Реакции горения и их тепловой эффект. Тепловой механизм.

Горение – сложный физико-химический процесс, основу которого составляют химические реакции окислительно-восстановительного типа, приводящие к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул.

Примеры реакций горения

метана: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О;

ацетилена: С2Н2 + 2,5О2 = 2СО2 + Н2О;

натрия: 2Na + Cl2 = 2NaCl;

водорода: Н2 + Cl2 = 2НCl, 2Н2 + О2 = 2Н2О;

тротила: С6Н2(NO2)3CH3 = 2,5H2O + 3,5CO + 3,5C +1,5N2.

Сущность окисления – отдача окисляющимся веществом валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления – присоединение восстанавливающимся веществом электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние. В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вещества (элемента) в оболочку атомов другого. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом на внешнем электронном уровне атома натрия оказывается восемь электронов (устойчивая структура), а атом, лишившийся одного электрона, превращается в положительно заряженный ион. У атома хлора, получившего один электрон, внешний

уровень заполняется восемью электронами, и атом превращается в отрицательно заряженный ион. В результате действия кулоновских электростатических сил происходит сближение разноименно заряженных ионов и образуется молекула хлорида натрия (ионная связь):

Na+ + Cl– = Na+Cl– или 2Na + Cl2 = 2Na+Cl–.

Атом магния имеет в наружном слое два электрона. При взаимодействии с кислородом два атома магния отдают четыре электрона молекуле (двум атомам) кислорода и превращаются в положительные двухзарядные ионы. Последние связываются с образовавшимися отрицательно заряженными ионами кислорода в кристаллы оксида магния MgO.

42. Расчет давления при взрыве газов

Избыточное давление взрыва Р для индивидуальных горючих ве-ществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, С1, Вr, I, F, определяется по формуле

(1)

где Р_max — максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, оп-ределяемое экспериментально или по справочным данным в соот-ветствии с требованиями п. 3. При отсутствии данных допускается принимать Р_max равным 900 кПа;

Р_O — начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

т — масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате рас-четной аварии в помещение, вычисляемая для ГГ по формуле (6), а для паров ЛВЖ и ГЖ по формуле (11), кг;

Z — коэффициент участия горючего во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объ-еме помещения согласно приложению. Допускается принимать значение Z по табл. 2;

V_св — свободный объем помещения, м³;

p_г,п— плотность газа или пара при расчетной температуре t_р, кг*м^-3, вычисляемая по формуле

(2)

где М— молярная масса, кг*кмоль^-1;

V_О — мольный объем, равный 22,413 м³*кмоль^-1;

t_р — расчетная температура, ^oС. В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры t_рпо каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 61^oС;

С_ст — стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (об.), вычисляемая по формуле

(3)

где — стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

n_С, n_Н, n_О, n_Х ѕ число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;

К_Н— коэффициент, учитывающий негерметич-ность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать К_Н равным 3.

Таблица 2

Расчет Р для индивидуальных веществ, кроме упомянутых в п. 10, а также для смесей может быть выполнен по формуле

(4)

где Н_Т — теплота сгорания, Дж*кг^-1;

p_в — плотность воздуха до взрыва при начальной температу-ре Т_О, кг*м^-3;

С_р — теплоемкость воздуха, Дж*кг^-1*К^-1 (допускается принимать равной 1,01*10³ Дж*кг^-1*К^-1);

Т_О — начальная температура воздуха, К.

12. В случае обращения в помещении горючих газов, легковоспламеняющихся или горючих жидкостей при определении значения массы т, входящей в формулы (1) и (4), допускается учитывать работу аварийной вентиляции, если она обеспечена резервными вентиляторами, автоматическим пуском при превышении предельно допустимой взрывобезопасной концентрации и электроснабжением по первой категории надежности (ПУЭ), при условии расположения устройств для удаления воздуха из помещения в непосредственной близости от места возможной аварии.

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

К = АТ + 1, (5)

где А — кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, с^-1;

Т — продолжительность поступления горючих газов и паров легковопламеняющихся и горючих жидкостей в объем помещения, с (принимается по п. 7).

13. Масса m, кг, поступившего в помещение при расчетной аварии газа, определяется по формуле

m = (V_a + V_T) p_r, (6)

где V_a — объем газа, вышедшего из аппарата, м³;

V_T — объем газа, вышедшего из трубопроводов, м³.

При этом

V_a = 0,01Р₁ V, (7)

где P₁ — давление в аппарате, кПа;

V — объем аппарата, м³;

V_T = V_1T + V_2T, (8)

где V_1T — объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³;

V_2T — объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³;

V_1T = qT, (9)

q — расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газовой среды и т.д., м³*с^-1;

Т — время, определяемое по п. 7, с;

V_2T = 0,01 Р₂ (r²₁ L₁ + r²₂L₂ + ... + r²_n L_n), (10)

P₂ — максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа,

r — внутренний радиус трубопроводов, м;

L — длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

14. Масса паров жидкости m, поступивших в помещение при наличии нескольких источников испарения (поверхность разлитой жидкости, поверхность со свеженанесенным составом, открытые емкости и т.п.), определяется из выражения

m = m_р + m_емк + m_св.окр., (11)

где m_р — масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;

m_емк — масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых емкостей, кг;

m_св.окр — масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав, кг.

При этом каждое из слагаемых в формуле (11) определяется по формуле

m = W F_и T, (12)

где W — интенсивность испарения, кг*с^-1*м^-2;

F_и — площадь испарения, м², определяемая в соответствии с п. 7 в зависимости от массы жидкости m_п, вышедшей в помещение.

Если аварийная ситуация связана с возможным поступлением жидкости в распыленном состоянии, то она должна быть учтена в формуле (11) введением дополнительного слагаемого, учитывающего общую массу поступившей жидкости от распыляющих устройств, исходя из продолжительности их работ.

15. Масса m_р, кг, вышедшей в помещение жидкости определяется в соответствии с п. 7.

16. Интенсивность испарения W определяется по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых выше температуры окружающей среды ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать W no формуле

(13)

где — коэффициент, принимаемый по табл. 3 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;

Р_н — давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости t_р, определяемое по справочным данным в соответствии с требованиями п. 3, кПа.

Таблица 3

Поиск по сайту: