Предприятия, на которых перерабатываются или используются горючие жидкости, представляют собой большую пожарную опасность. Это объясняется тем, что горючие жидкости легко воспламеняются, интенсивнее горят, образуют взрывоопасные паровоздушные смеси и плохо поддаются тушению водой.
Горение жидкостей
происходит только в паровой фазе. Скорость испарения и количество паров жидкости зависят от ее природы и температуры. Количество насыщенных паров над поверхностью жидкости зависит от ее температуры и атмосферного давления. В состоянии насыщения число испаряющихся молекул равно числу конденсирующихся, и концентрация пара остается постоянной. Горение паровоздушных смесей возможно только в определенном диапазоне концентраций, т.е. они характеризуются концентрационными пределами распространения пламени (НКПРП и ВКПРП).
Нижние (верхние) концентрационные пределы распространения пламени
– минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.
Концентрационные пределы
могут быть выражены через температуру (при атмосферном давлении). Значения температуры жидкости, при которых концентрация насыщенных паров в воздухе над жидкостью равна концентрационным пределам распространения пламени, называются температурными пределами распространения пламени (воспламенения) (нижним и верхним соответственно – НТПРП и ВТПРП).
Таким образом, процесс воспламенения и горения жидкостей можно представить следующим образом. Для воспламенения необходимо, чтобы жидкость была нагрета до определенной температуры (не меньше нижнего температурного предела распространения пламени). После воспламенения скорость испарения должна быть достаточной для поддержания постоянного горения. Эти особенности горения жидкостей характеризуются температурами вспышки и воспламенения.
В соответствии с ГОСТ 12.1.044 "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов
", температурой вспышки называется наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает. Температура вспышки соответствует нижнему температурному пределу воспламенения.
Температуру вспышки
используют для оценки воспламеняемости жидкости, а также при разработке мероприятий для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности ведения технологических процессов.
Температурой воспламенения
называется наименьшее значение температуры жидкости, при котором интенсивность испарения ее такова, что после зажигания внешним источником возникает самостоятельное пламенное горение.
В зависимости от численного значения температуры вспышки жидкости подразделяются на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ).
К легковоспламеняющимся жидкостям относятся жидкости с температурой вспышки не более 61 о С в закрытом тигле или 66 о С в открытом тигле.
Для ЛВЖ температура воспламенения обычно на 1-5 о С выше температуры вспышки, а для горючих жидкостей эта разница может достигать 30-35?С.
В соответствии с ГОСТ 12.1.017-80, в зависимости от температуры вспышки ЛВЖ подразделяются на три разряда.
Особо опасные ЛВЖ
– с температурой вспышки от -18 о С и ниже в закрытом тигле или от -13 о С и ниже в открытом тигле. К особо опасным ЛВЖ относятся ацетон, диэтиловый спирт, изопентан и др.
Постоянно опасные ЛВЖ
– это горючие жидкости с темпе-ратурой вспышки от -18 о С до +23 о С в закрытом тигле или от -13 о С до +27 о С в открытом тигле. К ним относятся бензил, толуол, этило-вый спирт, этилацетат и др.
Опасные при повышенной температуре ЛВЖ
– это горючие жидкости с температурой вспышки от 23 о С до 61 о С в закрытом тигле. К ним относятся хлорбензол, скипидар, уайт-спирит и др.
Температура вспышки жидкостей
, принадлежащих к одному классу (жидкие углеводороды, спирты и др.), закономерно изменяется в гомологическом ряду, повышаясь с увеличением молекулярной массы, температуры кипения и плотности. Температуру вспышки определяют экспериментальным и расчетным путем.
Экспериментально температуру вспышки определяют в при-борах закрытого и открытого типа:
– в закрытом тигле на приборе Мартенса-Пенского
по методике, изложенной в ГОСТ 12.1.044-89, – для нефтепродуктов;
– в открытом тигле на приборе ТВ ВНИИПО
по методике, приведенной в ГОСТ 12.1.044-89, – для химических органических продуктов и на приборе Бренкена по методике, изложен-ной в том же ГОСТе, – для нефтепродуктов и масел.
Для создания НКПРП паров над поверхностью жидкости достаточно нагреть до температуры, равной НТПРП, не всю массу жидкости, а лишь только ее поверхностный слой.
При наличии ИЗ такая смесь будет способна к воспламенению. На практике чаще всего используются понятия температура вспышки и воспламенения.
Под температурой вспышки понимают наименьшую температуру жидкости, при которой над ее поверхностью в условиях специальных испытаний образуется концентрация паров жидкости, способная к воспламенению от ИЗ, но скорость их образования недостаточна для последующего горения. Таким образом, как при температуре вспышки, так и при нижнем температурном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае HKПРП создается насыщенными парами. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПРП. Хотя при температуре вспышки имеет место кратковременное воспламенение паров в воздухе, которое не способно перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее при определенных условиях вспышка паров жидкости способна явиться источником возникновения пожара.
Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ). К ЛВЖ относятся жидкости, имеющие температуру вспышки в закрытом тигле 61 0 С или в открытом 65 0 С и ниже, к ГЖ – с температурой вспышки в закрытом тигле более 61 0 С или в открытом тигле 65 0 С.
