Казанский межвузовский инженерный центр
"НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"
ГОУ ВПО КГТУ
Контрольная работа.
Теория горения и взрыва
На тему:
"Классификация взрывов по плотности вещества, по типам химических реакций. "
Казань 2011 г.
Оглавление
Введение
Взрывы
Классификация взрывов по плотности вещества два основных типа
Классификация по типам химических реакций
Список используемой литературы
Введение
Горение - с детства и навсегда поражающий наше воображение феномен природы - несомненно один из важнейших для природы и человеческой практики физико-химических процессов. Греческий миф о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям, культ огня в других древних мифологиях - своеобразная" поэтическая дань роли огня в возникновении цивилизации.
Научное исследование горения началось в XVIIIв, имеете со стремительный распитием химии. Па первоначальном этапе горение определялось как соединение с кислородом горючих веществ (п первую очередь содержащих водород и углерод). Обобщая эту точку зрения, химики формулируют в то время широко известное высказывание: "Жизнь - это медленное горение"; это высказывание остается первым и поныне, поскольку именно соединение с кислородом накопленного растениями горючего служит источником энергии человека и вообще живых существ.
Выяснение химической сущности горения на этом раннем этапе развития пауки подготовило базу для развитии энергетики и термодинамики, поскольку горение - сонорной поставщик газов высокой температуры и энергии, В конце XIXв. интенсивно занимаются важные исследовании химико-термодинамических равновесий и системе Н3
-На
О--СО-СО,-С-О,, определяющих в первом приближении температуру, достигаемую при горении углеводородных топлен, и состав продуктов горения газон, твердых и жидких, веществ.
Этап изучения горения и взрывов, начавшийся в конце XIXв. и продолжающийся до настоящего времени, был связан с появлением двигателей внутреннего сгорания, развитием внутренней баллистики артиллерийских орудии и взрывного дела, а в последние десятилетия - с широким внедрением в технику реактивных двигателей. Это во многом стимулировало быстрое развитие науки о горении.
На современном этапе исследований процесса горения н центре внимании стоит вопрос о скорости химического превращения. Сегодня горением и взрывом мы называем быстрое протекание реакции в веществе, которое в исходном состоянии инертно. При этом решающим оказывается выделение тепла и/или активных центров при самой реакции. В современном поминании с понятиями горении, взрыва, пламени, детонации и т, д. связывается характер протекания реакции, а не ел химическое содержание: мы говорим, например, о пламени разложения озонэ 203
- * 30й
, хотя в этой реакции выделяется, а не потребляется кислород. Разумеется > полностью научить характер проникания реакции молкни, лишь зная ее элементарные акты, механизм и кинетику химического превращения. Развитие теории горения оказалось, таким образом, тесно связанным - и логически и исторически - с трудами академика Н.Н. Семенова и его школы. Основанный Н. Н, Семеновым Институт химической, физики АН СССР сохраняет ведущее положение и сегодня, когда увеличилось число и расширилась география учреждений, работающих в
области горения и взрывов. Отметим имена ушедших из жизни замечательных ученых. На стыке химической кинетики и науки о горении плодотворно работали В.В. Воеводский, А.В. Загулин, А.А. Ковальский, В. Н, Кондратьев.
Рядом с советской школой химической кинетики возникла и советская школа современной науки о горении,
Развитие теории горения привело к формированию некоторых специфических, асимптотических по своей природе понятий и математических методов. Дело в том, что для теории горения типична весьма сильная зависимость скорости химической реакции от температуры. Если подходить к делу с точки зрения численного решения получающихся уравнений, это вызывает затруднения. Но это же обстоятельство обусловливает плодотворность асимптотических подходов. Само основополагающее понятие в теории горения - понятие пламени, распространяющегося с постоянной скоростью, не зависящей от условий поджигания и определяемой только свойствами и состоянием горючей смеси, - представляет собой продукт асимптотического подхода.
Сильная зависимость скорости химической реакции от температуры обусловливает также специфическое для теории горения резкое различие режимов протекания реакции: существование воспламенения, разнообразных критических условий смены режимов, для которых характерна сильная, в пределе скачкообразная зависимость режима от параметров задачи.
Именно эти асимптотические понятия и подходы имеют значение, далеко выходящее за пределы теории горения. Свидетельством этому являются, например, проблемы механики полимеров, разрушения материалов, распространения импульсов по нервным тканям; в этих и во многих других проблемах с большим эффектом использовались методы теории горения.
Интересные постановки задач возникают при диффузионном горении, когда реагирующие вещества первоначально пространственно разделены. В этом случае можно считать в первом приближении, что скорость химической реакции бесконечна, однако для количества сгорающего вещества и для количества тепла, выделяющегося в единицу времени, получаются конечные выражения. При уменьшении скорости реакции толщина зоны растет, но лишь до определенного предела, за которым следует срыв, погасание пламени - один из типичных примеров критических условий в теории горения.
