начальных концентраций реагентов и быстро возрастает при повышении температуры в результате экспоненциальной зависимости скорости химической реакции от температуры (закон Аррениуса). Эти закономерности обуславливают наименьшие скорости горения смеси и температуру на нижнем концентрационном пределе воспламенения. По мере приближения концентрации горючего и окислителя к стехиометрическим скорость горения и температура возрастают до максимальных знамений.
Концентрация газа стехиометрического состава - концентрация горючего газа в смеси с окислительной средой, при которой обеспечивается полное без остатка химическое взаимодействие горючего и окислителя смеси.
3. Особенности физического взрыва
Физические взрывы, как правило, связывают со взрывами сосудов от давления паров и пазов. Причем основной причиной их образования является не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобождением внутренний энергии сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения вызываются ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося сосуда. Физический взрыв может произойти в случае, например, падения переносного баллона с газом под давлением и срыва вентиля, понижающего давление. Давление сжиженного газа редко превышает 40 бар (критическое давление большинства обычных сжиженных газов).
К физическим взрывам относятся также явление так называемой физической детонации. Это явление возникает при смешении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, выливание расплавленного металла в воду). В образовавшейся парожидкостной смеси испарение может протекать взрывным образом вследствие развивающихся процессов тонкой флегматизации капель расплава, быстрого теплоотвода от них и перегрева холодной жидкости с сильным ее парообразованием.
Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающем в ряде случаях более тысячи атмосфер. Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их паров значительно превышает атмосферное. К числу таких жидкостей относятся: сжиженные горючие газы (например, пропан, бутан) сжиженные хладагенты аммиак или фреон, хранимые при комнатной температуре, метан, который должен храниться при пониженной температуре, перегретая вода в паровых котлах. Если емкость с перегретой жидкостью повреждается, то происходит истечение пара в окружающее пространство и быстрое частичное испарение жидкости. При достаточно быстром истечении и расширении пара в окружающей среде генерируются взрывные волны. Причинами взрывов сосудов с газами и парами под давлением являются:
- нарушения целостности корпуса из-за поломки какого-либо узла, повреждения или коррозии при неправильной эксплуатации;
- перегрев сосуда за счет нарушений в электрообогреве или режиме работы топочного устройства (в этом случае давление внутри сосуда повышается, а прочность корпуса понижается до состояния, при котором происходит ею повреждение);
- взрыв сосуда при превышении допустимого давления.
Взрывы газовых емкостей с последующим горением в атмосфере в основе своей содержат те же причины, которые описаны выше и характерны для физических взрывов. Основное различие заключается в образовании в данном случае огненного шара, размер которого зависит от количества выброшенного в атмосферу газообразного горючего. Это количество зависит, в свою очередь от физического состояния, в котором находится газ в емкости. При содержании горючего в газообразном состоянии его количество получится намного меньше, чем в случае хранения в той же емкости в жидком виде. Параметры взрыва, обуславливающие его последствия, в основном определяются характером распределения энергии в области взрыва и ее распределением по мере того, как взрывная волна распространяется от источника взрыва.
4. Энергетический потенциал
Взрыв обладает большой разрушительной способностью. Важнейшей характеристикой взрыва являемся суммарная энергия вещества. Этот показатель называют энергетическим потенциалом взрывоопасности, он входит во все параметры, характеризующие масштабы и последствия взрыва.
Энергетический потенциал взрывоопасности Е (кДж) блока определяется полной энергией сгорания парогазовой фазы, находящейся в блоке, с учетом величины работы ее адиабатического расширения, а также величины энергии полного сгорания испарившейся жидкости с максимально возможной площади ее пролива, при этом считается:
-при аварийной разгерметизации аппарата происходит его полное раскрытие (разрушение);
-площадь пролива жидкости определяется исходя из конструктивных решений зданий или площадки наружной установки;
- время испарения принимается не более 1 часа:
Е= ЕII1+ ЕII2+ ЕII1+ ЕII2+ ЕII3+ ЕII4 ,
взрыв пожарный помещение опасность
где ЕI1 - сумма энергий адиабатического расширения и сгорания парогазовой фазы (ПГФХ непосредственно находящейся в блоке, кДж;
ЕI2 - энергия сгорания ГПФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков), кДж;