I разряд – особо опасные ЛВЖ, к ним относятся легко воспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки от -18 0 С и ниже в закрытом тигле или от -13 0 С и ниже в открытом тигле;
II разряд – постоянно опасные ЛВЖ, к ним относятся легко воспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки выше -18 0 С до 23 0 С в закрытом тигле или от -13 до 27 0 С в открытом тигле;
III разряд – ЛВЖ, опасные при повышенной температуре воздуха, к ним относятся легко воспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки от 23 до 61 0 С в закрытом тигле или от 27 до 66 0 С в открытом тигле.
В зависимости от температуры вспышки устанавливают безопасные способы хранения, транспортирования и применения жидкостей для различных целей. Температура вспышки жидкостей, принадлежащих к одному и тому же классу, закономерно изменяется с изменением физических свойств членов гомологического ряда (табл. 4.1).
Таблица 4.1.
Физические свойства спиртов
|
Молекулярная |
Плот-ность, |
Температура, К |
||
|
Метиловый СН 3 ОН | ||||
|
Этиловый С 2 Н 5 ОН | ||||
|
н-Пропиловый С 3 Н 7 ОН | ||||
|
н-Бутиловый С 4 Н 9 ОН | ||||
|
н-Амиловый С 5 Н 11 ОН | ||||
Температура вспышки повышается с увеличением молекулярной массы, температуры кипения и плотности. Эти закономерности в гомологическом ряду говорят о том, что температура вспышки связана с физическими свойствами веществ и сама является физическим параметром. Необходимо отметить, что закономерность изменения температуры вспышки в гомологических рядах нельзя распространятьна жидкости, принадлежащие к разным классам органических соединений.
При смешении горючих жидкостей с водой или четы-реххлористым углеродом давление горючих паров при той же температуре понижается, что приводит к повышению температуры вспышки. Можно разбавить горючую жидкость до такой степени, что получившаяся смесь не будет иметь температуру вспышки (см. табл. 4.2).
Практика пожаротушения показывает, что горение хорошо растворимых в воде жидкостей прекращается, когда концентрация горючей жидкости достигает 10-25 %.
Таблица 4.2.
Для бинарных смесей горючих жидкостей, хорошо растворимых друг в друге, температура вспышки находится между температурами вспышки чистых жидкостей и приближается к температуре вспышки одной из них в зависимости от состава смеси.
С повышением температуры жидкости скорость испарения увеличивается и при определенной температуре достигает такой величины, что раз подожженная смесь продолжает гореть после удаления источника воспламенения. Такую температуру жидкости принято называть температурой воспламенения . Для ЛВЖ она отличается на 1-5 0 С от температуры вспышки, а для ГЖ – на 30-35 0 С. При температуре воспламенения жидкостей устанавливается постоянный (стационарный) процесс горения.
Между температурой вспышки в закрытом тигле и нижним температурным пределом воспламенения имеется корреляционная связь, описываемая формулой:
Т вс – Т н.п. = 0,125Т вс + 2. (4.4)
Это соотношение справедливо при Т вс < 433 К (160 0 С).
Существенная зависимость температур вспышки и воспламенения от условия эксперимента вызывает определенные трудности при создании расчетного метода оценки их величин. Одним из наиболее распространенных из них является полуэмпирический метод, предложенный В. И. Блиновым:
,
(4.5)
где Т вс – температура вспышки, (воспламенения), К;
р вс – парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па;
D 0 – коэффициент диффузии паров жидкости, м 2 /с;
n – количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего;
Лекция 13
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Потребление жидкого топлива в мировом хозяйстве достигает б настоящее время гигантских масштабов и продолжает неуклонно расти. Это приводит к постоянному развитию нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Жидкое топливо превратилось в настоящее время в важнейшее стратегическое сырье, и это обстоятельство приводит к необходимости создания громадных его запасов. Обеспечение пожарной безопасности при добыче, транспортировке, переработке и хранении жидкого топлива является важнейшей задачей органов пожарной охраны .
Воспламенение жидкости
Важнейшим свойством жидкости является ее способность к испарению. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью ЛВЖ, ГЖ паровоздушную смесь. За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс - конденсация. Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:
где рнп - давление насыщенного пара, Па;
Qисп - теплота испарения - количество тепла, необходимое для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;
Т - температура жидкости, К.
Из (7.1) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально (рис. 7.1). Таким образом, для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором концентрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKJIB <ф п< ВКПВ
https://pandia.ru/text/80/195/images/image003_159.jpg" width="350" height="43 src=">
где Твс - температура вспышки (воспламенения), К;
Рвс - парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па;
п - количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего;
В - константа метода определения.
Распространение пламени по поверхности жидкости.
Анализ влияния условий горения на скорость распространения пламени
Свойство пламени к самопроизвольному распространению имеет место не только в случае горения смесей горючих газов с окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ. При локальном воздействии тепловым источником, например открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет скорость испарения и при достижении поверхностью жидкости температуры воспламенения в месте воздействия источника произойдет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое пламя, которое затем с определенной скоростью будет распространяться по поверхности холодной жидкости.
Что же является движущей силой распространения процесса горения и каков его механизм?
Распространение пламени по поверхности жидкости протекает в результате теплопередачи излучением, конвекцией и молекулярной теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.
Основную роль в этом по современным представлениям играет теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более 1000°С), способно, как известно, излучать тепловую энергию . Согласно закону Стефана-Больцмана, интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением:где ε - степень черноты,
σ - постоянная Стефана - Больцмана, = 2079 ´ 10-7 кдж/(м2 ч К4)
T ф, T ж - t факела и поверхности жидкости, К
Это тепло расходуется на испарение (q1 ) и прогрев (q11 ) жидкости в глубину.
