Основы теории диффузионного и кинетического горения. Понятие о кинетическом и диффузионном горении

Все горючие (сгораемые) вещества содержат углерод и водород, - основные компоненты газовоздушной смеси, участвующие в реакции го­рения. Температура воспламенения горючих веществ и материалов различна и не превышает для большинства 300°С.

Физико-химические основы горения заключаются в термическом раз­ложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, кото­рые под воздействием высоких температур вступают в химическое воздейст­вие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (окись углерода), сажу (углерод) и воду, и при этом выделяется тепло и световое излучение.

Воспламенение представляет собой процесс распространение пламе­ни по газопаровоздушной смеси. При скорости истечения горючих паров и газов с поверхности вещества равной скорости распространения пламени по ним наблюдается устойчивое пламенное горение. Если же скорость пламени больше скорости истечения паров и газов, то происходит выгорание газопаровоздушной смеси и самозатухание пламени, т.е. вспышка.

B зависимости от скорости истечения газов и скорости распространения пламени по ним можно наблюдать:

• горение на поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси с поверхности материала равна скорости распространения огня по ней;
• горение с отрывом от поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси больше скорости распространения пламени по ней.

Горение газопаровоздушной смеси подразделяется на диффузионное или кинетическое. Основным отличием является содержание или отсутствие окислителя (кислорода воздуха) непосредственно в горючей паровоздушной смеси.

Кинетическое горение представляет собой горение предварительно перемешанных горючих газов и окислителя (кислорода воздуха). На пожарах этот вид горения встречается крайне редко. Однако он часто встречается в технологических процессах: в газовой сварке, резке и т.п.

При диффузионном горении окислитель поступает в зону горения извне. Поступает он, как правило, снизу пламени вследствие разрежения, которое создается у его основания. В верхней части пламени, выделяющее-I в процессе горения тепло, создает давление. Основная реакция горения окисления) происходит на границе пламени, поскольку истекающие с поверхности вещества газовые смеси препятствуют проникновению окислителя вглубь пламени (вытесняют воздух). Большая часть горючей смеси в центре пламени, не вступившая в реакцию окисления с кислородом, пред­ает собой продукты неполного горения (СО, СН 4 , углерод и пр.).

Диффузионное горение, в свою очередь, бывает ламинарным (спо­рным) и турбулентным (неравномерным во времени и пространстве). Ламинарное горение характерно при равенстве скоростей истечения горючей смеси с поверхности материала и скорости распространения пла­вни по ней. Турбулентное горение наступает, когда скорость выхода горючей смеси значительно превышает скорость распространения пламени. Вэтом случае граница пламени становится неустойчивой вследствие боль­шой диффузии воздуха в зону горения. Неустойчивость вначале возникает вершины пламени, а затем перемещается к основанию. Такое горение встречается на пожарах при объемном его развитии (см. ниже).

Горение веществ и материалов возможно только при определенном качестве кислорода в воздухе. Содержание кислорода, при котором исключается возможность горения различных веществ и материалов, устанавливается опытным путем. Так, для картона и хлопка самозатухание наступает Ори 14% (об.) кислорода, а полиэфирной ваты - при 16% (об.) .

Исключение окислителя (кислорода воздуха) является одной из мер пожарной профилактики. Поэтому хранение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, карбида кальция, щелочных металлов, фосфора долж­но осуществляться в плотно закрытой таре.

1.2.2. Источники зажигания.

Необходимым условием воспламенения горючей смеси являются источники зажигания. Источники зажигания подразделяются на откры­тый огонь, тепло нагревательных элементов и приборов, электрическую энергию, энергию механических искр, разрядов статического электриче­ства и молнии, энергию процессов саморазогревания веществ и материа­лов (самовозгорание) и т.п. Выявлению имеющихся на производстве источников зажигания должно быть уделено особое внимание.

Характерные параметры источников зажигания принимаются по :

Температура канала молнии - 30000°С при силе тока 200000 А и времени действия около 100 мкс. Энергия искрового разряда вторичного воздействия мол­нии превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих материалов с минимальной энергией зажигания до 0,25 Дж. Энергия искровых разрядов при зано­се высокого потенциала в здание по металлическим коммуникациям достигает зна­чений 100 Дж и более, что достаточно для воспламенения всех горючих материалов.

Поливинилхлоридная изоляция электрического кабеля (провода) воспла­меняется при кратности тока короткого замыкания более 2,5.

Температура сварочных частиц и никелевых частиц ламп накаливания достигает 2100°С. Температура капель при резке металла 1500°С. Температура дуга при сварке и резке достигает 4000°С.

Зона разлета частиц при коротком замыкании при высоте расположения провода 10 м колеблется от 5 (вероятность попадания 92%) до 9 (вероятность попадания 6%) м; при расположении провода на высоте 3 м - от 4 (96%) до 8 м (1%); при расположении на высоте 1 м - от 3 (99%) до 6 м (6%).

