ТЕМА 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ПРОЦЕСИ ГОРІННЯ

 

1.1 . Основні поняття горіння та вибуху

Горіння – це складний фізико–хімічний процес, при якому перетворення речовини супроводжується інтенсивним виділенням тепла, яскравим світінням і тепломасообміном з навколишнім середовищем. У більшості випадків горіння відбувається в результаті екзотермічного окислення речовини, здатної до горіння (горюча речовина), деяким окислювачем (киснем повітря, хлором, закисом азоту і т.д.). При цьому в процесі беруть участь два основних компоненти – горюча речовина і окислювач. За цим механізмом відбувається горіння газів, нафти, бензину, гасу, деревини , торфу та інших горючих речовин – вуглеводнів, які у хімічній формулі містять вуглець і водень.

Однак процес горіння може протікати не тільки при реакціях сполучення горючої речовини з окислювачем, а й при інших реакціях, пов’язаних з виділенням значної кількості теплоти і з швидким хімічним перетворенням. До них відносяться розкладання вибухових речовин і озону, взаємодія оксидів натрію і барію з діоксидом вуглецю, розпад ацетилену і т. д.

Горіння може початися мимовільно в результаті самозаймання (наприклад, бурту зерна або торфовища ), або ініційовано запалюванням (свічка автомобільного двигуна, сірник, іскра короткого замикання, розпечені краплі металу при електрозварювання і т. д.). Перехід спочатку повільної хімічної реакції в режим горіння обумовлений нелінійної залежністю швидкості реакції від температури, яка визначається законом Арреніуса.

Горіння являє собою комплекс взаємопов’язаних хімічних і фізичних процесів. Найважливіші процеси при горінні – це теплоперенос і масоперенос (перенесення теплоти і речовини). Найбільш загальною властивістю горіння є здатність виниклого вогнища полум’я пересуватися по всій горючій суміші шляхом передачі теплоти або шляхом дифузійного переносу нагрітих частинок із зони горіння в свіжу суміш. У першому випадку механізм поширення полум’я називається тепловим, у другому – дифузійним. Зазвичай горіння протікає за комбінованим механізмом, що включає як теплообмін, так і дифузію горючих компонентів і продуктів горіння.

Для процесів горіння характерна наявність критичних умов виникнення і поширення полум’я – деяких фіксованих значень тиску, температури, розмірів системи, складу горючої суміші і т.д., при досягненні яких відбувається займання суміші , поширення полум’я або його згасання . В усіх випадках для процесу горіння характерні три стадії – виникнення, поширення і згасання полум’я.

Залежно від агрегатного стану горючих компонентів (окислювача або горючої речовини) розрізняють три види горіння.

• Гомогенне горіння – горіння газів і пароподібних горючих речовин в середовищі газоподібного окислювача.

• Гетерогенне горіння – горіння рідких і твердих горючих речовин в середовищі газоподібного окислювача . Різновидом гетерогенного горіння є горіння рідких крапель горючих речовин.

• Горіння вибухових речовин і порохів.

За швидкістю поширення полум’я горіння поділяється на дефлаграцію і детонацію. Дефлаграційне горіння – це такий режим горіння, при якому полум’я поширюється з дозвуковою швидкістю. При детонації полум’я поширюється з надзвуковою швидкістю, наприклад, в повітрі – зі швидкістю більше 300 м/с. Дозвукове горіння поділяється на ламінарне і турбулентне. Швидкість ламінарного горіння залежить від складу суміші, початкових значень температури і тиску, а також від швидкості хімічних перетворень в полум’ї. Швидкість поширення турбулентного полум’я, крім зазначених факторів, залежить від швидкості потоку, ступеня і масштабу турбулентності.