Qф = q1 +q11 = r ´ r ´ W + r ´ U ´ (Tж - T0) ´ c, где
r - теплота испарения, кдж/г
r - плотность, г/см3
W - линейная скорость выгорания, мм/ч
U - скорость прогрева в глубину, мм/ч
T0 - начальная т-ра жидкости, К
с - удельная теплоёмкость жидкости, дж/(г К)
Максимальная температура жидкости равна t её кипения.
В установившемся процессе горения наблюдается равновесие между скоростью испарения и скоростью выгорания.
Верхний слой жидкости нагревается до более высокой температуры, чем нижние. Температура у стенок выше, чем в середине резервуара.
Таким образом, скорость распространения пламени по жидкости, т. е. путь, пройденный пламенем в единицу времени, определяется скоростью прогрева поверхности жидкости, под воздействием лучистого теплового потока от пламени, т. е. скоростью образования горючей паровоздушной смеси над зеркалом жидкости.
Вода резко снижает температуру кипения нефти, мазута. При горении нефти, содержащей воду, происходит вскипание воды, что приводит к переливанию горящей жидкости через борт резервуара (т. наз. вскипание горящей жидкости.
Над поверхностью же открытого резервуара концентрация паров по высоте будет различной: у поверхности она будет максимальной и соответствовать концентрации насыщенного пара при данной температуре, а по мере подъема над поверхностью постепенно снижается вследствие конвективного и молекулярного уноса (рис, 7.3).
Таким образом, над поверхностью зеркала жидкости в открытом резервуаре при любой начальной температуре жидкости выше, чем Тст , будет находиться область, в которой концентрация паров в воздухе будет стехиометрической. При температуре жидкости Т2 эта концентрация будет находиться на высоте Ну от поверхности жидкости, а при температуре Т3, большей Т2, - на расстоянии Н ^Зст. При температуре, близкой к температуре вспышки жидкости ТВ распространение пламени по поверхности жидкости будет равной скорости его распространения по смеси паров в воздухе, на НКПВ, т. е. З-4см/с. При этом фронт пламени будет расположен у поверхности жидкости. При дальнейшем увеличении начальной температуры скорость распространения пламени по жидкости будет возрастать аналогично изменению нормальной скорости распространения пламени по паровоздушной смеси с увеличением ее концентрации.
Лекция 14
Скорость выгорания жидкостей, влияющие факторы.
При определённой температуре, выше tвс, раз подожжённая жидкость продолжает гореть после удаления источника зажигания. Такая минимальная температура называется температурой воспламенения (tвос). Для ЛВЖ она выше tвс на 1-5 оС, для ГЖ - на 30-35 оС.
Линейная скорость выгорания - высота столба жидкости, выгорающая в единицу времени:
Массовая скорость выгорания - масса жидкости, выгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности:
Между линейной и массовой скоростями горения существует зависимость:(следует следить за размерностями величин и при необходимости вводить поправочный коэффициент).
Прогрев жидкости по глубине. Нагрев поверхности жидкости лучистым потоком от пламени сопровождается передачей тепла вглубь ее. Этот теплоперенос осуществляется в основном теплопроводностью и ламинарной конвекцией за счет движения нагретых и холодных слоев жидкости. Прогрев жидкости теплопроводностью осуществляется на небольшую глубину (2-5 см) и может быть описан уравнением вида
где Тх - температура слоя жидкости на глубине х, К;
Тк - температура поверхности (температура кипения), К; к - коэффициент пропорциональности, м-К
Этот тип температурного поля называется распределением температуры первого рода.
Ламинарная конвекция возникает в результате различной температуры жидкости у стенок резервуара и в его центре, а также вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении смесей. Дополнительная передача тепла от нагретых стенок резервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до более высокой температуры, чем в центре. Более нагретая у стенок жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее перегрева у стенок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способствует интенсивному перемешиванию и быстрому прогреву слоя жидкости на большую глубину. Образуется так называемый гомотермический слой, т. е. слой с практически постоянной температурой, толщина которого растет во времени горения. Такое температурное поле называют распределением температуры второго рода (рис. 7.7). Образование гомотермического слоя возможно также и в результате фракционной перегонки приповерхностных слоев смесей жидкостей, имеющих различную температуру кипения. По мере выгорания таких жидкостей приповерхностный слой обогащается более плотными высококипящими фракциями, которые опускаются вниз, способствуя тем самым конвективному прогреву жидкости.
Определяющее влияние перегрева жидкости у стенок резервуара на формирование гомотермического слоя подтверждают следующие экспериментальные данные. При горении бензина в резервуаре диаметром 2,64 мм без охлаждения стенок приводило к достаточно быстрому образованию гомотермического слоя. При интенсивном охлаждении стенок прогрев жидкости на глубину осуществлялся главным образом теплопроводностью и в процессе всего времени горения имело место распределение температуры первого рода. Установлено, что чем выше температура кипения жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло), тем труднее образуется гомотермический слой. При их горении температура стенок резервуара редко превышает температуру кипения. Однако при горении влажных высококипящих нефтепродуктов вероятность образования гомотермического слоя также высока. При прогреве стенок резервуара до 100°С и выше образуются пузырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают интенсивное перемешивание всей жидкости и быстрый прогрев вглубину. Возможность образования достаточно толстого гомотермического слоя при горении влажных нефтепродуктов чревата явлениями вскипания и выброса жидкости.