Максимальная температура, °С, на колбе электрической лампочки нака­ливания зависит от мощности, Вт: 25 Вт - 100°С; 40 Вт - 150°С; 75 Вт - 250°С; 100 Вт - 300°С; 150 Вт - 340°С; 200 Вт - 320°С; 750 Вт - 370°С.

Искры статического электричества, образующегося при работе людей с движущимися диэлектрическими материалами, достигают величин от 2,5 до 7,5 мДж.

Температура пламени (тления) и время горения (тления), "С (мин), неко­торых малокалорийных источников тепла: тлеющая папироса - 320-410 (2-2,5); тлеющая сигарета - 420-460 (26-30); горящая спичка - 620-640 (0,33).

Для искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также других машин, костров установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм - 800°С, диаметром 5 мм - 600°С.

1.2.3. Самовозгорание

Самовозгорание присуще многим горючим веществам и материалам. Это отличительная особенность данной группы материалов.

Самовозгорание бывает следующих видов: тепловое, химическое, микробиологическое.

Тепловое самовозгорание выражается в аккумуляции материалом тепла, в процессе которого происходит самонагревание материала. Тем­пература самонагревания вещества или материала является показателем его пожароопасное™. Для большинства горючих материалов этот показа­тель лежит в пределах от 80 до 150°С : бумага - 100°С; войлок строи­тельный - 80°С; дерматин - 40°С; древесина: сосновая - 80, дубовая - 100, еловая - 120°С; хлопок-сырец - 60°С.

Продолжительное тление до начала пламенного горения является отличительной характеристикой процессов теплового самовозгорания. Дан­ные процессы обнаруживаются по длительному и устойчивому запаху тлею­щего материала.

Химическое самовозгорание сразу проявляется в пламенном горе­нии. Для органических веществ данный вид самовозгорания происходит при контакте с кислотами (азотной, серной), растительными и техниче­скими маслами. Масла и жиры, в свою очередь, способны к самовозгора­нию в среде кислорода. Неорганические вещества способны самовозго­раться при контакте с водой (например, гидросульфит натрия). Спирты самовозгораются при контакте с перманганатом калия. Аммиачная селит­ра самовозгорается при контакте с суперфосфатом и пр.

Микробиологическое самовозгорание связано с выделением тепло­вой энергии микроорганизмами в процессе жизнедеятельности в питатель­ной для них среде (сено, торф, древесные опилки и т.п.).

На практике чаще всего проявляются комбинированные процессы самовозгорания: тепловые и химические.

2. Показатели пожаровзрывоопасности .

Изучение пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, обращающихся в процессе производства, является одной из основных задач пожарной профилактики, направленной на исключение горючей среды из системы пожара.

В соответствии с ГОСТ 12.1.044 по агрегатномусостоянию вещества и материалы подразделяются на:

ГАЗЫ - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа (1 атм) превышает 101,3 кПа (1 атм).

ЖИДКОСТИ - то же, но давлении меньше 101,3 кПа (1 атм). К жидкос­тям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или ка-плепадения которых меньше 50°С.

ТВЕРДЫЕ - индивидуальные вещества и их смеси с температурой плавления или каплепадения выше 50°С (например, вазилин - 54°С ), а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т.п.).
ПЫЛИ - диспергированные (измельченные) твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм (0,85 мм).

Номенклатура показателей и их применяемость для характеристики пожаровзрывоопасности веществ и материалов приведены в табл.1.
Значения данных показателей должны включаться в стандарты и технические условия на вещества, а также указываться в паспортах изделий.

Таблица 1

Показатель	Газы	Жидкости	Твердые	Пыли
Группа горючести	+	+	+	+
Температура вспышки	-	+	-	-
Температура воспламенения	-	+	+	+
Температура самовоспламенения	+	+	+	+
Концентрационные пределы воспла­менения	+	+	. -	+
Условия теплового самовозгорания	-	-	+	+
Кислородный индекс	-	-	+	-
Коэффициент дымообразования	-	-	+	-
Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кисло­родом воздуха и другими вещества­ми	+	+	+	+
Показатель токсичности продуктов горения полимерных материалов И другие			+

(Знак «+» обозначает применяемость, знак «-» неприменяемость показателя)

Температура ВСПЫШКИ (Твсп,) - только для жидкостей - 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 ВОСПЛАМЕНЕНИЯ (Тв,) - кроме газов - наимень­шая температура вещества, при которой вещество выделяет горючие па­ры и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение.

Температура САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ (Т св) - наименьшая тем­пература окружающей среды, при которой наблюдается самовоспламене­ние вещества.