В качестве примера парадоксальной ситуации, с которой часто приходится сталкиваться в теории горения, упомянем вопрос о гидродинамической неустойчивости плоского фронта пламени. Прямой анализ показывает, что тонкий плоский фронт пламени абсолютно неустойчив к пространственным искривлениям, какой бы длины волны они небыли. Этот выдающийся результат принадлежит замечательному советскому физику-теоретику Л.Д. Ландау (независимо и практически одновременно он получен также французским ученым Дарье (С. Вагпеив)). И тем интереснее было выяснение физико-химических и гидродинамических факторов, обеспечивающих устойчивость пламени, которая наблюдается в экспериментах.
Теория горения, как часть математической физики, включает и использует достижения многих родственных наук - теории тепло - и массообмена, газодинамики реагирующих потоков, химической кинетики, турбулентного движения газа и др. Отбирая материал для книги, предлагаемой вниманию читателя, авторы стремились включить в нее вопросы, наиболее полно характеризующие специфику теории горения как с позиции новых любопытных физико-химических и гидродинамических эффектов, так в с точки зрения разработанных в теории новых математических методов, которые могут быть полезны читателю при решении разнообразных задач, даже весьма далеких от теории горения. Именно на эти методы мы хотели обратить внимание читателя, и название книги подчеркивает эту ее особенность: к "теории горения" добавлено определение "математическая". Подчеркнем еще раз, что основной математический факт теории горения заключен в следующем: исходные дифференциальные уравнения молекулярных и макроскопических процессов и химической кинетики имеют непрерывные решения, непрерывным образом зависящие от параметров, начальных и граничных условий. Но при выделении асимптотик возникает скачкообразность решений, их критичность к малому изменению параметров, т.е. характер решения резко изменяется.
Взрывы
Взрывы чаще всего происходят на пожаро- и взрывоопасных объектах, где могут возникнуть условия для образования газо-паровоздушных смесей, пылевоздушных смесей, где в больших количествах применяются углеводородные газы (метан, этан, пропан). Возможны взрывы котлов в котельных, газовой аппаратуры, продукции и полуфабрикатов химических заводов, паров бензина и других компонентов, муки на мельницах, пыли на элеваторах, сахарной пудры на сахарных заводах, древесной пыли на деревообрабатывающих предприятиях.
Могут быть взрывы в жилых помещениях, когда люди забывают выключить газ. Взрывы происходят на газопроводах при плохом контроле за их состоянием и несоблюдении требований техники безопасности при их эксплуатации. К тяжелым последствиям приводят взрывы рудничного газа в шахтах.
Классификация взрывов по плотности вещества два основных типа
Существуют два основных типа взрыва:
1) взрыв конденсированного ВВ
2) объемный взрыв.
1) ВЗРЫВЫ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВВ
Взрывы этого типа вызываются всеми твердыми ВВ и относительно незначительным числом жидких ВВ, включая нитроглицерин. Такие ВВ обычно имеют плотность, лежащую в диапазоне 1,5 - 1,80 г/см3 (т.е.1500 - 1800 кг/м). Однако первичные ВВ, содержащие свинец или ртуть, имеют намного большие плотности.
К физическим взрывам следует отнести также явление так называемой физической (или термической) детонации. Это явление возникает при смешении горячей
2) ОБЪЕМНЫЕ ВЗРЫВЫ
Объемный взрыв в разреженной среде возникает от смесей воздуха и некоторых окисляющихся веществ в виде пыли, аэрозоли или пара. Такие смеси имеют плотность, едва отличимую от плотности воздуха. Объемные взрывы в разреженной среде можно разделить на два класса: ограниченные и неограниченные.
Все взрывы, кроме одного - пылевого, подробно описанного ниже, были ограниченными. В книге [Bartnecht, 1979] приводится фотография неограниченного взрыва 4 кг пигмента, рассеянного в воздухе, но в ней не обсуждаются неограниченные пылевые взрывы. Можно предположить из-за отсутствия противоположных данных, что такие взрывы не имеют широкого распространения.
Известно мало данных (за одним важным исключением) о серьезных взрывах, связанных с аэрозолями, хотя сравнительно небольшие аэрозольные взрывы случаются не так уж редко в системах сжатого воздуха, где аэрозоль представляет собой туман из масляных капелек. Упомянутое исключение - это авария 20 января 1968 г. в Пернисе (Нидерланды), где, согласно [Pernis, 1968], сильный взрыв при очистке масла произошел после зажигания облака пара, содержащего около 50 т углеводородов.
взрыв реакция химическая плотность
Газовые или паровые взрывы могут быть как ограниченными (их большинство), так и неограниченными, когда количество газа/пара достигает по крайней мере 3 т.