Исходя из рассмотренных выше представлений о механизме выгорания жидкости, проанализируем влияние некоторых факторов на массовую скорость.
Скорость выгорания зависит от: рода жидкости, температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости, скорости ветра.
Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. При увеличении диаметра скорость сначала снижается из-за нагрева от стенок, затем возрастает, т. к. ламинарное горение переходит в турбулентное и остаётся постоянным при диаметрах ³ 2 м.
При турбулентном горении ниже полнота горения (появляется копоть), увеличивается тепловой поток от пламени, быстрее отводятся пары, увеличивается скорость испарения.
При снижении уровня жидкости затрудняются процессы тепломассопереноса (отток продуктов горения, приток окислителя, пламя удаляется от поверхности жидкости), поэтому скорость горения падает и при определённом расстоянии жидкости от верхнего борта резервуара (критическая высота самотушения) горение становится невозможным. Критическая высота самотушения при Æ = 23 м равна 1 км (реальная высота резервуара= 12 м).
Оценив доли тепла от общего тепловыделения при горении жидкости, которая затрачивается на ее подготовку следует, что менее 2% от общего тепловыделения при горении жидкости затрачивается на поставку ее паров в зону горения. В момент установления процесса выгорания температура поверхности жидкости резко возрастает от температуры воспламенения до температуры кипения, которая в дальнейшем по мере выгорания остается неизменной. Однако это справедливо только для индивидуальных жидкостей. В процессе горения смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения (бензины, нефть и т. д.), происходит как бы их фракционная перегонка. Вначале происходит выход легкокипящих фракций, затем всех более высококипящих. Этот процесс сопровождается постепенным (квазистациоиарным) повышением температуры на поверхности жидкости. Влажное горючее может быть представлено как смесь двух жидкостей (горючее + вода), в процессе горения которых происходит их фракционная разгонка. Если температура кипения горючей жидкости меньше температуры кипения воды (100°С), то происходит преимущественное выгорание горючего, смесь обогащается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение прекращается. Если температура кипения жидкости больше 100°С, напротив, вначале преимущественно испаряется влага, концентрация ее снижается: скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до скорости горения чистого продукта (рис. 7.11).
Влияние скорости ветра. Как правило, с повышением скорости ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенсифицирует процесс смешения горючего с окислителем, повышая температуру пламени и приближая пламя к поверхности горения.
Все это повышает интенсивность теплового потока, поступающего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит к росту скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя может срываться, что приведет к прекращению горения. Так,- например, при горении тракторного керосина в резервуаре диаметром З"М наступал срыв пламени при достижении скорости ветра 22 м-с-1.
Влияние концентрации кислорода в атмосфере. Большинство жидкостей не способны к горению в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С повышением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания возрастает (рис. 7.12). В атмосфере, обогащенной кислородом, горение жидкости протекает с выделением большого количества сажи в пламени и наблюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпонентных жидкостей (бензин, керосин и т. п.) температура поверхности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде возрастает (рис. 7.13).
Повышение скорости выгорания и температуры поверхности жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем.
Зоны и классы пожаров.
Веществ.
Особенности горения твердых и жидких горючих материалов и
План лекции
Государственное высшее учебное заведение
“НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Кафедра АОТ
Лекция №4
доц. Алексеенко С.А.
Часть 1. Пожарная безопасность
Тема №: Пожаровзрывоопасные свойства веществ и материалов.
(для студентов специальности 7.0903010 “Разработка месторождений и добыча полезных ископаемых”, специализация: 7.090301.05 “Охрана труда в горном производстве”).
Днепропетровск
1. Сущность процесса горения.
1. Демидов П.Г. Горение и свойства горючих веществ. М.: Изд-во Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1962.-264с.
2. Основи охорони праці: Підручник./ К.Н. Ткачук, М.О. Халімовський, В.В. Зацарний, Д.В. Зеркалов, Р.В. Сабарно, О.І. Полукаров, В.С. Козьяков, Л.О. Митюк. За ред. К.Н. Ткачука і М.О. Халімовського. – К.: Основа, 2003 – 472 с. (Пожежна безпека – С. 394-461).
3. Булгаков Ю.Ф. Тушение пожаров в угольных шахтах. – Донецк: НИИГД, 2001.- 280 с.
4. Александров С.М., Булгаков Ю.Ф., Яйло В.В. Охорона праці у вугільній промисловості: Учбовий посібник для студентів гірничих спеціальностей вищих учбових закладів /Під заг. ред. Ю.Ф. Булгакова. – Донецьк: РІА ДонНТУ, 2004. – С.3-17.
5. Рожков А.П. Пожежна безпека: Навчальний посібник для студентів вищих закладів освіти України. – Київ: Пожінформтехніка, 1999.- 256 с.: іл.
6. Отраслевой стандарт ОСТ 78.2-73. Горение и пожарная опасность веществ. Терминология.
7. ГОСТ 12.1 004-91. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.
8. ГОСТ 12.1.010-76. ССБТ. Взрывобезопасность. Общие требования
9. ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения
1. Сущность процесса горения.
Для лучшего понимания условий создания горючей среды, источников загорания, оценки и предупреждения взрывопожароопасности, а также выбора эффективных способов и средств системы пожарной безопасности необходимо иметь представление о природе процесса горения, его формах и видах.
Одним из первых химических явлений, с которым человечество познакомилось на заре своего существования, было горение.
Впервые правильное представление о процессе горения высказал русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765 г.г.), заложивший основы науки и установивший ряд важнейших законов современной химии и физики.
Горением называется экзотермическая реакция окисления веществ, которая сопровождается выделением дыма и возникновением пламени или излучением света.
Другими словами горение – это быстропротекающее химическое превращение веществ с выделением большого количества тепла и сопровождающееся ярким пламенем. Оно может явиться результатом окисления, т.е. соединением горючего вещества с окислителем (кислородом).
Это общее определение показывает, что им может быть не только реакция соединения, но и разложения.
Для возникновения горения необходимо одновременное наличие трех факторов: 1) горючего вещества; 2) окислителя; 3) начального теплового импульса (источника загорания) для сообщения горючей смеси горячей энергии. При этом, горючее вещество и окислитель должны находиться в необходимом соотношении один к одному и создавать таким образом горючую смесь, а источник загорания должен иметь соответствующую энергию и температуру, достаточную для начала реакции. Горючую смесь определяют термином «горючая среда». Это – среда, которая способна самостоятельно гореть после удаления источника загорания. Горючие смеси, в зависимости от соотношения горючего вещества и окислителя, делятся на бедные и богатые . В бедных смесях имеет место избыток окислителя, а у богатых – горючего вещества. Для полного загорания веществ и материалов в воздушной среде необходимо присутствие достаточного количества кислорода, чтобы обеспечить полное превращение вещества в его насыщенные окислы. При недостаточном количестве воздуха окисляется только часть горючего вещества. Остаток разлагаетсяс выделением большого количества дыма. При этом также образуются токсические вещества, среди которых наиболее распространенный продукт неполного сгорания – окись углерогда (СО), которая может привести к отравлению людей. При пожарах, как правило, горение осуществляется при недостатке кислорода, что серьезно осложняет пожаротушение вследствие ушудшения видимости или наличия токсических веществ в воздушной среде.
Следует отметить, что горение некоторых веществ (ацетилена, окиси этилена и др.), которые способны при разложении выделять большое количество тепла, возможно и при отсутствии воздуха.
2. Виды, разновидности и формы горения.
Горение может быть гомогенным и гетерогенным .
При гомогенном горении вещества, которые вступают в реакцию окисления, имеют одинаковое агрегатное состояние. Если начальные вещества находятся в разных агрегатных состояниях и существует явная граница разделения фаз в горючей системе, то такое горение называется гетерогенным.
Пожары, преимущественно, характеризуются гетерогенным горением.
Во всех случаях для горения характерны три стадии: возникновение , распространение и затухание пламени. Наиболее общими свойствами горения является способность (осередку) пламени перемещаться по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частей из зоны горения в свежую смесь. Отсюда возникает и механизм распространеня пламени, соответственно тепловой и диффузионный . Горение, как правило, проходит по комбинированному тепло-диффузионному механизму.
По скорости распространения пламени горение подразделяется на:
– дефлаграционное или нормальное – при этом горении скорость пламени находится в границах нескольких метров в секунду (до 10 м/с);
– взрывное – чрезвычайно быстрое химическое превращение, которое сопровождается выделением энергии и образованием сжатых газов, способных выполнять механическую работу (сотни м/с);
– детонационное – это горение распространяется со сверхзвуковой скоростью, которая достигает тысячи метров в секунду (до 5000 м/с).
Взрыв также сопровождается выделением тепла и излучением света. В то же время взрыв некоторых веществ представляет собой реакцию разложения, например:
2NCl 3 = 3Cl 2 + N 2 (1)
Взрывом называется чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) превращение вещества, которое сопровождается выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.
Взрыв отличается от горения большой скоростью распространения огня. Так, например, скорость распространения пламени во взрывчатой смеси, находящейся в закрытой трубе – (2000 – 3000 м/с).
Сгорание смеси с такой скоростью называется детонацией. Возникновение детонации объясняется сжатием, нагревом и движением несгоревшей смеси перед фронтом пламени, приводящим к ускорению распространения пламени и возникновению в смеси ударной волны. Образующиеся при взрыве газовоздушной смеси воздушные ударные волны обладают большим запасом энергии и распространяются на значительные расстояния. Во время движения они разрушают сооружения и могут стать причиной несчастных случаев.
Горение веществ может протекать не только при соединении их с кислородом воздуха (как принято считать), но и при соединении с другими веществами. Известно, что горение многих веществ может происходить в среде хлора, серы, паров брома и т.п. Состав, агрегатное состояние и другие свойства горючих веществ (ГВ) различны, вместе с тем основные явления, протекающие при возникновении горения, одинаковы.
Горючие вещества могут быть твердыми, жидкими и газообразными .
Твердые горючие вещества , в зависимости от состава и строения, ведут себя при нагревании различно. Некоторые из них, например, каучук, сера, стеарин плавятся и испаряются. Другие же, например, древесина, бумага, каменный уголь, торф при нагревании разлагаются с образованием газообразных продуктов и твердого остатка – угля. Третьи вещества при нагревании не плавятся и не разлагаются. К ним относится антрацит, древесный уголь и кокс.
Жидкие горючие вещества при нагревании испаряются, а некоторые могут и окисляться.
