6885

Образование атома кислорода в реакции горения СО не является реакцией разветвления цепи, так как он в дальнейшем поглощается и не дает новых радикалов.

Одновременно с разобранным механизмом на него накладывается механизм горения СО, который мы обсуждали ранее.

Обрыв цепи аналогичен рассмотренному для реакций горения СО и водорода.

При повышении температуры углерод участвует в окис- лительно-восстановительной реакции с оксидом углерода (IV).

Чем выше температура, тем более эффективным становится этот способ окисления углерода. При температурах около 1500°С и выше углерод практически полностью окисляется с помощью СО2. Происходит следующая последовательность реакций. В газовой фазе горит СО по гомогенному механизму и практически полностью расходует кислород, диффундирующий из воздуха в пламя. Образующийся в газовой фазе СО2 вступает в контакт с поверхностью углерода и участвует в окислительновосстановительной реакции:

Сх + СО2 = Сх-1СО + СО↑

Таким образом, кислород непосредственно в окислении поверхности углерода не участвует. Такой механизм горения носит название двойного горящего слоя, где первый из них – слой горящего а атмосфере СО2 углерода, а второй – горящего в атмосфере кислорода СО.

Скорость горения углерода в основном определяется площадью поверхности. Для интенсификации процесса в промышленных установках уголь перед использованием измельчается до пылевидного состояния и впрыскивается в сопло в виде аэрозоля. Процесс горения такого угля хорошо регулируется.

В домашних котельных уголь обычно используется в виде достаточно крупных кусков.

61

ГЛАВА 5

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

При взрыве развивается крайне высокая мощность выделения энергии химической реакции. Если процесс происходит в небольшом объеме, то выделяющиеся газообразные продукты реакции создают огромное давление, которое вызывает сильные разрушения окружающих материалов. Например, взрыв тонны взрывчатого вещества (ВВ) может за время ~10-4 с создать давление порядка сотен тысяч атмосфер и вызвать образование мощной ударной волны. Поэтому взрыв нашел широкое применение в военной области для разрушения сооружений, коммуникаций и военной техники, а также для поражения людей.

Широко встречаются случаи, когда взрыв является нежелательным процессом. Практически любая газовая смесь горючего с воздухом может взрываться при определенных условиях (например, при утечке природного газа в квартирах). Практически любой горючий материал, взвешенный в воздухе в тонко измельченном виде, может дать при поджигании в определенных условиях пылевой взрыв. Известны взрывы пыли угля, сажи, муки, алюминия, серы и других материалов.

Для пылевидных смесей их способность к взрыву зависит от степени измельчения (дисперсности) горючего материала, а также от его концентрации в воздухе. Для таких смесей есть нижний концентрационный предел взрываемости, который, в свою очередь, зависит от мощности источника зажигания.

Характеристика процессов, протекающих при взрыве

Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущенная среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передается от одного слоя среды к другому так, что область, охваченная взрывной волной, быстро расширяется.

62

Скорость распространения взрывной волны превышает скорость звука. Разрушающее действие взрывной волны, связанное с созданием избыточного давления в среде, ослабевает пропорционально квадрату расстояния от места взрыва.

Ударная (взрывная) волна – порожденное взрывом движение окружающей среды, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры газов.

Основным параметром ударной волны является величина максимального избыточного давления, которое создается в окружающей среде.

Особенности ударных волн:

-скорость распространения ударных волн всегда больше скорости звука в невозмущенной среде и зависит от интенсивности ударной волны;

-время действия ударной волны зависит от мощности

взрыва;

-ударные волны сопровождаются перемещением среды в направлении распространения волн возмущения;

-во фронте ударной волны параметры состояния и движения среды изменяются скачком;

-сила воздействия ударной волны постепенно уменьшается с расстоянием от точки взрыва.

Экзотермичность реакции – это первое необходимое ус-

ловие, без которого возникновение взрыва было бы невозможно. Без такого процесса не произошло бы распространение взрыва и разогревание газообразных продуктов реакции до температуры несколько тысяч градусов, сопровождающееся их расширением.

Чем выше теплота реакции, тем более разрушителен взрыв. Для современных взрывчатых веществ, наиболее широко применяющихся на практике, теплота реакции находится в пределах от 3 до 7 мДж/кг.

Высокая скорость процесса – наиболее характерный при-

знак, отличающий взрыв от обычных химических реакций. Переход к продуктам реакции происходит за стотысячные и даже

63

за миллионные доли секунды. Поэтому в очень небольшом пространстве происходит колоссальная концентрация энергии, которая недостижима при любых других реакциях.

Особенно большие плотности энергии достигаются при взрыве конденсированных (твердых или жидких) веществ, которые и находят широкое применение в технике. Как было сказано выше, скорость распространения взрывного процесса по взрывчатому веществу (детонационная волна) может достигать величин 2 – 9 км/с.

Газообразование при высокой скорости процесса сопровождается резким повышением давления. Разрушительный эффект взрыва не мог бы быть достигнут, если бы реакция не сопровождалась выделением большого количества газообразных продуктов. Обычно из 1 л обычных взрывчатых веществ образуется около 1000 л газообразных продуктов, которые в момент взрыва находятся в небольшом пространстве, занимаемом до этого взрывчатым веществом. Максимальное давление при взрыве конденсированных ВВ может достигать сотен тысяч атмосфер.