Классификация по типам химических реакций
1) РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ
Самый простой случай взрыва - это процесс разложения, который дает газообразные продукты. Один из примеров - пероксид водорода, который разлагается со значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:
2Н2О2 Н2О + О2 - 23,44 ккал/моль
Как бытовой продукт пироксид водорода продается в виде 3% -ного водного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пироксидом водорода "высокой пробы", концентрация которого составляет 90% или более. Разложение Н2О2 высокой пробы ускоряется рядом веществ, что используется в качестве реактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям. Второй пример - это азид свинца, который легко разлагается при трении или ударе:
PbN6 Pb + 3N2 - 115,5 ккал/моль
Азид свинца - это первичное ВВ, или детонатор. Подавляющее большинство ВВ после детонации дает различные продукты. Например, ТНТ высокой плотности (1,59 г/см3) при детонации дает, согласно [Cook. 1966], продукты реакции разложения, указанные в табл.10.2. Надо отметить, что ТНТ является веществом
ТАБЛИЦА 10.2. Продукты разложения ТНТ
| Продукт | CO | CO2 | H2O | N2 | NH3 | CH3OH | HCN | C |
| Количество моль/кг | 0,6 | 10,0 | 0,8 | 6,0 | 0,4 | 4,7 | 1 | 14,9 |
С "дефицитом кислорода", и поэтому одним из основных продуктов его распада является углерод. При взрывах ТНТ образуется, таким образом, очень много дыма. Большинство бризантных ВВ (за исключением нитроглицерина) - вещества с дефицитом кислорода, т.е. в их молекулах недостаточно атомов кислорода, чтобы образовался 1 моль СО2 на каждый атом углерода, присутствующий в молекуле, и 1 моль Н2О на каждые два атома водорода. Ряд промышленно важных веществ, не классифицируемых как ВВ, ведет себя сходным образом. Они перечислены в [ECD. 1982]; во многих случаях они являются органическими пероксидами.
На основе законов термохимии можно выявить, будет или нет данное соединение способным к взрыву. Согласно [Stull. 1977], если в данной реакции сумма теплот образования продуктов имеет более низкое значение, чем теплота образования исходного соединения, то тогда это вещество потенциально взрывоопасно.
Таким образом, для реакции
А В + С + D
Должно быть
Где δf - теплота образования. * δf имеет положительное значение для соединений, которые поглощают тепло в процессе образования (эндотермическая реакция), и наоборот, отрицательное значение для соединений, которые выделяют тепло в процессе образования (экзотермическая реакция). Например:
Для составных частей в их обычном молекулярном состоянии, например О2, N2, Н2 (но не О3), δf считается равной нулю.
Следует иметь в виду, что применение термохимии может лишь указать на возможность взрывного процесса, тогда как скорость реакции определяет мощность, т.е. силу эффекта. Реакция между воском свечи и кислородом - это реакция высокоэкзотермическая, но обычно не приводит к взрыву.
2) ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Окислительно-восстановительные реакции, в которых воздух или кислород реагирует с восстановителем, весьма обычны и составляют основу всех реакций горения. В тех случаях, когда восстановитель является недиспергированным твердым веществом или жидкостью, реакции горения протекают недостаточно быстро, чтобы стать взрывными. Если, однако, твердое вещество мелко раздроблено или жидкость находится в виде капелек, то возможен быстрый рост давления. Это, вообще говоря, может привести в условиях замкнутого объема к росту избыточного давления вплоть до 8 бар.
3) РЕАКЦИИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ, ИЗОМЕРИЗАЦИИ И КОНДЕНСАЦИИ
Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно, и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер - летучий, как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах, но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию. Этиленоксид может также изомеризоваться в ацетальдегид экзотермическим путем:
Эта реакция, а также реакция разложения ацетальдегида с образованием двух молей постоянных газов обсуждаются в работе:
Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широко применяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов в реакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрировано много примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переноса тепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость реакции - это экспоненциальная функция температуры реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучи функцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательный эффект до некоторой степени компенсируется.
4) РЕАКЦИИ СМЕСЕЙ
Наиболее наглядный пример смеси, которая реагирует со взрывом, - это смесь, известная первоначально под названием "черный порох", а позднее - "дымный порох".
Типичный состав ружейного пороха таков:
| Компонент | Содержание, в % |
Нитрат калия (селитра) Древесный уголь Сера |
75 15 10 |
В этой смеси богатая кислородом селитра окисляет углерод и серу.
Аналогичные эффекты характерны для детонации смесей органических соединений с другими окислителями, такими, как перхлораты или хлораты. Некоторые органические вещества, если намочить их в жидком кислороде и подходящим образом инициировать, взрываются. Древесина, намоченная в жидком кислороде, используется для взрывов в минном деле.
Интересно отметить, что высокоэкзотермичная реакция
Не будет сама по себе приводить к взрыву, так как не образуется газообразных продуктов.
Список используемой литературы
1. Зельдовичь Я.В. "Математическая теория горения и взрывов"
3. По ссылке: http://www.genon.ru/GetAnswer. aspx? qid=b28d75bd-5415-4dff-8317-55879b42e86e
4. По ссылке: http://www.agps-mipb.ru/index. php/2010-12-23-08-05-07/148-10-3-taksonomiya-vzryvov.
5. По ссылке: http://ru. wikipedia.org/wiki/%C2%E7%F0%FB%E2