Таким образом, большинство горючих веществ вне зависимости от их начального агрегатного состояния при нагревании переходят в газообразные продукты . Соприкасаясь с воздухом, они образуют горючие смеси. Горючие смеси могут образовываться также и в результате распыления твердых и жидких веществ. Когда вещество образовало с воздухом горючую смесь, оно считается подготовленным к горению. Такое состояние вещества представляет большую пожарную опасность. Она определяется тем, что для воспламенения образовавшейся смеси не требуется мощного и длительно действующего источника воспламенения, смесь быстро воспламеняется даже от искры.
Подготовленность смеси к воспламенению определяется содержанием (концентрацией) в ней паров, пыли или газообразных продуктов.
Разновидности и формы горения.
Горение характеризуется многообразием разновидностей, форм и особенностей. Различают следующие разновидности и формы горения: вспышка; воспламенение; возгорание; самовоспламенение и самовозгорание.
Вспышка – это быстрое (мгновенное) воспламенение горючей смеси под действием теплового импульса без образования сжатых газов, которое не переходит в устойчивое горение.
Воспламенение – это относительно спокойное и продолжительное горение паров и газов горючих жидкостей, которое возникает под действием источника загорания. Воспламенение – это возгорание, сопровождающееся появлением пламени.
Возгорание – это горение, которое начинается без влияния (действия) источника зажигания (теплового импульса).
Самовоспламенение – это самовозгорание, которое сопровождается появлением пламени и начинается процесс воспламенения твердых, жидких и газообразных веществ, нагретых внешним источником тепла без соприкосновения с открытым огнем до определенной температуры.
Самовозгорание – это самовоспламенение, которое сопровождается появлением пламени. Это процесс самовозгорания твердых и сыпучих материалов, возникающий под действием их окисления без подвода тепла от внешних источников (каменный уголь, сульфидные руды, древесина, торф). Самовозгорание происходит в результате низкотемпературного окисления и самонагревания, обусловленного достаточным притоком к горючему веществу воздуха для окисления и недостаточным – для уноса образующегося при этом тепла.
Тление – горение без излучения света, которое, как правило, распознается по появлению дыма.
В зависимости от агрегатного состояния и особенностей горения разных горючих веществ и материалов, пожары согласно ГОСТ 27331-87 делятся на соответствующие классы и подклассы:
класс А – горение твердых веществ, которое сопровождается (подклассА1) или не сопровождается (подкласс А2) тлением;
класс В – горение жидких веществ, которые не растворяются (подкласс В1) и растворяются (подкласс В2) в воде;
класс С – горение газов;
класс D – горение легких металлов, за исключением щелосных (подкласс D1) щелочных (подкласс D2), а также металлосодержащих соединений (подкласс D3);
класс Е – горение электроустановок под напряжением.
3. Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов. Методы их определения.
Пожаровзрывоопасность веществ и материалов – это совокупность свойств, которые характеризуют их склонность к возникновению и распространению горения, особенности горения и способность поддаваться горению. По этим показателям ГОСТ 12.1.044-89 выделяет негорючие, трудногорючие и горючие материалы и вещества.
Негорючие (несгораемые) – вещества и материалы, которые неспособны к горению или обугливанию в воздухе под влиянием огня или высокой температуры. Это материалы минерального происхождения и изготовленные на их основе материалы, - красный кирпич, силикатный кирпич, бетон, асбест, минеральная вата, азбестовый цемент и другие материалы, а также большинство металлов. При этом негорючие вещества могут быть пожароопасными, например, вещества, которые выделяют горючие продукты при взаимодействии с водой. Достаточным критерием для отнесения к этой группе является неспособность материала гореть при температуре среды 900°С, к этой группе относятся естественные и искусственные органические материалы и применяемые в строительстве, металлы.
Трудногорючие (трудносгораемые) вещества и материалы, которые способны воспламеняться, тлеть или обугливаться в воздухе от источника загорания, но не способные самостоятельно гореть или обугливаться после его удаления. К ним относятся материалы, соторые содержат сгораемые и несгораемые компоненты, например древесина при глубоком пропитывании антипирогенами (бешефитом); фибролит; войлок, пропитанный глинистым раствором, некоторые полимеры и другие материалы.
Горючие (сгораемые) – вещества и материалы, которые способны самостоятельно гореть (самозагораться), а также воспламеняться, тлеть или обугливаться от источника загорания или самостоятельно гореть после его удаления.
В свою очередь, в группе горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы – это вещества и материалы, которые способны воспламеняться от кратковременного (до 30 с) действия источника загорания низкой энергии. С точки зрения пожарной безопасности решающее значение имеют показатели пожаровзрывоопасных свойств горючих веществ и материалов. ГОСТ 12.1.044-89 предусматривает свыше 20 таких показателей. Необходимый и достаточный для оценки пожаровзрывоопасности конкретного объекта перечень этих показателей зависит от агрегатного состояния вещества, вида горения (гомогенное или гетерогенное) и определяется специалистами.
Наименьшее значение температуры, при которой происходит вспышка смеси воздуха с парами горючей жидкости, называется температурой вспышки (t всп ) Степень пожарной опасности сгораемых жидкостей определяется температурой их вспышки. В соответствии с этим сгораемые жидкости разделяются на следующие классы:
1-й класс: t всп < – 13 о C;
2-й класс: t всп = – 13…28 о C
3-й класс: t всп = 29… 61°С;
4-й класс: t всп = 62…120°С;
5-й класс: t всп > 120°С;
Жидкости первых трех классов условно относятся к легковоспламеняющимся (ЛВЖ ). Характерными особенностями ЛВЖ является то, что большинство из них даже при обычных температурах в производственных помещениях, могут образовывать паровоздушные смеси с концентрациями в границах распространения пламени, т.е. взрывоопасные смеси.
К ЛВЖ относятся: бензин (t всп от - 44 до -17°С); бензол (t всп -12 о С); метиловый спирт (t всп =8 о С); этиловый спирт (t всп =13 о С); тракторный керосин (t всп =4-8 о С) и др.
Жидкости 4-го и 5-го классов относятся к горючим жидкостям (ГЖ )
К ГЖ относятся: осветительный керосин (t всп = 48-50 о С); вазелиновое масло (t всп =135 о С); трансформаторное масло (t всп =160 о С); машинное масло (t всп =170 о С) и др.
При воспламенении выделяется достаточное количество тепла для образования паров и газов горючей жидкости, обеспечивающих непрерывное пламенное горение и после воздействия теплового импульса. Наименьшее значение температуры, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет пары или газы с такой скоростью, что после их загорания от внешнего источника наблюдается вспышка – начало устойчивого горения, называется температурой воспламенения (t вспл.).
Температуры вспышки и воспламенения жидкостей очень близки, что определяет их большую пожароопасность.
Температура вспышки и воспламенения жидкостей отличается на 5-25 о С. Чем ниже температура вспышки жидкости, тем меньшей является эта разница, и, соответственно, более пожароопасная жидкость. Температура воспламенения используется при определении группы горючести веществ, при оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.
Температура самовоспламенения (t свпл) – это наименьшая температура веществ, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических объёмных реакций, что приводит к возникновению пламенного горения или взрыва при отсутствии внешненго источника пламени. Температура самовоспламенения веществ зависит от ряда факторов и изменяется в широких пределах. Наиболее значительной является зависимость температуры самовоспламенения конкретного вещества от объема и геометрической формы горючей смеси. С увеличением объёма горючей смеси при неизменной её форме температура самовоспламененя уменьшается, потому что создаются более благоприятные условия для накопления тепла в горючей смеси. При уменьшении объема горючей смеси температура её самовоспламенения повышается.
Для каждой горючей смеси существует критический объем, в котором самовоспламенение не происходит вследствие того, что площадь теплоотдачи, которая приходится на единицу объёма горючей смеси, настолько велика, что скорость теплообразования за счет реакции окисления даже при очень высоких температурах не может превышать скорость отвода тепла. Это свойство горючих смесей используется при создании преград для распространения пламени. Значение температуры самовоспламенения используется для выбора типа взрывозащитного электрооборудования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывоопасности технологических процессов, а также при разработке стандартов или технических условий на вещества и материалы.
Температура самовоспламенения (t свпл) горючей смеси значительно превышает температуру вспышки (t всп ) и температуру воспламенения (t вспл.) – на сотни градусов.
Согласно ГОСТ 12.1.004-91 “ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования” в зависимости от температуры вспышки жидкости делятся на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ). ЛВЖ имеют температуру вспышки не более чем 61°С (в закрытом тигле) или 66 °С (в открытом тигле), а ГЖ – имеют температуру вспышки свыше 61°С.
ЛВЖ – это горючие вещества (материалы, смеси), способные воспламеняться от кратковременного воздействия пламени спички, искры, накаленного электропровода и тому подобных источников загорания с низкой энергией. К ним относятся практически все горючие газы (например, водороды, метан, окись углерода и т.п.), горючие жидкости с температурой вспышки не более 61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле (например, ацетон, бензин, бензол, толуол, этиловый спирт, керосин, скипидар и др.), а также все твердые вещества (материалы), которые возгораются от пламени спички или горелки, прем горение распространяется по поверхности горизонтально расположенного испытуемого образца (например, сухая древесная стружка, полистирол и др.).
Трудновоспламеняющиеся – это горючие вещества (материалы, смеси), способные воспламенятся только под воздействия мощного источника зажигания (например, поливинилхлоридная конвейерная лента, карбамидный пенопласт для герметизации поверхности горного массива в подземных выработках, гибкие электрические кабели с изоляцией из поливинилхлорида, вентиляционные трубы из виниле кожи и др.).
Пожароопасные свойства твердых веществ и материалов характеризуются склонностью к горению (возгоранию), особенностями горения, свойством поддаваться тушению теми или другими способами.
Разные по химическим составам твердые материалы и вещества горят неодинаково. Горение твердых веществ имеет многостадийный характер. Простые твердые вещества (антрацит, кокс, сажа и т.п.), которые представляют собой химически чистый углерод, разогреваются или тлеют без образования искр, пламени и дыма, поскольку нет необходимости разлагаться перед тем, как вступить в реакцию с кислородом воздуха.
Горение сложных по химическому составу твердых горючих веществ (дерево, каучук, пластмассы и т.п.) происходит в две стадии: разложение, которое не сопровождается пламенем и излучением света; горение, которое характеризуется наличием пламени или тления.
Взрыво- и пожароопасность веществ зависит от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые), физико-химических свойств, условий хранения и применения.
Основными показателями, характеризующими пожарную опасность горючих газов являются концентрационные пределы воспламенения, энергия зажигания, температура горения, нормальная скорость распространения пламени и др.