УСЛОВИЯ ТЕПЛОВОГО САМОВОЗГОРАНИЯ - только для твер­дых и пылей - экспериментально выявленная зависимость между темпе­ратурой окружающей среды, количеством вещества (материала) и време­нем до момента его самовозгорания.

Температура САМОНАГРЕВАНИЯ - самая низкая температура вещества, при которой самопроизвольный процесс его нагревания не при­водит к тлению или пламенному горению.

Безопасной температурой длительного нагрева вещества считают тем­пературу, не превышающую 90% температуры самонагревания.

СПОСОБНОСТЬ ВЗРЫВАТЬСЯ И ГОРЕТЬ ПРИ ВЗАИМОДЕЙ­СТВИИ С ВОДОЙ, КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА И ДРУГИМИ ВЕЩЕСТ­ВАМИ (взаимный контакт веществ) - это качественный показатель, ха­рактеризующий особую пожарную опасность некоторых веществ.

КОЭФФИЦИЕНТ ДЫМООБРАЗОВАНИЯ - только для твердых - показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образую­щегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества твердого вещества (материала) в услови­ях специальных испытаний.

Различают 3 группы материалов:

У материалов с умеренной дымообразующей способностью количе­ство дыма, когда человек теряет способность ориентироваться, меньше

или равно количеству продуктов горения, при котором возможно смертель­ное отравление. Поэтому вероятность потери видимости в дыму выше веро­ятности отравления.

Примеры дымообразующей способности строительных материалов при тлении (горении), м 3 /кг,:

Древесное волокно (береза, осина) - 62 (20)

Декоративный бумажно-слоистый пластик - 75 (6)

Фанера марки ФСФ - 140 (30)

ДВП, облицованная пластиком - 170 (25)

ПОКАЗАТЕЛЬ ТОКСИЧНОСТИ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ПОЛИ­МЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ - отношение количества материала к единице объ­ема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материа­ла газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных.

Сущность метода заключается в сжигании исследуемого материала в камере сгорания и выявлении зависимости летального эффекта газооб­разных продуктов горения от массы материала (в граммах), отнесенной к единице объема (1 м 3) экспозиционной камеры.

Классификация материалов приведена в таблице:

* Для материалов чрезвычайно опасных по токсичности масса не превышает 25 грамм, чтобы создать смертельную концентрацию в объеме 1 м 3 за время 5 мин. Соответственно, за время 15 мин - до 17; 30 мин - до 13; 60 мин -до 10 грамм.

Например: сосна Дугласа - 21; виниловая ткань - 19; поливинил-хлорид - 16; пенополиуретан эластичный - 18 (жесткий - 14) г/м 3 при времени экспозиции 15 мин.

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ (ВОСПЛАМЕНЕНИЯ) - кроме твердых.

Нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) - минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при ко­тором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Примеры нижнего-верхнего концентрационных пределов, %,: ацетилен - 2,2-81; водород - 3,3-81,5; природный газ - 3,8-24,6; метан - 4,8-16,7; пропан - 2-9,5; бутан - 1,5-8,5; пары бензина - 0,7-6; пары керосина - 1-1,3.

Температура ТЛЕНИЯ - для твердых и пылей - температура ве­щества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотерми­ческих реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления.

ГРУППА ГОРЮЧЕСТИ - классификационная характеристика спо­собности любых веществ и материалов к горению.

По горючести вещества и материалы подразделяются на три груп­пы: негорючие, трудногорючие и горючие.

НЕГОРЮЧИЕ (несгораемые) - вещества и материалы, не способ­ные к горению в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожаровзрывоопасными (например, окислители или вещества, выделяющие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом).

ТРУДНОГОРЮЧИЕ (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные гореть в воздухе при воздействии источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.

ГОРЮЧИЕ (сгораемые) - вещества и материалы, способные само­возгораться, а также возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие жидкости (ГЖ) с Tвсп <61°С в закрытом тигле или 66°С в откры­том тигле относят к легковоспламеняющимся (ЛВЖ).

Особо опасными ГЖ называют ЛВЖ с Твсп < 28°С.

ГАЗЫ считаются горючими при наличии концентрационных пределов вос­пламенения (КПВ); трудногорючими - при отсутствии КПВ и наличии Тсв; него­рючими - при отсутствии КПВ и Тсв.

ЖИДКОСТИ считаются горючими при наличии Тв; трудногорючими - при отсутствии Тв и наличии Тсв; негорючими - при отсутствии Тв, Тсв, Tвсп, темпера­турных и концентрационных пределов распространения пламени (воспламенения).

3. Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности.

Согласно положений норм пожарной безопасности НПБ 105-03, устанавливаются категорий помещений и зданий (или частей зданий между противопожарными стенами - пожарных отсеков) по взрывопожарной и пожарной опасности в зависимости от количества и пожаровзрывоопасных свойств находящихся (обращающихся) в них веществ и материалов с учетом особенностей технологических процессов размещенных в них производств.