При взрыве же газообразных ВВ увеличения объема не происходит, а иногда происходит даже его уменьшение (например, в смеси водорода и кислорода). Однако за счет экзотермичности и высокой скорости реакции давление при взрыве может достигать порядка 10 атм. Поэтому так опасны взрывы природного газа в шахтах и квартирах при его утечке.

Взрывчатые вещества представляют собой вещества или их композиции, которые содержат и окислитель (обычно кислород в виде различных функциональных групп – нитро, перхлораты), и восстановитель (органические соединения, алюминий, магний). Все они являются термодинамически неустойчивыми системами, способными под влиянием внешних воздействий (часто очень незначительных) к быстрому экзотермическому превращению.

64

Применяется разная классификация взрывчатых веществ: по характерной в условиях эксплуатации форме химического превращения; по чувствительности к внешним воздействиям; по химической природе или составу; по условиям применения.

Важной характеристикой ВВ является также их детонационная стойкость, мерой которой служит критический диаметр детонации, т.е. наименьший диаметр цилиндрического заряда, при котором детонация распространяется, несмотря на разброс вещества из зоны реакции. Детонационная способность тем больше, чем меньше критический диаметр.

К взрывчатым веществам можно в принципе отнести любые химические соединения, у которых при внешних воздействиях может произойти взрыв. К таким веществам относятся аэрогели и аэрозоли.

Горение аэрозолей и аэрогелей

Аэрозоли и аэрогели – дисперсные системы, состоящие из твердой дисперсной фазы и газообразной дисперсионной среды. Другими словами, аэрозоли и аэрогели представляют собой тонко измельченные твердые вещества диспергированные в газообразной среде.

Дисперсная фаза может состоять из частиц одинаковой величины (монодисперсная система) или частиц разной величины (полидисперсная система). Все промышленные пыли – полидисперсные системы.

В зависимости от среднего размера частиц пыль может длительно находиться во взвешенном состоянии или сразу же оседать после кратковременного перехода во взвешенное состояние.

Если в аэрозоле пыль находится в состоянии взвешенных частиц в воздухе, то в аэрогеле пыль находится в осевшем состоянии и осевшие частички пыли так же как и в аэрозоле, окружены воздушной оболочкой. Только в этом случае концентра-

65

ция горючего вещества в среде окислителя (кислорода воздуха) существенно выше по сравнению с аэрозолем.

По своим свойствам аэрозоли близки к гомогенной горючей газовой смеси. Горение большинства из них протекает с взрывом по многим параметрам, типичным для газовых смесей. Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность и взрывоопасность аэрогеля, являются температура воспламенения и самовоспламенения. В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена.

Характеристика горения аэрогеля. Отличительной осо-

бенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние. При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов. Однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материалом, из которого пыль получена.

Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате чего горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления.

Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионной области может перейти в кинетическую. Кроме того, даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может само-

66

воспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли.

Характеристика горения аэрозоля. Аэрозоли воспламе-

няются и горят аналогично газовым смесям. Их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, которые присущи газовым смесям: минимальной энергией зажигания и максимальным давлением взрыва.

Свойство аэрозолей коагулировать (слипаться) и осаждаться существенно отличает их от газовоздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей.

Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси светящимся пламенем (электромагнитным излучением).

Воспламенение и распространение пламени в аэрозоле происходит только в том случае, если концентрация частичек находится в диапазоне концентрационных пределов воспламенения.

Наименьшая концентрация пыли в воздухе, при которой смесь способна воспламениться от источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПРП).

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) для пыли также существует и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется. Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне.

67

Нижний концентрационный предел распространения пламени пылевоздушных систем зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются:

-мощность искры зажигания;

-влажность пыли;

-зольность материала; содержание летучих компонентов;

-содержание негорючих газов;

-степень дисперсности пыли.

Всостоянии аэрозоля пыль может воспламеняться и гореть в кинетическом режиме, т.е. со взрывом, поэтому за основной параметр пожарной опасности принимается нижний концентрационный предел распространения пламени.

Всостоянии аэрогеля (в осевшем состоянии) пыль может самовоспламеняться и самовозгораться, поэтому для оценки пожароопасных свойств аэрогеля используют температуру само-

воспламенения Тсв.

Температура самовоспламенения аэрозоля всегда значительно выше, чем у аэрогеля, и даже превышает температуру самовоспламенения паров и газов. Объясняется это тем, что концентрация горючего вещества в единице объема аэрозоля в сотни раз меньше, чем у аэрогеля, поэтому скорость выделения энергии в форме теплоты может превышать скорость теплоотдачи только при высокой температуре.

Все горючие пыли можно разделить на две группы и четыре класса.

Группа взрывоопасной пыли:

1 класс: наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП 15 г/м3 и ниже; 2 класс: взрывоопасные пыли с НКПРП от 15 и до 65 г/м3.

Группа пожароопасной пыли:

3 класс: наиболее пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения не выше 250°C;

4 класс: пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения выше 250°C.

68

Так на пищевых предприятиях многие технологические процессы сопровождаются выделением мелкодисперсной органической пыли (мучной, сахарной пудры, крахмальной и др.), которая взрывает при нарушении технологического режима работы.

В табл. 5 приведены температуры самовоспламенения аэрогеля и аэрозоля.

Т а б л и ц а 5

Температура самовоспламенения мучной, табачной и чайной пыли

69