Граничним випадком горіння є вибух – процес надзвичайно швидкого виділення великої кількості енергії. В результаті вибуху вибухонебезпечна суміш, що заповнює об’єм, в якому відбулося виділення енергії, практично миттєво перетворюється в сильно нагрітий газ з високим тиском. Цей газ з великою силою впливає на навколишнє середовище, викликаючи утворення ударної хвилі. Руйнування, викликані вибухом, обумовлені саме дією ударної хвилі. Віддаляючись від місця вибуху, механічна дія ударної хвилі знижується. Джерелом вибуху може бути не тільки хімічне перетворення, але і будь високоенергетичний процес (атомна або термоядерна реакція, високий тиск пари в котлі, блискавка в атмосфері, виверження вулкана, цунамі, падіння метеорита і т.д.).

 

 

1.2.    Iсторiя науки про горiння

На сьогодні горіння є основним джерелом енергії. Зазначимо, що понад 85% споживаної енергії в світі має своїм джерелом горіння, більшість сучасних технологій засноване на використанні горіння. Кількісний опис цього явища представляє не лише науковий інтерес, але також має велике практичне значення. Вивчення вогню почалося в кам’яному віці як практична проблема для первісної людини.

За даними археології, люди почали користуватися вогнем для обігріву та приготування їжі 600 тисяч років тому, а навчилися отримувати вогонь – 30 тисяч років тому. Порох був винайдений в Китаї, а також використовувався в Японії більше трьох тисяч років тому. Вогню відводилося значне місце в ранніх міфах і легендах, наприклад, в грецькому міфі про Прометея, що викрав вогонь у богів і віддав його людям.

Перші наукові уявлення щодо полум’я були сформульовані, мабуть, грецьким філософом Гераклітом, який вважав , що вогонь є одним з основних речовин. З перших теорій, які намагалися пояснити сутність процесу горіння, слід зазначити теорію флогістону. Ця теорія зіграла відому роль в розвитку хімії і, зокрема, у вивченні процесу горіння. Вона з’явилася в XVII столітті в зв’язку з розвитком металургії.

За цією хімічною теорією, всі речовини, здатні горіти, містять особливу речовину – флогістон, яка виділяється при горінні (флогістон – грецькою       «горючий »). Процес горіння з цієї теорії полягає в розкладанні речовини на флогістон і залишок – землю. Вважалося, що в вуглеці, сірці, водні міститься більше флогістону, ніж у металах. Однак ряд явищ, які супроводжують процес горіння, ця помилкова теорія пояснити не могла. Виділити чистий флогістон і вивчити його, зрозуміло, також не вдалося. Тому теорія флогістону з чинника прогресу в розвитку хімії перетворилася на його гальмо. Більшість хіміків того часу дотримувалися теорії флогістону. Англійський учений Роберт Бойль вважав, що при нагріванні металів «вогненна матерія» сполучається з металами і перетворює їх на окалину. Оскільки вага окалини більше ваги металу, з якого вона отримана, то, на думку Бойля, флогістон має вагу.

Вперше теорію флогістону спростував великий російський вчений М.В. Ломоносов (1711-1765 рр.). Він провів велику кількість дослідів з прожарюванням свинцю і олова у відкритих і запаяних посудинах. У цих дослідах проводилося зважування речовини до і після прожарювання. При цьому було показано , що метали при прожаренні сполучаються з повітрям і збільшуються у вазі. Прожарюючи метал в запаяному посуді, М.В. Ломоносов знайшов , що хоча на металі і утворюється окалина, але загальна вага посудини з металом залишається незмінною. Ломоносов М.В. показав, що флогістон не проникає крізь скло запаяної посудини, а окалина утворюється за рахунок приєднання до металу повітря, що знаходиться в посудині. Своїми дослідами Ломоносов М.В. виявив не тільки сутність процесу горіння, а й встановив основний закон сучасної хімії – закон збереження маси речовини (1756 р.). Пізніше, в 1773 р. Лавуазьє повторив досліди М.В. Ломоносова і показав , що тільки частина повітря сполучаються з металом, причому ця частина містить ~ 20 % від об’єму повітря , тобто становить частку кисню в повітрі. Серед вчених , які жили і працювали до початку XX століття, найбільший внесок у розвиток науки про горіння внесли П. Бертело, Р. Бунзен, Р. Бекон, А. Лавуазьє, М.В. Ломоносов, В.А. Міхельсон, М. Фарадей, С. Чепмен та інші.

У ХХ столітті наука про горіння і засновані на ній технології стали швидко розвиватися. У 1926 р. американський інженер Р. Годдард розробив, випробував і отримав патент на першу ракету з рідким паливом. Приблизно в цей же час в СРСР Ф.А. Цандер створив і випробував ракетні двигуни на рідкому паливі. У 1932р. в Москві С.П. Корольовим було створено групу фахівців з вивчення реактивного руху – ГВРР . У серпні 1933р. була запущена перша радянська рідинна ракета ГИРД-09 , а в листопаді 1933р. – ГВРР-10. Ці роботи були продовжені С.П. Корольовим, В.П. Глушко та іншими вченими вже після війни. Бурхливими темпами наука про горіння почала розвиватися після Другої світової війни.

Основоположний внесок у науку про горіння був внесений академіком М.М. Семеновим, який отримав Нобелівську премію з фізики за відкриття ланцюгових розгалужених реакцій, що відіграють визначальну роль в горінні та вибуху. Видатним вченим в галузі горіння був академік Я.Б. Зельдович. Внесок у науку про горіння Я.Б. Зельдовича настільки великий, що світова спільнота з горіння заснувала золоту медаль його імені за досягнення в науці про горіння, яка вручається кожні два роки на Міжнародних симпозіумах з горіння.

На стику хімічної кінетики і науки про горіння плідно працювали К.К. Андрєєв, А.Ф. Бєляєв, В.В. Воєводський, А.А. Ковальський, В.Н. Кондратьєв, П.Ф. Похил, Д.А. Франк- Каменецький, Ю.Б. Харитон і багато інших видатних радянських вчених . За кордоном наука про горіння інтенсивно розвивалася в США, де склалися великі наукові школи дослідників, очолювані Ф.А. Вільямсом , Т. Кишенею, Б. Льюїсом, А.К. Оппенгеймером, М. Саммерфільдом, Г. Ельбі. З європейських вчених в галузі фізики горіння можна відзначити М. Баррера, А.Г. Гейдона, Луїджі де Лука, Д.В. Сполдінга та інших.

 

 

1.3.    Основнi областi застосування процесiв горiння

Процеси горіння рідких, твердих і газоподібних горючих речовин широко використовуються практично у всіх галузях сучасної техніки і технології. Відзначимо найбільш важливі напрямки використання процесів горіння.

Найбільш важливу роль процеси горіння відіграють у теплоенергетиці. Теплові електростанції використовують енергію горіння вугілля, горючих газів і рідких вуглеводнів.

У технології отримання чорних і кольорових металів, скла, кераміки, цементу, та інших необхідних матеріалів також використовується енергія горіння для нагрівання і плавлення відповідних компонентів і сировини.

Артилерія, стрілецька зброя та інші види озброєнь використовують як джерело енергії вибухові речовини різних класів.

Велика народногосподарське значення мають вибухові технології, застосовувані для видобутку вугілля та інших корисних копалин, при будівельних роботах (зведення гребель, прокладка тунелів і т.д.), при руйнуванні крижаних заторів.

Важливим напрямом у науці про горіння є екологічні аспекти горіння, що отримали значний розвиток останнім часом. До них відносяться технологія спалювання побутових відходів, вивчення механізмів утворення екологічно шкідливих продуктів згоряння (оксиди азоту, сажа, сполуки хлору). Ці дослідження дозволяють знайти умови , при яких концентрація токсичних речовин у викидах мінімальна.

Одним з найважливіших напрямків науки про горіння є вивчення пожеж (у житлових приміщеннях, лісових масивів і т.д.) і розробка методів пожежогасіння. Для гасіння пожеж використовуються як фізичні, так і хімічні способи , які сприяють обриву ланцюгів хімічної реакції горіння.

Окремо слід відзначити роль процесів горіння в двигунобудуванні, авіації і ракетній техніці. Процеси горіння використовуються для отримання рушійної енергії різноманітних транспортних засобів, починаючи від паровоза і аж до сучасних ракетних двигунів , автомобілів , літаків , суден і т.д. Крім рідинних ракетних двигунів, в яких як горюча речовина використовується несиметричний диметилгидразин (гептил) або рідкий водень , а як окислювач – азотна кислота або рідкий кисень , в СРСР, США, Японії, Китаї, Західній Європі отримали розвиток ракетні двигуни на твердому паливі. В якості твердого палива, здатного до самостійного горіння, найчастіше використовується суміш полімерного пального і порошкоподібного окислювача, наприклад, перхлорату амонію. Основним завданням при створенні палива є отримання найбільш високої питомої імпульсу (відношення тяги двигуна до масової секундної витрати палива), що досягається при найбільш високій температурі і найменшій молекулярній масі продуктів згоряння. З цією метою до складу твердих ракетних палив додають порошки легких металів – алюмінію або магнію. Вивчення горіння таких складних систем становить серйозну задачу в сучасній фізиці горіння.

Наука про горіння продовжує розвиватися. В останні роки з’явилися нові напрямки в науці про горіння і технології, засновані на ній. Це високотемпературний синтез – процес переміщення хвилі хімічної реакції по суміші твердих дисперсних реагентів з утворенням твердих кінцевих продуктів. Дана технологія дозволяє синтезувати нові матеріали і речовини з особливими властивостями. Можна назвати ще цілий ряд технологій, число яких постійно поповнюються, де процеси горіння і вибуху відіграють визначальну роль.

Незважаючи на довгу історію, кількісний опис процесів горіння став розвиватися порівняно недавно. Це пов’язано зі складністю явища, яке включає в себе цілий ряд хімічних реакцій, а також такі аспекти, як потік газу, теплопровідність і дифузне перенесення речовин. В останні роки експериментальна техніка і техніка комп’ютерного моделювання піднялися до такого високого рівня, що багато проблем горіння можуть бути описані кількісно.

 

 

1.4.    Горiння i окислення

При сполученні горючих речовин з киснем завжди виділяється теплота, але не всі ці реакції протікають у вигляді горіння. Наприклад, окислення етилового спирту в оцтовий альдегід не можна назвати горінням. У цьому випадку швидкість реакції невелика, і кількість виділеної теплоти недостатньо для нагрівання продуктів реакції до світіння. Якщо яким–небудь способом збільшити швидкість реакції і, отже , виділення теплоти , то процес окислення речовин може перейти в горіння. Отже, горіння відноситься до процесу окислення і характеризується тільки високою швидкістю реакцій і значним тепловим ефектом.

Надалі будемо розрізняти процеси окислення і горіння за зовнішніми ознаками : окиснення – це процес сполучення горючої речовини з киснем без виділення світла, тобто без полум’я або нагрівання речовини, горіння – це процес окислення з появою полум’я або нагрівання речовини.

Поява полум’я або напруження речовини в процесі окиснення завжди є результатом значного теплового ефекту реакції. Випромінювання світла в процесі горіння – це результат переходу хімічної енергії реагуючих речовин в теплову реакцію проміжних і кінцевих продуктів реакції.

 

 

1.5.    Умови, необхiднi для горiння

Горіння речовин можливе лише за наявності горючої речовини, кисню повітря (або іншого окислювача ) і досягнення температури, здатної викликати процес горіння.

Повітря і горюча речовина складають систему, здатну горіти, а температурні умови зумовлюють можливість самозаймання та горіння системи. При сталому режимі горіння зміна складу системи і температурних умов веде до зміни швидкості горіння або його припинення. Наприклад, зміна концентрації горючої речовини в газових або пилових сумішах спочатку змінює швидкість горіння в ту чи іншу сторону , а потім веде до зменшення швидкості і припинення горіння.

Із складових частин повітря у горінні бере участь тільки кисень. Азот і рідкі гази, що знаходяться в повітрі, в цьому процесі не беруть участь. Змінюючи концентрацію кисню в повітрі, можна змінити швидкість горіння речовин. Найбільша швидкість горіння виходить при горінні речовини в чистому кисні, найменша (припинення горіння ) – при вмісті 14-15 % кисню.

Горіння речовин може відбуватися за рахунок кисню, що знаходиться у складі інших речовин, здатних легко його віддавати. Такі речовини називаються окислювачами . Наведемо найбільш відомі окислювачі.

• Бертолетова сіль ( KClO₃ ).

• Калійна селітра ( KNO₃ ).

• Натрієва селітра ( NaNO₃ ).

• Нітрат амонію ( NH₄NO₃ ).

• Марганцево –кислий калій ( KMnO₄ ).

• Перхлорат амонію ( NH₄ClO₄ ).

У складі окислювачів міститься кисень, який може бути виділений шляхом розкладання солі, наприклад:

 

2 KClO₃ = 2KCl + 3 O₂

 

Розкладання окислювачів відбувається при нагріванні , а деяких з них навіть під впливом сильного удару. Для того, щоб речовина горіла за рахунок кисню окислювача, необхідно як горючу речовину, так і окислювач подрібнити і ретельно перемішати для збільшення площі зіткнення реагуючих речовин. Горіння таких сумішей відбувається з великою швидкістю, так як кисень в момент виділення знаходиться в атомарному стані. Приклад таких сумішей – чорний порох, терміт, піротехнічні суміші , сумішеві тверді ракетні палива.

Для припинення горіння необхідно порушити умови, що його викликають. При гасінні водою відбувається охолодження речовини, яка горить, і зменшення концентрації горючих газів за рахунок утворення водяної пари. При гасінні нафти піною припиняється подача теплоти від полум’я до нафти і утруднюється його надходження в зону горіння.

 

 

1.6. Продукти горіння

Продукти горіння – це газоподібні, рідкі або тверді речовини, що утворюються в процесі горіння. Склад продуктів згоряння залежить від складу горючої речовини та від умов її горіння. Органічні і неорганічні горючі речовини складаються, головним чином, з вуглецю, кисню, водню, сірки, фосфору та азоту. З них вуглець, водень, сірка і фосфор здатні окислюватися при температурі горіння і утворювати продукти горіння: СО, СО₂, SO₂, P₂O₅. Азот при температурі горіння не окислюється і виділяється у вільному стані, а кисень витрачається на окислення горючих елементів речовини. Всі зазначені продукти згоряння (за виключення окису вуглецю СО) горіти в подальшому більше не здатні. Вони утворюються при повному згорянні, тобто при горінні, яке протікає при доступі достатньої кількості повітря і при високій температурі.

При неповному згорянні органічних речовин в умовах низьких температур і нестачі повітря утворюються більш різноманітні продукти – окис вуглецю, спирти, кетони, альдегіди, кислоти та інші складні хімічні сполуки. Вони виходять при частковому окисленні як горючої речовини, так і продуктів її сухої перегонки (піролізу). Ці продукти утворюють їдкий і отруйний дим. Крім того, продукти неповного горіння самі здатні горіти і утворювати з повітрям вибухові суміші. Такі вибухи бувають при гасінні пожеж у підвалах, сушарках і в закритих приміщеннях з великою кількістю горючого матеріалу. Розглянемо коротко властивості основних продуктів горіння.

 

Вуглекислий газ

Вуглекислий газ або двоокис вуглецю (СО₂ ) – продукт повного горіння вуглецю. Не має запаху і кольору. Густина його по відношенню до повітря    ρ=1,52. Густина вуглекислого газу при температурі Т = 0 ⁰С і при нормальному тиску р = 760 міліметрів ртутного стовпчика (мм рт.ст.) дорівнює 1,96 кг/м³ ( густина повітря при цих же умовах дорівнює ρ = 1,29 кг/м³). Вуглекислий газ добре розчинний у воді ( при Т = 15 ⁰С в одному літрі води розчиняється один літр газу). Вуглекислий газ не підтримує горіння речовин, за винятком лужних і лужноземельних металів. Горіння магнію, наприклад, відбувається в атмосфері вуглекислого газу за рівнянням:

 

СО₂ +2 Mg = С + 2 MgO .

 

Токсичність вуглекислого газу незначна. Концентрація вуглекислого газу в повітрі 1,5 % нешкідлива для людини тривалий час. При концентрації вуглекислого газу в повітрі, що перевищує 3-4,5%, знаходження в приміщенні і вдихання газу протягом півгодини небезпечно для життя. При температурі Т = 0 ⁰С і тиску р = 3,6 МПа вуглекислий газ переходить у рідкий стан. Температура кипіння рідкої вуглекислоти становить Т = – 78 ⁰С. При швидкому випаровуванні рідкої вуглекислоти газ охолоджується і переходить у твердий стан . Як у рідкому, так і твердому стані, краплі і порошки вуглекислоти застосовуються для гасіння пожеж.

 

Оксид вуглецю

Оксид вуглецю або чадний газ (СО) – продукт неповного згоряння вуглецю. Цей газ не має запаху і кольору, тому особливо небезпечний. Відносна густина ρ = 0,97. Густина чадного газу при Т = 0 ⁰С і р = 760 мм рт становить 1,25 кг/м³. Цей газ легший за повітря і накопичується у верхній частині приміщення при пожежах. У воді оксид вуглецю майже не розчиняється. Здатний горіти і з повітрям утворює вибухові суміші. Чадний газ при горінні дає полум’я синього кольору. Чадний газ є дуже токсичним. Вдихання повітря з концентрацією чадного газу 0,4% смертельно для людини. Стандартні протигази від чадного газу не захищають, тому при пожежах застосовуються спеціальні фільтри або кисневі ізолюючі прилади.

 

Сірчистий газ

Сірчистий газ (SO₂) – продукт горіння сірки і сірчистих сполук. Безбарвний газ з характерним різким запахом. Відносна густина сірчистого газу ρ = 2,25. Густина цього газу при Т = 0 ⁰С і р = 760 мм рт становить 2,9 кг/м³, тобто він набагато важчий за повітря. Сірчистий газ добре розчиняється у воді, наприклад , при температурі Т = 0 ⁰С в одному літрі води розчиняється вісімдесят літрів SO₂ , а при Т = 20 ⁰С – сорок літрів. Сірчистий газ горіння не підтримує. Діє подразнюючим чином на слизові оболонки дихальних шляхів , внаслідок чого є дуже токсичним.

 

Дим

При горінні багатьох речовин, крім розглянутих вище продуктів згоряння, виділяється дим – дисперсна система, що складається з найдрібніших твердих часток, що знаходяться в підвішеному стані у будь-якому газі. Діаметр частинок диму становить 10^–4–10^–6 см (від 1 до 0,01 мкм). Відзначимо, що 1 мкм ( мікрон ) дорівнює 10^–6 м або 10^–4 см. Більші тверді частинки, що утворюються при горінні, швидко осідають у вигляді кіптяви і сажі. При горінні органічних речовин дим містить тверді частинки сажі, зважені в CO₂, CO, N₂, SO₂ та інших газах. Залежно від складу і умов горіння речовини виходять різні за складом і за кольором дими . При горінні дерева, наприклад, утворюється сірувато-чорний дим, тканини – бурий дим, нафтопродуктів – чорний дим , фосфору – білий дим , паперу, соломи –білувато-жовтий дим.

 

Контрольнi запитання:

1.     Якi процеси називають горiнням? Якими бувають види горiння?

2.     Як називаються типи горiння залежно вiд агрегатного стану горючих компонентiв?

3.     Що таке кiнетична та дифузiйна областi горiння?

4.     Опишiть основнi режими горiння.

5.     Якi умови є необхiдними для горiння?

6.     Якi основнi продукти процесiв горiння?