Категорированию помещения, отсеки, части здания, здания классов подлежат в зависимости от их принадлежности к тому или иному классу по функциональной пожарной опасности. Здания и части зданий - помещения или группы помещений, функционально связанных между собой,по функциональной пожарной опасности подразделяются на классы в зависимости от способа их использования и от того, в какой мере безопасность людей в них в случае возникновения пожара находится под угрозой, с учетом их возраста, физического состояния, возможности пребывания в состоянии сна, вида основного функционального контингента и его количества.

Обязательному категорированию по взрывопожарной и пожарной опасности подлежат помещения, части зданий, здания классов Ф3.5., Ф4.3., Ф5.1., Ф5.2., Ф5.3., причем производственные и складские помещения, в том числе лаборатории и мастерские в зданиях классов Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4, согласно положений п.5.21* СНиП 21-01-97* относятся к классу Ф5.

Методика, приведенная в НПБ 105-03 должна использоваться при разработке ведомственных норм технологического проектирования, касающихся категорирования помещений и зданий.

НПБ 105-03 не распространяются на помещения и здания для производства и хранения взрывчатых веществ (ВВ), средств инициирования ВВ, здания и сооружения, проектируемые по специальным нормам и правилам, утвержденным в установленном порядке.

Категории помещений и зданий, определенные в соответствии с ПНБ 105-03, следует применять для установления нормативных требований по обеспечению взрывопожарной и пожарной безопасности указанных помещений и зданий в отношении планировки и застройки, этажности, площадей, размещения помещений, конструктивных решений, инженерного оборудования. Мероприятия по обеспечению безопасности людей должны назначаться в зависимости от пожароопасных свойств и количеств веществ и материалов в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91 и ГОСТ 12.3.047-98.

Категории помещений и зданий предприятий и учреждений определяются на стадии проектирования зданий и сооружений в соответствии с настоящими нормами, ведомственными нормами технологического проектирования или специальными перечнями, утвержденными в установленном порядке.

По взрывопожарной и пожарной опасности помещения и здания подразделяются на категории А, Б, В1-В4, Г и Д. Категории взрывопожарной и пожарной опасности помещений и зданий определяются для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода, исходя из вида находящихся в аппаратах и помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, особенностей технологических процессов.

Определение пожароопасных свойств веществ и материалов производится на основании результатов испытаний или расчетов по стандартным методикам с учетом параметров состояния (давление, температура и т.д.).

Допускается использование справочных данных, опубликованных головными научно-исследовательскими организациями в области пожарной безопасности или выданных Государственной службой стандартных справочных данных. Допускается использование показателей пожарной опасности для смесей веществ и материалов по наиболее опасному компоненту.

К-я	Характеристика веществ и материалов, помещения находящихся (обращающихся) в помещении
А	Горючие газы (ГГ), легковоспламеняющиеся взрывопожароопасная жидкости (ЛВЖ) с температурой вспышки не более 28 о С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные паро-, газо-воздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа
Б	Горючие пыли или волокна, ЛВЖ взрывопожароопасная с температурой вспышки более 28 o С, горючие жидкости (ГЖ) в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паро-воздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа
В1-В4	ГЖ и трудногорючие жидкости, твердые пожароопасные горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся к категориям А или Б
Г	Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; ГГ, ГЖ и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива
Д	Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии

| 2 | | |

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом. К химически

неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела: твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух и т.д.

Примером горения газов и паров (гомогенное горение) является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (рис. 1.1) или горение газа, выходящего из трубы. Так как парциальное давление кислорода воздуха равно 21,2 кПа, а в зоне горения давление равно нулю, кислород из воздуха диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. Следовательно, скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода.

Примером горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы, показанной на рис. 1.2. Концентрация кислорода в объеме воздуха (С 1) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (С 0). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция тормозится.

Рис. 1.2. Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества

(гетерогенное горение)

Таким образом, полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта

между горючим веществом и кислородом воздуха , и времени, затрачиваемого на протекание самой химической реакции :

В случае гомогенного горения величина называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения – временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.

В зависимости от соотношения и горение называется диффузионным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. >> и практически .

Это значит, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. << , то можно принять . Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеприготовление. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва. Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.

На рис. 1.3 показана зависимость скорости реакции горения от температуры в различных областях. Кривая 1 показывает изменение скорости реакции при кинетическом горении. При низких температурах скорость реакции окисления в смеси слабо зависит от изменения температуры, и кривая 1 на этом участке медленно поднимается вверх. При более высоких температурах скорость реакция окисления начинает сильно ускоряться с повышением температуры, и кривая 1 круто поднимается. Таким образом, скорость реакции в кинетической области зависит только от температуры реагирующих веществ.