Горение смеси газа с воздухом возможно в определенных пределах, называемых концентрационными пределами воспламенения. Минимальные и максимальные концентрации горючих газов в воздухе, способные воспламеняться, называются соответственно нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения.
Энергия зажигания определяется минимальной энергией искры электрического разряда, воспламеняющей данную газовоздушную смесь. Величина энергии зажигания зависит от природы газа и концентрации. Энергия зажигания является одной из основных характеристик взрывоопасных сред при решении вопросов обеспечения взрывобезопасности электрооборудования и разработке мероприятий по предупреждению образования статического электричества.
Температура горения - это температура продукта химической реакции при горении смеси без тепловых потерь. Она зависит от природы горючего газа и концентрации его смеси. Наибольшая температура горения для большинства горючих газов составляет 1600-2000 °С.
Нормальной скоростью распространения пламени называется скорость, с которой движется граничная поверхность между сгоревшей и несгоревшей частями смеси относительно несгоревшей. Численно нормальная скорость пламени равна количеству (объему) горючей смеси, выгорающей на единице площади пламени в единицу времени. Нормальная скорость пламени зависит от природы газа и концентрации его смеси. Для большинства горючих газов нормальная скорость пламени находится в пределах 0,3-0,8 м/с.
Нормальная скорость пламени является одной из основных физико-химических характеристик, определяющих свойства смеси, и определяющих скорость сгорания и соответственно время взрыва. Чем больше нормальная скорость пламени, тем меньше время взрыва и тем более жесткие его параметры.
Горение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей происходит только в паровой фазе . Горение паров в воздухе, также как и газов, возможно и в определенном диапазоне концентраций. Так как Максимально возможное содержание пара в воздухе не может быть больше, чем в состоянии насыщения, то концентрационные пределы воспламенения могут быть выражены через температуру. Значения температуры жидкости, при которых концентрация насыщенных паров в воздухе над жидкостью равна концентрационным пределам воспламенения, называется температурными пределами воспламенения (нижним и верхним соответственно).
Таким образом, для воспламенения и горения жидкости необходимо, чтобы жидкость была нагрета до температуры, не меньшей, чем нижний температурный предел воспламенения. После воспламенения скорость испарения должна быть достаточной для поддержания постоянного горения. Эти особенности горения жидкостей характеризуются температурами вспышки и воспламенения.
Температурой вспышки называется наименьшее значение температуры жидкости, при которой над ее поверхностью образуется паровоздушная смесь, способная вспыхивать от постороннего источника зажигания. При этом устойчивого горения жидкости не возникает.
По температуре вспышки жидкости делятся на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ),. температура вспышки которых не превышает 45 °С (спирты, ацетон, бензин и др.) и горючие (ГЖ), температура вспышки которых более 45 °С (масла, мазуты, глицерин и др.).
Температурой воспламенения называется наименьшее значение температуры жидкости, при которой интенсивность испарения ее такова, что после зажигания внешним источником возникает самостоятельное пламенное горение. Для ЛВЖ температура воспламенения обычно на 1-5 °С выше температуры вспышки, а для ГЖ эта разница может достигать 30-35 °С.
Паровоздушные смеси, также как и газовоздушные, являются взрывоопасными. Их взрывоопасность характеризуется параметрами, определяющими взрывоопасность газовоздушных смесей, - энергией зажигания, температурой горения, нормальной скоростью распространения пламени и др.
Пожарная опасность твердых горючих веществ и материалов характеризуется теплотворной способностью 1 кг вещества, температурами горения, самовоспламенения и воспламенения, скоростью выгорания и распространения горения по поверхности материалов.
Пожаро- и взрывоопасные свойства пылей определяются концентрациями пылевоздушной смеси, наличия источника зажигания с достаточной тепловой энергией, размера пылинок и др.
Мелкие частицы твердых горючих веществ размеров 10~5-10~7 см могут долгое время находиться в воздухе во взвешенном состоянии, образуя дисперсную систему - аэровзвесь. Для воспламенения аэровзвеси необходимо, чтобы концентрация пыли в воздухе была не менее нижнего концентрационного предела воспламенения. Верхний концентрационный предел воспламенения пылевоздушной смеси в большинстве случаев является очень высоким и трудно достижимым (для торфяной пыли - 2200 г/м3, сахарной пудры - 1350 г/м3).
Тепловая энергия источника зажигания для воспламенения пылевоздушной смеси должна быть порядка нескольких МДж и более.
В зависимости от значения нижнего концентрационного предела воспламенения пыли подразделяются на взрывоопасные и пожароопасные. К взрывоопасным относятся пыли с нижним концентрационным пределом воспламенения до 65 г/м3 (пыль серы, сахара, муки), а пожароопасным - пыли с нижним пределом воспламенения выше 65 г/м3 (табачная и древесная пыль).
Пожарную опасность веществ и материалов характеризуют; и такие свойства как склонность некоторых веществ и материалов к электризации и самовозгоранию при соприкосновении с воздухом (фосфор, сернистые металлы и др.). водой (натрий, калий, карбид кальция и др.) и друг с другом (метан + хлор, азотная кислота + древесные опилки и т.д.).
Пожарная опасность негорючих веществ и материалов определяется температурой, при которой они обрабатываются, возможностью выделения искр, пламени, лучистого тепла, а также потерей несущей способности и разрушением.