Рис. 1.3. Зависимость скорости кинетического (1) и диффузионного (2)

горения от температуры

Кривая 2 показывает изменение скорости реакции при диффузном горении. При низких температурах ход кривой 2 одинаков с кривой 1 , так скорость реакции окисления меньше скорости диффузии кислорода в зону горения и, следовательно, реакция протекает в кинетической области. При повышении температуры реагирующих веществ скорость реакции становится равной скорости диффузии кислорода в зону горения, а затем значительно превышает ее. В этих условиях скорость всего процесса определяется скоростью диффузии кислорода. Кривая 2 в точке А изменяет свое направление, отклоняясь вправо от кривой 1 . Дальнейший ход кривой 2 показывает, что скорость процесса горения в диффузионной области, определяемая скоростью диффузии, очень мало зависит от температуры.

Структура диффузионного факела пламени над поверхностью горючей жидкости, механизм и скорость его распространения.

Структура диффузионного факела пламени над зеркалом горючей жидкости примерно такая же. Разница только в том, что поступающие с поверхности жидкости горючие пары не имеют такого начального запаса кинетической энергии, как струя газа, и до воспламенения смешиваются с окружающей газовой средой не за счет кинетической энергии втекающего газового потока, а более медленно по механизму конвективной и молекулярной диффузии. Но если к образовавшейся паровоздушной смеси подвести источник зажигания, то возникнет факел пламени, который изменит соотношение газовых и тепловых потоков над зеркалом жидкости: горячие продукты сгорания, как более легкие, устремятся вверх, а на их место из окружающего пространства поступит свежий холодный воздух, который приведет к разбавлению паров горючей жидкости. От факела пламени к зеркалу жидкости поступит лучистый поток тепловой энергии, который пойдет на нагревание поверхностных слоев жидкости и по мере их разогрева интенсифицирует процесс ее испарения.

Если жидкость до воспламенения имела температуру, значительно превышающую температуру воспламенения, то горение жидкости над резервуаром или пролитой жидкостью интенсифицируется, прогрессирует, размер факела пламени будет расти. Соответственно, увеличивается интенсивность лучистого теплового потока к поверхности жидкости, интенсифицируется процесс испарения, возрастает интенсивность конвективного газового потока вокруг факела пламени, оно будет сильнее поджиматься с боков, принимая форму конуса, увеличивающегося в размере. При дальнейшем горении пламя переходит в турбулентный режим горения, и будет расти до тех пор, пока не установится режим теплового и газодинамического равновесия. Максимальная температура турбулентного диффузионного пламени большинства ЛВЖ не превышает 1250-1350°С.

Распространение горения по поверхности зеркала жидкости зависит от скорости образования горючей смеси по механизму молекулярной и конвективной диффузии. Поэтому для жидкостей с температурой ниже температуры воспламенения эта скорость менее 0,05 м/с, а для жидкостей нагретых выше температуры воспламенения достигает 0,5 м/с и более.

Таким образом, скорость распространения пламени по поверхности горючей жидкости зависит в основном от ее температуры.

Если температура жидкости равна или выше температуры воспламенения, возможно возникновение горения. Вначале над поверхностью жидкости устанавливается небольшое пламя, которое затем быстро увеличивается по высоте и через небольшой промежуток времени достигает максимальной величины. Это говорит о том, что между зоной горения и поверхностью жидкости установился определенный тепломассообмен. Передача тепла из зоны горения поверхностному слою жидкости осуществляется лучеиспусканием и теплопроводностью через стенки емкости. Конвективный поток отсутствует, так как поток паров в факеле направлен верх, т.е. от поверхности менее нагретой к поверхности более нагретой. Количество тепла, передаваемое жидкости от зоны горения, непостоянно и зависит от температуры факела, прозрачности пламени, его формы и т.д.

Жидкость получает часть тепла от стенки резервуара. Эта часть тепла может быть значительной, когда уровень жидкости в резервуаре низок, а также когда пламя омывает наружную стенку резервуара. Тепло, воспринимаемое жидкостью, в большей части расходуется на испарение и нагревание ее, и некоторое количество тепла теряется жидкостью в окружающую среду:

Q = q 1 + q 2 + q 3

где Q - количество тепла, получаемое жидкостью от пламени, кДж/ (м 2 -с);

q 1 - количество тепла, теряемое жидкостью в окружающую среду, кДж/ (м 2 -с);

q 2 - количество тепла, расходуемое на парообразование жидкости, кДж/ (м 2 с);

qз - количество тепла, расходуемое на нагревание жидкости, кДж/ (м 2 -с).

Если диаметр резервуара достаточно велик, то величиной q1 по сравнению с q 2 и q 3 можно пренебречь:

Q = q 2 + q 3 = rlс + cpс (T-T 0) u.

Где r - теплота испарения жидкости, кДж/кг;

Ср - теплоемкость жидкости, кДж/ (кг К);

р - плотность жидкости, мг/м 3 ;

Т - температура на поверхности жидкости, К;

Т 0 -начальная температура жидкости К;

u - скорость роста нагретого слоя жидкости, м/с;

l - линейная скорость выгорания жидкости, м/с.

Если горит индивидуальная жидкость, то состав ее паровой фазы не отличается от состава жидкой. Если же горит жидкость сложного состава (смесь), то в верхнем слое ее происходит фракционная перегонка и состав шаровой фазы отличается от состава жидкой фазы. К таким смесям относятся нефть и все нефтепродукты. При их горении происходит испарение в большей степени легкокипящих фракций, в результате чего жидкая фаза изменяет свой состав, а вместе с этим давление паров, удельный вес, вязкость и другие свойства. В табл.3.1 показано изменение свойств карачухурской нефти в поверхностном слое при горении ее в резервуаре диаметрам 1,4 м.

Таблица 1.11.1

Изменение свойств карачухурской нефти в процессе горения

Физико-химические свойства	Проба до опыта	Пробы после горения, ч
Плотность три 293 К, кг/м 3
Кинематическая вязкость при 373. К, м 2 /с
Температура вспышки по Бренкену, К
Начало кипения, К

Согласно табл.1.11.1 за счет выгорания легкокипящих фракций плотность остающегося продукта увеличивается. То же происходит с вязкостью, температурой вспышки, содержанием смол и температурой кипения. Только содержание влаги по мере выгорания нефти уменьшается. Интенсивность изменения этих свойств при горении в резервуарах различного диаметра не одинакова. В резервуарах большого диаметра в силу увеличения конвективности и толщины слоя жидкости, участвующего в перемешивании, скорость изменения этих свойств уменьшается. Изменение фракционного состава нефтепродуктов, происходящее в верхнем слое, приводит постепенно к изменению слоя в толще прогретого нефтепродукта.

Если воспользоваться первым законом Д.П. Коновалова, то вывод о горении смесей можно сформулировать следующим образом: смесь двух жидкостей обогащается во время горения тем компонентам, прибавление которого к жидкости понижает давление пара над ней (или повышает температуру кипения). Этот вывод справедлив и для смесей, в которых число компонентов больше двух.

При горении смесей легковоспламеняющихся и некоторых горючих жидкостей с водой в результате фракционной перегонки процент воды в жидкой фазе все время увеличивается, что ведет к увеличению удельного веса горящей смеси. Это явление характерно для смесей, в которых горючий компонент имеет температуру кипения ниже температуры кипения воды (метиловый, этиловый спирты, диэтиловый эфир, ацетон и др.). При длительном горении таких жидких смесей вследствие увеличения воды в них наступает момент, когда горение прекращается, хотя не вся смесь еще выгорела.

Смесь горючих жидкостей с водой, когда температура кипения жидкости выше температуры кипения воды, ведет себя в процессе горения несколько иначе. Процент воды в жидкой фазе не увеличивается, а уменьшается. В результате этого смесь выгорает полностью. Так горит смесь уксусной кислоты с водой.

При горении нефтепродуктов температура кипения их (см. табл.1.11.1) постепенно повышается в силу происходящей фракционной перегонной, в связи с чем повышается и температура верхнего слоя. На рис.1.11.1 показано изменение температуры на поверхности

Рис.1.11.1

При низких температурах жидкости существенную роль при распространении пламени играет передача тепла от пламени к жидкости. Пламя подогревает прилегающую к нему поверхность жидкости, давление паров над ней возрастает, образуется горючая смесь, которая воспламенившись сгорает.

Переместившееся пламя подогревает следующий участок поверхности жидкости, и так далее.

Зависимость скорости перемещения пламени по поверхности жидкости от температуры показана на рис 1.11.2.

При температуре жидкости ниже температуры вспышки скорость перемещения пламени мала.

Она возрастает по мере повышения температуры жидкости и становится одинаковой со скоростью распространения пламени по паровоздушной смеси при температуре жидкости выше температуры вспышки.

Рис.1.11.2 Изменение скорости перемещения пламени по поверхности жидкостей в зависимости от температуры: 1-изоамиловый спирт, 2 - бутиловый спирт, 3 - этиловый спирт, 4 - толуол

Более 90 % всей энергии, используемой человечеством сегодня, вырабатывается в процессе горения. Начало научным исследованиям теории горения было положено российским ученым Михельсоном В.А.

Горение – сложный физико-химический процесс превращения исходных горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождающийся интенсивным выделением тепла, дыма и световым излучением факела пламени.

Для возникновения такой физико-химической реакции, лежащей в основе любого пожара, необходимо наличие трех обязательных компонентов: горючей среды, источника зажигания и окислителя.

Горючая среда – среда, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания.

Источник зажигания – это тепловой источник с достаточной для зажигания температурой, энергией и длительностью действия.

Различают горение кинетическое и диффузионное.

Кинетическое горение представляет собой горение предварительно перемешанных горючих газов и окислителя.

Диффузионное горение – это горение, при котором окислитель поступает в зону горения извне. Диффузионное горение, в свою очередь, бывает ламинарным (спокойным) и турбулентным (неравномерным) во времени и в пространстве.

В зависимости от агрегатного состояния исходного горючего вещества различают гомогенное , гетерогенное горение и горение конденсированных систем .

При гомогенном горении окислитель и горючее находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа, водорода, пропана и т.п. с окислителем – обычно кислородом воздуха).

При гетерогенном горении исходные вещества (например, твердое или жидкое горючее и газовый окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Твердые вещества, превращенные в пыль (угольную, текстильную, растительную, металлическую), при перемешивании с воздухом образуют пожаровзрывоопасные пылевоздушные смеси.

Горение конденсированных систем связано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ.

В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть дефлаграционным − со скоростью несколько м/с, взрывным − скорость порядка десятков и сотен м/с и детонационным − сотни и тысячи м/с.

Для дефлаграционного или нормального распространения горения характерна передача тепла от слоя к слою. В результате этого фронт пламени перемещается в сторону горючей смеси.

Взрывным горением называется процесс горения со стремительным высвобождения энергии и образованием при этом избыточного давления (более 5 кПа).

При детонационном горении (детонации) распространение пламени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или превышающей ее.

Детонация есть процесс химического превращения системы окислитель − восстановитель, представляющий собой совокупность ударной волны, распространяющейся с постоянной скоростью, и следующей за фронтом зоны химических превращений исходных веществ. Химическая энергия, выделяющаяся в детонационной волне, подпитывает ударную волну, не давая ее затухать.

Скорость детонационной волны есть характеристика каждой конкретной системы. Для гетерогенных систем характерна малоскоростная детонация, обусловленная спецификой реакции газ - твердое вещество. При детонации газовых смесей скорости распространения пламени составляют (1-3)∙10 3 м/с и более, а давление во фронте ударной волны (1-5)МПа и более.

Горению свойственны опасные факторы, которые называются опасными факторами пожара .

Под пожаром понимается неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства.

К опасным факторам пожара (согласно ГОСТ 12.1.004-91) относятся:

Пламя и искры;

Повышенная температура окружающей среды;

Пониженная концентрация кислорода;

Токсические продукты горения

Термического разложения.

Пламя − это видимая часть пространства (пламенная зона), внутри которой протекают процессы окисления, дымообразования и тепловыделения, а также генерируются токсические газообразные продукты и поглощается кислород из окружающего пространства.

Пламя в количественном отношении в основном характеризуется следующими величинами:

Площадью горения (F 0 , м 2), - скоростью выгорания (Ψ , кг/с), - мощностью тепловыделения (Q гор , Вт) - оптическим количеством дыма (ΨD , Непер∙м 2 ∙кг -1).

Особенностями горения на пожаре, в отличие от других видов горения, являются: склонность к самопроизвольному распространению огня; сравнительно невысокая степень полноты сгорания и интенсивное выделение дыма, содержащего продукты полного и неполного окисления.

На пожарах образуются три зоны:

- Зона горени я − часть пространства, в котором происходит подготовка веществ к горению (подогрев, испарение, разложение) и собственно горение.

- Зона теплового воздействия − часть пространства, примыкающая к зоне горения, в которой тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций, и где не возможно пребывание людей без специальной тепловой защиты.

- Зона задымления − часть пространства, примыкающая к зоне горения и расположенная как в зоне теплового воздействия, так и вне ее и заполненная дымовыми газами в концентрациях, угрожающих жизни и здоровью людей.

Горение может осуществляться в двух режимах: самовоспламенения и распространения фронта пламени .

Распространение пламени − процесс распространения горения по поверхности вещества и материалов за счет теплопроводности, тепловой радиации (излучения) и конвекции.

Оценивая динамику развития пожара можно выделить несколько его основных фаз:

- 1 фаза (до 10 мин) − начальная стадия, включающая переход возгорания в пожар за время примерно 1-3 минуты и рост зоны горения в течение 5-6 минут. При этом происходит преимущественно линейное распространение огня вдоль горючих веществ и материалов, что сопровождается обильным дымовыделением.

- 2 фаза − стадия объемного развития пожара, занимающая по времени 30-40 минут, характеризуется бурным процессом горения с переходом в объемное горение. Процесс распространения пламени происходит дистанционно за счет передачи энергии горения на другие материалы. Максимальных значений достигает температура (до 800-900 о С) и скорости выгорания.

Стабилизация пожара при максимальных его значениях происходит на 20-25 минуте и продолжается еще 20-30 минут, при этом выгорает основная масса горючих материалов.

- 3 фаза − фазы затухания пожара, т.е. догорание в виде медленного тления. После чего пожар прекращается.

Согласно ИСО № 3941-77 пожары делятся на следующие классы:

- класс А − пожары твердых веществ, в основном органического происхождения, горение которых сопровождается тлением (древесина, текстиль, бумага);

- класс В − пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ;

- класс С − пожары газов;

- класс Д − пожары металлов и их сплавов;

- класс Е − пожары, связанные с горением электроустановок.

Характеристиками горючей смеси по показателям пожаро- взрывоопасности являются:

Группы горючести,

Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения),

Температура вспышки, - температура воспламенения и самовоспламенения.

Группа горючести − показатель, который применим к следующим агрегатным состояниям веществ:

- газы − вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50 о С равно или более 300 кПа или критическая температура которых менее 50 о С;

- жидкости − вещества с температурой плавления (каплепадения) менее 50 о С;

- твердые вещества и материалы с температурой плавления (каплепадения) более 50 о С;

- пыли − диспергированные вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм.

Горючесть − способность вещества или материала к горению. По горючести они подразделяются на три группы.

Негорючие (несгораемые ) − вещества и материалы, не способные к горению на воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными, (например, окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии в водой, кислородом воздуха или друг с другом).

Трудногорючие (трудносгораемые ) − вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но неспособные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие (сгораемые ) − вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться в воздухе от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Из этой группы выделяют легко воспламеняющиеся вещества и материалы − способные воспламенятся от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.).

Концентрационные пределы воспламенения − минимальная и максимальная концентрация (массовая или объемная доля горючего в смеси с окислительной средой), выраженная в %, г/м 3 или л/м 3 , ниже (выше) которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Различают нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени (соответственно НКПРП и ВКПРП ).

НКПРП (ВКПРП) − минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси (горючее вещество – окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Например, для смеси природного газа, состоящего в основном из метана, концентрационный предел воспламенения (детонационного горения) составляет 5-16 %, а взрыв пропана возможен при содержании в 1 м 3 воздуха 21 л газа, а возгорание − при 95 л.

Температура вспышки (t всп ) − минимальная температура горючего вещества, при которой на его поверхности образуются газы и пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для устойчивого горения.

В зависимости от численного значения t всп жидкости их относят к легковоспламеняющимся (ЛВЖ) и горючим (ГЖ ). В свою очередь ЛВЖ подразделяются на три разряда в соответствии с ГОСТ 12.1.017-80.

Особо опасные ЛВЖ − это горючие жидкости с t всп от −18 о С и ниже в закрытом или от −13 о С в открытом пространстве. К ним относятся ацетон, диэтиловый эфир, изопентан и др.

Постоянно опасные ЛВЖ − это горючие жидкости с t всп от −18 о С до +23 о С в закрытом или от −13 о С до 27 о С в открытом пространстве. К ним относятся бензол, толуол, этиловый спирт, этилацетат и др.

Опасные при повышенной температуре ЛВЖ − это горючие жидкости с t всп от 23 о С до 61 о С в закрытом или выше 27 о С до 66 о С в открытом пространстве. К ним относятся скипидар, уайт-спирит, хлорбензол и др.

Температура вспышки используется для определения категорий помещений зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности согласно НПБ 105-03, а также при разработке мероприятий для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности ведения процессов

Температура самовоспламенения − самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости энергии.

Понятие «взрыв » используется во всех процессах, которые могут вызвать существенное повышение давления в окружающей среде.

На основании ГОСТ Р 22.08-96 взрыв − это процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физико-химическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давления или ударной волны, сопровождающейся образованием сжатых газов или паров, способных производить работу.

На взрывоопасных объектах возможны следующие виды взрывов:

- взрывные процессы − неконтролируемое резкое высвобождение энергии в ограниченном пространстве;

- объемный взрыв − образование облаков топливно-воздушных или других газообразных, пылевоздушных смесей и их быстрыми взрывными превращениями;

- физические взрывы − взрывы трубопроводов, сосудов, находящихся под высоким давлением или перегретой жидкостью.

Аварийный взрыв – чрезвычайная ситуация, возникающая на потенциально опасном объекте в любой момент времени в ограниченном пространстве спонтанно, по стечению обстоятельств или в результате ошибочных действий работающего на нем персонала

Причинами взрывов, в основном, являются:

Нарушение технологического регламента;

Внешние механические воздействия;

Старение оборудование и установок;

Конструкторские ошибки;

Изменение состояния герметизируемой среды;

Ошибки обслуживающего персонала;

Неисправность контрольно-измерительных, регулирующих и предохранительных устройств.